基于應力分析的黃土層內滑坡地震失穩機制

趙文琛，吳志堅,2，王　謙,2，陳豫津

(1.中國地震局蘭州地震研究所 黃土地震工程重點實驗室，甘肅 蘭州 730000；2.甘肅省 巖土防災工程技術研究中心，甘肅 蘭州 730000)

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基于應力分析的黃土層內滑坡地震失穩機制

趙文琛1，吳志堅1,2，王謙1,2，陳豫津1

(1.中國地震局蘭州地震研究所 黃土地震工程重點實驗室，甘肅 蘭州 730000；2.甘肅省 巖土防災工程技術研究中心，甘肅 蘭州 730000)

針對黃土高原地區黃土層內地震滑坡災害易發多發和破壞性強的特點，選取三處典型滑坡進行考察，得出了此類滑坡的失穩破壞特征。進一步結合斜坡不同部位土體的受力特點和剪切破壞形式，將地震作用以應力形式引入，分析得到了該類滑坡發生時不同部位土體的剪切破壞形式及應力狀態變化下剪應力的變化規律。從而基于應力分析給出了具有坡頂土體首先發生小主應力減小主導的拉張型剪切破壞，坡面土體隨后發生大主應力增加主導的壓剪型剪切破壞，黃土震陷降低滑面摩擦阻力加速滑體滑移特點的黃土層內滑坡地震失穩機制，進而針對此類滑坡地震失穩機制提出了相應的加固及防護措施。

黃土層; 地震滑坡; 剪切破壞; 剪應力; 地震失穩機制

黃土特有的多孔隙和弱膠結的結構特性及黃土高原地區新構造運動活躍和強震多發背景決定了該區黃土地震滑坡災害十分發育[1]，尤其是歷次強震誘發的黃土層內滑坡，數量多，規模大，造成了極大的人員傷亡和財產損失[1-4]。因此，深入研究地震作用下黃土層內滑坡失穩機制，對于提高黃土高原地區的斜坡防護治理能力以及城鎮場址規劃具有迫切的現實和科學意義。

土質邊坡失穩滑動源于其內部分土體發生剪切破壞，而土體剪切破壞的發生和破壞類型受應力狀態控制。在地基基礎等承受垂直向荷載的工程類型中，土體失穩時發生因豎向荷載過大導致的形式較為單一的剪切破壞[5]。與之不同，邊坡體內不同部位土體的應力狀態差異明顯，失穩時剪切破壞的形式也不盡相同。此外，土體剪切破壞的發生與否則取決于其剪應力的大小和變化趨勢，剪應力原本就大且增長快的土體接近破壞的速度更快。已有的黃土斜坡地震失穩機理大多偏重于以地震慣性力和孔隙水壓力為根本誘發原因進行定性分析[6-9]，而少有關注土體破壞具體形式和過程的基于應力分析的失穩機制。

因此，深入分析黃土層內地震滑坡失穩前后斜坡不同部位土體應力狀態變化和剪應力變化趨勢，明確土體剪切破壞的形式，對于揭示黃土層內滑坡地震失穩機制以及提出有效的防護治理措施具有重要的研究意義。

1　黃土層內滑坡地震失穩破壞特征

1.1典型黃土層內地震滑坡

1.1.1華縣地震風陵渡鳳凰咀滑坡

鳳凰嘴咀古滑坡(圖1)是大地震誘發的一處典型滑坡遺跡，滑坡整體呈“環谷”狀，平面形態接近“圈椅”形，縱長約100 m，橫寬約290 m。滑坡整體落差約為60 m，平均坡度30°，滑坡體土方量約為80×104m3。滑坡后壁高于一級滑坡臺10 m，上部陡峭接近直立，存在大量拉張型裂縫，下部坡度稍緩，壁面整體清晰，容易辨識。滑坡左側壁保存完整，右側壁上下兩段因開挖上山便道遭到破壞，中段尚存。滑體自滑坡臺以下部分因邊坡改造治理破壞嚴重，特征較難識別。

