强震过程滑带超间隙水压力效应研究:大光包滑坡启动机制

大光包滑坡是汶川地震触发的最大规模滑坡,其滑带地质背景为埋深400 m的饱水层间构造破碎带。为研究强震过程该带间隙水压力(孔隙和裂隙水压力)响应特征,设计夹饱水软弱层地质体单元模型,并开展系列振动台试验,结果表明:振动过程软弱层超间隙水压力显著大于上下硬层,且具有瞬态生成和逐渐累积特性,进一步揭示依赖模型非协调变形的"振动冲压-拉张"和"振动剪切"是瞬态超间隙水压力成因、依赖软弱层非协调变形的动力损伤是超间隙水压力累积成因,从而建立了垂直和水平振动耦合作用下包含间隙水压力系数r_w和间隙水压力作用的有效面积系数h的地震滑坡滑带有效应力模型。对于大光包滑坡,滑带h估测范围为0.7~0.9,当r_w为0.73~1.04时滑带抗剪强度可降为0;振动台试验表明,汶川强震过程大光包滑坡区地震动参数可使r_w达到这一水平。最后,提出大光包滑坡启动的"强震作用-层间错动带控滑-动力非协调变形致损、扩容-超间隙水压力激发-滑坡启动"演化过程机制。     

大光包滑坡启动机制:强震过程滑带非协调变形与岩体动力致损

2008年汶川地震触发的大光包滑坡是世界上罕见的巨型滑坡。滑坡后暴露长达1.8km的剪滑光面,光面上发育厚度达3 m的碎裂岩带,带内岩体不但存在先期碎裂,而且地震中产生了大量新碎裂。大光包滑坡独特地质现象和复杂形成机制受到国内外持续争论和广泛研究。本文在已有研究基础上,总结10年调查成果,建立大光包滑坡地质原型:该滑坡是碳酸盐岩地层内由先期层间构造错动带控滑的地震大型滑坡。进一步将该错动带概化为软弱层带,开展含软弱层带地质体的振动台模型试验;结果表明,振动过程软弱层带与顶底硬层产生非协调变形,在软弱层带内形成强大振动冲压–张拉和振动剪切力,使得带内土压力较顶底硬层显著放大,并将这类动力学行为概括为动力非协调变形响应。从而认为,动力非协调变形致损是大光包滑坡滑带岩体震裂成因,以此提出,强震过程软弱层带非协调变形与岩体动力致损可能诱发了大光包滑坡失稳启动。     

大光包滑坡启动机制:强震过程滑带动力扩容与水击效应

大光包滑坡是2008汶川地震触发的最大规模滑坡,也是世界上百年内罕见的巨型滑坡。滑坡发育在坚硬的碳酸盐岩地层、与发震断裂垂直距离5 km、与震中直线距离85 km,达11.59×108 m3的方量改变了近10 km2地形地貌,暴露后缘600 m近直立断壁、上游1.5 km拉裂边界、下游1.8 km剪滑光面及堆积600 m滑坡高坝,呈现出不同常理的滑坡现象,引起国内外持续争论和广泛研究。在前人研究基础上,总结7 a研究成果,认为深埋厚层软弱岩带(层间错动带)和强震过程是滑坡启动的背景条件。展开岩体宏–细–微观结构调查和测试,证实强震过程滑带的碎裂和扩容,揭示出扩容成因是地震动放大过程的振动冲击(动力扩容)。对滑带岩体强度测试,肯定由震裂导致的强度劣化不是大光包滑坡骤然启动的主因;水文地质调查表明,震前大光包山体具有丰富地下水及连接滑带的潜在通道,并且发现滑带扩容裂隙受到与水流相关的碎屑充填。强震过程中潜在通道垂向贯通、高位地下水瞬间挤入深埋构造带的扩容空间、可能产生水击效应,降低构造岩体有效应力,并导致岩带强度骤降。建立水击力计算的力学模型,计算结果表明在地下水头70~360 m范围内可激发水击力达20 MPa;从而得出,强震过程滑带动力扩容和水击效应可能使得滑坡骤然启动。最后,提出一种大光包滑坡启动的机制模型:强震过程→滑带地震动力破裂扩容→水击效应→滑坡启动。     

