宋常旭

摘 要：地震對于邊坡作用是造成邊坡失穩(wěn)的主要原因。文章對地震作用下邊坡穩(wěn)定性分析的多種方法進(jìn)行了分析總結(jié)，根據(jù)現(xiàn)有的理論方法，總體上分成了確定性方法和不確定方法兩個(gè)大類。其中確定性方法是當(dāng)前主流的研究方法，并且從定性方法和定量方法兩種手段進(jìn)行了相應(yīng)的介紹、分析、評述，分析了各種方式的特點(diǎn)及適用性，從而提出了現(xiàn)階段研究上存在的不足，希望可以對未來研究發(fā)展的方向起到一定幫助。

關(guān)鍵詞：地震 邊坡穩(wěn)定性 評價(jià)方法 確定性

中圖分類號：P31 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）05（a）-0020-04

地震是造成人員傷亡損失的嚴(yán)重的自然災(zāi)害，地震作用下的邊坡穩(wěn)定性更是巖土工程、地質(zhì)工程、地震工程關(guān)注的重要問題。對于地震作用下邊坡穩(wěn)定性的分析評價(jià)方法的有很多分類，比如：祁生文[1]將邊坡地震穩(wěn)定性評價(jià)方法歸納為：擬靜力法、有限滑動(dòng)位移法、Makdisi-Seed簡化分析法、剪切楔法、概率分析方法以及數(shù)值方法。劉紅帥等[2]從是否考慮邊坡巖土體參數(shù)的不確定性角度，將巖土邊坡地震穩(wěn)定性評價(jià)方法分為確定性方法和概率分析方法兩大類。趙體[3]從評價(jià)原理及手段的角度出發(fā)全面考慮邊坡地震穩(wěn)定性分析的評價(jià)方法，將邊坡地震穩(wěn)定性分析方法大致分為統(tǒng)計(jì)分析、物理試驗(yàn)和計(jì)算分析3類。以上分類都全面地涵蓋了國內(nèi)外地震作用下邊坡穩(wěn)定性的分析方法，但是對于多學(xué)科交叉的方法，并沒有太多涉及，因此，該文在已有的分析方法上，對地震作用下邊坡穩(wěn)定性的分析方法中為確定性方法進(jìn)行了分類、評價(jià)。

1 定性分析

定性分析是一種使用簡單方便，可以快速評價(jià)地震作用下邊坡穩(wěn)定性的方法。它根據(jù)地震滑坡理論，對已發(fā)生地震的地區(qū)震后調(diào)查的大量結(jié)果分析，對震災(zāi)區(qū)域潛在滑坡體做出快速、客觀、準(zhǔn)確地判斷，其中，工程地質(zhì)調(diào)查法和資料統(tǒng)計(jì)為兩種常用方法。

辛鴻博等[4]通過對我國地震觸發(fā)的285例典型邊坡崩滑實(shí)例進(jìn)行分析研究，提出了以場地烈度、震級、震中距為標(biāo)準(zhǔn)的地震邊坡崩滑初判準(zhǔn)則。丁彥慧等[5]通過對我國地震引起的194例地震崩滑實(shí)例的研究分析，建立了適用于我國西部地區(qū)的分級判別地震崩滑的預(yù)測方法。建立了地震崩滑最大震中距與地震震級間存在的對應(yīng)關(guān)系，提出了一種判定邊坡穩(wěn)定性綜合指標(biāo)法，并且得出當(dāng)邊坡的綜合指標(biāo)值小于穩(wěn)定邊坡臨界值時(shí)，邊坡穩(wěn)定，否則邊坡失穩(wěn)。王余慶等[6]通過大量的已有地震滑坡資料分析，在第三級預(yù)測法中進(jìn)行改進(jìn)，在綜合考慮各種條件的共同作用的基礎(chǔ)上，確定以巖性構(gòu)造、坡角、坡高、地震、降雨為主要影響因子，提出了各因子分級賦值的原則和方案，建立了可對不同因子進(jìn)行區(qū)分和量化的含5個(gè)因子的綜合指標(biāo)法計(jì)算式，得出邊坡危害指數(shù)，并結(jié)合實(shí)際地震進(jìn)行了對比驗(yàn)證。黃潤秋等[7]通過“5.12”汶川地震災(zāi)后地質(zhì)災(zāi)害的現(xiàn)場調(diào)查和遙感解譯手段獲得11 308處地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)，對地震地質(zhì)災(zāi)害的分布與距發(fā)震斷裂距離坡度、高程、巖性等因素的關(guān)系進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，指出了這些地震地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生存在明顯的上盤效應(yīng)；距離發(fā)震斷裂越近地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育密度越高；大多數(shù)的崩滑災(zāi)害多發(fā)生在河谷岸坡度較陡，巖體卸荷強(qiáng)烈，地震響應(yīng)最為突出的部位。王秀英等[8]通過收集整理汶川地震記錄的近3 000個(gè)崩滑點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了地震誘發(fā)滑坡與地震動(dòng)峰值加速度之間的對應(yīng)關(guān)系研究，發(fā)現(xiàn)震動(dòng)峰值加速度與地震誘發(fā)崩滑之間存在非常明顯的正相關(guān)性。不同地質(zhì)區(qū)域?qū)?yīng)斜坡臨界加速度有所不同，大多數(shù)在0.05～0.15 g之間變化，峰值加速度如果超過局部場地斜坡臨界加速度后，更加可能誘發(fā)滑坡的發(fā)生。在龍門山震區(qū)存在0.2 g的峰值加速度分界線，高于臨界值地震滑坡造成的地質(zhì)災(zāi)害嚴(yán)重。

