含顺层断续节理岩质边坡地震作用下的破坏模式与动力响应研究

基于二维颗粒流软件PFC^(2D)的人工合成岩体技术(SRM),研究了岩桥倾角和节理间距不同组合形式的含顺层断续节理岩质边坡在地震作用下的破坏模式与动力响应规律。研究结果显示:在地震动力作用下,含单潜在滑动面的顺层断续节理岩质边坡呈现出滑移-倾倒的混合破坏特征,含多潜在滑动面的顺层断续节理岩质边坡则主要发生倾倒破坏;由顺层断续节理以及岩桥交替连接所组成的潜在滑动面是控制边坡动力稳定性的关键因素。在地震动力作用下,最靠近坡脚的岩桥段首先萌生翼裂纹,使得拉应力得到释放,随后各节理相继萌生裂纹并扩展、贯通,最终导致坡体发生阶梯状整体失稳。裂纹扩展受顺层断续节理控制,萌生裂纹中以张拉裂纹为主,且裂纹数量与输入地震波的加速度曲线具有同步性。另一方面,节理面的存在对边坡动力响应产生明显影响,沿坡表以及沿水平方向上的峰值速度、峰值位移随着岩桥倾角的增大、节理间距的减小而增大,同时节理间距和岩桥倾角对于峰值加速度(PGA)放大系数的影响范围主要集中在坡表、坡肩;沿竖直方向上,峰值位移随着岩桥倾角、节理间距的增大而减小,PGA放大系数曲线随高程变化总体呈现U型分布特征。

基于PFC对含断续节理岩质边坡静力荷载下破坏形式的研究

在含断续节理岩质边坡的破坏中,阶梯状破坏尤其显著,是一种常见的失稳破坏形式。借助二维颗粒流软件(PFC2D5.0)进行简单地质结构模型下的边坡数值模拟,通过采用PFC软件中的人工合成岩体技术,研究了7种不同组合形式下含断续节理岩质边坡的破坏形式及其内部微观接触力场的演变规律。首先对PFC软件中采用的微观力学性质参数进行了验证模拟,通过对完整岩块进行双轴压缩试验和巴西劈裂试验的模拟,得出其应力-应变曲线和强度包络线,从而计算出完整岩块的内聚力、内摩擦角等宏观力学参数;然后通过对含裂隙的颗粒集合体进行直剪试验的模拟,得出其剪应力-剪切位移曲线以及峰值强度和残余强度与正应力的关系曲线,从而计算出裂隙的内聚力和内摩擦角;最后对含上述微观力学性质参数的边坡进行静力荷载下破坏形式的模拟,得出裂隙萌生前应力集中、裂隙萌生后应力释放,以及可将潜在滑动面上方的坡体位移分成4个区,即坡脚处最大位移区、坡肩处较大位移区、坡体内部较小位移区、坡体后缘最小位移区,并验证了萌生的裂隙一般会近垂直于岩桥向坡体表面扩展,切割潜在滑动面以上坡体。

含2条断续裂隙试件直接拉伸下的颗粒流模拟

采用颗粒流程序PFC构建了试件直接拉伸模型,模拟了含2条断续裂隙试件的直接拉伸试验,通过完整试件的模拟结果与室内试验结果的对比,验证了细观参数的准确性和可靠性,同时分析了裂隙倾角和岩桥倾角对抗拉强度和裂纹扩展的影响。研究表明:在直接拉伸情况下,含2条断续裂隙试件以萌生次生倾斜反翼裂纹为主,少量次生共面裂纹和翼裂纹;岩桥倾角和裂隙倾角均较小时,次生共面裂纹与原始裂隙之间发生搭接、贯通,随着岩桥倾角和裂隙倾角的加大,次生倾斜反翼裂纹扩展使试件断裂;裂纹扩展的方向与最大拉应力的方向基本保持垂直;岩桥倾角对于试件的抗拉强度和起裂应力影响不大;裂隙倾角对于试件抗拉强度和起裂应力影响明显,裂隙倾角越大,试件抗拉强度和起裂应力越大。

水平厚层状岩质边坡地震动力破坏过程颗粒流模拟

基于二维颗粒流软件(PFC2D)的人工合成岩体技术,研究岩桥长度和节理间距不同组合形式下的含水平断续节理厚层状岩质边坡在地震作用下的破坏模式、动力响应规律以及岩桥段应力演化特征。研究结果显示:地震动作用下,含水平断续节理厚层状岩质边坡主要发生溃散型破坏、拉裂–滑移–块体倾倒混合破坏和拉裂–水平滑移混合破坏;水平断续节理是控制边坡动力稳定性的关键因素。节理间距对边坡破坏模式起控制性作用:当节理间距较小时,易发生溃散型破坏;当节理间距较大时,易发生拉裂–滑移–块体倾倒破坏和拉裂–水平滑移混合破坏。岩桥长度和节理间距共同控制着边坡岩体破碎程度,从而控制着边坡失稳破坏时滑动面的个数,当节理间距很小或者节理间距较大、岩桥长度较小时,发生单滑动面破坏;当节理间距和岩桥长度均较大时,发生双滑动面破坏。在地震动力作用下,岩桥段首先发生破坏,随后各节理间也产生破坏并贯通。岩桥长度和节理间距对边坡动力响应均产生一定影响,随着节理间距减小、岩桥长度增大,峰值位移、峰值速度增大,对加速度PGA放大系数的影响区域集中在边坡坡表、坡脚等部位。地震作用下,含水平断续节理厚层状岩质边坡岩桥段应力演化、裂纹萌生与输入的地震波加速度具有良好的一致性。