地震和渗流作用下岩质边坡稳定性的离散元模拟及复杂网络评价

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我国西部地区海拔都比较高,高山林立,自然边坡数量很多,但西部地区又是一个地震多发的区域。受各种因素影响,很容易发生山体滑坡,这对人民的财产和安全,以及国家在西部地区的建设有很大影响。因此研究造成山体滑坡的因素,以及边坡破坏的机制很有意义。造成山体滑坡的因素有很多,自然因素、人为因素等。比如地震造成的边坡滑移破坏主要发生在节理发育较好的岩体中,使局部岩体强度大大增强,当地震作用时,如果出现了小区域剪切破坏形成了小裂缝,地震载荷持续的作用下,局部裂缝将被放大,最终被分割开来,及完全被破坏。岩石中由于节理的存在就有岩石裂缝,在流体的流通作用下裂缝会慢慢的变大,导致岩体强度不足,最终发生变形破坏。研究各种因素下边坡破坏的原因对预防边坡破坏发生有一定指导作用,本文主要从地震和渗流两个因素来分析边坡破坏的具体原因。首先用离散元程序UDEC(Universal Distinct Element Code)模拟岩质边坡渗流并分析其失稳原因。通过改变边坡右侧的水位高度的边界条件为变量,分析边坡渗流失稳的原因,通过对边坡的位移、速度、应力、孔隙压力、水流速度等参数进行分析,并监测最容易失稳区域内的点,得出的结果表明,在边坡右侧水位为6m、8m时,各项参数都显示坡脚位置最容易发生破坏,但坡脚还是处于稳定状态,当右侧水位上升到10m时,边坡坡脚上方位置一块体发生了滑移破坏,导致破坏的原因可能是,坡脚处水流流速过快、水位升高,孔隙压力增大、块体受到的拉应力过大。其次用离散元程序UDEC研究了岩质边坡受地震波作用的动态响应,首先研究了岩质边坡仅受重力作用下达到平衡状态,得到了边坡的位移图、速度图、应力图等。边坡受重力平衡后再在底部施加一个大小为5Mpa频率为30HZ的余弦地震波,岩质边坡斜坡及坡顶区域发生了明显的滑移破坏,该区域内存在很大的拉应力,这是导致边坡破坏的主要原因。随后引入复杂网络理论来分析岩质边坡受渗流和地震作用的动态响应,选择了复杂网络中有代表性的3个拓扑参数(平均度、平均聚类系数、平均路径长度),以不同大小的岩石粘聚力和不同强度的地震载荷为变量,得到相应岩质边坡模型的复杂网络拓扑模型,分析粘聚力、地震载荷强度和这3个拓扑参数之间的关系。最后引入复杂网络相关参数(边的权重、节点点权、平均最短路径、集聚度等)和求解复杂网络中关键节点的节点收缩法来寻找危岩边坡发生崩塌破坏的关键节点,并用UDEC进行模拟来验证其正确性。
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