理论教育 顺层岩质边坡力学模型与溃屈破坏机制

顺层岩质边坡力学模型与溃屈破坏机制

时间:2023-08-29 理论教育 版权反馈
【摘要】:对于顺层岩体边坡的溃屈破坏问题,其破坏机制较多地受控于结构面因素,如果采取极限平衡法来分析复杂结构面是很难实现的。脆性岩质顺层边坡力学模型与溃屈机制分析针对脆性岩层的失稳力学机制,当顺层边坡岩层倾角α大于45°时,滑体岩层法向的黏结力远小于滑体岩层切向的作用力。顺层边坡的力学模型如图所示,其实质是岩板结构的溃屈问题。

顺层岩质边坡力学模型与溃屈破坏机制

经过上述内容的探讨及总结,可以看出随着基础交通领域的飞速发展,顺层岩体边坡失稳而导致的灾害愈加凸显出来,因此,深入探究和分析顺层岩质边坡的稳定性问题变得日益紧迫。如今,针对顺层岩体边坡失稳机理、破坏模式及防治方法方面的研究均获得了较大的进展,对于顺层岩体边被破坏模式的研究开始于岩体变形破坏的规律性,国内外众多学者及专家以不同的破坏模式为依据,提出了不同的计算方法,而且在顺层岩体边坡的滑动破坏的研究方面,平面滑动及楔形体滑动理论都已较为成熟,刚体极限平衡分析法及有限元等各类数值计算方法应用也较为普遍。对于顺层岩体边坡的溃屈破坏问题,其破坏机制较多地受控于结构面因素,如果采取极限平衡法来分析复杂结构面是很难实现的。霸王山边坡崩塌、三峡库区千江坪滑坡的铁西清坡及长江鸡筏子滑坡等灾害的发生已经十分突出地表征出顺层岩质边坡的溃屈破坏,由于此类破坏主要表现了顺层岩质边坡结构的几何变形特征,从而将人们对岩体失稳破坏的理解和认识从以往的材料强度研究延伸到结构承载能力判断的新层次,即当岩体结构发生(微)变形时,探究其结构内力的急速放大程度能否超过相应弹性恢复力的增长,进而造成几何变形的累进循环,直到结构完全失稳破坏。尽管有一些学者对此进行了一定程度的研究分析,但是并没有形成系统的、较为统一的知识体系,很难有效地应用到具体的边坡分析当中去,相关文献也尚不多见。

李荣强基于突变理论分析研究了顺层边坡的滑移,指出边坡失稳是一个复杂而漫长的过程,其失稳变形的全过程是从稳定缓慢的连续变形阶段慢慢过渡到突发的失稳阶段,其原因可总结为材料的破坏或结构的屈曲。

李维光对顺层边坡进行了受力研究,将其抽象简化为悬臂梁结构,并置于弹性地基上,给出结构失稳的力学模型。对力学模型在外力条件下的应力状态进行了计算分析,依据弹性理论计算得到悬臂梁在外力作用下的应力状态,接着,通过Mohr-Coulomb准则给出稳定性安全系数的判定公式,给出了顺层边坡处于极限平衡条件的受力情况。

蒋良潍等根据层状岩体边坡的地质形态及受力特点,对层状岩质板梁嵌固在下部阻滑段时,刚性基岩上覆弹性板的微弯曲模态与对应的边界条件,建立了从理论角度计算挠曲线的微分方程

刘小丽等指出滑移-弯曲破坏是顺层岩体边坡失稳的一种典型模式,并采用弹性力学中的压杆理论对该边坡破坏模式进行了稳定性分析,假设边坡走向长度是无限延伸的,忽略了边坡实际走向长度对计算分析的作用;用四边简支的薄板屈曲失稳模型来简化顺层边坡的稳定性问题,将边坡沿走向的长度看作有限的,通过能量法计算分析了边坡的滑移-弯曲破坏问题,并得到了相关的计算公式。(www.daowen.com)

