基于岩体断裂损伤模型的边坡稳定性研究

【摘要】：边坡稳定性分析是工程防灾减灾的重要研究领域,是边坡设计与施工中首先需要解决的问题之一。由于强度折减法具有其自身的一些优点而成为目前边坡稳定性分析常用的一种方法,但是在利用强度折减法进行边坡稳定性分析过程中,采用哪种判据作为边坡失稳的判据尚未取得一致的观点。含裂隙岩质边坡的损伤破坏问题一直是岩土工程与工程地质工作者关注的重点和研究的难题。地下开采与露天开采转换过程中所遇到的含空区边坡的稳定性也是工程中非常关注的问题。地震波对边坡的损伤及稳定性也存在一定程度的影响。本文针对这些方面的问题进行了一些初步的研究,主要内容和结论如下： 将裂隙岩体视为含损伤连续介质,通过综合考虑压剪应力状态和拉剪应力状态下裂纹起裂、扩展损伤演化,用初始损伤张量和裂纹扩展附加损伤张量描述裂隙岩体的损伤演化过程,将各种应力状态下裂纹的初始损伤张量以及裂纹起裂扩展后附加损伤张量引入到岩体的柔度张量中,用VC++开发了可分析裂隙岩体损伤演化的FLAC3D扩展自定义本构模型。 含裂隙边坡的几何形状、岩土参数和边坡所含裂纹的参数均影响边坡体损伤分布。通过分析发现：应力强度因子极大值KImax和损伤度极大值Dmax随边坡角α和边坡高度H增加而增加。当粘结力c变化时,边坡体应力强度因子极大值KImax与粘结力c呈正线性关系；损伤度极大值Dmax随粘结力c增加而减小。边坡体应力强度因子极大值KImax随内摩擦角φ增加而减小。当内摩擦角φ在[16°,20°]变化时,损伤度极大值Dmx和应力强度因子极大值与内摩擦角φ呈负线性相关关系。应力强度因子极大值KImax随裂纹初始长度α增加而增加。损伤度极大值KImar随裂纹初始长度α增加总体上呈减小趋势。 岩石变形破坏是能量耗散与释放的综合结果。在摩尔库伦准则基础上,通过增加计算弹性应变能和塑性应变能功能,建立了可计算边坡变形破坏过程中能量耗散与释放的FLAC3D自定义本构模型,用该模型分析了边坡强度折减过程中的能量变化情况,得出了边坡变形过程中弹性应变能与塑性应变能的变化情况。通过强度折减法分析发现,在折减系数由小增大的过程中,边坡体内积累的弹性应变能经历增大又迅速减小的过程,而突变点正是边坡失稳破坏的临界点,依此规律作为边坡稳定性强度折减法分析的判据来判断边坡失稳破坏。 为研究空区对边坡稳定性的影响,建立了含各种几何尺寸和空间位置空区的边坡模型。经分析得到：顶部空区均引起边坡稳定性增加；当边坡中部空区位于滑坡体内部时,边坡稳定性有所提高；当空区位于滑坡体外时,边坡稳定性有所降低；底部空区均引起边坡稳定性降低。同时分析了含各种几何尺寸和空间位置空区的边坡变形过程中的损伤情况。 选取了可准确反映边坡动力响应规律的基准点,依此点的速度、加速度等参数为基准定义边坡动力系数,在此基础上分析了不同频率横波和纵波作用下,不同高度边坡的动力响应规律。在边坡中设置三个监测点,记录并绘制了各监测点竖直和水平方向的速度和加速时程曲线,发现了不同频率地震波在边坡体内引起的动力响应规律。编制FISH程序,将地震波作用下边坡体各单元的最大位移和最大主应力值记录下来,绘制了边坡最大位移等值线图。利用记录下来的主应力最大值分析了边坡在地震波作用下的损伤情况。