大光包滑坡滑带岩体碎裂特征及其形成机制研究

 大光包滑坡是“5•12”汶川地震触发的最大规模滑坡,滑坡南侧暴露长约1.8 km顺层滑带,其岩体高度碎裂,引起广泛关注,6 a来对此开展了持续研究。在前期工作基础上(工程地质测绘、坑槽探及浅孔钻探(钻孔声波)等),对滑带岩体的碎裂特征进行了充分的揭露和系统的描述,结果表明,滑带发育的地质基础是滑前坡体内部发育的层间剪切错动带。强震过程中,由于靠近发震断层的强烈垂向地震动,从而导致坡体沿相对软弱的层间错动带分离,并产生垂向振冲或夯击效应,导致层间错动带的进一步碎裂化。对滑带的细观分析表明,这种强震滑带碎裂化现象不仅存在,而且还表现出伴随碎裂过程的扩容效应。采用物理模拟和PFC数值模拟,进一步验证了强震过程中滑带的碎裂和扩容过程,揭示其产生的内在机制。研究表明,滑带岩体碎裂化及扩容现象具有特殊的工程地质和岩体力学意义：一方面滑带岩体的进一步碎裂、细粒化从物理上降低了滑带的摩阻力;另一方面,也是更为重要的是,由于滑带的夯击扩容,地下水将强力挤入扩容空间,从而可能激发水击作用机制,导致孔隙水压力激增,滑带抗剪能力急剧降低,从而促使滑坡骤然启动,产生高速滑动。     

大光包滑坡岩体碎裂特征及其工程地质意义

 “5•12”汶川地震发生六年以来,对地震诱发最大的大光包滑坡开展了工程地质测绘、声波检测、钻孔取芯、电镜扫描等一系列工作,研究表明该滑坡滑带产生于震旦系灯影组三段(Zd3)白云岩的层内错动带。综合研究揭示滑床岩体碎裂化宏观特征如下：滑面以下0～1 m岩体呈砂土状,砂粒含量占到60%以上;1 m以下岩体平均声波波速2 500～3 000 m/s,完整性指数趋于0.15～0.77,岩体损伤程度总体上随滑床深度增加而减小,而滑面下同一深度岩体损伤程度随滑床高程的增加而增大,局部有差异性破碎。另一方面,微观研究揭示滑带岩体压剪晶体沿解理面折扭断裂,穿晶裂纹发育,表现为部分晶体松动架立,晶间连接丧失。研究揭示的工程地质意义：(1) 滑带岩体性质主要受控于层内挤压错动的泥质花斑状白云岩,该层成分复杂,风化程度高,节理发育,完整性差;(2) “5•12”地震使滑带岩体产生强烈的剪切破坏(拉张和压剪破坏)和翼裂纹扩展,岩体的抗剪强度指标及完整性系数剧降,岩体质量劣化,在启动后巨厚滑体的碾压与揉搓作用下,滑带岩体的摩阻力进一步降低。综上,大光包滑坡滑带岩体损伤碎裂化是地震荷载作用下岩体内部缺陷动态演化的累进过程,滑带所在的地层岩性及岩体结构特征为其主要内因,强震荷载是其关键的外在诱因。     

大光包滑坡滑带碎裂岩体原位钻孔剪切试验研究

安县大光包滑坡是汶川地震触发的最大规模滑坡,滑坡南侧暴露长约1.8 km顺层滑带,其岩体高度碎裂化,引起广泛关注。为准确评价滑带碎裂岩体的强度参数,笔者在前人研究的基础上开展了细致的野外调查工作,采用法国Phicometre岩土两用原位钻孔剪切试验仪对大光包滑坡滑带碎裂岩体进行了原位剪切试验。将试验结果与Hoek–Brown岩体强度准则估值和基于工程地质类比法的力学参数建议值进行了对比分析。基于以上研究,提出了大光包滑坡南侧顺层滑带碎裂岩体力学参数建议值:内聚力为245~480 k Pa,内摩擦角为25.0°~26.5°。     

