顺层岩质边坡地震动力响应研究

地震作用下边坡的动力响应研究是边坡动力稳定分析的基础,利用FLAC3D有限差分软件建立一个顺层岩质边坡动力数值模拟模型,对其在竖向和水平向地震耦合作用下的动力响应全过程进行研究。研究表明,地震竖向和水平向耦合作用模拟比简单的模拟水平向振动更加接近实际情况,对岩土体的破坏更大;顺层岩质边坡在耦合地震作用下存在垂直放大和临空面放大作用;坡面水平向和竖向加速度均随高程增加呈增大趋势,在结构面处增大特别明显;竖向地震波产生的水平与竖向拉裂是触发斜坡体产生初期崩滑破坏的主控因素;边坡动力响应特征值的放大效应表明,其放大系数值从大到小依次是：竖向加速度＞水平加速度＞竖向速度＞水平速度;耦合地震波作用下,随着av /aH的增大,坡面监测各点横向位移基本呈增大趋势,说明竖向地震作用起了重要的破坏作用。     

含贯通性结构面岩质边坡动力演化规律

针对一种含贯通性顺倾结构面的岩质边坡,开展地震波场传播特性、动力演化规律和破坏机制研究。基于华丽高速公路金沙江大桥桥址边坡,实施了数值分析及振动台模型试验。通过地震波场数值模拟,明确了地震波场受贯通性结构面影响,在贯通性结构面和坡面之间反复叠加,加速度放大效应较均质边坡增大约1.8倍。振动台模型试验中不断增大地震输入烈度,加速度响应在烈度为Ⅷ度时发生突变,边坡由弹性响应阶段进入塑性阶段。在裂度为Ⅸ度时坡脚附近裂缝进一步扩展、贯通,直至发生整体滑动失稳,滑动面沿后缘陡倾结构面剪出、贯通性顺倾结构面滑动、下部坡脚附近剪出。强震后受扰动边坡若处在塑性阶段/不稳定阶段,在其他外力触发下有可能发生滑坡灾害。     

含贯通性结构面岩质边坡动力演化规律研究

针对一种含贯通性顺倾结构面的岩质边坡,开展地震波场传播特性、动力演化规律和破坏机理研究。基于华丽高速公路金沙江大桥桥址边坡,实施了数值分析及振动台模型试验。通过地震波场数值模拟,明确了地震波场受贯通性结构面影响,在贯通性结构面和坡面之间反复叠加,加速度放大效应较均质边坡增大约1.8倍。振动台模型试验中不断增大地震输入烈度,加速度响应在Ⅷ度时发生突变,边坡由弹性响应阶段进入塑性阶段。在Ⅸ度时坡脚附近裂缝进一步扩展、贯通,直至发生整体滑动失稳,滑动面沿后缘陡倾结构面剪出、贯通性顺倾结构面滑动、下部坡脚附近剪出。强震后受扰动边坡若处在塑性阶段/不稳定阶段,在其他外力触发下有可能发生滑坡灾害。     

含贯通性结构面岩质边坡动力演化规律研究

针对一种含贯通性顺倾结构面的岩质边坡,开展地震波场传播特性、动力演化规律和破坏机理研究。基于华丽高速公路金沙江大桥桥址边坡,实施了数值分析及振动台模型试验。通过地震波场数值模拟,明确了地震波场受贯通性结构面影响,在贯通性结构面和坡面之间反复叠加,加速度放大效应较均质边坡增大约1.8倍。振动台模型试验中不断增大地震输入烈度,加速度响应在Ⅷ度时发生突变,边坡由弹性响应阶段进入塑性阶段。在Ⅸ度时坡脚附近裂缝进一步扩展、贯通,直至发生整体滑动失稳,滑动面沿后缘陡倾结构面剪出、贯通性顺倾结构面滑动、下部坡脚附近剪出。强震后受扰动边坡若处在塑性阶段/不稳定阶段,在其他外力触发下有可能发生滑坡灾害。     