定性分析法是地震邊坡穩(wěn)定性判斷分析最直接的一種方法，能準(zhǔn)確、快速判斷地震作用下邊坡的總體規(guī)律，對地震造成的邊坡失穩(wěn)，以及工程抗震提供了有力依據(jù)。但是資料統(tǒng)計(jì)需要大量的數(shù)據(jù)以及資料，對于時(shí)間比較遠(yuǎn)的地震資料，往往記錄的較少，這樣對統(tǒng)計(jì)結(jié)果造成一定影響。工程地質(zhì)調(diào)查法在復(fù)雜的邊坡工程中有著明顯的優(yōu)勢，但缺點(diǎn)也是顯而易見的，如需要更多的人員的現(xiàn)場調(diào)查，或者更多采集數(shù)據(jù)的手段做支撐，耗費(fèi)大量人力物力，做一項(xiàng)完整詳細(xì)的調(diào)查，需要很長的時(shí)間?，F(xiàn)階段，技術(shù)手段相比以往已經(jīng)很先進(jìn)，但還不能足夠快速地進(jìn)行評定。

2 定量分析

定量分析的方法在地震作用下的邊坡穩(wěn)定性評價(jià)中主要是通過一定的數(shù)據(jù)收集，進(jìn)行一系列復(fù)雜分析計(jì)算，進(jìn)而得到一些盡可能精確的數(shù)據(jù)來對邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行評價(jià)，給出一個(gè)較為準(zhǔn)確的結(jié)論，對工程和實(shí)際研究有一定的指導(dǎo)作用。其中對于邊坡地震作用下穩(wěn)定性計(jì)算中，國內(nèi)外常用的方法為計(jì)算邊坡的地震安全系數(shù)或是最大滑動(dòng)位移。

2.1 安全系數(shù)法

考慮地震安全系數(shù)判斷或評價(jià)邊坡穩(wěn)定性有多種計(jì)算方式，其中擬靜力法是最常用的一種方式。

1950年Terzaghi首次將擬靜力法用于計(jì)算地震作用下邊坡穩(wěn)定性問題中，此方法是基于靜力計(jì)算，將地震作用力簡化為水平和豎直兩個(gè)方向的不變的加速度作用，作用于滑坡體的重心，根據(jù)極限平衡理論建立靜力平衡方程和力矩平衡方程，求解邊坡的穩(wěn)定性安全系數(shù)。擬靜力法概念清晰，計(jì)算工作量小，因此得到了廣泛應(yīng)用，并且被編入到相關(guān)規(guī)范中。對于擬靜力法，關(guān)鍵的問題是地震系數(shù)的選取。Terzaghi[9]曾經(jīng)指出，一般性地震情況，水平向系數(shù)取0.1；破壞性地震情況，系數(shù)取0.2；災(zāi)難性地震情況，系數(shù)取0.5。國內(nèi)方面，呂擎峰等[10]認(rèn)為傳統(tǒng)的擬靜力法采用豎向條分法進(jìn)行受力分析不能準(zhǔn)確合理地計(jì)算地震慣性力矩，會(huì)產(chǎn)生誤差。他們在通過計(jì)算豎向力時(shí)采用豎向條分，計(jì)算水平地震力對滑動(dòng)力矩和抗滑力矩的作用時(shí)采用水平條分的方法計(jì)算安全系數(shù)，但是這樣得到的安全系數(shù)小于傳統(tǒng)擬靜力法計(jì)算得到的安全系數(shù)。張建海等[11]提出了采用剛體彈簧元計(jì)算邊坡等在地震波作用下的動(dòng)力安全系數(shù)，此方法得出的安全系數(shù)是隨地震波的作用而發(fā)生變化，從而更深刻地反映了動(dòng)力現(xiàn)象本質(zhì)。

