（地质工程专业论文）长大顺层滑坡滑移失稳模型实验分析.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 过去的工程实践表明，顺层岩质边坡是破坏最多、危害最大的一种边坡。 随着大量山区公路铁路的修建，顺层路堑边坡的防护与加固问题将越来越突 出。目前对于长大顺层边坡的失稳破坏模式尚缺乏深入的系统性研究，工程 中对于长大顺层边坡的加固范围也缺乏一定的理论指导。所以，分析长大顺 层滑坡的破坏模式，可以为此类路堑边坡的加固处理提供理论依据。 为了分析长大顺层边坡的破坏模式，本文设计了边坡模型实验平台在 此试验台上考虑坡厚和坡长的不同共进行了1 0 组模型实验，分析了5 m 和l o m 厚度下l o o m 至5 0 0 m 不同坡长模型实验。从模型实验结果分析可知，长大顺 层边坡的破坏模式为渐进多次滑移一拉裂破坏，长大顺层边坡以多次分段滑移 为主，一次滑移小于1 0 ，一般以2 - 3 次滑移为主，坡角在2 0 。 - - , 2 5 。时， 坡长小于l o o m 的滑坡首段滑移长度一般在坡长3 0 以内，坡长大于l o o m 的顺 层边坡首段滑移长度一般在坡长的1 5 以内。运用离散元软件u d e c 对巴东车 站开挖破坏范围进行模拟分析，模拟结果印证了模型实验结果。 关键词：长大顺层边坡模型实验滑移长度u d e c 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t e x p e r i e n c e si nt h ep a s th a v eb e e ni n d i c a t e dt h a tt h eb e d d i n gr o c ks l o p eh a s b e e nt h em o s td e s t r u c t i v ea n dh a z a r d o u ss l o p e w i t ht h el a r g en u m b e ro ft h e m o u n t a i n h i g h w a y a n dt h e r a i l w a yc o n s t r u c t i o n ，b e d d i n gc u t t i n gs l o p e s p r o t e c t i o na n dr e i n f o r c e m e n tw i l lb e c o m em o r ea n dm o r en o t i c e a b l e a tp r e s e n t ， t h ef a i l u r ed a m a g em o d eo ft h el a r g ec o n s e q u e n ts l o p es t i l ll a c k si n d e p t ha n d s y s t e m i cs t u d y ，p r o je c t sf o rr e i n f o r c e m e n ts c o p eo fb e d d i n gs l o p er e m a i nc e r t a i n l a c ko ft h e o r e t i c a lg u i d a n c e t h e r e f o r e ，a n a l y s i so fd a m a g em o d e lo ft h el a r g e c o n s e q u e n ts l o p ec a np r o v i d et h e o r e t i c a lb a s i sf o rt h i sk i n d o fc u ts l o p e s r e i n f o r c e m e n tp r o c e s s i n g i no r d e rt oa n a l y z et h ed a m a g em o d eo ft h el a r g ec o n s e q u e n ts l o p e ，t h es l o p e m o d e le x p e r i m e n t a lp l a t f o r mi s d e s i g n e d i n t h i s p a p e r i nt h ee x p e r i m e n t a l p l a t f o r m ，c o n s i d e r i n gt h ed i f f e r e n tt 1 1 i c ka