大光包滑坡启动机制:强震过程滑带动力扩容与水击效应

大光包滑坡是2008汶川地震触发的最大规模滑坡,也是世界上百年内罕见的巨型滑坡。滑坡发育在坚硬的碳酸盐岩地层、与发震断裂垂直距离5 km、与震中直线距离85 km,达11.59×108 m3的方量改变了近10 km2地形地貌,暴露后缘600 m近直立断壁、上游1.5 km拉裂边界、下游1.8 km剪滑光面及堆积600 m滑坡高坝,呈现出不同常理的滑坡现象,引起国内外持续争论和广泛研究。在前人研究基础上,总结7 a研究成果,认为深埋厚层软弱岩带(层间错动带)和强震过程是滑坡启动的背景条件。展开岩体宏–细–微观结构调查和测试,证实强震过程滑带的碎裂和扩容,揭示出扩容成因是地震动放大过程的振动冲击(动力扩容)。对滑带岩体强度测试,肯定由震裂导致的强度劣化不是大光包滑坡骤然启动的主因;水文地质调查表明,震前大光包山体具有丰富地下水及连接滑带的潜在通道,并且发现滑带扩容裂隙受到与水流相关的碎屑充填。强震过程中潜在通道垂向贯通、高位地下水瞬间挤入深埋构造带的扩容空间、可能产生水击效应,降低构造岩体有效应力,并导致岩带强度骤降。建立水击力计算的力学模型,计算结果表明在地下水头70~360 m范围内可激发水击力达20 MPa;从而得出,强震过程滑带动力扩容和水击效应可能使得滑坡骤然启动。最后,提出一种大光包滑坡启动的机制模型:强震过程→滑带地震动力破裂扩容→水击效应→滑坡启动。     

大光包滑坡启动机制:强震过程滑带非协调变形与岩体动力致损

2008年汶川地震触发的大光包滑坡是世界上罕见的巨型滑坡。滑坡后暴露长达1.8km的剪滑光面,光面上发育厚度达3 m的碎裂岩带,带内岩体不但存在先期碎裂,而且地震中产生了大量新碎裂。大光包滑坡独特地质现象和复杂形成机制受到国内外持续争论和广泛研究。本文在已有研究基础上,总结10年调查成果,建立大光包滑坡地质原型:该滑坡是碳酸盐岩地层内由先期层间构造错动带控滑的地震大型滑坡。进一步将该错动带概化为软弱层带,开展含软弱层带地质体的振动台模型试验;结果表明,振动过程软弱层带与顶底硬层产生非协调变形,在软弱层带内形成强大振动冲压–张拉和振动剪切力,使得带内土压力较顶底硬层显著放大,并将这类动力学行为概括为动力非协调变形响应。从而认为,动力非协调变形致损是大光包滑坡滑带岩体震裂成因,以此提出,强震过程软弱层带非协调变形与岩体动力致损可能诱发了大光包滑坡失稳启动。     

