本文關(guān)鍵詞：蠕動(dòng)型滑坡變形失穩(wěn)特征及滑動(dòng)模型研究

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【摘要】：滑坡災(zāi)害是自然界常見的重大地質(zhì)災(zāi)害之一,每年占到全球地質(zhì)災(zāi)害總數(shù)的一半以上,不僅給人類生命帶來威脅,而且對(duì)環(huán)境、資源、財(cái)產(chǎn)等造成嚴(yán)重的破壞。對(duì)滑坡穩(wěn)定狀態(tài)、發(fā)展趨勢(shì)和影響范圍有效的分析是滑坡災(zāi)害預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)的核心工作。由于滑坡形成機(jī)制復(fù)雜、誘發(fā)因素多樣及治理費(fèi)用高昂等特點(diǎn),目前多是對(duì)規(guī)模大且持續(xù)變形中的滑坡進(jìn)行監(jiān)測(cè)。傳統(tǒng)的滑坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)主要是從力學(xué)角度出發(fā),采用力學(xué)本構(gòu)模型評(píng)價(jià)滑坡穩(wěn)定安全系數(shù),而滑坡監(jiān)測(cè)獲得的最直接數(shù)據(jù)一般是地表及深部位移,目前一般通過擬合、推斷等數(shù)學(xué)方法來分析滑坡的變形特征,沒有充分挖掘監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與滑坡內(nèi)部破壞特征之間的關(guān)系。本論文基于模擬數(shù)據(jù),建立滑坡變形位移與內(nèi)部破壞特征的關(guān)系模型,實(shí)現(xiàn)通過位移特征直接評(píng)價(jià)滑坡穩(wěn)定狀態(tài)及發(fā)展趨勢(shì)的研究目的,為滑坡預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)提供一個(gè)方便高效的途徑。同時(shí),本論文研究滑坡失穩(wěn)后的運(yùn)動(dòng)過程,建立基于GIS和力學(xué)模型的滑動(dòng)模型。論文從理論模型研究、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證、實(shí)例分析等角度出發(fā),開展蠕動(dòng)型滑坡變形失穩(wěn)特征及失穩(wěn)滑動(dòng)模擬研究。運(yùn)用有限元強(qiáng)度折減法,借助FLAC3D軟件,重點(diǎn)研究蠕動(dòng)型滑坡在發(fā)生、發(fā)展至破壞的全過程及破壞后,地表位移與安全系數(shù)之間的關(guān)系,建立蠕動(dòng)型滑坡地表變形位移與內(nèi)部破壞特征關(guān)系模型;以室內(nèi)滑坡實(shí)驗(yàn)研究及千將坪滑坡、涼水井滑坡和金坪子滑坡等3個(gè)滑坡實(shí)例研究,分別對(duì)論文所提出的蠕動(dòng)型滑坡地表變形位移與內(nèi)部破壞特征關(guān)系模型進(jìn)行驗(yàn)證;依據(jù)論文所提出的關(guān)系模型建立基于表觀位移突變點(diǎn)的滑坡穩(wěn)定性階段判據(jù),對(duì)照分析金坪子滑坡II區(qū)和藕塘滑坡的實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),取得較好的效果,完成蠕動(dòng)型滑坡變形失穩(wěn)特征的研究和實(shí)踐。在此研究基礎(chǔ)上,對(duì)蠕動(dòng)型滑坡失穩(wěn)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行滑動(dòng)模擬研究,提出基于GIS和力學(xué)模型的蠕動(dòng)型滑坡失穩(wěn)滑動(dòng)模擬的光滑粒子流體動(dòng)力學(xué)(SPH)三維粒子模型;以唐家山滑坡和金坪子滑坡IⅡ區(qū)為例,分別對(duì)該模型進(jìn)行實(shí)例驗(yàn)證和分析,完成蠕動(dòng)型滑坡失穩(wěn)滑動(dòng)模擬的研究和實(shí)踐。