n dl e n g t hs l o p es c o p e ，at o t a lo f10 g r o u p sm o d e le x p e r i m e n t sh a v eb e e nc a r r i e do u ta n dh a v ea n a l y z e dt h em o d e l e x p e r i m e n t si nd i f f e r e n ts c o p el o n gf r o m l0 0 mt o5 0 0 m ，u n d e rt h et h i c k n e s so f5 m a n d10 m t h er e s u l tf r o mt h em o d e la n a l y s i ss h o w st h a tt h el a r g ec o n s e q u e n ts l o p e f a i l u r em o d eb e l o n g st op r o g r e s s i v em u l t i p l es l i p p i n g - t e n s i o nf a i l u r e t h el a r g e c o n s e q u e n ts l o p ei sp r i m a r i l ym u l t i p l es e g m e n t a ls l i p p i n g as l i p p i n gi ss m a l l e r t h a n10 ，g e n e r a l l y2 - 3s l i p p i n gp r i m a r i l y w h e nt h ea n g l eo fs l o p ei s2 0 0 - 2 5 0 ， a n dw h e nt h es l o p el e n g t hi sl e s st h a n10 0 m ，t h ef i r s t p h a s es l i p p i n gl e n g t h g e n e r a l l yi nl e s st h a n3 0 s l o p el e n g t h ，m e a n w h i l e ，t h ef i r s tp h a s es l i p p i n gl e n g t h i sg e n e r a l l yi nl e s st h a n15 s l o p el e n g t hw h e nt h es l o p el e n g t hi sm o r et h a n lo o m t h eu s eo fd i s c r e t ee l e m e n ts o f t w a r eu d e co ns i m u l a t i o na n a l y s i so f e x c a v a t i o nd a m a g es c o p eo fb a d o n gs t a t i o n ，s i m u l a t i o nr e s u l t sc o n f i r mt h em o d e l r e s u l t s k e y w o r d s 1 a r g ec o n s e q u e n ts l o p e ，e x p e r i m e n t a lm o d e l s ，l e n g t ho fs l i d i n gb o d y ， u d e c 西南交通大学四陶父迥大罕 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规 定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密0 适用本授权书。 学位论 日期： 导教师签名：獭警 期：，；幻 西南交通大学四南父逋大罕 学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下独立进行研 究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其 它个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个 人和集体，均已在文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结 果由本人承担。 