强震作用下陡倾软硬相间顺层斜坡动力响应规律及其失稳机理研究

摘要

中国是一个地震灾害频发的国家，因地震诱发的次生地质灾害，如滑坡、泥石流、崩塌、落石等，而造成的人员伤亡和经济损失甚至超过因地震直接导致的损失。2008年5月12日，汶川大地震就诱发了不计其数的次生地质灾害，对震中区及其周边地区造成了灾难性的破坏。在对汶川大地震诱发的次生地质灾害的调查中，发现了大量的陡倾顺层斜坡动力失稳的现象。因此，很多研究者对陡倾顺层斜坡在地震条件下的失稳机理及动力响应进行了研究并取得了丰硕的成果，但是针对汶川地震中出现的诸多陡倾软硬相间顺层斜坡破坏，未进行特定的动力响应规律及动力失稳机理研究。故本文以“5.12”汶川地震为研究背景，在对汶川地震区陡倾软硬相间顺层斜坡动力失稳现场调研的基础上，选取最具代表性的斜坡抽象概化建立物理试验模型，然后结合离心振动试验和三维离散元数值模拟方法，分析探讨该类型斜坡的动力响应特征及失稳机理，其主要工作与成果如下:
　　(1)以现场调研汶川地震诱发的诸多陡倾软硬相间顺层斜坡动力失稳案例为基础，选取干磨坊滑坡和水磨沟滑坡为代表，并根据现有的试验条件、滑坡工程地质概况、离心振动台模型试验相似理论等，综合考虑确定了模型试验的相似常数和基本控制量，然后抽象概化建立了两种陡倾软硬相间顺层斜坡模型，分别为软硬互层60°坡体结构(M1)和软硬互层80°坡体结构(M2)。
　　(2)开展了模型斜坡硬岩和软岩的配比试验工作，通过材料比选和正交试验确定了模型试验的最佳相似材料和相应的配合比。硬岩的配比为石英砂∶重晶石粉∶水泥∶石膏=2∶5∶1∶1，软岩的配比为石英砂∶重晶石粉∶石膏=1∶1∶1。按照实际情况和试验目的设计确定了地震波的加载方案，选取了合理的监测器件并对试验监测点布置进行优化设计。
　　(3)陡倾软硬互层60°模型斜坡在地震作用下，主要变形部位为整个坡表一定范围的岩土体，具体表现为滑动体在水平地震作用下沿优势层面下滑，斜坡后缘出露光滑后壁，坡脚附近岩土体弯曲隆起折断，整个模型斜坡发生滑移—弯曲式溃滑;而陡倾软硬互层80°模型斜坡在动力荷载作用下，破坏部位主要靠近坡脚和坡顶部位。表现为斜坡模型在水平地震荷载作用下出现分级滑动，坡顶出现明显的下座陡坎和纵向的张拉裂缝，岩层倾角大于坡脚，下滑受阻，坡脚附近岩土隆起。特殊的坡体结构使得坡内深层潜在滑面未完全贯通，坡肩震裂松动岩层在巨大水平惯性力下，向临空面作悬臂梁弯曲倾倒。整个坡体发生滑移—下部弯曲—上部倾倒式失稳破坏。
　　(4)对于陡倾软硬互层60°模型斜坡，在模型斜坡表面随着高程的增加，PGA放大系数总体表现出非线性增加，在坡顶动力响应最为强烈。而对于陡倾软硬互层80°模型斜坡，在模型斜坡表面随着高程的增加，PGA放大系数总体表现出先增大后减小再增大的节律性变化，在坡高1/3处和坡肩部位动力响应最为强烈。而两种模型斜坡在同一水平高度下，由于斜坡岩土体越靠近临空面受到约束越小，故距离坡表越近加速度放大系数越大，表现出一定的“趋表效应”。
　　(5)基于Hilbert-Huang变换及边际谱理论得出，在地震作用下陡倾软硬相间顺层斜坡，损伤影响区域位于坡顶到坡脚一定深度范围内的岩土体，但软硬互层60°模型斜坡横向影响深度比软硬互层80°模型斜坡更深。
　　(6)数值模拟结果同离心振动台试验结果所反映出来的两种斜坡破坏特征基本吻合，同时两种坡体结构数值模拟坡表关键点的PGA放大系数也同离心振动台试验的变化规律基本一致。由此可见，通过离心振动台试验，能够科学可靠揭示了陡倾软硬相间顺层斜坡在地震荷载作用下的加速度动力响应规律及失稳机理。

