强震触发顺层滑坡张性破裂及低摩擦启动机理

摘要

汶川地震等强震触发的滑坡成因机制十分复杂，具有与通常重力环境下斜坡失稳机制迥异的特征。其中，最为显著的特征是许多大型滑坡滑动面首先被震裂（张性破裂为主），然后高速滑动甚至抛射。本文依托国家自然科学基金面上项目“强震诱发拉裂-滑移型滑坡瞬态超低摩擦启动机理（41472245）”，针对强震所触发的顺层滑坡张性破裂及低摩擦启动这一动力学机制，采用工程地质分析、室内岩石力学试验和振动台试验等手段，结合地震动力学、岩石力学、摩擦力学和运动学等理论，对强震触发顺层滑坡基本特征及破坏机制、岩层面等结构面动态拉伸和拉剪力学特性及强度准则、滑动面动态摩擦特性及滑动摩擦准则、滑坡震裂-启动动力学模型等从理论到实例应用进行了较为系统的研究，主要研究内容和成果如下：
　　①对汶川地震典型顺层滑坡特征进行工程地质资料分析及总结。探讨了地震作用下坡体从上至下可能出现拉张破坏、张剪破坏和压剪破坏分区的力学机理。具体分析了顺层滑面拉张、张剪及压剪破裂机制和动态低摩擦现象的动力学机理。明确了强震作用下顺层滑面以张性破裂为主，以及法向压应力动态降低及摩擦系数的滑速增加弱化效应对滑坡低摩擦高速启动的重要作用。
　　②利用INSTRON1342电液伺服动静态材料试验机，联合专门设计的直接拉伸连接装置，对岩体结构面（灰岩层面或砂岩层理面）开展了不同应变率拉伸、增幅循环拉伸及增幅循环拉压三种动态直接拉伸试验，研究了结构面动态拉伸断裂形态、变形、强度及损伤演化特征，揭示了加载速率及循环荷载频率的影响。抗拉强度主要与破坏时的最大应变率有关，即动态荷载的应变率起控制作用，而荷载的循环作用则稍微降低了强度。
　　③发明了一种可在压剪试验机上使用的岩石拉剪装置，对岩体结构面（灰岩层面或完整砂岩）开展了不同法向拉应力、不同剪切速率及循环剪切下的直接剪切试验，研究了结构面动态拉剪断裂形态、变形、强度及损伤演化特征，重点揭示了剪切速率的影响，并结合不同剪切速率压剪试验结果，探讨了全法向应力区强度准则（幂函数强度包络拟合效果相对较好），建立了考虑剪切及拉伸速率的岩体结构面拉伸-拉剪-压剪统一强度准则。
　　④通过振动台滑块试验（砂岩块，水平放置），研究了正弦水平振动、竖向振动和水平-竖向相位差耦合振动下的滑块运动和滑动摩擦动态演化规律，揭示了振幅、频率及相位差对滑块运动和摩擦特性的影响，明确了滑面摩擦降低的动力学条件，建立了随滑动速率增加摩擦系数初期增大-随后弱化的速率依赖性滑动摩擦准则。
　　⑤提出了考虑震裂阶段和启动滑移阶段全过程的地震滑坡动力学分析概念。通过对剩余推力法进行改进来计算坡体时程加速度并结合Newmark法计算滑坡速度和位移，建立了顺层滑坡震裂（考虑张拉、剪切屈服准则）-低摩擦启动（考虑滑动摩擦准则）全过程动力时程分析理论模型，并编制了计算程序对一简单算例进行了正弦水平震动、竖向震动以及水平-竖向时差和相位差耦合震动分析，得到了一些与振动台试验和实际滑坡特征一致的结果。
　　⑥利用提出的动力学模型对汶川地震大光包滑坡震裂及启动过程进行理论计算（采用绵竹清平台站记录到的水平和竖向地震波）。定义从滑面破裂贯通而摩擦系数开始降低时刻到其降至稳定时刻作为滑坡启动阶段，计算得到历时约6 s，相应的滑动位移约3.7 m。将摩擦系数降至稳定时刻的滑动速度定义为滑坡启动速度，计算得到约3m/s。启动阶段之后滑动速度明显加快，产生高速滑坡，计算得到平均滑动速度约36.4 m/s，在滑坡运动特征参数推算法得到的范围内（35~50 m/s）。此外，考虑地震加速度高程放大效应的滑面破裂模式计算结果与实际更符合，即后缘拉张破裂和底滑面张剪破裂，而启动阶段历时明显变短。

目录

主要符号

1 绪 论

1.1 选题背景及研究意义

1.2 国内外研究现状

1.3 本文研究内容及技术路线

2 强震触发顺层滑坡基本特征及破坏机制分析

2.1 引言

2.2 汶川地震典型顺层滑坡特征

2.3 坡体破坏机制的应力状态分析

2.4 顺层滑面张性破裂及低摩擦机制分析

2.5 本章小结

3 岩体结构面动态直接拉伸力学特性试验研究

3.1 引言

3.2 试验方法

3.3 试验结果分析

3.4 结构面动态拉伸强度模型

3.5 本章小结

4 岩体结构面动态拉剪力学特性试验研究

4.1 引言

4.2 岩石拉剪装置发明

4.3 试验方法

4.4 试验结果分析

4.5 结构面动态拉伸-拉剪-压剪统一强度准则

4.6 本章小结

5 强震作用下滑动面动态摩擦特性振动台滑块试验

5.1 引言

5.2 试验方法

5.3 试验结果分析

5.4 动态摩擦准则研究

5.5 本章小结

6 强震触发顺层滑坡破裂-低摩擦启动动力学模型

6.1 引言

6.2 动力学模型建立的基本思路

6.3 基于剩余推力法和Newmark法的动力时程分析理论模型

6.4 算例

6.5 本章小结

7 汶川地震大光包滑坡震裂及启动过程理论计算

7.1 引言

7.2 大光包滑坡形成机制研究总结

7.3 计算模型及地震波输入

7.4 滑带屈服及滑动摩擦准则

7.5 计算结果

7.6 本章小结

8 主要结论与展望

8.1 主要结论

8.2 本文创新点

8.3 今后研究展望

致谢

参考文献

附录

A. 作者在攻读学位期间发表的论文

B. 作者在攻读学位期间申请发明专利

C. 作者在攻读学位期间主持及参加科研项目