强震作用下老虎嘴岩质高边坡崩塌破坏机理研究

来源 :中国地质大学(武汉) | 被引量 : 0次 | 上传用户:sleon001
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2008年5月12日发生的汶川8.0级大地震触发了许多的次生地质灾害,由于映秀地区边坡多为岩质边坡,次生地质灾害大多表现为边坡的崩塌,其中靠近震中的老虎嘴岩质高边坡就是最具典型的崩塌型地质灾害。老虎嘴崩塌体规模巨大,长约500m,宽约200m,覆盖面积广,崩塌堆积体中的岩石块体有大有小,大的块体粒径约几米或十几米,小的可至几毫米,堆积区块体分选性好,呈带状分布,从坡底到坡顶粒径依次减小。   本文以老虎嘴岩质边坡为研究对象,在汶川地震资料收集和野外现场调查研究的基础上,对边坡内部结构面进行三维网络模拟,通过赤平投影法对边坡的破坏模式进行了初步分析,认为老虎嘴边坡的破坏主要是由于内部结构面的相互贯通,从而将岩体切割使得岩体结构破碎,在地震作用下使得破碎的岩块沿着结构面贯通面向临空面滑移而导致的。另外,还采用二维离散元软件UDEC对地震作用下岩质边坡的动力响应过程进行模拟分析,重塑汶川地震过程中老虎嘴岩质高边坡的破坏过程,最后得出老虎嘴在地震作用下的破坏规律,为汶川灾区的重建及该地区的地震地质灾害研究提供依据。具体研究内容和取得的主要研究成果如下:   (1)对老虎嘴岩质边坡的工程地质及地质背景条件进行了概述,并对边坡岩石的力学强度性质进行了研究。主要从单轴抗压强度和三轴抗压强度两个方面入手,得出老虎嘴边坡内的蚀变细粒闪长岩强度随着内部含水量的逐渐饱和而呈降低趋势,根据其天然和饱和状态下的应力摩尔圆图可以很直观的发现。   (2)根据野外调查所得的结构面几何参数数据对老虎嘴结构面进行了室内研究,该部分主要包括两个方面,即结构面室内试验研究和结构面三维网络模拟研究,将室内试验研究结果与三维网络模拟结合在一起,统一分析老虎嘴岩质高边坡的结构面分布情况及分布概率,为边坡动力研究及震后稳定性评价提供参考依据。在室内试验中,采用便携式剪切仪提取结构面的抗剪强度参数。通过对三组主控结构面的三维网络模拟,分析总结了边坡震时主滑平面、主滑横剖面及三个剖面上的不同方位的RQD值,结合其RQD玫瑰花图,形象直观地表述了剖面中各方向岩体的完整程度,得出老虎嘴岩质边坡在震时主滑剖面和主滑横剖面上剖面上的RQD值呈方向性分布,岩体完整度不一,该种情况对于边坡的稳定十分不利。   (3)根据结构面的赤平投影图,分析老虎嘴边坡的三组主控结构面走向与坡向的关系,初步得出老虎嘴的破坏模式。总结出老虎嘴的破坏是由内部的三组主控结构面相互贯通,切割岩体使得岩体破碎从而发生双平面滑动导致的。   (4)根据前人资料和实地勘测,运用AutoCAD软件恢复了老虎嘴岩质边坡在地震前的原始坡形,将坡面点的数据导入二维离散单元法软件UDEC中,建立老虎嘴岩质边坡的原始几何模型,以塑性本构模型和莫尔-库伦理论为准则计算边坡在自重应力作用下的初始平衡。待模型初始平衡达到后,通过在模型底部施加粘性边界、两侧施加自由场边界来设置边坡动力边界,并通过局部阻尼来消除边界上反射波对地震波产生的干扰。运用Seismosignal软件将原始的地震波时程数据进行线性基线校准和0.1-10HZ滤波,并将地震波的速度时程通过公式转换为应力时程,然后再施加到底部粘性边界上进行动力计算。   (5)分析研究对地震作用过程中的地震放大效应、地震应力时程变化、位移时程变化及塑性应变的演化。通过研究发现,地震边坡在同一水平位置不同高度上点的y向速度随着坡高的增大而增大,体现了岩质边坡对地震作用的垂直放大效应,且放大系数各异。然而对于x向的速度,则出现了一些差异,主要为岩性、坡高等因素所造成。   (6)通过边坡在地震过程中的应力、位移、塑性区变化图,详细分析了老虎嘴岩质高边坡在地震作用下的渐进破坏过程。根据其地震作用下的坡顶、坡脚及坡体内部某点三个点的位移曲线变化趋势图,得出老虎嘴边坡在地震作用下的渐进破坏过程主要表现为坡脚附近岩体和坡顶岩体沿着Ⅰ组和Ⅲ组、Ⅱ组和Ⅲ组的贯通面产生拉裂破坏,尤其是坡顶岩体,由于重力和地震的双重作用在破坏时呈现出抛射状,与赤平投影的初判破坏模式一致。从T=10s,20s,30s时不同时段的瞬时塑性区图中,发现老虎嘴边坡的破坏是由于边坡前缘由于地势较低首先遭受到地震对其的拉裂作用导致前缘破碎岩体首先破坏,继而在前缘失稳的情况下,边坡顶部也随之发生崩塌,最终整个边坡溃塌。
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