云南地区滑坡环境诱发因素特征及失稳力学机理研究

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云南省地处低纬度、高海拔地区,同时又位于欧亚板块与印度洋板块碰撞带东缘附近,不仅具有独特的季风气候,降雨呈季节性强、降雨集中、局地暴雨多的特点,而且地壳运动剧烈,强震活动频发。该地区复杂的环境特征成为绝大多数滑坡的发育和活动的诱发因素,使得云南省成为我国滑坡地质灾害特别严重的地区之一,滑坡失稳机理十分复杂。依托国家自然科学基金委员会-云南省人民政府联合基金重点支持项目《云南地区环境与工程因素诱发滑坡的力学机制研究》(U1402231),通过资料收集与现场调查、统计分析、数值模拟等手段,系统研究了云南地区滑坡的环境诱发因素特征和失稳力学机理。主要研究内容与所得结论如下:  (1)搜集并整理了云南地区的工程地质概况和滑坡灾害案例,分析表明多数滑坡在受到降雨、地震两类环境因素的诱发作用后失稳破坏,结合前人关于云南滑坡发育规律的统计数据和成果,将云南省滑坡的主要成因类型分为降雨引发型和地震激发型两类;通过调查地处降雨型滑坡发育区的香丽高速公路规划沿线滑坡案例和鲁甸地震诱发的昭巧公路滑坡案例,分析了两类滑坡的地质结构特点及破坏模式,建立了典型地质结构概化模型。  (2)在降雨诱发因素方面,选取位于降雨引发型滑坡典型发育区的丽江、香格里拉,搜集并分析了气象站降雨数据,得到了降雨量、降雨强度、降雨日数等降雨参数的特点,提出了单值型和多值型两类典型的降雨模型,揭示了云南地区降雨的干湿分明和波动特性。在地震诱发因素方面,搜集了云南地区61起大于5级地震的震级与震中烈度资料,建立了二者之间的经验关系,通过云南现代构造格局以及区域活动断裂与地震带(区)关系分析,揭示了该地区地震活动的强震效应和近场效应。  (3)在降雨型滑坡失稳力学机理方面,利用上部为碎石土、下部为基岩的典型地质概化模型,开展饱和非饱和渗流一应力非耦合分析。运用Geostudio软件的seep/W、sigma/W模块对降雨过程进行模拟并分析了坡体的力学响应过程,研究了渗流场、应力场及位移场的响应规律,失稳力学机理可以归纳为:降雨入渗造成了坡体的应力调整,特别是随着降雨的持续,坡脚处应力集中程度不断提高,塑性区由坡脚处最先产生,不断向上扩展,最终贯通,形成圆弧型牵引式滑坡。针对降雨诱发因素特征分析提出的单值型和多值型的降雨模型,改变模拟降雨过程的初始条件和边界条件,分析了干湿分明和波动性对滑坡失稳的影响,指出具有这两种降雨特征的降雨对坡体的影响范围大,坡脚应力集中程度高,易于诱发滑坡。  (4)在地震型滑坡失稳力学机理方面,利用具有二元结构的典型地质概化模型,开展了等效线性动力响应分析。运用Geostudio软件的quake/W、sigma/W、slope/W模块对地震作用下坡体的动力响应过程进行模拟分析,获得了加速度、变形、应力应变、频谱特征及安全系数的动态响应规律,失稳力学机理可以归纳为:地震过程中土岩界面各点水平有效应力和剪应力增加幅度明显,上覆岩土体与下伏基岩在地震动作用下的剪应变不协调,使得边坡沿土岩界面发生失稳破坏;前缘的剪应力增加明显,震后在上覆岩土体前缘存在较大的超载应力,导致上覆岩土体前缘岩土体变形较大,形成牵引式滑坡。针对地震诱发因素特征分析归纳的强震效应和近场效应,研究了不同的输入地震波对滑坡失稳的影响:坡体前缘孔压、剪应力随着震级的提高而增长,导致土岩界面的岩土体剪应变的显著增加,造成安全系数的范围扩大、最小安全系数降低;随着震级的提升,失稳破坏由惯性力单一控制向惯性力与孔隙水压力组合控制转变;近场地震动的速度脉冲效应导致坡体各点的位移、应力、应变急剧增加,造成最小安全系数的降低;近场地震动的巨大惯性力导致边坡瞬间失稳。
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