本文關(guān)鍵詞： 地震 塊狀巖體邊坡 動力響應(yīng) 穩(wěn)定性系數(shù) 破壞方式　出處：《中國地質(zhì)大學(xué)》2013年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：地震荷載作用下塊狀結(jié)構(gòu)巖體邊坡的穩(wěn)定性研究是我國西部強地震區(qū)大型水利水電工程建設(shè)、山區(qū)高速公路工程、鐵路客運專線以及核電工程建設(shè)中需要解決的難點和熱點問題。對邊坡在地震作用下的動力響應(yīng)規(guī)律、失穩(wěn)機制、穩(wěn)定性評價方法等科學(xué)問題進(jìn)行系統(tǒng)深入的研究,不僅能推動地震邊坡穩(wěn)定性理論的發(fā)展和創(chuàng)新,而且能夠為巖土工程設(shè)施的規(guī)劃、設(shè)計和施工提供必要的技術(shù)支持,具有重要的理論意義和現(xiàn)實意義。 巖體是由結(jié)構(gòu)面網(wǎng)絡(luò)及其所圍限的巖石塊體所組成。結(jié)構(gòu)面對地震波在巖體中的傳播過程及規(guī)律有著很重要的影響。研究地震波在節(jié)理巖體中的傳播特征是分析巖體邊坡動力響應(yīng)和動力穩(wěn)定性的基礎(chǔ)。 邊坡的地震動力響應(yīng)包括加速度、速度、位移、動應(yīng)力和動應(yīng)變響應(yīng)等等多方面的內(nèi)容。廣義上,除了上述這些標(biāo)準(zhǔn)參量外,某些抽象的、人為定義的變量,例如動態(tài)的穩(wěn)定系數(shù),也可以視為邊坡對地震動力的響應(yīng)。在所有的這些能夠表征邊坡動力響應(yīng)的物理量、信號量中,加速度無疑是居于基礎(chǔ)性地位。這主要有如下兩個方面的原因：第一,速度和位移可分別由加速度對時間積分和二次積分獲得,因此不具有獨立性。第二,邊坡體內(nèi)任意微元的動應(yīng)力狀態(tài)與其加速度、質(zhì)量之間的關(guān)系符合牛頓第二定律,并且動應(yīng)力與動應(yīng)變通過模量建立聯(lián)系,從這個意義上來說,動應(yīng)力和動應(yīng)變對加速度也具有依存關(guān)系。事實上,邊坡的各種動力響應(yīng)皆由地震加速度引發(fā)。因此,研究加速度的動力響應(yīng)規(guī)律(時間和空間分布)已成為這一領(lǐng)域的基本問題之一,同時對于評價邊坡的動力穩(wěn)定性也有著重要的價值。 在巖體邊坡動力穩(wěn)定性計算中,永久位移分析和動力穩(wěn)定性系數(shù)分析方法是兩種主要的動力穩(wěn)定性評價方法。永久位移標(biāo)準(zhǔn)較穩(wěn)定性系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)能夠更為準(zhǔn)確地反映邊坡在地震工況下的動力響應(yīng),在理論上永久位移標(biāo)準(zhǔn)比單一的穩(wěn)定性系數(shù)更為合理,但是永久位移法卻存在諸多不足,首先從本質(zhì)上看永久位移法是一個較為粗略的評價方法,在計算邊坡地震永久位移時不能考慮邊坡材料自身的變形、動力條件下巖體的強度以及變形特性;其次,永久位移法計算的地震永久位移其實是平均位移,不能反映具有復(fù)雜節(jié)理巖體在地震作用下真實的位移分布情況；另外,永久位移法無法得出地震荷載作用下邊坡的穩(wěn)定性系數(shù),這在實際工程中進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性評價是極為不便的。