从上述文献可以看出,目前对于顺层高陡边坡的溃屈破坏,大多是基于材料力学中的压杆稳定理论建立力学模型,假设边坡的长度是无限延伸,且按平面应变问题中弹性梁来进行分析计算的,而实际上,压杆稳定问题与顺层边坡的溃屈破坏是存在巨大区别的,原因如下:①压杆稳定问题是由于外力大大超过杆件自身重力而产生的,而通常情况下其自重是忽略不计的,所以压杆失稳是轴向力大于临界承载力导致的,但是边坡溃屈则通常是由于重力或其他外载条件引起的。②自然界存在各种地质作用,在这些作用的影响下,一些大的节理、裂缝及断层会沿边坡长度方向出现,将边坡切割成不连续体,使其变为多个长度有限的边坡段,某些压杆梁的力学模型与此不符。③顺层高陡岩体大多具有板状特性,其结构的稳定与压杆稳定有很大的区别,梁柱的屈曲标志是结构丧失承载能力,而板状结构在达到临界荷载后仍可以承受压力的增大,所能承受的荷载能够远远大于结构的临界荷载。所以,对于顺层高陡边坡的失稳破坏,考虑其边坡长度的影响,根据实际情况将其抽象为长度有限的岩板模型进行研究会更加符合工程实际。而已有的相关研究中,通常采用的是薄板力学模型,基于传统板壳结构分析的横向刚度假定,并未考虑结构的横向剪切变形,但是,为了与工程实际相贴合,简化模型中岩板的厚度大多会超出薄板的适用范畴,因此,结构的横向剪切变形无法被忽略。目前,针对基于剪切模式的岩板失稳力学模型的研究相对较为缺乏。本书将顺层边坡简化为岩板结构,并考虑其横向剪切变形,建立以中面位移w及中面转角φ、φ为独立变量的岩板小变形屈曲位移型控制微分方程。然后,利用双重三角级数法对单向受压及双向受压情况下四边简支岩板的位移型控制微分方程进行求解计算,获得相应条件下岩板力学模型小变形屈曲的临界荷载表达式,并对不同厚度情况下,临界荷载与岩板几何尺寸(长度a及宽度b)之间的相互关系及变化规律进行较为详细的分析及讨论,所得结果应用到顺层边坡受力状态的判定中,可为边坡稳定性的评价工作提供理论性借鉴。

脆性岩质顺层边坡力学模型与溃屈机制分析针对脆性岩层的失稳力学机制,当顺层边坡岩层倾角α大于45°时,滑体岩层法向的黏结力远小于滑体岩层切向的作用力。顺层边坡的力学模型如图所示,其实质是岩板结构的溃屈问题。就顺层边坡发生溃屈破坏的过程来看,滑体层状结构在溃屈破坏的前期往往体现出岩板结构的屈曲特性。对于硬质岩体而言,由于其脆性较高,岩体发生屈曲一般意味着发生断裂,因此,可将顺层边坡滑体看作一个沿滑动面走向具有一定尺寸和厚度的岩板,应用板式结构小变形理论来进行分析其荷载判据。

由于顺层边坡发生失稳变形时,滑体岩层厚度比其坡长要小,而且边坡与岩层保持走向一致且岩层的变形量小,所以,可按小变形屈曲理论对其受力情况进行分析。另外,传统意义上的顺层边坡的地质力学模型往往只考虑了x方向边长的作用,而忽略了y方向边长的影响,而事实上,y方向边长与结构稳定性间必然存在很重要的相关性,所以,传统力学模型存在着一定缺陷。本书在建立顺层高陡边坡的失稳力学模型时,同时考虑到了滑体岩板两个方向(x方向及y方向)的几何尺寸与结构稳定性的关系,并进行了如下假定:①滑体层状岩板发生变形时引起的弯曲应力比板的中曲面的应力大,且由于滑体岩板的抗拉强度较低,通常情况下其变形要比厚度小很多,因此,可以按照弹性理论对其进行计算分析。②边坡岩板只产生沿岩层面方向的表层滑动与弯曲,此时,表层的某一部位会向沿层面的外法线方向凸起,而不会向内法线方向凹陷,所以,未产生变形的底部岩层相对于变形岩层来说就相当于刚性的单面约束,其约束反力为被动力,当不考虑约束变形时,约束反力在上部岩层变形过程中不会做功;此外滑体岩板承载边的约束通常可以抽象为固定或者简支约束,如果滑体两侧固结性良好,可看作为固定约束,如果固结性较差,则可看作简支约束,而欠稳定顺层边坡的固结条件往往较差。综合上述原因,产生变形部分的滑体可以看作底边铰支、平面内四边简支的弹性岩板。③滑体岩板的中面指的是与地表及滑面等距离的层面,而为了使计算分析简化,假定滑体为等厚度岩板,其厚度设为h,沿x轴方向长度设为a,沿y轴方向宽度设为b,弹性模量为E。

此方法可为相关的边坡评价工作及边坡控制方法提供可靠的评价指标。

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