含消落带劣化岩体的危岩边坡动力累积损伤机制研究_刘新荣.pdf

第 44 卷第 3 期 岩 土 力 学 Vol.44 No.3 2023 年 3 月 Rock and Soil Mechanics Mar.2023 收稿日期：2022-03-21 录用日期：2022-06-24 基金项目：国家自然科学基金项目（No.41972266）；重庆交通大学博士后科学基金项目（No.22JDKJC-A008）；重庆市研究生科研创新项目（No.CYS21024，No.CYS21029）；2018 年重庆市基础研究与前沿探索项目（No.cstc2018jcyjAX0453）。This work was supported by the National Natural Science Foundation of China(41972266),the Postdoctoral Science Foundation of Chongqing Jiaotong University(22JDKJC-A008),the Graduate Scientific Research and Innovation Foundation of Chongqing,China(CYS21024,CYS21029)and the Basic Research and Frontier Exploration Project of Chongqing in 2018(cstc2018jcyjAX0453).第一作者简介：刘新荣，男，1969 年生，博士，教授，博士生导师，主要从事岩土力学与地下工程等领域的教学与科研工作。E-mail: 通讯作者：许彬，男，1993 年生，博士，博士后，主要从事岩土及水利工程等方面的科研工作。E-mail: DOI：10.16285/j.rsm.2022.0338 含消落带劣化岩体的含消落带劣化岩体的危危岩边坡动力岩边坡动力 累积损伤机累积损伤机制制研究研究 刘新荣1,2,3，郭雪岩1,2,3，许 彬1,2,3,4，周小涵1,2,3，曾 夕1,2,3，谢应坤5，王 1,2,3（1.重庆大学 土木工程学院，重庆 400045；2.重庆大学 库区环境地质灾害防治国家地方联合工程研究中心，重庆 400045；3.重庆大学 山地城镇建设与新技术教育部重点实验室，重庆 400045；4.重庆交通大学 河海学院，重庆 400074；5.重庆川东南工程勘察设计院有限公司，重庆 400038）摘摘 要要：对消落带劣化岩体及水库诱发地震共同影响下三峡库区某典型危岩边坡的稳定性进行了研究，设计并开展了几何相似比为 1:100 的振动台模型试验，探讨了含消落带劣化岩体的危岩边坡动力累积损伤失稳破坏演化全过程及其动力响应规律。研究表明：含消落带劣化岩体的危岩边坡动力累积损伤失稳破坏全过程可归结为坡体内部损伤累积裂隙发育次级节理与深大裂隙贯通失稳倾倒，同时伴随消落带岩体表层松动掉落破坏及内部出现渗流网形成渗流通道形成“凹腔”的复合破坏模式；随着地震动的持续，危岩体内部动力响应规律具有典型的“趋高”及“趋表”效应，危岩边坡表面累积位移不断增加，消落带处孔隙水压力整体增加，危岩边坡内部水平向及竖直向土压力在全阶段中整体均呈先增大后减小的规律；危岩边坡自振频率及阻尼比在全阶段整体呈减小和增加的趋势；在小震结束前阶段及强震阶段，危岩边坡损伤度曲线分别呈“S”型分布和指数型分布。关关 键键 词词：危岩边坡；振动台模型试验；消落带劣化岩体；动力响应规律；累积损伤机制 中图分类号：中图分类号：TU432 文献标识码：文献标识码：A 文章编号：文章编号：10007598(2023)03063712 Investigation on dynamic cumulative damage mechanism of the dangerous rock slope including deteriorated rock mass in hydro-fluctuation belt LIU Xin-rong1,2,3,GUO Xue-yan1,2,3,XU Bin1,2,3,4,ZHOU Xiao-han1,2,3,ZENG Xi1,2,3,XIE Ying-kun5,WANG Yan1,2,3(1.School of Civil Engineering,Chongqing University,Chongqing 400045,China;2.National Joint Engineering Research Center of Geohazards Prevention in the Reservoir Areas,Chongqing University,Chongqing 400045,China;3.Key Laboratory of New Technology for Construction of Cities in Mountain Area of the Ministry of Education,Chongqing University,Chongqing 400045,China;4.School of River and Ocean Engineering,Chongqing Jiaotong University,Chongqing 400074,China;5.Chongqing Chuandongnan Survey&Design Institute Co.,Ltd.,Chongqing 400038,China)Abstract:The shaking table model test with a geometric similarity ratio of 1:100 was constructed to investigate the stability of the typical dangerous rock slope in the Three