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

1、已有監(jiān)測(cè)表明，三峽水庫(kù)在每次蓄水后均能監(jiān)測(cè)到不同能級(jí)的地震發(fā)生，且地震能量大多以高頻度低強(qiáng)度的形式釋放，這種次數(shù)多、震級(jí)小的地震對(duì)庫(kù)區(qū)邊坡的穩(wěn)定性是否會(huì)造成影響，以及影響的程度有多大，將成為庫(kù)區(qū)地質(zhì)災(zāi)害防治需要面臨的新問題。已有研究重點(diǎn)主要放在滑體處于臨界失穩(wěn)狀態(tài)和地震強(qiáng)度較大的情況，而很少關(guān)注頻發(fā)微震對(duì)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(shí)，以庫(kù)區(qū)穩(wěn)定性相對(duì)較差的順層巖質(zhì)邊坡為研究對(duì)象，采用室內(nèi)直剪試驗(yàn)、振動(dòng)

2、臺(tái)模型試驗(yàn)、理論分析和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，對(duì)巖體結(jié)構(gòu)面在峰前循環(huán)加載下的宏細(xì)觀累積損傷特性及強(qiáng)度劣化模型、邊坡巖體在頻發(fā)微震下的累積損傷演化機(jī)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(jìn)行了較為系統(tǒng)深入的研究，主要研究?jī)?nèi)容和成果如下：
　?、賹㈩l發(fā)微震對(duì)邊坡巖體結(jié)構(gòu)面的影響概括為峰前循環(huán)加載，進(jìn)而開展巖石節(jié)理的峰前循環(huán)加載室內(nèi)直剪試驗(yàn)，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(duì)節(jié)理?yè)p傷特性及剪切強(qiáng)度的影響。研究表明，峰前循環(huán)加載會(huì)對(duì)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(duì)節(jié)理抗剪強(qiáng)度產(chǎn)生有利作用，而后者會(huì)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(qiáng)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(xì)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?yè)p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(duì)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(duì)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(shì)，而在循環(huán)加載次數(shù)

5、增加到某個(gè)量級(jí)時(shí)，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(kuò)展貫通具有累積后突變的演變特征。
　?、蹚墓?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(yàn)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(qiáng)度模型；通過 Fish語言編程實(shí)現(xiàn)了邊坡結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度參數(shù)在動(dòng)力作用時(shí)程內(nèi)的自動(dòng)更新，從而建立了考慮結(jié)構(gòu)面累積損傷的邊坡動(dòng)力穩(wěn)定性數(shù)值計(jì)算流程；在邊坡的動(dòng)力穩(wěn)定性數(shù)值計(jì)

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(duì)速度造成的滑塊之間動(dòng)態(tài)摩擦系數(shù) fk的減?。ㄒ韵鄬?duì)速度影響因子??t?來表達(dá)）兩個(gè)因素的影響。
　?、茚槍?duì)順層巖質(zhì)邊坡的動(dòng)力累積損傷問題，設(shè)計(jì)了一套完整的相似物理模型振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)流程。采用傳遞函數(shù)法求取邊坡各加載階段的動(dòng)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(qiáng)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(xiàng)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(zhǎng)、后期平緩增長(zhǎng)的正“S”型三段式特征；在強(qiáng)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(kuò)展的雙K準(zhǔn)則可以很好的解釋四個(gè)模型邊坡累積損傷曲線的變化趨勢(shì)。
　?、萃ㄟ^振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，研究了典型坡體的動(dòng)力響應(yīng)特征及各損傷階段動(dòng)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(dòng)力響應(yīng)更加強(qiáng)烈，而隨著坡體損傷的不斷累積，邊坡的動(dòng)力響應(yīng)呈現(xiàn)出減弱的趨勢(shì)；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(cuò)動(dòng)，進(jìn)而巖層中的次級(jí)節(jié)理被拉裂，各層拉裂的次級(jí)節(jié)理與錯(cuò)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(dòng)變形趨勢(shì)，進(jìn)而造成邊坡后緣的次級(jí)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(jìn)而次級(jí)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(tái)階起伏段及前緣平緩剪出段三段構(gòu)成。
　?、尥ㄟ^UDEC離散元方法建立數(shù)值邊坡模型，采用結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度劣化模型來更新地震作用時(shí)程內(nèi)層面的強(qiáng)度參數(shù)，進(jìn)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(duì)其穩(wěn)定性影響因素進(jìn)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(dāng)微震加載次數(shù)增大到一定次數(shù)時(shí)，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(huì)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(xiǎn)，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(duì)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(duì)水平層狀坡的穩(wěn)定