三峡库区消落带溶蚀岩体劣化指标研究

三峡库区水位消落带岩体劣化松动使得部分岸坡加速朝不稳定方向演化,给溶蚀岩体岸坡带来了工程灾变效应问题.本文提出了利用高程175 m附近区域的岩体替代未受蓄水影响的岩体的"比拟法",统计分析岩体劣化情况.定义、改进和统计了岩体劣化变量Det、岩体体积节理数增量△Jv和地质强度指标变化值ΔGSI.通过对库区10个典型溶蚀岩...     

岸坡消落带岩体劣化的新生型滑坡(崩塌)隐患演化模式研究

三峡库区岸坡消落带是库岸边坡稳定性的敏感地带。库区内多次发生的地质灾害均与消落带的岩体劣化有关。随着时间的推移消落带的岩体劣化情况日益加剧,新生型滑坡不断涌现。本文通过实地调查与室内分析,系统总结了三峡库区秭归至巴东段岸坡消落带岩体劣化的类型以及新生型滑坡隐患的演化模式。研究表明,区内消落带岩性主要以碳酸盐岩类和碎屑岩类为主,碳酸盐岩类劣化类型主要有溶蚀(潜蚀)、裂缝显化与扩张和机械侵蚀,碎屑岩类的劣化类型主要有松动(剥落)、冲蚀(磨蚀)、结构面崩解块裂和软硬相间侵蚀,其中以松动/剥落型最为发育。在此基础上结合结构面发育特征、岸坡结构、岩性及结构和边界特征,厘定了不同岸坡消落带岩体劣化演化形成新生型滑坡隐患点的模式,碳酸岩盐类岸坡主要以基座碎裂压溃型、基座掏空倾倒型、顺向滑移型为主;碎屑岩类岸坡主要以软硬相间坍(崩)塌型、视倾向楔形滑动型、顺向滑移型及逆向倾倒型为主。研究结果可为三峡库区地质灾害监测预警及防治提供技术支撑。     

陡倾层状岩质边坡动力响应大型振动台模型试验研究

结合 5·12 汶川地震诱发的大量次生地质灾害,设计并完成了比例为1 :100的边坡大型振动台模型试验,讨论了相似关系和模型的设计、传感器的布置、模型的建造过程,编制了动荷载加载制度。试验结果表明,边坡对输入动荷载具有放大作用,沿坡面向上,PGA放大系数呈上升趋势,并具有一定的节律性,其节律性变化规律受坡体岩性、结构面组合和动荷载振动方向的影响; 动荷载X向振动时的坡面峰值重力加速度(PGA)放大系数明显大于Z向振动时的坡面PGA放大系数,说明坡体在X向振动时的动力响应更为强烈; 坡体内PGA放大系数在铅直向上呈线性放大,在水平向上表现为节律性变化。试验结果有助于了解陡倾层状岩质边坡在不同动荷载作用下的响应规律,对研究其变形失稳机制和抗震结构设计提供了依据。     

干湿循环作用下岸坡消落带土体抗剪强度劣化规律及其对岸坡稳定性影响研究

三峡水库蓄水运行之后,库水位每年都在145 m的防洪水位和175 m的蓄水发电水位之间或缓慢或快速地升降变化,岸坡消落带区域岩土体长期处于干湿循环状态,其力学参数的劣化规律将直接影响岸坡的变形稳定。基于此,设计并进行了典型岸坡消落带土体的干湿循环作用试验。结果表明:(1)在干湿循环作用过程中,土体抗剪强度参数劣化幅度非常明显,其中,前4次干湿循环作用导致的抗剪强度参数劣化幅度占总劣化度的75%左右,4次干湿循环作用之后,劣化趋势逐渐趋于平缓;(2)在干湿循环作用下,土样内部的微观裂纹、裂隙反复张开闭合,逐渐发育、汇集,土样由密实状态逐渐变为内部裂纹发育的松散状态,土样内部的损伤是导致其抗剪强度参数逐渐劣化的根本原因;(3)考虑干湿循环作用下消落带土体参数劣化时,岸坡消落带区域局部安全系数劣化趋势明显,总体趋势与消落带土体抗剪强度参数劣化规律一致,而且岸坡消落带区域附近的局部滑动迹象明显,这与现场踏勘所见到的该区域明显发育的裂缝、下挫现象是一致的。研究成果对库水作用下岸坡的长期变形稳定评价具有较大的参考意义,相关分析方法也可以为类似试验提供参考。     

