频发微震下上覆软弱岩体边坡动力稳定及失稳模式

水库蓄水诱发的高频次微小地震对库岸边坡稳定性存在一定影响。采用振动台物理模型试验,结合UDEC离散元分析方法,以三峡库区杉树槽滑坡为原型,研究了频发微震作用下典型上覆软弱岩体边坡的累计损伤过程、动力响应特征及破坏模式。结果表明:在频发微震作用下,模型边坡自振频率不断降低,阻尼比不断升高,完整性降低;坡体加速度响应在初始阶段和微震阶段体现出"高程效应"和"趋表效应",而在小震加载后,坡体动力响应与上述特征出现偏离;在反复微震下,坡体的破坏演化过程可概括为"次级节理发育→次级节理扩展→上部岩体破碎→后缘裂隙扩张→滑面贯通→边坡失稳破坏"阶段;离散元数值分析结果表明,上覆软弱岩体边坡在频发微震下的变形主要发生于岩层分界面以上,后缘裂隙以下的上部岩体,随着地震次数的增加,其永久位移不断增大,边坡稳定性系数不断降低,边坡破坏特征与振动台试验结果相吻合。     

频发微小地震作用下顺层岩质边坡的振动台模型试验与数值分析EI北大核心CSCD

采用振动台物理模型试验与UDEC离散元方法,针对不同倾角的顺层岩质边坡,研究了其在频发微小地震作用下的动力响应、边坡变形与稳定性系数变化特征及破坏模式。结果表明:在频发微震作用下,边坡自振频率减小,阻尼比增大,坡体结构损伤不断发展并累积,具体表现为层面与次级节理的起裂、扩展、贯通,坡体永久变形逐渐增大,稳定性系数减小;两类边坡的加速度响应均表现出"高程效应"和"趋表效应",且两类边坡的动力响应随地震作用次数的增加而减弱;对缓倾顺层坡,其在振动台试验后期加载强震作用后,边坡破坏表现为岩层从上至下的逐层开裂滑移脱落,但在UDEC模拟的频发微震下的破坏主要集中在边坡表层;而对层面与坡面平行不出露的陡倾坡,边坡在微震下的稳定性基本良好,其强震破坏面主要有后缘陡倾层面段、中部台阶起伏段及前缘平缓剪出段3段构成。研究成果对库区滑坡形成机制的认识和减灾防灾具有重要的参考价值。     

频发微小地震作用下顺层岩质边坡的振动台模型试验与数值分析

采用振动台物理模型试验与UDEC离散元方法,针对不同倾角的顺层岩质边坡,研究了其在频发微小地震作用下的动力响应、边坡变形与稳定性系数变化特征及破坏模式。结果表明:在频发微震作用下,边坡自振频率减小,阻尼比增大,坡体结构损伤不断发展并累积,具体表现为层面与次级节理的起裂、扩展、贯通,坡体永久变形逐渐增大,稳定性系数减小;两类边坡的加速度响应均表现出"高程效应"和"趋表效应",且两类边坡的动力响应随地震作用次数的增加而减弱;对缓倾顺层坡,其在振动台试验后期加载强震作用后,边坡破坏表现为岩层从上至下的逐层开裂滑移脱落,但在UDEC模拟的频发微震下的破坏主要集中在边坡表层;而对层面与坡面平行不出露的陡倾坡,边坡在微震下的稳定性基本良好,其强震破坏面主要有后缘陡倾层面段、中部台阶起伏段及前缘平缓剪出段3段构成。研究成果对库区滑坡形成机制的认识和减灾防灾具有重要的参考价值。     

“挡墙溃屈”型滑坡锁固段抗滑稳定性研究

“挡墙溃屈”型滑坡是一类典型的大型岩质边坡破坏失稳模式,锁固段的物理力学性能为该类边坡稳定性的控制因素。依据此类边坡的受力特征,将上部坡体按其地质结构（如岩体层面）划分计算条块,采用极限分析上限法求出上部坡体对锁固段的作用力（方向和大小）。通过对锁固段的极限剪切平衡分析,推导了剪切破坏模式下锁固段的稳定性系数计算公式。以四川溪口滑坡为例进行了应用分析。首先根据稳定性系数与锁固段剪切面倾角的关系,确定锁固段最危险截面位置。进而定量分析了最危险截面宽度与边坡稳定状态的相关性。研究成果对“挡墙溃屈”型滑坡的稳定性评价及灾害控制具有较好的指导意义。     

