近水平层状灰岩塔柱状危岩压裂失稳-座溃解体机制与监测预警
我国西南盆周山地灰岩地区分布大量位于陡高边坡的近水平层状塔柱状危岩，其失稳破坏和下座解体机制复杂，具有失稳突发性、破坏历时短、解体规模大、致灾范围广、监测预警难等特点。依托国家自然科学基金项目，以重庆市南川区甑子岩近水平层状塔柱状危岩压裂失稳-座溃解体型崩塌为研究对象，根据该类危岩失稳运动的物理力学演化过程，采用损伤力学、能量原理、突变理论、黏弹性和弹塑性理论、断裂力学、振动力学和可靠度理论等多种学科交叉融合方法，系统研究了其压裂失稳力学机制和座溃解体动力学机制，通过离心模型试验和离散元数值模拟实现该类危岩破坏的重演，并着力探讨了该类危岩的监测预警研究。取得的主要创新性研究成果有： （1）将近水平层状塔柱状危岩概化为具有类砌体结构特征的底部劣化区和上部非劣化区两体结构。遴选底部劣化区损伤因子（荷载损伤因子和水致弱化函数），采用损伤力学构建其总损伤度和损伤本构方程；将其地质力学模型概化为等效弹簧力学模型，利用能量平衡原理构建了系统总势能函数，获得了折叠突变失稳预测模型和尖点突变失稳预测模型，预测结果与实际位移监测资料基本趋于一致。 （2）根据灰岩酸蚀动态饱和度形成机理，提出了表征溶蚀型碳酸盐岩强度劣化特征的动态水致弱化函数。通过岩矿分析、扫描电镜实验、岩石酸蚀力学抗压强度试验，揭示了灰岩酸蚀时效性特征对岩体长期稳定性的不利影响。研究成果可为溶蚀型岩体长期稳定性分析和失稳预测提供重要参数。 （3）针对塔柱状危岩上部非劣化区，提出了座溃解体的动力学模型。包括解体区与基座冲击过程中的黏弹性冲击动力学模型、解体区层间滑脱塑性耗能的理想弹塑性模型和层内裂隙断裂的I型拉伸断裂力学模型等三个力学子模型，以获取冲击特征参数和解体特征参数。研究成果可为灰岩区陡高边坡危岩崩塌动力演化机制研究和灾害防治提供理论依据。 （4）根据相似模型原理，遴选出与该塔柱状危岩宏观物理力学指标相近的类灰岩相似材料，通过危岩模型单轴压缩预实验辅助大型离心模型试验，实现了塔柱状危岩压裂失稳-座溃解体重演。采用PFC离散元软件，建立了三维标准圆柱体单轴压缩模型，基于正交试验方法，结合灰关联和多因素方差分析，标定了平行黏结本构模型的主控细观参数，并用于甑子岩塔柱状危岩压裂失稳-座溃解体三维仿真模型的本构参数中，较好地重演了其压裂失稳-座溃解体-运移堆积的致灾过程，与监测视频基本一致。 （5）采用振动力学方法建立了塔柱状危岩非劣化区和劣化区两自由度振动力学模型，提取其基频动力指标，获取频响折减系数，并代入地质强度指标中，采用广义Hoek-Brown准则获取劣化区岩体抗压强度公式和频响稳定系数；基于可靠度理论，获取了其频响稳定监测预警模型。研究成果可为塔柱状危岩动力监测预警指标开发和复杂山地防灾减灾提供理论依据。
近水平层状塔柱状危岩;压裂失稳;座溃解体;动力演化机制
重庆交通大学
博士
土木工程;防灾减灾工程与防护工程
唐红梅
2023
中文
TU45
2023-09-14（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）