层状岩体破坏特征的试验和数值分析及其边坡稳定性研究

摘要

自然界中具有层状构造的沉积岩占陆地面积的2/3，层状岩体因开挖的影响，往往容易发生滑坡、崩塌等地质病害，造成巨大经济损失。目前国内外学者对于层状岩体的物理力学性质指标、结构面的抗剪强度测定及层状岩体边坡稳定性等方面的数值研究有一定的发展。
　　 论文通过收集前人资料、理论分析、室内试验及数值仿真技术，对层状岩体的压缩特性、结构面的剪切特性、层状岩体边坡稳定性及边坡锚固等相关方面进行了相应的系统研究，为工程实践提供科学指导。
　　 引入描述横观各向同性体的数值计算方法，并对比理论分析结果与数值计算结果之间的差别，表明数值方法能够较好地描述层状岩体的破坏特征。
　　 层状岩体室内单轴压缩试验得到不同结构面倾角下岩样的应力应变曲线，曲线表明随着结构面倾角的增大，层状岩体的压缩强度呈先减小后增大的趋势。同时，通过层状岩体单轴和三轴压缩数值计算，探讨了压缩情况下，层状岩体的强度和变形特征、岩样的结构面效应、尺寸效应，以及加载速率的影响，结果表明不同倾角下，岩样的压缩强度均随岩样直径的增大而减小，随加载速率的增大而增大，在实际试验过程中，应根据模拟的工况不同采用不同的加载速率；随着围压的增大，岩石应力峰值附近的塑性变形也增大，试件达到峰值强度的变形量也不断增大，试件延性特征增强，试样的弹性模量不断线性增大。数值模拟得到的岩石压缩强度变化规律与室内试验的规律相同。
　　 在结构面的室内和数值试验中，分析了结构面力学变形特性和影响参数，其结果表明，试样剪切强度与正应力之间符合Mohr-Coulomb线性关系；结构面的峰值剪切强度随剪切速率的增加逐渐增大；数值计算得到的结果与室内试验得到的结果相同，验证了数值试验的可靠性。
　　 对于层状岩体边坡的稳定性采用了三维数值方法进行计算，探讨了边坡滑动面随强度参数的变化情况，其结果表明，不同结构面情况下，随着结构粘结力的增大，边坡滑动面逐渐从临坡面向坡内移动，滑动模式由浅层滑动转换为深层滑动；随着内摩擦角的增大，边坡的安全系数逐渐增大，滑动面从深部往浅部移动。
　　 为了进一步探讨层状岩体的锚杆支护方法，分析锚杆在层状岩体中的受力和变形特征，建立了锚杆力学特征模型，该模型既考虑了锚杆的轴向应力应变特征也考虑了锚杆在横向的应力应变特征；利用数值方法对岩质边坡锚固效应的情况进行数值模拟，从宏观的角度揭示出锚杆加固后，层状岩体边坡不同区域的位移响应以及锚杆的应力变化情况。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 本文研究的目的和意义

1.2 层状岩体国内外研究状况

1.2.1 层状岩体特征描述的理论模型

1.2.2 层状岩体压缩强度特性

1.2.3 岩体层面剪切强度特征

1.2.4 层状岩体边坡稳定性计算方法

1.3 技术路线

1.4 主要研究内容

第二章 层状岩体的理论模型及其数值描述方法

2.1 引言

2.2 层状岩体描述的理论模型

2.2.1 正交各向异性体理论模型

2.2.2 横观各向同性体理论模型

2.3 横观各向同性的弹塑性模型

2.4 层状岩体强度特征的数值描述

2.4.1 算例模型

2.4.2 层状岩体破坏机理的理论分析

2.4.3 算例计算结果与讨论

2.5 本章结论

第三章 层状岩体压缩强度特性研究

3.1 前言

3.2 层状岩体的破坏判别

3.3 室内试验研究

3.4 数值计算研究

3.4.1 应变软化特征的数值处理

3.4.2 倾角对强度的影响

3.4.3 层状岩体尺寸效应分析

3.4.4 层状岩样长径比的影响

3.4.5 层状岩样加载速率的影响

3.5 考虑围压影响下的层状岩体压缩特性

3.5.1 围压对强度的影响

3.5.2 围压对变形特征的影响

3.6 本章结论

第四章 岩体层面剪切强度特性研究

4.1 前言

4.2 结构面的力学描述

4.2.1 法向切向变形特征

4.2.2 峰值剪切特性

4.2.3 剪胀关系

4.3 结构面的形态特征

4.2.1 平直和台阶状

4.2.2 锯齿形和波浪形

4.4 结构面剪切强度特性分析

4.4.1 结构面力学特征的室内试验分析

4.4.2 结构面描述的数值实现

4.4.3 结构面力学参数的选取

4.4.4 结果与讨论

4.5 本章结论

第五章 基于层状岩体理论模型的边坡稳定性分析

5.1 引言

5.2 影响层状岩质边坡稳定性的主要因素

5.3 层状岩质边坡破坏机理

5.3.1 层状岩质边坡的工程特性

5.3.2 层状岩质边坡破坏机理

5.4 层状岩质边坡稳定性的数值分析

5.4.1 计算方法与模型

5.4.2 结构面粘结力的影响

5.4.3 结构面内摩擦角的影响

5.4.4 结构面参数变化情况下滑动面分析

5.5 本章结论

第六章 层状岩质边坡锚杆加固的数值分析

6.1 前言

6.2 数值计算原理

6.3 顺层边坡滑动范围分析

6.4 数值计算模型

6.4.1 模型介绍

6.4.2 锚杆力学模型

6.4.3 数值监测点布置

6.4.4 岩体破坏准则

6.5 数值计算结果与讨论

6.5.1 监测点水平位移

6.5.2 监测点总位移

6.5.3 锚杆轴力

6.6 本章结论

第七章 工程应用实例

7.1 工程概况

7.2 地质调查方法

7.3 层状岩体边坡地质调查

7.3.1 水毁灾害

7.3.2 滑塌

7.3.3 危岩

7.3.4 滑坡

7.3.5 岩溶塌陷

7.4 层状岩体边坡支护方案

7.4.1 支护方案研究

7.5 本章结论

第八章 结论与展望

8.1 全文结论

8.2 展望

参考文献

致谢

攻读学位期间主要的研究成果