强震作用下大型古滑坡体变形破坏机理研究结题摘要

2008年5月12日发生的汶川地震引发了大量的崩滑地质灾害，通过对强震区诱发的大型高速滑坡堵江现象调查显示，本次强震触发并堵江形成堰塞湖的大型高速滑坡基本均属岩质滑坡，而位于地震核心区内原有大型古滑坡体未见一例发生整体下滑，只是在局部陡缓交界部位产生震动裂缝或局部塌滑，这种古滑坡体在强震作用下保持稳定而不发生整体失稳的现象与之前的常规认识存在较大差异。 通过野外调查、室内试验及数值模拟等手段对汶川地震灾区内北川县唐家山堰塞湖库区马铃岩、都江堰紫平铺库区左岸灯盏坪和汶川县城青土山以及汉源县二蛮山4处代表性古滑坡体，和都（江堰）-汶（川）高速沿线桃关沟、七盘沟等特大泥石流沟域内地震震裂物源等灾害体的地质环境条件、地震稳定性、变形破坏特征、动力响应机理及其影响因素等进行了分析研究： 古滑坡地震稳定性计算结果表明：古滑坡体局部的微地貌，尤其是地形坡度对其地震稳定性有较大影响。总体来看，地震工况下古滑坡体整体稳定性一般均较好，但坡脚前缘浅表层尤其是局部地形陡峭及陡缓交界处的稳定性较差。 动力数值模拟显示，地震力主要影响边坡内部剪应力及剪应变的分布及大小。此外，坡体不同部位加速度及PGA放大系数显示出高程放大效应及临空面放大效应，且局部地形越凸出、坡度越陡，所测的值越大，相应的变形越强烈。 古滑坡体的振动台试验结果显示，坡体表面动力响应明显强于基覆界面处，地震波在地形陡缓转折端的地震放大作用更加显著。当基覆界面倾角和坡面坡度不同时，堆积体边坡的变形破坏模式可总结为三类：①坡面局部滑塌型（基覆界面倾角＜15°）②坡面局部滑塌兼整体蠕滑型（基覆界面倾角为15°～25°）③整体下滑型（基覆界面倾角大于25°）。 对震区泥石流物源启动类型的分析表明，常规松散堆积体受地震影响较小，均以表层坍滑补给，规模有限。而分水岭部位（即单薄山脊部位）的岩质边坡因为震裂松动，反而构成了强震区地震5年以后的最主要补给物源。 总体而言，古滑坡堆积体整体平缓的地形、密实的整体结构、平缓的软滑带及地震波的衰减是使堆积体边坡不同于岩质边坡从而在地震作用下保持整体稳定的主要因素。 研究成果对丰富和完善古滑坡在地震作用下的动力响应及灾害防治具有重要意义。 2100433B

5.12汶川大地震（Ms=8.0）触发了数以万计的崩滑地质灾害，尤其在地震核心区内触发形成的大型高速滑坡堵江形成114处堰塞湖，野外调查显示，本次强震触发的大型高速滑坡基本均属岩质滑坡，而位于地震核心区内原有大型古滑坡体未见一例发生整体下滑、只是在局部陡缓交界部位存在震动裂缝或发生局部坍滑，如紫坪铺近坝左岸葫豆坪、北川唐家山堰塞湖库区马铃岩以及汶川县城青土山古滑坡等，均存在上述变形破坏现象，这与常规认识存在很大差异。即强震下为何大型古滑坡体均能保持整体稳定，而未发生一例古滑坡体高速下滑的堵江事件？！初步研究表明与古滑坡体的特殊地形地貌、地质结构、古滑动倾角大小等因素密切相关。本研究以紫坪铺近坝左岸古滑坡、唐家山堰塞湖库区马铃岩古滑坡等为原型，通过现场和室内滑体（含滑带土）动力学参数试验，采用室内物理模拟和数值模拟方法，系统开展大型古滑坡强震作用下动力响应机制研究，以揭示其变形破坏机理。

工程实践已表明，山岭隧道洞口段在强震作用下易发生变形及失稳破坏。本项目拟针对隧道洞口段在强震作用下的动力响应、破坏规律和分析方法进行研究。通过理论分析、数值模拟和振动台模型试验：①提出结合突变理论的位移失稳判据，与塑性区贯通失稳判据相对比，建立适用于隧道洞口段的动力强度折减法失稳判据；②在该判据的基础上，对计算条件和强度折减的实施步骤进行研究，建立隧道洞口段在强震作用下的三维动力强度折减法计算方法；③结合汶川地震现场回访、数值计算结果和振动台模型试验，给出隧道洞口段围岩变形失稳的演化规律、边坡失稳的空间特征、洞口段衬砌及洞门结构的受力和变形特征等，对隧道洞口段失稳破坏全过程的力学机理进行深入的分析。最终建立适合隧道洞口段在强震作用下失稳的分析方法。该方法对类似工程的理论研究和设计、设防等工程实践具有重要的参考价值。

本项目拟瞄准重大研究计划重大工程的动力灾变的总体目标，针对城市高架桥梁、跨海桥梁和深水高墩桥梁等长大桥梁，系统开展强震作用下长大桥梁的灾变全过程及控制研究。通过研究复杂受力条件下材料、构件的损伤动力效应以及结构的多维非线性动力效应，建立材料、构件的损伤动力本构模型以及结构的多维非线性动力行为模拟模型；通过研究结构－介质之间的动力相互作用效应，建立多点、多维地震作用下长大桥梁考虑结构－介质动力相互作用的非线性地震反应分析方法；通过研究长大桥梁在强震作用下的失效破坏机理和破坏倒塌机制，建立长大桥梁强震灾变全过程的数值模拟方法与动态可视化技术以及强震灾变过程控制的理论与方法，再现强震作用下长大桥梁的损伤、破坏和倒塌的灾变全过程。为建立基于性态的长大桥梁抗震设计及减灾控制的理论与方法，为全面开展重大工程强震动力灾变模拟的系统集成，提供坚实的理论基础和技术支撑，因此具有重大的理论意义和工程价值。 2100433B

为增强隧道洞口段的山体稳定性，需贯彻早进晚出的原则，但为了给暗挖进洞创造条件，往往需要接长一段明洞，而强震作用下的明洞段是抗震的薄弱环节，其灾害控制对策是目前地下工程抗减震领域亟需解决的关键问题之一。本项目拟基于前期的现场调查,在对明洞段震害形式进行科学分类的基础上，研究其破坏机理、影响因素和动力响应规律，参考地面建筑的基底隔震法和地下结构的减震层法，提出两种或多种针对明洞段的减震结构；依据振动力学、波动力学和地震工程学等理论，结合明洞段的动力响应特性，建立考虑上覆土层、隧道衬砌与减震结构相互作用的数理力学模型，从理论上验证减震结构的可行性，并剖析其减震机理；利用有限元程序进行二次开发，实现数理力学模型的程序化，在室内试验正确性验证的基础上，综合数值分析和模型试验等手段，比选特定条件下的减震结构，并优化影响其减震效果的主要因素，为将本项目研究内容应用于工程实践提供理论基础和设计依据。