强震过程软弱层带地震动响应及大型滑坡启动机制研究

在构造活跃的高山峡谷区,山体内部广泛发育原生或次生弱带,如软弱岩带、断层带、风化壳等;由于该地区也是地震多发区,使得这些弱带成为控制斜坡稳定性的关键带,最显著实例为2008年汶川Ms 8.0地震诱发的最大滑坡——大光包滑坡(DGB landslide),滑带背景是先期层间错动带,至今引起国内外广泛关注和持续研究,其地震诱发机制仍不清楚。针对斜坡关键弱带地震动响应及控滑机制关键科学问题,基于9 a大光包滑坡持续工程地质调查,开展多种手段测试、系列振动台模型试验及数值模拟,探究大光包滑坡启动机制问题。主要内容如下:(1)首先,在对汶川地震动、大光包地质环境分析基础上,确定软弱层带岩体建造及改造特征、构造分带及构造岩划分、物质组成、岩体结构描述、水文地质特征,结果表明大光包斜坡是含有关键弱带(层间错动带)的大型岩质斜坡、强震过程层间错动带剪滑破坏是大光包滑坡启动的关键,提出了强震过程由层间错动带主控的大型滑坡启动地质模型。(2)为全面揭示层间错动带静动力学特性,采用现场大剪、室内直剪、DPRI环剪和MTS动三轴试验手段,考虑静动力学条件、含水率、排水条件、围压条件等多种试验方案,得出干噪软弱层带内聚力范围为20~320 k Pa,内摩擦角范围为15°~41°,认为干燥条件不太可能触发大光包滑坡突然失稳,水是降低材料库仑摩擦的重要因素。(3)通过概化大光包滑坡含软弱层带地质体模型,开展了13次振动台模型试验,分析软弱层带土压力、加速度和位移响应基本特征,及地震因素(激振强度(0.05 g~0.8 g)、激振频率(5~15 Hz)、强度–频率耦合作用、激振持时)和地质因素(软弱层带厚度、埋深、组数及产状)对位移、土压力、Arias强度的影响规律,首次提出地震软弱层带"动力非协调变形响应"概念,并揭示了动力非协调变形4种基本模式和6大工程地质效应,进一步基于弹性波动力学理论和地震波射线理论建立了动力非协调变形响应数学模型,理论模型对振动台模型计算结果与振动台试验结果相吻合。(4)利用MTS动三轴试验和PFC数值模拟,揭示了岩体动力损伤特征和软弱层带扩容动力过程;揭示出动力过程振幅衰减系数和延迟时间决定的变形差异造成的应力分异和叠加,导致了软弱层带动力非协调变形;拉压交替作用下非均质岩体差异性卸荷回弹、局部应力集中、封闭应力导致的动力非协调变形是岩体动力致损成因;认为岩体动力扩容机制包括提出的动力非协调变形致损扩容和屈服后传统的剪胀、拉张扩容。(5)引入岩体裂隙导水系数参数,基于Joukowsky瞬态流理论,建立了考虑水击的软弱层带抛物线型库仑强度准则,获得了地下水位高度与软弱层带抗剪强度关系;对大光包滑坡计算表明,最大水击压力近20 MPa、滑带抗剪强度可降为0。(6)基于上述研究,认为滑前大光包层间错动带位于地下水位之下,地震中地下水强力挤入层间错动带扩容空间,导致滑带抗剪强度骤降,前缘锁固段突然剪段,滑坡高速启动;提出强震过程由层间错动带主控、软弱层带非协调变形致损、水力激发的大光包滑坡启动过程机制模型。     

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°。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

软弱基座型斜坡变形破坏过程研究

在现场调查的基础上，以黄河上游某电站库区一个下部有软弱基座、上部为硬岩构成的双层结构型斜坡中发育的大型滑坡为例，通过地质分析及数值模拟分析，揭示了该类斜坡的形成多以软弱基座的压缩变形为先导，从而引起上部岩体拉裂、弯曲变形，并最终受坡体内最大剪应力带控制而形成蠕滑拉裂型滑坡的特征。     

雅砻江八通滑坡地质特征及风险评价

为准确把握水库运营期间滑坡体的稳定状态,以雅砻江某滑坡为例,详细分析了其基本特征、地质条件及成因机制,分析判断其当前所处状态,得到该滑坡体是原始岩体先倾倒变形后沿倾倒变形岩体与未变形岩体之间的软弱层产生拉裂—蠕滑—沉积固结长期发展的结果。通过工程对比、参数反演和室内土工试验确定计算模型所需参数,根据现场实际调查确定滑坡体剖面,利用Geo-Slope软件建立模型并对该滑坡进行风险评价。针对水库运营及滑坡体实际情况,考虑到蓄水作用和地震动力效应确定了7种工况,并对这7种工况进行计算分析,得到滑坡体在各种工况下的失稳概率。计算结果表明该滑坡整体稳定性较好,只是在地震蓄水工况下失稳概率较大,处于不稳定状态。     