反复微震作用下顺层及反倾岩质边坡的动力稳定性分析

水库蓄水后诱发的高频次微小地震在一定程度上会对区域地质体的稳定性产生重要影响。本文采用振动台试验、UDEC数值分析方法,对顺层、反倾两类典型岩质边坡在反复微小地震作用下的动力稳定性进行了深入研究。结果表明:两类边坡的加速度响应均表现出"高程效应"和"趋表效应",且随地震作用次数的增加,坡体损伤(表现为层面与次级节理的起裂、扩展、贯通)不断累积,造成两类边坡的动力响应均呈现减弱的趋势;在反复微震作用下,边坡自振频率减低和阻尼比增大是其动力特性变化的基本规律;边坡累积永久位移随着地震作用次数的增加而增加,而稳定性系数则呈现递减趋势;在反复微震作用下,顺层坡的后缘竖向拉裂缝逐渐向下扩展并与下卧层面连通,边坡主要发生沿层面的整体滑移失稳模式;反倾坡首先在坡肩及坡面出现块体崩落,随后上部岩层逐层剥落,最终形成圆弧形破坏面,边坡以坡肩处发生落石、中上部岩层发生崩塌为主要破坏特征。     

逆层岩质边坡地震动力破坏离心机试验研究

使用相似材料分别制作了只含有非连续的层面和同时含有非连续的层面和非贯通的次级节理逆层岩体边坡小比例物理模型,进行离心机动力试验,研究边坡的动力响应和破坏机理以及非连续层面和次级节理对其的影响。试验结果证明：逆层岩体边坡地形放大效应受地震动力输入频率和振幅影响显著;次级节理对逆层边坡动力稳定性影响很大,含有次级节理的逆层岩体边坡动力稳定性明显低于不含次级节理的逆层岩体边坡;两种逆层边坡的破坏模式存在很大的区别,不含次级节理的边坡破坏从坡脚开始依次向后产生岩层的弯折破坏,而含有次级节理的边坡破坏从坡体中后部开始依次向坡脚岩层产生贯通破坏,贯通破坏面倾角明显高于不含次级节理边坡,并且呈明显的台阶状。     

高频次微小地震下顺倾软硬互层边坡动力稳定性研究

三峡库区(TGR)自蓄水以来微震活动加剧、强度增大,频发微震会对库区边坡产生一定影响。采用振动台模型试验和UDEC数值模拟方法,对库区顺倾软硬互层边坡在不断微、小地震作用下的破坏失稳演化过程及动力稳定性进行了研究。研究成果如下:在不断地震作用后,边坡自振频率下降、阻尼比上升,自振频率下降的速度随加载次数和加载幅值的增加而增大;在不同加载阶段,边坡坡面PGA放大系数不断降低,动力响应呈现减弱趋势;弱层成为顺倾软硬互层边坡变形破坏的优势区域;边坡的破坏失稳演化过程为分段式的滑移破坏过程,上部软、硬层滑落后,剩余滑体沿着由上部弱层剪切裂缝、中部硬层次级节理拉裂缝和下部弱层剪切裂缝贯通形成的滑移面滑移破坏;UDEC数值模拟表明顺倾软硬互层边坡的累积永久位移随微震作用次数的增加而增加,稳定性系数则呈现递减趋势。研究成果对库区滑坡形成机制的认识和减灾、防灾有一定的价值。     

