基于岩土体动态劣化的边坡时变稳定性研究

【摘要】边坡稳定性分析涉及水电、交通、采矿、工民建等诸多基础建设领域,是岩土工程和工程地质学科最为重要的研究课题之一,该课题的研究沿革已久,古老却又充满活力,纯粹而又复杂多变。边坡作为自然界最为常见的岩土构筑形式,在地质历史过程中具有明显的演化特点,其形成发展到失稳破坏是一个复杂的动态力学过程,而这个复杂的动态力学过程实质上是由边坡岩土体应力与其强度之间的矛盾关系所决定的。在外部,边坡受到的环境外力(地震力、渗透力、人类活动等)通过改变坡体内的应力状态,从而影响边坡的演化进程；在内部,岩土体在环境因素作用下逐步劣化使其强度逐渐降低,从而影响边坡的演化进程。强度和应力作为一对辩证统一的矛盾关系,无论是降低强度的因素还是增加应力的因素都将使边坡向着失稳的方向演化,强度和应力的比值决定着边坡的演化状态,该比值即是稳定性系数的原始定义。边坡的稳定性系数在外部动态环境外力和内部时变强度参数的共同影响下,必将呈现出明显的动态变化特点,因此开展边坡稳定性研究需采用动态时变的观点和内外因辩证统一的方法,才能准确把握边坡稳定性的演化动态。基于此,本文开展基于岩土体动态劣化的边坡时变稳定性研究,选取地震作用和库水作用作为典型外动力影响因素,通过试验研究获取这两种外动力作用对岩土体力学参数影响的数学表达式,进而开展内外因协同作用下边坡的时变稳定性研究。本文研究将稳定性系数拓展为与时间相关的函数,将边坡稳定性评价从传统的非时变系统范畴全面推向时变系统范畴,使边坡稳定性研究具备了涵盖边坡全生命演化周期的能力。其研究成果将为基础工程的顺利建设和安全运行提供理论保障,具有重要的理论研究意义和工程使用价值。基于岩土参数动态劣化的边坡时变稳定性研究是边坡工程的拓展性课题,涉及岩土体劣化环境模拟试验、动态劣化数学模型构建、地震及库水作用下边坡动态稳定性算法、时变稳定性可靠度研究等诸多内容。本文遵循野外调研、室内试验、理论研究和数值分析的主线对该课题开展了系统研究,主要研究内容和研究成果如下：(1)根据边坡稳定性系数的不同定义,将其计算方法归纳为三种类型：基于传统极限平衡的稳定性算法、基于滑面应力场的稳定性算法和基于强度折减的稳定性算法；同时通过回顾边坡稳定性的研究历程,将其划分为三个阶段：工程地质定性分析阶段、力学机制定量计算阶段和演化机制动态研究阶段。在基础上,采用时变系统最朴素的数学定义,对边坡动态稳定性系数的时变性进行了严格证明,作为开展本文后续研究的理论基础。研究表明：边坡的演化发展是一个复杂的动态力学过程,边坡的稳定性系数在动态外力作用下会随时间发生动态变化,但此时的动态稳定性系数依然不具有时变特性,仅有在考虑内外因共同作用时的边坡系统才属于时变系统的范畴,此时输出的动态稳定性系数方可称为时变稳定性系数。(2)通过汶川地震区岩质边坡动力破坏模式和失稳机制的研究,提出结构面震动劣化的概念,以此为基础开展结构面循环剪切试验,定量研究循环剪切幅值、循环剪切次数以及相对运动速度对结构面强度的影响,由此构建震动劣化效应的数学模型；通过三峡库区库岸边坡在动态渗流场作用下稳定性及变形演化规律的研究,提出岩土体水致劣化的概念,以此为基础开展岩土体的干湿循环和长期饱水劣化试验,定量研究干湿循环次数和浸泡饱水时间对岩土体力学性能的影响,由此构建水致劣化效应的数学模型。(3)对岩质边坡动力稳定性的计算方法开展研究。①针对永久位移法无法给出统一破坏标准,动力稳定性系数法又无法考虑边坡动力变形的缺点,提出一种基于永久位移比的岩质边坡动力稳定计算方法,该方法通过动态调整强度折减系数来获取对应的地震永久位移,当地震永久位移达到滑动面长度的一定比值时认为该边坡失稳破坏,并将此时对应的强度折减系数定义为动力稳定性系数,该方法既考虑了岩质边坡的动力变形,又给出了物理意义明确的评价指标,具有广阔的应用前景。