擬靜力法建立在假定理想的剛體基礎(chǔ)上，實(shí)際的邊坡并非剛性體，同時(shí)也很難考慮地震的特性以及邊坡的材料的動(dòng)力特性，因而，擬靜力方法不能特別準(zhǔn)確地評價(jià)邊坡地震作用下的穩(wěn)定性。

通過數(shù)值模擬計(jì)算安全系數(shù)的方法已經(jīng)被國內(nèi)外廣泛應(yīng)用。常用的方法的有有限元法、有限差分法、離散元法。薄景山等[12]使用有限元分析得到邊坡動(dòng)力作用下的應(yīng)力場，再分別對每一時(shí)刻下確定的折線滑裂面和圓弧滑裂面上的抗滑力和下滑力進(jìn)行積分，得到安全系數(shù)時(shí)程曲線，來確定為最小安全系數(shù)。但是用最小安全系數(shù)的方法過于保守，當(dāng)小于最小安全系數(shù)時(shí)，邊坡不一定徹底破壞。因此，劉漢龍等[13]認(rèn)為用整個(gè)地震歷時(shí)中的最小安全系數(shù)評價(jià)邊坡的地震穩(wěn)定性不太合適，提出了用最小平均安全系數(shù)作為評價(jià)指標(biāo)，即利用安全系數(shù)最大振幅的0.65倍作為平均振幅來反映安全系數(shù)隨地震波動(dòng)變化的過程。吳兆營等[14]采用有限元計(jì)算某巖體邊坡的動(dòng)力安全系數(shù)時(shí)程，并給出時(shí)間加權(quán)平均安全系數(shù)。此外，馬芳芳[15]提出以時(shí)間長度上安全系數(shù)的平均值作為評價(jià)指標(biāo)，在可能滑裂區(qū)內(nèi)搜索最小安全系數(shù)均值及對應(yīng)的最危險(xiǎn)滑裂面，考慮了地震荷載對邊坡失穩(wěn)的時(shí)間作用。鄧東平等[16]基于滑動(dòng)面搜索新方法對地震作用下邊坡穩(wěn)定性擬靜力分析，通過算例對比分析，表明此方法計(jì)算得的安全系數(shù)略小于簡化畢肖普、楊布圓弧法和極限分析上限法，得到的臨界滑動(dòng)面與臨界圓弧滑動(dòng)面也頗為相似，而在非均質(zhì)土坡中表現(xiàn)為非圓弧型。

數(shù)值模擬的方法相比擬靜力方法的優(yōu)勢顯而易見，它能解決復(fù)雜條件下邊坡動(dòng)力問題。然而，也對計(jì)算機(jī)性能和軟件硬件條件提出了更高的要求。此外，對于數(shù)值軟件分析是所用到的模型、參數(shù)、邊界條件、本構(gòu)關(guān)系、加載方式等合理地選取，如何更加準(zhǔn)確合理地使用，在未來的研究中還需要更加深入地分析研究。

目前，安全系數(shù)法是國內(nèi)外使用最多的用來評價(jià)邊坡地震作用下穩(wěn)定性的方法，但是仍然存在如何確定最小安全系數(shù)這個(gè)難題。當(dāng)達(dá)到最小安全系數(shù)時(shí)，邊坡仍然有可能并未完全滑落，這對實(shí)際工程和災(zāi)后的判斷產(chǎn)生了重要影響。因此，如何綜合考慮邊坡地震作用下穩(wěn)定性的各方面因素，提出一種合理的最小安全系數(shù)，并且是研究與工程實(shí)際聯(lián)系起來，更加合理地應(yīng)用到實(shí)際的工程中，是未來研究中的核心。