基于裂隙网络渗流差异的消落带岩体劣化空间预测方法

三峡水库175 m蓄水以来,水位周期性涨落,使得岸坡岩体强度下降而逐渐劣化,易导致岩质岸坡失稳破坏,因此引起了广泛的关注。岩体劣化与库水位的波动有关,其损伤劣化区域必然与水力调整范围有一定的关系。本文提出了基于裂隙网络模型渗流差异的岩体劣化空间分析方法。利用Beacher模型结合裂隙几何参数分布概型模拟岩体裂隙的空间分布,并基于裂隙截面面积相等,在裂隙网络中简化面状渗流为管道流,构建出裂隙网络渗流空间图。同时利用拓扑关系求解实际工况中岩体裂隙网络渗流空间的水头分布区域,通过不同水位下的渗流差异区域来推测发生岩体劣化的空间,基于理论分析和数值模拟得出存在水力差异的区域和新增的渗流区域两种情况合集即为岩体劣化区域。这一预测方法将对量化三峡库区岩体劣化空间强度及岸坡稳定性有重要的指导意义。     

库水波动带岸坡原位声波测试及劣化特性研究

为了揭示库水波动带内岩体在库水位周期性升降,干-湿循环条件下,其物理力学性质变化特征,掌握不同岩性的劣化改造过程和差异性。选择消落带内变形破坏强烈的侏罗系库岸斜坡,在宏观调查的基础上,运用单孔、跨孔声波测试方法进行原位试验测试,同时进行原位样品试件采集,运用干湿循环、力学测试、耐崩解等手段进行室内试验测试。原位单孔声波测试K_V值为0.2~0.51,跨声波测试K_V值为0.46~0.91,表明岩体横向完整性差,纵向完整性相对较好,并且消落带内岩体随着高程的降低,其岩体完整性呈下降趋势;试件力学测试结果表明,20次干-湿循环后其强度平均下降30%~45%,且摩擦系数和黏聚力参数均呈逐渐降低趋势;耐崩解性试验表明,干-湿循环条件下,岩石耐崩解性逐渐降低,5次干-湿循环后,试件耐崩解性指数降低量达3.1%~20.2%。试验结果均证实了消落带内岩体受库水影响强烈,岩体长期在干-湿循条件下,其物理力学性质呈降低趋势,不同岩性劣化程度不同,岩体总体向破碎、解体的趋势发展,并且具有渐进性和累积性。     

地震作用下水平层状岩质边坡累积损伤与破坏模式研究

研究边坡在反复地震作用下的累积损伤对于库区岩质边坡的长期稳定性分析具有重要意义。结合振动台试验与理论分析方法,对水平层状岩质边坡在反复地震作用下的累积损伤与破坏模式进行了深入研究。结果表明:采用混凝土疲劳裂纹扩展的双K准则可以很好地解释边坡的累积损伤曲线的变化趋势,完整的累积损伤演化曲线表现出初始损伤、细观裂纹扩展、宏观裂缝扩展3个阶段;分别采用三次多项式和幂指数建立了微小地震和强震作用下边坡岩体累积损伤演化模型并取得了良好的拟合效果,微小地震作用下边坡岩体累积损伤曲线表现出初期略微下降、中期线性增长、后期平缓增长的正"S"型的3段式特征,强震作用下边坡岩体累积损伤相比微震作用下有较为快速的增长,且在边坡破坏前增速加快。频发微震作用下,水平层状岩质边坡在坡体上部形成阶梯型破坏面并向坡面出露,在坡体下部形成平直的剪切破坏面,坡体最终的破坏面呈阶梯状。     

三峡库区岸坡消落带岩体劣化分形特征与演化预测研究

三峡库区岸坡岩体劣化的关键在于岩体节理的持续扩展。本文采用分形理论对消落带上下岸坡测窗岩体劣化程度、劣化破碎相变时间及发展趋势进行了分析。研究表明：岩体节理劣化分布具有分形属性,可将缺项值Λ(r)曲线陡缓转折点视为REV(表征单元)岩体尺寸下限;整体来看,劣化使得岩体节理生长向更加均匀、密布的趋势发展,呈现升维特征;进一步利用节理升维值ΔDb建立了劣化程度分级标准,升维值ΔDb与面积节理数增量ΔJov、地质强度指标变化值ΔGSI满足指数函数关系;最后探讨并提出了2种节理分维数劣化演变模式,采用岩体劣化破碎相变时间计算式可进行相应的演化预测分析,且岩体劣化破碎相变时间预测是基于割线的估计。由于分维数Db具有较高的统计稳定性,能够满足工程应用需求。研究成果为库区岸坡劣化程度调查以及劣化演化预测提供了新的方法。     

水平层状岩体边坡动力响应中的结构面效应研究

根据应力波传播原理分析了水平层状岩体边坡中应力波传播特征,建立了应力波在该类边坡中传播的模型.利用离散元软件UDEC分析了不同频率垂向压缩应力波作用下边坡动力响应规律中的结构面效应.结果表明:边坡中的水平层面对坡顶的动力响应有明显影响.低频应力波作用下,水平层状岩体边坡坡顶的垂向峰值速度较均质坡体相同部位的峰值速度的增...     

