基于巖土體動態(tài)劣化的邊坡時變穩(wěn)定性研究

1、日 J-tL, 是巖基于巖土體動態(tài)劣化的邊坡時變穩(wěn)定性研究邊坡穩(wěn)定性分析涉及水電、交通、采礦、工民建等諸多基礎(chǔ)建設(shè)領(lǐng)域 土工程和工程地質(zhì)學(xué)科最為重要的研究課題之一 , 該課題的研究沿革已久 ,古老 卻又充滿活力 , 純粹而又復(fù)雜多變。邊坡作為自然界最為常見的巖土構(gòu)筑形式 , 在地質(zhì)歷史過程中具有明顯的演化特點 , 其形成發(fā)展到失穩(wěn)破壞是一個復(fù)雜的動 態(tài)力學(xué)過程 , 而這個復(fù)雜的動態(tài)力學(xué)過程實質(zhì)上是由邊坡巖土體應(yīng)力與其強度之 間的矛盾關(guān)系所決定的。在外部, 邊坡受到的環(huán)境外力 （地震力、滲透力、人類活動等 ）通過改變坡體 內(nèi)的應(yīng)力狀態(tài) ,從而影響邊坡的演化進程； 在內(nèi)部,巖土體在環(huán)境因素作用下逐

2、步 劣化使其強度逐漸降低 , 從而影響邊坡的演化進程。強度和應(yīng)力作為一對辯證統(tǒng) 一的矛盾關(guān)系 , 無論是降低強度的因素還是增加應(yīng)力的因素都將使邊坡向著失穩(wěn) 的方向演化 , 強度和應(yīng)力的比值決定著邊坡的演化狀態(tài) ,該比值即是穩(wěn)定性系數(shù) 的原始定義。邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)在外部動態(tài)環(huán)境外力和內(nèi)部時變強度參數(shù)的共同影響下 , 必將呈現(xiàn)出明顯的動態(tài)變化特點 , 因此開展邊坡穩(wěn)定性研究需采用動態(tài)時變的觀 點和內(nèi)外因辯證統(tǒng)一的方法 ,才能準確把握邊坡穩(wěn)定性的演化動態(tài)。 基于此, 本文 開展基于巖土體動態(tài)劣化的邊坡時變穩(wěn)定性研究 , 選取地震作用和庫水作用作為 典型外動力影響因素 , 通過試驗研究獲取這兩種外動力

3、作用對巖土體力學(xué)參數(shù)影 響的數(shù)學(xué)表達式 , 進而開展內(nèi)外因協(xié)同作用下邊坡的時變穩(wěn)定性研究。本文研究將穩(wěn)定性系數(shù)拓展為與時間相關(guān)的函數(shù) , 將邊坡穩(wěn)定性評價從傳統(tǒng) 的非時變系統(tǒng)范疇全面推向時變系統(tǒng)范疇 , 使邊坡穩(wěn)定性研究具備了涵蓋邊坡全 生命演化周期的能力。 其研究成果將為基礎(chǔ)工程的順利建設(shè)和安全運行提供理論 保障, 具有重要的理論研究意義和工程使用價值?；趲r土參數(shù)動態(tài)劣化的邊坡時變穩(wěn)定性研究是邊坡工程的拓展性課題 , 涉 及巖土體劣化環(huán)境模擬試驗、 動態(tài)劣化數(shù)學(xué)模型構(gòu)建、 地震及庫水作用下邊坡動 態(tài)穩(wěn)定性算法、 時變穩(wěn)定性可靠度研究等諸多內(nèi)容。 本文遵循野外調(diào)研、 室內(nèi)試 驗、理論研究和數(shù)

4、值分析的主線對該課題開展了系統(tǒng)研究 , 主要研究內(nèi)容和研究 成果如下： (1) 根據(jù)邊坡穩(wěn)定性系數(shù)的不同定義 , 將其計算方法歸納為三種類型： 基于傳統(tǒng)極限平衡的穩(wěn)定性算法、 基于滑面應(yīng)力場的穩(wěn)定性算法和基于強度折減 的穩(wěn)定性算法；同時通過回顧邊坡穩(wěn)定性的研究歷程 , 將其劃分為三個階段：工 程地質(zhì)定性分析階段、力學(xué)機制定量計算階段和演化機制動態(tài)研究階段。在基礎(chǔ)上, 采用時變系統(tǒng)最樸素的數(shù)學(xué)定義 , 對邊坡動態(tài)穩(wěn)定性系數(shù)的時變 性進行了嚴格證明 , 作為開展本文后續(xù)研究的理論基礎(chǔ)。研究表明：邊坡的演化 發(fā)展是一個復(fù)雜的動態(tài)力學(xué)過程 , 邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)在動態(tài)外力作用下會隨時間 發(fā)生動態(tài)變化 ,