学位论文作者签名 醐叩 年d 多 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 选题意义 滑坡与地震、火山并称为全球性三大地质灾害。我国的滑坡问题尤为突 出，每年因滑坡灾害造成的经济损失及伤亡人数极其严重。为诸多工程尤其 是重点工程建设的正常运行和人民的生活带来了不利影响。为此，我国政府 部门及科研机构给予了边坡灾害防治问题的充分重视，开展了包括边坡稳定 分析计算及整治加固方案的广泛研究n 。 我国有约2 3 的国土面积为丘陵山地，而随着国家路网的建设，很多线路 不可避免的要跨越高山峡谷地区，线路选线时考虑到线路的平顺和行车的安 全舒适，必然涉及大量的挖填方工程形成大量的高路基和高边坡同时由于 具有层状构造的沉积岩在我国的陆地面积中占到了7 7 3 故在线路的修建中 必然会遇到很多的层状岩体的稳定问题，尤其是顺层边坡岩体的稳定顺层 滑坡是指岩层方向与线路走向一致，岩层倾向与边坡坡向相同的层状岩体结 构边坡。其包括自然顺层斜坡和人工开挖边坡。由于对于此类滑坡缺乏足够 的认识和研究，在工程施工中所造成的重大事故屡见不鲜。如意大利瓦依昂 水库库区的巨型顺层滑坡失稳，造成近3 0 0 0 人死亡，使水库完全报废。再如 三峡鸡扒子滑坡、抚顺西露天矿滑坡等都是顺层滑坡失稳从而造成严重后果。 目前我国是世界上具有最大规模资源开发工程和土木建设工程的国家。 随着西部大开发战略的实施，资源开发和基础设施的建设正以前所未有的速 度发展。国家铁路建设的重点也转向了西南地区，而西南地区多属山区，在 山区筑路，顺层滑坡病害众多。1 9 9 5 年，蒋爵光等对国内1 2 条主干铁路的岩 石边坡调查统计后发现，铁路滑坡灾害主要为边坡坡度大于岩层倾角的层状 结构岩体的顺层滑坡。在岩层倾角大于1 5 度的情况下，基本都发生了顺层滑 塌或顺层滑动的破坏现象。而在山区道路路堑挖方地段，顺层岩石路堑边坡 开挖失稳形成顺层滑坡最为常见。如1 9 8 0 年7 月3 日发生的成昆铁路铁西顺 层滑坡，约2 2 1 0 6m 3 的滑体堵塞铁西隧道进洞口，堆积在路基上的滑体厚 度达1 4 m ，掩埋铁路长达1 6 0 m ，中断行车4 0 天。查阅资料发现：顺层路段占 路基总长较大的比重渝怀铁路：顺层工点2 4 9 处，顺层段累计长4 3 6 4 k m ， 占了路基工程总线长的1 5 n 匐；内昆铁路沿江段：集中分布于小儿坪至沙沙 坡，曾家坪子至彝良，共计3 6 处，长约2 0 5 7 l 【i n ，占路基工程总线长4 1 5 1 ： 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 万梁高速公路：全长6 2 k m ，在施工期间发生的顺层滑坡多达5 0 余次“，；宜万 铁路：正在修建的宜( 昌) 万( 州) 铁路全长3 7 8 公里线路穿越鄂西及渝东山 区，沿线软弱岩层分布广泛，由于线路不可绕避地沿长大构造线方向穿越沟 谷两岸，长大顺层路堑边坡稳定性评价和加固问题尤显突出。鄂西渝东沿河 沿路频繁发生的坍方、大型滑坡多属此类型的工程地质灾害，造成多起重大 人员伤亡事故，也给国家和地方造成了重大经济损失。顺层路堑多达6 0 余处， 长度约1 5 k m ，大部分为陡倾顺层滑坡，部分为坡长大于1 0 0 米的顺层滑坡。 面临严峻的稳定性评价和地质灾害防治问题呻，。 现有的关于顺层滑坡的治理方式，针对一般或较小的顺层滑坡，尽量控 制顺层地段的挖方高度，必要时以延长桥跨和增设路基下挡换取降低挖方高 度；尽可能采用顺层清方，清方量过大的采用抗滑桩、锚索桩、钢管桩、锚 索等措施：对长大顺层坡体均采用线路改为跨河或改作桥、隧绕避。当长大 顺层坡体无法绕避时，采用顺层面刷方时，路堑边坡高、刷方工程量大，一 般难以实施：采用支挡收坡时，按目前一般方法计算的层面下滑力大，一般 支挡建筑物很难满足结构要求。现在对于顺层边坡计算所采用的剩余推力法， 其滑移范围都认为的是一坡到顶n “。然而自然界中坡长较大的顺层滑坡在失稳 破坏时并不是一次到顶滑移破坏，而是多次分段下滑破坏，如峨嵋水泥厂西采 区顺层滑坡现行工程设计对于此类情况均把失稳长度考虑为5 0 m 并在此基础 上做支挡设计，然而此种方法无理论依据，可能趋于保守也可能考虑不周故 对不稳定滑坡确定其破坏范围，然后采用合理的加固设计措施。对确保道路 运营安全具有十分重要的意义。 1 2 国内外研究现状 岩体边坡变形与破坏是边坡发展过程中两个不同阶段，变形属量变阶段， 而破坏则是质变阶段，它们形成一个累进性变形破坏过程。从岩体力学的观 点来看，岩体边坡的破坏一般均为剪切( 即滑动破坏) 和拉断两种型式。