顺层岩质边坡地震稳定性及滑坡运移过程DDA模拟方法

论文摘要

随着西部大开发战略和“一带一路”倡议的实施和推进,我国西南地区以及丝绸之路经济带沿线在建或己建的各类大型基础设施(如:南水北调西线工程,西气东输工程,西电东送工程,“三江地区”高坝工程,川藏铁路工程等)面临着更多的地震滑坡地质灾害问题,特别是顺层岩质边坡的地震失稳破坏问题更为广泛;而地震触发顺层岩质滑坡的动力失稳机制及其运移堆积过程比较复杂,目前仍不是十分清楚。因此,研究顺层岩质边坡的地震稳定性,以及地震滑坡启动后的运移堆积过程,揭示其动力灾变机理,为岩质边坡加固设计或滑坡灾害预防措施的制定提供科学依据,具有重要的科学意义和工程价值。本文以顺层岩质边坡为研究对象,考虑地震荷载作用下不同失稳破坏模式,提出相应的地震边坡稳定性评价方法,以及滑坡启动后运移堆积过程的模拟方法。主要内容可概化为以下几个部分:(1)考虑地震边坡真实的应力状态,结合非连续变形分析(DDA)数值方法与矢量和方法(VSM),确定岩质边坡内部潜在滑动面上的抗滑力矢量和与下滑力矢量和,求解地震边坡的抗滑稳定安全系数时程曲线和永久位移,为顺层岩质边坡地震滑移稳定性的综合评价提供依据。(2)通过假定边坡失稳(滑坡启动)伴随着非连续面抗剪强度的瞬间弱化,建立边坡瞬时稳定性与非连续面抗剪强度参数之间的联系,提出一种状态依赖型的非连续面抗剪强度弱化模型;相较于现有的运动学依赖型抗剪强度弱化模型,本文所提出的模型函数关系简单、待定参数较少且对相关岩体材料试验技术要求较低,因而更容易构建与实施。(3)基于状态依赖型的非连续面抗剪强度弱化模型,改进DDA数值方法,开发相应的计算程序,并结合汶川地震诱发的大光包滑坡开展深入的数值模拟;结果表明非连续面抗剪强度弱化能够显著影响地震滑坡的演化进程、运移距离和堆积形态;相较于地震惯性力对滑坡运移堆积过程的直接影响,地震作用所导致的非连续面抗剪强度弱化对滑坡运移堆积过程的影响更为显著。(4)将顺层岩质边坡的溃屈破坏问题简化为多层梁的失稳问题,基于能量平衡原理,提出了复杂环境荷载下边坡溃屈稳定性评价的解析方法;相较于传统方法,本文提出的解析方法充分考虑顺层岩质边坡的多层分布特征和尺寸效应,能够提供更为合理的溃屈稳定性评价结果;通过参数敏感性分析,发现岩石的强度与变形特性、地质强度指标、岩层厚度和岩体扰动程度等因素对顺层岩质边坡溃屈稳定性的影响要强于岩石材料常数和岩层倾角等因素的影响。(5)从岩层溃屈变形破坏的内在机制出发,提出刚度折减技术并在DDA方法中实现,用以评价顺层岩质边坡的溃屈稳定性;采用DDA方法模拟单层岩体由顺层滑移状态逐渐过渡至溃屈变形破坏的演化过程,初步探究顺层岩质边坡的溃屈变形过程以及失稳破坏后的运移和堆积过程。(6)针对岩质边坡在极震条件下可能出现的倾覆破坏模式,基于力矩平衡原理,提出相应的抗倾覆稳定性评价的解析方法。通过探究地震荷载、超载、静水压力分布情况和张裂缝深度等因素对饱水岩质边坡抗倾覆稳定性的影响,发现边坡内部静水压力分布情况和地震荷载作用对岩质边坡的倾覆破坏起主导作用。此外,提出不同影响因素组合条件下饱水岩质边坡抗倾覆稳定性快速评价图,便于实际工程应用。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 主要符号表
• 1 绪论
•   1.1 研究背景与意义
•     1.1.1 顺层岩质边坡破坏模式及影响因素
•     1.1.2 地震触发顺层滑坡的主要特征及失稳机制
•     1.1.3 顺层岩质边坡地震稳定性及运移过程的研究意义
•   1.2 国内外相关工作研究进展
•     1.2.1 地震边坡动力失稳及运移机制的工程地质分析
