考虑破碎效应的高速远程滑坡运动过程与堆积特征研究

作     者：姬彦东 

作者单位：西南交通大学 

学位级别：硕士

导师姓名：程谦恭

授予年度：2022年

学科分类：081803[工学-地质工程] 08[工学] 0818[工学-地质资源与地质工程] 

主      题：高速远程滑坡 破碎 运动过程 地震动信号特征 堆积特征 物理模型实验 

摘      要：岩块破碎是高速远程滑坡中普遍存在的现象之一,是促使滑坡运动形式由“滑动向“流动转变的重要原因,也是扩大滑坡致灾范围的关键条件之一。高速远程滑坡的堆积体是滑体碎屑化运动的产物,保存了滑坡运动过程中大量的物理力学信息。在考虑滑体破碎效应的前提下研究高速远程滑坡的运动过程和堆积特征,对于揭示高速远程滑坡高流动性运动机理,指导山区高速远程滑坡防灾减灾工作,具有重要意义。本文在充分考虑破碎效应的基础上,设计并开展了高速远程滑坡碎屑化运动斜槽物理模型实验,获取了滑体碎屑化运动时间、速度、流态、运动过程中产生的地震动信号以及最终堆积特征等定量参数,分析滑体碎屑化作用下滑坡运动规律与沉积特征,从破碎效应和流态化的角度揭示了高速远程滑坡堆积结构的成因机制。取得的主要结论如下:(1)滑体的碎屑化运动过程可分为失稳启动、加速下滑、撞击破碎和减速停积四个阶段,破碎现象贯穿于滑体的全运动过程。初始破碎程度(宽高比)和块体强度两大初始条件影响滑体各阶段的运动特征和滑体最终的破碎程度。实验尺度下所有工况的相对破碎率(B)的范围为0.02～0.50,破碎质量比(M)的范围为0.07～0.71,分形维数(D)的范围为1.04～2.54,略小于真实滑坡堆积体的分形维数。滑体碎屑化程度与块体强度成反比关系,与块体宽高比成正比关系。(2)通过PIV分析,可获得滑体碎屑化运动的速度参数。在加速下滑阶段,前缘速度较大,中部和尾部速度相对较小;在撞击破碎阶段,前缘速度迅速减小,位于倾斜槽段的块体速度基本保持不变;在减速停积阶段,前缘和底层的块体首先停积,尾部和上层的块体最后停积。在滑体碎屑化运动过程中,小宽高比(D、D)工况的速度沿深度方向上呈现出上大下小的分布特征,存在速度剪切,且在加速下滑阶段速度剪切较弱,在撞击破碎阶段速度剪切较明显。实验中所有工况的Savage数均大于0.1,滑体碎屑化运动表现为惯性态,颗粒间相互作用以碰撞为主。实验中块体颗粒温度随块体宽高比和强度的增大而减小。(3)滑体碎屑化运动距离随着块体强度和宽高比的增大而增加,其中块体的宽高比对运动距离的影响更大。在相同宽高比条件下,滑体运动距离随着破碎程度的增大而减小。实验中,表观摩擦系数(Φ)的分布范围为0.4～0.65,等效摩擦系数(Φ)的分布范围为0.6～0.95,两者成正相关关系,关系式为:(?)=0.48(?)+0.15(R=0.88)。此外。堆积体的厚度和堆积形态受块体宽高比的影响较大。(4)滑体碎屑化运动过程中由于块体间及块体与斜槽间的碰撞、摩擦、破碎等作用产生1～2k Hz的高频地震动信号。地震动信号特征参数与滑体碎屑化运动过程有强烈的相关性,随破碎程度增加,滑体与底面的相互作用减弱,地震动信号的峰值、阿里亚斯强度、能量均下降。随着滑体运动距离的增加,地震动信号峰值、阿里亚斯强度、地震动能增大,频率形心减小。表观摩擦系数、等效摩擦系数与信号峰值、阿里亚斯强度、地震动能成负相关关系,与频率形心成正相关关系。(5)从堆积体剖面可以观察到堆积体中不同位置的块体具有不同的定向排列特征,指示滑体的运动和停积机制,根据块体的定向排列特征,将堆积体从后往前可依次划分为“拉张区、“挤压区和“抛洒区。堆积体中与破碎相关的沉积学结构主要有反粒序结构、层序保留结构、架空结构、拼贴构造等。堆积体中反粒序结构形成的主要原因为差异性破碎,滑体底层剪切作用强烈,向上剪切作用逐渐减小,因此,靠近斜槽底板附近的块体破碎程度高,向上块体破碎程度减小。由于滑体的剪切运动特征,源区层序在堆积体中基本得到保留,但也发生了一定程度的改变,指示滑体整体做低扰动运动。架空结构同样是由于剪切运动与块体间的碰撞作用形成,指示局部存在较高扰动的运动。拼贴构造在堆积体中主要分布在表层和中上部,表现为“破而不碎、碎而不散的特征。