极震区震后泥石流物源特征研究

汶川地震后,极震区产生了大量的崩滑堆积体、震裂岩体及震动松弛覆盖层,极震区震后泥石流物源的产生及汇集方式发生了极大的变化,但缺乏震后特殊条件下动储量的计算方法。在实际调查统计"5·12"极震区安县高川乡多条泥石沟物源的基础上,总结了极震区震后泥石流的形成过程及启动方式。分析得出,震后泥石流物源量与沟域面积、高程放大效应、断层运动方式、地质岩性条件及地形条件等因素有关,其中沟域面积、沟顶高程及沟道与发震断裂的距离为主控影响因子。在此基础上,提出了"地震高程指数放大经验模型";通过多元统计拟合法首次得出了震后泥石流动储量与流域面积、高差的计算关系,并通过地震距离修正得出极震区震后泥石流的动储量计算公式,为震后泥石流动储量估算及工程治理提供参考。     

基于修正惯用法的埋深对圆形隧道地震反应影响∗

采用修正惯用法,在考虑土拱效应对圆形隧道结构受力状态影响的基础上,研究了埋深对地下结构地震反应的影响规律。首先,对比分析了不考虑和考虑土拱效应时、地震荷载作用前,隧道结构内力分布及随埋深的变化规律;将作用于隧道结构上的水平地震荷载等效为围岩土体变形导致的土压力的改变值;继而探讨了考虑土拱效应后,地震荷载引起的隧道结构内力的改变,研究了不同地震动强度下,埋深对圆形隧道结构地震反应的影响规律。 研究结果显示,地震作用下,圆形隧道结构的内力随着埋置深度的增加呈现出先增大后减小或趋于稳定的趋势,即圆形隧道结构地震反应存在一个抗震关键埋深。     

基于离散元法的爆破荷载作用下深埋隧道失稳破坏模拟研究

为了研究爆破扰动对深部隧道工程的影响,借助颗粒流程序PFC,开展爆破荷载作用下深埋隧道失稳破坏的数值模拟,分析了不同埋深隧道围岩的损伤演化过程和相同埋深隧道围岩颗粒位移与应力随时间的变化规律。研究结果表明:在距离隧道一定高度的顶面施加爆破荷载,随着埋深的增加,围岩损伤程度越严重,损伤集中于隧道的两帮,并逐渐由隧道右侧向顶板发展;隧道的失稳破坏是由爆破荷载和地应力共同造成的,爆破荷载主要使隧道围岩产生裂隙,而在高地应力的持续作用下,可能引起岩块的剥离和弹射;隧道两帮的竖向压应力大于岩体抗压强度是隧道围岩破裂的主要机制。研究成果为深埋隧道支护技术和灾害预报研究提供了依据。     

极震区泥石流流量计算方法的研究

极震区形成了大量高位能型滑坡和震裂山体,震裂山体在重力和后期降雨联合作用下,震裂面延伸、扩展和贯穿,从而形成贯通性破坏面,破坏结构,这使震裂潜在型物源转变为新崩滑体物源。极震区物源与非地震区物源迥异的物理性质,使泥石流启动的临界条件降低,导致泥石流流量在物源形成、汇流和运动过程都具有放大效应,现有的泥石流峰值流量计算方法在极震区的应用具有明显的局限性。综合考虑了地震放大效应、沟道纵坡降、沟道宽度、水动力条件和泥石流物理性质等因素对泥石流流量的影响,建立了泥石流流量-冲刷模型。对比实例验算结果和实测流量,吻合较好,说明本文计算公式对于极震区的适用性和有效性。所得成果可用以估算汶川地震中极震区泥石流流量,对泥石流防治措施的选择有参考价值。     

水平分层土质条件下浅埋隧道掌子面支护稳定性研究

浅埋隧道由于具有埋深浅、开挖面大的特点,在开挖过程中遇到的土质分层情况往往比较复杂。隧道掌子面的稳定性会对隧道施工的安全产生重要影响。保证掌子面稳定性的关键在于如何确定合适的极限支护压力。因此对水平分层土质条件下掌子面的极限支护压力进行研究。首先,根据村山公式的对数螺旋线假设,建立了具有共同旋转中心的分层超前核心土旋转破坏模式。其次,依据覆盖层楔形破坏模式和前人模型试验结果,简化隧道覆盖层土体对掌子面的影响模型;同时,根据极限分析理论计算了土体的外部荷载功率和内能耗散功率。然后,建立引入支护压力的极限方程,推导出了保证浅埋隧道掌子面稳定的极限支护压力的计算公式。最后,为验证理论计算的准确性,将理论分析结果和Flac3D数值模拟结果进行了对比分析。以上理论为研究水平分层土质条件下浅埋隧道掌子面的支护稳定性提供了一定的理论指导。     

