在地震作用下陡倾层状岩坡的振动台模型试验与数值分析

为什么陡峭的山坡会突然失稳

在许多地震易发的山区，城镇、公路和水库往往坐落在看似坚固不动的岩坡下方。然而，在强烈震动时，这些坡体中的部分会突然失稳，作为快速且破坏性强的滑坡沿坡面下坠。本文研究了一类特殊的山体——岩层向山体内部陡倾的坡面，提出了一个实用问题：在地震作用下，这些看似稳定的坡体如何从出现裂缝到最终失稳，哪些因素决定损害是轻微还是灾难性的？

岩体内部的隐蔽薄弱面

这里考察的坡体由叠置的岩层构成，类似一叠倾斜的纸牌。在这些“陡倾”坡体中，岩层的倾角往往比坡面本身更陡，这在日常情况下会让人觉得它们相当稳定。然而，层间面是天然的薄弱面。研究者关注坡脚附近的一个短而较坚硬的构件，称为锁定段，它在维持上部岩体稳定方面起重要作用。一旦该段破坏，整个坡体就可能失去支撑而迅速失稳。

摇晃一个微缩山体

为了逐步观察破坏过程，研究团队用配比调制的材料构建了一个大型物理模型，以模拟真实岩石的强度和刚度。他们将模型置于能重放地震运动的强力振动台上，既用2008年汶川地震的实测地震记录，又用受控的正弦波来逐步加大振动强度。起初，仅在坡顶附近出现小的张开裂缝。随着震动增强，这些裂缝沿着层面向下扩展，在坡脚形成一个暂时锁住坡体的锁定块。当震动再增大时，这一锁定块突然剪切破坏，将沿层的裂缝连成连续的滑动面，使上覆岩块一跃而下。

用数字岩体窥视内部

单靠物理模型难以全面揭示坡体内部的应力分布，因而研究者还采用了一种称为颗粒流模拟的数值工具。在该方法中，岩体由成千上万带粘结的小颗粒表示，其运动遵循简单的物理规则。通过调节颗粒间粘结参数，使虚拟岩体表现出与真实材料相似的力学特性，他们重建了试验中的坡体并以相同的地震波对其“数值摇晃”。计算模型再现了同样的四个阶段：坡脊处的初始裂缝、裂缝向下发展并形成锁定块、该块的突发剪切以及滑体的整体平移。这使团队相信关键过程已被正确捕捉。

坡体几何如何改变破坏模式

通过数字坡体，研究者可以方便地改变岩层的倾角和厚度。他们发现，当岩层的倾角仅比坡面略陡时，主要危险是典型的滑移：基部的锁定段剪切破坏，整个坡体沿由层面与破碎坡脚共同组成的组合路径滑动。但当岩层显著更陡时，锁定段通常保持完整；取而代之的是外层近表面的岩块从外向内发生弯曲和张裂，呈阶梯状或倾覆式破坏，而不是一次性的大规模滑落。改变层厚对基本破坏模式的影响较小，但较薄的岩层更纤细、更易弯曲与断裂，因此更容易发生严重的滑动。

对更安全山区居住的启示

对工程师与规划者而言，这项研究的要点是：即便在平静天气下看似稳定的岩坡，地震时也可能隐含一套脆弱的破坏序列。破坏通常先从坡肩附近沿层面出现小裂缝，随后向下推进，直至坡脚的关键锁定段要么剪切脱落、引发快速滑动，要么外层分段剥落。由于首批损伤往往出现在坡脊处，加强该区域及关键锁定段的加固能显著提高安全性。这些见解有助于更清晰地判断陡层状岩坡在未来地震中何时以及如何发生破坏，从而为山区的设计、监测与应急规划提供参考。

引用: 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

关键词: 地震滑坡, 岩坡稳定性, 层状岩坡, 地震诱发边坡破坏, 数值岩土模拟