頻發(fā)微震下庫區(qū)順層巖質(zhì)邊坡累積損傷演化機理及穩(wěn)定性研究.pdf

1、已有監(jiān)測表明，三峽水庫在每次蓄水后均能監(jiān)測到不同能級的地震發(fā)生，且地震能量大多以高頻度低強度的形式釋放，這種次數(shù)多、震級小的地震對庫區(qū)邊坡的穩(wěn)定性是否會造成影響，以及影響的程度有多大，將成為庫區(qū)地質(zhì)災(zāi)害防治需要面臨的新問題。已有研究重點主要放在滑體處于臨界失穩(wěn)狀態(tài)和地震強度較大的情況，而很少關(guān)注頻發(fā)微震對邊坡穩(wěn)定性的影響。本文綜合巖石力學(xué)、工程地質(zhì)、工程地震等學(xué)科知識，以庫區(qū)穩(wěn)定性相對較差的順層巖質(zhì)邊坡為研究對象，采用室內(nèi)直剪試驗、振動

2、臺模型試驗、理論分析和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，對巖體結(jié)構(gòu)面在峰前循環(huán)加載下的宏細觀累積損傷特性及強度劣化模型、邊坡巖體在頻發(fā)微震下的累積損傷演化機理及累積損傷模型、邊坡在反復(fù)微震作用下的穩(wěn)定性及其影響因素等進行了較為系統(tǒng)深入的研究，主要研究內(nèi)容和成果如下：
　?、賹㈩l發(fā)微震對邊坡巖體結(jié)構(gòu)面的影響概括為峰前循環(huán)加載，進而開展巖石節(jié)理的峰前循環(huán)加載室內(nèi)直剪試驗，基于節(jié)理發(fā)生的爬坡、爬坡-啃斷、啃斷三種典型變形模式，分析了循環(huán)加載次數(shù)、加

3、載速率及加載幅值對節(jié)理損傷特性及剪切強度的影響。研究表明，峰前循環(huán)加載會對巖石節(jié)理產(chǎn)生“接觸效應(yīng)”和“損傷效應(yīng)”，前者通過增大節(jié)理剪切面的接觸面積，對節(jié)理抗剪強度產(chǎn)生有利作用，而后者會引起節(jié)理二階起伏體的磨損和一階起伏體的啃斷，造成節(jié)理粗糙起伏的退化，上述兩種效應(yīng)的演變是造成節(jié)理抗剪強度變化的根本原因；從節(jié)理的變形特征及剪切面的損傷狀態(tài)可知，峰前循環(huán)加載的次數(shù)越多、速率越快、幅值越高，節(jié)理剪切面上的累積損傷越明顯。
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4、C顆粒流數(shù)值方法，從細觀角度研究了峰前循環(huán)加載階段巖石節(jié)理的累積損傷演化特征。研究表明，在爬坡模式下，節(jié)理損傷裂紋主要出現(xiàn)二階起伏體附近，張拉裂紋及剪切裂紋均有出現(xiàn)，體現(xiàn)出循環(huán)加載對二階起伏的磨損效應(yīng)；在啃斷模式下，除了在二階起伏體上有少許張拉及剪切裂紋外，損傷裂紋主要出現(xiàn)在一階起伏體上，且以張拉裂紋為主，體現(xiàn)出循環(huán)加載對一階起伏體的啃斷效應(yīng)；節(jié)理起伏體上的裂紋數(shù)量隨循環(huán)加載次數(shù)增多而增加，且增加的速度有不斷加快的趨勢，而在循環(huán)加載次數(shù)

5、增加到某個量級時，裂紋甚至出現(xiàn)激增的現(xiàn)象，表明節(jié)理起伏體上疲勞裂紋的擴展貫通具有累積后突變的演變特征。
　　③從節(jié)理在峰前循環(huán)加載階段出現(xiàn)的切向位移逐漸累積增加的試驗現(xiàn)象出發(fā)，以切向位移塑性功指數(shù)衰減函數(shù)來表示起伏角的磨損和破壞過程，從而建立了考慮起伏角磨損退化的節(jié)理強度模型；通過 Fish語言編程實現(xiàn)了邊坡結(jié)構(gòu)面強度參數(shù)在動力作用時程內(nèi)的自動更新，從而建立了考慮結(jié)構(gòu)面累積損傷的邊坡動力穩(wěn)定性數(shù)值計算流程；在邊坡的動力穩(wěn)定性數(shù)值計