地震作用下顺倾多弱层岩质边坡动力响应

抚顺西露天矿由于长期开采造成地底岩层出露,形成众多顺倾多弱层岩质边坡。鉴于目前对于地震作用下顺倾多弱层岩质边坡的研究较少,选择抚顺西露天矿南帮E1000处顺倾多弱层岩质边坡,分析地震作用下多弱层对边坡动力响应的影响。利用有限差分软件对边坡进行数值建模,分析真实地震动作用下边坡不同弱层的动力响应变化规律,并将双弱层、单一弱层和无弱层四种情况进行对比,发现不同弱层的动力响应和对边坡的影响程度不同,位于边坡下部的弱层无高程放大效应但对边坡起主导作用,与坡面共线的弱层存在趋表放大效应和高程放大效应但对边坡无明显影响。双向地震动对顺倾多弱层边坡的弱层和坡面放大效应不受影响,Z（垂直）方向的加速度和速度显著增加,双向地震动作用下边坡的速度分布差异明显,但位移分布无显著变化。地震作用下顺倾多弱层边坡的动力响应规律与弱层的分布位置和作用机理有关,在边坡的防护和治理过程中应充分考虑弱层对边坡的影响。     

含软弱岩层反倾岩质边坡地震动力响应与破坏模式

以鲁甸地震诱发的红石岩崩塌滑坡为研究对象,通过大型振动台模型试验和3DEC数值模拟,研究了含软弱岩层的反倾岩质边坡的动力响应和破坏失稳模式.研究结果表明:水平加载下,随频率增大PGA放大系数先减小后增大,在接近坡体自振频率8Hz的波形加载下,坡体动力响应最为剧烈,软弱岩层对不同频率的横波具有放大和吸收作用,对5~10Hz的横波放大效应明显,对15~20Hz的横波则明显吸收;竖向加载下,随加载正弦波频率的增加,PGA放大系数先增大,25Hz时PGA放大系数减小,随后又继续增大,在频率为30Hz时PGA放大系数达到最大,在5~30Hz范围内软弱岩层对纵波均具有一定的放大效果;双向加载下,坡体水平和竖向PGA放大系数分布与单向加载一致,但双向加载下坡体部分位置动力响应加剧,部分位置动力响应则受到抑制.含软弱岩层的反倾岩质边坡破坏过程可以分为6个阶段:坡体内部轻微损伤-软岩挤出、软硬岩交界上方硬岩拉裂-硬岩裂纹向上延展-软弱岩层挤压滑动-层面和纵向节理贯通形成滑面-边坡破坏.在软弱岩层的反倾岩质边坡中,软弱岩层具有对地震波的放大吸收、折射反射作用,影响着边坡的动力响应特征,软弱岩层的挤出破坏导致上部岩体岩结构面松动开裂,是该类岩质边坡破坏发展的主要原因,对该类边坡需应注意对软弱岩层进行加固防护,减小边坡的动力破坏.      

反倾软硬互层岩体边坡地震响应的数值模拟研究

反倾软硬岩体互层边坡是公路建设中经常遇到的一类边坡,在不利条件下有失稳破坏的可能,特别是在坡脚受到扰动、降雨、地震等作用时.以“5.12”地震期间都汶公路(都江堰—汶川)上一处边坡的地震响应为例,采用离散元UDEC软件对其进行模拟,系统研究了其地震响应的变形破坏机制.研究结果表明,地震作用下,软弱岩层挤压变形强烈,有向外剪出的趋势.同时,在地震波反复拉张作用下,软弱岩层位置容易开裂,成为坡体变形破坏的优势拉裂区域.地震波加速度、速度随高程变化放大显著,在坡体表部位移最随高程增高而逐渐增大.就整体而言,岩体内部的节理裂隙进一步张开,井产生了一些新的裂隙,弯曲倾倒有加剧的趋势;而坡表覆盖层普遍具有表部拉张开裂和掉块现象,特别是在地形几何形态突变处,破坏更为显著.     