汶川地震大光包滑坡动力响应特征研究

 运用FLAC3D模拟大光包滑坡变形失稳特征,并输入距离滑坡约4.3 km的清平台站强震加速度三向记录,结果表明：其地震动力响应较为复杂,受控于斜坡形态、岩体(地质)结构及地震强度和振动持时等因素,在水平加速度响应方面,前缘滑坡更为明显,地震动频率更高,振幅更大,利于前缘的顺层失稳滑动;在竖向加速度响应方面,后缘滑体的振幅更大,竖向加速度(绝对值)数倍于水平加速度,利于拉裂、振碎解体和抛掷失稳。大光包滑坡与简单均值结构的边坡地震动力响应特征不完全一致,随高程、坡度放大的趋向性和节律性不明显。结合地震动力响应和运动特征,对滑坡堆积和滑源进行概化分区：(1) 下部顺层滑坡堆积区,是滑坡的主堆积区,分布于滑坡东侧,堵塞黄洞子沟;(2) 上部崩滑堆积区,分布于滑坡西北、北侧,具有明显的带状特征;(3) 后缘陡壁及倒石堆区,侧缘拉裂边界,近直立不规则凹凸状断壁,分布多组张拉裂隙,说明受陡倾角张性裂隙控制,表现为张性破坏特征,陡崖下部分布大量倒石堆,呈串珠状分布,以碎块石为主,岩性与后缘及北侧陡壁岩体一致,系地震后的重力调整所致;(4) 顺层滑面及擦痕区,在滑面上分布大量与岩层倾向相同的擦痕,说明顺层滑坡在后部具有向北方向偏转滑动的特征。     

考虑垂直地震动的地震滑坡永久位移特征研究

大光包滑坡(12×10~8 m~3)是2008年汶川Ms8.0级地震触发的最大滑坡。地震记录表明,滑坡区不仅遭受了强烈水平地震动,而且受到与之几乎相等的垂直地震动。采用考虑垂直地震力的改进Newmark模型,开展滑面抗剪强度参数影响下滑坡地震永久位移响应研究。结果表明,垂直地震动显著增大了滑坡地震累积永久位移(最大增幅达903%),同时垂直地震动对永久位移(累积总量和累积速率)贡献受到滑面内摩擦角的显著影响(影响幅度达87.8%～90.7%),而受黏聚力影响较小(影响幅度仅为5%～27.4%);地震过程滑坡永久位移最大累积速率发生时刻和时长决定于地震能量集中释放时段,大光包滑坡区120s地震持时内,50%能量在30～50s内集中释放,由此推测大光包滑坡失稳可能在地震初期。研究所采用的改进Newmark法可用于评价垂直地震动对地震滑坡启动的贡献。     

不同强度地震波作用下单滑动面滑坡的变形机理

为了验证地震滑坡变形破坏是否沿坡体内软弱夹层带而滑动,以玉树2#典型滑坡为试验原型,并以地震时采集的不同强度的地震波为试验动荷载进行振动台模型试验。试验结果表明:单滑动面滑坡在地震作用下,坡体的破坏是先从坡体后缘浅层开始,进而向前缘和坡体内不断发展,而并非一定沿破体内软弱夹层(带)滑动。本次振动台模型试验,较好地模拟了单滑动面滑坡的牵引式滑移破坏特征,且在试验过程中发现在地震作用下滑坡的裂缝是由后部到前部的顺序出现,但是破坏是从前面先破坏,逐级往后部延伸,而且裂缝多为圆弧形。     

