基于岩体的几何形态对岩质边坡 滑移场的分析研究

来源: 未知 作者:paper 发布时间: 2020-04-18 19:08
论文地区:中国 论文语言:中文 论文类型:土木工程
滑坡在世界范围内是最严重的灾害之一,它对人类的财产和生命安全的影响是巨 大的,几乎每个国家都发生过大大小小的滑坡。在中国,滑坡也频发且分布广泛,特 别是在一些西南地
摘 要
滑坡在世界范围内是最严重的灾害之一,它对人类的财产和生命安全的影响是巨 大的,几乎每个国家都发生过大大小小的滑坡。在中国,滑坡也频发且分布广泛,特 别是在一些西南地区,由于地形地貌和气候条件的特殊性影响,这些地区发生的滑坡 往往具有规模大、数量大、破坏性大及破坏类型复杂等特点。导致边坡失稳破坏的因 素有很多,通常是受边坡的地质环境、岩体类型和特征的内在因素以及降雨、地震等 工程荷载等因素影响的发展过程。边坡失稳的形式也是复杂多变的,可能以某些形式 为主,并伴有其他破坏模式的综合破坏。在众多边坡类型中,岩质边坡通常由岩体组 成,岩质边坡在受到不同的干扰下,其几何形态会发生变化且破坏规律也会发生变化。
本文主要研究的就是岩体结构中的过渡型即散体结构边坡稳定性。通过三轴模拟 试验(以1:10的比例缩小)细观研究天然状况下的岩质边坡在受到静、动荷载的干扰 下,过渡型岩体结构内部的SOC (自组织能动性)行为。探讨岩体结构内部在静、动 荷载干扰后导致滑移面发生的变化规律,通过试验结果的对比分析研究岩质边坡的稳 定。运用C・M屈服准则理论,分析静荷载下和动荷载干扰后滑移难易程度,研究岩 体结构滑移破坏概率以及抗剪强度变化规律。
本文通过试验对比分析后得出结论:(1)抗滑移与颗粒粒径、颗粒形状及密实 程度有关。(2)受到动荷载干扰后有两种可能:一种是岩石边坡即刻发生滑坡灾害, 另一种是岩石颗粒自组织,内部趋于密实、趋于稳定,这主要与坡脚、围压、加载方 式等因素有关。
目 录
摘 要 
第一章绪论 1
1.1滑坡的研究背景与意义 
1.2国内外研究现状 
第二章岩体结构及三轴试验原理 5
2.1概述 
第三章过渡型岩体结构的三轴试验设计 
3.1概述 
3.2试验碎石材料的制备 
第四章 静荷载作用下过渡型岩体结构受力情况分析 21
4.1应力■应变关系 21
第五章动荷载干扰后过渡型岩石结构受力情况分析 31
5.1应力■应变曲线变化规律 31
第六章静、动干扰下应力差对比分析及实例分析 41
6.1不同剪切速率对碎石颗粒的响应 41
第七章总结与展望 55
7.1总结 55
第一章绪论
1.1滑坡的研究背景与意义
滑坡在世界范围内是最严重的灾害之一,它对人类的财产和生命安全的影响是巨 大的,几乎每个国家都发生过大大小小的滑坡。在中国,滑坡也频发且分布广泛,特 别是在一些西南地区,由于地形地貌和气候条件的特殊性影响,这些地区发生的滑坡 往往具有规模大、数量大、破坏性大及破坏类型复杂等特点⑴。导致边坡失稳破坏的 因素有很多2引,通常是受边坡的地质环境、岩体类型和特征的内在因素以及降雨、 地震等工程荷载等因素影响的发展过程。边坡失稳的形式也是复杂多变的,可能以某 些形式为主,并伴有其他破坏模式的综合破坏⑷。
随着我国经济建设的日益发展,在一些山区进行基建时,边坡防护尤为重要⑸。 在边坡治理中,边坡失稳造成的人身、财产损失有大有小,因此边坡的综合防护设计 逐渐引起当今社会的广泛关注。在边坡稳定性评价与边坡治理的措施中,我们一般根 据当地情况来选择一些合理性较好⑹"、实用性较强、经济性较客观、美观的工程措 施,以达到保证人们的财产与安全的目的,且能实现与周围环境的相对协调和平衡, 美化社会的效果⑻。在边坡治理中,人们还要综合考虑地下水、降雨量及地形位置等 条件来布局,研究边坡的稳定性和治理方案具有重要的理论意义和现实意义,也是保 护生命财产安全的迫切需要⑼。因此,边坡的稳定性评价和治理措施的研究将是我们 长期探索的关键技术问题。对分析边坡滑移的稳定性,采取合理的处理方案消除潜在 的安全隐患,对保证工程顺利进行,减少工程投资,保障人民生命财产安全,具有着 十分重要的意义