②针对传统刚体极限平衡法无法考虑边坡材料动力性质及地震荷载波动特性的缺陷,提出一种基于动态矢量法的岩质边坡动力稳定性计算方法,动态矢量法以三维离散元3DEC动力分析为基础,由网格净节点力的矢量计算获取任意时刻边坡岩块的整体动力加速度,通过引入虚拟的动态惯性力矢量,将动力学问题等效为静力学问题,使之与传统的极限平衡分析方法对接的同时,亦具备了完全非线性动力反应分析的能力,从而通过基于极限平衡理论的动态计算,获取整个地震历时过程中稳定系数的时程曲线,最后采用基于可靠度理论的动力稳定性系数(DFOS)作为整体动力稳定性评价指标。(4)采用动态矢量法为计算工具,开展剪切地震波的波动特性(包括频率、振幅、演化规律及波形),水平地震波的入射方向,空间三向地震波的遇合模式等对岩质边坡动力稳定性影响的定量研究。①通过开展剪切地震波波动特性对岩质边坡动力稳定性影响的定量研究发现：岩质边坡的动力稳定性随着地震波频率的增高而增大,随着地震波振幅的增加而降低；在各种不同演化模式的地震波作用下,对应岩质边坡动力稳定性的降序排列为：稳定等值波>先增后减波>单调递增波=单调递减波；在各种不同波形的地震波作用下,对应岩质边坡动力稳定性的降序排列为：理想三角波>理想简谐波>半脉冲波>全脉冲波。②通过开展地震波入射方向对岩质边坡稳定性影响的定量研究发现：当地震波的传播方向与边坡主滑方向一致时,对边坡的动力稳定性最为不利；当地震波的传播方向与边坡主滑方向正交时,对边坡的动力稳定性最为有利。③通过开展三向地震波遇合模式对岩质边坡动力稳定性影响的定量研究发现：竖向地震波对岩质边坡动力稳定性具有不可忽视的影响,在此基础上开展水平两向、水平向和竖直向地震波遇合时的相位差,以及水平向和竖直向地震波遇合时的频率组合模式对岩质边坡动力稳定性影响的相关研究。(5)以地震作用下岩质边坡失稳阶段的划分为基础,提出震动液化汽化减阻效应作为地震滑坡高速启程的一种解释。采用液化界限孔压理论、传热学傅里叶定律等理论工具开展震动液化汽化减阻效应的理论研究,最后以汶川地震区孙家园滑坡作为分析实例。研究表明,在滑坡失稳剧滑阶段由于震动液化汽化效应的作用,液化界限孔压力承担70%的滑动面总法向应力,汽化压强承担19.2%的滑动面总法向应力,因此该时刻孙家园滑坡滑动面的有效应力仅为原始值的10.8%,法向应力的减少导致滑体所受的摩阻力降低,使滑体沿滑动面产生低摩擦滑动,从而导致滑体具有较高启程加速度,在滑动的初期就被加速到较高的速度,因此震动液化汽化减阻效应可以作为地震滑坡高速启动机理的一种合理解释。(6)对库岸边坡时变稳定性的计算方法开展研究。①提出一种基于可靠度理论的时变稳定性解析算法,将岩土体的水致劣化视为随机过程,引入可靠度理论,通过构建二元指标体系来动态评价随机参数下库岸边坡的稳定性,最后采用中值稳定性系数和时变可靠度的乘积作为库岸边坡时变稳定性的评价指标；②提出一种基于动态渗流场的时变稳定性数值算法,通过有限元数值计算获取在水库运营期间库岸边坡内的动态地下水渗流场,并将其作为边坡演化发展的驱动因素,通过动态计算,获得库岸边坡在动态渗流场的水力学效应和水致劣化效应共同作用下的时变稳定性及变形演化规律。(7)采用基于动态渗流场的库岸边坡时变稳定性算法作为计算工具,开展库岸边坡时变稳定性影响因素的定量研究。①选取库水位波动幅值作为环境外力影响因素,研究表明：在水库运营期间,库岸边坡稳定性的波动主要由库水位的调蓄引起,稳定性系数的变化幅度与库水位的波动幅值呈正相关；同时水致劣化效应对库岸边坡稳定性的影响也随库水位波动幅值的增加而增加。即库水位的波动对库岸边坡的稳定性起不利作用,水位波动幅值越大不利作用越明显。