•     1.2.2 地震边坡动力响应及破坏机制的模型试验
•     1.2.3 地震边坡动力稳定性评价方法
•     1.2.4 地震滑坡运移堆积过程分析方法
•   1.3 本文主要研究内容及技术路线
•     1.3.1 本文的主要研究内容
•     1.3.2 研究采用的技术路线
• 2 非连续变形分析方法及地震加载机制
•   2.1 DDA数值方法基本理论
•     2.1.1 块体变形矩阵
•     2.1.2 系统平衡方程
•     2.1.3 块体接触机制
•     2.1.4 时间积分格式
•   2.2 DDA动力分析中地震加载机制
•     2.2.1 地震记录的选取原则
•     2.2.2 地震记录的基线校正
•     2.2.3 地震加载的实现方法
•   2.3 本章小结
• 3 顺层岩质边坡地震滑移过程的DDA模拟方法
•   3.1 地震作用下岩质边坡抗滑稳定性分析
•     3.1.1 岩质边坡抗滑稳定安全系数的DDA计算方法
•     3.1.2 岩质边坡抗滑稳定安全系数的VSM计算方法
•     3.1.3 抗滑稳定安全系数矢量和分析法在DDA中的实现
•     3.1.4 抗滑稳定安全系数计算的DDA-VSM方法验证
•   3.2 地震作用下岩质边坡失稳滑移过程的DDA模拟
•     3.2.1 滑坡过程中非连续面剪切强度弱化问题
•     3.2.2 状态依赖型的非连续面剪切强度弱化模型
•     3.2.3 状态依赖型强度模型在DDA方法中的实现
•     3.2.4 改进DDA数值方法的验证
•     3.2.5 改进DDA数值方法的应用
•   3.3 本章小结
• 4 顺层岩质边坡地震溃屈破坏的分析方法
•   4.1 顺层岩质边坡溃屈稳定性评价解析方法
•     4.1.1 基于多层梁模型的溃屈稳定性评价解析方法
•     4.1.2 考虑边坡尺寸效应的溃屈稳定性评价解析方法
•     4.1.3 顺层岩质边坡溃屈稳定性解析方法的验证
•     4.1.4 顺层岩质边坡溃屈稳定性的影响因素研究
•   4.2 顺层岩质边坡溃屈变形破坏过程的数值模拟
•     4.2.1 基于刚度折减技术的溃屈稳定性分析
•     4.2.2 刚度折减技术在DDA数值方法中的实现
•     4.2.3 顺层岩质边坡溃屈变形破坏过程的数值模拟
•   4.3 本章小结
• 5 岩质边坡地震倾覆破坏的分析方法
•   5.1 岩质边坡倾覆稳定性评价解析方法
•   5.2 基于力矩平衡原理的倾覆稳定性分析方法
•   5.3 岩质边坡倾覆稳定性评价解析方法的验证
•   5.4 岩质边坡倾覆稳定性的影响因素研究及快速评估图
•   5.5 本章小结
• 6 结论与展望
•   6.1 结论
•   6.2 创新点
•   6.3 展望
• 参考文献
• 攻读博士学位期间科研项目及科研成果
• 致谢
• 作者简介

文章来源

类型: 博士论文

作者: 张彦君

导师: 年廷凯

关键词: 顺层岩质边坡,地震作用,稳定性评价,解析方法,运移过程模拟,数值方法

来源: 大连理工大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

专业: 地质学,建筑科学与工程

单位: 大连理工大学

分类号: TU457

DOI: 10.26991/d.cnki.gdllu.2019.003554

总页数: 153

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