地面非对称填载对既有明挖隧道围岩压力的影响分析

运用普氏理论、朗金土压力理论,对地面非对称填载作用下既有明挖隧道围岩的破坏模式和围岩压力计算进行了探讨。分析表明,地面非对称填载作用下既有明挖隧道的围岩压力计算按埋深可分为三种情况:深埋时采用普氏理论计算;浅埋且地面填载侧边墙与滑裂面之间会产生土拱效应时,该边墙所受的围岩压力采用普氏理论来计算,对侧边墙借助朗金土压力理论来计算;浅埋且地面填载侧边墙与滑裂面之间不产生土拱效应时,将左右边墙都当作挡土墙,借助朗金土压力理论来计算。     

浅埋软岩隧道顶板潜在滑移面特征及工程应用

浅埋软岩隧道顶板潜在滑移面的合理确定对于围岩压力计算及支护结构设计极为重要。本文基于隧道开挖诱发地层不均匀变形特征与顶板岩层发生张拉剪切破坏的关系,采用Peck曲线方法和数值方法来确定顶板潜在滑移面特征,进而研究了隧道覆跨比、围岩参数变化对滑移面特性的影响,并应用于实际工程。结果表明:(1)基于Peck曲线和数值分析方法来确定浅埋隧道顶板岩层潜在滑移面的形态与实测结果一致;(2)浅埋隧道顶板岩层的等效破裂角仅在围岩黏聚强度较低条件下才符合45°+φ/2,围岩级别越好,破坏范围越小,滑移面形态呈平缓的"S"型;围岩越差,破坏范围越大,滑移面形态呈竖直的"椭圆"型。随着隧道覆跨比、侧压力系数及抗剪强度指标的增大,等效破裂角呈减小趋势。地表开裂点随着覆跨比和侧压力系数增大而逐渐远离隧道轴线,随着岩体强度指标的增大而逐渐向隧道轴线迁移。     

基于全动力分析法的地震边坡与隧道稳定性分析

目前地震边坡和隧道稳定性分析方法尚有一些不尽如人意的地方,如地震边坡的破裂面假定为剪切破裂面,这与汶川地震边坡破坏现象不符;地震边坡稳定性分析采用时程分析法,假定在某一时刻加速度作用下,将其作为静力问题来计算边坡稳定安全系数,没有充分考虑加载的动力效应;同样,未考虑地震作用下隧洞围岩的拉破坏,对隧洞围岩破坏缺少动力稳定性标准,也不能充分考虑隧洞围岩与衬砌的动力效应。为此,基于有限元强度折减法,提出了一种完全的动力分析方法——强度折减动力分析法,计算中同时考虑剪切强度和抗拉强度参数的折减,并采用计算不收敛和位移突变综合判断边坡和隧道是否动力失稳破坏,以极限状态时的强度折减系数作为地震边坡和隧道的动力稳定系数,由此获得拉、剪组合破裂面与全动力稳定安全系数,充分考虑了动力效应。     

随机介质理论下隧道围岩渐进破坏过程数值实验研究

将强度折减法引入到隧道围岩安全评价中,结合"浅埋暗挖快速施工双线小间距隧道、盾构下穿立交结构隧道和结构面含有节理、不规则裂隙的山体公路隧道"等工程实例,借助材料真实破坏分析软件RFPA-2D,建立每个强度折减系数下的有限元模型。模型采用了黏弹性人工边界来消除边界条件对计算精度的影响,并借助随机介质理论实现了围岩细观结构单元的非均值性和随机分布的缺陷,揭示了不同工况下隧道围岩的动态渐进破坏过程、基元相变损伤演变机理和岩体结构面破坏特征,认为隧道围岩的宏观破坏是由岩体非线性材料细观单元的非均值性造成的,计算结果借助不同折减步中裂纹发展趋势和单元破坏的数量判断隧道围岩是否失稳破坏,并计算出具有安全储备意义上的安全系数。同时,结合ABAQUS和RFPA-2D两种不同有限元模型,对比分析了随机介质理论和连续介质理论结合强度折减法在隧道围岩稳定性评价中的差异。     