大 量的野外调查资料及理论研究表明，除少数情况外，绝大部分岩体边坡的破 坏均为滑动破坏。根据滑动面的形态、数目、组合特征及边坡破坏的力学机 理并参照霍克的分类方法，将岩体边坡破坏划分为平面滑动、楔形状滑动、 圆弧形滑动及倾倒破坏4 类，其中平面滑动又据滑动面的数目划分出单平面 滑动、双平面滑动与多平面滑动等。前3 类以剪切破坏为主，常表现为滑坡 形式，第4 类为拉断破坏，常以崩塌形式出现。本文主要研究和分析平面滑 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 动破坏问题 在滑坡的稳定性研究中，所采取的模型试验研究主要采用物理模型试验 ( 即相似材料地质力学模型试验) 和数值分析( 即计算机数值仿真) 两种手 段和方法来研究其滑移破坏特性。 物理模型试验主要借助相似材料地质力学模型试验去再现真实的物理实 体，在基本满足相似原理的条件下，真实的反映地质构造和工程结构的空间 关系，并准确模拟施工过程和把握岩体工程力学特性。目前，可用于研究滑 坡机理的模型有三种：框架模型，底面摩擦模型，离心力模型。数值分析主 要借助计算机的高速运算性能去解决繁琐的数值运算问题，它能够较好地模 拟诸如介质的各项异性、非均质性、不连续性、复杂边界条件及其随时间变 化等复杂工程条件。 岩体介质数值分析方法主要分为两类。第一类是连续介质力学的数值分 析方法，如有限差分法( f l a c ) 、有限单元法( a n s y s ) 和边界单元法；第二 类是非连续介质力学的数值分析方法，如离散单元法( u d e c ) 、块体理论法( s h i g h ，1 9 8 5 ) 、不连续变形分析法( s h ig h ，1 9 8 8 ) 、数值流形元法( 石根华， 1 9 9 7 ) 等。数值分析和地质力学模型试验两种方法各具特点、相辅相成，两 者可以相互补充和验证。将数值分析与地质力学模型试验相结合能够比较真 实、全面地反映长大顺层滑坡的失稳破坏及滑移破坏范围。 1 2 1 顺层边坡滑移破坏研究现状 近十几年来由于大量山区铁路公路的修建，涉及大量的顺层岩质边坡的 加固处理，故人们对于此类边坡的稳定性问题做了大量的研究顺层边坡失 稳与破坏机理一般为滑移拉裂破坏与溃屈破坏，滑移拉裂破坏一般常见于开 挖的人工边坡，而溃屈破坏一般发生在自然边坡中。顺层边坡失稳与破坏机 理与边坡岩体的蠕变、层间错动、地下水、动荷载、岩体的自重等因素有关。 成都理工大学任光明等利用物理模拟方法再现顺层坡滑坡的形成机制： 通过能量平衡法，导出了顺层坡发生溃屈破坏的临界坡长、隆起端位置等力 学模型，。 成都理工大学李树森等在溃屈型滑坡滑动面顺层和切层段强度参数关联 性研究的基础上，进一步研究发现，切层段滑动面的长度、角度变化，对滑 坡稳定性有明显的影响。并从力学方面研究了层状结构岩体顺层斜坡的失稳 机理通过能量平衡法，求出了层状结构岩体顺层斜坡演屈破坏的均布临界载 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 荷、临界坡长，并经实际计算验核，对工程评估、灾害防治有一定参考价值 对滑坡稳定性评价及滑坡的工程治理具有较大意义t 1 2 t 3 西南交通大学土木工程学院李维光等在分析顺层边坡受力状况的基础 上，当边坡的坡脚未被破坏时，将顺层边坡视为弹性地基上的悬臂梁，由此 提出其失稳破坏的力学模型。应用弹性理论求出在力作用下悬臂梁的应力状 态，并根据摩尔库伦准则，导出可判定其稳定性的安全系数计算公式，得 出了顺层边坡处于极限平衡状态极限长度。同时通过实例计算，将此方法与 应用突变理论所得结果对比，验证了此方法的可行性n ” 铁道部第二勘测设计院苟定才等对渝怀线全线顺层边坡发育特征进行了 研究。全线顺层地段累计线路长度4 3 6 3 8 k m 。顺层的危害主要表现在路堑开 挖切断坡脚后，岩层沿层面发生顺层滑坡。顺层地段按下列原则处理：长大的 顺层地段均采用绕避( 如圆梁山出口至潜溪采用龙潭河左岸方案绕避右岸顺 层) ；尽量控制顺层地段的挖方高度，必要时以延长桥跨和增设路基下挡换取 降低挖方高度；无法避免的顺层路堑尽可能采用顺层清方。清方量过大的工 点采用抗滑桩、锚索桩、钢管桩、坡面锚索等措施n 耵 铁道部第二勘测设计院科研所蒋楚生等对路堑顺层边坡的极限和最大坡 高与坡率进行了理论分析，并对超过最大边坡高度的路堑边坡采用描索进行 预加固作了论述，该方法时指导设计与施工具有现实意义n ” 西南交通大学岩土工程系冯君等通过1 6 组小比例模型试验，得出以下几 点结论：( 1 ) 人工开挖使顺层边坡岩体向临空面滑移变形，而产生向下的形变 拉应力。