1.2国内外研究现状
对于岩质边坡的稳定性的细观研究,国内外已有较多的研究成果如尤明庆 [⑷是对岩石三轴试验轴向压缩及施加围压对岩石的过程的影响进行了解分析,分析了 岩石颗粒三轴试验轴向压缩过程中岩石力学性质的变化特性及对应的外观变化;景宏 君、张延青等研究了在三轴试验下不同碎石土的混合比的变化对土石混合剪胀性口裂 并对应力-应变曲线作出了比较精细的分析和研究;秦尚林,陈善雄等通过三轴试验 对大型碎石颗粒土在低围压下的对应力-应变曲线口印、抗剪强度特性的变化进行了精 确的分析;石熊、孟飞、陈晓斌等通过三轴试验仪分别对改良粗粒土、粗粒土、红砂 岩粗粒土进行三轴试验"〜⑼,对其剪胀效应、结构面及其力学的性质变化进行了总结 性分析与研究。
国外对滑坡的研究起步于20世纪20年代的瑞典,但在接下来的20多年里,在世 界范围内研究滑坡的研究人员少之又少,大多数国家只有个别的研究人员对小规模的 滑坡进行了研究[20]。当时只有瑞典、挪威和前苏联进行了国家岩土工程研究所的滑坡 研究,并发表了一些论文及编写了一些书籍[21^23]o其中,取得比较好成绩的有瑞典人, 他们提出了瑞典条分法。在1934年和1946年,前苏联举行了两次全国滑坡会议。瑞 典提出的瑞典条分法的优点是把粘聚力和摩擦力考虑了进去,但缺点是它的基本假设 脱离实际0]。在人们看来,这只能算是一个不完善的且比较肤浅的理论,它还是需要 着大量的研究和理论知识对其进一步完善。渐渐地在发展的初期,人们开始考虑岩体 的结构面和材料特性是否对边坡失稳有着影响。随着理论研究的逐步深入,慢慢出现 了极限平衡理论㈤和弹塑性理论[26]。这些新的考虑角度及方法的出现,明显推动了边 坡稳定性研究的进展。
在国内发展初期,我国的研究人员主要采用类比法0]和极限平衡法等定性分析的 方法,初步实现了一些基本边坡稳定性分析和防护设计,主要集中在地质灾害方面四。 在进步阶段,采用的主要方法是实体比例投影法,利用该方法,可以更快速、准确地 计算块体的破坏情况[29】。并进行了大量的大型岩体力学实验,为进一步的边坡稳定性 研究奠定了基础。在进一步发展阶段,主要的研究方向是边坡变形破坏机理。并开始 试着应用弹塑性力学极限平衡理论等方法对边坡的稳定性进行分析评价卩0】。潘佳正提 出的滑坡极限分析的最大值原理和最小值原理,进一步拓展了边坡稳定性研究的理论 知识卩I】。随着科学技术进步,理论知识的提高使得有限元法、边界元法、离散元法等 更先进的方法进入边坡稳定性评价领域中卩%在逐渐成熟的阶段,人们开始从整体上 认识边坡稳定性的发展趋势和边坡的变形破坏机理㈤】。
1.3研究中发现的问题与发展趋势
滑坡治理在理论上与一些别的地质灾害治理相同,滑坡治理工程在本质上是对出 现地质灾害工程的地质进行有效的控制与改造,使其向着人们可控的方向发展悶。随 着人们的深入研究与经验积累,新奥法和挪威法的提出使得滑坡防治从被动支护到主 动支护(如桩、墙等)及主动与被动支护(如锚索、锚桩等)相结合的阶段发展齢诙。 现如今滑坡防治工程的主要方法依旧是抗滑桩和挡土墙,然而在一些比较大的滑坡防 治中,预应力技术占主导位置3。预应力锚索、锚桩、锚栓挡土墙和喷锚网技术在边 坡治理中发挥着主导作用明。同时,提高滑动带抗阻能力和改变滑动体结构等方案也 备受关注溯。采用这些现代治理技术,丰富了现代滑坡防护与治理工程的基本理论。
基于摩尔-库仑经典理论的滑坡防治工程是比较成功的3。如今引入的众多理论 对其进行了补充。然而,这一理论很难描述滑坡滑动体的变形及破坏过程、滑动带的 流变特性和滑动体的非刚性特性他。由于当前的一些认知局限性,只有加大项目的投 入才能保证工程的安全可靠。