在此背景下,本文將嘗試通過將永久位移法與動力強度折減法相結(jié)合,以永久位移作為邊坡的動力失穩(wěn)評價指標(biāo),并通過強度折減法來計算得出邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)。由于強度折減法物理意義明確,計算過程簡潔,因此國內(nèi)外很多學(xué)者采用強度折減法對邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)數(shù)進(jìn)行了分析。目前,主要存在以下兩種邊坡的動力失穩(wěn)判據(jù)：(1)從關(guān)鍵點永久位移和折減系數(shù)的關(guān)系曲線來判斷。(2)以地震荷載結(jié)束后關(guān)鍵點永久位移的時程曲線是否發(fā)散來判斷。然而就目前國內(nèi)外的研究進(jìn)展來看,上述兩種失穩(wěn)判據(jù)均有它們的不足之處,本文將在上述動力失穩(wěn)判據(jù)的基礎(chǔ)上分別提出新的計算方法。 通常情況下,巖體質(zhì)量較好、巖體結(jié)構(gòu)完整、傾向坡外的結(jié)構(gòu)面未發(fā)育或較少發(fā)育的塊狀巖體邊坡整體穩(wěn)定性較好。但在強震作用下,巖體震裂松動、結(jié)構(gòu)面加劇擴展、結(jié)構(gòu)面抗剪強度顯著降低,該類巖體邊坡的整體穩(wěn)定性也大大降低。目前,關(guān)于該類巖體邊坡地震動力響應(yīng)以及地震條件下的失穩(wěn)破壞方式方面的研究尚少。鑒于地震的強大破壞力,正確分析強震作用下塊狀巖體邊坡的動力響應(yīng)及失穩(wěn)破壞方式則顯得尤為迫切和重要。 本文主要針對塊狀結(jié)構(gòu)巖體邊坡,采用三維離散單元法(3DEC)對其在地震荷載作用下的動力響應(yīng)規(guī)律、穩(wěn)定性分析以及破壞方式進(jìn)行了深入研究。目的是揭示地震荷載對塊狀結(jié)構(gòu)巖體邊坡穩(wěn)定性的影響機制,為更準(zhǔn)確地分析塊狀結(jié)構(gòu)巖體邊坡的動力穩(wěn)定性提供有效的理論依據(jù)。論文完成的主要工作包括以下幾個方面： (1)基于三維離散元軟件3DEC,建模分析了地震波在含單個節(jié)理巖體中的傳播特征。首先,建立簡諧地震波在均質(zhì)巖體中傳播的數(shù)值模型,通過參數(shù)研究選取了合理的建模參數(shù)和動力分析參數(shù),包括邊界條件、網(wǎng)格單元尺寸、動力時間步等,為選取合理的參數(shù)應(yīng)用于動力學(xué)問題方面的研究提供了依據(jù)。接著建立地震波在單個節(jié)理巖體中的傳播模型,并分別考慮了地震波垂直入射結(jié)構(gòu)面和地震波傾斜入射結(jié)構(gòu)面時結(jié)構(gòu)面剛度對波傳播規(guī)律的影響,并結(jié)合前人的理論研究成果,探討數(shù)值模擬方法的可行性,結(jié)果表明采用離散元軟件3DEC來分析節(jié)理巖體的動力問題是非常可靠的。 (2)通過密集的數(shù)值模擬計算,對地震作用下各結(jié)構(gòu)面因素對巖體邊坡動力響應(yīng)的影響規(guī)律進(jìn)行了研究。巖體邊坡地震動力響應(yīng)分析是一個十分復(fù)雜的研究課題。除了地震荷載的復(fù)雜性之外,巖石材料的性質(zhì)、結(jié)構(gòu)面的物理力學(xué)特性及其在巖體內(nèi)的分布和規(guī)模等因素,都將對巖體邊坡的地震響應(yīng)產(chǎn)生一定的影響。如果要全面地考慮上述因素的影響,將使得這一問題變得相當(dāng)復(fù)雜以至于難以求解。因此為了突出重點,本文主要研究了結(jié)構(gòu)面物理力學(xué)特性以及其在巖體邊坡內(nèi)的分布特征對巖體邊坡動力響應(yīng)的影響。