圖1　風陵渡鳳凰咀滑坡

1.1.2永登地震七山鄉圪垯溝滑坡

1995年7月22日甘肅省永登縣七山發生了5.8級地震，震中位置位于永登縣圪達溝至馬家山城之間(36.4°N、103.2°E)，震源深度10 km，極震區地震烈度為Ⅷ度。該地震震級雖然不大，但由于震源淺，且發生在黃土覆蓋層較厚的丘陵地區，故其震害與震級相比偏于嚴重，黃土斜坡失穩現象隨處可見[12]。Ⅷ度區主要以圪垯溝的破壞最為嚴重，山體滑坡造成該村6人死亡。

圪垯溝滑坡(圖2)沿高約40 m的黃土梁南側面產生滑動，坡度較陡，后緣輪廓清晰，后壁及左右側壁均保存較為完整，后壁上部梁頂存在大量裂縫。滑體向南覆蓋于村內民居之上，造成房毀人亡。圪垯溝黃土滑坡整體形態呈“長弓”狀，寬約160 m，高約40 m。滑坡平均坡度40°，滑坡體土方量約為15×104m3。滑坡后緣輪廓清晰，滑坡后壁壁面較為粗糙。滑坡后緣梁頂存在大量拉張型裂縫，裂縫最大深度達50 cm。

圖2　永登圪垯溝滑坡

1.1.3岷縣漳縣地震岷縣維新鄉堡子村滑坡

2013年7月22日，甘肅省定西市岷縣、漳縣交界處(34.5°N、104.2°E)發生6.6級地震，震源深度20 km，最大烈度為Ⅷ度。地震觸發了大量滑坡，多以小型黃土崖崩(崩塌、崩落、崩滑)為主，包括深層滑坡、泥流狀滑坡等類型較為少見的滑坡。滑坡造成了嚴重的災害，包括人員傷亡、電纜、管線、公路與鐵路等基礎設施損毀，居民點損毀等[13]。

堡子村滑坡(圖3)位于岷縣維新鄉，屬于黃土層內滑坡。該滑坡后緣近乎直立，傾角約70°，最高點至坡腳高差約200 m，滑移距離不足100 m。滑坡后緣能夠明顯觀察到的滑移后壁面長約150 m，高約80 m，滑坡體土層厚度近30 m，滑體總土方量約70×104～100×104m3。掩埋了十二戶農居，造成2人死亡[14]。

圖3　維新鄉堡子村滑坡

1.2黃土層內地震滑坡破壞特征

根據上述三處典型黃土層內地震滑坡失穩滑動情況，可將此類滑坡特征歸納如下：黃土層內地震滑坡多發于黃土梁、塬邊，為滑體重心較高的凸面型滑坡；滑坡土體干燥；滑坡后緣存在明顯的拉裂特征；滑裂面上部陡峭下部平緩且大多貫通至頂部；滑帶土土體性質與周圍土體土性相近，無明顯地質軟弱帶；滑裂面多沿坡面下部及坡腳處剪出，剪出口不低于地面線；滑速高，歷時短。

2　黃土層內滑坡地震失穩土體剪切破壞形式及剪應力變化特征

2.1黃土層內滑坡地震失穩土體受力特點及剪切破壞形式位于邊坡體內不同部位的土體，應力狀態差異明顯，失穩時滑裂面上的土體雖然都發生剪切破壞，但剪切破壞的類型卻不盡相同。

對于靜力條件下的黃土滑坡，“典型黃土斜坡”漸進變形破壞模式將土體破壞分為三個區域，即坡頂拉張破壞區、破體中部剪切破壞區和坡腳壓剪破壞區[15]。

地震作用下，由于黃土中垂直節理發育[16]，故坡頂邊緣土體受地震橫豎向拉張作用影響強烈[17～19]，水平向小主應力被削弱減小，垂直節理極易發展為土體內部豎向裂隙，從而降低土體強度，使土體發生因水平向主壓應力減小的拉張型剪切破壞并沿豎向裂隙開裂，形成高陡且多有豎向裂痕的滑坡后壁。圖4為取自圪垯溝滑坡頂部含有豎向裂縫和表面平整土體以下2 m深處土樣在相同圍壓下的靜三軸試驗應力-應變曲線，試樣的天然含水率和密度均相近，可以看出，前者強度明顯低于后者，而且由于豎向隱蔽裂隙的存在，使得前者在達到一定應變時應力驟降，導致強度進一步降低。

