反倾边坡倾倒破裂面优势形态及变形稳定性分析方法研究

摘要

随着我国对西部地区基础设施的大力开发建设，越来越多的倾倒变形现象被发现和揭露，引起了众多学者的关注。目前在以滑移破坏为主的边坡稳定性研究方面已经较为成熟，但对于倾倒边坡而言，由于其破坏机理与滑动破坏完全不同且没有单一的滑动基面，故其稳定性评价方法还不够完善，也还没有一套确定可行的方法能对一个倾倒边坡的发展趋势做出预测判断。因此，针对倾倒边坡大变形特点开展变形稳定性研究显得尤为重要。针对上述问题，本文采用极限分析的上限定理，从探索倾倒边坡折断面的优势形态入手，深入分析了反倾边坡发生倾倒变形过程中折断破裂面的贯穿机制及发展演化全过程，进而提出了倾倒边坡失稳准则和变形量值判据模型，从而建立了一套适合倾倒体的变形稳定性评价方法，并将其应用在了实际边坡工程中，为预测评价倾倒边坡稳定性现状及发展趋势提供了新的思路。
　　据此，本文的主要研究成果如下:
　　(1)基于极限分析法的上限定理及最优控制论的最小值原理，研究了反倾边坡倾倒破裂面的优势形态。研究结果表明，只有当折断破裂面与反倾层面相垂直时，计算得到的边坡临界倾倒高度才为最小值，表明此时边坡发生倾倒变形所需的外荷载最小，故反倾层状岩质边坡发生倾倒变形的优势折断破裂面总是为与层面相垂直的直线，同时通过节理有限元软件验证了该成果的合理性，为之后研究倾倒边坡变形破坏过程机制及变形稳定性问题奠定了基础;
　　(2)分析研究了反倾层状边坡在优势折断面形态下其临界倾倒高度的变化规律，具体表现为边坡临界倾倒高度将随边坡坡角的增加而单调降低，随层厚的增加而线性增加，最不利的结构形态为二倍的层面倾角β与边坡坡角α之和等于180°（α+2β=180°），并据此建立了反倾边坡“临界倾倒圆”的概念模型形象的解释和评述了上述规律。与此同时，分析得出了边坡临界倾倒高度在一般情况下将随岩体级别及层面性状的降低而减少;
　　(3)结合反倾边坡倾倒破裂面优势形态的理论成果及岩石高边坡变形破坏的三阶段理论，分析了倾倒边坡变形发展演化的全过程，据此建立了倾倒边坡变形破坏的过程机制分析模型，并提出了倾倒边坡稳定性的判据和失稳准则。研究认为反倾层状岩质边坡发生倾倒变形的先决条件是重力荷载，只有当边坡高度达到其发生倾倒变形的临界高度时，才会发生倾倒变形，而边坡从倾倒变形转变为最终滑移破坏的判定标准则为折断破裂面的倾斜角等于其等效内摩擦角。同时倾倒边坡变形发展演化的全过程也通过PFC2D颗粒流数值软件进行了模拟再现;
　　(4)结合倾倒边坡发展演化的三阶段模型，将均布荷载作用下悬臂梁的挠度与转角有机的结合起来，建立了倾倒边坡变形稳定性评价模型，并建议以该评价模型计算得出的变形量作为倾倒边坡失稳破坏的阈值判据，从而达到预测和评估倾倒边坡稳定性现状及发展趋势的目的。相比传统极限平衡法冗长的迭代计算，该变形稳定性评价模型的优势在于计算简便，但难点在于折断面力学参数的合理选取，并且认为该评价模型目前更适用于由刚度较大的硬质岩层所构成的倾倒边坡中，对柔性软岩的适用性还有待探讨。
　　此外，结合反倾边坡发生倾倒变形的最不利结构组合关系（α+2β=180°），分析了不同结构反倾边坡发生倾倒变形后的发展趋势，认为对于α+2β＞180°这类结构形态下的反倾边坡所发生的倾倒变形不易收敛，变形会持续不断的进行;而对于α+2β≤180°这类结构形态下的反倾边坡发生倾倒变形后的变形趋势则相对稳定，这可以作为现场定性判断的依据;
　　(5)以溪洛渡星光三组倾倒边坡为依托点，详细论述了边坡的变形破坏特征和发展过程，研究表明边坡倾倒变形方向主要受下覆岩体结构控制指向上游，变形程度在平面分布上也总体表现为上游侧大于下游侧的特点，而垂向分布上则表现为高高程边坡岩体相比低高程边坡岩体更为强烈，并且在硬质岩中的倾倒变形主要表现为脆性折断，而软质岩的倾倒变形则表现为柔性弯曲。与此同时，根据平硐揭示岩体变形现象可将边坡岩体经历的倾倒变形破坏过程分为卸荷回弹-层间错动→岩体倾倒-层间拉张→岩体弯折-层内拉张→切层张剪-蠕滑（滑塌）失稳共4个阶段;
　　(6)结合岸坡工程地质及岩体力学环境条件分析了影响边坡倾倒变形的因素及其在库水作用下的变形机理。认为边坡良好的临空条件、薄层状的岩体结构及软硬互层的岩组特性导致其在长期地质历史时期过程中已经发生了压缩倾倒变形，而水库蓄水及涨落促进了边坡倾倒变形的发展。同时结合监测资料，从顺河向、横河向、沉降及合位移四个方面全面系统的分析了边坡在库水作用下的变形响应及总体变形趋势，分析表明边坡变形速率在随着库水位的涨落不断降低，说明边坡变形在逐渐收敛并趋于稳定，且绘制出的边坡位移矢量图及边坡位移平面云图显示边坡变形方向及变形程度与现场的勘查成果表现一致，也据此对边坡的变形程度进行了平面划分;
　　(7)以平硐揭示折断岩体发育位置及岩层倾角作为主要依据对溪洛渡星光三组倾倒边坡进行剖面分带后显示，岸坡剖面分带特征表现出了良好的线性关系，并且划分出的折断面倾斜角与相应的层面倾角几乎成垂直关系，这与前述折断面优势形态的理论成果相吻合。并且采用Hoek-Brown等人提出的地质强度指标法(GSI)对边坡不同部位发育的折断面力学参数进行了定量化估计，得出折断岩体的力学性质总体上与其发育位置密切相关，表现为弱倾倒下段＞弱倾倒上段＞强倾倒区下限;
　　(8)通过采用本文提出的变形稳定性评价模型对溪洛渡星光三组倾倒边坡的失稳阈值进行了计算，并结合边坡变形现象对边坡稳定性现状及发展趋势进行了评价。分析表明目前边坡变形量还未达到其失稳破坏的临界值，且边坡地表裂缝尚未圈闭，平硐亦未揭示出边坡岩体存在整体破坏迹象，监测数据也显示边坡变形在逐渐收敛，因此边坡目前仍处于时效变形阶段，发生大规模失稳破坏的可能性小。但随着坡脚岩体持续软化，加之边坡岩体在风化卸荷、地震、降雨等外界因素的影响所导致的物理力学性质不断劣化，都将导致边坡发生持续性的压缩倾倒变形，一旦边坡变形量达到甚至超过其所能承受的临界阈值，边坡将由倾倒变形转变为滑移破坏，从而进入到不可控制的累进性破坏阶段。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 选题依据及研究意义

