已有監(jiān)測表明,三峽水庫在每次蓄水后均能監(jiān)測到不同能級的地震發(fā)生,且地震能量大多以高頻度低強度的形式釋放,且近幾年三峽水庫誘發(fā)地震頻次與強度都有所增加,但仍保持在三峽地區(qū)原有弱地震活動本底狀態(tài)。這種次數(shù)多、震級小的地震對庫區(qū)邊坡的穩(wěn)定性是否會造成影響,以及影響的程度有多大,將成為庫區(qū)地質(zhì)災(zāi)害防治需要面臨的新問題。已有研究重點主要放在滑體處于臨界失穩(wěn)狀態(tài)和地震強度較大的情況,而很少關(guān)注頻發(fā)微震對邊坡穩(wěn)定性的影響。采用室內(nèi)直剪試驗、振動臺模型試驗、理論分析和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法,對庫區(qū)邊坡中穩(wěn)定性相對更差的順層軟硬互層邊坡進行研究,對泥質(zhì)軟巖在峰前循環(huán)加載下的宏、細觀累積變形特性、強度劣化規(guī)律及本構(gòu)模型、邊坡巖體在頻發(fā)微震下的累積損傷演化機理及累積損傷模型、邊坡在反復(fù)微震作用下的穩(wěn)定性及其影響因素等進行了較為系統(tǒng)深入的研究,主要研究內(nèi)容和成果如下:(1)基于室內(nèi)直剪試驗,從宏觀角度研究了不同含水率、不同法向壓力、不同循環(huán)加載次數(shù)、不同加載上限值及不同加載幅值對泥質(zhì)軟巖變形特性、剪切強度及剪切面形態(tài)的影響。研究表明,循環(huán)加載會造成巖石泥質(zhì)軟巖的累積變形;隨著變形的累積,泥質(zhì)軟巖的峰值抗剪強度呈現(xiàn)出先增后減的變化趨勢。含水率越高、剪切上限值越高、剪切幅值越大或法向壓力越小,在循環(huán)相同次數(shù)的剪切作用下泥質(zhì)軟巖變形累積效應(yīng)越顯著,強度衰減也就越多。泥質(zhì)軟巖經(jīng)歷100次和10000次循環(huán)加載后再對其靜力直剪后的剪切面破壞狀態(tài)顯示,較高次數(shù)的循環(huán)剪切作用均使試件出現(xiàn)了不同程度的剪切現(xiàn)象,剪切破壞面表現(xiàn)出山包狀的剪切形態(tài)。各因素對剪切面的影響主要表現(xiàn)在剪斜程度和剪切面表面損傷的大小和損傷的程度。(2)基于PFC顆粒流數(shù)值方法,從細觀角度研究了峰前循環(huán)加載階段泥質(zhì)軟巖裂紋的萌生、擴展及貫通等演化特征。研究表明,裂紋數(shù)量隨循環(huán)加載次數(shù)不斷增加而增加,且增加的速度有加快的趨勢。不同法向壓力、不同含水率、不同剪切上限值和不同剪切幅值下泥質(zhì)軟巖裂紋的擴展貫通程度、裂紋的數(shù)量體現(xiàn)出與室內(nèi)直剪試驗相一致的規(guī)律,高含水率、高剪切上限值、高剪切幅值和低法向壓力是決定泥質(zhì)軟巖累積損傷速度的關(guān)鍵因素。(3)以泥質(zhì)軟巖循環(huán)動載作用下變形特性為基礎(chǔ),建立了可描述泥質(zhì)軟巖穩(wěn)定型、臨界型及破壞型三種變形規(guī)律的基于分?jǐn)?shù)階導(dǎo)數(shù)的非定常蠕變本構(gòu)模型;采用1stOpt計算軟件中列文伯格(Levenberg-Marquardt,LM)算法,根據(jù)泥質(zhì)軟巖的實驗數(shù)據(jù)求解多參數(shù)非線性方程的參數(shù)值并對非線性曲線進行擬合,驗證了泥質(zhì)軟巖本構(gòu)模型的適用性。