强震巨型滑坡滑带碎裂岩体微细观分析及静动力破损机制研究

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强震作用下岩体碎裂化问题被越来越多的揭露和研究,尤其是汶川地震以来,暴发的大量、大规模滑坡灾害使地学工作者对岩体碎裂结构及动力成因有了新的认识,但由于强震触发大型滑坡岩体碎裂问题涉及到工程地质学、岩石力学、地震工程学等多门学科,尚有很多问题亟需解决。大光包滑坡是一次十分罕见的巨型滑坡,上覆400m巨厚岩层在8.0级强震下溃滑而下,在强震和厚重滑体振动、碾压过程中,滑带岩体碎裂化问题显得尤为突出。本文在前人研究基础上,从滑后滑床残留碎裂岩体特殊的碎裂现象出发,调查该类岩体分布的层位及连续性特征,得出:该类碎裂岩体在滑坡区“连续分布”、“平均厚度3m”、为震旦系灯影组层间“软弱带”,并将该软弱带定义为大光包滑坡滑带,命名为“大光包碎裂岩体”。基于这一基本认识,首先对整个碎裂岩体层宏观碎裂特征进行精细素描和描述,将整个碎裂岩体层分为:(1)强振动碾压卸围压区、(2)振动无碾压围压区、(3)弱振动无碾压围压区,现有岩体结构分类无法涵盖大光包岩体极碎裂现象,针对大光包碎裂岩体提出“碎砂状”、“碎块状”、“碎裂状”、“胶结状”分类,并将之定义为“碎裂再胶结岩体”。对碎裂层内的调查发现,碎裂层纵向并不连续,三个区内均发现颜色、硬度等由下而上有明显差异的4层,且碎裂层底部均有薄层泥层。对碎裂层及区内岩体调查得出,普遍存在三类结构面,分别为:北东向、南东向、北西向,近一步分析表明,这三组结构面不仅控制大光包滑坡“滑面”形态特征,而且对区内地形地貌及演变有一定影响。本着宏观-微观-宏观的分析思路,对碎裂原岩进行成分、结构分析,对碎裂结构成因进行微观分析,得出碎裂原岩具有成分不均一、颗粒大小相关悬殊(10倍)、结构多样(超过6种)的特点,碎裂岩体经历过多次构造运动后被热液胶结,形成现有碎裂特征。(提出)按碎裂岩体晶体变形破坏程度分类,包括(1)晶间断裂、(2)晶界面断裂、(3)晶体错位、(4)晶体塑性变形、(5)晶表撞击凹坑、(6)晶体松动架立;提出按碎裂岩体晶体断裂力学模式分类,包括(1)静载拉张断口,(2)压剪断口,(3)疲劳拉张断口,(4)疲劳压剪断口,(5)复合型断口;按晶体风化模式分类,主要有:(1)晶体风化(溶蚀),(2)晶间风化(溶蚀),(3)裂隙风化(泥质胶结,钙质胶结结构面),(4)复合型风化。定量评价是岩体研究的必要任务,为后续相似材料试验、物理模拟、数值模拟提供基础参数。结合已有研究,基于图像处理技术和分形理论,对碎裂岩体脉状裂隙、团块状结构进行定量统计分析,得出碎裂原岩所占比例不到50%,1cm2分布裂隙110条;对断口粗糙程度、碎裂块度、裂隙发育程度进行分形维值计算,得出碎裂原岩结构分维值平均为1.6,方解石脉分维平均为1.5,且方解石脉条数与分维值成线性递增关系,碎裂块度平均分形维值为2.3。室内物理试验表明,碎裂岩体震动后密度有明显降低,降低率达10%,这表明了胶结岩体在地震过程中裂隙大量发育并扩展,在滑动剪切过程中扩容,体积达7.2~50.4万方。基于宏微观成果,提出了碎裂岩体震裂损伤、变形破坏过程概念模型:(1)震裂损伤、岩石差异性结构开裂、已有裂隙重新开启阶段,(2)裂纹耦合、快速贯通、岩体胶结强度劣化阶段,(3)滑坡胶结强度丧失、溃滑、碾压、振动阶段,(4)后期卸荷、风化、雨水冲刷阶段。有了以上对碎裂岩体的基本认识,基于PFC颗粒流离散元对含缺陷结构岩石静动力模拟分析,表明:(1)岩石内缺陷结构的存在,无论强度高低都会劣化岩石整体强度,(2)缺陷结构强度的高低,会局部提高和降低岩石强度,(3)正是这种对岩石局部性状的改变引起了岩石内部变形的非协调性,这种非协调性随着与缺陷结构距离的增加而逐渐减小,(4)缺陷结构刚度和连接强度都对非协调变形有显著影响,精确分析表明,连接强度对岩体强度影响大于结构刚度,(5)动力作用下,同种性状缺陷结构对岩石强度影响程度大于静力作用,(6)含缺陷结构岩体的破坏,由缺陷结构对岩石局部强度的改变和非协调变形决定,破裂面一般沿二者耦合最弱面产生。建立含软弱夹层地质体数值模型,进行振动试验分析,试验表明:(1)软弱层通过自身应变能吸引振动能量,导致自身上覆岩体应力大为减小,应变率及竖向、侧向速度大为增加,(2)软弱层上下界面动力响应强度不同,下界面大于上界面,导致非协调变形于下界面处最大,破裂面普遍在下界面产生,(3)模拟过程表明,软弱层在振动过程中经历着张拉和压剪交替持续作用,这个往复过程大大加快了软弱层变形速度,加剧了破坏程度。对碎裂岩体室内剪切试验表明,碎裂岩体抗剪强度包络线呈幂函数关系,计算得理想情况下上覆自重下滑带抗剪强度。分析表明,动力作用下,大光包滑坡滑带强度随时间变化,本构参数是关于时间的函数。大光包滑坡启动前后,南侧主要是沿碎裂层的震裂和剪切滑动,可将之抽象为一个天然剪切试验过程,碎裂层充当剪切带,上覆10Mpa岩体自重充当正应力,但具有两个方面的特殊性,其一,剪切带有一定的倾向和倾角,其二,剪切过程中为动力荷载,这两个因素决定了剪切过程有如下特点,(1)滑带抗剪强度随正应力的增加而降低,(2)剪切过程中的稳定性随时间呈波状递减变化。
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