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。     

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。     

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。     

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°。     

考虑岩体构造损伤的强震大型滑坡启动成因

岩质滑坡通常受控于一系列与断层、褶皱和剪切带等相关的复杂岩体构造损伤面和软弱带,为滑坡启动提供了潜在破坏边界.为研究断裂与背斜构造背景下岩体损伤和不连续地质界面对滑坡三维边界形成和启动模式的影响,选择2008年汶川Ms8.0级特大地震在大水闸背斜两翼碳酸盐岩地层触发的4处大型滑坡为实例,开展了详细的工程地质调查、结构面...     

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。     

岩体变形破坏过程的能量机制

 叙述岩体单元变形破坏过程中能量耗散与强度、能量释放与整体破坏等概念。在循环压缩载荷下,实测岩石的能量耗散及损伤,数据拟合表明,基于能量耗散分析建立的岩石损伤演化方程可以较好地描述岩石的损伤演化过程。在循环压缩载荷下同时实测不同加载速度及不同载荷水平下岩体内可释放应变能、耗散能、卸荷弹性模量及卸荷泊松比的变化规律,给出复杂应力条件下卸荷弹性模量的变化公式。基于可释放应变能建立岩体单元的整体破坏准则,该准则与大理岩的双压试验结果符合得比较好。对工程中常见的层状岩体,提出基于畸变能与广义体积膨胀势能而建立的层状岩体破坏准则,该准则与层状岩的双压试验也符合得比较好。     

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。     

强震极震区地震动特征与岩体动力破坏研究

博士学位论文摘要:地震是释放地壳应力和应变能量的重要方式,也是人类可以观测的内动力地质作用。从岩石力学的观点,地震是由于地壳内部某一部位积累的应力超过岩石强度而使岩体发生突然破坏而产生的。作为一种突发式的自然灾害,地震不仅直接造成人民生命财产的巨大损失,而且伴随或诱发许多地震地质灾害,如山崩、滑坡、地裂缝、塌陷、海啸等,同时还会显著降低地壳表层岩土体的强度,破坏自然斜坡的稳定性。对各种自然灾害造成的损失统计结果显示,地震损失最为严重。因此,地震常被称之为自然灾害之首。我国在历史上和现代都曾遭受了惨重的地震…     

非连续变形分析方法模拟千将坪滑坡启动与滑坡全过程

2003年7月13日,位于长江支流青干河左岸的秭归县千将坪村发生巨型基岩滑坡。滑坡体总体积约2.04×107 m3。因千将坪滑坡位于三峡库区,且是在三峡水库首次蓄水至135 m水位后不到2周时间内发生的,其滑坡体地质特征以及成因机制受到社会各界关注。在对千将坪滑坡特征、基本地质条件与力学参数进行调查和研究基础上,利用非连续变形分析方法兼有真实时间模拟和非连续大变形问题分析于一体的优势,研究用非连续变形分析数值模型反映滑坡启动的识别方法,并对该滑坡体的启动条件和滑坡全过程特征进行数值模拟。分析结果表明,千将坪滑坡启动的原因主要是降雨以及库水位上升使得滑坡体控制性滑面力学参数降低所致;滑坡类型为由上部变形错动引起的推移式滑坡;由非连续变形分析方法模拟得到的滑坡最大滑移速度及上部最大滑动错距与实际情况具有可比性,由数值模拟得出的滑坡滑动持续时间约40 s。另外,提出的研究思路与方法可为其他滑坡机制研究所借鉴。     

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。     

滑坡灾害过程耦合机制与方法研究

在三峡库区,沿江公路、城镇基础设施等所在区段,往往也是库岸再造、滑坡灾害多发地段。在基础设施修建过程中,有土石方开挖和填筑过程,期间还可能有不利的降雨过程、库水位浸泡过程、库水位降落过程、滑坡前缘冲蚀与淘蚀过程等等,这些过程耦合作用对滑坡稳定性有何影响,是滑坡工程评价和治理的关键。提出滑坡稳定性过程耦合机制及方法的新观念,并通过算例分析发现,对滑坡稳定性而言,水体入渗、前缘开挖、后缘填筑过程,均会降低滑坡稳定性。一般而言,水体入渗过程造成的滑带土抗剪强度参数衰减影响最显著,出现不利过程耦合时,对滑坡稳定性有灾难性影响。由于存在过程耦合作用的效果问题,因而在建设过程中应采取合理的施工步骤。     