强震过程软弱层带地震动响应及大型滑坡启动机制研究

在构造活跃的高山峡谷区,山体内部广泛发育原生或次生弱带,如软弱岩带、断层带、风化壳等;由于该地区也是地震多发区,使得这些弱带成为控制斜坡稳定性的关键带,最显著实例为2008年汶川Ms 8.0地震诱发的最大滑坡——大光包滑坡(DGB landslide),滑带背景是先期层间错动带,至今引起国内外广泛关注和持续研究,其地震诱发机制仍不清楚。针对斜坡关键弱带地震动响应及控滑机制关键科学问题,基于9 a大光包滑坡持续工程地质调查,开展多种手段测试、系列振动台模型试验及数值模拟,探究大光包滑坡启动机制问题。主要内容如下:(1)首先,在对汶川地震动、大光包地质环境分析基础上,确定软弱层带岩体建造及改造特征、构造分带及构造岩划分、物质组成、岩体结构描述、水文地质特征,结果表明大光包斜坡是含有关键弱带(层间错动带)的大型岩质斜坡、强震过程层间错动带剪滑破坏是大光包滑坡启动的关键,提出了强震过程由层间错动带主控的大型滑坡启动地质模型。(2)为全面揭示层间错动带静动力学特性,采用现场大剪、室内直剪、DPRI环剪和MTS动三轴试验手段,考虑静动力学条件、含水率、排水条件、围压条件等多种试验方案,得出干噪软弱层带内聚力范围为20~320 k Pa,内摩擦角范围为15°~41°,认为干燥条件不太可能触发大光包滑坡突然失稳,水是降低材料库仑摩擦的重要因素。(3)通过概化大光包滑坡含软弱层带地质体模型,开展了13次振动台模型试验,分析软弱层带土压力、加速度和位移响应基本特征,及地震因素(激振强度(0.05 g~0.8 g)、激振频率(5~15 Hz)、强度–频率耦合作用、激振持时)和地质因素(软弱层带厚度、埋深、组数及产状)对位移、土压力、Arias强度的影响规律,首次提出地震软弱层带"动力非协调变形响应"概念,并揭示了动力非协调变形4种基本模式和6大工程地质效应,进一步基于弹性波动力学理论和地震波射线理论建立了动力非协调变形响应数学模型,理论模型对振动台模型计算结果与振动台试验结果相吻合。(4)利用MTS动三轴试验和PFC数值模拟,揭示了岩体动力损伤特征和软弱层带扩容动力过程;揭示出动力过程振幅衰减系数和延迟时间决定的变形差异造成的应力分异和叠加,导致了软弱层带动力非协调变形;拉压交替作用下非均质岩体差异性卸荷回弹、局部应力集中、封闭应力导致的动力非协调变形是岩体动力致损成因;认为岩体动力扩容机制包括提出的动力非协调变形致损扩容和屈服后传统的剪胀、拉张扩容。(5)引入岩体裂隙导水系数参数,基于Joukowsky瞬态流理论,建立了考虑水击的软弱层带抛物线型库仑强度准则,获得了地下水位高度与软弱层带抗剪强度关系;对大光包滑坡计算表明,最大水击压力近20 MPa、滑带抗剪强度可降为0。(6)基于上述研究,认为滑前大光包层间错动带位于地下水位之下,地震中地下水强力挤入层间错动带扩容空间,导致滑带抗剪强度骤降,前缘锁固段突然剪段,滑坡高速启动;提出强震过程由层间错动带主控、软弱层带非协调变形致损、水力激发的大光包滑坡启动过程机制模型。     

强震过程滑带超间隙水压力效应研究:大光包滑坡启动机制

大光包滑坡是汶川地震触发的最大规模滑坡,其滑带地质背景为埋深400 m的饱水层间构造破碎带。为研究强震过程该带间隙水压力(孔隙和裂隙水压力)响应特征,设计夹饱水软弱层地质体单元模型,并开展系列振动台试验,结果表明:振动过程软弱层超间隙水压力显著大于上下硬层,且具有瞬态生成和逐渐累积特性,进一步揭示依赖模型非协调变形的"振动冲压-拉张"和"振动剪切"是瞬态超间隙水压力成因、依赖软弱层非协调变形的动力损伤是超间隙水压力累积成因,从而建立了垂直和水平振动耦合作用下包含间隙水压力系数r_w和间隙水压力作用的有效面积系数h的地震滑坡滑带有效应力模型。对于大光包滑坡,滑带h估测范围为0.7~0.9,当r_w为0.73~1.04时滑带抗剪强度可降为0;振动台试验表明,汶川强震过程大光包滑坡区地震动参数可使r_w达到这一水平。最后,提出大光包滑坡启动的"强震作用-层间错动带控滑-动力非协调变形致损、扩容-超间隙水压力激发-滑坡启动"演化过程机制。     

大光包滑坡岩体碎裂特征及其工程地质意义

 “5•12”汶川地震发生六年以来,对地震诱发最大的大光包滑坡开展了工程地质测绘、声波检测、钻孔取芯、电镜扫描等一系列工作,研究表明该滑坡滑带产生于震旦系灯影组三段(Zd3)白云岩的层内错动带。综合研究揭示滑床岩体碎裂化宏观特征如下：滑面以下0～1 m岩体呈砂土状,砂粒含量占到60%以上;1 m以下岩体平均声波波速2 500～3 000 m/s,完整性指数趋于0.15～0.77,岩体损伤程度总体上随滑床深度增加而减小,而滑面下同一深度岩体损伤程度随滑床高程的增加而增大,局部有差异性破碎。另一方面,微观研究揭示滑带岩体压剪晶体沿解理面折扭断裂,穿晶裂纹发育,表现为部分晶体松动架立,晶间连接丧失。研究揭示的工程地质意义：(1) 滑带岩体性质主要受控于层内挤压错动的泥质花斑状白云岩,该层成分复杂,风化程度高,节理发育,完整性差;(2) “5•12”地震使滑带岩体产生强烈的剪切破坏(拉张和压剪破坏)和翼裂纹扩展,岩体的抗剪强度指标及完整性系数剧降,岩体质量劣化,在启动后巨厚滑体的碾压与揉搓作用下,滑带岩体的摩阻力进一步降低。综上,大光包滑坡滑带岩体损伤碎裂化是地震荷载作用下岩体内部缺陷动态演化的累进过程,滑带所在的地层岩性及岩体结构特征为其主要内因,强震荷载是其关键的外在诱因。     

