長期以來，邊坡穩定性是土力學中的重要課題之一，由地震引發的邊坡失穩在全國乃至全球范圍內并不少見。針對這一工程問題，眾多學者從試驗、理論及數值計算等多個角度開展了相關研究。20 世紀90 年代中后期，隨著計算機技術的飛速發展，數值計算方法在邊坡穩定性研究中發揮了重要作用，很大程度上降低了地震模擬的難度，眾多學者先后應用ANSYS，FLAC，Geostudio，PFC等數值軟件進行邊坡穩定性研究，取得了豐碩的成果。鄭穎人等利用ANSYS 建立了邊坡模型，模擬了邊坡開挖和加固工程。王偉興等結合工程實例，研究了應力場與滲流場耦合作用下的邊坡失穩，并基于Geostudio 分析了多種水力梯度下的邊坡安全系數，運用FLAC 分析了抬升塑性區的變化。王培濤等結合工程案例，基于顆粒流離散元法研究了邊坡開挖擾動前后的變形行為，并計算了相應的安全系數。丁辰等以層狀土邊坡為研究對象，通過模型試驗與Geostudio 模擬結果的相互驗證，提出了強降雨條件下層狀土邊坡的失穩機制。周健等引入了強度折減法和重力增加法，運用顆粒流離散元軟件分析了邊坡穩定性，并對比了有限元法和條分法的計算結果，驗證了顆粒流計算邊坡穩定性的有效性。J.B.Wei 等通過無人機航拍技術獲取了三維地形數據，并借助PFC 模擬了滑坡啟動，監測出的顆粒位移及速度與邊坡實體基本一致，該項研究證明PFC 可作為模擬邊坡的有效手段。C.Shi 等運用PFC 建立了軟化微力學接觸模型，研究了阻尼、應變速率對地震滑坡的影響。

上述研究主要運用顆粒流軟件分析了滑坡災害。目前，大多數邊坡穩定性研究往往只針對特定工程，受到了區域地質條件、降水等因素的限制，形成的理論具有一定的局限性，加上不同區域的物源組成差異較大，相應的細觀參數設計也存在諸多不同之處，因此很難對具有特殊氣候、地理地貌等特征的區域滑坡災害形成客觀認識。鑒于此，本文以賀蘭山東麓沿線分布的碎石土豎直邊坡為研究對象，運用顆粒流模擬軟件建立邊坡物理模型，研究動力條件下的邊坡穩定性，從細觀上揭示滑坡災害的演化特征，為研究區及相似地質條件的區域滑坡、泥石流災害防治提供參考。

賀蘭山位于寧夏回族自治區與內蒙古自治區交界處，綿延200 余公里，主峰高3 506 m。賀蘭山既是寧夏回族自治區的行政邊界，也是銀川市發展成為“塞上江南”的天然屏障。受地質構造、氣候條件的影響，賀蘭山東麓沿線分布了數十條泥石流沖溝與歷史泥石流堆積扇。堆積扇受山洪沖刷和人類活動的影響，形成了典型的垂直邊坡。泥石流發育時有流體侵蝕，可形成補給物源，同時在地震荷載作用下，堆積物原有的沉積結構被破壞，形成松散的泥石流物源，極易引發泥石流災害，為賀蘭山東麓沿線道路、古文化遺址、種植園區埋下安全隱患，也給疏浚工程、山洪治理帶來極大的不便。典型的碎石土豎直邊坡如圖1 所示，從揭露的剖面來看，坡體內部粗、細顆?；祀s，表層土體發生了崩塌，堆積在坡腳處。

研究區地處鄂爾多斯板塊邊緣位置，屬于強震帶。賀蘭山地震帶如圖2 所示。據資料記載，寧夏區內先后發生過多次地震，引發的滑坡、泥石流等次生災害曾造成了重大的經濟損失。

本文運用PFC 2D 軟件生成邊坡物理模型，并使用wall 命令生成模型邊界。模型寬為25 m，高為10 m，坡面坡度為90°，坡高為5 m，共由40 706 個顆粒組成。本文參照現場取樣的級配曲線，對顆粒尺寸進行了相似設計；并根據前期研究成果，設定研究區內物源粒徑大于60 mm 的顆粒占7.61%，粒徑大于2 mm 的顆粒占65.31%。根據《建筑地基基礎設計規范》（GB 50007—2011），可將該類型巖土定名為碎石土，屬級配不良土。

