频发微震下库区顺层岩质边坡累积损伤演化机理及稳定性研究

摘要

已有监测表明，三峡水库在每次蓄水后均能监测到不同能级的地震发生，且地震能量大多以高频度低强度的形式释放，这种次数多、震级小的地震对库区边坡的稳定性是否会造成影响，以及影响的程度有多大，将成为库区地质灾害防治需要面临的新问题。已有研究重点主要放在滑体处于临界失稳状态和地震强度较大的情况，而很少关注频发微震对边坡稳定性的影响。本文综合岩石力学、工程地质、工程地震等学科知识，以库区稳定性相对较差的顺层岩质边坡为研究对象，采用室内直剪试验、振动台模型试验、理论分析和数值模拟相结合的方法，对岩体结构面在峰前循环加载下的宏细观累积损伤特性及强度劣化模型、边坡岩体在频发微震下的累积损伤演化机理及累积损伤模型、边坡在反复微震作用下的稳定性及其影响因素等进行了较为系统深入的研究，主要研究内容和成果如下：
　　①将频发微震对边坡岩体结构面的影响概括为峰前循环加载，进而开展岩石节理的峰前循环加载室内直剪试验，基于节理发生的爬坡、爬坡-啃断、啃断三种典型变形模式，分析了循环加载次数、加载速率及加载幅值对节理损伤特性及剪切强度的影响。研究表明，峰前循环加载会对岩石节理产生“接触效应”和“损伤效应”，前者通过增大节理剪切面的接触面积，对节理抗剪强度产生有利作用，而后者会引起节理二阶起伏体的磨损和一阶起伏体的啃断，造成节理粗糙起伏的退化，上述两种效应的演变是造成节理抗剪强度变化的根本原因；从节理的变形特征及剪切面的损伤状态可知，峰前循环加载的次数越多、速率越快、幅值越高，节理剪切面上的累积损伤越明显。
　　②基于PFC颗粒流数值方法，从细观角度研究了峰前循环加载阶段岩石节理的累积损伤演化特征。研究表明，在爬坡模式下，节理损伤裂纹主要出现二阶起伏体附近，张拉裂纹及剪切裂纹均有出现，体现出循环加载对二阶起伏的磨损效应；在啃断模式下，除了在二阶起伏体上有少许张拉及剪切裂纹外，损伤裂纹主要出现在一阶起伏体上，且以张拉裂纹为主，体现出循环加载对一阶起伏体的啃断效应；节理起伏体上的裂纹数量随循环加载次数增多而增加，且增加的速度有不断加快的趋势，而在循环加载次数增加到某个量级时，裂纹甚至出现激增的现象，表明节理起伏体上疲劳裂纹的扩展贯通具有累积后突变的演变特征。
　　③从节理在峰前循环加载阶段出现的切向位移逐渐累积增加的试验现象出发，以切向位移塑性功指数衰减函数来表示起伏角的磨损和破坏过程，从而建立了考虑起伏角磨损退化的节理强度模型；通过 Fish语言编程实现了边坡结构面强度参数在动力作用时程内的自动更新，从而建立了考虑结构面累积损伤的边坡动力稳定性数值计算流程；在边坡的动力稳定性数值计算中，主要考虑了循环剪切作用造成的结构面起伏角?k的退化、相对速度造成的滑块之间动态摩擦系数 fk的减小（以相对速度影响因子??t?来表达）两个因素的影响。
　　④针对顺层岩质边坡的动力累积损伤问题，设计了一套完整的相似物理模型振动台试验流程。采用传递函数法求取边坡各加载阶段的动力特性参数，并以一阶自振频率的变化定义损伤变量，获得了典型边坡岩体在微小地震作用阶段和强震作用阶段的非线性疲劳累积损伤模型。结果表明，在微小地震作用阶段，模型边坡的损伤累积符合三次多项式的形式，边坡的累积损伤表现出初期略微下降、中期线性增长、后期平缓增长的正“S”型三段式特征；在强震作用阶段，模型边坡的损伤累积符合幂指数形式，边坡岩体的损伤累积速度显著加快，而采用疲劳裂纹扩展的双K准则可以很好的解释四个模型边坡累积损伤曲线的变化趋势。
　　⑤通过振动台试验，研究了典型坡体的动力响应特征及各损伤阶段动力响应的变化，得到了典型坡体在反复地震作用下的滑面形成过程及失稳模式。研究表明，边坡的加速度响应表现出“高程效应”和“趋表效应”，且随地震频率、地震荷载幅值的增大，边坡的动力响应更加强烈，而随着坡体损伤的不断累积，边坡的动力响应呈现出减弱的趋势；在反复地震作用下，水平层状坡的层面首先发生水平错动，进而岩层中的次级节理被拉裂，各层拉裂的次级节理与错开的层面交汇连通，最终形成了在坡面出露的阶梯型破坏面；中倾顺层坡的上部岩体首先沿层面产生滑动变形趋势，进而造成边坡后缘的次级节理从坡顶向下逐渐被拉裂，最终形成由后缘竖向拉裂缝与下部贯通层面组合而成的破坏面；陡倾顺层坡的层面由坡面向里依次被拉开，进而次级节理因岩层受弯而被拉裂，其破坏面主要由后缘陡倾层面段、中部台阶起伏段及前缘平缓剪出段三段构成。
　　⑥通过UDEC离散元方法建立数值边坡模型，采用结构面强度劣化模型来更新地震作用时程内层面的强度参数，进而分析边坡在频发微震作用下的变形发展特征及稳定性变化规律，并对其稳定性影响因素进行分析，结果表明，随着地震作用次数的增加，边坡坡体的累积永久位移逐渐增大，边坡的稳定性逐渐降低，且二者的变化幅度呈现出先慢后快的规律，即当微震加载次数增大到一定次数时，位移突然急剧增大，边坡发生失稳破坏，这一现象表明，顺层岩质边坡在频发微震下的失稳会呈现一定程度的突变特征；在频发微震下，层面出露的中倾顺层坡的稳定性较差，坡体有出现整体滑移失稳的风险，且边坡在出现整体滑移失稳前滑体已有明显的变形发展迹象，滑体较为破碎；层面不出露的陡倾顺层坡稳定性相对较好，且主要出现崩塌、落石等地质灾害；频发微震对水平层状坡的稳定性影响较小，但在遭受多次微小地震作用后，坡表较为破碎，坡面有发生局部掉块与失稳的风险。