大光包滑坡滑带碎裂岩体原位钻孔剪切试验研究

安县大光包滑坡是汶川地震触发的最大规模滑坡,滑坡南侧暴露长约1.8 km顺层滑带,其岩体高度碎裂化,引起广泛关注。为准确评价滑带碎裂岩体的强度参数,笔者在前人研究的基础上开展了细致的野外调查工作,采用法国Phicometre岩土两用原位钻孔剪切试验仪对大光包滑坡滑带碎裂岩体进行了原位剪切试验。将试验结果与Hoek–Brown岩体强度准则估值和基于工程地质类比法的力学参数建议值进行了对比分析。基于以上研究,提出了大光包滑坡南侧顺层滑带碎裂岩体力学参数建议值:内聚力为245~480 k Pa,内摩擦角为25.0°~26.5°。     

汶川地震大光包滑坡动力响应特征研究

 运用FLAC3D模拟大光包滑坡变形失稳特征,并输入距离滑坡约4.3 km的清平台站强震加速度三向记录,结果表明：其地震动力响应较为复杂,受控于斜坡形态、岩体(地质)结构及地震强度和振动持时等因素,在水平加速度响应方面,前缘滑坡更为明显,地震动频率更高,振幅更大,利于前缘的顺层失稳滑动;在竖向加速度响应方面,后缘滑体的振幅更大,竖向加速度(绝对值)数倍于水平加速度,利于拉裂、振碎解体和抛掷失稳。大光包滑坡与简单均值结构的边坡地震动力响应特征不完全一致,随高程、坡度放大的趋向性和节律性不明显。结合地震动力响应和运动特征,对滑坡堆积和滑源进行概化分区：(1) 下部顺层滑坡堆积区,是滑坡的主堆积区,分布于滑坡东侧,堵塞黄洞子沟;(2) 上部崩滑堆积区,分布于滑坡西北、北侧,具有明显的带状特征;(3) 后缘陡壁及倒石堆区,侧缘拉裂边界,近直立不规则凹凸状断壁,分布多组张拉裂隙,说明受陡倾角张性裂隙控制,表现为张性破坏特征,陡崖下部分布大量倒石堆,呈串珠状分布,以碎块石为主,岩性与后缘及北侧陡壁岩体一致,系地震后的重力调整所致;(4) 顺层滑面及擦痕区,在滑面上分布大量与岩层倾向相同的擦痕,说明顺层滑坡在后部具有向北方向偏转滑动的特征。     

考虑垂直地震动的地震滑坡永久位移特征研究

大光包滑坡(12×10~8 m~3)是2008年汶川Ms8.0级地震触发的最大滑坡。地震记录表明,滑坡区不仅遭受了强烈水平地震动,而且受到与之几乎相等的垂直地震动。采用考虑垂直地震力的改进Newmark模型,开展滑面抗剪强度参数影响下滑坡地震永久位移响应研究。结果表明,垂直地震动显著增大了滑坡地震累积永久位移(最大增幅达903%),同时垂直地震动对永久位移(累积总量和累积速率)贡献受到滑面内摩擦角的显著影响(影响幅度达87.8%～90.7%),而受黏聚力影响较小(影响幅度仅为5%～27.4%);地震过程滑坡永久位移最大累积速率发生时刻和时长决定于地震能量集中释放时段,大光包滑坡区120s地震持时内,50%能量在30～50s内集中释放,由此推测大光包滑坡失稳可能在地震初期。研究所采用的改进Newmark法可用于评价垂直地震动对地震滑坡启动的贡献。     