含层间剪切带的层状复合岩体质量分级

层间剪切带作为一种特殊的软弱结构面,常常构成威胁工程岩体稳定性的控制性因素。分析常用岩体质量分级方法对于层间剪切带的初步认识和存在的问题,提出从岩体结构控制论观点出发,在考虑层状岩体结构类型的基础上,根据层间剪切带发育规模特征及其对层状复合岩体稳定性的影响机制,建立含层间剪切带的层状复合岩体质量分级与评价方法:(1)对于厚度大于10 cm、连续性好、有一定规模的层间剪切带,将其划定为独立的剪切错动型软弱夹层结构,根据层间剪切带的抗剪强度参数,对其单独进行质量分级与评价。(2)而对于厚度小于10 cm、规模相对较小的层间剪切带,特别是泥化夹层,则将其作为折减因素,对含层间剪切带的层状复合岩体质量分级进行弱化处理,建立含层间剪切带的层状复合岩体质量分级修正BQ方法。以黄河中游地区某大型水利枢纽工程为例,利用建立的修正BQ方法研究得到坝址区2个层间剪切带较发育的勘探平硐围岩质量分级评价结果,并将其与RMR法、Q系统法以及HC法得到的岩体质量分级结果进行对比分析和相关性研究,验证含层间剪切带的层状复合岩体质量分级方法的有效性。     

层间错动带剪切蠕变试验及蠕变模型研究

层间错动带是控制白鹤滩水电站工程区坝基及地下厂房洞室群围岩安全稳定性的一种典型软弱结构面,其力学时效性研究对工程围岩体的长期稳定性十分重要,从已有研究成果来看,白鹤滩层间错动带蠕变特性方面的研究成果较少。以白鹤滩工程区内的层间错动带原状试样为研究对象,进行剪切蠕变试验,探究层间错动带的蠕变特性、蠕变速率及长期强度等特征。试验结果表明:层间错动带原状试样具有典型的蠕变特性;采用等时曲线簇方法确定了不同法向力下层间错动带的长期强度。最后,基于元件法和屈服面蠕变模型,建立能够描述层间错动带瞬时弹性、稳定蠕变及加速蠕变特征的非定常黏弹塑性蠕变模型,拟合结果显示,该蠕变模型能够较好地反映错动带的蠕变特性。研究结果对于进一步揭示层间错动带的时效性规律和理论研究具有一定意义。     

强震作用下滑坡岩体震裂损伤程度影响因素研究

汶川地震触发了大量的地震滑坡,其中滑坡岩体普遍出现了不同程度的震裂损伤现象。通过大光包滑坡现场大量的调查工作,揭示了该滑坡不同部位岩体的震裂损伤程度随埋深、地形地貌及岩性条件的不同呈现出一定的规律性,基于疲劳试验,从动力学的角度,分析了强震作用下滑坡岩体震裂损伤程度的影响因素。试验结果表明:上限应力是影响岩体震裂损伤程度的首要因素,应力水平是震动频率影响岩体震裂损伤程度的前提。并基于此分析得出,滑坡不同部位受控于埋深及地形地貌的差异,决定了其受到的地震作用力及应力状态各不相同,是影响岩体震裂损伤程度的动力因素;而滑坡不同岩性之间岩体结构的差异,导致其表现出不同的破坏特征,决定了在相同地震荷载下损伤程度各不相同,是影响岩体震裂损伤程度的内在因素;地震爆发初期,强烈的地震冲击作用力在短时间内对岩体产生的巨大损伤及岩体自身结构的缺陷,是造成岩体最终震裂损伤的基础。以上研究成果为强震作用下滑坡岩体的震裂损伤程度进行快速的定性评价提供了依据,并丰富了大光包滑坡滑带岩体碎裂化成因机制研究。     

某水电坝基柱状节理玄武岩固结灌浆试验研究

柱状节理岩体作为一种特殊的岩体,地质结构特点与常见岩体有很大不同。柱状节理面起伏、不规则,柱体断面不规则且切割不完全,柱体内隐裂隙发育、变形模量较低,层间层内错动带发育,变形及抗剪强度均较低,部分岩性段还存在劈理密集带。作为拱坝的坝基岩体,要求有足够的承载力和稳定性,由于柱状节理岩体特殊的岩体结构、结构面发育特征等,应充分了解柱状节理玄武岩、弱风化下段弱卸荷岩体、层间层内错动带、断层影响带等经灌浆处理后其整体性、刚度和强度的提高幅度及相应的岩体力学参数,为加大基础抗变形能力、提高结构面抗剪抗渗能力,有必要对坝基开展固结灌浆试验,研究论证灌后岩体作为拱坝基础的可行性和可靠性,为坝区岩体固结灌浆的合理设计和确定施工参数提供参考。     

