地震滑坡是地震诱发的次生灾害，往往造成惨重的人员伤亡和巨大的财产损失，而认识边坡的动力响应规律是评价边坡地震稳定性、工程岩体抗震设防和地震滑坡区域预测的关键。众多的震后调查和试验也发现，边坡顶部存在明显的地震动放大现象，是造成边坡失稳的重要原因。然而，影响边坡动力响应的因素众多，主要包括震源特征、传播路径、场地特征等，其涉及岩土体动力学、地球物理学等多学科交叉，极其复杂，加之单面边坡只有一个自由面（图1），解析方法无能为力，难以得出普适性的响应规律，导致边坡地震稳定性评价仍然是活动构造区重大工程建设中最具挑战性的难题之一。
图1 双面坡（a）和单面坡（b）
针对上述重要问题，中国科学院地质与地球物理研究所祁生文研究员等人在已有研究的基础上，基于相似理论，开展了大型边坡振动台物理模拟和原位试验。试验结果表明单面边坡地震动力响应形式具有明显的频率依赖性，当加载频率小于某一临界值，坡面加速度放大系数随加载频率的增大而增大，且坡面加速度放大系数随着坡高的增加而增大；当加载频率大于该临界值，坡面加速度放大系数将减小，且坡面加速度放大系数随着坡高的增加先减小后增大（图2、图3）。试验结果进一步证实Qi et al（2003）、Qi（2006）的发现：即单面边坡存在高边坡动力响应和低边坡动力响应形式，而不仅仅是前人所认识的边坡动力放大现象。
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图2 （a）振动台试验和数值模拟加速度时程曲线；（b）加速度局部放大图；（c）坡面PGA放大系数
图3 不同频率下边坡加速度放大系数分布图。（a）加载频率为15Hz；（b）加载频率为30Hz；（c）加载频率为45Hz；（d）加载频率为60Hz
在此基础上，作者利用物理模拟为约束，校核数值模拟（图2），开展了大量数值试验研究了边坡岩体物理力学参数（密度、弹性模量等）、边坡高度、边坡坡度、输入地震动频率等因素对边坡地震动响应的影响，发现单面边坡动力响应的临界无量纲化坡高H/λ约为0.17～0.20：当无量纲化坡高H/λ≤0.17-0.2时，坡肩加速度放大系数随着H/λ的增大而增大；当H/λ>0.17-0.2，坡肩加速度放大系数将随着H/λ的增大而减小，且当H/λ>0.4时，坡肩加速度放大系数将小于1.0，即边坡地震动响应出现衰减效应。同时，对于特定的边坡高度，坡肩加速度放大系数随着坡度的增大而增大（图4）。最后，基于地震波传播理论，作者解释了边坡出现高边坡动力响应（H/λ>0.2）和低边坡动力响应（H/λ≤0.2）原因在于质点振动模式的显著差异。
图4 坡肩峰值加速度放大系数（坡高H=60 m）及与前人研究对比（（Ashford et al.,1997）、B&P（Bouckovalas and Papadimitriou, 2005）和（Tripe et al.,2013））
该研究从试验角度证实，对于给定的地震动输入，单面边坡动力响应存在高边坡动力响应和低边坡动力响应两类形式，且临界无量纲化坡高H/λ约为0.20；同时，无量纲化坡高H/λ约为0.40时，边坡动力响应不再是放大效应主导，而是衰减效应主导。这一参数为定量研究边坡动力响应问题提供了一个合适的指标，也可为边坡动力稳定性评价提供重要参考。
研究成果发表于工程地质领域国际学术期刊Engineering Geology （祁生文*，贺建先，詹志发. A single surface slope effects on seismic response based on shaking table test and numerical simulation [J]. Engineering Geology, 2022, 306: 106762. DOI: 10.1016/j.enggeo.2022.106762）。研究得到国家自然科学杰出青年基金项目（41825018）和第二次青藏高原综合科学考察研究（QZKK20190904）等项目资助。
美编：陈菲菲
校对：万鹏
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