多数滑坡防治工程的成功主要是运用了莫尔-库仑理论中的滑坡防治工程有关理 论屈。目前,也有引入较多的其他理论,只是为了去对他的相关理论进行佐证和补充。 综合上述的一些认知局限性,在滑坡防治上只能通过对增加工程方面的投入,想要了 解滑坡的整个过程或者相关的问题研究,就要对发生滑坡的地方进行地质勘查,分析 等等方面的有机结合。首先就是要进行最主要的场地勘察,只有查明滑坡的边界条件 以及碎石的有关特性才能进行下一步研究丽。由于室外研究具有的局限性,因此主要 是通过实验室测试和反算嗣求得滑面的主要相关参数。通过相关的方案去更准确的分 析,比如分析滑坡发生的相关外部因素,采用相关模型模拟或数值模拟来确定该处理 方案实施后的有效性,通过多次试验确定最优方案,最后设计施工图和监测系统泅。
1.4本文研究的主要内容与技术路线
本文研究的主要内容是:通过三轴试验阴,基于莫尔-库仑强度理论,从细观研 究的角度出发,模拟试验、探讨影响岩质边坡滑移场的主要因素,并分析在动荷载作 用的干扰影响后,对初始几何形态的改变对位移场、应力场的影响;研究岩质边坡破 坏规律。主要研究内容包括:
(1)模拟岩质边坡的三轴试验
(2)利用三轴试验模拟细观岩质边坡的滑移过程
(3)对比分析静荷载下以及动荷载干扰后的滑移状况
本实验研究的技术路线如图1.1所示。

第二章岩体结构及三轴试验原理
2.1概述
岩体是指在一定工程范围内,由包含软弱结构面的各类岩石所组成的具有不连续 性、非均质性和各向异性的地质体,而各种岩石的组分和结构各异,形成的年代不同, 其中还有许多裂隙,致使其力学性质相差很大。岩体的结构分类如图2.1所示。因此 岩体与岩石的工程性质一般不相同H7]。岩体中的结构面强度一般远低于岩石的强度, 岩体的强度受到结构面强度控制,而过渡型岩体结构强度是最低的。本文主要研究第 三类一一散体结构边坡的稳定性。

第三章过渡型岩体结构的三轴试验设计
3.1概述
在本文中,主要是采用不同的岩石颗粒通过三轴压缩试验来测试过渡型岩体结构 的抗剪强度。
通过对试样施加不同的围压和剪切速率。按照前期设计好的试验方案,使试样在 相同的剪切速率下,对其施加三组不同的围压,施加轴向应力直到各个试样发生剪切 破坏。最后根据试验数据进行分析,运用莫尔-库伦强度理论,得出抗剪强度的参数。
本文采用的是常规三轴试验与动三轴试验,为了模拟散体结构的岩质边坡在受到 不同边界条件后,得到试样抗滑移状况及抗剪强度变化情况。本实验大致分为主要的 四部分:第一部分主要是岩石颗粒在相同的粒径下,受到相同的剪切速率及不同的围 压下的抗剪强度;第二部分是岩石颗粒在相同的粒径下,受到相同的围压及不同的剪 切速率下的抗剪强度;第三部分是岩石颗粒在动荷载干扰后,受到不同的剪切速率及 不同的围压下的抗剪强度;第四部分是静荷载和动荷载干扰后的对比,得出试样主应 力差变化状况。
3.2试验碎石材料的制备
3.2.1碎石材料的筛分试验
本文试验的材料主要来源于玄武石的碎石角砾,对碎石颗粒进行清理及筛选。对 碎石颗粒进行筛选主要选用试验室现有的孔径16mm、9.5mm、4.75mm、2.36mm的 方孔筛盘,对现有的碎石料进行筛选,筛选出试验所需的颗粒粒径。
3.2.2碎石颗粒的确定
对整个试验的设计,以及碎石颗粒筛分的情况,根据试样的实际情况,采用一定 比例缩尺,本验采用了粒径大于9.5mm碎石(最大不超过试样直径的1/5),粒径 4.75mm与9.5mm之间碎石,粒径大于9.5mm与粒径4.75mm・9.5mm的混合三个粒径 组为碎石颗粒几何形态影响刚度的主要粒径。碎石颗粒的材料是由岩石在长期的物理 风化及人工破坏作用下形成的,经过人为处理筛选出来的。因碎石颗粒间的变化,为 研究颗粒及其它因素的影响是非常大的,本实验采用了三种试验方案。其中,试样A 为颗粒粒径4.75mm-9.5mm,试样B为颗粒粒径大于9.5mm,试样C为颗粒粒径 4.75mm-9.5mm与颗粒粒径大于9.5mm混合。碎石颗粒的形状如图3.1、3.2、3.3所示。