叠溪地震滑坡振动台试验研究

实验室振动台模拟试验是研究地震滑坡的手段之一.本文选取1933年岷江上游叠溪地震诱发各类滑坡中的两种(岩质顺层滑坡和深覆盖层孔隙水压力激增型滑坡)为例,借助水平加垂直双向振动模拟试验台,进行地震滑坡的振动台模拟试验.以此分析和探讨各种斜坡在地震力的作用下的变形破坏的规律和机制,并以此验证前人所建数值模型和计算模型的正确性.斜坡模型的建立是在对叠溪地震进行详细的分区分带研究,对叠溪地震形成演化机制的深入探讨后建立起来的,具有较强的针对性和模拟性.     

Hoek-Brown准则的改进及在大光包滑坡滑带碎裂岩体力学强度评价中的应用EI北大核心CSCD

针对目前大光包滑坡滑带碎裂岩体力学强度参数缺乏研究这一问题,提出基于改进后的Hoek-Brown准则获取岩体力学强度参数的新方法。该方法首先通过岩体基本质量指标BQ、岩体结构等级SR、结构面表面等级SCR与结构面条件因子J_c分别对地质强度指标GSI进行量化取值;在此基础上,建立由岩体基本质量指标BQ估算扰动参数D的计算公式;并以现场调查和室内岩石力学试验为基础,将改进后的方法代入Hoek-Brown准则中,对大光包滑坡滑带碎裂岩体的力学强度参数进行评价。与E.Hoek建议法相比,改进后的方法获取的岩体力学参数偏小,更为接近前人研究中的建议值,证明该方法具有一定的合理性。     

层状复合岩体边坡动力特性及地震响应特性的振动台试验研究

层状复合岩体边坡往往具有复杂的岩性组合及岩体结构特征。人们对这一类边坡在地震作用下的动力响应特性及滑坡灾害成因机制仍缺乏深入的认识。以2008年"5·12"汶川地震在层状复合岩体边坡内诱发的一处典型岩质滑坡为原型,以原始边坡的地形和地层结构为模拟内容,并采用滑坡区邻近地震台实测加速度波作为边坡底部激励,完成层状复合岩体边坡地震动力响应特性的小型振动台试验研究。基于传感器测得数据,分析模型边坡的固有频率特征和加速度响应特征,并比较水平向和竖直向响应之间的差异。与此同时,本文还着重分析模型边坡中碳质板岩薄弱层的加速度响应和位移响应特征,以观察其在层状复合岩体边坡响应中所起的作用。主要研究结果表明:(1)模型边坡在分别受到水平向和竖直向地震波激振时,将表现出不同的振动形态。2个方向上的固有频率都经历了三阶段变化过程,在这一过程中,固有频率呈现出总体下降的趋势,表明结构在不断恶化。(2)模型边坡竖直向加速度的高程放大效应弱于水平向加速度,但模型边坡对竖直向输入波的改造作用更明显。碳质板岩层对竖直向加速度表现出了明显的削弱作用。(3)碳质板岩层在激振强度增大时出现鼓胀变形。在开展破坏性试验阶段,碳质板岩层的水平位移峰值超过上部的千枚状板岩层。然而,在本试验条件下,这种岩层间的非协调变形并没有导致模型边坡最终沿着碳质板岩层发生破坏,这与现场观察到的原型滑坡实际滑移面位置有出入。尽管如此,该研究成果,尤其是其所揭示的水平向和竖直向响应差异以及岩层间的响应差异仍然可为层状复合岩体边坡的地震成灾机制解释提供一定参考。     