②选取库岸边坡坡度作为几何参数影响因素,研究表明：库岸边坡的整体稳定性随坡度的增加而减小,且水致劣化效应对库岸边坡稳定性的影响也随库岸边坡坡角的增加而减弱。③选取劣化系数残值作为力学性能影响因素,研究表明：长期饱水劣化系数残值对库岸边坡时变稳定性的影响较大,干湿循环劣化系数残值对库岸边坡时变稳定性的影响则较小,且长期饱水劣化系数残值或干湿循环劣化系数残值对库岸边坡时变稳定性的影响均随对方数值的增大而变大。(8)对基于岩土体动态劣化的时变稳定性计算方法的工程实用性进行了探讨。针对结构面震动劣化效应,采用汶川地震区兴文坪岩质边坡作为研究实例,根据实测地形建立三维离散元数值模型,选取国家地震局成都台(CD2)的BHN通道、BHE通道和BHZ通道记录的汶川地震波作为动力输入,结合结构面震动劣化数学模型,采用考虑结构面震动劣化的动态矢量法作为时变稳定性计算方法,计算得动力稳定性系数FD=1.04,与实际野外地质调查情况相符。针对水致劣化效应,选取黄土坡临江Ⅰ号崩滑体作为研究实例,根据试验隧洞群揭露的地质信息构建黄土坡临江Ⅰ号崩滑体双层滑带地质模型,以此为基础开展基于动态渗流场的时变稳定性研究。动态渗流场计算结果表明：在库水位涨落过程中,浸润线的变化一般滞后于库水位的变化,库水位上升时浸润线呈内凹形,而下降时则呈外凸形。时变稳定性计算结果表明：在水库运营期间,崩滑体浅层滑坡和深层滑坡的稳定性均与库水位的涨落密切相关,浅层滑坡的稳定性在水库运营期间的波动相对较大,易受库水位周期性涨落的影响,而深层滑坡的稳定性对库水位变化相对不敏感。随着水库运营时间的增加,浅层滑坡和深层滑坡稳定性的均值及波动幅值均呈逐渐下降并趋于稳定的趋势。进一步研究水位下降速度对崩滑体稳定性的影响后,发现浅层滑坡对库水位下降速度的变化较为敏感,且临界失稳的水位下降速度约为2.5m/d。变形计算结果表明：在水库运营期间,崩滑体的变形演化过程呈现出先快后慢、由表及里、自前而后的规律,变形演化计算结果得到了3个GPS监测点实测数据的验证。本文主要创新点归纳如下：(1)基于试验研究,构建了结构面震动劣化数学模型和岩土体水致劣化数学模型。结构面震动劣化数学模型由块体间相对运动速度V(t),循环剪切次数K(t)和循环剪切幅值J(t)三个动态响应值决定；岩土体水致劣化数学模型可由粘聚力干湿循环劣化系数u(n),内摩擦角干湿循环劣化系数ω(n)和长期饱水劣化系数ω(t)三个动态变量定量刻画。(2)提出一种考虑结构面震动劣化的岩质边坡动力时变稳定性算法。该算法将动态矢量法与结构面震动劣化数学模型相结合,在每一动力计算时步内根据结构面震动劣化方程实时刷新结构面的强度参数,由网格净节点力的矢量计算获取任意时刻作用于边坡岩体上的动态惯性力矢量,通过动态计算获取整个地震历时过程中稳定性系数的时程曲线,最后采用基于可靠度理论的动力稳定性系数作为边坡整体动力稳定性评价指标。(3)提出两种考虑岩土体水致劣化的库岸边坡时变稳定性算法：基于可靠度理论的时变稳定性解析算法和基于动态渗流场的时变稳定性数值算法。解析算法通过引入可靠度理论充分考虑岩土体强度参数在动态劣化过程中的随机性,采用基于二元指标的可靠稳定性系数作为时变稳定性的评价指标；数值算法以水库运营期间边坡体内的动态渗流场为基础,在计算过程中根据水致劣化方程动态刷新相应区域岩土体的强度参数,通过动态计算获取库岸边坡的时变稳定性和变形演化规律。
【作者】倪卫达；
【导师】唐辉明；
【作者基本信息】中国地质大学，地质工程，2014，博士
【关键词】边坡；时变稳定性；震动劣化；水致劣化；可靠度；

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