圖4　滑坡頂部土體應力應變曲線

不同于主滑帶，由軟弱帶破壞發展而成的的滑坡，黃土層內地震滑坡滑帶土土體組成與周圍土體并無差異，因此沒有沿軟弱帶發生蠕動的可能。加之黃土結構性強，受力破壞變形小的特點，故此類滑坡坡面土體內很難產生拉應力，主要發生因頂部失穩土體的擠壓，沿滑面方向大主應力增加，垂直于滑面方向小主應力減小而導致的剪切破壞。

2.2黃土層內滑坡地震失穩土體剪應力變化特征土體剪應力受應力狀態控制，斜坡不同部位土體受力特點和應力水平本就不同，故在邊坡失穩前，其剪應力水平不同，在邊坡失穩過程中，隨著應力狀態變化的不同，其剪應力的變化趨勢更是不盡相同。

為半定量化分析黃土層內滑坡地震失穩過程中不同受力段土體的應力狀態變化，分別選取位于坡頂及坡面且埋深均為h，鉛垂向應力σz相等的T、M兩點處的土體，將地震作用以應力的形式引入，分析計算兩處土體在地震作用下邊坡失穩前后的應力狀態，揭示其剪應力變化規律。

處在地震作用下的土體，其應力狀態是由地震形成的動應力和自重形成的靜應力的疊加，且動應力的大小和方向都在時刻變化。將地震作用下的垂直動應力σn和水平動應力σs定義為[17]。

σn=ρcnvn；

(1)

σs=ρcsvs；

(2)

(3)

(4)

式中：ρ為土體密度；vn為土體中質點的豎向振動速度；vs為質點的水平向振動速度；cn為縱波波速；cs為剪切波速；K為體積變形模量；G為剪切模量。

取動應力最大值和最不利于穩定的方向，則邊坡一點土體應力狀態如圖5所示[17]，一般認為地震以橫向作用為主，故取σs>σn[20]。

圖5　地震作用下土體應力狀態

圖6為邊坡穩定時(σ0)、靜力條件下開始失穩時(σ)和地震作用下開始失穩時(σe)兩個部位土體的應力狀態。受滑裂面形成及滑動的影響，坡頂T點土體小主應力σ3t逐漸減小；受坡頂失穩土體的擠壓，坡面M點土體大主應力σ1m大幅增加，小主應力σ3m也有所增大。受地震橫豎向拉張作用(σs和σn)影響，坡頂T點土體大主應力σ1t和小主應力σ3t均被削弱，坡面M點土體大主應力σ1m和小主應力σ3m也都被削弱。

考慮到邊坡土體應力狀態的復雜性，為方便定量計算，假定土體均質，且滿足摩爾-庫倫強度準則，將位于坡面附近土體水平向應力σx定義為與土體埋深z有關的函數[21]：

σx=K0γz(1-sinβ)。

(5)

式中：K0為側應力系數；γ為土體重度；β為坡角。

坡頂(T點)土體剪應力計算結果為：

τt0=(σ1t0-σ3t0)/2=(σtz-σtx)/2

=(γh-K0γh)/2；

(6)

τt=(σ1t-σ3t)/2=(σtz-σtx+Δσ3t)/2=(γh-tK0γh)/2；

(7)

τte=(σ1te-σ3te)/2=(σtz-σn-σtx+Δσ3t+σs)/2=(γh-tK0γh)/2+(σs-σn)/2。

(8)

式中：t =σ3te/σ3t0，0

坡面(M點)土體剪應力計算結果為:

圖7　斜坡失穩前后不同部位土體剪應力變化

τm0=(σ1m0-σ3m0)/2=(σmz-σmx)/2cosα[γh-

K0γh(1-sinβ)]/2cosα；

(9)

