强震作用下顺倾层状岩质边坡地震动响应及渐进破坏研究

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我国地势西高东低,山地、高原和丘陵约占陆地面积的67%,同时,我国又位于太平洋地震带和喜马拉雅山地震带之间,近年来地震活动频繁。仅在2008年5·12汶川地震中就产生了数以万计的地震滑坡灾害点,造成了严重的生命和财产损失。此外,国内外许多重大工程建设于构造活动的高山峡谷地区,边坡极为高陡,强地震诱发的山体地质灾害成为威胁这些工程安全的重要隐患。在对前人地震滑坡研究的文献资料梳理过程中,特别是通过对汶川震后的滑坡考察中,发现有一种像板梁一样结构的顺倾层状边坡,在强震中容易孕育大型的地震滑坡,如唐家山滑坡、大光包滑坡、文家沟滑坡等,其破坏规模都十分惊人,且失稳机理非常复杂。目前,对于这种顺倾层状岩质边坡地震动响应及其震裂松动演化特征的认识还极其缺乏,对这种类型的地震滑坡机理的研究也很不足。  据此,本文开展了大型均质和顺倾层状岩质边坡振动台试验,详细分析了均质边坡和顺倾层状岩质边坡的地震动响应特征。为了达到试验目的,对模型试验的准备过程开展了详细的研究工作,文中对相似材料的配制、边坡模型及模型框架的设计、传感器的选择及埋置、边坡模型前后边界采用阻尼液的处理、不同结构边坡的砌筑流程等进行了详细说明,为岩质边坡振动台模型试验的实施建立了一套可行性很高的工艺方法。  同时,开展了大量数值模拟研究工作,对顺倾层状岩质边坡的地震动响应特征及渐进破坏过程进行了分析探讨,初步揭示了顺倾层状岩质边坡的地震动响应规律,并且通过振动台试验和数值模拟相结合的方法再现了顺倾层状岩质边坡在地震动作用下的渐进破坏过程。取得的主要研究成果如下:  (1)对顺倾层状岩质边坡从原生建造和后期改造过程为切入点,系统指出顺倾层状岩质边坡地质成因模式,探讨不同成因模式下顺倾层状岩质边坡的岩体破碎程度及稳定性。  (2)基于相似理论和正交均匀试验理论,以重晶石粉、铁粉、石英砂、石膏、水泥等为配比材料,得到了29种不同配方的相似材料,其密度、抗压强度、弹性模量、内聚力、内摩擦角等分布范围均在常见岩体参数的合理范围内。同时,对不同材料对各种物理力学参数的影响程度进行了分析研究。  (3)对均质岩质边坡模型在水平单向简谐波加载条件下,考虑加速度幅值、频率变化对于不同监测点加速度放大系数的影响,详细分析了均质边坡地震动响应特征。得到如下主要结论:  ①当频率较低时,沿坡表水平距离方向上监测点的水平加速度放大系数是单调增大的,坡肩处水平加速度放大系数达到最大值,这一结论与前人的研究成果基本吻合。当频率进一步增大接近或者超过模型自振频率时,边坡模型不再呈现出典型的放大现象。  ②相同幅值下不同频率加载条件下,均质边坡模型的自振频率变化整体来看不太明显,而输入加速度幅值的变化对自振频率的影响更为显著。此外,可以看出低频成分对模型损伤不明显,高频及自振频率附近频段对均质边坡的损伤更为强烈,导致模型的自振频率显著下降。  (4)同样,对顺倾层状岩质边坡也进行了不同剖面上加速度放大系数的分析,得到的主要结论有:当频率低于自振频率时,水平加速度放大系数沿坡表水平距离方向上非线性增大,在到达坡肩之前达到最大值,随后逐渐减小。当频率超过模型自振频率时,放大效应消失。在幅值较低时,沿坡面水平距离方向上水平加速度放大规律与上面均质边坡的基本一致。但是,当幅值进一步增大到0.5g的过程中,水平加速度放大系数在坡面的中下部要大于坡肩处,而在坡顶面随着水平距离的增大,在接近边坡后缘部位突然增大,然后急剧降低,可以发现出现这一转变的加速度临界值为0.3g。综合来看,高频(尤其是超过了边坡的自振频率)加载时加速度放大系数不再沿坡面单调增大了,放大效应也逐渐在消失。  (5)通过FLAC3D较为系统的研究了应力波的入射角、无量纲化的节理刚度、节理条数、无量纲化的节理间距等四个影响因素下顺倾层状岩质边坡动力响应规律,并且采用混合有限元-离散元算法(FDEM)与顺倾层状岩质边坡模型振动台试验相结合的方法,模拟出了顺倾层状边坡在地震动下的渐进破坏过程。
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