基于应变软化理论的顺层边坡失稳机理及局部破坏范围研究

摘要

含泥化夹层缓倾角（岩层倾角＜35°）顺层路堑边坡具有局部破坏现象，存在渐进性失稳机理，但该理论一直缺少深入的理论支撑。渐进性破坏理论一般源于岩土材料的应变软化效应。本文从层间泥化夹层的应变软化效应研究入手，结合应变软化接触单元本构模型的数值实现，建立含层间应变软化效应的顺层边坡接触元模型，对顺层边坡的失稳机理及首段局部破坏范围进行深入的研究。研究过程综合采用资料统计、室内试验、数值计算、理论分析、现场监测，及现场调研等多种手段，完成的主要研究内容包括以下几方面:
　　 (1)通过不同类型多组泥化夹层试样的反复剪剪切试验，对泥化夹层应变软化剪切强度参数进行系统研究。基于三线型剪切强度衰减模型，提出了塑性剪切位移（Lp）概念，并对该值的取值方法进行深入探讨，且据此建立了规范化的泥化夹层应变软化试验方法及步骤。
　　 (2)通过泥岩类泥化夹层的剪切流变试验，对泥化夹层剪切强度的时间效应进行了深入研究，研究发现泥化夹层的长期强度具有时间软化/硬化的复合变化特征，该特征与其所受的恒载剪应力及法向应力特征有关。
　　 (3)利用有限差分法(FLAC)程序语言，对接触单元的应变软化本构模型实现方法进行研究。通过含有应变软化接触单元的直剪实验数值模拟，对应变软化接触单元本构模型的有效性进行验证分析。试验表明，直剪过程存在渐进性破坏特征，且接触单元强度参数的演化对剪切应力-位移关系曲线产生线性影响，建立的应变软化接触单元本构模型合理有效。
　　 (4)将应变软化接触单元本构模型引入至顺层边坡力学行为分析中，对应变软化接触单元对顺层边坡层间应力特征的响应过程，及应变软化效应的链式传递特征进行深入研究。结合力学行为分析结果，对顺层边坡的渐进性破坏过程进行深入探讨，提炼出顺层边坡的渐进性破坏失稳机理。
　　 (5)采用数理统计法，对影响顺层边坡首段局部破坏范围的岩层倾角、层厚、坡长、峰值摩擦角、残余摩擦角、峰值粘聚力、残余粘聚力、塑性剪切位移等参数因子进行敏感度分析，并进行各主要因子与局部破坏范围值相关性的回归分析。基于数理统计分析结果、考虑泥化夹层极限应变软化特征，结合国内38个现场调研的已破坏顺层边坡数据样本的修正，建立了顺层边坡首段局部破坏范围计算公式及计算步骤，计算公式如下:Ljjx=5.75α+3.86d-9.06φp-3.81Cp+101.16。
　　 (6)通过对巴东车站顺层边坡、重庆湘渝高速顺层滑坡及四川简阳雷打石顺层滑坡3个典型工程实例的综合分析，对本文所建立的顺层边坡首段局部破坏范围计算公式进行验证。结果表明，本文建立的理论公式计算结果合理可靠，能够满足工程应用。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 问题的提出