由于模型中顆粒的尺寸相差較大，顆粒間會出現應力集中現象和邊界效應，導致計算機無法運算，這也是運用顆粒流軟件進行模擬時出現的難題之一。由相關研究可知，當巖土材料的內尺寸比小于0.01 時，邊界效應會顯著降低，同時本文考慮研究區內碎石土中粗顆粒的質量分數較高，其不但是土體的主要組成部分，也是災變演化中主要的受力體，因此模型顆粒采用了2 個尺寸范圍（主體部分由3～5 cm 的顆粒組成，選用2～3 cm 的顆粒進行填充），并且在坡腳位置設置了寬為1.5 m，深為0.5 m的粗化層（用于模擬溝床上覆粗化層的壓實作用），其粒徑為4～5 cm，模型顆粒分布圖如圖3 所示。為了體現邊坡的脆性破壞，同時考慮到細顆粒的黏性，本文采用了接觸粘結模型；并且項目組參考了顆粒組成相似的碎石土案例，將法向剛度和切向剛度分別設定為2.5×107，1.0×107 N/m。

本文將抗震烈度設為8 級，相應的水平峰值加速度為0.2～0.3 g，豎向峰值加速度為0.1～0.17 g?？紤]到豎向加速度作用下的邊坡滑動效果并不明顯，因此本文將模型的地震峰值加速度均設置為0.2 g，荷載作用時間設定為20 s，并且對邊坡底部墻體分別施加了水平向和豎直向速度。峰值加速度變化曲線如圖4 所示。

本文運用ball distribute 命令分區生成顆粒，顆粒間有一定程度的重疊，因此需要通過循環求解命令，求解至顆粒間的相互作用力達到平衡，使顆粒均勻且無重疊地分布在模型內，平衡后的豎直邊坡顆粒分布狀態如圖5 所示。天然邊坡在自重作用下可以進行壓實固結，為了模擬這一行為，該模型為平衡后的顆粒設置了重力加速度（9.8 m/s²），待土體固結完成后施加動力荷載。

本文設置了2 種方向的地震波來監測坡面顆粒位移。坡體加載后，到達穩定狀態時的位移分布如圖6 所示。由圖6 可知：顆粒位移較為接近，最大顆粒位移達到5 m；顆?；瑒雍?，堆積在坡腳處。加載形式不同時，顆粒的移動方式差別較大。豎向加載時，坡面顆粒在臨空狀態產生的橫向位移較小，顆?；浜笕杂形灰飘a生；橫向加載時，坡面顆粒在臨空狀態產生的橫向位移較大，顆?；浜螽a生的位移較小。本文經分析后發現：縱向地震波加載時，顆粒受豎向力作用，產生的水平速度較??；橫向地震波加載時，顆粒的初速度、加速度均大于豎向加載時，且受力產生位移的顆粒其范圍更大（圖6）。

制樣完成后，通過平衡求解，可知邊坡處于不平衡狀態。由荷載作用下坡內不平衡力分布狀態圖（圖7）可知，坡肩、坡面及坡腳在震后的不平衡力最大并向坡內逐步減小，說明震后的坡面顆粒接觸力小，顆粒間相互作用有所減弱。橫向地震波作用時，不平衡區域相對較大，邊界線呈弧狀。在橫向地震波作用下，粗化層的“增重”效果并不明顯，顆粒間接觸力整體減??；而在縱向地震波作用下，坡內存在1 個小的平衡區域，顆粒間接觸力較大，滑坡范圍相對減小。

圖8a 給出了1，2，3 號監測點的豎向應力值。隨著地震荷載持續作用，監測點應力值快速降低，不同監測點應力變化速度基本一致，但最終的目標值略有差異，表現出埋深越小，應力目標值越小，應力降低幅度越大的特點。