2.2 永久位移法

邊坡地震作用下穩(wěn)定性分析另外一種重要的定量分析是根據(jù)永久位移分析邊坡的穩(wěn)定性。這是一種有別于安全系數(shù)法判別穩(wěn)定性的方法，主要有Newmark滑塊位移法和能量分析法兩大類。

Newmark滑塊分析法是邊坡動(dòng)力穩(wěn)定性分析的常用方法之一。它根據(jù)地震作用下永久位移的標(biāo)準(zhǔn)來評價(jià)邊坡的地震穩(wěn)定性。Newmark法最關(guān)鍵的是屈服地震系數(shù)。Bray等[17]根據(jù)Newmark滑塊機(jī)理，考慮了初始屈服地震系數(shù)（Ky）、初始基本周期（Ts）和當(dāng)退化周期為1.5Ts時(shí)地面運(yùn)動(dòng)的譜加速度的影響，提出了一種簡單的預(yù)測邊坡地震作用下永久位移的模型。祁生文[18]提出了一種考慮了結(jié)構(gòu)面有起伏的條件下，結(jié)構(gòu)面退化的巖質(zhì)邊坡的地震永久位移算法。

Newmark滑塊位移法只考慮了地震作用過程中所產(chǎn)生的永久位移，而忽略了計(jì)算地震作用后的永久位移。董建華等[19]提出了永久位移由地震作用過程中的位移和地震發(fā)生后位移兩部分組成，并且建立地震作用后永久位移計(jì)算模型并求解，計(jì)算結(jié)果表明兩個(gè)位移量的比值很大，因此震后位移不能忽略。通過試驗(yàn)?zāi)Ｐ脱芯课灰谱冃问且环N最為直觀的方式。王思敬[20]將有限滑動(dòng)位移法思路引入到動(dòng)力條件下邊坡穩(wěn)定性分析中，采用大型振動(dòng)臺試驗(yàn)驗(yàn)證了基巖振動(dòng)加速度可以超過極限加速度值而不一定導(dǎo)致動(dòng)力失穩(wěn)，但可能產(chǎn)生一定的最終位移。

國內(nèi)外許多學(xué)者根據(jù)滑塊位移法思想，通過數(shù)值模擬的方式研究邊坡穩(wěn)定性。陶連金等[21]應(yīng)用動(dòng)力離散元計(jì)算了某節(jié)理巖體邊坡的永久位移，并對其進(jìn)行了穩(wěn)定性評價(jià)。劉春玲等[22]利用FLAC3D對某一實(shí)際邊坡進(jìn)行了動(dòng)力分析，討論了利用FLAC3D進(jìn)行邊坡動(dòng)力分析時(shí)如何對參數(shù)進(jìn)行選擇，結(jié)果表明，在地震作用下，邊坡會(huì)發(fā)生一定的永久位移。

以往的Newmark滑塊位移法計(jì)算條件簡單，并沒有考慮豎向地震動(dòng)和孔隙水壓力條件。劉忠玉等[23]選用A型曲線對地震荷載作用下飽和黃土的孔壓變化規(guī)律進(jìn)行了分析發(fā)現(xiàn)：孔壓累積會(huì)降低屈服地震系數(shù)，且與常規(guī)的Newmark法分析的進(jìn)行了比較，結(jié)果顯示考慮孔壓累積時(shí)的永久位移計(jì)算值要大于常規(guī)的Newmark法分析的結(jié)果。黃建梁等[24]提出并建立了根據(jù)水平和豎直地震加速度時(shí)程估計(jì)坡體穩(wěn)定的加速度、速度和位移時(shí)程的方法；討論了地震動(dòng)加速度時(shí)程的確定問題，評價(jià)了地震過程中坡體抗滑強(qiáng)度的衰減問題和孔隙的動(dòng)態(tài)響應(yīng)問題以及坡體地震穩(wěn)定性的評定問題，根據(jù)實(shí)例得出了豎直地震動(dòng)對地震位移計(jì)算的影響很小，在位移計(jì)算中可忽略豎直地震動(dòng)的影響的結(jié)論。此外，李紅軍[25]等利用改進(jìn)的Newmark滑塊位移法，采用時(shí)程豎向加速度計(jì)算屈服角加速度，運(yùn)用擬靜力極限平衡分析和地震動(dòng)力反應(yīng)分析計(jì)算土工結(jié)構(gòu)地震永久變形，根據(jù)算例表明：算屈服角加速度計(jì)算采用時(shí)程豎向加速度得到的滑動(dòng)位移位于豎向加速度假定恒定向上或向下之間。

