锁固段之间的力学作用模式

2015年8月12日,陕西省山阳县中村镇烟家沟村发生大规模山体滑坡,滑坡堆积体摧毁并掩埋了18间房屋,造成7人死亡,64人失踪。本文在大量野外地质调查的基础上,结合无人机航拍等技术,详细描述了山阳滑坡基本特征并对其进行工程地质分区,初步揭示滑坡的成因机制和运动过程。利用离散元软件PFC^3D,对山阳滑坡运动全过程进行模拟,再现了滑坡体失稳后,在重力作用下沿视倾向启动、碰撞和堆积全过程。本文取得主要认识如下：(1)山阳滑坡属于典型的顺层岩质斜坡视倾向失稳,滑坡体长期顺层蠕滑,加之表水溶蚀作用,最终导致锁固段剪断发生整体视倾向失稳破坏;(2)滑坡体在运动过程中由于前部稳定山体的阻挡,运动方向发生了两次碰撞偏转,呈现出层层超覆、拆离运动和侧向挤滑等特殊运动堆积特征;(3)依据山阳滑坡的堆积特征与滑体结构分布特征,将山阳滑坡运动破坏过程划分为7个阶段：滑坡体裂缝发展-贯通阶段、锁固段剪断-滑体启动阶段、整体高速滑动阶段、碰撞“急刹车”制动阶段、拆离-侧向挤滑阶段、二次碰撞抛撒流动阶段和断壁区崩滑阶段;(4)数值模拟显示山阳滑坡从滑坡体启滑到最终停积用时仅35 s,滑体最大运动距离500 m,最大运动速度36.2 m·s^-1。     

锁固段边坡模型破坏前兆特征

为探究花岗岩锁固段边坡模型损伤破坏过程中的微震信号能量、频率分布特征及临界慢化现象,开展了花岗岩锁固段边坡模型的破坏试验研究,利用单轴加载系统对不同岩桥角度的花岗岩锁固段边坡模型进行加载,采用应变片、微震（microseismic,MS）监测系统对其加载全过程进行同步观测.试验结果表明:（1）岩桥角对边坡模型的破坏形式产生影响,当岩桥角为70°和90°时破坏形式以拉张破坏为主;当岩桥角为110°时为拉压混合破坏;当岩桥角为130°时为压剪破坏,前缘蠕滑段为锁固型边坡变形最大的部位.（2）在加载过程中,当存在微小损伤破裂时,主要以高频、低能的微震信号为主,当产生大尺度损伤破裂时会伴随着低频、高能的微震信号.（3）在锁固段边坡模型处于临界破坏状态时会出现明显的临界慢化现象,表现为微震信号的方差、自相关系数产生突增现象,且突增点所对应的时间均达到失稳时间的80%,具有较好的时效性,可将微震信号的方差、自相关系数的突增作为边坡模型的失稳破坏前兆信息.（4）能量比方法与临界慢化理论形成联合预测判据,可克服单一判据的缺点,提高预测的准确性.该研究可为突发型的岩质边坡监测预警提供可用的参考价值.      

基于变形分区确定某反倾岩质岸坡变形体锁固段

对处于蠕滑阶段的边坡而言,准确确定蠕滑段和锁固段是进行稳定性评价及演化趋势预测的基础和前提。以我国西南山区某水库型岸坡变形体为例,在综合分析岸坡工程地质条件的基础上,通过联合运用野外现场地质调查、地表位移监测、钻孔、平硐、深部位移监测、物探等多种勘察手段,查明了岸坡的结构特征,并分别对岸坡进行地表和深部变形分区。 在此基础上,结合当前稳定性现状,划分出岸坡蠕滑段与锁固段。结果表明:(1)岸坡在河谷下切过程中发生了弯曲倾倒变形,弯曲折断面深度为20～80m;(2)岸坡前部为蠕滑段,中部为锁固段,后部为拉裂段,具备滑移-拉裂-剪断三段式发育特征。研究结果可直接用于该岸坡变形体的稳定性评价,且对于同类型处于蠕滑阶段边坡的勘察手段及综合分析具有一定的借鉴意义。     

锁固型斜坡失稳机理及其物理预测模型

稳定性受潜在滑面上锁固段所控制的一类斜坡,称之为锁固型斜坡,其失稳机理较为直观明确,我们认为突破斜坡失稳预测这一世界性科学难题应从该类斜坡入手。本文总结了当前有关锁固型斜坡的分类研究,认为可将其分成两大体系;指出锁固型斜坡演化3阶段与锁固段变形破坏过程之间存在内在联系,其演化过程之所以出现加速蠕滑阶段,是因为锁固段损伤累积至体积膨胀点后所致;发现锁固段峰值强度点和残余强度点可视为锁固型斜坡演化进程中的两个特征灾变点,其分别对应着突发型和渐变型滑坡的发生;基于锁固段损伤本构模型和重正化群理论,导出了体积膨胀点、峰值强度点与残余强度点三者之间的量化力学联系,构建了锁固型斜坡失稳的物理预测模型;据此模型对盐池河山崩、新滩滑坡和Libby坝左坝肩楔形岩质滑坡的回溯性预测效果良好,并可合理解释其失稳机理;阐述了该模型的使用原则和配套技术方法,以便于实际应用。     

