Hoek-Brown准则的改进及在大光包滑坡滑带碎裂岩体力学强度评价中的应用EI北大核心CSCD

针对目前大光包滑坡滑带碎裂岩体力学强度参数缺乏研究这一问题,提出基于改进后的Hoek-Brown准则获取岩体力学强度参数的新方法。该方法首先通过岩体基本质量指标BQ、岩体结构等级SR、结构面表面等级SCR与结构面条件因子J_c分别对地质强度指标GSI进行量化取值;在此基础上,建立由岩体基本质量指标BQ估算扰动参数D的计算公式;并以现场调查和室内岩石力学试验为基础,将改进后的方法代入Hoek-Brown准则中,对大光包滑坡滑带碎裂岩体的力学强度参数进行评价。与E.Hoek建议法相比,改进后的方法获取的岩体力学参数偏小,更为接近前人研究中的建议值,证明该方法具有一定的合理性。     

Hoek-Brown准则的改进及在大光包滑坡滑带碎裂岩体力学强度评价中的应用

针对目前大光包滑坡滑带碎裂岩体力学强度参数缺乏研究这一问题,提出基于改进后的Hoek-Brown准则获取岩体力学强度参数的新方法。该方法首先通过岩体基本质量指标BQ、岩体结构等级SR、结构面表面等级SCR与结构面条件因子J_c分别对地质强度指标GSI进行量化取值;在此基础上,建立由岩体基本质量指标BQ估算扰动参数D的计算公式;并以现场调查和室内岩石力学试验为基础,将改进后的方法代入Hoek-Brown准则中,对大光包滑坡滑带碎裂岩体的力学强度参数进行评价。与E.Hoek建议法相比,改进后的方法获取的岩体力学参数偏小,更为接近前人研究中的建议值,证明该方法具有一定的合理性。     

大光包滑坡滑带岩体碎裂特征及其形成机制研究

 大光包滑坡是“5•12”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,引起广泛关注,6 a来对此开展了持续研究。在前期工作基础上(工程地质测绘、坑槽探及浅孔钻探(钻孔声波)等),对滑带岩体的碎裂特征进行了充分的揭露和系统的描述,结果表明,滑带发育的地质基础是滑前坡体内部发育的层间剪切错动带。强震过程中,由于靠近发震断层的强烈垂向地震动,从而导致坡体沿相对软弱的层间错动带分离,并产生垂向振冲或夯击效应,导致层间错动带的进一步碎裂化。对滑带的细观分析表明,这种强震滑带碎裂化现象不仅存在,而且还表现出伴随碎裂过程的扩容效应。采用物理模拟和PFC数值模拟,进一步验证了强震过程中滑带的碎裂和扩容过程,揭示其产生的内在机制。研究表明,滑带岩体碎裂化及扩容现象具有特殊的工程地质和岩体力学意义：一方面滑带岩体的进一步碎裂、细粒化从物理上降低了滑带的摩阻力;另一方面,也是更为重要的是,由于滑带的夯击扩容,地下水将强力挤入扩容空间,从而可能激发水击作用机制,导致孔隙水压力激增,滑带抗剪能力急剧降低,从而促使滑坡骤然启动,产生高速滑动。     

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。     

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。     

大型顺层岩质滑坡渐进破坏地质力学模型与稳定性分析

 大型顺层岩质滑坡广泛存在于自然界中,是滑坡的重要类型之一,也是滑坡领域关注与研究的重点。根据滑坡滑面发展形态,将顺层岩质滑坡划分成两大类：前进式渐进破坏模式和后退式渐进破坏模式。从力学角度揭示顺层岩质滑坡渐进破坏过程的本质是滑坡力学参数弱化的过程。具体体现在滑带本构方程中为初始剪切刚度的降低。由此,定义弱化后滑带的剪切刚度与初始剪切刚度比值为滑带弱化系数,并引入S型曲线表述滑带弱化系数空间特征。在总结大型顺层岩质滑坡特点的基础上,提出渐进锁固力学模型,同时给出该模型的数学表达式。该模型能很好地体现滑坡渐进破坏过程中滑带力学参数的时效性及空间变异性特点。最后,给出该地质力学模型下渐进破坏过程中斜坡稳定性计算公式及步骤,并应用于武隆县鸡尾山滑坡中,分析其临滑前滑坡稳定性变化情况。     