Hoek-Brown准则的改进及在大光包滑坡滑带碎裂岩体力学强度评价中的应用

针对目前大光包滑坡滑带碎裂岩体力学强度参数缺乏研究这一问题,提出基于改进后的Hoek-Brown准则获取岩体力学强度参数的新方法。该方法首先通过岩体基本质量指标BQ、岩体结构等级SR、结构面表面等级SCR与结构面条件因子J_c分别对地质强度指标GSI进行量化取值;在此基础上,建立由岩体基本质量指标BQ估算扰动参数D的计算公式;并以现场调查和室内岩石力学试验为基础,将改进后的方法代入Hoek-Brown准则中,对大光包滑坡滑带碎裂岩体的力学强度参数进行评价。与E.Hoek建议法相比,改进后的方法获取的岩体力学参数偏小,更为接近前人研究中的建议值,证明该方法具有一定的合理性。     

武隆鸡尾山滑坡形成机理数值模拟研究

2009年发生的重庆武隆鸡尾山滑坡,因滑源区斜坡岩层整体缓倾山内,缺乏有效的临空面和滑移空间,因此,在滑坡孕育过程中存在前缘岩溶带压缩变形、底部剪切滑移、后缘拉裂以及最终前缘关键块体(岩溶带)侧向剪断滑出等一系列的复杂动力学行为。这一过程存在显著的连续变形向非连续变形的过渡与转化,单纯用连续介质的有限元和离散介质的离散元来分析模拟都很难取得较好的效果。为探究鸡尾山滑坡的孕育过程和失稳机理,运用将连续–非连续单元有机耦合的大型数值模拟软件CDEM,模拟鸡尾山滑坡的失稳过程和形成机制。研究表明:滑体前方岩溶发育带具有"可压缩性",为滑体运动提供了一定的变形空间;滑源区下方的采矿活动产生应力重分布,滑带抗剪强度降低,滑体沿其底部软弱带发生剪切蠕滑,并逐渐形成滑体后缘拉裂缝;滑动块体在向前滑移过程中不断挤压向前缘"易压缩带",坡体应力自组织调整,并逐渐在前部三角区形成垂直的第二破裂面,前缘抗力体(关键块体)形成,最后剪断岩溶带个别与稳定山体咬合岩块,整体失稳破坏。数值模拟结果较好地揭示了武隆鸡尾山滑坡前缘视倾向展布岩溶带"软基效应"所提供"准临空面",重现了鸡尾山滑坡"蠕滑—拉裂—压缩(压碎)—剪切滑出"的致灾机理。     

唐家山滑坡成因机制与堰塞坝整体稳定性研究

 根据唐家山滑坡的地质背景,研究滑坡及堰塞体工程地质特征,分析唐家山滑坡类型及发生的地质成因机制;基于唐家山堰塞体的岩体结构稳定性分析、宏观现象监控与地表位移监测,研究堰塞体的整体稳定性。研究得出如下结论与启示：(1) 唐家山滑坡属于基岩顺层滑坡,是典型的地震诱发高速滑坡,滑坡滑动带可能发育在层间剪切带,滑坡区发育的构造背景为复式倒转背斜的一翼。(2) 唐家山堰塞体整体结构以块状岩体为主,上覆风化松散堆积物,整体地质稳定性较好;堰塞体地表位移监测显示,泄洪对地表位移有影响,最大位移约140 mm,随后位移增量较小,目前处于稳定状态。(3) 应注重地震诱发滑坡→堰塞湖→溃决→洪水的“多米诺”链式灾变研究;应注重含层间剪切带斜坡的工程地质调查分析和地震滑坡危险性研究。     

结构面控制型斜坡震裂力学机制研究

大光包滑坡为汶川地震触发的最大规模滑坡,是典型的结构面控制型的滑坡。本文以其为地质原型,考虑其坡体结构和地形地貌,建立起数值计算模型,对其进行全过程动力模拟,对坡体的应力演化过程进行全程分析,从力学演化过程来解释斜坡的地震变形破坏机制。结果表明:斜坡的应力演化特征对其变形破坏过程起控制性作用,对于结构面控制型的斜坡来说,结构面的应力状态控制着斜坡的变形破坏,斜坡破坏前,坡体的应力特征表现出整体性,结构面处的应力特征与坡体较为一致,表现出控制性作用;在结构面破坏后,其控制作用明显减弱。对于结构面,其前缘破坏以剪切破坏为主,后缘为拉张和剪切复合型破坏。