含软弱夹层岩质斜坡动力响应特征及失稳机理研究

摘要

大光包滑坡是汶川地震触发的最大规模滑坡，滑坡体积达到11.59×108m3，滑坡剪滑破坏发生于构造活动形成的层间错动带中，层间错动带主要由泥化、糜棱化的碎裂物质组成，具有明显地下水赋存和运移特征，该层间错动带的存在对大光包滑坡启动具有重要意义。本文以大光包山体内部发育层间错动带以及该错动带材料基本饱水的特征，研究强震作用下层间错动带的动力响应特征以及渗水层间错动带材料的静动力学特性，以期对大光包滑坡启动机理有进一步认识。基于上述目的，在对该滑坡进行详细调查的基础上，取渗水层间错动带材料进行饱和土静动三轴试验，研究饱和材料的动力特性。随后建立含软弱夹层概化模型进行振动台试验，研究在强震作用下软弱夹层及上下硬层的动力响应特征，并研究震源效应对模型动力响应的影响，结合动力非协调变形理论和FLAC3D数值模拟提出了软弱夹层的三类非协调变形效应。主要有以下几点认识:
　　(1)从层间错动带不同层位C1、C2、C3分别取样进行饱和土动三轴试验，发现在动荷载下C1、C2孔压增长缓慢，动强度变化较小，C3孔压增长较快，动强度明显衰减，对C3进行静三轴试验、双向动三轴试验和影响因素试验，发现不同围压条件下静力剪切试样孔压持续上升达到最大值后稳定，稳态时试样孔压较高。双向振动比单向振动孔压增长更快，等幅值的双向振动比单向振动动强度降低约20％。
　　(2)含软弱夹层的振动台概化模型在较小荷载时加速度放大系数随高程增加而明显增大，且水平振动比垂直振动更明显，随振动幅值增加加速度放大系数减小，高程放大效应不明显;在水平和垂直荷载作用下，软弱层的土压力值远大于上下硬层，且在振动过程中各层位的土压力峰谷值点出现明显位错;在水平和垂直振动作用下，软弱层上边界位移量显著大于下边界，垂直振动上边界位移最大可达到下边界的6倍，水平振动可达到近20倍。
　　(3)考虑了振动幅值和频率对模型动力响应的影响。垂直振动下，随振动幅值的增加软弱层及上层的加速度放大系数减小，而水平振动下随振动幅值的增加放大系数先增加后减小;在垂直和水平振动下模型三个层位土压力值随振动幅值的增加而增大，随幅值增加上下硬层土压力与软弱层差距越来越大;位移响应随振动幅值的增加也明显增大。垂直振动时软弱层加速度放大系数随振动频率增加先增大后减小，在10Hz时最大;水平振动下软弱层放大系数随振动频率增加先减小后增大，在10Hz时最小;在垂直和水平振动作用下软弱层土压力值随频率增加而增大，规律性较好。对位移响应，在垂直作用下软弱层变形随频率增加先减小后增大，在10Hz时最小，在水平作用下变形随频率增加而增大。
　　(4)基于FLAC3D建立了扩大的概化模型，分别在正弦波和地震波加载下计算模型各层位的土压力值，并进行水力耦合计算。得出的结果与物理模拟相似，在垂直正弦波作用下软弱层的土压力远大于上下硬层，且模型越大，软弱层土压力与上下硬层差值越大。水平振动下土压力主要集中在软弱层与上下硬层的边界处。加载清平地震波，发现地震过程中地震幅值增大，软弱层的土压力越大，与上下硬层的差值越大。进行含软弱夹层（模型1）和均质模型（模型2）的水力耦合计算，发现在其他条件完全相同的情况下，含软弱夹层模型的孔隙水压力明显大于均质模型。
　　(5)提出了软弱夹层动力非协调变形三类效应，主要有冲压-拉张效应、水平振动剪切效应和孔隙水压力效应，在地震过程中，由于相对软弱的层间错动带受到强烈的冲压-拉张作用，当垂向冲击力超过裂纹的抗压阀值时将产生压破坏，同时在强烈冲压作用下可能会产生受格里菲斯准则控制的压制拉裂，当软弱层中张拉使得裂隙两端应力集中，一旦达到裂隙抗拉强度裂隙将产生拉破坏。在水平振动下软弱带中发生剪切变形，形成张性雁列和压扭性断裂两种雁列破裂面。在地震过程中，软弱层受到了强大的垂向和水平地震力，压缩剪切含水软弱夹层可能使孔压迅速上升，强度骤降。上述三种非协调效应对地震作用下软弱夹层的强度衰减及山体失稳有很大的影响。
　　根据上述研究最终提出大光包滑坡启动机理:饱水层间错动带为滑坡启动提供地质基础，强震作用下，动力非协调变形导致层间错动带应力集中，该层受到强烈拉压和剪切作用，在强大的地震力作用下层间错动带材料孔压上升，强度衰减，促使滑坡启动。

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摘要

第1章 绪论

1．1 选题依据及研究意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 大光包滑坡研究现状

1．2．2 振动台模拟试验研究现状

1．2．3 含软弱夹层岩质斜坡动力响应研究现状

1．2．4 非协调变形理论研究现状

1．2．5 存在的问题

1．3 研究内容及技术路线

1．3．1 研究内容

1．3．2 技术路线

第2章 大光包滑坡概况

2．1 地形地貌

2．2 地层岩性

2．3 地质构造

2．4 地下水特征

2．5 滑坡基本特征

2．6 层间错动带特征及成因

第3章 饱水软弱层带材料静动力学特性试验研究

3．1 材料和仪器

3．2 试验方案

3．3 动三轴试验结果

3．3．2 应变

3．3．3 动应力

3．3．4 应力路径曲线

3．3．5 动孔压特性

3．3．6 动强度特性

3．3．7 动应力-动应变关系

3．3．8 动弹模与动阻尼比特性

3．4 C3材料特性研究

3．4．1 材料静力剪切特性

3．4．2 单双向动三轴试验对比

3．4．3 双向振动下孔压增长影响因素研究

3．5 影响因素研究

3．5．1 频率

3．5．2 动应力

3．5．3 饱和度

3．5．4 干密度

第4章 含软弱夹层地质体振动台模型试验研究

4．1 振动台模型设计

4．1．1 模型试验相似关系确定

4．1．2 相似材料配比试验

4．1．3 振动台试验设计

4．2 动力响应特征

4．2．1 加速度响应特征

4．2．2 土压力响应特征

4．2．3 位移响应特征

4．3 震源效应对动力响应的影响

4．3．1 不同振动幅值

4．3．2 不同振动频率

4．4 本章小结

第5章 软弱夹层非协调动力响应特征及数值模拟

5．1 动力非协调变形理论

5．2 基于FLAC 3D的软弱夹层非协调变形研究

5．2．1 FLAC 3D基本介绍及动力分析

5．2．2 FLAC 3D动力模型

5．2．3 正弦波加载

5．2．4 清平地震波加载

5．2．5 考虑水力耦合作用的动力分析

第6章 软弱夹层非协调变形效应及大光包滑坡启动机理探讨

6．1 软弱夹层动力非协调变形效应研究

6．1．1 冲压-拉张效应

6．1．2 水平振动剪切效应

6．2 软弱夹层振动超孔隙水压力效应

6．3 大光包滑坡启动过程模型

结论及展望

致谢

参考文献

攻读学位期间取得的学术成果