強震巨型滑坡滑帶碎裂巖體微細(xì)觀分析及靜動力破損機(jī)制研究——以安縣大光包滑坡為例.pdf

1、強震作用下巖體碎裂化問題被越來越多的揭露和研究，尤其是汶川地震以來，暴發(fā)的大量、大規(guī)?；聻?zāi)害使地學(xué)工作者對巖體碎裂結(jié)構(gòu)及動力成因有了新的認(rèn)識，但由于強震觸發(fā)大型滑坡巖體碎裂問題涉及到工程地質(zhì)學(xué)、巖石力學(xué)、地震工程學(xué)等多門學(xué)科，尚有很多問題亟需解決。大光包滑坡是一次十分罕見的巨型滑坡，上覆400m巨厚巖層在8.0級強震下潰滑而下，在強震和厚重滑體振動、碾壓過程中，滑帶巖體碎裂化問題顯得尤為突出。
　　本文在前人研究基礎(chǔ)上，從滑后滑

2、床殘留碎裂巖體特殊的碎裂現(xiàn)象出發(fā)，調(diào)查該類巖體分布的層位及連續(xù)性特征，得出:該類碎裂巖體在滑坡區(qū)“連續(xù)分布”、“平均厚度3m”、為震旦系燈影組層間“軟弱帶”，并將該軟弱帶定義為大光包滑坡滑帶，命名為“大光包碎裂巖體”?；谶@一基本認(rèn)識，首先對整個碎裂巖體層宏觀碎裂特征進(jìn)行精細(xì)素描和描述，將整個碎裂巖體層分為:(1)強振動碾壓卸圍壓區(qū)、(2)振動無碾壓圍壓區(qū)、(3)弱振動無碾壓圍壓區(qū)，現(xiàn)有巖體結(jié)構(gòu)分類無法涵蓋大光包巖體極碎裂現(xiàn)象，針對大光

3、包碎裂巖體提出“碎砂狀”、“碎塊狀”、“碎裂狀”、“膠結(jié)狀”分類，并將之定義為“碎裂再膠結(jié)巖體”。對碎裂層內(nèi)的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，碎裂層縱向并不連續(xù)，三個區(qū)內(nèi)均發(fā)現(xiàn)顏色、硬度等由下而上有明顯差異的4層，且碎裂層底部均有薄層泥層。對碎裂層及區(qū)內(nèi)巖體調(diào)查得出，普遍存在三類結(jié)構(gòu)面，分別為:北東向、南東向、北西向，近一步分析表明，這三組結(jié)構(gòu)面不僅控制大光包滑坡“滑面”形態(tài)特征，而且對區(qū)內(nèi)地形地貌及演變有一定影響。
　　本著宏觀-微觀-宏觀的分析思路

4、，對碎裂原巖進(jìn)行成分、結(jié)構(gòu)分析，對碎裂結(jié)構(gòu)成因進(jìn)行微觀分析，得出碎裂原巖具有成分不均一、顆粒大小相關(guān)懸殊(10倍)、結(jié)構(gòu)多樣（超過6種）的特點，碎裂巖體經(jīng)歷過多次構(gòu)造運動后被熱液膠結(jié)，形成現(xiàn)有碎裂特征。（提出）按碎裂巖體晶體變形破壞程度分類，包括(1)晶間斷裂、(2)晶界面斷裂、(3)晶體錯位、(4)晶體塑性變形、(5)晶表撞擊凹坑、(6)晶體松動架立;提出按碎裂巖體晶體斷裂力學(xué)模式分類，包括(1)靜載拉張斷口，(2)壓剪斷口，(3)疲