悬臂抗滑桩加固边坡地震动力响应模型试验研究

为研究悬臂抗滑桩加固边坡的地震响应和抗滑桩桩身弯矩分布规律,利用北京工业大学结构实验室的大型振动台进行悬臂抗滑桩加固边坡模型的振动试验。在试验过程中,输入汶川地震重华镇波,记录边坡不同位置加速度的时程变化,并作对比分析,采集抗滑桩桩身的应变,用于分析桩身弯矩分布。结果表明,地震过程中边坡内部加速度自下而上逐渐放大,边坡顶部放大效果达到最大;悬臂抗滑桩的加固效应和桩间土体成拱作用使附近土体的动力响应受到限制;抗滑桩的嵌固端与悬臂部分分界面随着地震波的输入应变急剧增大,而悬臂部分随着高度增加应变减小,反映了悬臂抗滑桩弯矩的“凸”形分布规律。     

压力型锚杆支护边坡的动力响应与数值分析

采用振动台模型试验,输入汶川波、EL-Centro波和正弦波三种地震波,监测边坡加速度和锚杆应变,探讨地震作用下加固边坡的动力响应特征及锚杆应变的响应规律。得出:加固边坡土体对输入的地震波有垂直放大作用,水平方向放大作用不明显;在地震频率和幅值共同影响下,边坡加速度响应具有明显的差异。同一锚杆沿长度方向应变分布呈"前小后大"的模式;同列不同层锚杆在垂直方向应变响应差别较大,顶层、底层锚杆应变较边坡中部的锚杆应变响应明显。利用ABAQUS数值软件模拟振动台试验过程,得出锚固边坡动力响应特征与振动台试验结果一致。     

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.      

地震作用下堆积体边坡的坡面变形与失稳机制

地震作用下堆积体边坡的动力响应特性十分复杂,单一抗震安全系数不足以评价其动力稳定性。通过大型振动台试验,研究了连续多级地震荷载作用下,地震波的类型、卓越频率及峰值加速度对堆积体边坡坡面永久位移的影响,并初步分析其失稳机制。试验结果表明,相同峰值加速度下振动型地震波比冲击型地震波更容易产生坡面永久位移,地震波卓越频率对坡面永久位移也有重要影响;堆积体边坡在峰值加速度apeak=0.2g时开始有大颗粒石砾滚落,对应的坡面永久位移在apeak=0.2g～0.3g之间开始产生并显著增大,另外利用考虑坡面几何形态变化的改进Newmark法对坡顶的永久位移进行了估算。通过坡面永久位移评价堆积体边坡的动力稳定性有一定合理性。     

裂隙冻胀压力及对岩体造成的劣化机制初步研究

岩体在冻融循环下裂隙中会经历冻胀力的萌生、发展与消散,裂隙冻胀扩展和岩体冻胀损伤程度受冻胀力控制,基于热力学、渗流理论、界面力学和弹性理论建立了柱形封闭裂隙中冻胀力演化模型,对考虑水分迁移和不迁移两种情况下的冻胀力量值进行了研究。结果表明:不考虑水分迁移作用下冻胀力随裂隙饱和度g和岩石弹性模量sE增加而迅速增大,当sE10 GPa且g94%时产生的冻胀力超过15 MPa,足以驱动任何岩体冻胀开裂,不同岩石裂隙冻胀开裂存在一个对应的临界饱和度ming;考虑岩石的透水性,渗透率低于5×10~(-14) cm~2的低渗透性岩石中裂隙水冻结会产生较大的冻胀水压力,容易引起裂隙冻胀扩展;而在渗透率大于10~(-12) cm~2的高渗透性岩石中,饱和裂隙水冻结难以形成有害的冻胀水压,裂隙冻胀开裂主要是冻结后期在冰-岩界面间的微观未冻水膜中产生的分离压力引起。     

土质边坡动力稳定性试验研究

以云贵高原某典型土质边坡为原型,采用了4种加速度震动波输入模式,设计完成了比例为1：6的小型振动台模型试验,结合FLAC^3D数值模拟对边坡动力响应特性和边坡变形破坏规律进行分析。结果表明：当输入加速度低于某个临界值时,整个坡体的加速度响应基本保持一致,各部位放大效应增加不明显,当输入加速度逐渐增加,高于临界值时,坡体的卓越频率得到充分激励,各部位加速度响应大幅增加,此时边坡最易发生变形破坏,且加速度响应沿着坡高方向有显著的放大效应;剪应变增量时程曲线反映出在边坡震动破坏过程中,滑体后缘以张拉为主,中部及下部以剪切为主,而且剪出口剪应变增量的变化尤为关键,其增幅速度直接导致该部位抗剪强度降低速度增快;边坡震动变形破坏模式为崩塌-剪切滑移破坏,变形破坏过程可分为4个阶段。     

