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。     

团块缺陷结构对岩石静动力学特性影响的数值模拟分析

基于颗粒流离散元法和PFC2D程序构建含团块缺陷结构的岩石数值模型试样,指定试样中部1 cm半径范围为团块缺陷,通过0.1倍、1倍和10倍关系改变团块细观力学参数,构建A、B和C三种数值试样类别,分别进行三轴压缩和三轴疲劳试验。通过试样破坏特征、强度特征、团块及周边应力、应变率特征分析缺陷岩石静、动力学特性。试验结果表明,压缩和疲劳荷载下A类试样在团块左右方向应力集中,而上下方向（包括团块内部）为低应力区;C类试样与之相反,B类试样无明显应力集中现象。无论压缩或疲劳荷载,A类试样团块应变率高于四周,C类试样与之相反,B类试样无明显应变率差异化。研究成果揭示:1）岩石内部团块状缺陷结构无论其材料强度高低均劣化岩石抗压强度;2）静动荷载加载过程中含团块缺陷岩石内部表现出应力场不均匀性和应变差异性。     

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。     

强震触发大型滑坡抛石运动特征研究

大光包滑坡是2008汶川地震触发的最大滑坡。滑坡位于四川省绵阳市安县高川乡,与汶川地震发震断裂直线距离5 km,滑坡最大长度4.6 km、最大高差0.73 km、规模近12亿m~3,改变了近10 km~2地形地貌。大光包滑坡除了具有超强动力与远程运动特征外,还表现出大规模块石高速抛射现象。在对大光包滑坡边界特征、运动和堆积特征分析基础上,研究了大光包滑坡抛石运动特征。结果表明:大光包滑坡抛石发生在滑坡南侧滑体,堆积于门槛石沟;坡体结构、大光包滑坡主滑体与对岸山梁相撞后产生的"刹车效应",以及门槛石沟开阔地形为抛石产生提供了条件;理论计算得出抛石速度平均值为99 m/s。     

滑坡颗粒图像识别的投影校正方法与应用研究

破碎地层滑坡是我国西南山区典型的灾害类型之一,滑坡物质主要由破碎颗粒构成,具有较强的流动性和致灾能力,对滑坡区颗粒分布研究有助于灾害范围预测和灾害防治.基于无人机摄影和图像识别技术,针对投影平面与地形间夹角带来的颗粒投影变形问题,引入投影面积修正系数Ki,实现非统一平面投影和变形校正,从而更准确获得颗粒统计学特征.以2...     

含脉状缺陷结构岩石循环加卸载损伤及强度特性试验研究

调查大光包滑坡滑带含脉状缺陷结构岩石碎裂特征,研究该类含缺陷岩石的循环加卸载破损机制,基于图像识别技术对试样中脉状缺陷面积进行统计,分别进行单轴压缩和加卸载试验。试验结果表明,缺陷结构界面易构成试样的潜在破坏面,加卸载应力处于弹性区间仍能明显造成该类试样损伤。同时,缺陷面积比对试样泊松比、损伤规律和峰值强度有较大影响,在加卸载作用下脉状缺陷面积比越大,相同加卸载次数时岩石泊松比越大,造成的损伤程度越高,岩石峰值强度降低越明显;脉状缺陷面积比越小,岩石泊松比越小,造成的损伤程度越低,岩石峰值强度降低有限。研究成果揭示了地震过程中缺陷结构和岩石非协调变形造成的累计损伤和强度劣化特征。     

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。     

基于环剪试验的汶川地震大型滑坡启动机理探索

2008年5·12汶川地震触发了大量滑坡灾害,牛眠沟滑坡是发生于震中的同震大型滑坡。经过现场调查,该滑坡启动后即与对岸山梁相撞并产生20 m爬高,估算速度达19.8 m/s,表现出高速启动特征。取滑带材料进行室内环剪试验,结果表明试样在不排水条件下具有很高的剪切液化能力,且动剪应力下容易液化,液化后材料视摩擦角仅为9.4°,从而得出地震滑带材料液化可能导致牛眠沟滑坡高速启动。通过能量方法,估算了不排水动剪试验材料的液化能量和地震过程通过滑带的地震能量。结果表明,滑带材料破坏所需峰值加速度为192 gal,液化所需能量为2.3×10~4J/m~2;汶川地震沿滑带方向提供最大地震加速度为799 gal,从而满足滑带液化的能量条件,并推测滑坡可能在地震初期突然触发。     

磨西河流域坡面泥石流形成演化机制及防治

针对磨西河流域坡面泥石流的危害,基于现场调查和已有研究成果,研究了坡面泥石流物源及形成机制,发现覆盖层表土流滑、层内滑动、基覆界面滑动形成主要下蚀物源,沟道岸坡滑塌形成主要侧蚀物源,坡面泥石流具有流速大、单次堆积厚度小的运动堆积特征,在此基础上建立了磨西河流域坡面泥石流发育演化的动态过程,即初始期、发展期、衰退期、停止期,近一步明确了其阶段性动态暴发特征,并建立了基于下蚀系数的总储量、动储量的简便计算模型,提出了针对不同泥石流沟发育阶段的防治建议。     

汶川震区震后地质灾害发育分布及演化特征统计分析

汶川地震是21世纪以来中国发生震级最大的地震。为了分析汶川震区震后地质灾害发育分布,根据三大数据库及新闻稿的数据,以滑坡和泥石流为例,从规模、烈度及时间3个方面对汶川震后9 a来地质灾害演化特征及差异性进行了初步统计分析,并预测了2018—2025年滑坡和泥石流的演化趋势。结果表明:①滑坡数量与规模呈反比,与烈度也呈反比,且滑坡主要集中在7—9月份;②泥石流规模特征较均匀,高烈度区泥石流数量大于低烈度区,且主要集中在7—9月份;③滑坡在震后初期数量较少,泥石流则在震后初期数量较多;④初步分析汶川震后滑坡和泥石流演化特征差异的原因是这2种灾害的产生条件不同;⑤预测滑坡在短期内呈震荡式衰减趋势,高峰周期为3~5 a,泥石流呈水平波动趋势,高峰周期为3~5 a。