5、 但此時的動態(tài)穩(wěn)定性系數(shù)依然不具有時變特性 , 僅有在考慮內(nèi)外 因共同作用時的邊坡系統(tǒng)才屬于時變系統(tǒng)的范疇 , 此時輸出的動態(tài)穩(wěn)定性系數(shù)方 可稱為時變穩(wěn)定性系數(shù)。(2) 通過汶川地震區(qū)巖質(zhì)邊坡動力破壞模式和失穩(wěn)機制的研究 , 提出結(jié)構(gòu)面 震動劣化的概念 ,以此為基礎(chǔ)開展結(jié)構(gòu)面循環(huán)剪切試驗 , 定量研究循環(huán)剪切幅值、 循環(huán)剪切次數(shù)以及相對運動速度對結(jié)構(gòu)面強度的影響 , 由此構(gòu)建震動劣化效應(yīng)的 數(shù)學(xué)模型；通過三峽庫區(qū)庫岸邊坡在動態(tài)滲流場作用下穩(wěn)定性及變形演化規(guī)律的 研究, 提出巖土體水致劣化的概念 ,以此為基礎(chǔ)開展巖土體的干濕循環(huán)和長期飽 水劣化試驗 , 定量研究干濕循環(huán)次數(shù)和浸泡飽水時間對巖土體

6、力學(xué)性能的影響 ,由此構(gòu)建水致劣化效應(yīng)的數(shù)學(xué)模型。 (3) 對巖質(zhì)邊坡動力穩(wěn)定性的計算方法開展研究針對永久位移法無法給出統(tǒng)一破壞標準 , 動力穩(wěn)定性系數(shù)法又無法考慮邊 坡動力變形的缺點 ,提出一種基于永久位移比的巖質(zhì)邊坡動力穩(wěn)定計算方法 , 該 方法通過動態(tài)調(diào)整強度折減系數(shù)來獲取對應(yīng)的地震永久位移 , 當(dāng)?shù)卣鹩谰梦灰七_ 到滑動面長度的一定比值時認為該邊坡失穩(wěn)破壞, 并將此時對應(yīng)的強度折減系數(shù)定義為動力穩(wěn)定性系數(shù) , 該方法既考慮了巖質(zhì)邊坡的動力變形 , 又給出了物理意 義明確的評價指標，具有廣闊的應(yīng)用前景。針對傳統(tǒng)剛體極限平衡法無法考慮 邊坡材料動力性質(zhì)及地震荷載波動特性的缺陷 , 提出一種基

7、于動態(tài)矢量法的巖質(zhì) 邊坡動力穩(wěn)定性計算方法,動態(tài)矢量法以三維離散元3DEC動力分析為基礎(chǔ),由網(wǎng) 格凈節(jié)點力的矢量計算獲取任意時刻邊坡巖塊的整體動力加速度 , 通過引入虛擬 的動態(tài)慣性力矢量 ,將動力學(xué)問題等效為靜力學(xué)問題 ,使之與傳統(tǒng)的極限平衡分 析方法對接的同時 , 亦具備了完全非線性動力反應(yīng)分析的能力 , 從而通過基于極 限平衡理論的動態(tài)計算 , 獲取整個地震歷時過程中穩(wěn)定系數(shù)的時程曲線 , 最后采 用基于可靠度理論的動力穩(wěn)定性系數(shù)（DFOS）乍為整體動力穩(wěn)定性評價指標。（4）采用動態(tài)矢量法為計算工具 , 開展剪切地震波的波動特性 （包括頻率、振 幅、演化規(guī)律及波形 ）, 水平地震波的入射

8、方向 , 空間三向地震波的遇合模式等對 巖質(zhì)邊坡動力穩(wěn)定性影響的定量研究。 通過開展剪切地震波波動特性對巖質(zhì)邊 坡動力穩(wěn)定性影響的定量研究發(fā)現(xiàn)： 巖質(zhì)邊坡的動力穩(wěn)定性隨著地震波頻率的增 高而增大,隨著地震波振幅的增加而降低； 在各種不同演化模式的地震波乍用下 , 對應(yīng)巖質(zhì)邊坡動力穩(wěn)定性的降序排列為： 穩(wěn)定等值波 > 先增后減波 > 單調(diào)遞 增波=單調(diào)遞減波；在各種不同波形的地震波乍用下 ,對應(yīng)巖質(zhì)邊坡動力穩(wěn)定性的降序排列為：理想三角波>理想簡諧波>半脈沖波>全脈沖波通過開展地震波入射方向?qū)r質(zhì)邊坡穩(wěn)定性影響的定量研究發(fā)現(xiàn)： 當(dāng)?shù)卣?波的傳播方向與邊坡主滑方向一致時