永久位移的方法很好的反應(yīng)了地震作用下邊坡累計(jì)效應(yīng)，用宏觀的位移量來表示邊坡變形的情況，也是不同于安全系數(shù)法這樣的理論計(jì)算方法，此外，該方法在對地震動(dòng)、邊坡動(dòng)力特性有著準(zhǔn)確認(rèn)識和對地震反應(yīng)有著合理模擬。因此，近些年受到了國內(nèi)外的專家學(xué)者的廣泛關(guān)注和深入研究。但是，永久位移的方法還存在很多的問題。在Newmark方法中，地震運(yùn)動(dòng)是三維的，但在進(jìn)行邊坡地震永久位移計(jì)算時(shí)常采用一維水平地震動(dòng)輸入；在計(jì)算永久位移時(shí)，對巖土體材料、特性以及參數(shù)的變化的研究還不夠明確；Newmark法計(jì)算出的為一個(gè)平均位移，這樣造成了無法確定邊坡潛在滑移面各點(diǎn)的分布規(guī)律。近些年，雖有一些專家學(xué)者進(jìn)行過一些大型振動(dòng)臺或離心機(jī)試驗(yàn)，但用于邊坡地震穩(wěn)定評價(jià)還不夠明確?；谀芰糠治龇ㄅ袛嘤谰梦灰?，雖有相關(guān)研究，但數(shù)量還是很少，很難應(yīng)用到實(shí)際工程或是穩(wěn)定性評價(jià)。

3 結(jié)語與展望

該文就邊坡地震作用下穩(wěn)定性分析問題從過往的研究、發(fā)展和分析方法方面進(jìn)行了總結(jié)，并進(jìn)行了分類。雖然國內(nèi)外的專家學(xué)者在邊坡穩(wěn)定性分析評價(jià)方面已經(jīng)取得了大量的富有成效的成果以及結(jié)論，但是仍在存在一定的不足以及未來發(fā)展的需要關(guān)注的方面。

（1）定性分析方法依靠工程地質(zhì)調(diào)查和資料統(tǒng)計(jì)手段來進(jìn)行分析評價(jià)，但對資料與數(shù)據(jù)的數(shù)量上來說，還是相對的比較缺乏，但是今后如何建立數(shù)據(jù)庫，以及將已有數(shù)據(jù)和資料與更多新的方法理論聯(lián)系起來，用今后的工程實(shí)例來驗(yàn)證，可能未來發(fā)展的新方向。

（2）根據(jù)安全系數(shù)法確定穩(wěn)定性方法是國內(nèi)外最為常用的方法，在對于地震系數(shù)的研究上已經(jīng)取得了一定的效果，但在地震動(dòng)峰值加速度的放大系數(shù)的研究還不夠深入，還不能準(zhǔn)確的給出快速準(zhǔn)確的給出地震系數(shù)。

（3）計(jì)算機(jī)軟件的發(fā)展，依據(jù)相關(guān)軟件分析提出的方法也是屢見不鮮，但如何將在地震作用下產(chǎn)生邊坡失穩(wěn)的各種因素，比如地震動(dòng)參數(shù)，巖土體等各種參數(shù)都考慮全面，綜合起來，得出更為準(zhǔn)確的安全系數(shù)，并且用已發(fā)生的實(shí)例進(jìn)行詳細(xì)分析對比，從而應(yīng)用到未來的地質(zhì)災(zāi)害中或是工程案例中。

（4）豎向地震動(dòng)已經(jīng)被認(rèn)為對邊坡穩(wěn)定性等影響起到了一定的作用，不少專家學(xué)者已經(jīng)有相關(guān)研究，但是對于豎向地震動(dòng)在地震作用下如何產(chǎn)生作用，以及對邊坡穩(wěn)定性影響所占的比重是多少的相關(guān)研究卻很少。

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