地震作用下边坡破坏机理及数值模拟研究

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题名	地震作用下边坡破坏机理及数值模拟研究
作者	张青波
学位类别	博士
答辩日期	2014
授予单位	中国科学院研究生院
授予地点	北京
导师	李世海
其他题名	Study on Failure Mechanism and Numerical Simulation of the Slope under Earthquake
学位专业	工程力学
中文摘要	地震作用下边坡的破坏机理及稳定性分析涉及岩土力学、工程地质学、地球物理学、地震工程学等学科，研究难度大，存在许多亟待解决的问题。当前我国铁路、公路等工程处于大规模建设期，高大边坡的地震稳定性对基础设施安全至关重要，但到目前为止地震边坡稳定性分析仍没有一套系统成熟的理论体系或标准规范可供遵循。因此，开展关于地震作用下边坡失稳机制、位置、稳定性分析方法及模型试验方面的研究具有现实的工程意义和科学价值。本文在简要总结地震作用下边坡稳定性分析方法、汶川地震滑坡特征、支挡结构动力响应研究现状的基础上，以服务于高大边坡工程抗震设计与地质灾害防护为工程导向，以探究汶川地震滑坡的力学机理为科学目标，首先开展了新型数值计算方法的理论研究及软件开发工作，随后对断层运动触发滑坡模式进行了数值验证，同时开展了基覆边坡的爆炸模型试验，最后对边坡动力放大系数和挡土墙动土压力分布规律进行了细致的数值模拟研究工作，主要工作及结论为： 1、提出了弹簧单元法(Spring Element Method，SEM)。对固体连续介质变形计算方法进行了简要介绍，重点介绍了弹簧单元法的基本思想及不同形式单元的弹簧系统构造形式，给出了三节点三角形单元、四节点四面体单元、四节点矩形单元、四节点任意四边形单元及八节点长方体单元的质点—弹簧体系的构建方法。从线弹性固体应变能等价角度，利用变分原理推导了不同形式的弹簧元中弹簧刚度系数、弹簧力、节点力等的计算公式，从理论上说明了使用独立弹簧系统（链网模型、颗粒离散元等）只能描述固体材料特定泊松比下的力学行为。研究发现不同类型弹簧刚度系数之间的关系描述了单元的变形模式，改变刚度系数的比值可以获得高精度的单元，对四节点矩形单元通过改变刚度系数间的比值可分别等价于有限元中的常应变、双线性及Wilson单元。 2、给出了弹簧单元法(SEM)求解波动问题的计算流程，对平面应变问题的求解过程进行了程序实现，在连续-非连续单元法(Continuum-Discontinuum Element Method，CDEM)框架下结合半弹簧模型实现了弹簧元-离散元的耦合计算，通过数值算例与理论、试验结果的对比验证了程序的可靠性及适用性。 3、对直线型基覆边坡的爆炸试验进行了深入研究，改进了支挡结构的制作方案并考虑了基覆边坡的结构面参数对试验结果的影响。试验表明爆炸试验具有频率高、能量大的特点，可反映浅源地震近场区域中竖向地震动的不对称现象。在强动力荷载下基覆交界面产生拉伸破坏，覆盖层形成垂直上抛过程，表层结构极易破碎，滑坡模式以表层碎屑流为主，且基覆交界面越粗糙碎屑流越严重，若坡脚有支挡结构则可能形成高位剪出破坏。试验数据表明覆盖层质点的加速度时程曲线存在两个明显的峰值，测点的初速度、自由落体周期同药量具有良好的线性关系，坡体产生高位剪切破坏时滑体内测点初速度的线性复相关系数明显降低。初速度、加速度比(加速度时程曲线中两个峰值的比)沿坡面的分布情况与坡体结构和破坏状态都有关系。平均初速度与自由落体周期主要反映载荷及材料特性，而平均加速度比可反映坡体结构的差异，且平均加速度比随药量的线性拟合斜率越小，边坡的整体动力稳定性越好。桩板墙上的动土压力正峰值沿墙高为非线性分布，分布形态同坡体支护结构及模型材料属性有关。 4、利用弹簧元-离散元耦合程序对断层错动触发山体崩滑灾害的过程进行了数值模拟，验证了该类滑坡形成模式的合理性。分析表明强烈的断层错动导致风化层岩体破坏，有利于剪出口形成，最终演化为高位剪出崩滑灾害。断层错动过程对滑坡形态有重要影响：错动速度越大，破坏范围越大，远距离滑体越多；不同滑动距离的滑体体积与断层错动的时间间隔、衰减系数的关系不是单调的。 5、结合文献调研对多级均质边坡的动力放大系数进行研究，发现相同工况下加速度、速度及位移动力放大系数的分布规律差异性较大，多级边坡平台宽度、载荷类型(P波、S波)及频率对动力放大系数均有不同程度的影响。结合大瑞线实际案例对重力式挡土墙上地震土压力的分布规律进行了研究，发现边坡弹性模量对挡墙静土压力分布的影响不大，而泊松比和剪胀角有一定的影响，输入地震载荷频谱特性对地震土压力大小的影响较大而对合力作用点位置的影响较小。
索取号	31150
语种	中文
公开日期	2014-08-28
内容类型	学位论文
源URL	[http://dspace.imech.ac.cn/handle/311007/48934]
专题	力学研究所_流固耦合系统力学重点实验室(2012-)
推荐引用方式 GB/T 7714	张青波. 地震作用下边坡破坏机理及数值模拟研究[D]. 北京. 中国科学院研究生院. 2014.