面波测试在汶川强震区土体损伤调查中的应用

汶川地震后,确定地震对岩土体扰动的范围和损伤程度,是预测震后次生山地灾害演化趋势,以及制定道路修复加固工程对策的重要依据。面波勘察是通过获取剪切波速变化情况,推断土体扰动范围的快捷手段。本文在位于汶川地震强震区的213国道都汶段内的2个边坡工点和3个路堤工点,布设6个测段进行了高精度面波浅层地震勘查。结果表明:①9度和10度地震烈度区土体扰动的深度无明显差别;②在汶川地震强震区,人工填筑的路堤工程所造成的强扰动区深度不小于5 m,自然土体造成的强扰动区深度为0~5 m;③路堤工程表面填、挖交界处的损伤明显。上述结论可供灾后道路修复工程设计中确定边坡加固深度和路堤翻挖深度时参考。     

汶川"5·12"地震公路灾害分析和防治对策

"5·12"汶川8.0级特大地震中,震区公路及其设施设备遭到了极为严重的破坏,公路受损里程累计53 295 km.通过灾后现场调查资料对震区高山峡谷地带的公路破坏特征进行了剖析和归纳.将地震灾害破坏模式划分为两种:一种是与地震同步发生的地震波对公路结构本身造成的直接破坏模式,主要有公路的路面、桥梁、隧道结构本身的变形和破坏;另一种是地震诱发诸如崩塌、滑坡、泥石流、塌陷等次生灾害对公路的间接破坏作用.通过对两种破坏作用的分析,从6个方面提出了对震区高山峡谷地带的公路抗震防灾对策建议.     

二维圆形截面浅埋硐室双层围岩塌落形态上限变分分析

考虑岩土体材料的非均质性,本文分析了圆形浅埋硐室顶部双层围岩塌落稳定性。在极限分析上限定理的基础上,构建圆形截面浅埋硐室双层围岩机动许可的速度场,根据Hoek-Brown非线性破坏准则及相关流动法则,推导了塌落极限状态下内能耗散功率以及外力做功功率计算式。根据虚功原理构造泛函,利用变分法求解泛函的极值,进而根据边界条件求得待定系数,并得到了塌落破坏曲面形状。参数分析表明,材料参数A和B以及容重γ的变化对破坏形状有显著影响,而单轴抗拉强度对破坏形状的影响较小。对比了极限分析有限元软件Optum G2的上限结果,两者破坏面吻合较好,由此可说明本文方法的有效性,可为浅埋隧道设计提供理论参考。     

汶川强震区震裂山体分布特征与成灾模式研究

为研究2008年汶川8.0级地震强震区震裂山体灾害的分布特征及其成灾模式，首先基于植被退化趋势法和全球地表类型覆盖图等多源数据融合方法对研究区震裂山体进行识别，建立了124处典型震裂山体灾害点数据集。分析表明：震裂山体分布特征与地震的峰值加速度(PGA)等值线和断层距呈现高度正相关性，受高程放大效应和地形影响，85.48%的灾害点发育于泥石流沟域内，同时94.35%的震裂山体来源于同震滑坡后缘的持续变形；震裂山体主要成灾模式包括高位震裂山体高速崩滑碎屑流、高位震裂山体崩滑铲刮侵蚀型泥石流和高位震裂山体多点崩滑堵溃型泥石流三种灾害链。研究结果对强震区震裂山体灾害的全面识别和综合防治及强震区工程规划具有一定参考价值。     

北川县城汶川地震震害特征及其成因探讨

根据笔者在汶川大地震极震区北川县城现场考察的第一手资料,分析了2008年5月12日汶川8.0级大地震后北川县城的震害特征,论述了北川县城地震后建筑物、生命线工程的破坏以及次生地质灾害;并对造成各类震害的原因进行了初步的探讨。最后,在总结震害特征及其成因的基础上,提出了当前应加强研究的相关课题,旨在为今后的工程抗震设防和研究提供参考。     

一种计算地下结构地震主动土压力的新方法

针对目前地下结构地震土压力设计方法的研究现状,介绍了计算挡土墙地震主动土压力的物部·冈部公式及浅埋隧道谢家然围岩压力理论。并结合物部·冈部公式、谢家然理论提出了一种适用于计算地下结构地震土压力的新方法。该方法基于极限平衡理论,根据谢家然理论提供的滑裂面参数构造了滑动土体,采用物部·冈部公式计算了滑动土体作用在地下结构边墙上的地震土压力。最后结合工程实例,将本文方法与其它计算方法进行了比较,评价了该计算方法的优缺点。     

