理县基地千枚岩斜坡倾倒变形及失稳机理研究

发布时间：2017-04-09 08:19

  本文关键词：理县基地千枚岩斜坡倾倒变形及失稳机理研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：国内近30年的工程实践表明,倾坡内和近直立层状斜坡往往发生倾倒模式的变形失稳,其中演化为大型、巨型深层滑坡的例子并不鲜见,成为制约水电工程建设和地质灾害防治的关键问题。目前对于该类变形失稳模式尚缺乏系统的总结,斜坡倾倒变形失稳的条件不甚清楚,倾倒失稳的判据也尚未建立。理县理论研究基地地处川西北高山峡谷区,地质灾害频发,河流两岸发育大量倾倒体与倾倒堆积体,为开展理论研究提供良好条件。通过研究区已有地质资料收集和现场工程地质调查,查明斜坡变形失稳前斜坡坡形特征、坡体结构特征、岩体结构特征及倾倒变形破坏特征,初步建立斜坡地质原型。通过变形破坏现象分析,建立研究区斜坡倾倒失稳“概念模型”。依据室内岩石物理力学试验结果,结合岩体结构特征,开展研究区岩体质量评价。在此基础上,分别运用底摩擦试验和离散元模拟手段对斜坡变形失稳“概念模型”进行分析验证,深化对斜坡倾倒变形失稳机理的认识。主要认识和成果如下:⑴西山村斜坡具有顶平、上缓、下陡的坡形特征,以海拔1800m为界,上部为缓坡段,平均坡度在28-32°,下部陡坡段可划为极陡坡段和稍缓坡段。野外测量及勘探表明,陡坡段坡高330-360m之间,平均坡度大于40°;陡坡段下部极陡坡段,坡度70-80°,高差100-120m。⑵西山村斜坡为陡倾坡外层状结构软岩斜坡,以千枚岩、炭质千枚岩为主,夹少量石英、灰岩等硬岩。基岩产状N80-90°E/SE∠80-86°,河流走向近东西向,位于河流左岸凹岸一侧。发育四组构造节理,千枚岩片理面发育,层厚3-5cm,呈薄层状岩体结构。⑶现场调查和室内统计分析显示,滑坡体不同海拔高程岩体倾倒方向和倾倒程度呈明显差异,自下而上依次划为四个分区。坡脚位置A区岩体倾倒方向S10-20°W;B区域后缘以海拔2300-2350m左右为界,倾倒方向为S50-60°W;C、D区域的倾倒方向大致相似,均为N60°W。钻孔资料揭示,滑坡体底滑面发育深度呈规律性的“深-浅-深”变化。滑坡体中下部右侧边界为一剪切挤压破碎带,显示滑坡体在该处位移方向与右侧边界走向以较大角度相交。⑷依据各分区岩体倾倒变形破坏特征的差异,结合研究区工程地质环境条件,分析建立斜坡变形失稳的“概念模型”。西山村斜坡的变形失稳机制为在特殊的坡形和坡体结构条件下,受自重应力长期作用,坡脚首先倾倒失稳,牵引上部斜坡逐级倾倒失稳。伴随挽近期以来河谷快速下切,前缘临空条件良好,坡脚位置应力集中程度增加,在坡脚内部形成一最大剪应力增高带。受千枚岩长期强度控制,坡脚最大剪应力增高带附近岩体首先发生塑性屈服。受斜坡坡体结构和岩体结构特征控制,下部陡坡段岩体发生弯曲倾倒变形。随着下部岩体弯曲倾倒程度的加大,岩体风化卸荷程度加深,岩体物理力学特性进一步弱化,起到加剧变形失稳的作用,最终弯曲岩层在根部张裂缝发育部位发生折断。随着倾倒折断岩层的增多,倾倒折断面逐渐成为坡体内部的控制性弱面,斜坡的变形模式由弯曲-拉裂转化为滑移拉裂,倾倒折段带发育为潜在的滑移面。最终坡脚岩体沿该面滑移失稳。坡脚斜坡失稳对上部斜坡同时具有临空和卸载效应,牵引上部斜坡进一步变形,发生多级失稳破坏。⑸直接剪切试验显示,千枚岩的力学特性与片理面方位密切相关,平行片理面剪切时,破坏面相对平整,抗变形和强度特性明显弱化。单轴抗压试验表明,千枚岩的破坏模式主要为拉破坏,饱和单轴抗压强度54Mpa,属于较坚硬岩。结合研究区岩体结构特征,预估体积节理数JV为30-44条/m3,岩体较破碎,岩体完整性系数Kv取0.216,依据《工程岩体分级标准》、《水利水电工程地质勘察规范》,岩体基本质量指标BQ=279,围岩总评分T’=41.64,确定研究区微新岩体为Ⅳ类岩体,强风化岩体为Ⅴ级岩体。⑹根据相似理论建立底摩擦物理试验模型,通过坡脚开挖模拟河谷快速下切。试验表明,在上述坡形和坡体结构条件下,坡脚首先发生弯曲倾倒失稳,首次倾倒失稳后缘边界在海拔1950m附近,倾倒体发育深度150m左右。坡脚变形失稳对上部斜坡具有卸荷和临空效应,斜坡变形失稳具有多级特征。⑺离散元数值模拟表明:(1)河谷快速下切导致斜坡应力场重分布,坡脚处应力集中,最大主应力量值20-30Mpa,最小主应力量值0-5Mpa,应力差增大,坡脚内部形成一最大剪应力增高带。岩体发生卸荷回弹,回弹变形不均匀导致岩层沿陡倾片理面发生剪切错动,改造片理面。