1．1．1 课题背景

1．1．2 研究意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 概述

1．2．2 倾倒边坡变形机理研究现状

1．2．3 倾倒边坡影响因素研究现状

1．2．4 倾倒边坡稳定性评价方法研究现状

1．2．5 边坡监测及预警预报研究现状

1．3 研究内容及技术路线

1．3．1 主要研究内容

1．3．2 技术路线

1．3．3 主要创新点

第2章 倾倒边坡折断破裂面优势形态理论研究

2．1 极限分析法概述

2．1．1 上限定理

2．1．2 塑性流动法则与内能耗损

2．1．3 改进的非线性库伦应力准则

2．2 倾倒边坡的极限分析

2．2．1 反倾岩质边坡理论模型

2．2．2 倾倒边坡速度场建立

2．2．3 外功率

2．2．4 内能耗散率

2．2．5 临界倾倒高度求解

2．3 折断破裂面优势形态的搜索

2．3．1 直线型

2．3．2 抛物线型

2．4 节理有限元模型验证

2．4．1 节理有限元简述

2．4．2 模型及参数选取

2．4．3 结果分析

2．5 本章小结

第3章 反倾边坡临界倾倒高度变化规律分析

3．1 边坡形态参数影响分析

3．1．1 边坡坡角影响

3．1．2 岩层倾角影响

3．1．3 层厚影响

3．1．4 最小解的评述

3．2 边坡材料力学参数影响分析

3．2．1 原型设计及参数选取

3．2．2 岩体(块)强度影响

3．2．3 层面强度影响

3．3 本章小结

第4章 倾倒边坡变形稳定性分析方法研究

4．1 边坡稳定性过程分析及变形控制

4．2 倾倒边坡变形破坏机制模型

4．2．1 倾倒变形发展演化的过程机制分析

4．2．2 稳定性判据及失稳准则

4．3 倾倒边坡变形稳定性评价模型的建立

4．3．1 均布荷载作用下悬臂梁的挠度与转角

4．3．2 倾倒变形累计位移量计算模型

4．4 基于PFC2D的倾倒全过程模拟验证

4．4．1 模型的建立

4．4．2 材料参数选取

4．4．3 全过程模拟结果分析

4．5 变形稳定性分析方法的评述

4．5．1 适用范围讨论

4．5．2 优势及难点

4．5．3 发展趋势的定性判断

4．6 本章小结

第5章 典型倾倒边坡变形特征及其变形稳定性评价

5．1 研究区工程地质概况

5．2 边坡变形基本特征

5．2．1 坡表岩层产状变化情况

5．2．2 坡体裂缝特征

5．2．3 平硐揭示变形迹象

5．2．4 倾倒变形破坏过程及力学机制

5．3 边坡倾倒变形影响因素及变形机理分析

5．3．1 影响因素分析

5．3．2 库水作用下边坡倾倒变形机理分析

5．4 库水作用下边坡变形响应

5．4．1 GNSS监测设计

5．4．2 边坡变形响应分析

5．4．3 边坡总体变形趋势

5．5 边坡分区分带研究

5．5．1 变形分区

5．5．2 变形分带

5．6 变形稳定性计算

5．6．1 折断面参数的定量化估计

5．6．2 累计位移预测值计算

5．7 边坡稳定性评价及发展趋势分析

5．7．1 稳定性评价

5．7．2 发展趋势分析

结论与展望

致谢

参考文献

攻读学位期间取得的学术成果