汤屯高速公路顺层岩质边坡变形机制分析及治理对策研究

通过对汤屯高速公路顺层边坡现场工程地质条件的系统调查,首先对边坡的岩体结构类型及其成因机制、结构面与坡面组合特征进行细致研究,在此基础上通过FLAC^3D数值模拟,结合工程地质条件分析,对其变形破坏机制进行深入探讨。研究结果表明,边坡处于滑移弯曲–滑移拉裂复合型滑坡的初始阶段,边坡的变形受层间软弱夹层及岩体结构控制作用明显,坡体中上部块体沿层间软弱夹层产生滑动,受下部岩体约束,在坡体最薄弱部位–开挖面附近产生弯曲变形;受弯曲部位推力作用,第一级边坡碎裂岩体中逐渐产生剪切滑动面,并与弯曲部位岩体中滑移切出面贯通,最终破坏。基于变形机制分析的治理措施将重点放在控制碎裂岩体和潜在剪出口的变形上,监测结果表明,边坡达到稳定性要求。     

土—岩界面滑坡变形及成因分析—以陕西南部某滑坡为例

以陕西南部山区土—岩界面滑坡为研究对象,采用野外调查和地质分析的方法,总结出该滑坡变形特点及其成因,得出结论如下:(1)该滑坡为土—岩界面滑坡,滑面上部为土岩界面,下部为含碎石粉质粘土层内错动带;(2)滑坡的形成是受地形地貌、地层岩性、地下水及人类工程活动多种因素的影响;(3)土—岩界面为此类堆积层滑坡主控滑动面。     

含脉状缺陷结构岩石循环加卸载损伤及强度特性试验研究

调查大光包滑坡滑带含脉状缺陷结构岩石碎裂特征,研究该类含缺陷岩石的循环加卸载破损机制,基于图像识别技术对试样中脉状缺陷面积进行统计,分别进行单轴压缩和加卸载试验。试验结果表明,缺陷结构界面易构成试样的潜在破坏面,加卸载应力处于弹性区间仍能明显造成该类试样损伤。同时,缺陷面积比对试样泊松比、损伤规律和峰值强度有较大影响,在加卸载作用下脉状缺陷面积比越大,相同加卸载次数时岩石泊松比越大,造成的损伤程度越高,岩石峰值强度降低越明显;脉状缺陷面积比越小,岩石泊松比越小,造成的损伤程度越低,岩石峰值强度降低有限。研究成果揭示了地震过程中缺陷结构和岩石非协调变形造成的累计损伤和强度劣化特征。     

绿帘石石英错动带空间展布与力学特征分析

对玄武岩中绿帘石石英错动带这一重要岩体抗滑稳定边界的空间展布特征以及力学特征进行了探讨,并得出了相关结论,以加深层内错动带对工程影响的认识。     

潇水电站斜向层状边坡的变形机制分析

潇水电站变形边坡为斜向层状岩质边坡,根据前期勘察成果及开挖反馈,发现该边坡岩体上部为碎裂岩体,结构松散,下部为基岩,较完整,碎裂岩体沿软弱夹层呈视向滑动,且保持着原岩构造。基于该边坡的结构面统计和分析,确定该边坡存在一组优势节理面JL1,该组节理面与层面的交棱线产状与视向擦痕线产状非常接近。结合岩体变形特征及结构面分析,对该边坡变形机制有几点认识:该边坡变形破坏受优势节理面与软弱夹层所控制,边坡变形并非简单地顺层滑动,而是以软弱夹层面为主界面,以优势节理面与岩桥构成的组合边界为另一界面,整个边坡变形呈类似楔形形状的变形破坏;边坡的变形破坏是内外营力共同作用的结果,其变形破坏仍处于"拉裂—蠕滑"阶段。     

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。     

地下洞室群岩体变形参数取值研究

针对乌江构皮滩水电站地下洞室群岩体软硬相间、层间错动复杂等特点,采用动力法和静力法相结合的试验手段,研究了岩体性状、非均匀性及试验尺寸等对岩体变形参数的影响,提出了该工程地下洞室群岩体宏观变形参数。     

乌蒙山区红层软岩滑坡地质演化及灾变过程离心机模型试验研究

乌蒙山区由砂岩、泥岩、页岩等组成的缓倾角红层软岩分布广泛,软质岩石与硬质岩石形成的互层状结构体易形成滑坡。针对该类滑坡,以花生地滑坡为例,采用地质分析与离心机模型试验相结合的方法,对降雨作用下滑坡地质演化和灾变过程进行研究。研究表明,红层软岩具有易软化蠕滑,风化崩解等地质力学特性。岩体损伤与水软化效应耦合作用是影响红层软岩斜坡稳定性主要因素,斜坡岩体受地震、河谷下切等地质作用产生深部裂隙,同时裂隙的贯通促进降雨入渗,导致滑带饱水软化、加速蠕变变形至失稳。最终在暴雨形成水动力失稳破坏。滑坡地质演化和灾变过程可分为原始斜坡→岩体损伤劣化→水软化蠕滑→降雨诱发失稳破坏4个阶段。研究成果为降雨型红层软岩斜坡稳定性机制分析及工程治理提供参考。