已有监测表明,三峡水库在每次蓄水后均能监测到不同能级的地震发生,且地震能量大多以高频度低强度的形式释放,且近几年三峡水库诱发地震频次与强度都有所增加,但仍保持在三峡地区原有弱地震活动本底状态。这种次数多、震级小的地震对库区边坡的稳定性是否会造成影响,以及影响的程度有多大,将成为库区地质灾害防治需要面临的新问题。已有研究重点主要放在滑体处于临界失稳状态和地震强度较大的情况,而很少关注频发微震对边坡稳定性的影响。采用室内直剪试验、振动台模型试验、理论分析和数值模拟相结合的方法,对库区边坡中稳定性相对更差的顺层软硬互层边坡进行研究,对泥质软岩在峰前循环加载下的宏、细观累积变形特性、强度劣化规律及本构模型、边坡岩体在频发微震下的累积损伤演化机理及累积损伤模型、边坡在反复微震作用下的稳定性及其影响因素等进行了较为系统深入的研究,主要研究内容和成果如下:(1)基于室内直剪试验,从宏观角度研究了不同含水率、不同法向压力、不同循环加载次数、不同加载上限值及不同加载幅值对泥质软岩变形特性、剪切强度及剪切面形态的影响。研究表明,循环加载会造成岩石泥质软岩的累积变形;随着变形的累积,泥质软岩的峰值抗剪强度呈现出先增后减的变化趋势。含水率越高、剪切上限值越高、剪切幅值越大或法向压力越小,在循环相同次数的剪切作用下泥质软岩变形累积效应越显著,强度衰减也就越多。泥质软岩经历100次和10000次循环加载后再对其静力直剪后的剪切面破坏状态显示,较高次数的循环剪切作用均使试件出现了不同程度的剪切现象,剪切破坏面表现出山包状的剪切形态。各因素对剪切面的影响主要表现在剪斜程度和剪切面表面损伤的大小和损伤的程度。(2)基于PFC颗粒流数值方法,从细观角度研究了峰前循环加载阶段泥质软岩裂纹的萌生、扩展及贯通等演化特征。研究表明,裂纹数量随循环加载次数不断增加而增加,且增加的速度有加快的趋势。不同法向压力、不同含水率、不同剪切上限值和不同剪切幅值下泥质软岩裂纹的扩展贯通程度、裂纹的数量体现出与室内直剪试验相一致的规律,高含水率、高剪切上限值、高剪切幅值和低法向压力是决定泥质软岩累积损伤速度的关键因素。(3)以泥质软岩循环动载作用下变形特性为基础,建立了可描述泥质软岩稳定型、临界型及破坏型三种变形规律的基于分数阶导数的非定常蠕变本构模型;采用1stOpt计算软件中列文伯格(Levenberg-Marquardt,LM)算法,根据泥质软岩的实验数据求解多参数非线性方程的参数值并对非线性曲线进行拟合,验证了泥质软岩本构模型的适用性。(4)根据三峡水库边坡特点,设计了四个典型顺层软硬互层边坡模型试验,基于传递函数理论,得到了边坡在各损伤阶段的动力特性参数(一阶自振频率、阻尼比);以自振频率的变化来定义坡体损伤变量,并给出了损伤度D的求解表达式。微震作用后,边坡自振频率减低,阻尼比增大,说明微震作用会使边坡产生损伤。当地震作用强度增大时,边坡动力特性参数的变化幅度明显增加,这侧面反映出边坡的损伤累积程度随地震强度的增加而加快。(5)基于自振频率的变化得到了四个模型边坡的累积损伤发展曲线,采用疲劳裂纹扩展的双K准则解释累积损伤曲线的变化趋势。随着地震荷载幅值及作用次数的增加,四个模型边坡的累积损伤演化曲线均表现出了明显的三阶段的变化特征:初始损伤阶段、细观裂纹扩展阶段、宏观裂缝扩展阶段,曲线形状大致呈倒“S”形。