考虑残余变形的台阶式岩质边坡震裂累积效应

高烈度地震区的岩质边坡内部节理裂隙较为发育,且分布随机性大。多期强震作用造成岩体结构进一步的破坏,形成震裂岩体边坡并继续发生变形破坏。因此,研究台阶式岩质边坡在多次强震作用下的震裂累积效应对于分析边坡的地震稳定性具有重要意义。通过大型振动台模型试验分析台阶式岩质边坡的动力位移响应状态,重点研究台阶式岩质边坡的震裂累积效应。通过基线偏移量表征边坡的残余变形,坡表发生的最终破坏是残余变形与激振动力变形共同作用的结果。提出用残余变形率分析台阶式岩质边坡的震裂累积效应,并利用阿里亚斯强度放大率验证残余变形率在分析强震造成岩质边坡出现震裂累积效应的适用性。结果表明：残余变形率充分考虑了持续的残余变形和地震动力的共同影响,能够更清楚地辨识边坡不同的地震动力破坏阶段、分析边坡的震裂累积效应。台阶式岩质边坡在地震动力作用下的变形破坏从局部开始,特别是台阶平台的内部折线处以及坡顶,均是最易萌生初始裂缝的部位。基于残余变形率和阿里亚斯强度能量的分析,边坡的震裂累积过程包含缓慢变形、加速变形和失稳破坏3个阶段。2种分析方法可以交互使用,实现更精准的边坡动态变形预测,为边坡的抗震设防方案提供可靠的依据。     

压力拱应力分布的数值分析

从摩尔-库伦破坏准则出发,分析压力拱成拱条件,探讨水平应力、隧道埋深及围岩岩性等因素对压力拱形状的影响,并用软件模拟分析了压力拱与其埋深、水平应力及围岩岩性之间的关系,理论分析和数值模拟结果显示水平应力,隧道埋深是影响压力拱产生的主要因素,而且水平应力对围岩中压力拱的位置和形状有很大影响;围岩强度越高,拱体越靠近硐室,形状越陡峭;围岩强度较低者,拱体则远离硐室,形状越平缓;围岩岩性是影响压力拱形状的主要因素。通过研究可以搞清楚作用在支护结构上的荷载大小及荷载分布情况,得出更加合理的支护结构,从而更好的指导工程实践。     

Analysis of landslide stability under seismic action and subsequent rainfall: a case study on the Ganjiazhai giant landslide along the Zhaotong-Qiaojia road during the 2014 Ludian earthquake,Yunnan, China

In a strong earthquake, not only a large number of coseismic landslides are triggered, but relaxation and cracks in the rocks and soils are induced, which make these rocks and soils vulnerable to instability during subsequent rainfall; thus, strong earthquakes always have long-term effects on landslides. The geo-hazards along the Zhaotong-Qiaojia road in the 2014 Ludian earthquake (Ms 6.5) of Yunnan Province, China, were investigated, and the Ganjiazhai giant landslide was chosen as a case study. First, using the limit equilibrium analysis and Newmark method, the critical seismic intensity of the landslide before the earthquake was evaluated. Secondly, the dynamic failure process of the landslide under the measured ground motion was simulated with the discontinuous deformation analysis method. Lastly, based on stress–seepage coupling analysis and precipitation data from Ludian meteorological station, the stability of the landslide during subsequent rainfall after the earthquake was predicted. The results show that the critical seismic intensity was within degrees VIII–IX, which is consistent with the results of the earthquake damage investigation. The dynamic failure process can be divided into four stages, and four scarps formed; the potential sliding zones during the subsequent rainfall were at the first scarp and the fourth scarp, and their critical rainfall amounts were 35–40 mm and 55–60 mm, respectively. In this paper, failure process simulation and stability prediction of the landslide before, during, and after the strong earthquake are presented, which provide analysis methods for the dynamic stability of landslides in the meizoseismal area.

     

岩体地震动力破坏问题研究

 研究岩体在地震动力作用下的破坏机制需要结合岩石力学、工程地质、地震工程、地震学等诸多学科。本文首先简要评论了岩石动力学的研究现状，然后对两种主要的动荷载——爆破和地震进行对比，通过对地震波产生的动应力和岩体强度特性的比较，认为岩体在地震动力作用下主要是拉张破坏和结构面破坏，并提出了岩体地震动力破坏的极限深度，最后讨论了地应力和地形对岩体地震动力破坏的重要影响。     

Numerical and safety considerations about the Daguangbao landslide induced by the 2008 Wenchuan earthquake

The 2008 Wenchuan earthquake resulted in a large number of fatalities and caused significant economic losses.Thousands of landslides,many of which are very large,were triggered by the earthquake.A majority of catastrophic landslides were distributed along the central Longmenshan fault system,at the eastern margin of the Tibetan Plateau.Some of the landslides resulted in sudden damming of rivers causing flooding,which in turn induced secondary sliding disasters.Among the most significant landslides,the Daguangbao landslide was the largest in volume with the maximum thickness.For this,a numerical model of the Daguangbao landslide,using the material point method(MPM),was developed to simulate the interaction of the seismic loads imposed on the slope.The numerical results then are compared with the post-earthquake profile.As a consequence of the landslide,a nearly vertical head scarp with a maximum height of about 700 m was generated.This is considered as a high risk situation that requires constant monitoring and evaluation.Finally,we propose a methodology based on Bayesian networks(BNs) to manage the risk associated with the stability of the rockwall at the Daguangbao landslide site.     