鑒于結(jié)構(gòu)面的剛度對地震波的透射系數(shù)和反射系數(shù)有著重大的影響,在結(jié)構(gòu)面物理力學(xué)特性方面主要考慮結(jié)構(gòu)面剛度對巖體邊坡動力響應(yīng)的影響。此外在結(jié)構(gòu)面分布特征方面,主要從結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)狀、結(jié)構(gòu)面的起始位置以及結(jié)構(gòu)面的密度這幾個角度來分別進(jìn)行研究。研究結(jié)果表明,①、結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀的變化會使得結(jié)構(gòu)面對地震波的反射方向和折射方向發(fā)生變化,進(jìn)而影響地震波場能量在坡體中的分布情況,最終體現(xiàn)為邊坡PGA放大系數(shù)等值線分布的空間變化。對于順傾結(jié)構(gòu)面邊坡,當(dāng)結(jié)構(gòu)面傾角較小時,結(jié)構(gòu)面對地震波的傳播起著一定的衰減作用,而當(dāng)結(jié)構(gòu)面傾角較大時,則起著相反的作用。邊坡的動力穩(wěn)定性隨著結(jié)構(gòu)面傾角的增大而不斷變差。逆傾結(jié)構(gòu)面的存在會對地震波在巖質(zhì)邊坡中的傳播產(chǎn)生衰減作用,并且隨著結(jié)構(gòu)面傾角的增大而不斷弱化。相比于順傾結(jié)構(gòu)面邊坡,逆傾結(jié)構(gòu)面邊坡的動力穩(wěn)定性大體上要強于前者。②、結(jié)構(gòu)面的起始位置對于巖體邊坡的地震動力響應(yīng)有著比較明顯的影響,其位置越高,巖體邊坡的地震動力響應(yīng)就越強,反之則越弱。③、隨著結(jié)構(gòu)面剛度的增大,巖體邊坡的地震動力響應(yīng)的強度呈現(xiàn)出明顯的遞增趨勢。結(jié)構(gòu)面剛度對各反射波和透射波的影響作用主要體現(xiàn)在它們的能量分配關(guān)系上,而對于它們在巖體邊坡中的傳播路徑則沒有什么影響。當(dāng)入射波為剪切波時,巖體邊坡地震動力響應(yīng)對結(jié)構(gòu)面剪切剛度的敏感性要明顯地高于其法向剛度。④、結(jié)構(gòu)面發(fā)育愈密集,邊坡巖體的完整性愈差,巖體邊坡的地震動力響應(yīng)就越強烈,其動力穩(wěn)定性也就越差。 (3)運用正交試驗設(shè)計法,通過數(shù)值計算與數(shù)理統(tǒng)計分析評價了巖體邊坡PGA放大系數(shù)極大值影響因素的敏感性。雖然PGA放大系數(shù)極大值并不能全面地反映巖體邊坡地震動力響應(yīng)的整體情況,但其能在一定程度上詮釋巖體邊坡地震動力響應(yīng)的強度問題。在分析各種結(jié)構(gòu)面因素單獨作用時PGA放大系數(shù)極大值的變化規(guī)律的基礎(chǔ)上,綜合考慮各種結(jié)構(gòu)面因素之間的相關(guān)性和隨機聯(lián)動性,分別采用極差分析法和方差分析法對巖體邊坡PGA放大系數(shù)極大值影響因素的敏感性進(jìn)行了排序。參與分析的5個結(jié)構(gòu)面因素中,敏感性由大到小的順序依次為：結(jié)構(gòu)面傾角、結(jié)構(gòu)面起始位置、結(jié)構(gòu)面剪切剛度、結(jié)構(gòu)面法向剛度、結(jié)構(gòu)面間距。因此,當(dāng)巖體邊坡中發(fā)育有傾角較陡的結(jié)構(gòu)面且結(jié)構(gòu)面發(fā)育深度較淺時,其動力響應(yīng)的強度往往就會越強,在地震荷載的作用下,這類巖體邊坡的動力穩(wěn)定性問題也將顯得更為突出。 (4)針對動力強度折減法中第一種失穩(wěn)判據(jù)在實際應(yīng)用中的局限性,提出了“基于永久位移比的巖體邊坡動力穩(wěn)定性計算方法”。地震荷載作用下,地震永久位移隨強度折減系數(shù)的增加而增加,且在強度折減系數(shù)較小時增幅不明顯,當(dāng)超過某一定值時,地震永久位移的增幅迅速增大,呈明顯的指數(shù)函數(shù)形式變化。關(guān)于如何在地震永久位移與折減系數(shù)的關(guān)系曲線中標(biāo)定出邊坡的動力穩(wěn)定性系數(shù),目前的解決方法主要是以該曲線“拐點”即永久位移值突變點所對應(yīng)的折減系數(shù)來確定,然而對于“拐點”的位置該如何確定則存在較大的人為主觀因素,并且缺乏合理的數(shù)學(xué)理論公式做支撐,使得該方法在使用上存在著一定的局限性。在此背景下,本文提出永久位移比理論新概念,即當(dāng)巖體邊坡沿滑動面的地震永久位移達(dá)到滑動面長度的一定比值時認(rèn)為該邊坡失穩(wěn)破壞。將此方法運用于汶川地震區(qū)塊狀巖體邊坡實例研究中,計算得出該實例邊坡在汶川地震荷載作用下的動力穩(wěn)定性系數(shù)為1.04,穩(wěn)定性計算結(jié)果與實際地質(zhì)調(diào)查情況相符,驗證了本方法的工程實用性。 (5)針對動力強度折減法中第二種失穩(wěn)判據(jù)的不足之處,提出了“考慮結(jié)構(gòu)面退化的巖體邊坡動力穩(wěn)定性計算方法”。當(dāng)采用第二種失穩(wěn)判據(jù)來分析巖體邊坡的動力穩(wěn)定性時,通過結(jié)構(gòu)面靜態(tài)強度參數(shù)計算所得的巖體邊坡動力穩(wěn)定性系數(shù)與其靜力穩(wěn)定性系數(shù)進(jìn)是相等的,地震荷載的振幅對邊坡動力穩(wěn)定性系數(shù)的影響得不到任何體現(xiàn),在此背景下,基于前人有關(guān)結(jié)構(gòu)面摩擦系數(shù)隨累積位移和相對運動速率不斷衰減的研究成果,提出了考慮結(jié)構(gòu)面退化的巖體邊坡動力穩(wěn)定性計算方法,給出了相應(yīng)的實施流程,并用汶川地震區(qū)的工程實例進(jìn)行了說明,計算結(jié)果表明,使用該方法來計算巖體邊坡的動力穩(wěn)定性是可行的。 (6)老虎嘴巖體邊坡是汶川地震區(qū)典型的受優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面控制的塊狀巖體邊坡,5·12汶川大地震使得該邊坡內(nèi)部的結(jié)構(gòu)面貫通,形成楔形體在地震作用下向臨空面方向運動,以至產(chǎn)生嚴(yán)重的崩滑現(xiàn)象,并導(dǎo)致岷江堵塞和交通封閉。以老虎嘴塊狀結(jié)構(gòu)巖體邊坡的地質(zhì)原型為基礎(chǔ),應(yīng)用三維離散元數(shù)值模擬軟件3DEC,建立了老虎嘴塊狀結(jié)構(gòu)巖體邊坡的三維離散元數(shù)值計算模型,并通過動力計算還原了該邊坡在汶川地震荷載作用下變形破壞的演化過程,對其動力失穩(wěn)機制進(jìn)行了詳細(xì)分析,為研究具有相同結(jié)構(gòu)類型的巖體邊坡在強震作用下的破壞方式提供了參考依據(jù)。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：中國地質(zhì)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2013
【分類號】：TU45

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：1525691