1．2 国内外研究现状

1．2．1 泥化夹层剪切强度变化特征研究现状

1．2．2 基于应变软化理论的边坡力学行为特征研究现状

1．2．3 顺层边坡失稳机理研究现状

1．2．4 顺层边坡局部破坏范围研究现状

1．3 存在的主要问题及拟解决的方法

1．4 主要研究内容及技术路线

1．4．1 主要研究内容

1．4．2 研究技术路线

第2章 泥化夹层剪切强度变化特征试验研究

2．1 泥化夹层应变软化特征试验研究

2．1．1 顺层滑坡中的典型层间泥化夹层类型分析

2．1．2 采样区工程地质特征

2．1．3 试样的制取与保存

2．1．4 试样的物质成份分析

2．1．5 应变软化试验过程及结果

2．1．6 泥化夹层应变软化试验方法及步骤总结

2．2 不同类型泥化夹层应变软化特征综合分析

2．2．1 泥化夹层峰残剪切强度值分布特征总述

2．2．2 不同类型泥化夹层峰残剪切强度值对比分析

2．2．3 泥化夹层应变软化过程中的塑性剪切位移分析

2．3 水对泥化夹层应变软化特征的影响分析

2．3．1 水对泥化夹层峰值剪切强度的影响

2．3．2 水对泥化夹层应变软化过程的影响

2．4 泥化夹层剪切强度随时间变化的软化及硬化特征研究

2．4．1 试验方法

2．4．2 试验结果分析

2．5 本章小结

第3章 含应变软化特征的数值接触单元模型研究

3．1 FLAC接触单元及应变软化本构特征

3．1．1 FLAC接触单元特征

3．1．2 FLAC应变软化-硬化本构模型特征

3．2 FLAC接触单元应变软特征的实现

3．2．1 链表式数据类型的特点

3．2．2 FLAC接触单元数据的访问与修正

3．2．3 FLAC接触单元数据类型的特点

3．2．4 FLAC中含应变软化特征接触单元的完善

3．3 含应变软化接触单元的直剪实验数值验证

3．3．1 模型的建立

3．3．2 剪切应力-位移关系曲线模拟结果

3．3．3 渐进性破坏过程及内部应力变化特征

3．4 接触单元强度参数演化与剪切应力-位移关系曲线研究

3．5 本章小结

第4章 基于应变软化理论的顺层边坡力学行为分析

4．1 顺层边坡复合接触元模型的设计

4．1．1 模型的几何特征

4．1．2 接触单元的设置

4．1．3 模型的本构关系及材料参数

4．2 应变软化接触单元对层间应力特征的响应

4．2．1 应变软化效应前层间接触单元的受力特征

4．2．2 产生应变软化效应的力学准则

4．2．3 应变软化效应对层间应力特征的响应

4．3 应变软化效应的链式传递

4．3．1 渐进性破坏现象的产生

4．3．2 渐进性破坏过程中层面应力变化特征

4．3．3 渐进性破坏的机理

4．4 顺层边坡破坏特征分类

4．5 本章小结

第5章 顺层边坡首段局部破坏范围研究

5．1 首段局部破坏范围的定义

5．2 首段局部破坏范围的影响因子敏感度分析

5．2．1 单因子敏感度分析

5．2．2 多因子敏感度分析

5．3 首段局部破坏范围理论计算公式分析

5．3．1 局部破坏范围与层厚的关系

5．3．2 局部破坏范围与岩层倾角的关系

5．3．3 局部破坏范围与泥化夹层峰值摩擦角的关系

5．3．4 局部破坏范围与泥化夹层残余摩擦角的关系

5．3．5 局部破坏范围与泥化夹层峰值粘聚力的关系

5．3．6 局部破坏范围与泥化夹层残余粘聚力的关系

5．3．7 局部破坏范围与泥化夹层塑性剪切位移的关系

5．3．8 局部破坏范围与坡长的关系

5．3．9 首段局部破坏范围理论计算公式的拟合

5．4 理论计算公式的简化分析

5．4．1 泥化夹层的极限应变软化特征

5．4．2 首段局部破坏范围理论计算公式的简化分析

5．5 基于现场样本边坡特征的理论计算公式修正分析

5．6 含泥化夹层顺层边坡局部破坏范围的计算方法及步骤

5．6．1 确定顺层边坡岩体结构特征

5．6．2 分析顺层边坡中泥化夹层特征

5．6．3 边坡破坏模式判断

5．6．4 局部破坏范围计算

5．7 本章小结

第6章 工程实例

6．1 宜万线巴东车站顺层边坡开挖现场监测及数值计算验证

6．1．1 宜万线巴东车站工程地质条件

6．1．2 宜万线巴东车站顺层边坡支挡设计方案

6．1．3 现场监测方案及监测过程

6．1．4 分项监测成果分析

6．1．5 监测成果综合分析

6．1．6 数值计算验证

6．1．7 无支护作用下的开挖局部破坏范围分析

6．1．8 小结

6．2 重庆湘渝高速顺层滑坡破坏特征

6．2．1 工程概况

6．2．2 滑坡工程地质条件

6．2．3 滑坡基本特征

6．2．4 滑坡形成的原因

6．2．5 滑坡滑移范围的理论计算验证分析

6．3 四川简阳雷打石顺层滑坡破坏特征研究

6．3．1 工程概况

6．3．2 滑坡工程地质条件

6．3．3 滑坡基本特征

6．3．4 滑坡形成的原因

6．3．5 滑坡滑移范围的理论计算验证分析

6．4 本章小结

结论

致谢

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及科研成果