含软弱夹层顺层岩质边坡动力破坏模式的能量判识方法研究

基于希尔伯特–黄变换和边际谱理论,进行了含软弱夹层顺层岩质边坡的大型振动台试验,并利用试验结果对含软弱夹层顺层岩质边坡动力破坏模式的能量判识方法进行了研究,结果表明:边际谱峰值和特征频率的变化能清晰地表征边坡内部的震害损伤发展过程;地震作用下含软弱夹层顺层岩质边坡的损伤首先出现在坡肩位置,随着地震动强度的增大,震害损伤逐渐向低高程发展,最终边坡在坡体中上部相对高度0.56处沿软弱夹层顺层剪出,试验中坡面的位移监测结果表明坡体中上部位移出现陡增时刻晚于坡肩,边际谱分析结果与位移监测结果吻合较好;坡面附近的震害程度强于坡体内部;边坡中下部特征频率发生突变,表明坡体中下部为边坡动力响应的不连续带;含软弱夹层顺层岩质边坡的破坏形式主要表现为边坡后缘垂直的拉裂破坏和沿边坡中上部相对高度0.56处软弱夹层的剪切滑出破坏,边坡的破坏模式为拉裂-滑移-崩落式。本文提出的能量判识方法对识别边坡的破坏模式具有一定的指导意义。     

岩质边坡断续裂隙阶梯状滑移模式及稳定性计算

阶梯状滑移破坏是一类典型岩质边坡破坏失稳模式。在总结断续裂隙阶梯状滑移的岩质边坡地质结构特征的基础上,利用离散元二维颗粒流程序（PFC^2D）模拟研究了边坡阶梯状滑移破裂模式及其演化过程。边坡岩桥可归纳为剪切贯通破坏、张拉贯通破坏及张–剪混合贯通破坏3类。通过岩石细观颗粒黏结力场、岩桥段应力及破裂贯通演化分析,揭示了重力作用下阶梯状滑移是从下而上岩桥逐个渐进性破裂贯通演化的过程,坡体后缘张裂纹发展贯通是下部坡体的牵拉作用造成;以缓倾角阶梯状平行裂隙边坡（岩桥倾角90°,裂隙倾角30°）为例,阶梯状滑移过程大致可分为坡体弹性稳定变形、下部岩桥贯通破坏、中上部岩桥贯通–后缘张裂、整体沿贯通面滑移共个阶段,其中第3个阶段坡体微断裂数急剧增加,为滑裂带扩展至贯通的临界失稳状态。基于滑移模式及其演化过程的认识,建立了岩桥剪切贯通、张拉贯通和张–剪混合贯通三类阶梯状滑移边坡稳定性计算理论模型,推导了考虑岩桥强度和贯通率的边坡安全系数极限平衡计算公式。     

地震作用下堆积体边坡振动台模型试验及抛出现象分析

国道213线都江堰-汶川段普遍发育着堆积体边坡。在“5.12汶川地震”中,此类边坡更易发生滑坡灾害,并伴有独特的山石抛出现象。结合堆积体边坡实例进行振动台模型试验,研究堆积体边坡在多次地震作用下结构损伤累积并最终发生失稳的特征及边坡破坏模式。试验结果表明：堆积体边坡中上覆堆积体与下部基岩存在动力响应差异,边坡滑坡形式不同于静力失稳,表现为裂缝一旦出现便迅速扩展,边坡坡肩处部分小块体在水平和垂直向动力耦合作用下与原结构脱离抛出,这与汶川地震后边坡调研中发现的抛出现象一致。分析了模型边坡块体抛出现象与裂纹形成角度的关系,只有当裂纹角度和竖向加速度组合满足一定的触发条件时,才可能出现抛出现象。     

紫坪铺大坝下游坝坡震后抗震加固措施大型振动台模型试验研究

紫坪铺水库面板堆石坝坝顶区下游干砌石护坡在汶川地震中遭到了较严重的震损破坏,是大坝震后抗震加固处理的重点环节。综合考虑已有高土石坝坝坡抗震加固措施在大坝震后加固中的适用性,并参考浆砌石护坡在强震中表现出的良好抗震性能,浆砌石护坡成为了紫坪铺大坝下游坝坡震后抗震加固的重要选择。针对紫坪铺大坝坝坡震后抗震加固工程,进行堆石坝坝顶区坝坡抗震加固措施(干砌石护坡和浆砌石护坡)大型振动台模型试验,研究砌石护坡的抗震加固机理并验证其抗震加固效果;同时,结合大坝地震动力反应计算和大坝振动台模型试验的研究成果,确定了大坝坝顶区浆砌石护坡的加固范围。研究表明:浆砌石护坡在强震中具有良好的整体性,干砌石护坡在强震中的局部碎、块石滑移导致护坡整体渐进破坏,浆砌石护坡对堆石坝坡的保护作用明显优于干砌石护坡;紫坪铺大坝下游坝坡震后浆砌石护坡加固范围取为3/4坝高以上坝顶区坝坡较为合理。     