非线性破坏准则下深埋小净距隧道围岩压力研究

围岩压力大小是影响隧道稳定性的重要因素，也是进行合理支护设计与安全施工的前提。考虑围岩破坏的非线性特征，基于极限分析上限法推导深埋小净距隧道围岩压力公式，给出优化求解的过程，并与规范法进行验证对比，最后就相关影响因素做参数分析。结果表明：该方法与公路隧道设计规范的方法计算结果相对误差较小，且表现的规律一致，即两隧道内侧围岩压力大于外侧的围岩压力，也即中夹岩受力大，验证了本文计算方法的合理性；增大水平方向支护力，可有效减少隧道顶部的压力，提高隧道稳定性；竖向平均围岩压力随着净距的增大而增大，两者大致呈非线性相关的关系，增大幅度逐渐减小；围岩压力随着非线性Hoek-Brown准则中参数GSI、m_i、σ_ci增大而减小，所以对于软弱围岩，可以进行加固，改善自身力学性质，从而提高围岩自身承载力，减少隧道承受的围岩压力。     

铁路隧道结构构造重要度权重计算分析研究

在地震灾害发生后,铁路隧道会受到不同程度的破坏,如何对震后损失情况进行定性定量评估成为一项非常重要的工作。本文从铁路隧道结构构造角度出发,采用分层加权综合评估法对铁路隧道的不同构造及常见震害形式权重值进行了计算、分析,研究表明:在铁路隧道震后灾害损失定量评估时,准确合理的权重值,可以实现震后单座隧道以及整个震区所有隧道的震害损失评估,也可以为震害修缮或重建决策提供依据。     

四川省北川县暴雨泥石流的发育与汶川地震的响应特征

2008年9月24日,在汶川8.0级地震主要震区北川县境内爆发了区域性的泥石流灾害,造成了重大的灾情。为探明震区内暴雨泥石流发育与地震的响应特征,以北川县为例,在对该区域内震后暴雨泥石流特征调查的基础上,对境内72条暴雨泥石流沟的发育特征与断裂带相对位置及不同地震烈度区的对应关系进行了分析。结果表明,汶川地震后,北川县境内的暴雨泥石流数量具有典型的"上下盘效应",主要集中分布在断裂带(北川—映秀)的上盘;同时,泥石流的发育密度与地震烈度也表现出显著的"正烈度效应"关系,主要表现为泥石流发育的密度随地震烈度的增加而增大。研究结果对解释地震对泥石流发育及分布的影响具有重要的作用,可为震区泥石流的防灾减灾及风险控制提供科学依据。     

深埋岩溶隧道掌子面突水灾害可靠性上限分析∗

旨在研究高地应力、高压富水条件下深埋岩溶隧道掌子面突水灾害的可靠性问题。基于已有研究成果,考虑高地应力以及高压富水地质条件,采用极限分析上限法构建了以剪切破坏为主的深埋岩溶隧道掌子面三维防突机制。根据虚功率原理建立突水破坏过程中的能量方程,利用Hoek-Brown 强度准则求解了高地应力以及高压富水条件下防止掌子面突水所需要的支护力上限解。在极限破坏状态下,根据掌子面上施加的支护力与突水破坏时的围岩压力构建极限状态方程,建立了深埋岩溶隧道掌子面防突可靠度模型,并采用响应面法计算了掌子面发生突水灾害的失效概率。分析了水平地应力、溶腔水压力、岩体强度参数以及隧道洞径对支护力、潜在破坏长度的影响规律,给出了满足不同容许失效概率下深埋岩溶隧道预防突水灾害所需要的最小支护力以及在有限支护效应下能抵抗的最大破坏长度。将研究成果应用于实际工程案例中,与已有研究、现场结果相比较,验证了本文计算结果的有效性,可为今后类似深埋岩溶隧道的防突问题提供理论指导和参考。     

强震区震后泥石流物源起动机制研究现状

汶川特大地震对震区山体结构的破坏导致震后泥石流物源激增,次生泥石流灾害频发。为进一步探究震后泥石流物源起动机制,通过资料收集与分析的方法,概述了强震区震后泥石流物源起动机制研究现状,从野外调查、物理模拟试验、数值模拟分析三个方面总结了目前震后泥石流物源起动机制研究的主要进展及理论成果,在此基础上,提出针对震后泥石流物源起动机制进一步研究的建议:模型试验应加强降雨过程、降雨类型等相似律的研究;数值模拟分析计算模型应注重考虑侵蚀和挟带影响,同时加强区域大尺度复杂地形泥石流起动的模拟分析;此外,应重视地质环境脆弱山区高位物源成灾机理研究。