降雨条件下岩质边坡变形破坏过程及其预测模型研究

在复杂环境条件下，特别是降雨作用下，极易引起岩质边坡的裂缝开裂，进而引发滑坡。本项目选择典型岩质边坡，对其岩块和结构面进行微、细观结构和宏观物理性能进行研究，建立考虑降雨作用下基于微、细观结构的岩石宏观本构模型，编制了降雨作用下裂缝开裂与扩展过程的扩展有限元程序，通过数值模拟研究了岩质边坡中裂缝开裂过程及水压力与应力场的耦合作用，验证了宏观本构模型和数值计算程序的合理性。并且依据项目需求，进行了地质力学磁力模型试验的理论研究和设备开发，研制了可应用于模型试验的磁场发生装置，并以典型岩质边坡为例进行了模型试验研究，通过与数值模拟结果的对比，验证了地质力学磁力模型试验结果的有效性，反映了地质力学磁力模型试验的工程应用价值,为复杂环境下岩质边坡的安全稳定性的试验研究提供新的试验方法。 2100433B

我国是滑坡灾害多发国家。在全球极端气候增加、环境不断恶化情况下，滑坡灾害更加频繁。随着我国现代化进程的深入，西部开发、南水北调、西气东送、五纵七横的公路主骨架建设、四纵四横的高铁建设等人类工程活动的加强，滑坡灾害更加严重。在复杂环境条件下，特别是在降雨作用下，古滑坡极易复活，不利的边坡极易产生新生型滑坡。本项目选择三峡库区典型岩质边坡，对其岩块和结构面进行微、细观结构和宏观物理性能的多尺度的试验研究；建立考虑降雨作用下基于微、细观结构的岩石宏观本构关系和结构面的宏观本构模型；编制降雨作用下裂缝开裂与扩展或结构面滑动与剪切破坏过程的扩展有限元程序；通过数值模拟结果与典型岩质边坡的现场监测资料和地质力学模型试验结果的比较分析，验证本课题建立考虑降雨作用下岩体（岩块和结构面）宏观本构模型和数值计算程序的合理性。将计算模型应用于实际工程，研究降雨作用下岩质边坡破坏演化过程及其机理。

自然条件下由于地质作用以及风化作用的影响，岩土表现出层状结构，在降雨入渗条件下沿接触面产生滑动破坏，此类边坡视为双层结构类型。双层边坡条件下借用Moore模型研究雨水入渗过程，通过将雨水入渗过程划分为不同阶段，获得不同时间不同深度处的饱和度、润湿锋深度等信息，简化雨水入渗过程的分析。滑坡发生过程中剪切面的破坏是一个渐进的过程，剪切带内发生应变局部化，导致应用经典连续介质力学理论进行有限元分析时，数值结果病态地依赖于单元的尺寸，应变局部化带的范围依赖于有限元网格密度，引入非局部变形理论来反映坡体剪切带内部微结构的演化过程及相互作用。通过将滑坡视为二元结构来简化雨水入渗过程，以及将非局部变形理论应用到剪切带的渐进破坏分析来揭示双层结构边坡雨水入渗的发生、发展及剪切带的渐进破坏过程，为滑坡的预防和治理提供依据。

全球气候的持续恶化，人类活动对自然环境的影响持续加剧，导致各类地质灾害层出不穷，其中滑坡是一种常见的地质灾害。根据对各种因素引发滑坡的频度统计，降雨是诱发滑坡的主导因素，研究降雨诱发滑坡的机制具有重要意义。 自然条件下由于地质作用以及风化作用等的影响，岩土常常表现出层状结构。针对此类边坡，应用不同的雨水入渗模型，研究不同降雨强度、表层土渗透系数、下层土渗透系数等情况下雨水的入渗过程。进而将雨水入渗过程分为不同时间，推导不同时间段层状边坡体中润湿锋的深度以及剖面中饱和度的变化，包括降雨停止后，雨水在土体的重分布过程，并由此分析边坡在降雨条件下的破坏过程。 建立雨水重分布的GA扩展模型，计算坡体内雨水重分布后的含水率。基于非饱和土抗剪强度理论的极限平衡法，建立无限长边坡安全系数与雨水累积入渗量以及雨水重分布持时的关系，从而阐释滑坡滞后性的机理；通过简化考虑气阻的入渗模型，研究气压对湿润峰下移的阻碍作用以及对入渗率的影响，对下部为基岩的大面积浅层边坡雨水入渗过程以及边坡稳定进行分析。研究结果表明，封闭气压显著降低了水体的入渗率，对安全系数的降低具有明显的延时性，从机理上揭示了部分地区雨后滑坡频繁发生的重要原因；倾角对雨水入渗和稳定性影响的探讨。目前大部分入渗模型是以水平面为基础建立的，深入探讨了累积入渗量和安全系数随边坡倾角增加的敏感度，将有助于进一步了解边坡入渗特性和准确判断边坡滑坡失稳；基于等效介质连续模型，将坡体表面的裂隙土看作由裂隙网络和土基组成的双孔隙体系，总结出一种确定裂隙土双峰特性的等效非饱和水力参数的方法。利用此预测的双峰特性的土水特征曲线来定量分析降雨条件下裂隙网络对坡体渗流场的影响，结果表明裂隙网络的存在为入渗雨水提供了优先通道，从而对边坡的稳定产生影响；建立了考虑饱和渗透系数变异性的降雨入渗物理模型，并藉此模型确定了坡体湿润锋深度和含水率分布，探讨了饱和渗透系数的变异系数、降雨持时和降雨强度对边坡破坏概率以及破坏发生时间概率分布的影响。结果表明在降雨初期，边坡的破坏概率随饱和渗透系数变异性的增强而逐渐增加，但随着降雨的持续，破坏概率开始随变异性的增强而显著降低，且滑坡最可能发生时间的大小并不受饱和渗透系数的变异性的影响，而是直接取决于降雨强度。 2100433B

工程开挖、河谷下切及支护结构损伤均会致使岩体卸荷，对卸荷过程中岩石变形破坏机理的正确认识是岩体工程稳定性评价及灾害防治的关键基础问题。针对高地应力环境下岩石的不同卸荷过程，本项目拟通过室内三轴卸荷、物理模型及破裂面电镜扫描试验，结合理论及数值分析，探究不同初始应力状态、不同卸荷速率及不同卸荷应力路径下岩石变形破坏过程中的能量转化与传递规律，建立岩石强度、变形等参数与能量间的定量关系，揭示卸荷条件下岩石力学参数弱化的能量机理；确定岩石破坏块度及破裂面粗糙度分形维数与能量间的定量关系，揭示岩石卸荷破坏的宏-细-微观多尺度破裂特征及能量机理，建立岩石卸荷破坏程度及破裂方式的能量预测指标；基于损伤能量耗散率及剩余能量指标，建立综合考虑初始应力状态、卸荷速率及卸荷应力路径的岩石卸荷破坏能量判据。研究成果在高地应力地区大型岩体工程稳定性评价及岩爆预测等方面具有重要理论意义和应用前景。