底部凹岩腔控制型崩塌成因机理与监测预警研究

摘要

本文基于典型实例的分析，对底部凹岩腔控制型崩塌的工程地质条件和成因机理进行了细致分析，建立了崩塌形成机制概念模型;通过断裂力学分析方法，以及框架模型模拟方法和数值模拟方法，深入研究了崩塌变形破坏机制。最后进行了这类崩塌的监测预警研究。
　　本研究主要内容包括：⑴通过对威宁县幺岩脚崩塌和小屯岩崩塌危岩体的成因机理分析，总结拉裂-坠落式和拉裂-倾倒式崩塌的成因影响因素，主要为陡倾的岩体结构面组合，上硬下软的岩性组合，强烈的风化作用（物理、化学风化）、底部凹岩腔、后缘主控结构面以及降雨等。⑵将拉裂-坠落式和拉裂-倾倒式崩塌的变形破坏分为三个阶段:凹岩腔扩展应力调整阶段;竖向结构面张拉扩展阶段;失稳破坏阶段。⑶凹岩腔深度与主控结构面尖端附近复合应力强度因子正相关;主控结构面的贯通率与主控结构面尖端附近复合应力强度因子正相关。⑷拉裂-倾倒式崩塌的临界凹岩腔深度与天然状态下降雨量负相关。在应力集中过程中产生的微裂纹会使主控结构面强度被削弱，即表征岩体抗裂纹扩展能力的断裂韧度值会减小。⑸通过物理模拟试验，详细分析了崩塌物理模型在自重应力场下的变形破坏特征。对提出的3个变形破坏阶段，即凹岩腔扩展应力调整阶段、竖向结构面张拉扩展阶段、失稳破坏阶段进行了有效的验证。⑹用UDEC对拉裂-坠落式崩塌和拉裂-倾倒式崩塌进行了数值模拟，定性地分析了应力和位移的变化。⑺通过对加速度-时间曲线的分析，提出了判断崩塌进入加速变形阶段的加速度判据。依据对崩塌变形曲线进行的速度倒数法曲线拟合，确立了崩塌时间预报的方法及模型。⑻采用断裂力学分析法确定崩塌预警判据指标。建立了拉裂-坠落式崩塌在自重和降雨条件下基于崩塌稳定性的预警模型，选定主控结构面贯通率α为预警判据;建立了拉裂-倾倒式崩塌在自重和降雨条件下基于崩塌稳定性的预警模型，选定凹岩腔深度l、主控结构面贯通率α和主控结构面裂隙水水位hw为预警判据。

目录

声明

摘要

第1章 引言

1．1 选题依据及研究意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 崩塌破坏模式

1．2．2 崩塌稳定性分析方法研究

1．2．3 成因机理研究

1．2．4 监测预警研究

1．3 研究内容、思路及技术路线图

1．3．1 研究内容

1．3．2 研究思路及技术路线

第2章 底部凹岩腔控制型崩塌成因机理研究

2．1 底部凹岩腔控制型崩塌实例成因机理分析

2．1．1 猴场镇幺岩脚崩塌

2．1．2 小屯岩崩塌危岩体

2．2 崩塌类型

2．3 底部凹岩腔控制型崩塌变形破坏模式

2．3．1 拉裂-坠落式崩塌

2．3．2 拉裂-倾倒式崩塌

2．4 成因影响因素分析

2．4．1 内部因素

2．4．2 外部因素

2．5 小结

第3章 底部凹岩腔控制型崩塌断裂力学分析

3．1 应力强度因子

3．2 适用条件

3．3 崩塌断裂力学分析

3．3．1 拉裂-坠落式崩塌

3．3．2 拉裂-倾倒式崩塌

3．4 小结

第4章 底部凹岩腔控制型崩塌变形破坏机制物理模拟研究

4．1 概述

4．2 框架模型试验的岩质斜坡概化模型

4．3 框架模型试验的相似关系设计

4．3．1 相似常数的定义

4．3．2 π相似定理

4．3．3 框架模型试验相似系数的确定

4．4 模型材料的确定及静力学特性试验

4．5 模型箱的选取

4．6 试验数据采集设备

4．6．1 传感器类型

4．6．2 传感器布置及量测信息采集方案

4．7 模型建造

4．8 拉裂-坠落式崩塌试验结果分析

4．8．1 凹腔扩展情况下拉裂-坠落式崩塌变形破坏试验过程

4．8．2 顶部裂缝位移分析

4．8．3 坡体位移场分析

4．8．4 破坏断面特征分析

4．9 拉裂-倾倒式崩塌试验结果分析

4．9．1 凹腔扩展情况下拉裂-倾倒式崩塌变形破坏试验过程

4．9．2 顶部裂缝位移分析

4．9．3 坡体位移场分析

4．9．4 破坏断面特征分析

第5章 底部凹岩腔控制型崩塌变形破坏机制数值模拟研究

5．1 离散元法介绍

5．2 计算模型的建立

5．2．1 模型范围

5．2．2 模型力学参数选取

5．2．3 边界条件

5．2．4 模型离散化

5．3 计算方案及凹岩腔扩展模拟

5．4 拉裂-坠落式崩塌

5．4．1 初始应力场分析

5．4．2 凹岩腔扩展情况下崩塌变形破坏过程分析

5．4．3 变形特征分析

5．4．4 破坏特征分析

5．5 拉裂-倾倒式崩塌

5．5．1 初始应力场分析

5．5．2 凹岩腔扩展情况下崩塌变形破坏过程分析

5．5．3 变形特征分析

5．5．4 破坏特征分析

第6章 监测预警判据与模型研究

6．1 预警指标

6．2 基于加速度的拉裂-坠落式和拉裂倾倒式崩塌临崩预警判据

6．2．1 加速度判据

6．3 崩塌发生时间预报方法

6．3．1 速度倒数法预测模型

6．4 基于崩塌稳定性的预警判据与模型

6．4．1 拉裂-坠落式崩塌预警模型建立

6．4．2 拉裂-倾倒式崩塌预警模型建立

6．5 小结

结论

致谢

参考文献

攻读学位论文期间取得学术成果