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地震诱发石碑塬低角度黄土滑坡形成机理的试验研究

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摘要

第1章 前言

1.1 选题依据及研究意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 黄土的基本物理力学性质研究

1.2.2 黄土的动力特性研究

1.2.3 黄土液化的研究

1.3 研究内容、方法与技术路线

1.3.1 研究内容

1.3.2 研究方法与技术路线

1.4 取得创新性成果

第2章 石碑塬地区地质环境及滑坡基本特征

2.1 石碑塬地区工程地质环境条件

2.1.1 气象与水文

2.1.2 地形地貌

2.1.3 地层岩性

2.1.4 区域构造与地震

2.1.5 水文地质

2.2 海原地震概况及本区液化问题

2.2.1 海原地震发生背景

2.2.2 海原地震诱发石碑塬滑坡概况

2.3 石碑塬滑坡变形破坏特征

2.3.1 石碑塬滑坡形态、规模及发育特征

2.3.2 滑坡物质结构特征

2.3.3 滑坡运动过程与堆积特征

2.4 石碑塬滑坡区别于其它滑坡的显著特点

2.5 现场取样及室内试验工作安排

2.6 本章小结

第3章 石碑塬黄土结构特征与静力学性质

3.1 引言

3.2 研究区黄土物理性质与结构特征

3.2.1 基本物性

3.2.2 矿物成分

3.2.3 黄土结构特征

3.2.4 黄土饱和方法研究

3.3 黄土结构强度试验研究

3.3.1 黄土的结构强度概述

3.3.2 黄土的结构性定量化参数研究

3.4 黄土的非饱和特性

3.4.1 非饱和土的强度准则

3.4.2 黄土土水特征曲线试验研究

3.4.3 非饱和黄土抗剪强度试验研究

3.5 本章小结

第4章 石碑塬黄土动力学特性试验研究

4.1 引言

4.2 黄土动力学参数试验设计

4.2.1 试验仪器和试验样品

4.2.2 试验内容和试验方法

4.3 黄土动参数试验结果

4.3.1 动模量与阻尼比

4.3.2 黄土动强度

4.4 黄土动参数影响因素分析

4.4.1 黄土结构性对动模量、阻尼比的影响分析

4.4.2 黄土动强度的影响因素及取值分析

4.5 本章小结

第5章 石碑塬黄土液化特性及其影响因素研究

5.1 引言

5.2 黄土液化试验设计

5.2.1 试验样品和试验仪器

5.2.2 试验方案设计

5.3 黄土液化试验结果与分析

5.4 黄土液化孔压增长规律

5.5 黄土液化影响因素分析

5.5.1 粒度组成(粘粒含量)对黄土抗液化强度的影响

5.5.2 孔隙结构对黄土液化特性的影响

5.5.3 孔隙水化学作用对黄土液化特性的影响

5.6 本章小结

第6章 饱和黄土液化后强度衰减及稳态变形特征

6.1 引言

6.2 稳态强度试验设计

6.2.1 试验样品和试验仪器

6.2.2 试验方案

6.3 黄土动力液化后再单调剪切试验结果与分析

6.4 黄土静态液化试验结果与分析

6.4.1 黄土的稳态强度

6.4.2 饱和度对稳态强度的影响

6.4.3 加载速率对稳态强度的影响

6.4.4 排水条件对稳态强度的影响

6.5 饱和黄土的稳态线分析

6.6 黄土液化流动的应力应变关系分析

6.6.1 饱和黄土液化后“剪切稀化”特征

6.6.2 饱和黄土液化的应力应变关系

6.7 本章小结

第7章 地震作用下石碑塬黄土滑坡成因机制分析与数值模拟

7.1 引言

7.2 石碑塬滑坡成因机制分析

7.3 石碑塬斜坡液化流动的数值模拟

7.3.1 FLAC软件中的液化计算方法

7.3.2 液化分析模型的建立

7.3.2 液化模拟结果及分析

7.4 本章小结

