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基于能量原理的岩石边坡稳定性研究

汪磊  
【摘要】:岩石边坡是人类生存和各类工程建设活动中常见的自然地质环境之一,是地面岩石工程的主要形式。边坡稳定性研究由来已久,对于它的研究也是基于人类的生产活动而形成的,随着世界上各个国家大规模工程建设的开展,开始出现了各种边坡灾害,造成了很大的损失,这使得人们把边坡的稳定性研究作为一项课题来进行分析研究。边坡稳定性分析是边坡研究的核心,也是一个十分重要的岩土工程问题。在我国,随着国民经济的发展,特别是西部大开发政策的实施,大量水利库坝工程、高速公路、铁路等大型基建工程相继上马。在这些工程建设中,岩石边坡稳定性的评价分析成为建设工程中的常见和重要的岩土工程问题之一,它不仅对工程建设可行性决策产生重要的控制性作用,并可在很大程度上影响这些工程的建设投资和运营使用效益。可见,适时地进行岩石边坡稳定性研究具有重大的理论和现实意义。 本文基于岩石力学,岩石断裂力学,材料力学,热力学,以及边坡工程的基本知识和理论以及目前已有的一些岩石破坏能量方法研究的成果,通过研究岩石内部裂纹扩展的规律,分析了含裂纹等缺陷的岩石及岩石边坡破坏过程,并基于最小耗能原理建立岩石整体破坏和断裂破坏的能量准则。主要研究内容如下: (1)从岩石中存在的裂纹等微缺陷入手,对岩石中裂纹的扩展规律进行研究。通过能量原理建立岩石整体破坏准则,并通过岩石单轴抗拉实验的研究,判断所建立岩石整体破坏准则的正确性。 (2)对于内部含有裂隙等微缺陷的岩石,针对岩石的压剪断裂情况,基于最小耗能原理,建立压剪断裂的起裂准则及断裂破坏准则,并分析岩石中含裂纹时裂纹尖端的应力状态,以及基于最小耗能原理的岩石断裂破坏准则对分析岩石边坡破坏过程的适用性。 (3)以岩石边坡工程中裂纹的扩展为例,模拟计算了岩体中裂纹扩展过程,并分析了多裂纹逐渐发展成贯通裂缝并导致岩石边坡破坏的过程,并详细说明了各个阶段的计算方法。 (4)通过岩石破坏过程数值分析软件RFPA分别模拟了岩石边坡内部翼裂纹的起裂和扩展过程以及裂纹扩展过程中的声发射能量的发生变化过程,通过比较对照,所得到的结论与前述提出的基于最小耗能原理的岩石断裂破坏过程相一致,进一步证明理论研究的正确性。 (5)通过有限差分软件模拟了含原生裂纹的岩石边坡的破坏过程,对单一裂纹和多个裂纹的岩石边坡的破坏过程进行了模拟研究,通过分析认为裂纹对岩石边坡破坏过程是存在重要影响的,这与已有的断裂力学理论及岩石边坡破坏理论相吻合。同时证明在岩石边坡破坏过程中,裂纹的扩展是沿着一定的开裂角并扩展相应的长度,这与本文所建立的基于最小耗能原理的岩石边坡破坏理论是一致的,最后对含裂隙的岩石边坡稳定性进行综合评价。


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