基于离心试验的反倾层状岩质边坡内非贯通性裂缝变形特性分析

坡体内不同部位结构面间岩桥断裂扩展导致了反倾层状岩坡的破坏。为研究坡体内非贯通性裂缝断裂扩展对坡体演化的控制作用,以苗尾水电站右坝肩倾倒变形体为地质原型,开展含多组非贯通性裂缝的反倾层状岩质边坡离心模型试验,分析反倾层状岩质边坡内非贯通性裂缝变形特性。结果表明:（1）坡体内含非贯通性裂缝的岩层断裂最终呈现为裂缝间岩桥贯通、缓倾裂缝与上岩层贯通、陡倾裂缝与下岩层贯通、陡倾裂缝与缓倾裂缝端口处贯通及非裂缝处岩层发生断裂等5类裂缝断裂模式,并以裂缝间岩桥贯通为主要断裂模式;（2）基于断裂力学并结合裂缝断裂叠加原理,主折断面处岩层的不稳定系数在坡高1/3处最小,并向坡脚和坡顶两侧逐渐变大,而应力强度因子由坡高1/3处向坡脚和坡顶处逐渐变小;（3）裂缝的断裂扩展控制着坡体演化,并受裂纹率及裂缝周围的尖端应力场影响较大。在坡体演化初期,以坡体后缘压缩沉降和局部岩层裂缝压剪破坏为主,岩层倾角发生较大变化,呈现由坡体上部往下逐级变大的趋势;演化中期,坡体后缘裂缝扩展形成主折断面,坡体中上部岩层角度变化较大,裂缝断裂数目的继续增加;演化末期,裂缝断裂数目保持平稳,主要以断裂岩层的位置重分布为主要变形特征,次级折断面形成,破碎岩层之间进一步被压缩,坡体进一步发生失稳破坏。     

强震作用下均质岩质边坡动力响应的振动台模型试验研究

近年来我国地震灾害频发,强震诱发边坡失稳作为地震中最为常见的次生灾害,致使我国的地震滑坡灾害数量位居全世界之首,针对强震作用下岩质边坡动力响应问题,采用铁粉、重晶石粉、石英砂、石膏、水作为相似材料,开展了均质岩质边坡振动台试验。详细分析了均质边坡模型在不同频率和幅值地震波输入下的地震动响应特征,发现当频率较低时,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,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;相同幅值不同频率加载条件下,均质边坡模型的自振频率变化整体不太明显,而输入加速度幅值的变化对自振频率的影响更为显著,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。该问题的研究对强震作用下岩质边坡地震动响应及变形破坏机理研究具有一定的指导意义。     

岩溶区层状缓倾角岩质边坡变形破坏机制研究

在贵州岩溶区某大型工程台址工程地质环境条件研究基础上,采用地质历史过程机制分析法和数值模拟方法,对岩溶区层状缓倾角岩质边坡变形破坏机制作系统研究,总结出了4种变形破坏机制,即高陡的层状缓倾内边坡(A类坡)主要发生倾倒-崩落或拉裂-崩落破坏,低矮的层状缓倾内边坡(C类坡)则以小规模垮塌为主;缓倾外顺层边坡(B类坡)以滑移-拉裂型顺层滑坡或块状滑坡为主,而复合型边坡(D类坡)多以滑移-拉裂和弯曲-拉裂组合形式发生破坏.     