論文完成的工作及取得的主要結(jié)論如下：1、系統(tǒng)總結(jié)滑坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)、預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)及影響范圍預(yù)測(cè)的研究方法及現(xiàn)狀：針對(duì)蠕動(dòng)型滑坡的特點(diǎn),提出以蠕動(dòng)型滑坡地表位移來表征其演化階段劃分標(biāo)準(zhǔn)的研究目標(biāo)。2、提出基于位移特征的蠕動(dòng)型滑坡變形與內(nèi)部破壞特征關(guān)系模型。論文系統(tǒng)總結(jié)蠕動(dòng)型滑坡變形-時(shí)間曲線特征和強(qiáng)度折減法的基本原理、滑動(dòng)面確定、破壞判據(jù)、本構(gòu)模型、屈服準(zhǔn)則及應(yīng)用現(xiàn)狀,分析研究強(qiáng)度折減法破壞判據(jù)的選取。采用FLAC3D對(duì)均質(zhì)邊坡進(jìn)行數(shù)值模擬,依據(jù)模擬得到的地表位移數(shù)據(jù)分析地表位移與折減系數(shù)關(guān)系曲線,得到蠕動(dòng)型滑坡演化過程中地表位移變形特征：地表位移-折減系數(shù)曲線會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)明顯的突變點(diǎn),將這兩個(gè)突變點(diǎn)分別對(duì)應(yīng)的安全系數(shù)值定義為α和6,以此為界限將滑坡演化過程分為三個(gè)階段：當(dāng)安全系數(shù)Fs≥a時(shí),為穩(wěn)定階段；當(dāng)aFsb時(shí),為破壞階段；當(dāng)Fs≤6時(shí),為失穩(wěn)階段。其次,依據(jù)模擬得到的滑體主應(yīng)力數(shù)據(jù)分析,得到隨著安全系數(shù)的降低,主應(yīng)力不會(huì)出現(xiàn)明顯的變化。3、對(duì)所建立的蠕動(dòng)型滑坡變形位移與內(nèi)部破壞關(guān)系模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)主要分為兩部分：(1)確定實(shí)驗(yàn)所堆建滑坡模型材料參數(shù),通過土力學(xué)試驗(yàn)得到試樣的密度、粘聚力和內(nèi)摩擦角；(2)滑坡模型地表變形位移特征分析,利用地面型三維激光掃描儀監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)滑坡模型從啟動(dòng)至失穩(wěn)破壞全過程的地表位移,通過DEM比較法,得到滑坡在垂直方向的變形位移,分析滑坡在發(fā)生、發(fā)展至破壞全過程的變形位移特征：位移-時(shí)間曲線會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)明顯的突變點(diǎn),并以此突變點(diǎn)為界限,位移值呈現(xiàn)明顯增大的趨勢(shì),說明在出現(xiàn)突變點(diǎn)的時(shí)刻,滑坡內(nèi)部狀態(tài)發(fā)生了變化,地表位移與內(nèi)部狀態(tài)存在緊密的聯(lián)系：同時(shí),記錄滑坡后緣拉裂縫的開展情況,用于輔助滑坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)。4、以千將坪滑坡、涼水井滑坡和金坪子滑坡為例,進(jìn)行蠕動(dòng)型滑坡變形失穩(wěn)評(píng)價(jià)的實(shí)例研究。依據(jù)滑坡實(shí)例的現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)勘察資料,采用論文中運(yùn)用的強(qiáng)度折減法進(jìn)行實(shí)例分析研究。