循環(huán)爆破擾動下含軟弱夾層巖質(zhì)邊坡動力失穩(wěn)災(zāi)變機制

循環(huán)動荷載下軟弱夾層動力響應(yīng)特性及其誘發(fā)復(fù)合巖體動力失穩(wěn)災(zāi)變的內(nèi)在機制及其演化過程十分復(fù)雜，有待深入探索和進一步研究。 本項目以循環(huán)爆破擾動下含軟弱夾層復(fù)雜巖質(zhì)邊坡動力失穩(wěn)災(zāi)變?yōu)檠芯繉ο?，將試驗研究、理論分析與數(shù)值模擬有機結(jié)合，以循環(huán)動荷載作用下軟弱夾層土的動力響應(yīng)為基礎(chǔ)和紐帶，建立循環(huán)爆破擾動下含軟弱夾層巖質(zhì)邊坡動力失穩(wěn)災(zāi)變機制研究體系。首先，通過動三軸試驗，探尋循環(huán)動荷載作用下軟弱夾層土的強度參數(shù)劣化和變形累積演化規(guī)律；其次，利用Newmark滑塊位移法建立循環(huán)爆破擾動下含軟弱夾層巖質(zhì)邊坡失穩(wěn)分析方法；再次，根據(jù)軟弱夾層發(fā)育特征，建立含軟弱夾層復(fù)合巖體質(zhì)量分級評價方法；最后，利用FLAC3D數(shù)值模擬方法系統(tǒng)研究多因素和多工況條件下含軟弱夾層巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性。 研究結(jié)果表明：（1）軟弱夾層累積應(yīng)變規(guī)律具有破壞型特征，隨含水率和黏粒含量增大而增大，隨圍壓增大先減小后增大；動彈性模量隨圍壓增大單調(diào)遞增，隨循環(huán)周次和含水率增大單調(diào)遞減。（2）軟弱夾層的動強度受主要黏土礦物成分和黏粒含量共同影響；動粘聚力與主要黏土礦物成分的工程性質(zhì)優(yōu)劣呈正相關(guān)；而動內(nèi)摩擦角隨軟弱夾層黏粒含量的增大單調(diào)遞減。（3）基于最大應(yīng)變法表征損傷量，用低周疲勞損傷演化模型描述軟弱夾層在循環(huán)動荷載下的累積損傷機理與特征是合理的。（4）對于規(guī)模相對較小的軟弱夾層（厚度小于10cm），可將其作為折減因素，建立了含軟弱夾層的層狀復(fù)合巖體質(zhì)量分級修正BQ方法。（5）基于強度折減法，利用FLAC3D分析了不同傾角、厚度、含水率、粘粒含量等軟弱夾層發(fā)育條件下巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性，研究表明對巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性影響程度依次為：軟弱夾層的傾角、粘粒含量、含水率和厚度。（6）建立了爆破擾動下含軟弱夾層巖質(zhì)邊坡的物理模型和滑塊力學(xué)模型，通過能量守恒原理給出了多次爆破振動下滑坡的總位移量表達(dá)式。 研究成果可為預(yù)防循環(huán)動荷載擾動作用下含軟弱夾層復(fù)雜巖質(zhì)邊坡動力失穩(wěn)災(zāi)害提供科學(xué)指導(dǎo)和技術(shù)支撐。 2100433B

含軟弱夾層巖質(zhì)邊坡動力穩(wěn)定性問題是巖石力學(xué)與工程研究的難點與熱點之一。本項目以循環(huán)爆破擾動下含軟弱夾層復(fù)雜巖質(zhì)邊坡動力失穩(wěn)災(zāi)變?yōu)檠芯繉ο?，將試驗研究、理論分析與數(shù)值模擬有機結(jié)合，以循環(huán)動荷載作用下軟弱夾層土的累積損傷效應(yīng)為基礎(chǔ)和紐帶，建立循環(huán)爆破擾動下含軟弱夾層巖質(zhì)邊坡動力失穩(wěn)災(zāi)變機制研究體系。首先，通過動三軸試驗，探尋循環(huán)動荷載作用下軟弱夾層土的強度參數(shù)劣化和變形累積演化規(guī)律；其次，基于試驗研究成果，利用突變理論和Newmark滑塊位移法建立循環(huán)爆破擾動下含軟弱夾層巖質(zhì)邊坡失穩(wěn)的理論分析方法；最后，結(jié)合典型工程，基于已有研究成果，利用FLAC3D數(shù)值模擬方法系統(tǒng)研究多因素和多工況條件下循環(huán)爆破擾動誘發(fā)含軟弱夾層巖質(zhì)邊坡動力失穩(wěn)災(zāi)變過程。本項目研究可深層次揭示循環(huán)爆破擾動誘發(fā)含軟弱夾層巖質(zhì)邊坡失穩(wěn)災(zāi)變的復(fù)雜機理，研究成果對于含軟弱夾層巖質(zhì)邊坡動力失穩(wěn)災(zāi)害防治具有重要的理論和實際意義。