考虑累积损伤效应的围岩变形特性研究

隧道爆破开挖诱发的动力扰动作用范围往往远大于其开挖进尺,同一部位围岩受到循环爆破开挖的多次扰动普遍存在累积损伤。对乌东德水电站左岸导流洞爆破开挖过程中的爆破振动和围岩变形监测进行了监测和数值分析,基于累积损伤理论,通过引入损伤判据及损伤变量,考虑计算中产生的不同程度的损伤区域的岩体参数劣化,并将劣化后的参数引入相应损伤单元进行后续开挖爆破数值模拟计算,从而对岩体爆破开挖累积损伤效应进行模拟。通过比较乌东德水电站导流洞的实测数据以及数值模拟计算结果发现,考虑累积损伤的计算结果无论是爆破振动速度还是围岩变形均更接近于实测值。对爆破开挖的分析模拟中应考虑围岩的多次循环爆破累积损伤效应。     

铜质模型桩加固边坡的动力离心模型试验研究

地震作用引起的边坡大变形常会使边坡稳定性丧失或使加固措施失效,动力离心模型试验是研究地震作用下边坡土体与抗滑桩的动力相互作用的有效手段之一。本文采用铜质抗滑模型桩制作了抗滑桩加固边坡模型,通过动力离心模型试验研究了地震作用下边坡变形、土体加速度反应和抗滑桩静力、动力弯矩等动态反应。试验表明:边坡的地震加速度反应自下而上逐渐放大,桩体附近土体的加速度反应略有减小;抗滑桩弯矩随着地震作用增强而相应地增至峰值,此后随着地震作用的衰减而下降,地震结束后承担着震后残余弯矩,该弯矩值仍大于震前静力弯矩;通过比较震前与地震中抗滑桩弯矩分布的变化可以看出,地震作用导致的最大附加弯矩为202 kN.m,相当于静力弯矩的36%,表明地震作用导致的附加弯矩不容忽视。     

传递函数分析在边坡振动台模型试验的应用探讨

传递函数分析对获取振动系统的动力特性参数及估算动力响应具有重要意义。边坡地震模拟振动台模型试验可求算两种传函：反映边坡各点的场地地震动特征的绝对加速度传函（基于测点实测加速度时程）和反映坡体本身振动性质的相对加速度传函（基于测点与坡脚即台面间的实测加速度相对时程）。以弹性体振动方程分析和试验实测,探讨了边坡振动台模型试验中动力特性参数计算的传函选择和以传递函数对动力响应的估算,得出结论：（1）不同于机械模态分析（以绝对传函的模和虚部计算动力特性参数具有等价性）,对于边坡模型试验,绝对传函实部和模混入了台面加速度影响,以绝对传函虚部或相对传函虚部才能正确计算动力特性参数;（2）传递函数和台面输入波形Fourier谱的逐频相乘得到动力响应估算谱,与测点实测响应Fourier谱吻合较良好,这种估算方法有助于对不同地震波作用下的边坡动力响应作出总体评价,并指导模型试验中地震波形的合理选取。     

地震波频率对层状岩质边坡动力响应影响的试验研究

利用振动台模型试验探讨反倾层状岩质边坡的动力响应规律,通过输入不同频率、激振强度、持时的正弦波,监测模型边坡的加速度响应,着重分析频率对模型边坡加速度动力响应特性的影响。试验结果表明:①地震波频率对模型边坡动力响应的影响有两种不同的表现形式。当输入波频率小于等于模型边坡自振频率时,随着频率的增大,模型边坡的高程放大效应增强。②当输入波频率大于模型边坡自振频率时,随着频率的增大,模型边坡的高程放大效应减弱甚至消失。模型边坡的动力响应随高程的增加经历先减小后增大的变化趋势;模型边坡底部的加速度响应相对增强,甚至大于中上部响应强度;模型边坡各点的加速度放大系数基本小于1.0。③频率小于等于模型边坡自振频率的地震波往往造成模型边坡顶部和浅表部的变形破坏,频率大于模型边坡自振频率的地震波则造成模型边坡底部的变形破坏。④频率、激振强度、持时均对模型边坡的动力响应产生影响,但频率的影响最为显著,激振强度次之,持时的影响最弱。     

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。