循环荷载下软硬互层岩体力学特征及边坡变形破坏机制研究——以水磨沟滑坡为例

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软硬互层岩体在我国西南地区广泛分布,通常由不同岩性的岩层交替排列构成。较之于单一岩性构成或含软弱夹层的层状岩体,软硬互层岩体的非均匀性及各向异性更为显著。这使得该类岩体的动力学特性受到各岩层的力学特性及结构面倾角等因素的影响。随着我国“一带一路”和川藏铁路建设的实施,不可避免地会遇到上述岩体,加之以上国家工程通过部分高烈度地区,因此软硬互层岩体动力特性及软硬互层边坡的动力稳定性问题尤为重要,需要开展进一步的研究。本文以地震诱发的水磨沟滑坡为依托,提取相关控制因素,同时借助室内物理力学试验及有限元数值模拟分析,研究了软硬互层岩体的动力特性及破坏过程,并进一步分析了软硬互层岩质边坡的动力变形破坏机制。主要工作及结论如下:1、对汶川地区的工程地质条件和岩性特征进行总结,发现该区域区内出露有大量的软硬互层结构岩体。选取其中典型的软硬互层岩质滑坡(水磨沟滑坡)为依托,提取出影响软硬互层岩体动力特性的四个因素:层面倾角、层厚比、动力加载频率及围压。利用相似材料制作软硬互层试样,通过不断尝试确定出硬岩相似材料配比为水泥:砂:石膏:水=1:0.5:0:0.3;软岩相似材料配比为水泥:砂:石膏:水=1:0.4:0.2:0.43。2、设计并开展了软硬互层试样的单轴压缩及变上下限等幅值循环荷载试验,对比分析了不同倾角及层厚比的试样在不同循环加载频率及围压作用下的力学特性及变形破坏特征。结果表明,随倾角的增大,软硬互层试样的强度及应变先增后减;对于相同倾角的试样,强度随加载频率及围压增大而增大;应变随加载频率增大而减小,随围压增大而增大。此外,弹性及塑性变形量,加载段及卸载段变形模量,总能量、弹性模量及耗散能随循环级数的变化形式与试样本身的结构及围压无关,仅与加载模式有关。在0°~45°层面倾角范围内,软硬互层试样在循环过程中的耗散能基本呈现随层面倾角的增加而降低,而层面倾角60°~90°范围内耗散能随倾角变化规律不明显。对于同一层面倾角的试样,其循环加载过程中的耗散能随软岩层厚及加载频率的增大而增大;随围压的增加不断降低。3、软硬互层试样的破坏模式按倾角可分为:贯通层面的张拉破坏(0°~30°)、沿层面的剪切破坏(45°~75°)及沿层面的劈裂破坏(90°)三类。不同层厚比软硬互层试样的破坏模式均为:沿层面剪切破坏为主兼具贯通岩层的张拉破坏,但不同倾角试样的张拉破坏程度不同。在不同加载频率及围压作用下,试样的破坏模式均为沿层面剪切破坏,但试样破坏程度存在区别:加载频率及围压越大,竖向拉张裂缝贯通程度越来越低,数量上不断减少,试样破裂程度越低。4、利用有限元数值模拟软件RFPA分别对软硬岩材料进行参数标定,随后建立不同结构的软硬互层试样,并对室内单轴压缩及等幅值循环加卸载试验进行精细化拓展模拟计算,研究其峰值强度、内部裂隙发育、声发射响应及破坏特征。结果表明,加载初期试样内部微裂纹分布较为随机,随着荷载的持续作用,裂纹开始定向汇聚形成宏观破裂面。从声发射的发育类型来看,软硬互层试样的单元体在加载过程中主要以拉张破坏为主,剪切破坏主要出现在中倾角的宏观剪切破裂面附近。5、建立不同结构互层岩质边坡数值计算模型并开展动力仿真计算,得出了各边坡动力破坏机制。通过对比软硬互层试样与坡体破坏面附近岩体的破坏特征,得出互层岩质边坡动力失稳模式主要与岩层倾角有关。不同倾角的互层岩质边坡动力破坏模式分别为:滑移压致拉裂(层面倾角0°)、滑移-拉裂(层面倾角60°)、倾倒拉裂(层面倾角90°)。
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