反倾薄层板岩边坡倾倒变形力学机理及演化特征研究

发布时间：2018-11-25 16:51

【摘要】：岩体倾倒变形破坏是层状岩体在地应力、重力、地下水动(静)水压力等综合营力作用下,向临空方向发生弯曲,并逐渐向坡内发展的一种变形破坏方式,常见于陡倾的反倾层状边坡中。而主要发生在薄层软岩边坡中的延性弯曲类型倾倒变形时效特点明显,影响范围广,且可能诱发巨型滑坡,对工程威胁巨大。故对反倾薄层岩质边坡倾倒变形发育的力学机制及特性进行研究,进而基于运动学特征研究倾倒变形演化特征对科学实践以及工程应用都有着重要意义。以西藏玉曲河扎拉水电站坝址区右坝肩反倾薄层板岩边坡为例,本文尝试利用流变理论解释倾倒变形时效特点,通过悬臂梁流变试验以及框架模型试验对倾倒变形力学机理、演化过程与特征进行研究,进而选取合理指标评价倾倒变形边坡稳定性,获得的主要结论如下:(1)反倾层状边坡发生倾倒变形时,其岩层可视为一端固定、一端自由,受均布荷载作用的悬臂梁。采用砝码堆载形成均布荷载进行弯曲流变试验后发现:岩梁弯曲流变全过程可以分为:瞬时变形阶段、衰减蠕变阶段、稳态蠕变阶段以及加速蠕变阶段,其中前三个阶段均是岩梁弯曲变形的安全阶段,而加速蠕变阶段是岩梁中性面以上部位裂隙发育,并由上而下贯通折断的阶段,属于不安全变形阶段。岩梁不同的变形阶段可以采用应变加速度a作为判别指标进行区分。结合滑坡预警研究相关成果,本文认为:当a-1.02×10-4/h-2时,岩梁处于衰减蠕变阶段;当-1.02×10-4/h-2≤a≤1.45×10-4/h-2时,岩梁处于等速蠕变阶段;当a1.45×10-4/h-2时,岩梁发生加速蠕变。将反倾边坡视为由多层岩层叠合而成,该结论可为后续对倾倒变形边坡进行稳定性评价提供参考。(2)岩梁弯曲流变按照变形性质可以分为瞬时弹性及塑性变形、粘弹性与粘塑性变形,此次研究采用虎克体、开尔文体、宾汉体以及一种改进的非线性粘塑性元件串联组成的七元件模型来描述其流变特性。经特征分析,该本构方程在不同应力条件下均能较好的描述该阶段岩梁弯曲变形行为,同时,对该方程进行曲线拟合得到的相关系数也均大于0.94,表明该模型能较好的描述岩梁发生弯曲流变时的应变规律。(3)基于岩梁弯曲流变本构方程,分别以岩梁应变值为零及应变加速度突破稳态变形阶段加速度波动上限值作为倾倒变形发育及弯折深度判据,进而计算得到了倾倒变形岩层发育深度L和弯折深度L(5。同时,利用倾倒变形发育深度大于其弯折深度的特征,对方程系数进行了讨论,结合发育深度恒为正的特点,计算得到了数学意义上的倾倒变形发育的岩性组合条件。(4)框架模型试验为采用运动学指标研究倾倒变形演化阶段提供了数据支撑。经过地质过程的框架模型试验后发现:对于边坡整体而言,倾倒变形的演化经历了初始蠕变阶段、等速蠕变阶段及加速蠕变阶段,边坡整体的失稳模式为潜在弯折面贯通而形成大型滑坡;对于处于临空面浅表层的岩层而言,较易出现的变形破坏为岩梁弯折坠覆破坏,此类破坏也是目前倾倒变形体中最常见的破坏类型,常见于地形上陡缓交界处。采用运动学指标划分倾倒变形演化阶段有利于预测变形体发育趋势,从而更有针对性地进行倾倒变形稳定性评价及破坏预警。(5)经框架式模型试验后发现,当倾倒变形体处于等速蠕变阶段时,其变形加速度并非恒定为零,而是表现为在零点附近波动(a1aa2),一旦斜坡破坏不可控制地加速发生,其变形加速度将迅速突破波动上限a2。基于这一现象,本文对位移s、变形速率v及变形加速度a等变形指标进行比选,并选用边坡变形加速度作为其稳定性状态判定指标,以aa2作为斜坡倾倒破坏的预警判据,加速度波动范围a1与a2可以通过大量的监测统计和模拟试验获得。
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【学位授予单位】：成都理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TU45

【参考文献】