Numerical simulations of kinetic formation mechanism of Tangjiashan landslide

Tangjiashan landslide is a typical high-speed landslide hosted on consequent bedding rock.The landslide was induced by Wenchuan earthquake at a medium-steep hill slope.The occurrence of Tangjiashan landslide was basically controlled by the tectonic structure,topography,stratum lithology,slope structure,seismic waves,and strike of river.Among various factors,the seismic loading with great intensity and long duration was dominant.The landslide initiation exhibited the local amplification effect of seismic waves at the rear of the slope,the dislocation effect on the fault,and the shear failure differentiating effect on the regions between the soft and the hard layers.Based on field investigations and with the employment of the distinct element numerical simulation program UDEC(universal distinct element code),the whole kinetic sliding process of Tangjiashan landslide was represented and the formation mechanism of the consequent rock landslide under seismic loading was studied.The results are helpful for understanding seismic dynamic responses of consequent bedding rock slopes,where the slope stability could be governed by earthquakes.     

基于弹塑性土体本构模型的滑坡运动过程SPH模拟

滑坡的仿真模拟是分析滑坡运动过程并预测滑坡影响范围的重要手段之一。采用了基于岩土体弹塑性本构模型的光滑粒子流体动力学(smoothed particle hydrodynamics,SPH)方法,模拟滑坡失稳后岩土材料的特性。该模型以经典弹塑性理论为基础,包含了线弹性变形和德鲁克-普拉格(Drucker-Prager,DP)屈服准则下非关联流动法则的塑性变形,由于考虑了岩土材料的塑性特征,该方法能够更加精确和真实地模拟滑坡运动过程。同时,结合地理信息系统(geographic information system,GIS)的数据管理与建模,进一步将该SPH模型应用到滑坡模拟的实例中。基于GIS平台,完成了能够自动生成计算模拟所需的滑坡粒子数据的C#程序。该程序同时生成了高精度的滑坡体实粒子和复杂、不规则的边界虚粒子。实现了一系列模型建模与模拟计算,并验证了该方法的精度,还将此模型与方法应用在汶川地震中引发的大光包滑坡实例中,模拟结果与现场收集数据十分符合。     

山西省高速公路不同滑坡类型的贡献率研究

山西省地层受地质构造影响,地形复杂,地质条件较差,高速公路在修建的过程中经常发生滑坡灾害,成为高速公路建设的瓶颈和关键技术问题.为有效改变这种被动的现状,文章通过对山西省已建8条高速公路的75处滑坡的归纳总结,将滑坡根据滑体物质的不同分为切层、顺层、破碎岩石滑坡及黄土、粘土、堆积土滑坡.文章利用贡献率法,对不同类型滑坡的贡献进行了分析研究,得出了顺层滑坡及粘土滑坡是山西省高速公路最发育的滑坡类型.而省内自然界较为发育的黄土滑坡,则由于初期选线时的重视,而对高速公路滑坡发育的贡献率最低.所得分析结论与实际情况吻合较好,可为以后山西省高速公路的规划建设提供借鉴参考.     

红层软岩顺层滑坡临滑预报的强度控制方法*

 我国西部地区侏罗系、白垩系、第三系红层软岩广泛分布,红层软岩岩体强度低、抗风化能力弱、水敏感性强、工程地质性质较差、滑坡灾害严重。红层软岩顺层滑坡赋存的地质环境条件是形成滑坡的控制性因素,岩体强度特征决定滑坡的力学变形机制。不同变形、破坏条件影响红层软岩滑坡运移机制与特征。红层软岩岩体强度各向异性规律性强,岩层层面在各种地质营力的长期作用下逐步演化为滑动面。在研究红层软岩不同破坏条件下岩体强度特征与岩层层面抗剪强度变化规律,分析红层软岩滑坡的蠕动变形与滑动面形成机制的基础上,通过对典型红层软岩顺层滑坡临滑预报实例分析,提出了一种红层软岩顺层滑坡临滑预报的强度控制方法。