三维非连续变形分析（3-D DDA）方法的扩展及在地震滑坡脉冲致滑机理研究中的应用

论文摘要

在地震动作用下,边坡受到扰动发生失稳,并产生滑坡运动。尤其在地质断裂构造较发育的区域,地震动表现出较明显的脉冲特性,其诱发的滑坡运动往往具有速度高、影响区域广等特点,使得人类生命、财产、资源等遭受重大损失,近断层地震动的脉冲成分对滑坡体运动的影响的研究尤为迫切和重要。在节理裂隙较为发育的岩质滑坡体中,各岩块间及滑坡体与滑动面间表现出高度不连续性,DDA（非连续变形分析方法）不连续性、大变形的特点决定了其适合用于地震滑坡运动等高速远程运动模型的研究。其中,三维非连续变形分析（3-D DDA）是二维非连续变形分析（2-D DDA）在维数上的延伸与扩展,相较2-D DDA可以同时考虑水平面上的双向地震作用,并且可以模拟块体在三维空间中的运动轨迹及反映最终的堆积情形,是综合考察脉冲地震动作用下滑坡体三维运动特性的有力数值工具。原3-D DDA程序的地震模块尚不完善,无法较好地考虑地震荷载,限制了研究的进行。基于原程序扩展了地震模块,实现了将地震加速度时程记录信息输入至3-D DDA主计算程序,并将地震加速度记录转化为三维块体地震体力的功能。在此基础上,通过双块体模型验证了新程序地震记录的输入精度,通过斜面滑块模型验证了新程序动力临界滑动条件的识别精度和动力滑移位移的计算精度。经检验,新地震3-D DDA程序可以正确模拟地震荷载作用下滑块的动力运动。基于验证后的新程序对滑坡的最简形式:斜面滑块在地震动力作用下的运动特性进行了研究。结果表明滑块运动位移的增加情况与规律波形（简谐波）高度对应,地震波对基座块体的作用可以通过块体间接触很好地传递至滑块上。三层滑块模型的模拟结果表明,3-D DDA数值模拟方法弥补了理论方法的不足,可以对多层滑块的动力运动要素进行求解。在地震3-D DDA程序地震模块功能实现和验证精确的基础上,通过八斜面滑块模型的算例研究了地震脉冲成分的滑块致滑机理与近断层地震动脉冲成分的方向差异性。结果表明滑块运动启动时刻与主脉冲作用的起始时刻对应,主脉冲作用阶段内滑块出现明显的高速运动特征,近断层地震动在特定方向上的强脉冲效应是致使滑块运动启动并迅速进入高速运动阶段的主要原因。在其他指标相当的情况下,双向脉冲比单向脉冲对滑块运动的促进作用更强。在前人研究成果的基础上,不同方向上滑块的运动模拟结果进一步补充证实了近断层地震动在垂直于断层走向方向上的强脉冲特性。三维真实地形脉冲地震滑坡的模拟结果表明,地震强脉冲对该滑坡体前缘的岩块的扰动作用强于其对后缘岩块的扰动作用;与弱脉冲地震作用的情形相比,强脉冲地震作用下滑坡体的整体运动能力强于弱脉冲作用的情形,前缘更多的岩块脱离滑坡体主体并加速进入高速运动阶段,在相同时间内的运动距离更长,对公路和人工设施造成更大程度的冲击和破坏。在地质断裂构造强烈发育的地震多发地区,垂直断层走向上的地震强脉冲成分对坡体扰动失稳和滑坡运动具有相当的促进作用,在今后的灾害预防和防减灾工程中应给予地震动脉冲致滑效应以足够的重视。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
•   1.1 选题背景和意义
•   1.2 国内外研究现状
•     1.2.1 近断层地震动脉冲
•     1.2.2 DDA地震输入方法
•     1.2.3 DDA动力滑块运动特性
•     1.2.4 DDA地震滑坡模拟
•   1.3 目前研究中存在的问题
•   1.4 主要研究内容
•     1.4.1 研究内容
•     1.4.2 本文技术路线
• 第2章 3-D DDA基本原理
•   2.1 3-D DDA工具研究现状
•   2.2 3-D DDA基本原理
•     2.2.1 3-D DDA时序计算法
•     2.2.2 块体的位移函数
•     2.2.3 单纯形积分
•     2.2.4 块体间接触理论
•     2.2.5 开闭迭代
•   2.3 3-D DDA基本算例
•     2.3.1 斜面滑块模型
•     2.3.2 块体碰撞回弹模型
•   2.4 本章小结
• 第3章 3-D DDA地震模块扩展及验证
•   3.1 3-D DDA地震模块基本原理
•   3.2 3-D DDA地震模块实现流程
•     3.2.1 地震记录输入文件
•     3.2.2 地震记录输入存储
•     3.2.3 地震体力计算
•     3.2.4 3-D DDA输出模块
•   3.3 3-D DDA地震输入程序验证
•     3.3.1 算例模型与计算参数
•     3.3.2 地震输入精度验证
•     3.3.3 块体地震动力运动临界条件识别精度
•     3.3.4 块体地震动力运动位移计算精度
•   3.4 多滑块模型扩展分析
•     3.4.1 算例模型与计算参数
•     3.4.2 多层滑块模型模拟分析
•   3.5 本章小结
• 第4章 3-D DDA脉冲地震动滑块致滑机理
•   4.1 近断层地震动脉冲
•     4.1.1 近断层脉冲地震动分类
•     4.1.2 地震动脉冲特性基本指标
•   4.2 算例模型与计算参数
•   4.3 近断层地震动脉冲提取与分析
•   4.4 地震动脉冲滑块致滑机理研究
•     4.4.1 滑块运动特性指标
•     4.4.2 滑块运动阶段分析
•     4.4.3 滑块运动特性分析
•   4.5 近断层地震动脉冲方向特性
•   4.6 本章小结
• 第5章 3-D DDA脉冲地震动滑坡运动模拟
•   5.1 三维滑坡建模流程
•   5.2 三维地震滑坡运动模拟
•     5.2.1 滑坡模型与计算参数
•     5.2.2 三维滑坡运动过程模拟
•     5.2.3 滑坡体运动特性分析
•   5.3 本章小结
• 结论与展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表论文及参加的科研项目

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 唐文毅

导师: 张迎宾

关键词: 地震滑坡,脉冲地震动,三维非连续变形分析,地震模块,动力斜面滑块

来源: 西南交通大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

专业: 地质学,地质学,工业通用技术及设备

单位: 西南交通大学

分类号: P642.22

DOI: 10.27414/d.cnki.gxnju.2019.001171

总页数: 118

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