从岩体应力和应变的角度来看,河谷下切后坡脚岩体力学环境条件发生明显恶化,成为整个斜坡易于变形失稳的部位。(2)随迭代运算次数增加,陡坡段岩体发生弯曲变形,弯曲变形集中在陡坡段。监测结果表明,倾倒体水平发育深度在120m左右,4号测线处发育深度有所减小,为60-120m。倾倒体竖直发育深度在120-150m之间,在5号和6号测线处为60-120m。后缘边界在海拔1900m左右。(3)陡坡段倾倒失稳岩体的开挖模拟表明,陡坡段倾倒失稳对上部斜坡变形具有临空和卸荷效应,其影响范围大致在高程2150-2250m以下,与现场调查结果较一致。斜坡进一步变形主要集中在该高程范围以下,说明原型斜坡变形失稳机制为下部陡坡段首先失稳,牵引上部斜坡逐级失稳,变形失稳过程呈多级发育特征。
【关键词】：坡形 坡体结构 应力分异 弯曲倾倒 多级失稳
【学位授予单位】：成都理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TV223
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-12
• 第1章 前言12-29
• 1.1 选题依据及研究意义12-13
• 1.2 国内外研究现状13-26
• 1.2.1 岩质斜坡倾倒变形失稳案例13-19
• 1.2.2 岩质斜坡倾倒变形分类19-23
• 1.2.3 岩质斜坡倾倒变形失稳影响因素研究现状23-24
• 1.2.4 岩质斜坡倾倒变形失稳机制研究方法24-26
• 1.3 研究内容、思路和技术路线26-29
• 1.3.1 研究内容26-27
• 1.3.2 研究思路及技术路线27-29
• 第2章 研究区环境地质条件29-39
• 2.1 区域环境地质条件29-33
• 2.1.1 区域地形地貌29-30
• 2.1.2 区域构造背景30-32
• 2.1.3 新构造运动及地震32-33
• 2.2 研究区工程地质环境条件33-39
• 2.2.1 气候水文33-34
• 2.2.2 地形地貌34-36
• 2.2.3 地层岩性36
• 2.2.4 地质构造36-37
• 2.2.5 水文地质条件37-39
• 第3章 西山村斜坡倾倒变形失稳机制研究39-59
• 3.1 斜坡结构特征39-49
• 3.1.1 地形线的确定39-46
• 3.1.2 坡体结构特征46-49
• 3.2 研究区滑坡结构特征49-56
• 3.2.1 滑体结构特征49-54
• 3.2.2 滑带特征54-56
• 3.3 西山村斜坡倾倒失稳机制定性分析56-59
• 3.3.1 主要影响因素分析56-57
• 3.3.2 西山村斜坡变形失稳“概念模型”建立57-59
• 第4章 岩体物理力学特性试验研究59-70
• 4.1 岩体物理力学特性研究59-64
• 4.1.1 块体密度与含水率试验59-60
• 4.1.2 岩石单轴压缩试验60-62
• 4.1.3 岩石直剪试验62-64
• 4.2 研究区岩体质量评价64-70
• 4.2.1 工程岩体分级65-68
• 4.2.2 研究区岩体力学参数取值68-70
• 第5章 西山村斜坡倾倒失稳机理底摩擦试验研究70-78
• 5.1 试验方案70-72
• 5.1.1 试验目的70
• 5.1.2 试验原理70-72
• 5.2 模型设计及试验72-74
• 5.2.1 模型设计72-73
• 5.2.2 试验步骤73-74
• 5.3 试验结果分析74-78
• 第6章 西山村斜坡倾倒失稳机理数值模拟研究78-98
• 6.1 离散元数值模拟思路及方案78
• 6.2 计算模型建立78-81
• 6.2.1 几何模型建立79
• 6.2.2 模型介质类型与参数选取79-80
• 6.2.3 网格化与边界条件80-81
• 6.3 陡坡段河谷形成过程中斜坡演化特征分析81-86
• 6.3.1 斜坡应力场演化特征81-82
• 6.3.2 斜坡变形特征82-86
• 6.4 斜坡变形失稳过程及机制模拟分析86-96
• 6.4.1 坡脚变形失稳过程及机制分析86-93
• 6.4.2 坡脚倾倒失稳对上部斜坡影响分析93-96
• 6.5 小结96-98
• 结论98-100
• 致谢100-101
• 参考文献101-104
• 攻读硕士学位期间取得的学术成果104

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本文编号：294857