論文采用FLAC3D分別對(duì)這3個(gè)滑坡的變形情況進(jìn)行數(shù)值模擬,依據(jù)模擬得到的地表位移數(shù)據(jù)分析地表位移與安全系數(shù)(折減系數(shù))關(guān)系曲線,得到蠕動(dòng)型滑坡在發(fā)生、發(fā)展至破壞的全過程及破壞后,地表位移會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)突變點(diǎn)的特征,說明通過位移突變點(diǎn)來對(duì)滑坡穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)是可行的：分析模擬過程中滑體的最大最小主應(yīng)力數(shù)據(jù),得到蠕動(dòng)型滑坡在發(fā)生、發(fā)展至破壞的全過程及破壞后,主應(yīng)力不會(huì)出現(xiàn)明顯的變化,由此說明,采用監(jiān)測(cè)應(yīng)力變化來分析蠕動(dòng)型滑坡穩(wěn)定性的效果是不明顯的。5、基于論文提出的蠕動(dòng)型滑坡變形位移與內(nèi)部破壞特征關(guān)系模型,建立基于表觀位移突變點(diǎn)α、6的滑坡穩(wěn)定性階段判據(jù)。以金坪子滑坡和藕塘滑坡為例,論文首先統(tǒng)計(jì)分析金坪子滑坡Ⅱ區(qū)自2005年5月18日至2009年9月25日的地表位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和鉆孔傾斜儀有效觀測(cè)時(shí)間內(nèi)的深部位移數(shù)據(jù),得到金坪子滑坡Ⅱ區(qū)的變形特征,同時(shí),運(yùn)用本文所建立的滑坡穩(wěn)定性階段判據(jù)得到該區(qū)的內(nèi)部破壞特征及穩(wěn)定狀態(tài),與通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析得到的結(jié)果是一致的。接著,論文統(tǒng)計(jì)分析藕塘滑坡自2014年2月1日至2015年1月31的地表水平位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),得到藕塘滑坡的變形特征,同時(shí),運(yùn)用本文所建立的滑坡穩(wěn)定性階段判據(jù)分析該區(qū)的內(nèi)部破壞特征及穩(wěn)定狀態(tài),得到與通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析結(jié)果相一致的結(jié)論。6、提出基于GIS和力學(xué)模型的蠕動(dòng)型滑坡失穩(wěn)滑動(dòng)模擬的SPH三維粒子模型。首先,論文系統(tǒng)研究邊坡信息的GIS表達(dá)方式,使得與滑坡相關(guān)的空間信息,如地表面、地層、滑動(dòng)面、地下水位等,都可以以GIS數(shù)據(jù)形式進(jìn)行表達(dá)；然后,研究滑坡滑動(dòng)模擬的SPH方法和基于賓漢流體的力學(xué)模型。在此研究的基礎(chǔ)上,建立基于GIS空間數(shù)據(jù)和賓漢流體本構(gòu)模型的滑坡SPH三維粒子模型,并通過C#編程實(shí)現(xiàn)粒子的插入填充過程,提高模擬仿真的效率,進(jìn)一步以結(jié)合摩爾-庫(kù)侖破壞準(zhǔn)則的SPH為核心,實(shí)現(xiàn)蠕動(dòng)型滑坡失穩(wěn)運(yùn)動(dòng)過程的仿真模擬。7、以唐家山滑坡和金坪子滑坡Ⅱ區(qū)為例,進(jìn)行滑坡失穩(wěn)運(yùn)動(dòng)模擬的實(shí)例研究。首先以唐家山滑坡為研究對(duì)象,運(yùn)用文中所提出的蠕動(dòng)型滑坡SPH三維粒子模型建立唐家山滑坡三維斷面SPH粒子模型,以結(jié)合摩爾-庫(kù)侖破壞準(zhǔn)則的SPH為核心,得到唐家山滑坡的三維SPH模擬結(jié)果,并與已有的二維SPH模擬結(jié)果對(duì)比,表明三維SPH模擬比二維SPH模擬更加接近真實(shí)狀態(tài),驗(yàn)證文中所提出的蠕動(dòng)型滑坡滑動(dòng)模擬的SPH三維粒子模型的可靠性及優(yōu)越性。其次,以金坪子滑坡Ⅱ區(qū)為對(duì)象,模擬該區(qū)失穩(wěn)運(yùn)動(dòng)的全過程,預(yù)測(cè)滑坡失穩(wěn)的影響范圍。
【學(xué)位授予單位】：北京科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：P642.22

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本文編號(hào)：1279881