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期刊: Landslides

作者: Yingbin Zhanga, Yao Xiaoa, Xiaofu Huangb, Pengcheng Yua, Dejian Lia, Qingdong Wangc, Dongliang Huangd & Xianqing Chenga.

工作單位: a: 西南交通大學

              b: 中鐵隧道勘察設計研究院

              c：蘭州交通大學

              d：中南大學

大量證據(jù)表明，地震誘發(fā)的落石比重力誘發(fā)的落石具有更強的移動性?，F(xiàn)場數(shù)據(jù)一致表明，落石在移動過程中往往伴隨坡面搖動。為探究坡面搖動對落石移動性的影響，開展了一系列超過3000次的振動臺試驗。試驗考慮了地震動特性（振幅和頻率）、落石性質（形狀和初速度）以及坡面條件（平坡和凸坡）等多種因素。采用方差分析和軌跡分析方法，系統(tǒng)地總結了不同條件下落石的運動規(guī)律及其影響因素。其中，滑出距離和側向位移是分析的主要指標。試驗結果表明，地震動在決定落石運動學特性方面起著至關重要的作用。其中，地震荷載的振幅對落石的運動學行為有顯著的影響。與無地震荷載的情形相比，較大的振幅會導致落石移動性更強，滑出距離和側向位移也顯著增大。落石的運動具有很強的內(nèi)在隨機性，其滑移距離和側向位移分布近似服從高斯分布。此外，落石的形狀是影響其運動學特征的另一個重要因素。側向邊緣較多的落石滑移距離和側向位移較大。這些發(fā)現(xiàn)有助于闡明邊坡震動與落石運動之間的復雜關系，從而更深入地理解地震事件的動力學和潛在危險。

圖1 瀘定地震和尼泊爾地震引發(fā)的山體崩塌造成房屋和基礎設施損壞（作者拍攝）

圖2 振動臺、傳動裝置、邊坡模型實景及示意圖

圖3 試驗所用落石樣本及簡化示意圖：(a) TP，(b) QP，(c) PP，(d) HP

圖4 最大誤差與試驗次數(shù)的關系。(a)給出了兩種位移在5%置信度下的擬合曲線及置信區(qū)間，并給出了各擬合曲線的方程及擬合優(yōu)度R2。(b)擬合曲線的一階導數(shù)

圖5 所有平行試驗結果分布。(a) 所有落石的位移及位置分布曲線。(b) 不同形狀落石的滑行距離與側向位移箱線圖

圖6 在不同頻率、振幅和形狀效應下位移的三維表面圖。左圖為滑行距離，右圖為橫向位移

圖7 不同落石形狀的長細比對落石在振幅為600 cm/s2、頻率為6 Hz的地震動作用下運動的影響。(a) 滑出距離。(b) 橫向位移

圖8 在不同試驗條件下進行的60次平行試驗中，不同形狀落石的滑出距離和側向位移分布直方圖同時包含最大值、最小值和平均值。（a）TP，振幅=600 cm/s2，頻率=10 Hz。（b）QP，振幅=900 cm/s2，頻率=6 Hz。（c）PP，振幅=300 cm/s2，頻率=6 Hz。（d）HP，振幅=600 cm/s2，頻率=4 Hz

本研究利用振動臺試驗分析了地震誘發(fā)的落石，重點研究其運動學行為及其對災害管理的影響。通過對3000多次試驗的統(tǒng)計分析，發(fā)現(xiàn)落石運動表現(xiàn)出顯著的隨機性，其滑行距離和橫向位移大致服從高斯分布。這種隨機性凸顯了概率方法在落石風險建模中的重要性，而非純粹的確定性方法。

結果表明，地震地面運動通過振動提供額外的動能，放大了落石的彈跳和滾動行為，從而顯著增強了落石的流動性。研究發(fā)現(xiàn)，地面運動振幅與滑行距離之間存在明顯的正相關關系。這一發(fā)現(xiàn)強調了在災害評估中考慮地震振幅的必要性，尤其是在地震多發(fā)地區(qū)。然而，頻率的影響呈現(xiàn)出更為復雜的模式，這表明需要進一步研究以完善預測模型。

落石的特征，例如形狀和長細比，也對滑行距離和橫向位移起著關鍵作用。球形落石具有較多橫向邊緣，在運動過程中能量耗散較少。相反，細長的落石更容易滑落，而不是有效地彈跳。這些見解對于評估不同類型的落石的潛在影響區(qū)域至關重要，從而能夠更精確地繪制災害地圖。

此外，初速度和坡度類型顯著影響落石行為。由于摩擦損失減少，凸坡比直坡滑出距離和橫向位移更大。這些因素對于評估交通走廊沿線或基礎設施附近的風險尤為重要，因為這些地方的坡度幾何形狀和滑脫條件差異很大。

然而，本研究也存在一些需要注意的局限性。首先，實驗采用了頻率范圍有限（4、6、8 和 10 Hz）的簡諧波，無法完全捕捉真實地震事件的復雜頻率成分，這可能會限制結果在自然地震場景中的適用性。其次，為了確保實驗的一致性，落石樣本的釋放方向是固定的，而在自然界中，落石的滑脫方向可能多種多樣，這可能會影響其軌跡和最終位置。第三，坡度模型由光滑的鋼板構成，不同于自然坡度不均勻且粗糙的表面，這可能會對落石運動學產(chǎn)生不同的影響。此外，雖然選擇簡單的棱柱形落石模型對于研究滑行距離是有效的，但它并不能完全解釋在自然發(fā)生的不規(guī)則形狀落石中觀察到的橫向擴散現(xiàn)象。因此，這一局限性限制了橫向擴散研究結果的更廣泛應用。

為突破這些局限性，未來研究應重點關注以下方向：（1）結合實際坡體材料和地形，增強實驗裝置的真實感，簡化鋼板模型，提高其在自然條件下的適用性；（2）探索更大尺寸和更多形狀的落石，以確定觀測到的運動行為是否適用于實際自然環(huán)境中的大型落石，從而克服小尺寸和單一形狀樣本的局限性，更好地研究落石的三維運動特性；（3）研究頻譜更寬的地面運動，有助于更全面地理解地震對落石動力學的影響，克服本文所用頻率范圍較窄的局限性。實驗結果為地震條件下落石的運動學特征提供了寶貴的見解，有助于改進風險評估模型，并為地震多發(fā)地區(qū)的減災策略制定提供參考。雖然本研究并不針對特定區(qū)域或直接實施這些應用，但它為未來落石災害管理的研究和實際工作奠定了基礎。

Zhang, Y., Xiao, Y., Huang, X. et al. Rockfall movement and propagation during earthquakes: Insights from shaking table tests. Landslides (2025).