岩体本身由于有一定的抗变形能力，致使上部自然山体边坡受下部 的牵引作用，而与其一起向下产生移动和变形，而变形的量值从临空面向坡 体内部依次减小，从而形成变形边界，并由此可确定出坡体开挖松弛区范围。 ( 2 ) 岩层倾角固定的情况下，随着边坡走向与岩层走向夹角的增加，坡体逐渐 趋向稳定。对于具有缓倾角或中等倾角岩层、开挖边坡坡角大于岩层倾角的 路堑边坡，当路堑边坡走向与岩层走向夹角超过3 0 时，基本上可以不将其视 为顺层边坡t 盯， 西南交通大学土木工程学院邓荣贵等结合重庆至怀化铁路的论证设计， 建立了顺层边坡岩体失稳破坏长度计算式，利用沿线自然顺层状边坡失稳破 坏的调查测试资料进行对比分析，结果表明效果较好n 耵。 河海大学陈志坚等从能量准则和边坡结构分析出发，阐述了层状岩质边 坡滑向和最不利滑面的确定方法。文中以层状岩质边坡结构分析为基础，提 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 出了确定滑向的半定量方法，并进一步确定出最不利干扰位移。根据已确定 的最不利干扰位移求得边坡内各点的干扰能量值及干扰能量等值面，并以最 小干扰能量曲面作为潜在滑动边界“们 1 2 2 地质力学模型实验 2 0 世纪初，西欧一些国家就开始进行结构模型试验，并逐渐建立了相似理 论”。相似原理可以表述为：若模型和原型为两个相似系统，则它们的几何 特征和各物理量之间必然互相保持一定的比例关系。这样，就可以由模型系 统的物理量推测原型系统的相应物理量。2 0 世纪6 0 年代，以e f u m a g a l l i 为首的专家在意大利结构模型试验所( i s m e s ) 开创了工程地质力学模型试验 技术，试验研究范围从弹性到塑性直至最终破坏阶段恤m ，。随后，葡萄牙、前苏 联、法国、德国、英国和日本等国也开展了这方面的研究。在国内，从7 0 年 代开始，清华大学、长江科学院、河海大学、中国水利水电科学研究院、华 北水利水电学院、武汉水利电力大学等单位，结合大型水利工程中坝基或坝肩 稳定问题先后开始试验研究，如对葛洲坝、龙羊峡、三峡、铜街子等工程出现 的抗滑稳定问题进行了大量的试验工作，取得了一大批研究成果悖伸，。 在地质力学模型实验中，用与原型力学性质类似的的材料按几何常数缩 制成模型，然后模拟研究边坡岩体的变形和破坏等现象，为合理的设计支挡 结构提供依据。模型实验是深入认识边坡变形破坏规律的重要手段之一，能 解决现场观测所不能解决的问题。 地质力学模型试验技术的一个优点是把工程结构与周围岩土体作为一个 统一体考虑，地质力学模型试验中关注的是地质构造对建筑物的影响，这种 相互作用一般都比较复杂，难以进行精确的理论分析计算，而在地质力学模 型试验中却能自然而然地加以考虑，不用人工干预，这种优越性在地质条件 较为复杂时表现地尤为突出。地质力学模型试验技术的另一优点是，它能较 好地模拟工程的施工工艺，以及荷载的作用方式及时间效应等，能研究工程 的受力全过程，从弹性到塑性，一直到破坏。因此，用这种试验不仅可以研 究工程的正常受力状态，还可以研究工程的极限荷载及破坏形态。同时，与 数值计算结果相比，它所给出的结果形象、直观，能给人以更深刻的印象。 1 2 3 离散单元法 离散单元法( d i s c r e t ee l e m e n tm e t h e d ) 为一种分析节理岩体的数值计 算方法。在2 0 世纪7 0 年代由c u n d a l l 提出，用来模拟岩体的断裂和破坏过程 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 3 0 - 3 1 】。这种方法后经v o g e l 、l o r i g 、b r a d y 等人的发展，很快在边坡、基础、 巷道稳定研究等各方面得到了应用【3 2 1 。离散单元法的基本原理是牛顿运动定 律，结合不同的本构关系，以动力松弛的方法，按时步迭代而求解。离散单 元法将研究区域划分为许多微小的单元，但一般不要求各个单元之间满足几 何连续条件，在以后的运动中单元节点可以分离【3 3 1 。1 9 8 3 年l e m o s 开发了离 散单元法与边界单元法耦合的半平面程序，应用于计算节理和断裂介质中的 应力分析问题；1 9 8 4 年l o r i n g 开发了包括前后处理的离散单元法与边界单元 法的耦合程序 3 4 - 3 6 ；、1 9 8 5 年c u n d a l l 完成u d e c ，其被广泛应用于采矿、水 利、隧道、地震等工程领域，被认为是对节理岩体进行数值模拟的一种行之 有效的方法，极大地推动了离散元法的发展：三维离散单元法程序3 d e c 由 c u n d a l l 与i t a s c a 咨询集团于1 9 8 6 年合作开发，其基本原理等同于 u d e c 3 * 3 9 。 