陡倾顺层斜坡动力响应及失稳机理的离心振动台模型试验研究

摘要

我国地处环太平洋地震带和地中海-喜马拉雅地震带之间，是全世界最大的大陆地震区，也是一个地震频发的国家。在斜坡高陡的西部山区，地震会促使高陡斜坡失稳，诱发崩塌、滑坡、泥石流等次生地质灾害。2008年5月12日，汶川大地震就诱发了不计其数的崩塌、滑坡等地质灾害，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整体失稳的现象，这和传统“陡倾斜坡稳定性较好”的认识不一致。这类斜坡在强震作用下是怎么失稳的，只有研究强震作用下陡倾顺层斜坡的失稳机理以及动力响应规律才能阐明这一问题。
　　本文以“5.12”汶川地震为研究背景，通过对汶川地震区大量陡倾顺层斜坡失稳特征，现场调查分析的基础上，建立概念模型，结合离心振动试验方法，分析探讨陡倾顺层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)根据现场调研汶川地震诱发的大量陡倾顺层边坡动力失稳实例为基础，选取其中典型的干磨房滑坡和大竹坪崩滑为例，抽象概化出层状硬岩和软硬互层两种不同坡体结构的陡倾顺层斜坡。
　　(2)根据动力离心模型试验的基本原理以及相似量纲分析原理确定了模型试验的相似常数，开展了模型斜坡硬岩和软岩的选材和配比试验，通过比较遴选出模型试验的最优相似材料和相应的配合比，并按照试验所需选取了相应的测量元器件并对试验测点布置进行设计，按照试验目的确定了地震波的加载方案。通过对整个试验的设计与实施，建立了适用于陡倾顺层斜坡动力离心模型试验的一套比较优化的试验方法。
　　(3)采用土工离心机开展了陡倾顺层斜坡的离心振动台模型试验，通过高速摄像机和监视系统观察两个斜坡模型的变形破坏特征，然后分析斜坡变形破坏的演化过程，进而分析陡倾顺层斜坡的失稳机理。分析表明，陡倾层状硬岩斜坡以崩塌和坡肩岩体抛射为主，而软硬互层斜坡的破坏方式主要为滑移-弯曲。
　　(4)对比分析了层状硬岩斜坡和软硬互层斜坡在不同地震加载情况下监测的加速度数据，探讨了地震动参数和斜坡体自身地质条件对陡倾顺层斜坡地震动力响应的影响规律。综合考虑了对斜坡地震动力响应造成影响各种因素，分析得出了陡倾顺层斜坡的水平放大效应、高程放大效应、临空面效应、不同振幅条件下斜坡的动力响应规律以及不同坡体结构斜坡的动力响应规律。动力响应分析结果很好的揭示了陡倾顺层斜坡在地震作用下的变形破坏特征及失稳机理。
　　(5)通过三维离散元软件3DEC反演了陡倾顺层斜坡的破坏形式，在此基础上分析了层状硬岩和软硬互层斜坡在地震荷载作用下边坡的破坏模式，并与离心振动台模型试验的结果相对比。结果表明数值模拟计算与离心振动台模型试验的斜坡破坏特征是基本吻合的，由此可见，数值模拟基本反映了陡倾顺层斜坡离心振动台模型试验中坡体的整个破坏过程。

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 顺层岩质边坡失稳机理及概念模型研究现状

1．2．2 地震作用下斜坡稳定性分析方法研究现状

1．2．3 地震作用下斜坡动力响应及稳定性研究现状

1．2．4 土工动力离心模型试验在边坡工程中的应用现状

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 陡倾顺层斜坡地震动力失稳地质原型与试验模型

2．1 汶川地震中陡倾顺层斜坡灾害的工程地质特性

2．1．1 干磨房滑坡

2．1．2 大竹坪崩塌

2．2 概化试验模型

2．3 本章小结

第3章 大型离心振动台模型试验设计

3．1 模型试验仪器设备

3．1．1 土工离心机

3．1．2 离心机振动台

3．2 动力离心模型试验原理及相似关系

3．2．1 动力离心模型试验基本原理

3．2．2 相似理论推导

3．2．3 相似常数确定

3．3 模型试验相似材料的比选

3．3．1 相似材料的选择

3．3．2 配比试验

3．4 模型箱的选取与边界条件处理

3．5 试验传感器及测点布置

3．5．1 传感器布置原则

3．5．2 试验测点布置

3．5．3 数据采集

3．6 地震波加载方案

3．7 试验模型制作及试验步骤

3．7．1 模型制作

3．7．2 离心振动台试验步骤

3．8 本章小结

第4章 地震作用下陡倾顺层斜坡模型的变形破坏特征及失稳机理

4．1 地震作用下陡倾顺层斜坡模型变形破坏特征

4．1．1 层状硬岩斜坡变形破坏现象分析

4．1．2 软硬互层斜坡变形破坏现象分析

4．2 地震作用下陡倾顺层斜坡模型失稳机理

4．2．1 地震作用下斜坡破坏演化过程

4．2．2 地震作用下斜坡失稳机理

4．3 本章小结

第5章 基于离心振动台陡倾顺层斜坡地震动力响应规律研究

5．1 模型监测点的布置

5．2 层状硬岩斜坡动力响应规律分析

5．2．1 不同离心加速度下动力响应规律分析

5．2．2 不同振幅下动力响应规律分析

5．3 软硬互层斜坡动力响应规律分析

5．3．1 不同离心加速度下动力响应规律分析

5．3．2 不同振幅下动力响应规律分析

5．4 不同坡体结构下模型的动力响应规律对比分析

5．5 本章小结

第6章 地震作用下陡倾顺层斜坡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拟定

6．2．1 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 物理力学参数选取

6．2．5 计算流程

6．3 基于离散元陡倾顺层斜坡动力破坏模式研究

6．3．1 层状硬岩斜坡动力破坏模式研究

6．3．2 软硬互层斜坡动力破坏模式研究

6．4 数值计算与试验结果的对比验证

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