基于黏聚力裂缝模型的反倾层状岩质边坡倾倒破坏模拟

反倾层状岩质边坡的倾倒破坏是一种常见的地质灾害。为探究开挖条件下反倾层状岩质边坡的倾倒破坏机制以及层间剪切强度、岩层厚度因素对破坏特征的影响,利用ABAQUS有限元软件,建立黏聚力裂缝模型（Cohesive Crack Model,CCM）,基于连续-离散方法,经参数标定和对比,建立反倾层状岩质边坡CCM,采用开挖并增重的方式诱发边坡倾倒破坏。数值模拟结果与古水水电站坝前倾倒变形体离心模型试验结果基本一致,验证了CCM的正确性。进一步,基于以上参数及模型,研究了反倾层状岩质边坡的破坏演化过程和应力分布特征,并探讨层间剪切强度对边坡倾倒破坏特征的影响。结果表明:坡体前缘首先发生局部折断,后缘出现明显拉裂缝,反倾岩层由下往上依次折断直至倾倒体中部（一级破裂面）。随后,坡体前缘的表层岩层被挤出,形成二级破裂面,最后一级破裂面扩展至坡体后缘,形成连通宏观的破裂面。最后,二级破裂面扩展至坡体中部,边坡完全倾倒破坏;破裂面基本沿层间法向应力峰值位置连线发育;层间剪切强度对边坡倾倒破坏特征具有显著的影响,随着层间剪切强度的增大,岩层初始折断位置逐渐降低,垮塌范围逐渐减小,破裂面倾角增大;坡体层厚越大,一级破裂面分布越深,垮塌区范围越大,坡体滑动的整体性越强。研究成果可为反倾层状岩质边坡倾倒破坏的分析和监测提供有效计算方法及依据,为此类滑坡灾害的防治提供一定参考。     

地震作用下顺层岩质边坡动力响应和破坏模式大型振动台试验研究

5•12汶川大地震触发了大量的顺层岩质滑坡,对其进行研究很有必要。根据动力模型试验的相似关系,设计制作了1个坡角大于岩层倾角的尺寸(高×长×宽)为1.6 m×1.75 m×0.8 m的顺层模型边坡,并完成了大型振动台试验。试验结果表明,在坡体表面和内部竖直方向上,加速度放大系数随着坡体高程增加而增大,并且随着高程增加,加速度放大系数增大的速度加快;在坡体内同一高程上,坡面处的加速度放大系数大于一定水平深度坡体内部的加速度放大系数,表现出趋表效应;地震波输入频率对坡体动力响应有明显影响,随着频率的增加,越接近坡体的自振频率,加速度放大效应越显著;加速度放大系数随着输入波振幅的增加,总体上表现为递减趋势;通过和均质边坡振动台试验加速度监测数据对比,发现坡体结构对坡体加速度放大系数也有一定的影响,结构面对地震波的反射和折射作用加大了坡体加速度的放大效应。,对试验过程中坡体破坏特征的描述和分析发现,边坡的破坏模式为地震诱发－坡肩拉裂张开－坡面中部出现裂缝－裂缝贯通－发生高位滑坡－转化为碎屑流－堆积坡脚。研究成果对地震灾区滑坡形成机制的认识和减灾防灾有一定的价值。     

含顺层断续节理岩质边坡地震作用下的破坏模式与动力响应研究

基于二维颗粒流软件PFC2D的人工合成岩体技术（SRM）,研究了岩桥倾角和节理间距不同组合形式的含顺层断续节理岩质边坡在地震作用下的破坏模式与动力响应规律。研究结果显示：在地震动力作用下,含单潜在滑动面的顺层断续节理岩质边坡呈现出滑移-倾倒的混合破坏特征,含多潜在滑动面的顺层断续节理岩质边坡则主要发生倾倒破坏;由顺层断续节理以及岩桥交替连接所组成的潜在滑动面是控制边坡动力稳定性的关键因素。在地震动力作用下,最靠近坡脚的岩桥段首先萌生翼裂纹,使得拉应力得到释放,随后各节理相继萌生裂纹并扩展、贯通,最终导致坡体发生阶梯状整体失稳。裂纹扩展受顺层断续节理控制,萌生裂纹中以张拉裂纹为主,且裂纹数量与输入地震波的加速度曲线具有同步性。另一方面,节理面的存在对边坡动力响应产生明显影响,沿坡表以及沿水平方向上的峰值速度、峰值位移随着岩桥倾角的增大、节理间距的减小而增大,同时节理间距和岩桥倾角对于峰值加速度（PGA）放大系数的影响范围主要集中在坡表、坡肩;沿竖直方向上,峰值位移随着岩桥倾角、节理间距的增大而减小,PGA放大系数曲线随高程变化总体呈现U型分布特征。     