对基于自振频率测试得到的岩体累积损伤曲线进行回归和拟合,建立了边坡岩体在微小地震作用和强震作用两个阶段的非线性疲劳累积损伤演化模型。分别采用三次多项式形式和幂指数形式对微小地震和强震作用下边坡岩体累积损伤演化数据进行回归分析,四个坡体的拟合效果均较为理想。(6)通过振动台试验,研究了典型软硬互层边坡的动力响应特征及各损伤阶段动力响应的变化,得到了典型坡体在反复地震作用下的滑面形成过程及失稳模式。研究表明,边坡的加速度响应表现出“高程效应”和“趋表效应”,且随地震频率、地震荷载幅值的增大,边坡的动力响应更加强烈;随着坡体损伤的不断累积,边坡的动力响应呈现出减弱的趋势;在反复地震作用下,水平软硬互层边坡最终形成坡面和后端贯通的两个滑动面。坡体后端滑面呈现出滑移-拉裂的破坏模式,沿坡面滑面呈现出蠕滑-压致拉裂破坏特点。缓倾软硬互层边坡沿坡面形成台阶型破坏面,破坏模式为滑移-拉裂破坏。中倾软硬互层边坡由于层面出露,形成分段式滑移破坏,首先上部软、硬层滑落;进而剩余滑体沿着由上部弱层剪切裂缝、中部次级拉裂缝和下部弱层剪切裂缝形成的滑移面滑移破坏。陡倾软硬互层边坡整个失稳过程表现出上部软硬层由坡面向里逐层剥落的特征,破坏模式为弯折-崩塌。四类坡体的稳定性程度,从小到大依次为:中倾软硬互层顺层坡<陡倾软硬互层顺层坡<缓倾软硬互层顺层坡<水平软硬互层层状坡。(7)通过UDEC离散元方法对顺层软硬互层边坡建立数值模型,分析边坡在频发微震作用下的变形发展特征和稳定性变化规律。结果表明,边坡坡体的累积永久位移随着加载次数的增大而逐渐增大,稳定性则随着地震作用次数的增大而降低,二者的变化幅度均呈现出先慢后快的规律;在频发微震下,中倾软硬互层坡由于层面出露呈现出整体滑移破坏模式,滑体较为完整;缓倾软硬互层坡破坏模式为滑移----拉裂模式,破坏面主要出现在坡面的有限深度范围内;陡倾软硬互层坡破坏面沿上部软、硬层层面由外向内逐层剥落失稳,硬层受弯从中部折断,表现出崩塌、落石等地质灾害现象;水平软硬互层层状坡形成沿坡表的台阶型破裂面,坡表较坡体内部更为破碎。在全微震作用下四类坡体的稳定性从小到大依次为:中倾软硬互层顺层坡<缓倾软硬互层顺层坡<陡倾软硬互层顺层坡<水平软硬互层层状坡。(8)通过UDEC离散元方法建立数值模型,考虑动荷载幅值、动荷载频率、坡角、坡高、层面倾角、层面间距(岩层厚度)、硬软层厚度比七个因素对顺层软硬互层边坡的长期稳定性的影响。结果表明,随着动荷载幅值的增加、加载波频率不断向边坡自振频率靠拢,边坡在多次地震作用下的累积永久位移越大、边坡安全系数越低、边坡的疲劳寿命越短;随着坡高、坡角的增大,边坡的X、Y方向位移都逐渐增大,相应的安全系数逐渐减小,边坡越快发生失稳破坏;在层面出露的情况下,随着层面倾角的增大,坡体的累积永久位移显著增大,相应的边坡安全系数明显减小,使得边坡失稳破坏的加载次数也显著减小;对硬软层厚度比研究结果表明,硬软层厚度相同时,层厚越小,坡体在地震动荷载作用下所受到的相对扰动就更明显,边坡的长期稳定性越差,坡体越容易破坏;对于硬层厚度取定值而软层厚度递减的软硬互层边坡,软层越厚,边坡失稳需要的微震作用次数越少,边坡越不稳定,这意味着随着弱层厚度的增加,弱层对边坡的影响作用越来越大,破坏越容易沿着弱层内部发生,坡体破坏更为彻底,边坡也就越容易发生失稳破坏。