强震区高混凝土面板堆石坝地震残余变形与动力稳定分析

采用三维非线性动力有限元分析方法,针对西部强震区的积石峡水电站工程的高混凝土面板堆石坝,在地震反应分析基础上,应用所建立的分析方法,重点研究了该坝的地震残余变形、坝体单元抗震安全性、面板及坝坡的抗震稳定性,得出了大坝地震残余变形和动力稳定的有关规律和结论,可供工程建设参考。     

蠕动滑坡变形机制的理论分析 与模型试验研究

 以襄樊—十堰高速公路韩家垭滑坡为背景,对其地质成因、物质组成、滑面物理力学特性、结构特征与运动特性进行了解,在此基础上对其变形机制进行深入分析,针对其变形规律建立相应的流变力学模型来反映其规律,并采用室内模型试验对滑坡的变形破坏全过程进行研究,利用试验所记录各部位测点的位移数据、现场监测数据和流变模型的位移变化曲线进行比较验证可知,位移曲线比较吻合,流变模型能较好地反映蠕动型滑坡的变形规律。     

加锚层状岩体的变形破坏过程与加固效果分析模型

本文从加锚层状岩体的变形破坏过程出发,着重研究系统锚杆的加固效果与机理,建立加固效果演化方程,最终提出加锚层状岩体的本构关系。     

降雨与开挖作用下碎石土滑坡变形破坏机制分析

结合剑斗互通A匝道滑坡的工程地质条件,介绍了碎石土滑坡形态与滑坡体结构的特征,并分析了该滑坡的变形破坏机制,指出降雨是滑坡主要诱发因素,边坡开挖是滑坡的外部主要动力因素。     

大型单斜层状基岩滑坡变形特征与失稳机制研究——以重庆石柱县龙井滑坡为例

以重庆石柱县龙井滑坡为例,采用现场调查测绘、卫星遥感解译、无人机航测、工程地质钻探、深部位移监测、现场与室内试验等手段,详细分析该滑坡的变形特征、成因机制以及三维稳定性.该滑坡体积约142.83×104m3,为大型单斜层状岩质滑坡,具有复合性破坏特征.滑坡前后缘高差约50 m,前缘剪出口近陡立临空,为滑坡高位剪出提供了...     

青海高原龙穆尔沟红层滑坡变形机制的地质分析与模型试验研究

 以西久公路(S101线)龙穆尔沟DH6#红层滑坡为典型代表,采用地质分析与室内模型试验相结合的方法,对河谷下切和雨水浸润作用下青海高原红层滑坡的变形破坏过程进行研究。在地质力学模型试验中,以坡体开挖来模拟河谷下切卸荷作用,采用均匀毛细浸润技术模拟雨水入渗改变岩土强度的现象。以位移量作为重要指标,先分析河谷下切和雨水浸润对坡体变形的单独影响,再将二者综合分析,并分析二者的作用权重。结果表明,河谷下切和雨水浸润作用在红层滑坡的变形过程中均扮演重要角色,认为坡体变形的根本原因是以红层特殊岩土性质为基础的2次强度衰减过程：河谷下切引起的坡体卸荷松弛(第一次强度衰减)以及临空面的出现是滑坡发生的基础;长期的雨水浸润作用造成岩体强度软化(第二次强度衰减)是滑坡发展的直接原因。把以龙穆尔沟DH6#滑坡为典型代表的高原红层滑坡的变形机制归纳为：原始地貌→河谷下切→坡体卸荷松弛→岩土强度衰减→水的作用→岩土强度进一步衰减→坡体整体滑移。