圖8b 給出了2，4，5 號監測點的豎向應力變化規律。3 個監測點的應力減小至某一值后即保持恒定，應力降低的速度和監測點到坡面的距離成正比，說明圖8a 中3 個監測點的應力幾乎同步降低至目標值。同時，表層顆粒在地震荷載作用下會發生位移，導致坡面形態發生變化。結合圖10，可知沿著垂直坡面方向，應力由外向內逐步增大，4，5 號監測點在坡體重新穩定后，兩者相對坡面的距離差距不大，因此應力降低的幅度無明顯差異（圖8b）。1，2，3 號監測點在坡體重新穩定后，其中3 號監測點的埋深最大，所以應力變化幅度最小。

圖8c 給出了5 個監測點的水平應力變化規律，該圖與圖8a、圖8b 表現出相同的變化規律，距離坡面較近的監測點其應力變化快于距離坡面較遠的監測點。4，5 號監測點的應力變化幅度大于3 號監測點，則是由于坡體重新達到穩定狀態后，4，5 號監測點到坡面的距離小于3 號監測點。

圖9 給出了橫向地震荷載作用下5 個監測點的豎向、水平向應力變化特征，其與縱向地震波作用下的應力演化特征基本一致。在2 種地震波作用下，3 號監測點均表現出應力先減小后增大，最后再減小至某穩定范圍內的特點。本文認為：在加載初期，由于坡面崩塌，3 號監測點的顆粒遷移，離開坡面，應力降至最?。辉诩虞d后期，上部崩塌的顆粒在坡腳堆積，3 號監測點附近的上覆壓力增大，進而引起內部應力增大；隨著持續加載，顆粒不斷滑動，趨于新的平衡狀態，應力值也逐漸達到恒定值。從應力降低的幅度來看，在2 種動力條件下，坡體大部分區域的應力降低至初始應力的1/10，顯然不利于邊坡穩定，特別是在震后降雨、山洪暴發期易引發次生災害。

對比圖8 和圖9，可知對于不同的動力荷載，碎石土豎直邊坡的響應機制明顯不同，其中1，2，3 號監測點的豎向應力和水平應力在2 種地震波作用下無明顯差異，這是因為3 個監測點距離臨空的豎直坡面較近，顆粒間的相互作用力小于4，5 號監測點，所以在地震波作用下其應力衰減較快。而4，5 號監測點的豎向應力值在橫向地震波作用下的衰減速度要小于在縱向地震波作用下的衰減速度，5 號監測點水平應力的變化規律也是如此。上述現象說明縱向地震波作用下的碎石土內部應力的釋放要快于橫向地震波作用下，在地震波作用初期該現象易引發邊坡失穩。

圖10 給出了地震荷載作用結束時坡體內力鏈接觸分布特征，力鏈的形狀與顆粒間接觸應力的大小有關，力鏈越細，表明接觸力越小。圖10 與圖8、圖9 給出的監測點應力分布特征較為一致，在坡面兩側的坡肩、粗化層區域，接觸力很小，說明顆粒間的作用減小，顆粒處于相對松散的狀態，在汛期顆粒易隨水流遷移，形成較大的沖擊力，從而影響沿途邊坡穩定性和基礎設施安全。

本文利用PFC 2D 軟件分別模擬了縱向和橫向地震荷載作用下的邊坡失穩過程，并從顆粒位移、監測點應力等多個因素的動態變化過程入手，揭示了滑坡體顆粒的運動形式和滑坡機制，得出以下結論。

（1）在橫向與縱向地震波動力條件下，碎石土邊坡均發生了滑坡，坡面顆粒最大位移達到5 m，坡頂高度隨之減小。在2 種地震波作用下，顆粒的運動方式略有差別，其中橫向地震波作用時顆粒在臨空狀態下產生的橫向位移較縱向地震波大。

（2）距離臨空面越近，應力消散越快；埋深越大，應力降低的幅度越小，且埋深大的顆粒在持續加載過程中因顆粒堆積，會出現短暫的應力增大。

（3）從應力變化幅度來看，在橫向和縱向地震波作用下，坡體上部、坡面等區域的應力在震后會下降至初始應力的1/10，顯然不利于災害防治。縱向地震波作用時，其滑動范圍小于橫向地震波，但應力釋放速度要高于橫向地震波。