节理岩质边坡稳定性分析方法及应用

摘要

岩体是岩石的集合体,内部存在节理、裂隙、断层等结构面,岩体各项强度主要受结构面控制。岩质边坡主要由岩体构成,岩质边坡失稳破坏往往是由于结构面的破坏引起的。所以,对岩质边坡进行稳定性分析需考虑到节理、裂隙等结构面的开裂扩展。
　　目前岩质边坡稳定性分析方法主要包括极限平衡法、极限分析法和各类数值方法。极限平衡法、极限分析法难以考虑裂缝扩展,而不同数值方法在模拟裂缝扩展时存在局限,有限元法每一次计算裂缝扩展需重新对模型划分网格,数值流形法在裂纹尖端存在局部化现象等。扩展有限元法(XFEM)克服了在裂隙尖端进行高精度网格划分带来的困难,模拟裂缝扩展时无需重新划分网格。
　　本文采用扩展有限元法,模拟岩质边坡在荷载作用下的裂缝扩展过程,根据裂缝的扩展情况,采用矢量和法对边坡进行抗滑稳定性分析,采用强度折减法对边坡进行崩塌以及倾倒稳定性分析。具体研究内容及成果如下:
　　(1)采用扩展有限元法模拟崩塌破坏中的裂缝扩展,通过折减岩体抗拉强度模拟裂缝扩展,以裂缝扩展贯通危岩体作为崩塌破坏的标志,以此时的折减系数作为崩塌破坏的安全系数。并以云南省水富-麻柳湾公路一危岩体为例,基于最大拉应力破坏准则,计算了当张拉缝在不同位置、不同倾角时的安全系数,并给出该危岩体的张拉缝最不利位置。
　　(2)对于存在张拉缝的顺层岩质边坡,张拉缝与主控结构面未贯通时,通过扩展有限元法获得张拉缝的扩展路径,获得滑体破坏时的形状。基于滑体当前受力情况,采用矢量和法计算出滑体的总下滑力矢与总阻止滑体下滑力矢(包括主控结构面提供的抗滑力以及裂缝破坏时扩展路径处提供的拉力),将阻止滑体下滑总力矢与总下滑力矢投影至下滑方向,进行比值获得抗滑稳定安全系数。并通过算例计算了张拉缝长度、位置不同时边坡的安全系数。
　　(3)地震作用下岩质边坡内部裂隙可能开裂扩展,对边坡稳定造成不利影响。本文采用扩展有限元法模拟地震作用下边坡内裂隙扩展发育过程,根据任一时刻的裂缝扩展情况判断此时的潜在滑面,根据此时的应力场采用矢量和法计算抗滑稳定安全系数,最终绘制安全系数时程曲线。
　　(4)极限平衡法将楔体看做刚体,在求解楔体受力时需引入假定。Hoek-Bray法假定两个底滑面上的剪应力平行结构面交线。本文根据有限元法求解出楔体的真实受力,采用矢量和法求解楔体的抗滑稳定安全系数。
　　(5)采用扩展有限元法模拟被反倾向结构面切割的岩质边坡受力情况,通过折减岩体抗拉强度,模拟最可能发生倾倒破坏岩柱的裂缝扩展;以岩柱不能保持稳定的抗拉强度折减系数作为倾倒安全系数。对于在外荷载作用下不能保持稳定或安全储备较小的岩柱,需计算其倾倒后对相邻岩柱的作用力,继续对相邻岩柱进行稳定性分析。以链子崖为实例,对可能破坏的岩柱进行抗倾覆稳定分析与抗滑稳定分析,得出该危岩体的抗倾覆安全系数为2.5,抗滑稳定系数为1.51,可能的破坏方式为整体发生滑动破坏。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

1 绪论

1.1研究背景及研究意义

1.2国内外研究现状

1.3本文研究的主要内容

1.4主要研究成果及创新点

2 岩质边坡岩体结构与破坏形式

2.1引言

2.2边坡岩体结构

2.3岩质边坡破坏形式

2.4本章小结

3 岩石强度理论与断裂模拟方法

3.1引言

3.2岩石强度准则

3.3岩石断裂准则

3.4扩展有限元法

3.5本章小结

4 崩塌破坏过程模拟及其稳定性分析

4.1引言

4.2已有稳定性分析方法

4.3存在问题

4.4基于裂缝扩展的崩塌稳定性分析方法

4.5水富-麻柳湾公路某危岩崩塌稳定性分析

4.6本章小结

5 滑动破坏过程模拟及其稳定性分析

5.1引言

5.2圆弧型滑动破坏

5.3平面型滑动破坏

5.4楔体型滑动破坏

5.5本章小结

6 倾倒破坏过程模拟及其稳定性分析

6.1引言

6.2倾倒破坏稳定性分析已有方法

6.3存在问题

6.4基于裂缝扩展的倾倒稳定性分析方法

6.5链子崖危岩体倾倒稳定性分析

6.6本章小结

7 结语

7.1结论

7.2展望

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的学术论文

参与的科研项目