9、 , 對邊坡的動力穩(wěn)定性最為不利；當(dāng)?shù)卣鸩?的傳播方向與邊坡主滑方向正交時，對邊坡的動力穩(wěn)定性最為有利。通過開展 三向地震波遇合模式對巖質(zhì)邊坡動力穩(wěn)定性影響的定量研究發(fā)現(xiàn)： 豎向地震波對 巖質(zhì)邊坡動力穩(wěn)定性具有不可忽視的影響 , 在此基礎(chǔ)上開展水平兩向、水平向和 豎直向地震波遇合時的相位差 , 以及水平向和豎直向地震波遇合時的頻率組合模 式對巖質(zhì)邊坡動力穩(wěn)定性影響的相關(guān)研究。(5) 以地震作用下巖質(zhì)邊坡失穩(wěn)階段的劃分為基礎(chǔ) , 提出震動液化汽化減阻 效應(yīng)作為地震滑坡高速啟程的一種解釋。 采用液化界限孔壓理論、 傳熱學(xué)傅里葉 定律等理論工具開展震動液化汽化減阻效應(yīng)的理論研究 , 最后以汶川地震區(qū)

10、孫家 園滑坡作為分析實例。研究表明, 在滑坡失穩(wěn)劇滑階段由于震動液化汽化效應(yīng)的作用 ,液化界限孔 壓力承擔(dān) 70%的滑動面總法向應(yīng)力 ,汽化壓強承擔(dān) 19.2%的滑動面總法向應(yīng)力 ,因 此該時刻孫家園滑坡滑動面的有效應(yīng)力僅為原始值的 10.8%,法向應(yīng)力的減少導(dǎo) 致滑體所受的摩阻力降低 ,使滑體沿滑動面產(chǎn)生低摩擦滑動 ,從而導(dǎo)致滑體具有 較高啟程加速度 , 在滑動的初期就被加速到較高的速度 , 因此震動液化汽化減阻 效應(yīng)可以作為地震滑坡高速啟動機理的一種合理解釋。 (6) 對庫岸邊坡時變穩(wěn)定 性的計算方法開展研究。提出一種基于可靠度理論的時變穩(wěn)定性解析算法 , 將巖土體的水致劣化視 為隨機過程

11、 , 引入可靠度理論 , 通過構(gòu)建二元指標體系來動態(tài)評價隨機參數(shù)下庫 岸邊坡的穩(wěn)定性 ,最后采用中值穩(wěn)定性系數(shù)和時變可靠度的乘積作為庫岸邊坡時變穩(wěn)定性的評價指標；提出一種基于動態(tài)滲流場的時變穩(wěn)定性數(shù)值算法，通過 有限元數(shù)值計算獲取在水庫運營期間庫岸邊坡內(nèi)的動態(tài)地下水滲流場 , 并將其作 為邊坡演化發(fā)展的驅(qū)動因素 ,通過動態(tài)計算 ,獲得庫岸邊坡在動態(tài)滲流場的水力 學(xué)效應(yīng)和水致劣化效應(yīng)共同作用下的時變穩(wěn)定性及變形演化規(guī)律。 (7) 采用基于 動態(tài)滲流場的庫岸邊坡時變穩(wěn)定性算法作為計算工具 , 開展庫岸邊坡時變穩(wěn)定性 影響因素的定量研究。選取庫水位波動幅值作為環(huán)境外力影響因素 , 研究表明：在水庫運

12、營期間 , 庫岸邊坡穩(wěn)定性的波動主要由庫水位的調(diào)蓄引起 , 穩(wěn)定性系數(shù)的變化幅度與庫水 位的波動幅值呈正相關(guān)； 同時水致劣化效應(yīng)對庫岸邊坡穩(wěn)定性的影響也隨庫水位 波動幅值的增加而增加。即庫水位的波動對庫岸邊坡的穩(wěn)定性起不利作用 , 水位 波動幅值越大不利作用越明顯。選取庫岸邊坡坡度作為幾何參數(shù)影響因素 , 研究表明：庫岸邊坡的整體穩(wěn) 定性隨坡度的增加而減小 , 且水致劣化效應(yīng)對庫岸邊坡穩(wěn)定性的影響也隨庫岸邊 坡坡角的增加而減弱。選取劣化系數(shù)殘值作為力學(xué)性能影響因素，研究表明：長期飽水劣化系數(shù)殘值對庫岸邊坡時變穩(wěn)定性的影響較大 , 干濕循環(huán)劣化系數(shù)殘 值對庫岸邊坡時變穩(wěn)定性的影響則較小 ,且長期