运用孕震断层多锁固段脆性破裂理论探讨大同—阳高—张北地区未来地震活动性

基于笔者最近建立的孕震断层多锁固段脆性破裂理论,本文针对大同—阳高—张北地区未来大地震发生的可能性进行了预测分析,结果表明该地区有可能发生6.5级以上的破坏性地震。     

潜在锁固型滑坡的类型、形成条件和预判方法研究

已有研究表明滑动是大型灾难性滑坡最常见的失稳机制类型,且滑动过程中一般都伴随滑动面上锁固段(承受应力集中,提供关键承载作用的部位)的应力集中和脆性破坏,其强度和变形决定着边坡的整体稳定性,作者将此类滑坡统称为锁固型滑坡。本文通过分析研究我国36个大型典型灾难性滑坡实例,首次归纳总结了锁固性滑坡的类型和形成条件等共性规律,同时提出了任一边坡能否发展成为锁固型滑坡的预判方法。本文研究成果是锁固型滑坡进一步进行失稳破坏类型预分析、稳定性评价及失稳滑动预报等共性规律的认识和实施防灾减灾措施的前提,具有较好的科学意义和防灾减灾指导价值。     

强震的孕育规律与孕震模式

针对强震能否预测以及如何预测的科学难题,建立孕震断层多锁固段脆性破裂理论,发现强震孕育过程的指数规律：sf（k）=1.48ksc,其中sf（k）和sc分别为第k个锁固体断裂点与第一个锁固段膨胀起点对应的累加Be-nioff应变,可以利用锁固段在其变形膨胀点处开始发生的震群事件（加速性地震活动前兆）预测未来大震,并给出了强震四要素相关预测方法。通过对诸多历史强震（如邢台地震、海城地震、汶川地震、玉树地震等）的回溯性检验分析表明：强震可以预测,且其孕震过程都遵循着上述简单的共性力学规律。在此基础上,归纳出4种典型强震的孕震模式,即大震震级呈＂大—小—大＂型,大震震级呈连续上升型,锁固段快速连续破裂型与标准型。此外,根据相关强震预测理论方法,对有关抗震救灾未来研究的方向提出如下建议：建议加强活动断裂位置精确定位、性质判定的地震地质研究,并开展孕震区锁固段（闭锁区域）判识的地质与地球物理研究等。     

川藏交通廊道典型高位滑坡地质力学模式

川藏交通廊道穿越青藏高原东缘高山峡谷区,大型—巨型高位滑坡多发频发,是铁路、高速公路等交通设施规划建设必须考虑的重要因素。在区域成灾地质背景分析和现场调查的基础上,以地貌特征、斜坡岩体结构、促发条件等为基本要素,总结归纳了川藏交通廊道典型高位滑坡的6类地质力学模式,包括:堆积体滑移型、顺层滑移拉裂型、卸荷剪断型、岩溶贯通拉裂型、崩滑溃散型和构造控制型等。结合典型高位滑坡案例,重点剖析了各类滑坡启动的简化力学机制,并给出了相应的成因解析。综合考虑不同类型高位滑坡的控制因素和易发性分区结果,初步圈定了川藏铁路雅安—林芝段高位滑坡易发靶区,对高位滑坡隐患早期识别、重大工程选址选线和防灾减灾具有重要的指导作用。     

旋喷固结体的物理力学性状研究

通过单轴抗压试验、剪切试验、变形试验及渗透性试验等方法，对旋喷固结体的物理力学性状和渗透性进行了研究。结果表明：旋喷固结体具有良好的物理力学性质和较低的渗透性，可完全改变天然土的性质。     

苏里格气田东南部盒8段储层成岩作用研究及其孔隙演化模式定量分析

通过铸体薄片、扫描电镜、高压压汞、X线衍射、粒度分析及物性等资料,分析了苏东南地区主要的成岩作用类型及其对储层物性的影响。定量分析了各类成岩作用对储层孔隙的贡献率,结果发现胶结物晶间孔对该区储层孔隙贡献程度不可忽视,晶间孔对储集空间的贡献率平均为36.31%。随后对孔隙模式演化进行了定量分析,采用对不分选状况下未固结砂实测的初始孔隙度关系式恢复砂岩原始孔隙度,通过压实后粒间剩余孔隙度的恢复、压实后损失孔隙度的恢复、胶结作用引起的砂岩孔隙度降低和溶蚀作用引起孔隙度的增加幅度计算公式,实现了各成岩阶段孔隙度的定量分析。定量计算结果与实验室室内物性测试分析结果基本吻合,误差为2.5%,检验了研究方法的合理性,表明研究结果具有一定的可靠性。     

锚杆对岩土体作用的力学本质

运用理论分析及数值计算的方法对锚杆作用力的产生机理、分布规律、及其对岩体作用的力学效应进行了探讨,结果表明,锚杆与围岩间的相对位移或相对位移趋势是锚杆作用力产生的条件;若将锚杆及其作用下的围岩看作一个整体即锚固体,则锚杆作用的力学本质可概括为提高锚固体的内聚力、弹性模量、减小锚固体的泊松比以及改善锚固体所处的应力状态,而内摩擦角并无增长的可能。     