Gorges Reservoir area under the influence of rock mass deterioration and reservoir-induced earthquakes.The whole process of dynamic cumulative damage,instability failure,and the response law of the dangerous rock slope including deteriorated rock mass in the hydro-fluctuation belt were discussed.The results demonstrated that the whole process can be described as the cumulative damage in the slope the cracks development the penetration of secondary joints and deep large cracks the instability toppling.At the same time,the rock mass on the surface of the hydro-fluctuation belt begins to loosen and fall,resulting in the formation of a seepage network,seepage channels,and cavities within the slope.As ground motion continues,the dynamic response of the dangerous rock mass exhibits a typical elevation effect and“surface effect”.The cumulative displacement on the dangerous rock slope surface increases continuously,while the pore water pressure within the hydro-fluctuation belt increases 638 岩 土 力 学 2023 年 overall.The horizontal and vertical earth pressure of the dangerous rock slope initially increase and then decrease,and the natural frequency and the damping ratio of slope decrease and increase,respectively,throughout the entire stage.Before the end of the small earthquake stages and at the strong earthquake stages,the damage degree curve of the dangerous rock slope follows an S type distribution and an exponential distribution.Keywords:dangerous rock slope;shaking table model test;deteriorated rock mass in hydro-fluctuation belt;dynamic response law;cumulative damage mechanism 1 引 言 长江三峡的建设促进了三峡库区的发展，具有防洪、发电、航运等经济效益和社会效益，加快了长江中上游水电资源的开发和有效利用。然而调查发现，三峡库区存在诸如顺层岩质边坡、反倾岩质边坡及危岩边坡等多种不同形式的库岸边坡，由于坡体类型不同，其失稳破坏模式也不尽相同。危岩崩塌作为三峡库区易发地质灾害之一，对库区内水陆交通、设施建设、经济发展及周围居民的生命财产安全影响巨大1。由于库区独特的蓄水方式，使得在库岸边坡坡脚处出现近 30 m 的消落带，在库水的冲刷侵蚀之下极易产生劣化，加之水库诱发地震，严重威胁到危岩边坡的稳定性2-3。据三峡库区地质灾害报告显示，长江三峡库区巫山段潜在危岩崩塌点数量众多，灾害问题尤为突出，这些危岩体坡度大、体量大、防治难度高，一旦失稳崩塌将对临近住宅及航道造成不可估量的损坏。因此，开展对含消落带劣化岩体的危岩边坡动力响应规律和坡体内部累积损伤变化规律的研究是急迫的。至今，国内外许多学者针对库区消落带岩体的劣化特征及危岩边坡的稳定性问题取得了一定的成果4-9。对于库区消落带岩体劣化特征的研究，刘新荣等10对库区某边坡泥质砂岩试样进行不同干湿循环作用下的物理力学性质试验，并基于试验数据对该条件下泥质砂岩的摩尔库仑强度理论表达式进行了修正。Liu 等11从分析砂岩的破坏形态角度出发，阐述了干湿循环作用下砂岩的劣化规律及能量耗散情况，提出了干湿循环作用下不同高径比砂岩循环损伤演化方程。胡明军等12对巫峡段 6 个典型库岸边坡消落带碳酸盐岩的强度弱化规律进行研究，并基于干湿循环试验提出了该背景下碳酸盐岩的指数函数弱化计算模型。Huang 等13-14首次提出三峡库区岩溶岸坡消落带浅表层岩体具有不均一性及分带性的劣化特征，并以此建立了等效连续模式和结构面模式的岩体劣化力学模型。对于危岩边坡稳定性问题的研究，王恒等15通过现场物探等方法对黄岩窝危岩体的变形破坏模式进行探讨，并发现消落带沿临江崖壁向内延伸 18 m 区域内岩体的劣化程度较高。李海16通过定性及定量分析同时结合数值模拟的手段，研究了群体性链式危岩的破坏机制及稳定性问题。肖瞳17运用赤平投影图解法对库区某危岩稳定性进行定性分析