地震作用下结构面劣化特征及高位危岩体动力失稳机制

地震是高位危岩体失稳崩塌主要诱因之一,而结构面强度与变形特性对高位危岩体稳定性起关键控制性作用.为研究地震作用下高位危岩体动力失稳机制,基于数值试验研究结构面震动劣化效应,并利用极限平衡法对高位危岩体动力稳定性进行研究.研究结果表明,结构面的峰值抗剪强度随着循环剪切次数的增加而减小,且减小幅度愈来愈小,最终趋于稳定值;随着起伏角度增大而增大,且增大幅度随着循环剪切次数的增加而减小;并在同一起伏角度下,随着循环剪切幅值的增大而减小.最后,基于回归分析法建立结构面震动劣化数学模型,并提出一种考虑结构面震动劣化的高位危岩体动力稳定性分析方法.其研究成果有助于丰富高位危岩体动力稳定性方面的基础理论研究,具有重要的理论意义和工程参考价值.      

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。     

边坡岩体弱面注浆宏观效应数值模拟分析

为反映弱面注浆对边坡岩体的宏观效应,通过对边坡弱面注浆前、后两种状态采用FLAC3D数值计算模型,分析边坡岩体注浆前、后的应力、位移场的变化。结果表明:注浆前,竖向拉应力和水平拉应力区向边坡内侧增大,且平行节理面分布,节理面两侧应力变化梯度明显;静态位移和动态位移向边坡内侧递减,位移在节理面处明显发生突然变化。边坡内侧节理面是构成潜在滑动面的主要因素。注浆后,拉应力区明显变小,拉应力贯通区消失,应力变化梯度减小;静态位移和动态位移明显下降,节理面处位移突变减小或消失。说明注浆加固处理对节理损伤起到很好的修复作用,提高了节理的抗剪强度和抗剪刚度。从而使岩体的应力场和位移场变得均匀和连续,节理面的拉应力区减小,较大的位移得以抑制,提高了节理边坡的整体性和稳定性。     

地震作用下黄土边坡动力响应数值分析

利用FLAC3D软件对某三级黄土边坡进行了动力反应分析。首先分析了静力作用下该黄土边坡剪应变增量和坡面、坡内、坡顶不同监测点的位移;在此基础上进行动力分析,得出黄土边坡地震动力响应规律。研究结果表明,静力作用下坡面上水平向位移明显大于垂直向位移,水平向位移从坡底向上逐渐减小;坡面处位移较大,位移在每级坡坡脚稍向上一定范围内达到最大值;地震作用下黄土边坡剪应变增量由坡脚稍向上部位开始向周围扩展,范围明显增大,且随地震持时的增加剪应变增量增幅较大;塑性区变化显示该黄土边坡坡顶以拉破坏为主,坡脚稍向上开始以剪破坏为主并伴有拉破坏。黄土边坡对地震波具有临空面放大效应,地震波在坡体内传播过程中还具有滞后效应     

重庆小南海滑坡形成机制离散元模拟分析

重庆小南海滑坡是烈度相对较低地区发生的地震高位滑坡,其成因一直令人费解。基于重庆黔江小南海相关研究资料,通过对复原的小南海坡体进行失稳分析,计算得出使岩体产生崩滑破坏的地震力临界条件,即只有当地震波地形放大后滑坡才能启动。为了进一步验证计算所得的结论,运用UDEC软件建立小南海典型二维场地模型,施加相应的地震力对坡体失稳崩滑的全过程进行模拟,以研究地震作用下地形放大效应触发具平行坡面陡倾控制性结构面的高位岩质斜坡地震机理。研究结果表明,在地震波传播过程中,具平行坡面陡倾控制性结构面的高陡突出地形对地震波有明显的放大作用。该坡体运动模式为：峰值加速度放大-增加的振幅迫使岩体顺平行坡面陡倾控制性结构面迅速拉裂-沿缓倾层面滑移-高速脱离滑源区-巨大的势能和动能驱动坡体做长距离运动,其间伴随解体、颗粒间相互碰撞、铲刮作用,具有二相甚至三相流体性质。分析揭示地震力作用下斜坡体中质点加速度具有地形放大效应。对比结构面监测点和基岩监测点加速度放大系数,表明,滑坡启动时具有较大的加速度,当遇到平行坡面的不连续结构面时,斜坡动力响应强烈,最终导致坡体失稳。     

汶川地震中锚固岩质边坡的动力响应特征

岩质边坡的地震响应是当前岩土工程界所关注的重要问题之一。以紫坪铺工程进水口边坡为研究对象,以现场监测数据为基础,从时间和空间的角度综合分析了汶川地震前、后支护荷载和边坡位移的变化特征,并讨论了坡体形态、岩体结构以及支护荷载对地震力作用的协同影响。研究结果表明：受地震力作用影响,坡体变形和支护荷载发生突变,主要受主震影响;地震引起的支护荷载变化量在100 kN以内,未超出设计荷载的5%;边坡水平向产生的永久位移在12 mm范围内,岩体变形深度受结构面分布控制;边坡中部变形最大,沿水平方向具有明显的临空面放大效应,而沿高程方向,没有明显垂直放大效应。研究成果可加深对锚固岩体动力响应机制的认识,同时为以位移控制的边坡工程抗震设计提供参考。     