6、算中，主要考慮了循環(huán)剪切作用造成的結(jié)構(gòu)面起伏角?k的退化、相對速度造成的滑塊之間動態(tài)摩擦系數(shù) fk的減?。ㄒ韵鄬λ俣扔绊懸蜃??t?來表達）兩個因素的影響。
　　④針對順層巖質(zhì)邊坡的動力累積損傷問題，設(shè)計了一套完整的相似物理模型振動臺試驗流程。采用傳遞函數(shù)法求取邊坡各加載階段的動力特性參數(shù)，并以一階自振頻率的變化定義損傷變量，獲得了典型邊坡巖體在微小地震作用階段和強震作用階段的非線性疲勞累積損傷模型。結(jié)果表明，在微小地震作用階段，

7、模型邊坡的損傷累積符合三次多項式的形式，邊坡的累積損傷表現(xiàn)出初期略微下降、中期線性增長、后期平緩增長的正“S”型三段式特征；在強震作用階段，模型邊坡的損傷累積符合冪指數(shù)形式，邊坡巖體的損傷累積速度顯著加快，而采用疲勞裂紋擴展的雙K準則可以很好的解釋四個模型邊坡累積損傷曲線的變化趨勢。
　?、萃ㄟ^振動臺試驗，研究了典型坡體的動力響應(yīng)特征及各損傷階段動力響應(yīng)的變化，得到了典型坡體在反復(fù)地震作用下的滑面形成過程及失穩(wěn)模式。研究表明，邊坡

8、的加速度響應(yīng)表現(xiàn)出“高程效應(yīng)”和“趨表效應(yīng)”，且隨地震頻率、地震荷載幅值的增大，邊坡的動力響應(yīng)更加強烈，而隨著坡體損傷的不斷累積，邊坡的動力響應(yīng)呈現(xiàn)出減弱的趨勢；在反復(fù)地震作用下，水平層狀坡的層面首先發(fā)生水平錯動，進而巖層中的次級節(jié)理被拉裂，各層拉裂的次級節(jié)理與錯開的層面交匯連通，最終形成了在坡面出露的階梯型破壞面；中傾順層坡的上部巖體首先沿層面產(chǎn)生滑動變形趨勢，進而造成邊坡后緣的次級節(jié)理從坡頂向下逐漸被拉裂，最終形成由后緣豎向拉裂縫與

9、下部貫通層面組合而成的破壞面；陡傾順層坡的層面由坡面向里依次被拉開，進而次級節(jié)理因巖層受彎而被拉裂，其破壞面主要由后緣陡傾層面段、中部臺階起伏段及前緣平緩剪出段三段構(gòu)成。
　　⑥通過UDEC離散元方法建立數(shù)值邊坡模型，采用結(jié)構(gòu)面強度劣化模型來更新地震作用時程內(nèi)層面的強度參數(shù)，進而分析邊坡在頻發(fā)微震作用下的變形發(fā)展特征及穩(wěn)定性變化規(guī)律，并對其穩(wěn)定性影響因素進行分析，結(jié)果表明，隨著地震作用次數(shù)的增加，邊坡坡體的累積永久位移逐漸增大，邊

10、坡的穩(wěn)定性逐漸降低，且二者的變化幅度呈現(xiàn)出先慢后快的規(guī)律，即當微震加載次數(shù)增大到一定次數(shù)時，位移突然急劇增大，邊坡發(fā)生失穩(wěn)破壞，這一現(xiàn)象表明，順層巖質(zhì)邊坡在頻發(fā)微震下的失穩(wěn)會呈現(xiàn)一定程度的突變特征；在頻發(fā)微震下，層面出露的中傾順層坡的穩(wěn)定性較差，坡體有出現(xiàn)整體滑移失穩(wěn)的風(fēng)險，且邊坡在出現(xiàn)整體滑移失穩(wěn)前滑體已有明顯的變形發(fā)展跡象，滑體較為破碎；層面不出露的陡傾順層坡穩(wěn)定性相對較好，且主要出現(xiàn)崩塌、落石等地質(zhì)災(zāi)害；頻發(fā)微震對水平層狀坡的穩(wěn)定