第8章 结论与展望

8.1 结论

8.2 进一步研究展望

致谢

参考文献

攻读学位期间取得学术成果

攻读学位期间参与科研项目

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摘要

对1920年8.5级海原大地震诱发的黄土滑坡调查发现,有一类滑坡具有低角度、长滑距的运动特征,且破坏强、危害大,其成因机制一直倍受关注,同时也颇具争议,很多问题仍有待进一步探讨。
  选取海原地震诱发的石碑塬黄土滑坡,开展了石碑塬滑坡遗迹勘查、黄土基本物理力学性质测试、黄土微结构电镜扫描试验、动力液化试验、大型环剪试验等,针对该区马兰黄土纵向分布不均匀的特点,对黄土的结构特征、静力学与动力学特性进行了深入研究,讨论了饱和黄土的动力液化特性及其控制因素,揭示了动荷载作用下饱和黄土液化过程中超孔压的产生与发展规律,探讨了饱和黄土液化后强度与变形的发展趋势,在此基础上,进一步分析石碑塬斜坡地质原型,结合数值模拟,对地震诱发饱和黄土层液化后低角度长距离滑坡的形成机理进行了论证。通过研究,初步获得如下主要认识:
  (1)基于石碑塬滑坡的遗迹勘查发现,石碑塬滑坡具有明显区别于其它滑坡的特征:①堆积体成块状或波浪状,此起彼伏,绵延数里,具明显的液化特征;②滑坡视摩擦角为2.86°~3.12°,滑坡侧壁不甚明显;③滑动带为一厚度较大的软塑带,无明显擦痕或磨光面。
  (2)在对石碑塬斜坡地质结构进行分析的基础上,通过室内试验研究不同深度、不同类型黄土样品,从物质组成、结构特征、强度参数、非饱和特性和动参数等方面进行对比分析,揭示了滑坡区马兰黄土纵向分布和力学性质的不均匀性,分别得到了动弹性模量、阻尼比及动强度与干密度、含水率、固结比、振动频率及振动次数等影响因子之间的定量关系,为黄土动力学参数的取值提供了科学依据。
  (3)试验揭示了饱和黄土振动液化过程中孔压增长规律,凝聚了黄土液化特性的控制因素主要为粒度组成、孔隙结构和饱和度,定量分析了各控制因素对液化强度的影响机制。振动作用下,饱和黄土的黏粒含量越低,孔隙水压力增长速度越快,抗液化强度越低;饱和黄土孔隙比越大,振动前后大中孔隙相对减少量越显著,抗液化强度越低;饱和度对黄土粒间胶结物质的赋存状态及黄土结构强度影响很大,黄土饱和度越高,抗液化强度越低。
  (4)试验获得了石碑塬滑坡滑带土液化后的稳态强度和稳态线,揭示了稳态强度与前期应力路径无关,但受到黄土孔隙比、围压、饱和度、剪切速率、排水条件等因素的影响。稳态强度随着黄土孔隙比、饱和度与剪切速率的增大而减小,随着围压和排水速率的增大而增大。研究结论较好地展示了强震作用下饱和黄土层液化后进入长距离稳态变形的破坏机制。
  (5)为黄土斜坡动力响应机制的试验研究提供了一套涵盖现场取样、试验准备、试验方案及成果分析等系列环节的技术方法。而且在饱和黄土样品的制备中,通过将CO2钢瓶、蠕动泵、GDS压力控制器与MTS土动三轴试验机进行组合,优化了黄土的饱和方法与流程;在黄土液化后强度与变形规律的试验中,实现了对孔压消散速率的控制。
  (6)对石碑塬滑坡成因机制进行分析发现,位于地下水位线附近的砂质黄土、粉质黄土层是发生震动液化的物质基础,特殊的水文地质条件和超强的动力条件是该区发生地震液化的主要触发因素,石碑塬滑移区内峰谷相间的波状起伏地貌和砂质黄土层段的扰动形态成为其液化流滑的有利证据,综合分析石碑塬滑坡的成因机制为:地震动作用下黄土结构破坏-饱和带超孔压累积发展-饱和带黄土液化上涌与侧向扩离-上覆黄土层引张拉裂-液化带托浮上层黄土长距离流滑。
  采用数值模拟技术,模拟再现了强震下石碑塬地区饱和黄土层超孔压产生、累积与发展,同时有效应力逐渐降低、剪位移不断发展、最后形成贯通滑动面的整个过程,揭示了强震诱发饱和黄土层液化后低角度长距离滑坡的形成机理。

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