汶川地震区大型堆积体变形破坏模式及稳定性研究

摘要

汶川特大地震造成了大量的松散堆积体，这些堆积体大多规模巨大，体积动辄数十万m3，甚至达数百万m3。在暴雨、地震、人类工程活动等因素的影响下，大型松散堆积体极易演化形成地质灾害，威胁人类生命财产的安全。由于汶川地震区大型堆积体分布广、数量多、形成机制复杂，成灾模式多样，发生地质灾害的识别难度大，隐蔽性强，防治极为困难，因此，开展汶川地震区大型堆积体的变形破坏模式及稳定性研究显得尤为迫切。
　　本文结合震后地质灾害调排查情况，深入研究了汶川地震区大型堆积体地质环境条件，分析了大型堆积体的发育分布特征，总结其变形破坏模式及演化机制，并采用工程地质分析法、数值模拟方法、极限平衡法等方法对三种典型大型堆积体的变形破坏机制及稳定性进行分析研究，最后采用离心试验法研究了不同工况下堆积体的受力和变形发展规律，得出以下主要成果:
　　(1)揭示了地震区大型堆积体发育分布受地质环境条件的影响，具有独特的特征，具体表现是:堆积体沿龙门山地震断裂带、河道水系呈带状、线状、集群式分布;滑坡型堆积体主要发育于海拨1000m以下的丘陵低山区，泥石流型堆积体主要发育于高山峡谷区，崩塌型堆积体主要发育于海拔1500m以下小切割山地区;滑坡型堆积体主要形成于土质边坡中，崩塌型堆积体主要形成于岩质边坡中，而泥石流型堆积体主要形成于岩土质边坡中。
　　(2)提出震后堆积体与一般堆积体最大的区别在于地质结构复杂性和颗粒结构的多元性。构成震后堆积体的物质不仅有松散的第四系覆盖层，还有年代较远的基岩层;震后大型堆积体中既有滑坡型堆积体、也有崩塌型和泥石流型堆积体。堆积体颗粒粒度分布具有明显分层、分形特征;颗粒粒度从巨颗粒、粗颗粒至细颗粒一应俱全，工程特性表现不一，呈多级分布特征;相同（相近）粒径的颗粒集中度较高;巨颗粒与粗颗粒之间具有咬合不紧、压实不密、遇水即散的特征。
　　(3)总结归纳了震后堆积体的三种类型。根据形成原因将堆积体分为滑移型、崩塌型、冲刷型三大类。根据其结构特征及破坏方式将滑移型划分为古滑坡复活型、软弱基底滑移型、深厚堆积体浅层滑移型和浅表层剥皮型。根据崩塌位置和移动形式将崩塌型分为碎裂岩块（石）塌落型、错断式崩塌型、浅层崩滑型。根据其变形破坏模式将冲刷型分为拉槽冲刷型、淘蚀塌脚型、堵溃切割型。分别对3大类10小类堆积体的变形破坏特征及演化机制进行了归纳总结。
　　(4)使用FLAC3D数值分析法和极限平衡法对整体滑移型堆积体进行稳定性评价分析，揭示了该类型堆积体中上部沉降变形较大、前缘剪切变形最大，并且变形具有分层分级现象。提出堆积体基覆面存在软弱层或破碎带滑动面是该类型堆积体变形破坏的重要因素之一。整体滑移型堆积体变形破坏是以“压-剪”的后推式滑移为主，其变形破坏模式属于“后缘堆积加载、中部沉降挤压、前缘剪出拉动，堆积体整体沿着基底破碎带滑动面下滑”的失稳模式。
　　(5)采用工程地质比拟法和Mohr-Coulomb模型的弹塑性数值模拟方法，对崩塌型堆积体变形破坏的力学过程和变形破坏机理进行分析研究，结果表明:堆积体变形以后缘崩塌、滚石堆积加载，中下浅表层崩滑或冲沟变形为主;中下部变形较大，凸出部位变形最大，堆积体后缘滑动带剪切应变量较大，堆积体变形破坏面并不是发生在基覆面上，而是主要分布于前缘隆起堆积体中、中部“凸点”部位或后缘堆积体内。
　　(6)揭示了沟道冲刷型堆积体的变形破坏主要表现为淘底、拉槽、堵溃、切割、冲刷、淤积等特点。通过对自重条件和降雨条件下堆积体的稳定性数值分析，提出该类型堆积体在天然状态下稳定性安全系数均在2.5左右。堆积体受到暴雨或连续性降雨的影响下，剪切应变增量会明显升高，计算的安全性系数会明显降低，堆积体容易失稳，需要采取必要的治理措施。提出堆积体最大变形出现在“拐点”和坡度较陡的区域。针对以上特点，提出治理沟道冲刷型堆积体应采取“水石分治、固底护坡、拦挡停淤、监测维护”的综合治理措施。
　　(7)针对含水量变化对堆积体稳定性的影响和抗滑桩治理堆积体的加固作用开展了离心试验研究，认为含水量的增大会加速松散堆积体的变形破坏，其破坏形式以浅表层牵引式破坏为主;钢筋混凝土桩对堆积体的加固效应明显，桩侧土压力沿深度是非线性发展，前排桩与后排桩的受力特点有所不同。离心试验的结果对固底护坡和桩基加固措施具有一定的验证作用。