Experimental study on seismic response and progressive failure characteristics of bedding rock slopes

Bedding rock slopes are common geological features in nature that are prone to failure under strong earthquakes. Their failures induce catastrophic landslides and form barrier lakes, posing severe threats to people's lives and property. Based on the similarity criteria, a bedding rock slope model with a length of 3 m, a width of 0.8 m, and a height of 1.6 m was constructed to facilitate large-scale shaking table tests. The results showed that with the increase of vibration time, the natural frequency of the model slope decreased, but the damping ratio increased. Damage to the rock mass structure altered the dynamic characteristics of the slope; therefore, amplification of the acceleration was found to be nonlinear and uneven. Furthermore, the acceleration was amplified nonlinearly with the increase of slope elevation along the slope surface and the vertical section, and the maximum acceleration amplification factor (AAF) occurred at the slope crest. Before visible deformation, the AAF increased with increasing shaking intensity; however, it decreased with increasing shaking intensity after obvious deformation. The slope was likely to slide along the bedding planes at a shallow depth below the slope surface. The upper part of the slope mainly experienced a tensile-shear effect, whereas the lower part suffered a compressive-shear force. The progressive failure process of the model slope can be divided into four stages, and the dislocated rock mass can be summarized into three zones. The testing data provide a good explanation of the dynamic behavior of the rock slope when subjected to an earthquake and may serve as a helpful reference in implementing antiseismic measures for earthquake-induced landslides.     

影响锅盖效应因素的研究

锅盖效应是指非饱和土中由于上覆结构密闭导致水分不能排出而引起的浅层土体含水率增加的现象。分析认为初始含水率、边界低温以及土体中的密闭隔断层对锅盖效应有着重要影响,选取边界低温作用下由气态水迁移补水而产生的锅盖效应进行研究,建立数值模型开展大量数值试验,探究初始含水率、边界低温以及隔断层对锅盖效应的影响规律。研究发现:土体初始含水率处于塑限附近时,低温作用周期内浅层土体最大液态水含量达到峰值,峰值大小约在液限附近;当土体初始含水率处于液限附近时,浅层土体液态水增加现象消失,此时锅盖效应处于一个消失临界点;边界低温降低,因冻结锋面下移,浅层土体低温期可达最大液态水含量先升高后降低;铺设隔断层会使土体中产生双锅盖效应,将隔断层铺设在0℃附近(正温)的土层处,可有效减少锅盖效应引起的增水。     

土石坝坝坡模型振动台破坏试验的数值验证

 在土石坝坝坡模型振动台破坏试验基础上,采用数值分析方法,对坝坡的动力特性、稳定性以及加筋抗震措施的性能进行研究。采用动力弹塑性分析方法,对坝坡模型振动台试验进行数值仿真,通过类比计算工况,比较、分析坝坡的破坏过程及其破坏性态以及永久位移的变化规律;同时,采用拟静力方法对坝坡的稳定性进行分析,通过设定滑裂面参数,比较滑裂面的深浅,分析加筋对坝坡稳定性的影响,并与试验结果进行对比验证。结果表明：对模型进行的数值模拟和模型试验所得到的结果较为一致,表明坝顶是薄弱部分,破坏首先从坝顶附近开始,减缓坝坡或坝坡加筋均可减小坝坡的永久位移,但加筋能提高坝坡的整体稳定性,能有效控制坝坡的浅层滑动,且不增加大坝填筑量,与缓坡比较有较强的优势。该研究结果可为大坝的加筋抗震措施设计提供依据。     

非饱和土水气迁移与相变：两类“锅盖效应”的发生机理及数值再现

结合非饱和土水气迁移的物理过程和内在机理,将“锅盖效应”分为两种情形。第一类“锅盖效应”定义为非饱和土水气的冷凝过程,而第二类“锅盖效应”定义为水气迁移成冰过程。相较于前者,第二类“锅盖效应”会造成覆盖层下土体含水率大幅度提高,且现有非饱和土水热气迁移理论无法给出合理解释。综合考虑水分的蒸发、冷凝和冻结3个相变过程,建立了非饱和冻土水热气耦合迁移的数学模型,并通过数值模拟求解,再现了第二类“锅盖效应”的形成过程。另外计算结果表明：温度梯度下的气态水迁移并成冰会造成覆盖层下土体接近饱和含水率;一定表层深度范围内,土体含水率增加存在两个陡升段。由于现行工程设计很少考虑防气隔气,在寒旱地区进行工程建设需对第二类“锅盖效应”引起足够重视。     