(4)根據(jù)三峽水庫邊坡特點,設(shè)計了四個典型順層軟硬互層邊坡模型試驗,基于傳遞函數(shù)理論,得到了邊坡在各損傷階段的動力特性參數(shù)(一階自振頻率、阻尼比);以自振頻率的變化來定義坡體損傷變量,并給出了損傷度D的求解表達式。微震作用后,邊坡自振頻率減低,阻尼比增大,說明微震作用會使邊坡產(chǎn)生損傷。當(dāng)?shù)卣鹱饔脧姸仍龃髸r,邊坡動力特性參數(shù)的變化幅度明顯增加,這側(cè)面反映出邊坡的損傷累積程度隨地震強度的增加而加快。(5)基于自振頻率的變化得到了四個模型邊坡的累積損傷發(fā)展曲線,采用疲勞裂紋擴展的雙K準(zhǔn)則解釋累積損傷曲線的變化趨勢。隨著地震荷載幅值及作用次數(shù)的增加,四個模型邊坡的累積損傷演化曲線均表現(xiàn)出了明顯的三階段的變化特征:初始損傷階段、細觀裂紋擴展階段、宏觀裂縫擴展階段,曲線形狀大致呈倒“S”形。對基于自振頻率測試得到的巖體累積損傷曲線進行回歸和擬合,建立了邊坡巖體在微小地震作用和強震作用兩個階段的非線性疲勞累積損傷演化模型。分別采用三次多項式形式和冪指數(shù)形式對微小地震和強震作用下邊坡巖體累積損傷演化數(shù)據(jù)進行回歸分析,四個坡體的擬合效果均較為理想。(6)通過振動臺試驗,研究了典型軟硬互層邊坡的動力響應(yīng)特征及各損傷階段動力響應(yīng)的變化,得到了典型坡體在反復(fù)地震作用下的滑面形成過程及失穩(wěn)模式。研究表明,邊坡的加速度響應(yīng)表現(xiàn)出“高程效應(yīng)”和“趨表效應(yīng)”,且隨地震頻率、地震荷載幅值的增大,邊坡的動力響應(yīng)更加強烈;隨著坡體損傷的不斷累積,邊坡的動力響應(yīng)呈現(xiàn)出減弱的趨勢;在反復(fù)地震作用下,水平軟硬互層邊坡最終形成坡面和后端貫通的兩個滑動面。坡體后端滑面呈現(xiàn)出滑移-拉裂的破壞模式,沿坡面滑面呈現(xiàn)出蠕滑-壓致拉裂破壞特點。緩傾軟硬互層邊坡沿坡面形成臺階型破壞面,破壞模式為滑移-拉裂破壞。中傾軟硬互層邊坡由于層面出露,形成分段式滑移破壞,首先上部軟、硬層滑落;進而剩余滑體沿著由上部弱層剪切裂縫、中部次級拉裂縫和下部弱層剪切裂縫形成的滑移面滑移破壞。陡傾軟硬互層邊坡整個失穩(wěn)過程表現(xiàn)出上部軟硬層由坡面向里逐層剝落的特征,破壞模式為彎折-崩塌。四類坡體的穩(wěn)定性程度,從小到大依次為:中傾軟硬互層順層坡陡傾軟硬互層順層坡緩傾軟硬互層順層坡水平軟硬互層層狀坡。(7)通過UDEC離散元方法對順層軟硬互層邊坡建立數(shù)值模型,分析邊坡在頻發(fā)微震作用下的變形發(fā)展特征和穩(wěn)定性變化規(guī)律。結(jié)果表明,邊坡坡體的累積永久位移隨著加載次數(shù)的增大而逐漸增大,穩(wěn)定性則隨著地震作用次數(shù)的增大而降低,二者的變化幅度均呈現(xiàn)出先慢后快的規(guī)律;在頻發(fā)微震下,中傾軟硬互層坡由于層面出露呈現(xiàn)出整體滑移破壞模式,滑體較為完整;緩傾軟硬互層坡破壞模式為滑移----拉裂模式,破壞面主要出現(xiàn)在坡面的有限深度范圍內(nèi);陡傾軟硬互層坡破壞面沿上部軟、硬層層面由外向內(nèi)逐層剝落失穩(wěn),硬層受彎從中部折斷,表現(xiàn)出崩塌、落石等地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)象;水平軟硬互層層狀坡形成沿坡表的臺階型破裂面,坡表較坡體內(nèi)部更為破碎。