地震触发块状碎裂结构边坡启程剧动与失稳机理研究

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滑坡是一种常见的地质灾害且每年造成巨大的人员和经济损失,在各类滑坡灾害诱因中,由地震触发的滑坡致灾能力最强且极为普遍,具有突发性、剧烈性、高速性、远程性,与普通重力式滑坡有显著的区别。地震触发高速远程滑坡一直是滑坡灾害研究领域的重要课题,但当前仍然缺乏系统的、较完整的研究。本文以汶川地震触发的典型块状碎裂结构岩质滑坡(映秀—卧龙公路K24滑坡)为背景,以锁固段岩体的剪切破坏触发高速远程滑坡为基础,结合理论分析、物理实验、数值模拟方法探究锁固型滑坡启程剧动机理和地震作用下的块状碎裂结构岩质边坡失稳破坏机制。主要研究工作如下:(1)以映秀—卧龙公路K24滑坡为例,搜集整理滑坡区工程地质条件概括滑坡运动特征分为松动拉裂、启程剧动、抛射飞行、撞击溃散四个阶段,定性分析了地震力、地层岩性、地质构造、地下水这几个主要因素对滑坡发生的影响。(2)探讨了岩体震裂破坏和锁固段岩体能量积蓄与剪断过程的力学机理,建立锁固型滑坡边坡地震动力计算模型,以临床弹冲加速效应和峰残强降加速效应为基础,考虑岩土体材料的非线性特性,推导了非线性破坏准则下的临床弹冲—峰残强降复合效应启程速度计算公式。以该公式计算K24滑坡启程弹冲速度并分析非线性特性对启程速度的影响。(3)结合K24滑坡地质资料,采用振动台实验研究了地震作用下的边坡动力响应。通过加速度峰值(PGA)放大系数来反映边坡模型在地震作用下的响应程度,分析不同的地震波类型、地震动输入方向、加速度幅值、频率等地震参数对PGA放大系数的影响规律。(4)考虑不同的层面关系分别堆砌了顺层、水平层、反倾层三种模型,分析三种边坡模型破坏过程和失稳机制。顺层边坡发生坡体后缘拉裂,滑体底部剪切破坏,发生张拉—剪切—抛射破坏失稳;水平层边坡中上部产生大量裂缝,岩体发生解体形成松散的岩石块体集合,沿层面发生张拉—剪切—滑动破坏失稳;反倾层边坡底部出现破坏松动,上部岩层产生渐进式倾倒破坏,发生拉裂—倾倒破坏失稳。(5)对比了三种边坡模型在地震作用下发生的破坏程度。反倾层边坡响应最弱,破坏范围最广,在破坏过程中发生大量解体,内部结构完整性最差;顺层边坡响应最强烈,在破坏过程中较少地发生解体,内部结构完整性最好,产生滑体体积最大,也最容易形成锁固段岩体从而导致出现抛射现象;水平层边坡响应在两者之间。(6)采用离散元软件PFC2D模拟顺层边坡试验模型随着计算时步增大的位移场、接触黏结场和接触力场变化过程,表明地震作用下坡体上部出现较集中的拉应力,中间部分为拉剪应力状态,下部主要存在压应力,与理论推导的坡体应力状态分布相对应,验证了地震作用下坡体应力状态分布及破坏模式。
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