对于选择这三种试样的碎石颗粒的粒径作为试验的试样,是因为这三种试样的颗 粒级配的不均匀程度相比较于其它颗粒比较好一些。而反映颗粒级配的不均匀程度常 用不均匀系数Cu以及曲率系数Cc。不均匀系数Cu反映粒径曲线坡度的陡缓,表面 碎石颗粒粒径的不均匀程度。Cu值越大,粒径曲线坡度越缓,表明粒径大小越不均 匀;反之,Cu值越小,粒径曲线坡度越陡,表明粒径大小越均匀。曲率系数Cc反映 粒径分布曲线的整体形状、连续性以及细粒含量。因为试样的颗粒粒径的级配满足粒 径不均匀系数CuM5的条件,试样曲线的连续性符合曲率系数Cc=l〜3的条件,所以 试样是级配良好的粒径。因本文研究的是过渡型岩体结构,因此设计此试验的碎石颗 粒粒径分为三段:第一段选取的粒径为4.75mm-9.5mm,第二段选取的粒径为大于9. 5mm,第三段为粒径为4.75mm・9.5mm与粒径大于9.5mm混合。
4.1应力-应变关系
(1)本节初步试验是在不同围压下直接对各试样颗粒进行静荷载加载试验,试 样采用的剪切速率分别为0.8 mm/mino试验围压为50kPa、lOOkPa、200kPao试验结 果的主应力差-轴向应变关系如图4.1、4.2、4.3所示。
第五章动荷载干扰后过渡型岩体结构受力情况分析
5.1应力-应变曲线变化规律
(1)本节试验是对3组试样进行动荷载加载试验即对试样先振动50次再进行轴 向加载试验,试样采用的剪切速率分别为0.8 mm/mino试验围压为50kPa、lOOkPa、 200kPao试验结果的主应力差-轴向应变关系如图5.1、5.2、5.3所示。

第六章静、动干扰下应力差对比分析及实例分析
对碎石颗粒结构进行静三轴与动三轴试验,是为了模拟散体结构的岩质边坡在不 受动荷载干扰情况下,分析试样的滑移场与在受到如:地震等动干扰下,岩质边坡内 部岩体间的滑移场的变化进行对比分析。
本章主要是对比动、静荷载下,碎石颗粒在不同的剪切速率,相同的围压相同的 颗粒粒径下绘制的应力应变曲线规律,对比试验数据,总结和分析动、静荷载干扰下 岩质边坡滑移场的变化。并结合实例对岩质边坡的破坏形式及其稳定性进行分析研 究。
第七章总结与展望
7.1总结
本文通过三轴试验对不同岩石颗粒的试样施加动、静荷载,分析在荷载施加后岩 石颗粒试样的抗剪强度变化,并对比不同剪切速率,不同围压,不同岩石颗粒粒径对 岩石颗粒试样抗剪强度的影响。
进行试验方案设计,分别设计了三组不同粒径的岩石颗粒试样,三组不同的围压, 两组不同的剪切速率,对岩石颗粒试样进行轴向压缩试验,直到试样破坏。根据试验 测得的数据,运用莫尔-库伦强度理论,绘制出莫尔圆和抗剪强度包线,并分析岩石 颗粒的内摩擦角(P,颗粒间的咬合力C的相应变化规律。
不同剪切速率,不同围压对不同岩石颗粒试样的抗剪强度是不同的,随着围压和 剪切速率的变化,总结如下:
(1)随着围压的增大,岩石颗粒间的接触度在不断增大,岩石颗粒之间的摩擦 力和岩石颗粒间的咬合力C也在增大,超过极限平衡状态时,岩石颗粒就开始移动, 滑移面显现。
(2)随着剪切速率的增大,同一试样在固定的围压作用下,试样的主应力差有 时会增大,但岩石颗粒间的咬合力c在减小,这是因为岩石颗粒之间的孔隙度在快速 的增大。
(3)岩石颗粒之间的抗滑移主要取决于它们之间的咬合力和接触挤密程度。当 咬合与接触较差时,岩体结构滑移破坏概率大大增加。
(4)在相同外界条件下,试样在受到动荷载干扰后,颗粒间的咬合力增大,试 样在受到动荷载干扰后,承载能力加大,这说明动荷载引起了岩石颗粒内部的自组织, 使得颗粒内部更加紧密,颗粒之间咬合加大。
对比岩石颗粒在静和动荷载作用后,发现其有着明显的不同。岩石颗粒在受到动 荷载干扰后,存在两种可能:一种是岩石边坡滑坡;另一种是岩石颗粒间咬合更加紧 密,岩石边坡面趋于稳定,这主要与坡脚、围压等边界条件有关。