Испытания на встряхивающем столе и численный анализ круто наклонённых слоистых скальных откосов при сейсмических воздействиях

Почему крутые горные склоны могут внезапно срываться

Во многих сейсмоопасных горных районах поселения, дороги и водохранилища расположены у подножий каменистых склонов, которые кажутся твёрдыми и неподвижными. Однако при сильных толчках некоторые из этих склонов могут внезапно оторваться и обрушиться вниз в виде быстрых разрушительных оползней. В этом исследовании рассматривается особый тип склона, сложенного наклонными слоями горной породы, и ставится практический вопрос: при землетрясении как именно такие, казалось бы стабильные, склоны сначала трескаются, затем разрушаются, и что определяет, будет ли повреждение незначительным или катастрофическим?

Скрытые слабые места внутри горной породы

Исследуемые откосы состоят из уложенных друг на друга слоёв породы, как наклонённая колода карт. В таких «круто наклонённых» склонах слои наклонены ещё круче, чем внешний склон холма, что при обычных условиях обычно создаёт видимую устойчивость. Тем не менее поверхности между слоями являются естественными слабыми плоскостями. Исследователи сосредоточили внимание на коротком, более прочном блоке вблизи подошвы откоса, известном как запирающий участок, который удерживает верхнюю массу пород. Когда этот участок выходит из строя, весь склон может внезапно потерять опору.

Встряхивание миниатюрной горы

Чтобы проследить поэтапное развитие разрушения, команда создала большую физическую модель круто слоистого откоса, используя тщательно подобранные материалы, чья прочность и жёсткость имитируют настоящую породу. Модель разместили на мощном встряхивающем столе, способном воспроизводить землетрясочные движения. Используя как реальную запись сейсмических колебаний землетрясения Вэньчуань 2008 года, так и контролируемые синусоидальные сигналы, они постепенно увеличивали интенсивность встряски. Сначала появлялись лишь небольшие растягивающие трещины у верхнего края откоса. При более сильной встряске эти трещины распространялись вниз вдоль слоёв породы, образуя у подошвы запирающий блок, который временно препятствовал сдвигу. Когда встряска усилилась ещё больше, этот запирающий блок внезапно срезался — трещины, ограниченные слоями, соединились в непрерывную поверхность скольжения, и надлежащая масса пород сорвалась вниз.

Заглядывая внутрь с помощью цифровых «камней»

Один только физический макет не даёт лёгкой возможности увидеть распределение напряжений во всех частях откоса, поэтому исследователи также использовали компьютерный инструмент — симуляцию потока частиц. В этом методе массив породы представлен тысячами маленьких связанных между собой частиц, чьё движение подчиняется простым физическим законам. Тщательно подобрав связи между частицами так, чтобы виртуальная порода вела себя как реальный материал, они воссоздали испытываемый откос и «встряхнули» его численно тем же землетрясенным сигналом. Компьютерная модель воспроизвела ту же четырёхэтапную картину: начальные трещины у гребня, рост трещин вниз и формирование запирающего блока, внезапное срезание этого блока и затем смещение скользящей массы. Это придало команде уверенности, что ключевые процессы правильно захвачены.

Как геометрия слоёв изменяет исход

В цифровой модели команда могла легко варьировать угол и толщину слоёв породы. Они обнаружили, что когда слои наклонены лишь немного круче, чем поверхность откоса, основной опасностью было классическое скольжение: запирающий участок у подошвы срезался, и вся масса соскальзывала по комбинированному пути, состоящему из плоскостей слоёв и разрушенной подошвы. Но если слои были значительно круче, запирающий участок в основном сохранялся. Вместо этого наружные слои ближе к поверхности изгибались и рвались в растяжении от внешней стороны внутрь, формируя ступенчатое, похожее на опрокидывание разрушение, а не один крупный срыв. Изменение толщины слоёв меньше влияло на общую схему разрушения, но более тонкие слои чаще испытывали более серьёзное скольжение, так как они были более стройными и легче изгибались и ломались.

Что это значит для более безопасного проживания в горах

Для инженеров и планировщиков послание исследования звучит так: даже скальные откосы, кажущиеся устойчивыми в спокойных условиях, могут скрывать уязвимую последовательность разрушений при землетрясении. Разрушение часто начинается с мелких трещин вдоль плоскостей слоёв у гребня, затем распространяется вниз, пока ключевой блок у основания либо не срежется, вызвав быстрый оползень, либо пока наружные слои не отслоятся поэтапно. Поскольку первые повреждения обычно проявляются на гребне, укрепление этой зоны и ключевых запирающих участков может значительно повысить безопасность. Эти выводы дают более чёткое представление о том, когда и как крутые слоистые откосы могут разрушаться при будущих землетрясениях, и помогают руководить проектированием, мониторингом и планированием аварийных действий в горных районах.

Цитирование: Wang, C., Zhang, P., Dong, J. et al. Shaking table model test and numerical analysis of the steeply dipping bedded rock slopes under seismic actions. Sci Rep 16, 10788 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-40667-4

Ключевые слова: землетрясения оползни, устойчивость скальных откосов, слоистые скальные откосы, сейсмическое разрушение откосов, численное геотехническое моделирование