在全微震作用下四類坡體的穩(wěn)定性從小到大依次為:中傾軟硬互層順層坡緩傾軟硬互層順層坡陡傾軟硬互層順層坡水平軟硬互層層狀坡。(8)通過UDEC離散元方法建立數(shù)值模型,考慮動荷載幅值、動荷載頻率、坡角、坡高、層面傾角、層面間距(巖層厚度)、硬軟層厚度比七個因素對順層軟硬互層邊坡的長期穩(wěn)定性的影響。結(jié)果表明,隨著動荷載幅值的增加、加載波頻率不斷向邊坡自振頻率靠攏,邊坡在多次地震作用下的累積永久位移越大、邊坡安全系數(shù)越低、邊坡的疲勞壽命越短;隨著坡高、坡角的增大,邊坡的X、Y方向位移都逐漸增大,相應(yīng)的安全系數(shù)逐漸減小,邊坡越快發(fā)生失穩(wěn)破壞;在層面出露的情況下,隨著層面傾角的增大,坡體的累積永久位移顯著增大,相應(yīng)的邊坡安全系數(shù)明顯減小,使得邊坡失穩(wěn)破壞的加載次數(shù)也顯著減小;對硬軟層厚度比研究結(jié)果表明,硬軟層厚度相同時,層厚越小,坡體在地震動荷載作用下所受到的相對擾動就更明顯,邊坡的長期穩(wěn)定性越差,坡體越容易破壞;對于硬層厚度取定值而軟層厚度遞減的軟硬互層邊坡,軟層越厚,邊坡失穩(wěn)需要的微震作用次數(shù)越少,邊坡越不穩(wěn)定,這意味著隨著弱層厚度的增加,弱層對邊坡的影響作用越來越大,破壞越容易沿著弱層內(nèi)部發(fā)生,坡體破壞更為徹底,邊坡也就越容易發(fā)生失穩(wěn)破壞。
【學(xué)位單位】：重慶大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TV223
【部分圖文】：
1 緒 論1 緒 論1.1 選題背景及研究意義長江三峽是當(dāng)前世界上最大的水利樞紐工程，蓄水量位居世界第一。三峽水利樞紐工程蓄水后形成的狹長河道水庫長約 600 km，寬 l-2km，面積超過 1084 km2[1]。三峽庫區(qū)沿途共包括宜昌、秭歸、興山、巫山、奉節(jié)、長壽、萬州、涪陵、江津等 20 多個縣市區(qū)（圖 1.1），形成長江干流 630 公里，支流超過 5000 公里，僅重慶市范圍內(nèi)影響人口就超過 200 萬[2]。
（b）庫區(qū)近水平軟硬巖互層邊坡圖 1.2 三峽庫區(qū)軟硬巖互層邊坡he slopes with interbedded soft and hard rock beddings in the Three Gorges水庫水位常年變化，當(dāng)三峽水庫按 175m 水位運行時，被庫水將達到 665km，其中多處順層坡段均由軟、硬巖組合而成（圖水位的運行及水位常年的反復(fù)升降，加速了軟巖風(fēng)化的速度軟、硬巖順層坡段，多處存在潛在崩滑體，一旦條件成熟隨強烈風(fēng)化后，其抗壓抗壓強度較低，抗剪強度降低，把它們列巖土之間的過度類型更為合適。該類巖土在外觀上仍保留巖晰，節(jié)理裂隙發(fā)育，由于顆粒細小，裂隙發(fā)育，遇水軟化，本失去母巖的強度變形特性，該類粘性土與其他粘性土相比度高，一旦浸水軟化后，強度會大幅度降低，若按天然強度得邊坡偏于安全。由于巖土材料具有區(qū)域性，對于三峽庫區(qū)
本文研究技術(shù)路線
【參考文獻】
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本文編號：
2891669