地震波振幅对黄土-泥岩边坡动力响应规律的影响

研究地震作用下黄土-泥岩边坡动力响应特征,对边坡的稳定性评价和抗震设计具有重要指导意义。基于边坡的离心机振动台试验和数值模拟分析,研究地震波振幅对边坡地震动响应的影响规律,结果表明：由坡体深部至浅表层,黄土-泥岩边坡的水平向和垂向加速度放大效应呈非线性增加,且水平向大于垂直向,在坡体顶部到达最大,表现为趋表效应和高程效应;在边坡内部岩性接触部位,黄土层内动力响应较大,泥岩中动力响应较小,表现为岩性效应;随着输入地震波振幅的增加,坡体动力响应表现为先增大后减小的趋势,当输入振幅达0.3g时,坡体动力响应最大。黄土-泥岩边坡的变形破坏过程为：随输入地震波振幅增加,坡顶逐渐形成拉张裂缝,不断扩展,坡体中上部溜土,产生向临空面方向的位移,坡体中部发生鼓胀隆起,局部坡体振动松散,岩土体滑落至坡脚堆积。     

黎家洞滑坡变形机制研究

通常认为顺层岩质斜坡的变形破坏以滑移-拉裂、滑移-弯曲模式为特征,但野外调查中,在陡倾顺层岩质边坡还发现一类特殊的变形破坏方式,即倾倒变形。以黎家洞滑坡为例,在阐明区内地质环境条件、滑坡的基本特征的基础上,应用数值模拟手段对该滑坡的倾倒变形机制进行了分析。研究成果为该类滑坡除险加固提供了参考依据。     

地震作用下BFRP锚固结构动力固坡效应研究

地震作用下锚杆结构动力固坡效应是以被加固岩土体为主要研究对象,研究锚固结构加固边坡所产生的动力效应是岩土锚固工程的研究重点和发展趋势。基于玄武岩纤维复合材料BFRP（basalt fiber reinforced polymer）锚索框架加固边坡与未加固边坡的振动台模型试验对比,定量地分析在鲁甸地震波加载作用下边坡坡面加速度放大系数的动力响应。结果表明,（1）随着输入地震波加速度峰值的增大,边坡坡面局部破坏有利于该位置处地震波竖直分量的放大作用,与同一位置地震波水平分量的放大效应恰好相反,可以作为判识边坡岩土体出现局部破坏的方法;（2）根据加速度峰值比K_(i)与高度关系曲线的物理意义得出,BFRP加固边坡在输入地震波加速度峰值大于等于0.4g时坡体局部才会受到较大动剪应力的影响,动剪应力的作用主要发生在坡体中下部位置,与未加固边坡有着明显差异;（3）通过分析模型试验过程中的宏观试验现象,揭示了未加固边坡的震害损伤主要发生在坡体顶部和临空面位置,变形破坏发展过程为坡顶出现张拉裂缝、临空面出现剪切裂缝→裂缝延伸扩展→裂缝交叉位置出现坡体沉陷和剥皮掉土→边坡浅表层自上而下分层破坏,BFRP锚索框架加固边坡仅在坡面局部位置产生剪切裂缝,整体性较好,可见BFRP锚索框架可以有效地适应坡面的变形,减小因坡体不同高度位置动力响应不同而产生的震害损伤破坏,具有良好的抗震性能。     

三段式锁固型岩质边坡动力响应特性及破坏机制振动台模型试验研究

设计和制作了三段式锁固型岩质边坡模型,并进行了大型振动台试验,对三段式锁固型岩质边坡在地震作用下的动力响应和变形破坏模式进行了分析.研究结果表明:三段式锁固型边坡模型的自振频率随振动次数的增加而逐渐降低,阻尼比则随振动次数的增加而逐渐增大;边坡模型水平加速度放大系数表现出明显的高程放大效应和趋表效应;在不同类型输入波的作用下,边坡加速度响应存在着明显的差异;加速度放大系数随着输入波频率的增加表现出先增加后减小的变化规律,且在频率为15 Hz时峰值加速度放大系数达到最大值;随着输入波振幅的增加,坡体加速度放大系数总体上表现为先增加后减小的变化趋势;在地震波的作用下,位于坡体顶部裂缝和底部软弱夹层之间的锁固段出现多条裂缝,并不断发展呈X型贯通,最终在坡体内部形成3级滑面,并在持续的振动作用下,边坡沿着3级滑面发生滑动破坏.      