τm=(σ1m-σ3m)/2=(σmz-σmx)/2cosα+(Δσ1m+Δσ3m)/2=[m1γh-m3K0γh(1-sinβ)]/2cosα；

(10)

τme=(σ1me-σ3me)/2=(σmz-σmx)/2cosα+(Δσ1m+Δσ3m)/2+(cosα-sinα)(σs-σn)/2=[m1γh-m3K0γh(1-sinβ)]/2cosα+(cosα-sinα)(σs-σn)/2。

(11)

式中：m1=σ1me/σ1m0，m1>1，m3=σ3me/σ3m0，0

根據以上剪應力計算結果，分別作出三種狀態時坡頂與坡面土體的摩爾圓(圖7)，可以看出，與無地震作用時邊坡失穩時(σ)相比，地震作用下(σe)兩處土體剪應力受到的影響不同：坡頂土體得到較大幅度增長，坡面土體與α有關，當α<45°時呈現出小幅增長，當α>45°時呈現出小幅降低。總體來看，地震作用下邊坡失穩過程中剪應力大小及變化趨勢表現為：坡頂土體初始剪應力較小但增長迅速，坡面土體初始剪應力較大但增長較慢。

3　黃土層內滑坡地震失穩機制

斜坡失穩由土體剪切破壞引起，而土體剪切破壞受剪應力控制，故斜坡失穩機制與土體剪切破壞形式和剪應力水平及其變化趨勢有關。

靜力條件下的大多數黃土滑坡是多種內外因素綜合作用的結果，具有相當長的形成過程，是長期的、漸進的或間歇性的，呈漸進變形破壞模式[15]，失穩源于軟弱帶蠕動。而地震誘發的黃土層內滑坡發生過程歷時短、滑動速度快且無軟弱帶，失穩機制與黃土自身特性和地震作用下所處的應力狀態有著密切聯系。

黃土層內地震滑坡無軟弱滑動帶和頂部多有拉張裂縫的特征以及圖7所示的地震作用下坡頂和坡面土體剪應力初始水平和變化趨勢表明，此類斜坡失穩源于頂部土體發生因水平向主壓應力減小的拉張型剪切破壞。加之黃土多孔隙弱膠結、天然含水率低和動力易損的特點，使得此種破壞表現為脆性破壞[5]，破壞速度快，能量釋放突然，坡頂破裂面較陡且延伸迅速。如圖8所示一些位于圪垯溝的頂部存在大量深長拉張型裂縫但整體卻未發生失穩的黃土斜坡的存在，也說明地震作用下此類邊坡的失穩始于坡頂土體的破壞。

圖8　未失穩黃土斜坡頂部裂縫

由于此類滑坡多為凸面型滑坡且頂部滑裂面較陡，故滑體上部重量大、重心高，在頂部土體破裂面迅速向下延伸的同時，坡頂土體突然失去水平支撐，導致坡面土體所承受的下滑推力急劇增大，當頂部土體的破裂面延伸到一定深度時，坡面土體發生因大主應力增加小主應力減小而導致的剪切破壞，緊接坡頂滑裂面形成坡面剪切滑裂面。

地震作用下黃土具有明顯的震陷性，在此失穩過程中，黃土結構性的破壞會在破裂面上產生大量顆粒，從而有效降低了滑裂面的摩擦阻力，加速了滑坡的發生，使得此類滑坡具有高滑速和歷時短的特征。

4　結論與討論

(1) 黃土層內地震滑坡多發于黃土梁、塬邊，為滑體重心較高的凸面型滑坡；滑坡土體干燥；滑坡后緣存在明顯的拉裂特征；滑裂面上部粗糙陡峭下部光滑平緩且大多貫通至頂部；滑裂面處土體性質與周圍土體土性相近，少有明顯地質軟弱帶；滑裂面多沿坡面下部及坡腳處剪出，剪出口不低于地面線；滑速高，歷時短。

