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汶川地震引发了数以千万计的地震次生山地灾害,特别是地震斜坡失稳破坏造成的灾害令人触目惊心。岩质斜坡的稳定变形分析由于其地质结构复杂多变以及其稳定性的不易判别,而成为工程和学术界关注的重大课题。
由于岩体结构的复杂性,要十分准确地反映岩体结构的特征并使之模型化是非常困难的。基于这种考虑,对于一个实际滑坡工程来说,往往根据现场地质资料,即根据结构面的长度、密度、贯通率、展布方向等着重考虑2~3组起主要控制作用的节理组或其他主要结构面。因此本文以宏观的非贯通构造节理斜坡为研究对象,利用野外调查、数值模拟和室内物理模型试验相结合的手段,对地震作用下非贯通节理岩体斜坡这类特殊斜坡的动力响应机理进行了深入研究。
通过对节理岩体的力学特性及破坏机制的分析,根据节理的形态特征及几何类型分类,阐述了非贯通节理的本构模型,并在此基础上对节理岩体的破坏机制进行了研究。利用大型有限元计算软件ANSYS,对静力作用下非贯通节理岩体斜坡破坏的机理进行了数值模拟.通过对斜坡的分类与对比,得到了不同结构面长度、密度、贯通率、展布方向等的斜坡的贯通模式与破坏机理。对于同样的模型,对其输入地震波,模拟了地震作用下非贯通节理岩体斜坡破坏的动力响应及机理,并与静力作用下的斜坡进行了比较。利用室内物理模型试验手段,展现了非贯通节理岩体斜坡的变形破坏过程,揭示了其在地震荷载作用下的动力响应破坏规律。最后为验证本文的研究思路的可行性与合理性,选择了汶川和云南干线公路的两个典型非贯通节理岩体斜坡,采用动力时程分析法,分别输入汶川地震波和EI地震波,分析了斜坡在地震作用下的动力响应特征。
根据以上的研究总结,本文的研究情况可以归纳为以下几个方面:
(1)本文以高陡的岩体斜坡,顺坡向的非贯通节理为研究对象。建立了非贯通节理岩体斜坡的破坏机理,和非贯通节理岩体斜坡的响应机制。通过物理模型试验,得到了斜坡节理岩桥的破坏贯通规律,和相应的动力响应机制。并将地震作用下非贯通节理岩体斜坡破坏的动力响应研究应用到实例分析中,理论与应用得到了较好的结合。
(2)在静力作用下,在非贯通区(岩桥)倾角、长度等因素相同的情况下,非贯通区位于坡顶和坡脚时,较之位于中部时更易贯通形成滑面;对于两组节理不共线的斜坡,岩体节理不叠合时较叠合时更容易贯通破坏;对于多节理的斜坡,在其他因素相同情况下,当岩桥倾角与两端节理倾角越相近、岩桥越短时,越容易贯通形成滑动面。但当岩桥倾角逐渐接近水平时,虽其倾角与两端节理倾角仍比竖向时相近,竖向岩桥将首先破坏;在其他因素相同情况下,非贯通区位于坡脚或坡顶,比岩桥位于中部更容易形成滑动面。
(3)斜坡岩桥的贯通破坏是剪切破坏和张拉破坏共同作用的结果,不同节理组合形式斜坡的破坏,剪切和张拉作用在其中发挥的作用又各有不同;虽然多节理的斜坡相当于单节理和双节理斜坡的组合,但它们的滑面形成机制还是有所区别的。
(4)物理模型试验表明:在地震荷载的持续作用下,节理上应变仪的应变值最大,节理顶端次之,岩体上的应变值最小;模型上部岩体的应变由于地震加速度的放大效应,普遍大于模型下部岩体的应变;岩桥的贯通机理是比较复杂的,多数破坏为拉剪复合型破坏。
(5)在地震作用下,非贯通节理岩体斜坡的贯通破坏模式与静力作用下的贯通破坏模式基本相同,不同的是由于地震作用使塑性应变的值和范围都增大。当地震波穿过节理面时,发生了复杂的波场分解,地震波穿越节理面后,使节理面上下岩体运动方式不同。节理面的位移放大效应明显,变形积累效应明显。
(6)斜坡非贯通区(岩桥)的破坏在地震初期比较剧烈,然后在地震作用下继续发生破坏。在经过地震波波幅较大的波段后,斜坡的变形破坏才稳定下来。需要指出的斜坡经过地震作用后,非贯通区(岩桥)已达塑性极限,但有可能不会立即破坏,而是在再次遭遇外部干扰后才会发生滑坡。在地震作用下,非贯通区(岩桥)内部应力波动剧烈,拉剪共同作用导致了非贯通区的最终破坏;层间节理位移和层间摩擦应力分布很不均匀,不同位置的节理其动力响应也有较大不同。
(7)通过对工程实例的动力响应分析得出:节理面的X向位移放大效应明显,岩桥的变形在地震初期比较剧烈,岩桥内的剪应力和第一主应力分布很不均匀,层间节理位移和层间摩擦应力分布很不均匀。对于上河坝不稳定斜坡,地震作用产生的塑性变形贯通了岩桥,但由于塑性应变值较小,斜坡并未破坏;对于K123不稳定斜坡,静力作用下是稳定的,而若施加地震作用,斜坡岩桥发生塑性变形。同样对于这两个斜坡,地震过后斜坡仍暂时稳定,但若遭遇外力影响则易容易引发滑坡或崩塌。