目录

主要符号

1 绪 论

1.1 选题背景及研究意义

1.2 国内外研究现状及评述

1.3 主要研究内容

1.4 技术路线

2 峰前循环加载下岩体结构面的累积损伤直剪试验

2.1 引言

2.2 试验背景及原理

2.3 试样加工及试验设备

2.4 试验分组及过程

2.5 试验结果及分析

2.6 本章小结

3 峰前循环加载下岩体结构面的累积损伤细观颗粒流模拟

3.1 引言

3.2 模型建立及参数标定

3.3 直剪试验数值加载过程的实现

3.4 循环加载阶段节理的累积损伤演化特征

3.5 本章小结

4 考虑累积损伤效应的岩体结构面强度模型及其数值实现

4.1 引言

4.2 粗糙起伏对结构面剪切强度的贡献

4.3 考虑起伏体磨损的节理强度模型及切向弹塑性本构

4.4 考虑结构面强度劣化的边坡动力稳定性数值计算流程

4.5 算例分析

4.6 本章小结

5 频发微震下顺层边坡岩体累积损伤振动台试验设计

5.1 引言

5.2 相似关系及相似材料

5.3 相似材料力学特性试验

5.4 试验设备及模型箱加工

5.5 边坡模型制作及传感器埋设

5.6 加载波的选取及加载方案

5.7 振动台试验流程

5.8 本章小结

6 典型顺层岩质边坡的累积损伤演化过程及失稳模式

6.1 引言

6.2 坡体损伤变量的定义

6.3 坡体的累积损伤演化过程及累积损伤模型

6.4 坡体各损伤阶段动力响应的变化

6.5 坡体滑面形成过程及失稳模式

6.6 本章小结

7 微震频发对顺层岩质边坡变形及稳定性的影响

7.1 引言

7.2 UDEC数值边坡模型的建立

7.3 边坡稳定性评价方法

7.4 多次地震作用下边坡的变形及稳定性变化特征

7.5 顺层岩质边坡稳定性影响因素分析

7.6 本章小结

8 结论与展望

8.1 主要结论

8.2 本文的主要创新点

8.3 后续展望

致谢

参考文献

附录

A. 作者在攻读博士学位期间发表的论文目录

B. 作者在攻读博士学位期间参加的科研项目