基于损伤力学和断裂力学的危岩稳定性及工程计算原理

摘要

危岩是指位于陡崖或陡坡上被岩体结构面切割且在重力、地震、裂隙水压力等诱发因素作用下稳定性较差的岩石块体，是山丘地区主要地质灾害类型及灾害性地貌过程，其失稳具有突发性、致灾具有毁灭性。仅三峡库区便有危岩体5万多个，直接威胁着80多万人生命安全和数百亿元的财产安全。陈洪凯教授及其团队基于多年对三峡库区危岩研究，认为危岩破坏的本质是主控结构面在荷载作用下的断裂扩展。因此，本文基于危岩主控结构面的损伤．断裂力学机理，建立每类危岩不同荷载组合下的稳定性计算以及支撑、锚固与支撑．锚固联合等防治工程计算理论，为危岩的有效防治提供更深入理论支撑。所完成的主要内容及创新成果如下： (1)从各类危岩所处的应力状态出发，分析了处于拉剪和压剪情况下，危岩主控结构面断裂扩展规律，并针对不同的荷载组合，明确了危岩主控结构面断裂角θ与结构面倾角β、所受应力状态、应力大小及裂隙水压力作用之间的关系。运用断裂力学方法建立了危岩主控结构面断裂强度因子计算方法。 (2)假定危岩主控结构面尖端损伤区由应力条件决定，将危岩主控结构面裂端的区域分为K场控制区域、主控结构面裂端损伤区和损伤局部化带。进一步将危岩主控结构面裂端损伤效应集中到损伤局部化带上，依据主控结构面的受力机理将结构面损伤分为受拉损伤和受剪损伤，采用有剩余强度的弹脆性突然损伤模型，对受拉损伤和受剪损伤情况下的损伤局部化带进行了求解。 (3)建立了危岩主控结构面损伤．断裂耦合的等效模型及基于损伤-断裂的危岩稳定性计算理论。以R<,s>=K<,ic>/K<,i>为本文稳定性判别标准，推导了每类危岩在不同荷载组合下的稳定性计算公式。并以万州首立山危岩为实例，与基于极限平衡原理的稳定性计算方法所得结果进行了对比，结果表明本文方法计算反映的危岩稳定状态更为敏感，且竖向地震力的作用不容忽视，荷载组合时应视水平地震力与竖向地震力两种情况最不利者作为控制荷载。 (4)基于危岩主控结构面的损伤．断裂力学机理，分析了支撑、锚固及支撑一锚固联合防治对危岩的增韧阻裂作用，建立了相应的支撑、锚固及支撑-锚固联合等防治工程计算方法。并将该方法运用于万州太白岩防治工程，结果表明本文方法正确、可行。 前述研究显著推动了危岩研究进一步深入，为危岩稳定性的准确评价提供了更坚实的理论基础，增强了防治工程的针对性和有效性。

目录

文摘

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第一章绪论

1.1本课题研究的目的和意义

1.2危岩稳定性计算理论研究现状

1.2.1危岩失稳模式

1.2.2危岩稳定性计算方法

1.2.3危岩防治工程计算

1.3危岩损伤-断裂力学的研究基础

1.3.1岩石断裂韧性理论

1.3.2岩石断裂损伤过程区

1.3.3危岩主控结构面损伤-断裂研究

1.4本文研究的内容、思路及方法

第二章基于极限平衡原理的危岩稳定性及防治工程计算方法简介

2.1荷载类型

2.1.1重力和地震力

2.1.2裂隙水压力

2.2荷载组合

2.3危岩稳定性计算方法

2.3.1滑塌式危岩稳定性计算

2.3.2倾倒式危岩稳定性计算

2.3.3坠落式危岩稳定性计算

2.4危岩防治工程计算

2.4.1危岩支撑计算

2.4.2危岩锚固计算

2.4.3支撑-锚固联合计算

2.5本章小结

第三章危岩主控结构面断裂扩展规律及应力强度因子

3.1危岩失稳的宏观力学机理

3.1.1拉剪倾倒型危岩破坏机理

3.1.2压剪滑动型危岩破坏机理

3.1.3拉裂坠落型危岩破坏机理

3.1.4拉裂-压剪坠落型危岩破坏机理

3.1.5拉剪坠落型危岩破坏机理

3.2危岩主控结构面断裂扩展规律

3.2.1单向应力作用下的主控结构面扩展

3.2.2双向应力作用下的主控结构面的扩展

3.2.3单向应力及裂隙水压力作用下的主控结构面的扩展

3.2.4双向应力及裂隙水压力作用下的主控结构面的扩展

3.3危岩应力强度因子计算方法

3.3.1拉剪型危岩应力强度应子计算方法

3.3.2压剪型危岩应力强度应子计算方法

3.4本章小结

第四章危岩主控结构面损伤机理

4.1主控结构面损伤模型

4.1.1主控结构面尖端损伤区

4.2损伤局部化带的求解

4.2.1受拉损伤局部化带求解

4.2.2受剪损伤局部化带求解

4.3主控结构面尖端损伤应力σ0、τ0

4.4本章小结

第五章基于损伤-断裂机理的危岩稳定性计算理论

5.1基于损伤-断裂机理的危岩稳定性分析基本理论

5.1.1危岩主控结构面损伤-断裂判据

5.1.2岩石断裂韧度

5.1.3稳定系数的定义

5.1.4危岩稳定性分析基本流程

5.2荷载组合

5.3危岩稳定性计算

5.3.1拉剪倾倒型危岩

5.3.2压剪滑动型危岩

5.3.3拉裂坠落型危岩

5.3.4拉裂-压剪坠落型危岩

5.3.5拉剪坠落型危岩

5.4工程应用

5.4.1工程概况

5.4.2工程实例计算分析

5.5本章小结

第六章基于损伤-断裂机理的危岩防治工程计算理论

6.1支撑计算

6.1.1拉剪坠落型危岩支撑计算

6.1.2拉裂坠落型危岩支撑计算

6.1.3拉裂-压剪坠落型危岩支撑计算

6.1.4拉剪倾倒型危岩支撑计算

6.1.5危岩支撑计算工程实例

6.2锚固计算

6.2.1拉剪坠落型危岩锚固计算

6.2.2拉剪倾倒型危岩锚固计算

6.2.3压剪滑动型危岩锚固计算

6.2.4危岩锚固计算工程实例

6.3支撑-锚固联合计算

6.4本章小结

第七章结论和建议

7.1结论

7.2建议

致 谢

参考文献

附 录 攻读学位期间参加的科研项目及发表的论文