目录

声明

摘要

第1章 前言

1．1 选题依据及研究意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 顺层岩质斜坡失稳机理研究现状

1．2．2 顺层岩质斜坡动力响应分析研究现状

1．2．3 离心模型试验在边坡工程中的应用现状

1．2．4 斜坡动力损伤识别方法研究现状

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 典型陡倾软硬相间顺层斜坡工程地质条件

2．1 概述

2．2 干磨坊滑坡工程地质特性概况

2．2．1 干磨坊滑坡地质环境条件

2．2．2 干磨坊滑坡特征

2．2．3 干磨坊滑坡动力失稳机理

2．3 水磨沟滑坡工程地质特性概况

2．3．1 水磨沟滑坡地质环境条件

2．2．2 水磨沟滑坡变形特征

2．2．3 水磨沟滑坡动力变形机理

2．4 离心振动台试验概化模型建立原则

2．5 本章小结

第3章 陡倾软硬相间顺层斜坡离心振动台试验设计

3．1 离心振动台模型试验基本原理

3．2 离心振动台模型试验仪器设备

3．2．1 土工离心机

3．2．2 离心机振动台

3．3 模型箱的选取与边界条件处理

3．4 离心模型试验相似关系推导及相似常数确定

3．4．1 离心振动台模型试验相似理论

3．4．2 离心振动台模型试验相似常数确定

3．5 试验概化模型设计

3．6 模型试验相似材料的比选

3．6．1 相似材料的选择

3．6．2 相似材料配比试验

3．7 试验传感器及测点布置

3．7．1 传感器布置原则

3．7．2 传感器的选择及率定

3．7．3 试验测点布置

3．7．4 试验数据采集

3．8 地震波的选取及加载

3．9 试验步骤及注意事项

3．9．1 试验注意事项

3．9．2 试验具体步骤

3．10 本章小结

第4章 斜坡模型离心振动台试验结果分析

4．1 陡倾软硬相间顺层斜坡模型动力变形破坏特征分析

4．1．1 软硬互层60°坡体结构变形破坏特征分析

4．1．2 软硬互层80°坡体结构动力变形破坏特征分析

4．2 陡倾外软硬相间顺层斜坡模型加速度响应规律分析

4．2．1 软硬互层60°坡体结构加速度响应规律分析

4．2．2 软硬互层80°坡体结构加速度响应规律分析

4．3 陡倾外软硬相间顺层斜坡模型动力响应时间域特征分析

4．3．1 Arias强度及放大系数

4．3．2 模型坡表Arias强度及放大系数分析

4．3．3 模型坡内Arias强度及放大系数分析

4．4 陡倾外软硬相间顺层斜坡模型动力响应频率域特征分析

4．4．1 傅里叶幅值谱

4．4．2 软硬互层60°坡体结构傅里叶谱响应特征分析

4．4．3 软硬互层80°坡体结构傅里叶谱响应特征分析

4．5 本章小结

第5章 基于HHT变换的斜坡动力破坏模式分析

5．1 概述

5．2 斜坡模型在地震作用下的破坏模式判别方法

5．2．1 Hilbert-Huang变换及边际谱理论

5．2．2 斜坡动力破坏状态的能量判别步骤

5．3 模型斜坡动力破坏模式分析

5．3．1 软硬互层60°模型斜坡动力破坏模式分析

5．3．2 软硬互层80°模型斜坡动力损伤模式分析

5．4 地震作用下陡倾软硬相间模型斜坡失稳机理

5．4．1 地震作用下不同模型斜坡破坏演化过程

5．4．2 地震作用下模型斜坡失稳机理

5．5 本章小结

第6章 陡倾软硬相问顺层斜坡动力失稳机理数值模拟研究

6．1 三维离散元软件3DEC的基本原理

6．2 计算流程及计算参数的选取

6．2．1 概化模型的建立

6．2．2 边界条件及阻尼

6．2．3 地震荷载施加

6．2．4 本构模型及岩体参数的选取

6．2．5 数值模拟计算流程

6．3 基于三维离散元模型斜坡动力失稳模式研究

6．3．2 软硬互层80°坡体结构动力失稳模式研究

6．4 数值计算与试验结果的对比验证

6．4．1 破坏过程特征对比

6．4．2 动力响应参数对比

6．5 本章小结

结论

致谢

参考文献

攻读学位期间取得学术成果