試驗證實單面邊坡存在兩種動力地震響應形式
地震滑坡是地震誘發的次生災害，往往造成人員傷亡和財產損失，而認識邊坡的動力響應規律是評價邊坡地震穩定性、工程巖體抗震設防和地震滑坡區域預測的關鍵。較多震后調查和試驗發現，邊坡頂部存在明顯的地震動放大現象，是造成邊坡失穩的重要原因。然而，影響邊坡動力響應的因素眾多，主要包括震源特征、傳播路徑、場地特征等，涉及巖土體動力學、地球物理學等學科，頗為復雜；加之單面邊坡只有一個自由面（圖1），解析方法難以得出普適性的響應規律，導致邊坡地震穩定性評價仍是活動構造區重大工程建設中頗具挑戰性的難題之一。
圖1.雙面坡（a）和單面坡（b）
科考任務九專題四承擔單位—中國科學院地質與地球物理研究所研究員祁生文等在已有研究的基礎上，基于相似理論，開展了大型邊坡振動臺物理模擬和原位試驗。試驗結果表明，單面邊坡地震動力響應形式具有明顯的頻率依賴性，當加載頻率小于某一臨界值，坡面加速度放大系數隨加載頻率的增大而增大，且坡面加速度放大系數隨著坡高的增加而增大；當加載頻率大于該臨界值，坡面加速度放大系數將減小，且坡面加速度放大系數隨著坡高的增加先減小后增大（圖2、3）。試驗結果進一步證實既往的研究成果【Qi et al.（2003）、Qi（2006）】：單面邊坡存在高邊坡動力響應和低邊坡動力響應形式，而不僅僅是前人認識的邊坡動力放大現象。
圖2.（a）振動臺試驗和數值模擬加速度時程曲線；（b）加速度局部放大圖；（c）坡面PGA放大系數
圖3.不同頻率下邊坡加速度放大系數分布圖：（a）加載頻率為15Hz；（b）加載頻率為30Hz；（c）加載頻率為45Hz；（d）加載頻率為60Hz
在此基礎上，研究利用物理模擬為約束，校核數值模擬（圖2），開展大量數值試驗探究邊坡巖體物理力學參數（密度、彈性模量等）、邊坡高度、邊坡坡度、輸入地震動頻率等因素對邊坡地震動響應的影響，發現了單面邊坡動力響應的臨界無量綱化坡高H/λ約為0.17～0.20：當無量綱化坡高H/λ≤0.17-0.2時，坡肩加速度放大系數隨著H/λ的增大而增大；當H/λ>0.17-0.2，坡肩加速度放大系數將隨著H/λ的增大而減小，且當H/λ>0.4時，坡肩加速度放大系數將小于1.0，即邊坡地震動響應出現衰減效應。同時，對于特定的邊坡高度，坡肩加速度放大系數隨著坡度的增大而增大（圖4）。基于地震波傳播理論，研究闡釋了邊坡出現高邊坡動力響應（H/λ>0.2）和低邊坡動力響應（H/λ≤0.2）原因在于質點振動模式的顯著差異。
圖4.坡肩峰值加速度放大系數（坡高H=60 m）及與前人研究對比【Ashford et al., 1997；B&P（Bouckovalas and Papadimitriou，2005）和Tripe et al., 2013
該研究從試驗角度證實，對于給定的地震動輸入，單面邊坡動力響應存在高邊坡動力響應和低邊坡動力響應兩類形式，且臨界無量綱化坡高H/λ約為0.20；同時，無量綱化坡高H/λ約為0.40時，邊坡動力響應不再是放大效應主導，而是衰減效應主導。這一參數為定量探索邊坡動力響應問題提供了合適的指標，并可為邊坡動力穩定性評價提供重要參考。
相關研究成果發表在Engineering Geology上，祁生文，賀建先，詹志發. 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.研究工作得到第二次青藏高原綜合科學考察研究和國家自然科學基金國家杰出青年科學基金項目等的支持。