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。     

基于FLAC-3D黄土边坡地震作用下动力响应数值分析

基于FLAC-3D有限差分软件建立一个典型的黄土边坡模型,分析地震动荷载作用下边坡的动力响应特性和动力失稳机制。边坡的水平位移图表明,地震作用下边坡坡脚位移向下,发生剪出变形,坡脚为薄弱部位;剪应变增量由坡脚逐渐向坡内、坡顶扩展,中部位置剪应变较静力作用下发生较大变化,塑性区从坡脚稍向上部位向坡体内部发展,范围增大;坡脚、坡面、坡顶和坡内等监测点的速度时程曲线表明,地震波在坡体内传播过程中具有滞后效应,同时,坡体对地震波具有临空面放大效应。     

含消落带劣化岩体的危岩边坡动力累积损伤机制研究

对消落带劣化岩体及水库诱发地震共同影响下三峡库区某典型危岩边坡的稳定性进行了研究,设计并开展了几何相似比为1:100的振动台模型试验,探讨了含消落带劣化岩体的危岩边坡动力累积损伤—失稳破坏演化全过程及其动力响应规律。研究表明：含消落带劣化岩体的危岩边坡动力累积损伤—失稳破坏全过程可归结为坡体内部损伤累积—裂隙发育—次级节理与深大裂隙贯通—失稳倾倒,同时伴随消落带岩体表层松动—掉落—破坏及内部出现渗流网—形成渗流通道—形成“凹腔”的复合破坏模式;随着地震动的持续,危岩体内部动力响应规律具有典型的“趋高”及“趋表”效应,危岩边坡表面累积位移不断增加,消落带处孔隙水压力整体增加,危岩边坡内部水平向及竖直向土压力在全阶段中整体均呈先增大后减小的规律;危岩边坡自振频率及阻尼比在全阶段整体呈减小和增加的趋势;在小震结束前阶段及强震阶段,危岩边坡损伤度曲线分别呈“S”型分布和指数型分布。     

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.      

水平地震力作用下顺倾结构面对岩质边坡破坏影响分析

基于断裂理论和波动理论对水平地震力作用下对岩质边坡顺倾结构面的破坏建立了数学模型,在不考虑结构面填充物的影响下分析了结构面的长度、埋深及倾角在水平地震动力作用下对边坡破坏的影响。分析结果表明,当结构面埋深与长度h/L相差不大时,对于一定的水平地震加速度a,结构面埋深和长度越大,边坡在地震作用下越容易破坏;当结构面埋深和长度一定时,边坡破坏随着水平地震加速度的增大而增强。另外,结构面的倾角在增大过程中,岩体所受的拉应力逐渐增大,剪应力则表现为先增大,后减小。这是由于当结构面的埋深与长度一定时,随着倾角的增大,地震作用下边坡是从剪切破坏逐渐向拉张破坏过渡。该模型对地震作用时边坡稳定性分析具有一定的参考意义。     

基于卸荷岩体力学的大岗山坝肩边坡水平位移发育的多因素影响分析

在现阶段工程运用中,卸荷岩体力学理论中还需完善和扩充的几个方面为①锚索施加前后卸荷效应对边坡水平位移的影响;②超前开挖锚固滞后的方案会对具体工程岩体水平位移产生的影响;③关键工程结构面连通率对卸荷岩体位移的影响;④地震作用下卸荷岩体的水平位移响应;⑤地震作用下不同连通率对水平向位移的影响。针对此,以大岗山坝肩边坡为对象展开研究。分析指出岩体开挖卸荷后回弹变形和压缩变形都会大于未考虑岩质劣化时的计算变形。同时指出,卸荷条件下两种施工方案对坡面的水平向位移造成的影响较小,为超挖多级而锚固措施相对滞后的现场施工过程的可行性提供依据。统计出各剖面在不同高程水平位移随地震加速度发展特征,建议水平位移随地震加速度呈非线性变化区域为防震抗震重点加固区域。研究发现,连通率的增大会导致卸荷裂隙XL9-15,XL316-1的塑性区发育明显增大,而裂隙范围内塑性区的加剧不会明显地反映在坡面关键点的变化上,开挖工况可能造成表观位移较小的突发性崩塌。     

地震荷载下危岩运动特征的模拟研究

西南地区地形复杂,位于地震高发区域。为了进一步研究该区域地震作用下落石的运动特征,以我国九寨沟景区内荷叶寨后山危岩带2为例。首先研究危岩带2中单一危岩体在自重荷载下的失稳情况,分别采用RocFall和非连续变形分析方法(DDA)进行模拟,结果表明:DDA和RocFall的模拟结果相近。DDA中落石水平位移模拟结果为210.6 m,RocFall中大部分落石水平位移分布在205 m附近。鉴于RocFall的局限性,采用DDA方法继续研究地震作用下危岩体的密度、高度、体积和地震波峰值加速度等因素对落石运动特征如运动轨迹、水平位移和速度的影响规律,并监测落石在坡脚附近的最大弹跳高度。研究结果表明:(1)危岩带2所处边坡自然坡角范围为65°~75°,落石在坡面上加速,在高程约2292 m(与居民区相对高差约为132 m)处发生抛射,运动方式以滚动、碰撞、弹跳为主;(2)岩体软弱结构面的贯通时间随落石密度、体积以及地震波峰值加速度增大而减小;(3)峰值速度随边坡高度、体积及地震波峰值加速度增大而增大;(4)水平位移随落石密度、边坡高度及地震波峰值加速度增大而增大;(5)坡脚处落石最大弹跳高度随各因素变量增大而增大。继续研究内部存在节理裂隙的岩体(3条平行节理将危岩分为K1~K4部分)在地震荷载下的运动特征:(1)在地震荷载作用下,危岩沿节理面发生倾倒破坏,落石水平位移模拟结果为191.5~243.8 m;(2)落石在坡脚附近的最大弹跳高度范围为0~13.8 m。     

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。