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地震荷载作用下岩质边坡动态响应及破坏机理研究是我国基础工程建设及地质灾害预防中需要解决的难点和热点问题。本文采用应力波理论和离散元数值模拟相结合的方式,分别对均质和由节理面控制的岩石边坡在地震动荷载下的速度响应特征及破坏模式进行了详细的分析研究。主要研究工作与成果表现在以下几个方面:
(1)基于应力连续、位移不连续的边界条件,推导出应力波入射单一线弹性节理面时透、反射系数的解析解。运用UDEC软件建立了应力波斜入射线弹性节理的数值分析模型,根据入射、透射及反射各波形的不同到时计算出应力波穿越节理面的透、反射系数。通过对比,计算得到的透、反射系数随节理刚度、入射角度的变化规律与理论解吻合较好。
(2)依据弹性波几何射线理论,考虑边坡中坡顶、坡面两个自由面的影响,分析了P波或SV波自底部均匀入射时,岩质边坡中应力波场的组成,并通过叠加计算,得到了边坡坡体内质点振动速度放大系数的表达式。从应力波叠加的角度揭示了均质岩石边坡质点速度放大效应的机理,并探讨了影响边坡质点速度峰值节律性分布的关键因素。研究表明:当边坡坡高或入射波频率大于一临界值后,坡体内质点速度放大系数呈现“节律性振荡”,且临界坡高、临界频率值与岩石弹性模量成幂函数关系,临界坡高与频率、临界频率与坡高则成负幂函数关系。
(3)通过地震荷载下含节理岩质边坡速度响应规律的数值模拟,计算了节理上方岩体的自振频率,发现随着节理刚度的增大,频带明显向高频方向扩展。以坡面、坡顶质点速度放大系数作为边坡速度响应的特征参数,讨论了坡顶、坡面质点速度放大系数与节理面倾角、节理刚度以及地震波参数等因素的关系。
(4)运用UDEC软件对边坡滑移、拉裂破坏过程进行数值模拟,结果表明,真实地震波作用下含一条节理面的岩质边坡表现出沿节理面滑移,并伴随着上方岩体拉裂破坏的特征。不同节理面刚度、节理倾角及不同地震波作用方向下边坡相对滑动位移及塑性区产生的时刻各不相同。对于含一组节理面的顺倾岩质边坡,较小的节理间距会显著降低边坡岩体的整体强度,边坡形成的拉裂带基本平行于边坡坡面,且各岩层之间表现出一致的永久位移,而节理间距较大时拉裂带的方向为近似垂直于节理面,且边坡沿节理面表现出明显的层间错动。