开挖条件下含陡倾结构面顺层岩质边坡破坏模式与稳定性预测

顺层岩质边坡易发生失稳破坏,当边坡中发育有顺坡向陡倾结构面时,更不利于边坡稳定。以贵州某水电站大坝左岸含陡倾结构面顺层边坡为例,在综合分析地质条件及开挖扰动的基础上,结合离散元软件UDEC,分析了边坡的变形破坏模式和稳定性。研究结果表明,边坡可能发生的变形破坏模式主要有滑移、拉裂—滑移两种;自然状况下及开挖后,边坡都有沿断层f_9、卸荷裂隙L_1及岩层面发生滑移的趋势,且工程开挖导致边坡沿该结构面发生内部滑动;对边坡采用预应力锚索加固后,变形得到有效控制,位移数值计算值与实际监测值基本吻合。     

基于离心机和数值模拟的软硬互层反倾层状岩质边坡变形特征分析

我国西部山区建设揭露了众多大型弯曲倾倒变形体,它们多具有软硬互层结构。为进一步探明软硬互层反倾岩质边坡的变形破坏规律,本研究融合大型土工离心机试验与自开发的可以综合考虑节理面拉剪和压剪破坏的Hoek-Brown与Mohr-Coulomb联合强度准则,对此类边坡进行试验与数值模拟分析。首先,结合监测点位移和应力曲线对边坡的变形破坏过程进行详述并验证了所提出的强度准则及所建立的数值模型的正确性;然后,基于此数值模型研究不同几何因素对此类边坡倾倒破坏特征的影响。结果表明:（1）节理单元采用Hoek-Brown与Mohr-Coulomb联合强度准则可以较准确地模拟软硬互层反倾边坡的层间错动以及岩层弯折;（2）此类坡体倾倒变形破坏全过程为:层间先出现相互错动,然后边坡自坡脚部位开始出现弯曲变形,随后坡体后缘出现拉张裂缝,与此同时边坡整体向临空面弯曲倾倒,最终形成2个或3个破坏面;（3）随着岩层倾角的增大,边坡一级破坏面逐渐向坡体深处发展;（4）随着硬/软岩层厚比的减小,坡顶竖向位移变小,且坡体滑动的整体性逐渐增强;（5）随着软/硬岩层厚比的增加,坡体破坏面逐渐由粗糙的“锯齿状”向平滑的“圆弧状”过渡。     

震裂-滑移式崩塌形成机制及变形规律研究

以四川省S303线卧龙至巴郎山段K70+340～K70+388处崩塌为研究对象,采用地质力学分析和UDEC离散元模拟相结合的方法,揭示了震裂-滑移式崩塌形成机制及其变形破坏规律。结果表明：该类型崩塌主要发生在有陡倾结构面的顺层岩质斜坡;地震波对斜坡岩体主要为拉剪破坏,并呈现出坡顶和坡面处拉应力大于坡体内部的规律;地震力对斜坡的影响表现出顶部较下部、坡面较坡内变形快、变形量大的特点;随地震波加速度的幅值的增大,斜坡动力响应也越强烈,崩塌体的位移也越大;震裂破坏过程可以归纳为6个阶段,即（1）地震作用下岩体的损伤和拉张裂缝的形成;（2）拉张裂缝的拓展和软弱滑移面的贯通;（3）崩塌体整体震散和局部岩块的滑移;（4）局部岩块失稳,产生岩体的坠落、弹射、抛射和滚落现象;（5）岩体整体产生坠落、弹射、抛射和滚落;（6）崩塌体趋于稳定。该问题的研究不仅可以为地质灾害的分析提供新方法,而且对震区防灾、减灾具有一定的指导意义。