目录

声明

摘要

第1章 引言

1．1 选题背景、目的及研究意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 堆积体发育特征及分布规律研究

1．2．2 堆积体的工程特性研究

1．2．3 堆积体变形破坏机制及稳定性的研究

1．2．4 堆积体变形破坏的治理措施研究现状及发展趋势

1．2．5 堆积体的离心试验研究

1．3 论文研究内容、研究思路及技术路线

1．3．1 论文研究内容

1．3．2 研究思路及技术路线

1．4 论文主要成果创新点

第2章 汶川地震区大型堆积体地质环境条件研究

2．1 自然地理概况

2．2 地形地貌

2．3 地层岩性

2．4 地质构造

2．5 水文地质条件

2．6 新构造运动与地震

第3章 汶川地震区大型堆积体发育特征研究

3．1 概述

3．2 大型堆积体平面发育分布特征及影响因素研究

3．2．1 堆积体的平面分布特征

3．2．2 堆积体发育分布与地质环境关系研究

3．3 堆积体结构发育分布特征研究

3．3．1 堆积体的空间结构分布特点分析

3．3．2 堆积体的颗粒结构分布特征

3．3．3 地震区堆积体的发育分布特征与野外断别方法探讨

3．4 堆积体成灾模式及其演化机制研究

3．5 本章小结

第4章 整体滑移型堆积体变形破坏机制及稳定性评价

4．1 概述

4．2 堆积体工程地质环境条件

4．2．1 概况

4．2．2 地形地貌

4．2．3 地层岩性

4．2．4 地质构造与地震

4．3 堆积体变形破坏机理

4．3．1 堆积体的变形破坏特征

4．3．2 变形破坏机制分析

4．4 基于Flac-3D的堆积体变形特征数值模拟分析

4．4．1 数值模型的建立

4．4．2 计算结果分析

4．5 整体滑移型堆积体稳定性评价

4．5．1 计算方案

4．5．2 计算参数

4．5．3 计算成果分析

4．6 结论与建议

第5章 崩塌型堆积体变形破坏机制及稳定性研究

5．1 概述

5．2 研究区工程地质环境条件

5．2．1 概况

5．2．2 地形地貌

5．2．3 地层岩性

5．2．4 地质构造与地震

5．2．5 气象和水文条件

5．3 堆积体变形机制分析

5．3．1 变形破坏特征

5．3．2 主要影响因素

5．3．3 变形破坏典型类型及变形破坏机制分析

5．4 崩塌型堆积体稳定性分析

5．4．1 工程地质分析法

5．4．2 数值分析法

5．5 结论及建议

第6章 沟道冲刷型堆积体变形破坏机制及其防治

6．1 概述

6．2 研究区主要工程地质环境条件

6．2．1 概况

6．2．2 气象及水文

6．2．3 地形地貌

6．2．4 地层岩性

6．2．5 地质构造及地震

6．2．6 水文地质条件

6．2．7 主要工程地质问题

6．3 沟道冲刷型堆积体变形机制分析

6．3．1 沟道冲刷型堆积体失稳破坏过程分析

6．3．2 堆积体中段失稳模式

6．3．3 堆积体下段失稳模式

6．4 沟道冲刷型堆积体稳定性评价

6．4．1 计算方案

6．4．2 自重状态下堆积体稳定性评价

6．4．3 暴雨或连续降雨条件下堆积体稳定性评价

6．4．4 饱水状态下堆积体变形特征数值分析

6．4．5 数值模拟小结

6．5 治理方案分析

6．6 小结

第7章 大型碎屑堆积体工程治理离心模型试验研究

7．1 概述

7．2 试验准备

7．2．1 试验方案选取

7．2．2 离心模型材料选择

7．2．3 堆积体模型尺寸

7．2．4 堆积体模型位移测量

7．2．5 钢筋混凝土桩受力测量

7．2．6 试验场地和设备技术指标

7．2．7 试验方案

7．2．8 离心机运行方案

7．3 试验现象分析

7．3．1 砂性土样A(细砂)堆积体模型试验现象分析

7．3．2 砂性土样B(中砂)堆积体模型试验现象分析

7．4 位移发展规律分析

7．4．1 砂性土样A(细砂)堆积体模型位移发展规律

7．4．2 砂性土样B(中砂)堆积体模型位移发展规律

7．5 钢筋混凝土桩侧土压力变化分析

7．5．1 土压力时程曲线

7．5．2 土压力随深度变化曲线

7．6 钢筋混凝土桩桩身弯矩变化分析

7．6．1 钢筋混凝土桩弯矩时程变化曲线

7．6．2 钢筋混凝土桩弯矩沿深度变化曲线

7．7 本章小结

结论及认识

致谢

参考文献

攻读博士学位期间取得的学术成果