13、飽水劣化系數(shù)殘值或干濕循環(huán)劣 化系數(shù)殘值對庫岸邊坡時變穩(wěn)定性的影響均隨對方數(shù)值的增大而變大。(8) 對基于巖土體動態(tài)劣化的時變穩(wěn)定性計算方法的工程實用性進行了探討。 針對結(jié)構(gòu)面震動劣化效應(yīng) , 采用汶川地震區(qū)興文坪巖質(zhì)邊坡作為研究實例 , 根據(jù) 實測地形建立三維離散元數(shù)值模型,選取國家地震局成都臺(CD2)的BHN道、 BHE道和BHZ道記錄的汶川地震波作為動力輸入，結(jié)合結(jié)構(gòu)面震動劣化數(shù)學(xué) 模型,采用考慮結(jié)構(gòu)面震動劣化的動態(tài)矢量法作為時變穩(wěn)定性計算方法 ,計算得動力穩(wěn)定性系數(shù)FD=1.04,與實際野外地質(zhì)調(diào)查情況相符。針對水致劣化效應(yīng)，選取黃土坡臨江I號崩滑體作為研究實例，根據(jù)試驗隧洞群揭露的

14、地質(zhì)信息構(gòu)建黃土坡臨江I號崩滑體雙層滑帶地質(zhì)模型，以此為基礎(chǔ)開展基于動態(tài)滲流場的時變穩(wěn)定性研究。 動態(tài)滲流場計算結(jié)果表明： 在庫水位漲 落過程中 , 浸潤線的變化一般滯后于庫水位的變化 , 庫水位上升時浸潤線呈內(nèi)凹 形 , 而下降時則呈外凸形。時變穩(wěn)定性計算結(jié)果表明：在水庫運營期間 , 崩滑體淺層滑坡和深層滑坡的 穩(wěn)定性均與庫水位的漲落密切相關(guān) , 淺層滑坡的穩(wěn)定性在水庫運營期間的波動相 對較大 , 易受庫水位周期性漲落的影響 , 而深層滑坡的穩(wěn)定性對庫水位變化相對 不敏感。隨著水庫運營時間的增加 , 淺層滑坡和深層滑坡穩(wěn)定性的均值及波動幅 值均呈逐漸下降并趨于穩(wěn)定的趨勢。進一步研究水位下降速

15、度對崩滑體穩(wěn)定性的影響后 , 發(fā)現(xiàn)淺層滑坡對庫水位 下降速度的變化較為敏感 , 且臨界失穩(wěn)的水位下降速度約為 2.5m/d 。變形計算結(jié) 果表明：在水庫運營期間 , 崩滑體的變形演化過程呈現(xiàn)出先快后慢、由表及里、 自前而后的規(guī)律,變形演化計算結(jié)果得到了 3個GPS監(jiān)測點實測數(shù)據(jù)的驗證。本文主要創(chuàng)新點歸納如下： (1) 基于試驗研究 , 構(gòu)建了結(jié)構(gòu)面震動劣化數(shù)學(xué)模 型和巖土體水致劣化數(shù)學(xué)模型。 結(jié)構(gòu)面震動劣化數(shù)學(xué)模型由塊體間相對運動速度 V(t), 循環(huán)剪切次數(shù) K(t) 和循環(huán)剪切幅值 J(t) 三個動態(tài)響應(yīng)值決定； 巖土體水致 劣化數(shù)學(xué)模型可由粘聚力干濕循環(huán)劣化系數(shù) u(n), 內(nèi)摩擦角干濕循環(huán)劣化系數(shù) 3 (n)和長期飽水劣化系數(shù)3 (t)三個動態(tài)變量定量刻畫。(2) 提出一種考慮結(jié)構(gòu)面震動劣化的巖質(zhì)邊坡動力時變穩(wěn)定性算法。該算法 將動態(tài)矢量法與結(jié)構(gòu)面震動劣化數(shù)學(xué)模型相結(jié)合 , 在每一動力計算時步內(nèi)根據(jù)結(jié) 構(gòu)面震動劣化方程實時刷新結(jié)構(gòu)面的強度參數(shù) ,由網(wǎng)格凈節(jié)點力的矢量計算獲取任意時刻作用于邊坡巖體上的動態(tài)慣性力矢量 , 通過動態(tài)計算獲取整個地震歷時 過程中穩(wěn)定性系數(shù)的時程曲線 , 最后采用基于可靠度理論的動力穩(wěn)定