大型基岩顺层滑坡滑带形成演化过程与模式

大型基岩顺层滑坡是对人民生命财产及国家重要基础设施安全危害较为严重的滑坡类型,滑带的性质对于这类滑坡具有控制作用,大型基岩顺层滑坡滑带形成演化过程与模式成为这类滑坡研究的重要科学问题。以三峡库区为例,在分析基岩顺层滑坡分布与滑带发育特征的基础上,将滑带形成演化过程划分为3个阶段:原生软岩、层间剪切带和滑带;通过滑带形成过程中原生软岩、层间剪切带和滑带的性质对比,研究滑带形成过程中的物理性质、岩石矿物组成和含量、微结构和连接特征、矿物微观演变、物理化学性质和物理力学性质的演化过程,最后总结得出滑带形成演化模式。     

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。     

透明黏土可视度及物理力学特性研究

透明土是用于岩土工程模型试验可视化研究的一种重要材料,明确其可视度控制因素与物理力学特性具有重要的意义。采用#15白油与正十二烷作为孔隙液体,无定形硅粉作为固相材料,通过对比不同的孔隙液体配比和掺入硅粉的质量比,发现可视度达到最佳时的配比为15号白油∶正十二烷=10∶3(体积比),孔隙液体∶无定形硅粉=1.5∶1(质量比)。针对最佳可视度的透明黏土进行了变形与强度特性试验,试验结果表明透明黏土属于高压缩性土,并且与天津滨海软黏土的压缩变形特征相近,二者压缩系数和压缩模量相差在10%以内;固结快剪试验表明当透明黏土的当应力水平较低(不大于200 kPa)时,透明黏土的抗剪强度指标可以取c≈11 kPa,φ=14°～18°,当应力水平较高(大于200 kPa)时,可以取c=20.28～22.62 kPa,φ≈17°。     

三轴压缩作用下断续节理砂岩力学特性研究

节理岩体的力学特性直接影响工程岩体的安全。为了研究节理岩体的各向异性力学特性和破坏特征,设计进行了0°,30°,45°,60°,75°和90°等6种角度断续节理砂岩的三轴压缩试验,详细分析了节理倾角对断续节理岩体变形强度特征和破坏模式的影响。研究结果表明：①在加载过程中,随着围压增大,断续节理砂岩应力-应变曲线的屈服阶段逐渐明显,峰值强度和残余强度逐渐提高,破坏时延性特征逐渐明显;②随着节理倾角增大,断续节理砂岩的变形模量、抗压强度、黏聚力和内摩擦角等力学参数均呈现先减小后增大的U型变化趋势;③节理对岩样破坏裂纹的形成与开展具有明显的诱导和控制作用,不同倾角岩样的破裂面均顺节理倾角方向发展,当节理倾角与岩样计算破坏角接近的时候,岩样的破裂面顺节理面开展,变形和强度参数达到极小值;④随着围压增大,不同倾角断续节理岩样的变形和强度参数差别逐渐减小,各向异性特征逐渐减弱;⑤断续节理砂岩的破坏模式可分为张拉破坏、折线型的复合剪张破坏、沿节理面剪切破坏等3种类型,节理倾角的分布决定了断续节理砂岩在加载作用下的变形破坏模式,变形破坏模式的差异决定了断续节理砂岩变形和强度参数的各向异性特征。研究成果可为工程中节理岩体的各向异性特征分析提供较好的参考。     

金沙江支流冲江河巨型滑坡及其局部复活机理研究

中国西南三江活动构造带是大型滑坡的高发区。笔者在滇西北金沙江支流冲江河螺丝湾电站一带发现的巨型滑坡——冲江河滑坡,位于区域性活动断裂带的阶区,属于古地震造成的巨型古滑坡或坐落体,体积可达5.8×10⁸ m³。该巨型古滑坡在后期演化中经历了趋稳和局部再复活的过程,其内部存在若干次级滑坡,且表现出级序越低、稳定性越差的特点。在野外调查的基础上,对复活次级滑坡的滑带土进行了环剪试验研究,获得了不同部位滑带土在较大剪切位移条件下的抗剪强度变化规律,认为活动构造带斜坡岩体破碎软弱、坡脚处于应力集中区是冲江河巨型滑坡局部复活的重要因素;在剪切作用下,饱和或近饱和的滑带土因超孔隙水压力而发生液化作用,促进了坡体大变形的发生。试验结果很好地解释了公路坡脚部位,即使少量开挖就可以引起缓慢、持续发生的大变形现象。从滑坡复活机理角度,加强坡面排水和坡前采用抗滑桩技术可以有效控制坡体稳定性。     