超大型地下洞室拱圈围岩变形、破坏特性研究

白鹤滩左岸地下厂房南端墙至#3机组洞段受层内错动带发育影响,拱圈围岩破坏现象突出。结合地质、物探、监测、施工资料对拱圈围岩的变形破坏模式、空间分布特征、演化机制进行分析,结果表明:变形"负增长"表征了洞周环向剪切变形的破坏模式,围岩"弯曲折断"、"鼓出塌落"破坏现象主要发生于剪切变形加速阶段;"台阶状"锚杆应力变化与相应部位"应力控制型"围岩变形步调一致,且沿孔深逐渐衰减。"一拉一压"型锚杆应力主要受结构面的局部控制作用,"荷载陡降"型锚杆应力变化伴随锚固系统介质界面间的非协调变形出现。研究成果可为工程后续加固设计提供重要支撑。     

顺层岩质边坡地震动力响应及地震动参数影响研究

 利用FLAC2D建立顺层岩质边坡模型,分析其在地震作用下的动力响应规律,研究地震动参数对其动力响应的影响。结果表明：顺层岩质边坡在地震作用下失稳主要由结构面控制,位移主要发生在潜在滑移面上部岩体中;对地震波存在垂直向和临空面放大作用,其滤波作用没有土质边坡明显,不同岩层会对某一频率的波产生明显的放大效应;当振幅、卓越频率增加时,坡肩下方的加速度放大系数呈递减趋势,且在强度相对较低的岩体内较明显,但随着振幅增加,边坡动力响应增强;各处加速度放大系数受地震动持时影响较小,剪应变增量受其影响较大。当振幅、持时增加时,边坡位移呈增大趋势;当卓越频率增大时,边坡位移减小。同时,证实了地震边坡破坏由上部拉破坏与下部剪切破坏组成,研究结果有助于进一步揭示边坡在地震作用下的失稳机制。     

汶川地震中国道G213左侧某典型高山河谷场地地震滑坡响应分析

 以国道G213左侧一处包含河谷地形的高陡边坡为原型,采用新型离散元计算方法--基于连续模型的离散元方法(CDEM),对高烈度地震作用下高陡边坡上的堆积体滑坡由变形累计到破坏滑动的全过程进行模拟,并结合振动台试验结果,对该高陡边坡上堆积体的地震滑坡响应进行研究。研究结果表明,在地震力和重力作用下,堆积体顶部先出现应力集中,造成堆积体沿基岩–堆积体结构面后缘产生变形,进而造成该处出现拉伸、剪切破坏点,之后随着地震动的持续,基岩–堆积体结构面上的剪切破坏点逐渐向堆积体中前部的锁固段扩展,同时伴随着堆积体表面拉伸破坏点的增加,最终造成锁固段发生渐进性破坏,堆积体从剪出口滑出形成滑坡。滑塌发生的时间与地震动峰值加速度到达的时间同步或稍微有所滞后。在高陡边坡地形中,以输入地震波为基准,不论是坡面还是坡体内,不同位置的峰值加速度沿坡高均有所放大,表现为竖向峰值加速度的放大效应＞水平峰值加速度的放大效应,坡面峰值加速度的放大效应＞坡体内峰值加速度的放大效应。在河谷地形中,以输入波为基准,不论是河床还是河岸两侧的斜坡,不同位置的峰值加速度沿高程均具有不同程度的放大;河谷对加速度放大效应的影响具有一定范围,且在该范围内水平加速度的放大效应＞竖向加速度的放大效应,与坡面处加速度的放大效应刚好相反;加速度的放大效应具有一定的方向性,且该方向性与河岸两侧斜坡的坡度有关;加速度放大效应在河谷底部的分布具有不均匀性,距离河岸越近,加速度放大效应越强烈。