反倾岩质边坡柔性弯曲型倾倒变形全过程力学行为及稳定性研究

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反倾岩质边坡倾倒变形现象广泛揭露于水电、交通、矿山等工程边坡中,对工程安全造成重要影响,其所处的变形演化阶段及力学状态是稳定性评价和治理方案选取的关键。而针对柔性弯曲型倾倒变形过程中各阶段力学特征研究尚有不足,特别是变形全过程中层间力学行为与变形特征研究较少。本文在查阅大量反倾岩质边坡柔性弯曲型倾倒变形体案例和现场资料分析的基础上,总结归纳出柔性弯曲型倾倒变形的基本特征和主要形成条件。综合运用多种研究手段对柔性弯曲型倾倒的形成条件敏感性、倾倒破坏失稳机理与过程、阶段性层间力学行为特征和倾倒破坏力学判据进行了系统研究。提出了柔性弯曲型倾倒破坏的全过程变形曲线,并建立了变形全过程的阶段性力学判据和针对性的稳定性评价方法。通过系统的研究取得如下主要成果:(1)具有“柔性”特征、单层厚度小、中陡倾坡内是岩层发生柔性弯曲型倾倒变形的必要条件,其发生条件分别体现了岩体力学特性、岩层厚度和岩层倾角等发育特征。(2)结合已有研究,选取岩层倾倒角、最大拉张量、单位拉张量、纵波波速、变形破裂特征等相关指标,对柔性弯曲型倾倒变形程度工程地质分区开展了研究,并总结了各分区岩体变形破裂的力学机理。(3)运用数值模拟方法,选取苗尾水电站坝前边坡建立数值计算模型,反演验证模型合理性后,通过改变单因素条件分析了柔性弯曲型倾倒形成条件的敏感性。研究结果表明,坡高、坡角和岩体力学特性(岩体和结构面的内摩擦角)对柔性弯曲型倾倒变形影响显著,其次为岩层倾角。(4)采用离心模型试验,研究了不同临空条件下柔性弯曲型倾倒变形破坏的演化全过程。试验结果表明其失稳机理为:岩层倾倒弯曲→多级弯折面(带)形成→贯通性弯折面(带)形成→岩体沿某级贯通弯折面(带)剪切失稳。(5)选取典型岩体力学参数组(20MPa)开展柔性弯曲型倾倒数值计算模型研究,综合分析数值计算模型监测点位移曲线特征和柔性弯曲型倾倒变形破坏特征,提出了柔性弯曲型倾倒破坏的全过程变形曲线。变形曲线表明倾倒变形全过程可分为启动阶段、快速发展阶段、暂稳阶段、蠕变阶段和失稳破坏阶段。通过力学分析,分别选取坡角(α)、岩层倾角(β)及岩层与坡面夹角()建立了各阶段的力学判据。(6)数值计算模型监测层面应力与位移曲线揭示了倾倒变形发展过程中层间作用力的分布规律与层间错动规律。启动阶段层间正应力与剪应力近乎全长分布,应力沿结构面深度未呈规则三角形分布,但应力的合力与三角形分布的结构面长度积分近似相等。伴随倾倒弯曲变形发展,层间张开,层间参与受力的层面长度逐渐减小。总体上,坡脚滑移区应力值最大,坡顶倾倒影响区应力值最小,坡体中部倾倒区应力值居中。层间位移规律表现为剪切位移远大于法向位移,且最大值发生在层面顶部或者层间“脱空”部位。(7)通过引入侧向约束系数和板梁截面侧向尺寸,建立倾倒变形三维力学模型,确定了倾倒弯曲折断深度与侧向约束系数、板梁宽度之间的量化关系。板梁首次折断深度随板梁侧向约束系数的减小而增大,表明侧向约束系数越小,临空条件越好,越易于发生倾倒破坏,且倾倒折断深度越大,揭示了倾倒变形破坏的边界效应。(8)基于柔性弯曲型倾倒体发育过程的时空变形特征,提出了“浅层初始阶段+深层最终阶段”的全过程柔性弯曲型倾倒变形稳定性评价方法。浅层初始阶段的稳定性采用改进折断面形态的悬臂梁方法。深层最终阶段的稳定性采用岩层变形最终形态的突变理论方法。将该方法应用到实例中,研究表明分析结果与现场调查结果较为吻合。
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