爆破動力擾動是高陡邊坡巖體失穩(wěn)的常見誘因。本項目以大型水利水電工程高陡邊坡巖體爆破開挖對邊坡穩(wěn)定性的擾動為研究主線，采用理論分析、數(shù)值模擬、現(xiàn)場與模型試驗相結(jié)合的研究方法，研究爆破動力擾動下高陡邊坡巖體的穩(wěn)定性。通過分析邊坡體中爆破振動荷載的傳播與衰減規(guī)律及其頻譜特性，揭示邊坡爆破振動放大效應(yīng)的產(chǎn)生機理；研究爆破振動對軟弱結(jié)構(gòu)面強度的影響，建立爆破振動參數(shù)與結(jié)構(gòu)面強度變化間的數(shù)學(xué)模型；分析爆破振動參數(shù)間的內(nèi)在關(guān)系及潛在滑坡體的受力特征，提出爆破振動作用下邊坡動力穩(wěn)定性的力學(xué)模型及其安全判據(jù)，建立基于有限元及剛體極限平衡法的高陡邊坡爆破動力穩(wěn)定性分析方法，提出邊坡爆破動力穩(wěn)定的控制標(biāo)準(zhǔn)，形成系統(tǒng)的高陡巖質(zhì)邊坡爆破動力穩(wěn)定性分析與評價方法。研究成果在大型水利水電工程建設(shè)、露天礦山開采、交通工程建設(shè)等領(lǐng)域具有廣闊的工程應(yīng)用前景。

爆破動力擾動是高陡邊坡巖體失穩(wěn)的常見誘因。本項目以大型水利水電工程高陡邊坡巖體開挖爆破對邊坡穩(wěn)定性的擾動為研究主線，采用理論分析、數(shù)值模擬與現(xiàn)場試驗相結(jié)合的研究方法，研究了爆破動力擾動下高陡邊坡巖體的穩(wěn)定性。項目分析了邊坡體中爆破振動荷載的傳播與衰減規(guī)律及其頻譜特性，揭示了邊坡爆破振動放大效應(yīng)的產(chǎn)生機理；研究了爆破振動參數(shù)間的內(nèi)在關(guān)系及潛在滑坡體的受力特征，建立了爆破振動作用下邊坡動力穩(wěn)定性的力學(xué)模型及其安全判據(jù)，研究了基于剛體極限平衡法的高陡邊坡爆破動力穩(wěn)定性分析方法，提出了邊坡爆破動力穩(wěn)定性控制標(biāo)準(zhǔn)的確定方法。研究成果在大型水利水電工程建設(shè)、露天礦山開采、交通工程建設(shè)等領(lǐng)域具有廣闊的工程應(yīng)用前景。結(jié)合項目研究，已發(fā)表論文14篇，其中SCI收錄4篇，EI收錄7篇；獲授權(quán)發(fā)明專利3項，受理發(fā)明專利10余項，并獲國家科技進步獎1項，培養(yǎng)研究生5名。 2100433B

存在軟弱夾層的工程，工程地質(zhì)勘察的主要任務(wù)是查清軟弱夾層的層位、分布，夾層類型及延伸范圍。夾層的物理力學(xué)性質(zhì)，水理性質(zhì)。它與一般的巖石物理力學(xué)特性的研究不同的是，軟弱夾層除常規(guī)的項目外，還要根據(jù)夾層的性質(zhì)及工程的運用情況，研究其長期強度（流變特性）．在庫水作用下的滲透穩(wěn)定性。物理力學(xué)及化學(xué)性質(zhì)在長期滲流作用下的演變趨勢等。

大量的工程實踐表明，軟弱夾層的工程地質(zhì)研究是一項復(fù)雜而困難的工作，原因在于：對壩基和邊坡穩(wěn)定起控制作用的平緩軟弱夾層常常位于河床下或山坡巖體深處，沒有足夠的露頭提供研究；軟弱夾層的厚度很薄，性狀很差，且?guī)r性巖相變化很大，依靠常規(guī)小口徑鉆探很難提供準(zhǔn)確和足夠的信息，而重型勘探（平洞、豎井、大口徑鉆孔）的數(shù)量有限，難以滿足做出準(zhǔn)確結(jié)論的需要；軟弱夾層的物理力學(xué)性質(zhì)尤其是抗剪強度指標(biāo)對建筑物設(shè)計至關(guān)重要。而這些指標(biāo)的取得主要依賴大型現(xiàn)場原位試驗，而這是一項極其困難的工作。例如亭子口和小南海兩水利樞紐，為了取得壩基下軟弱夾層的力學(xué)性質(zhì)和抗?jié)B透變形的資料。不得不打豎井至河床下再打平洞進行原位試驗，條件極其困難艱苦，數(shù)量也只能是很有限的。因此軟弱夾層常常作為重大工程地質(zhì)問題列為專題，進行深入細(xì)致的勘察研究。

通過對長江 葛洲壩水利樞紐和黃河 小浪底水利樞紐的壩基和岸坡巖體內(nèi)軟弱夾層的微觀結(jié)構(gòu)及力學(xué)試驗研究發(fā)現(xiàn)，泥化帶內(nèi)錯動泥化面的抗剪指標(biāo)最低，其原因是由于片狀粘土礦物近似平行于錯動泥巖面的定向排列所致。壩基巖體內(nèi)如有軟弱夾層，會影響壩基巖體的抗滑穩(wěn)定性。河谷谷坡或道路邊坡巖體內(nèi)存在軟弱夾層，往往會導(dǎo)致斜坡崩滑失穩(wěn)。軟弱夾層的厚度，層面的起伏差和粗糙度，對其力學(xué)性能影響較大。一般取流變起始強度作為軟弱夾層的抗剪強度值。這個值相當(dāng)于屈服強度，約為其峰值強度的80%。 2100433B