离散单元法在我国的发展始于2 0 世纪八十年代中期，不过发展却非常迅 速。王泳嘉和剑万禧在1 9 8 6 年的第一届全国岩石力学数值计算及模型实验讨 论会上，首次向我国岩石力学与工程界介绍了离散单元法的基本原理及几个 应用实例【4 0 】。1 9 8 8 年，刘建武、葛修润根据s t e w a r t 的静态离散元法开发了 我国第一个静力松弛离散元程序，并对二滩电站地下主厂房进行了计算：为 了消除块体求解顺序对计算结果的的影响，1 9 9 3 年，陈文胜、葛修润提出了 静态同步松弛的离散元法，并首次用c 语言开发了相应的计算程序，该程序 除计算效率较高外，还可实现动态与静态松弛法的耦合；w a n g ( 1 9 9 3 ) 在静 态松弛的离散元法基础上提出了刚块一弹簧法模型，该方法实质上是静态同 步松弛的离散元法。1 9 9 4 年，蒋爵光、谢强、吴光利用离散元模拟程序对北 盘江大桥岸坡进行了稳定性模拟，并将该模拟结果与底摩擦试验模拟进行了 对比，模拟结果令人满意：1 9 9 7 年，伍四明、李日国通过离散元数值模拟， 再现了滑坡体的变形破坏过程，从而揭示了万县滑坡群的形成机制； 1 9 9 9 年，金仁祥等对麻柳嘴滑坡成因机制进行了离散元模拟较好的反映了滑坡的 实际成因：2 0 0 0 年，毛彦龙、胡广韬等采用离散元对斜坡在地震作用下的变 形破坏过程进行数值模拟分析，得出了一些既有理论研究意义，又有实际应 用价值的论断。 目前工程中采用的离散元模型分为两类：一类是基于传统的c u n d a l l 离 散单元法，把整个结构看成众多散体单元的集合，单元之间的作用力通过单 元的本构关系得到；另一类是基于多刚体一弹簧模型，既扩展的离散单元法 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 ( e d e m ) ，这种模型假设每个离散单元都是刚体，它们之间通过弹簧相联结， 单元间的作用力完全反应在弹簧内。在边坡的破坏研究中，我们一般采用第 一类模型，因为这种模型能较好的模拟岩石内存在的节理等不连续面的现象。 边坡的变形破坏是节理和各种裂隙切割出的块体的移动而引起的岩体结 构的破坏，这种破坏形式完全可以采用离散元法进行数值模拟，故在此滑坡 模型实验的数值模拟中，我们采用离散单元法( u d e c ) 来数值模拟长大顺层 滑坡在软弱夹层面上的块体滑移破坏。从而与模型实验想对照，检验模型实 验数据的合理性。 1 3 主要研究内容及方法 本文以宜万线巴东车站为工程背景，通过室内地质力学模型试验对长大 顺层滑坡变形及破坏规律进行研究，研究长大顺层滑坡岩体的滑动失稳破坏 模式，总结滑坡变形破坏失稳的主要阶段及类型，再运用数值分析方法对巴东 车站进行开挖稳定性分析，求出需要加固范围。 1 3 1 物理模型试验及理论依据 采用地质力学模型实验模拟长大顺层滑坡的滑移破坏长度，并采用离散 元法验证，从而与模型实验相对照。其理论依据主要为相似原理。 1 3 2 模型实验方法及数值计算 依据相似理论和模型材料选取原则，本实验模型采用水泥、沙、铁砂的 混合材料，进行材料实验选取最合理的配合比，配出所需试块的容重。然后 采用钢板作为滑面，观测在不同倾斜角度下的滑体下滑破坏情况。然后采用 二维离散元软件u d e c 对巴东车站长大顺层滑坡失稳长度进行模拟计算，数值 计算的结果与前面地质力学模型试验的结果相互验证，进而得出正确的结论 来对长大顺层滑坡的失稳长度进行综合评价。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 第2 章模型实验原理与实验设计 2 1 地质力学模型实验概述 地质力学模型实验属于结构模型实验技术的范围而岩石多数是不均匀 物质而且是各向异性的，并且包含各种岩石与地质构造的岩体则更为复杂。 对于重要的复杂岩体工程，常常需要同时采用模型实验和数值计算两种方法 进行研究地质力学模型是真实的物理实体的再现，首先其满足相似原理，在 此基础上真实的反映地质构造和工程结构之间的关系，可准确模拟施工过程 和把握岩体工程力学特性地质力学模型实验直观性强，模型试验方法具有 直观性与全场逐点给出结论的优点，它可以研究岩体应力和应力变化规律，在 研究岩体破坏机制方面具有独到的长处，此方法可以弥补数值方法的不足，与 数值计算互相补充、相辅相成。