白龙江引水工程代古寺水库及其周围地区地震危险性评估

白龙江引水工程是我国拟建的一项重大战略工程,而代古寺水库是该工程的水源枢纽。代古寺水库及其周围地区(本文研究区)活动断层发育、大地震频发,故亟需开展可靠的地震危险性评估,为该研究区内的工程建设和运营保驾护航。由于传统评估方法物理依据不足,难以正确评估研究区的地震危险性,故本文采用了基于地震物理预测的地震危险性评估新方法。研究结果表明,该研究区位于海原地震区,未来100年内该研究区的地震危险性主要源于海原地震区的下一次M_S8.5标志性地震。根据断层地震活动、发震潜力与展布特征,我们预判了该标志性地震的可能发震断层和震中位置;应用地震烈度衰减关系,考虑不同震中位置,分别计算了其产生的地震烈度。为确保“百年大计”的白龙江引水工程代古寺水库水资源枢纽安全,我们建议该研究区的抗震设防烈度不宜低于8度。     

拉伸荷载作用下岩石的细观损伤力学模型

本文建立了拉伸荷载作用下岩石的二维、轴对称和三维细观损伤力学的有效场模型，分析了岩石中的裂纹扩展过程，求得了损伤柔度的表达式，并给出了相应的算例，数值模拟结果与Ｔａｙｌｏｒ模型和自洽模型的计算结果以及实验结果进行了对比，结果表明Ｔａｙｌｏｒ模型和自洽模型的数值模拟结果与实验结果有较大的误差，而本文提出的数值模拟结果则与实验结果具有很好的一致性。     

冻融作用下含裂隙岩石力学特性及损伤演化规律试验研究

实际工程中冻融循环作用下裂隙岩体损伤较为严重,研究其力学特性及损伤演化规律具有极大的现实意义。鉴于此,本文采用类岩石材料模拟不同长度裂隙对岩石力学性质及冻融损伤劣化的影响,通过试验结果分析冻融过程中岩石的变形破坏现象、抗压强度、弹性模量、应力-应变曲线等在冻融循环作用与不同长度垂直裂隙相耦合作用下的变化规律,研究结果表明:岩石的抗压强度、弹性模量随着裂缝长度增大而不断降低趋势;试样在单轴压缩整个变形过程可以分为4个阶段:（1）孔隙裂隙压密阶段;（2）预制裂隙张开阶段;（3）主干裂隙扩展延伸阶段;（4）断裂破坏阶段。冻融作用对（1）、（3）阶段影响最为明显,冻融后（1）阶段明显增长,而（3）阶段中岩石伴随着主干裂隙扩展的次级裂隙明显减少;冻融后试样相对于冻融前破坏后更加松散破碎,伴随着大量岩粉、矿物颗粒的产生。而对于不同长度裂隙试样,随着裂隙长度增长,试样破碎程度提高,且破坏模式更为复杂。本研究成果可为冻融循环作用下裂隙岩体劣化损伤及断裂特性研究提供参考。     

考虑竖向摩阻力的抗滑桩嵌固段内力计算

抗滑桩变形过程中产生的竖向摩阻力可以形成反力矩,有助于抵抗滑坡推力,现对竖向摩阻力对抗滑桩嵌固段内力及变形的影响进行研究。在弹性地基系数法K法和小变形假设的基础上,假定竖向摩阻力与桩岩相对位移成正比,建立考虑竖向摩阻力的抗滑桩受力模型及其挠曲变形微分方程,并推导其求解过程。通过马家沟Ⅰ号滑坡抗滑桩实例计算,分析了竖向摩阻力对抗滑桩内力及变形计算的影响。竖向摩阻力形成的反力矩能减小抗滑桩的变形及内力,对抗滑桩剪力的影响最大,水平位移次之,对弯矩影响最小。考虑竖向摩阻力的抗滑桩计算模型能改善目前抗滑桩设计中剪力计算过大的问题,使抗滑桩设计更为合理。     

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.      

青藏高原递进式隆升的力学模式

根据青藏高原现代构造变形的GPS速度场、高原区喜马拉雅山等五大山脉之间的几何关系,及其在地貌构造上的褶皱结构特点、岩石圈的分层特征,提出在印度板块的推挤作用下,青藏高原具有递进式隆升特征的观点。在此基础上,建立了地壳层递进式弯曲隆升的力学模型,并利用FLAC有限差分法数值模拟软件,近似采用平面应变条件,模拟了在水平推力作用下,地壳层递进式挤压弯曲隆升的过程。根据所建立的力学模型和数值模拟结果认为,青藏高原隆升的主要动力源是印度板块北北东方向的推挤力,地壳层依照自南而北的次序逐步产生一系列弯曲隆起,从平面、剖面上均具有密切的时序因果关系;高原隆升与活动构造的发育、分布具有密切关系,断裂活动强度自南向北递进式扩展。