5、勞拉張斷口，(4)疲勞壓剪斷口，(5)復(fù)合型斷口;按晶體風(fēng)化模式分類，主要有:(1)晶體風(fēng)化（溶蝕），(2)晶間風(fēng)化（溶蝕），(3)裂隙風(fēng)化（泥質(zhì)膠結(jié)，鈣質(zhì)膠結(jié)結(jié)構(gòu)面），(4)復(fù)合型風(fēng)化。
　　定量評價是巖體研究的必要任務(wù)，為后續(xù)相似材料試驗、物理模擬、數(shù)值模擬提供基礎(chǔ)參數(shù)。結(jié)合已有研究，基于圖像處理技術(shù)和分形理論，對碎裂巖體脈狀裂隙、團(tuán)塊狀結(jié)構(gòu)進(jìn)行定量統(tǒng)計分析，得出碎裂原巖所占比例不到50％，1cm2分布裂隙110條;對斷口粗糙

6、程度、碎裂塊度、裂隙發(fā)育程度進(jìn)行分形維值計算，得出碎裂原巖結(jié)構(gòu)分維值平均為1.6，方解石脈分維平均為1.5，且方解石脈條數(shù)與分維值成線性遞增關(guān)系，碎裂塊度平均分形維值為2.3。
　　室內(nèi)物理試驗表明，碎裂巖體震動后密度有明顯降低，降低率達(dá)10％，這表明了膠結(jié)巖體在地震過程中裂隙大量發(fā)育并擴(kuò)展，在滑動剪切過程中擴(kuò)容，體積達(dá)7.2～50.4萬方。基于宏微觀成果，提出了碎裂巖體震裂損傷、變形破壞過程概念模型:(1)震裂損傷、巖石差異性結(jié)

7、構(gòu)開裂、已有裂隙重新開啟階段，(2)裂紋耦合、快速貫通、巖體膠結(jié)強度劣化階段，(3)滑坡膠結(jié)強度喪失、潰滑、碾壓、振動階段，(4)后期卸荷、風(fēng)化、雨水沖刷階段。
　　有了以上對碎裂巖體的基本認(rèn)識，基于PFC顆粒流離散元對含缺陷結(jié)構(gòu)巖石靜動力模擬分析，表明:(1)巖石內(nèi)缺陷結(jié)構(gòu)的存在，無論強度高低都會劣化巖石整體強度，(2)缺陷結(jié)構(gòu)強度的高低，會局部提高和降低巖石強度，(3)正是這種對巖石局部性狀的改變引起了巖石內(nèi)部變形的非協(xié)調(diào)性，

8、這種非協(xié)調(diào)性隨著與缺陷結(jié)構(gòu)距離的增加而逐漸減小，(4)缺陷結(jié)構(gòu)剛度和連接強度都對非協(xié)調(diào)變形有顯著影響，精確分析表明，連接強度對巖體強度影響大于結(jié)構(gòu)剛度，(5)動力作用下，同種性狀缺陷結(jié)構(gòu)對巖石強度影響程度大于靜力作用，(6)含缺陷結(jié)構(gòu)巖體的破壞，由缺陷結(jié)構(gòu)對巖石局部強度的改變和非協(xié)調(diào)變形決定，破裂面一般沿二者耦合最弱面產(chǎn)生。
　　建立含軟弱夾層地質(zhì)體數(shù)值模型，進(jìn)行振動試驗分析，試驗表明:(1)軟弱層通過自身應(yīng)變能吸引振動能量，導(dǎo)致

9、自身上覆巖體應(yīng)力大為減小，應(yīng)變率及豎向、側(cè)向速度大為增加，(2)軟弱層上下界面動力響應(yīng)強度不同，下界面大于上界面，導(dǎo)致非協(xié)調(diào)變形于下界面處最大，破裂面普遍在下界面產(chǎn)生，(3)模擬過程表明，軟弱層在振動過程中經(jīng)歷著張拉和壓剪交替持續(xù)作用，這個往復(fù)過程大大加快了軟弱層變形速度，加劇了破壞程度。
　　對碎裂巖體室內(nèi)剪切試驗表明，碎裂巖體抗剪強度包絡(luò)線呈冪函數(shù)關(guān)系，計算得理想情況下上覆自重下滑帶抗剪強度。分析表明，動力作用下，大光包滑坡滑