从而较全面的分析工程问题。 2 1 1 地质力学模型实验的相似原理 模型试验的理论根据是相似原理，其表述为：若模型和原型为两个相似 系统，则它们的几何特征和各物理量之间必然互相保持一定的比例关系。依 据此原理模型实验要求模型与实体( 原型) 相似，根据模型的情况反映出原 型的情况。模型与原型，除了几何形状相似以外，同类物理量，比如应力、 应变、位移、容重、弹性模量、摩擦系数、泊松比、各种强度等等，也必须 满足一定的比例关系。这些比例必须满足各种力学条件，如弹性力学上的平 衡微分方程、几何方程、边界条件等。因这些方程必须当几何特征、有关物 理常数、初始条件及边界条件确定后才能解算，所以，要使模型与原型完全 相似，模型的几何特征、物理常数、初始条件和边界条件都必须和原型相似。 这样，就可以试验测定某一系统( 模型) 的物理量，再按一定的比例关系推 求另一系统( 原型) 的对应物理量。 模型是根据原型来塑造的。在进行模型试验时，通常都采用缩小比例或 在某些情况下用放大比例来制作模型。同时，为了便于测量应力与应变值， 往往采用一些与原型不同的材料，例如某些弹性模量较低的相似材料或对应 力有光学反应的光弹透明材料来制模。通常，人们在研究模型与它所代表的 原型之间存在何种关系时，承认模型与原型间存在着相似性。研究这些相似 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 性质与规律的理论称为相似理论。 相似理论是指导模型试验，整理分析试验结果并使其推广到实际中去的 基本理论。提及试验中的相似，这意味着对模型有如下的要求：a 它能代表原 型( 即未知现象) ；b 能把模型试验结果转换到原型结构上去。为了达到这些 要求，试验现象必须遵守如下三个相似定理： 相似第一定理：相似现象是指具有相同的方程式与相同相似的现象群。 相似第二定理：若诸现象相似，则它们的判据方程式可以用同一形式。 相似第三定理：只有具有相同的单值条件和相同的主导相似判据时，现 象才互相相似。 本文试验所论述问题为平面应变问题，其物理量包括：坐标位置( x ，y ) ； 体积力( x ，y ) ：边界力( x f ，y ，) ：应力( o ，o ，【。，) ；位移( u ，1 ，) ：应 变( 。，y 。，) ；弹性模量( e ) ；泊松比( p ) 、抗压强度( r e ) 等等。 2 1 2 应力试验相似条件 我们把原型( p ) 与模型( m ) 之间相同的物理量之比称为相似比尺。分 别用下标p ( p r o t o t y p e ) 和皿( m o d e l ) 表示原型和模型的物理量。 相似常数= 萋辫 定义l 代表长度，y 代表容重， 变，矽代表摩擦角，p 代表泊松比， 比例关系如下： 几何相似比尺 应力相似比尺 应变相似比尺 弹性模量相似比尺 泊松比相似比尺 6 代表位移，0 代表应力，代表应 ，代表摩擦系数。则对应物理量的相似 c ：立：生：垒：立：生 y m“。l m 巳= 器= 器= 法= 詈 c ：竺五：竺止：! 丝：生 5 ( s ，) 。( 占，) 。( k ) 。厶 q = 鲁 巳= 生 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 边界力相似比尺 体积力相似比尺 摩擦系数相似比尺 摩擦角相似比尺 c ，= 器= 器 g = 妾= 乏 牛每 q = 老 根据弹性理论，可以写出原型和模型在平面问题下所应满足的各方程式， 以推导各相似比例间的关系。 ( 1 ) 平衡方程式 旦盟+ 旦堕+ x ：o 缸 勿 型+ 型+ y ；o 砂 反 ( 2 ) 相容方程式 苦+ 鲁) ( o z 螺) - o 象+ 萨) ( 竹，) 。0 ( 3 ) 物理方程式 q = 半 ( 1 一z ) a , 一叫 占，= 半【( 1 - ) o y - - 肛】 驴掣 ，删_。f ( 4 ) 几何方程式 ( 2 - 1 ) ( 2 2 ) ( 2 - 3 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 乱 j2 _ o 加 占j2 _ o y 加钆 ，= 一+ 一。删 苏砂 ( 5 ) 边界条件 ( 2 - 4 ) ( 2 - 5 ) 其中口是边界面的法线与j 轴所成的角。 分别写出模型和原型的有关方程式，推导可得到下列各种关系式： c o = g c x e = e q q = 1 c 6 = c 。