(2) 斜坡失穩時不同部位土體剪切破壞形式不同，黃土層內地震滑坡坡頂土體主要發生因水平向主壓應力減小的拉張型剪切破壞，坡面土體主要發生因頂部失穩土體的擠壓，沿滑面方向大主應力增加，垂直于滑面方向小主應力減小而導致的剪切破壞。

(3) 地震作用下，黃土層內滑坡不同部位土體剪應力大小及變化趨勢表現為：坡頂土體初始剪應力較小，但迅速接近破壞，坡面土體初始剪應力較大，但接近破壞的速度較慢。

(4) 黃土層內地震滑坡表現為：坡頂土體首先發生因水平向主壓應力減小的拉張型剪切脆性破壞，坡面土體緊隨其后發生因大主應力增加小主應力減小而導致的剪切破壞，震陷性降低滑面摩擦阻力加速滑體滑移的失穩機制。

(5) 鑒于上述黃土層內地震滑坡失穩機制和破壞特點，城鎮村落選址時應盡量避開黃土覆蓋層較厚的塬邊和梁峁密集溝壑區，對于人口聚居地區已經存在且有潛在滑坡威脅的此類天然及人工高陡黃土斜坡，建議采取坡頂放坡、坡面上部錨桿錨固、坡頂裂縫回填、坡頂邊緣土性改良、坡頂種植根系發達的耐旱植物等對坡頂地震易損土體的加固和防護措施。

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Seismic Instability Mechanism of Landslide in the Loess Layer Based on Stress Analysis

ZHAO Wenchen1, WU Zhijian1,2, WANG Qian1,2and CHEN Yujin1

(1.KeyLaboratoryofLoessEarthquakeEngineering,LanzhouInstituteofSeismology,CEA,Lanzhou730000,China; 2.GeotechnicalDisasterPreventionEngineeringTechnologyResearchCenterofGansuProvince,Lanzhou730000,China)

Inviewofthedisaster-proneanddestructivecharacteristicsoftheseismiclandslideintheloesslayerintheLoessPlateau,threetypicallandslidesareinvestigated,andthecharacteristicsofinstabilityandfailureofthiskindoflandslideareobtained.Byfurtherconsideringthestresscharacteristicsandshearfailuretypeofsoilindifferentpartsoftheslope,andintroducingtheearthquakeeffectintheformofstress,theshearfailuretypesandshearstressvariationlawunderthechangeofstressstateofsoilindifferentpartsofsuchlandslideareanalyzedduringitsinstability.Thustheseismicinstabilitymechanismofsuchlandslideswithafeatureoftopsoiloccurstensionshearingdamageledbyreductionofminorprincipalstressfirst,followedbyinclinedsurfacesoiloccurscompressionshearingdamageledbyincreaseofprincipalstress,andloessseismicsubsidencereducefrictionandspeedslipisproposedbasedonstressanalysis,andthenthereinforcementandprotectivemeasuresareputforwardcorrespondingly.

loesslayer;seismiclandslide;shearfailure;shearstress;seismicinstabilitymechanism

2016-02-19

2016-04-18

國家自然科學基金(41472297， 51478444)；青海省交通建設科技項目“鐵路建設對雅丹地貌的環境影響與減輕技術研究”

趙文琛(1991-)，男，青海西寧人，碩士，主要從事巖土地震工程方面的研究. E-mail：wenchenzhao1219@126.com

吳志堅(1974-)，男，安徽安慶人，研究員，博士，主要從事巖土地震工程與凍土工程領域的研究.

E-mail：zhijianlz@163.com

P642.13；X43

A

1000-811X(2016)04-0224-05

10.3969/j.issn.1000-811X.2016.04.040

趙文琛，吳志堅，王謙，等. 基于應力分析的黃土層內滑坡地震失穩機制[J]. 災害學，2016，31(4)：224-228. [ZHAO Wenchen, WU Zhijian, WANG Qian,et al. Seismic Instability Mechanism of Landslide in the Loess Layer Based on Stress Analysis[J]. Journal of Catastrophology，2016，31(4)：224-228. doi: 10.3969/j.issn.1000-811X.2016.04.040.]