期刊: Landslides

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

工作单位: a: 西南交通大学

              b: 中铁隧道勘察设计研究院

              c：兰州交通大学

              d：中南大学

大量证据表明，地震诱发的落石比重力诱发的落石具有更强的移动性。现场数据一致表明，落石在移动过程中往往伴随坡面摇动。为探究坡面摇动对落石移动性的影响，开展了一系列超过3000次的振动台试验。试验考虑了地震动特性（振幅和频率）、落石性质（形状和初速度）以及坡面条件（平坡和凸坡）等多种因素。采用方差分析和轨迹分析方法，系统地总结了不同条件下落石的运动规律及其影响因素。其中，滑出距离和侧向位移是分析的主要指标。试验结果表明，地震动在决定落石运动学特性方面起着至关重要的作用。其中，地震荷载的振幅对落石的运动学行为有显著的影响。与无地震荷载的情形相比，较大的振幅会导致落石移动性更强，滑出距离和侧向位移也显著增大。落石的运动具有很强的内在随机性，其滑移距离和侧向位移分布近似服从高斯分布。此外，落石的形状是影响其运动学特征的另一个重要因素。侧向边缘较多的落石滑移距离和侧向位移较大。这些发现有助于阐明边坡震动与落石运动之间的复杂关系，从而更深入地理解地震事件的动力学和潜在危险。

图1 泸定地震和尼泊尔地震引发的山体崩塌造成房屋和基础设施损坏（作者拍摄）

图2 振动台、传动装置、边坡模型实景及示意图

图3 试验所用落石样本及简化示意图：(a) TP，(b) QP，(c) PP，(d) HP

图4 最大误差与试验次数的关系。(a)给出了两种位移在5%置信度下的拟合曲线及置信区间，并给出了各拟合曲线的方程及拟合优度R2。(b)拟合曲线的一阶导数

图5 所有平行试验结果分布。(a) 所有落石的位移及位置分布曲线。(b) 不同形状落石的滑行距离与侧向位移箱线图

图6 在不同频率、振幅和形状效应下位移的三维表面图。左图为滑行距离，右图为横向位移

图7 不同落石形状的长细比对落石在振幅为600 cm/s2、频率为6 Hz的地震动作用下运动的影响。(a) 滑出距离。(b) 横向位移

图8 在不同试验条件下进行的60次平行试验中，不同形状落石的滑出距离和侧向位移分布直方图同时包含最大值、最小值和平均值。（a）TP，振幅=600 cm/s2，频率=10 Hz。（b）QP，振幅=900 cm/s2，频率=6 Hz。（c）PP，振幅=300 cm/s2，频率=6 Hz。（d）HP，振幅=600 cm/s2，频率=4 Hz

本研究利用振动台试验分析了地震诱发的落石，重点研究其运动学行为及其对灾害管理的影响。通过对3000多次试验的统计分析，发现落石运动表现出显著的随机性，其滑行距离和横向位移大致服从高斯分布。这种随机性凸显了概率方法在落石风险建模中的重要性，而非纯粹的确定性方法。

结果表明，地震地面运动通过振动提供额外的动能，放大了落石的弹跳和滚动行为，从而显著增强了落石的流动性。研究发现，地面运动振幅与滑行距离之间存在明显的正相关关系。这一发现强调了在灾害评估中考虑地震振幅的必要性，尤其是在地震多发地区。然而，频率的影响呈现出更为复杂的模式，这表明需要进一步研究以完善预测模型。

落石的特征，例如形状和长细比，也对滑行距离和横向位移起着关键作用。球形落石具有较多横向边缘，在运动过程中能量耗散较少。相反，细长的落石更容易滑落，而不是有效地弹跳。这些见解对于评估不同类型的落石的潜在影响区域至关重要，从而能够更精确地绘制灾害地图。

此外，初速度和坡度类型显著影响落石行为。由于摩擦损失减少，凸坡比直坡滑出距离和横向位移更大。这些因素对于评估交通走廊沿线或基础设施附近的风险尤为重要，因为这些地方的坡度几何形状和滑脱条件差异很大。

然而，本研究也存在一些需要注意的局限性。首先，实验采用了频率范围有限（4、6、8 和 10 Hz）的简谐波，无法完全捕捉真实地震事件的复杂频率成分，这可能会限制结果在自然地震场景中的适用性。其次，为了确保实验的一致性，落石样本的释放方向是固定的，而在自然界中，落石的滑脱方向可能多种多样，这可能会影响其轨迹和最终位置。第三，坡度模型由光滑的钢板构成，不同于自然坡度不均匀且粗糙的表面，这可能会对落石运动学产生不同的影响。此外，虽然选择简单的棱柱形落石模型对于研究滑行距离是有效的，但它并不能完全解释在自然发生的不规则形状落石中观察到的横向扩散现象。因此，这一局限性限制了横向扩散研究结果的更广泛应用。

为突破这些局限性，未来研究应重点关注以下方向：（1）结合实际坡体材料和地形，增强实验装置的真实感，简化钢板模型，提高其在自然条件下的适用性；（2）探索更大尺寸和更多形状的落石，以确定观测到的运动行为是否适用于实际自然环境中的大型落石，从而克服小尺寸和单一形状样本的局限性，更好地研究落石的三维运动特性；（3）研究频谱更宽的地面运动，有助于更全面地理解地震对落石动力学的影响，克服本文所用频率范围较窄的局限性。实验结果为地震条件下落石的运动学特征提供了宝贵的见解，有助于改进风险评估模型，并为地震多发地区的减灾策略制定提供参考。虽然本研究并不针对特定区域或直接实施这些应用，但它为未来落石灾害管理的研究和实际工作奠定了基础。

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