“三段式”岩石滑坡的锁固段破坏模式及演化机制

锁固段的地质结构及力学性质是“三段式”岩石滑坡的关键控制因素。根据“三段式”滑坡的地质结构特征,采用物理模型试验和颗粒流数值模拟方法,研究了锁固段岩桥角（后缘拉裂隙与前缘蠕滑段末端连线和水平方向间的角度）对锁固段的破坏模式及演化机制的影响规律。锁固段破裂的模式主要有张拉贯通破坏和张-剪混合贯通破坏两种。随着锁固段岩桥角的增大,锁固段破坏模式由张拉破坏向张-剪混合破坏转变：岩桥角小于90°时,为张拉破坏;岩桥角位于90°~110°之间,为张-剪混合破坏;当岩桥角大于110°时,锁固段并不发生破坏,边坡以其它形式发生破坏。通过锁固段的应变时程分析,随着锁固段岩桥角增大,锁固段区域拉应力的影响范围逐渐减小,由全部受拉向全部受压转变。     

滑带土环剪试验及其对水库滑坡临滑强度的启示

滑坡临滑强度在滑坡研究中是一项重要内容,如何准确地确定其值是长期以来的重点和难点。开展滑带土环剪试验,不仅可以获取土体峰残强度参数,且能揭示土体剪切力学特性。通过黄土坡滑坡滑带土的环剪试验,确定出以180 kPa为界的高、低法向压应力区间,并分区间进行了土体剪切强度研究,分析了滑带土的剪切力学分区特性。揭示出本次滑带土以黏聚力下降为主(高压应力区下降44.8%,低压应力区下降93.8%),而摩擦角几乎不变(高、低压应力区峰残摩擦角之差分别为0.136°,0.468°)的峰后强度弱化机制。结合试验,通过引入黏聚力弱化系数,采用一种能反映滑坡演化过程的临滑强度反演方法,研究了不同工况下水库滑坡的临滑强度。并且从坡体受力状态和强度参数弱化的层面探讨了临滑强度因工况而异的原因,阐明其启示意义和工程意义。     

强震作用下滑坡岩体震裂损伤程度影响因素研究

汶川地震触发了大量的地震滑坡,其中滑坡岩体普遍出现了不同程度的震裂损伤现象。通过大光包滑坡现场大量的调查工作,揭示了该滑坡不同部位岩体的震裂损伤程度随埋深、地形地貌及岩性条件的不同呈现出一定的规律性,基于疲劳试验,从动力学的角度,分析了强震作用下滑坡岩体震裂损伤程度的影响因素。试验结果表明:上限应力是影响岩体震裂损伤程度的首要因素,应力水平是震动频率影响岩体震裂损伤程度的前提。并基于此分析得出,滑坡不同部位受控于埋深及地形地貌的差异,决定了其受到的地震作用力及应力状态各不相同,是影响岩体震裂损伤程度的动力因素;而滑坡不同岩性之间岩体结构的差异,导致其表现出不同的破坏特征,决定了在相同地震荷载下损伤程度各不相同,是影响岩体震裂损伤程度的内在因素;地震爆发初期,强烈的地震冲击作用力在短时间内对岩体产生的巨大损伤及岩体自身结构的缺陷,是造成岩体最终震裂损伤的基础。以上研究成果为强震作用下滑坡岩体的震裂损伤程度进行快速的定性评价提供了依据,并丰富了大光包滑坡滑带岩体碎裂化成因机制研究。     

基于有效垂直应力水平的滑带土强度参数适用性研究

 滑带土强度参数的正确选取是滑坡稳定性评价和抗滑工程设计中的关键问题。在已有研究成果的基础上,以四川薛城镇滑坡为例,对其滑带土样进行固结–大位移环剪–再固结–再环剪的剪切试验,再现复活型滑坡滑带土的强度特性,提出基于不同有效垂直应力(滑动体覆盖厚度)采用相应的残余强度和再生强度参数的取值方法,并论证其合理性,对复活型滑坡滑面强度参数的合理取值具有极为重要的参考价值。     

露天矿山岩体力学参数估算法的应用研究

露天矿山边坡稳定性分析中岩体力学参数的取值至关重要,Hoek-Brown强度准则可以充分反映岩石的非线性破坏的特点,广泛应用于工程实践;结构面作为岩体的一部分,其对岩体的影响不可忽略;结构面的稳定性由抗剪强度决定,对结构面力学参数的估计同样是评价岩体强度的重要组成部分。利用轮廓曲线法和回弹法量取结构面粗糙度和壁岩强度量化地质强度指标GSI,并对潜在滑移结构面抗剪强度精准取值。结合广义Hoek-Brown强度准则估算和兴矿山II-B边坡岩体力学参数,通过极限平衡法分析其整体稳定性系数;利用Barton-Bandis模型线性拟合,计算结构面抗剪强度,对滑体落岩的稳定性进行分析。计算结果表明,整体边坡安全系数F_s=1.285,稳定性较好;含有潜在滑移结构面的岩体安全系数F_s=0.911,局部存在单平面滑移可能。计算结果符合现场实际情况,经反算法验证后,证明通过该方法估算得到的岩体强度参数及结构面抗剪强度是合理的。