c l c f = c 寸 将上式中各项反代回相似比例关系各式后可得： 生：丝 a mt m p m 量：丝 占。 i m p 。e p p p2p m 生：丝 6 m l ：p m e p ( 2 - 6 ) ( 2 - 7 ) ( 2 - 8 ) ( 2 - 9 ) ( 2 - 1 0 ) 、，j 口 口 砸| 知研 一 叶蜀 q q = = 0 弓 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 噼f 、) p ( x ，) m ( 0 ) ， ( 巧) 。 2 2 原型与模型的完全相似 ( 2 - 1 1 ) 2 2 1 变形完全相似 根据相似原理，为了实现变形完全相似，则要求模型与原型的某些无因 次量应相等，具体要求如下。 1 原型与模型材料的泊松比应相等，即。= 胁。这个式( 2 9 ) 已满足。 2 原型与模型相应点的应变必须相等( 即应力应变关系曲线必须相似) 。 r q = 卫= 1 即占p = 厶 ( 2 1 2 ) 5 崩 将式( 2 - 1 2 ) 代入( 2 - 6 ) ，得到e = g 从目前采用的模型材料性能看，要求模型材料与原型材料的应力应变关 系曲线始终完全相似，是很不容易满足的。本次模型试验只能把模型材料的 应力应变关系曲线控制在弹性阶段范围内，由于原型或模型的弹性变形所引 起结构尺寸的改变，虽将招致变形后的几何形状不完全相似，但对结构应力 状态误差的影响通常是很小的，本次试验并不关心软弱夹层上岩体的变形， 只关心软弱夹层上的应力状态，所以在本次试验中可以c c e 。 2 2 2 原型与模型的破坏相似 考虑到原型和模型的相对变形( 应变) 是相等的，而原型的应力是模型 的应力的c0 倍，理论情况下模型材料的o 曲线应当是原型材料的0 曲 线在纵坐标缩小co 倍之值。本次模型试验不要模拟岩体的破坏，只要模型材 料在弹性范围内即可，不必要求模型材料的抗拉强度( r t ) 、抗压强度( r c ) 、 抗剪强度指标、c 、巾等与原型材料的对应参数相似。 兰暖鬈虿旦生 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 2 2 3 岩体滑移失稳相似 岩体在软弱夹层上要滑移失稳，必须满足在滑移面上的滑移失稳条件， 一般来说，只满足摩尔库仑破坏谁则。 f = c + 仃t a n 矽 ( 2 1 3 ) 本次模拟不考虑夹层的c 值，故上式变为：f = 盯t a n 痧( 2 1 4 ) 根据式( 2 - 6 ) 中q = q ，把( 2 7 ) 代入c ，= g 得到：q 2 乏2 笔芒，本 次试验选用与现场岩体容重相同的材料，故c ，= = c ，。根据 。 z 朋 c ，= 器= 器瑚m c ：r = ( 吼鹕哪。张型中岩体 与夹层接触的面力均为原型的c ，倍，根据式( 2 - 1 4 ) ，即可得到，只要模型与 原型夹层材料的矽值相同，模型与原型中的滑移范围是相似的。 2 3 试验目的 长大顺层滑坡滑移破坏模型试验，用来观测长大顺层滑坡的滑移破坏过 程，统计破坏形态规律，以便为工程设计中合理选取长大顺层滑坡的滑移范 围提供必要的理论参考。 2 4 结构模型试验设计 本实验结构模型为斜面摩擦滑移模型。具体实验操作为将浇注好的实验 块体单层顺坡放置于设计好的斜板上，通过改变斜板的角度、滑块的规格以 及滑块的个数来模拟不同倾斜角度下不同厚度和长度的顺层边坡的滑移失稳 过程。 本模型试验主要模拟以下两个方面i 1 、不同坡长下岩体滑移破坏过程。 2 、不同滑体厚度下岩体滑移破坏过程。 本次试验模型主要分两部分，第一部分为模型材料设计，第二部分为试 验架的设计。本实验的设计综合考虑了以下几种因素： 模拟顺层边坡的长度变化通过改变块体的个数来实现。 模拟顺层边坡岩石倾角的改变通过改变实验板的角度来实现。 西南交通大学硕士研究生学位论文第14 页 模拟顺层边坡岩层厚度通过改变试块的厚度来实现。 2 4 1 模型材料设计 2 4 1 1 相似材料的选取 根据相似理论及模型材料选取原则，模型试验的材料应选用低弹模、低 强度、高容重材料。实际上要选择一种材料都满足相似理论要求是不现实的， 一般都只能满足一些基本要求。考虑到材料选取的一般原则，本次选用水泥 砂浆加铁粉所浇注块体模拟软弱夹层上部岩体，c 。= 1 ，选用钢板来模拟软弱 夹层，c r = l ，即乍五，可认为夹层的c 值为0 。 2 4 1 2 模具设计 模具大小主要根据模型试验要求来确定，因本次所做试验在一台架上进 行，台架的尺寸不能太大，本次设计的台架板长度为2 7 m 。本次模拟边坡的 几何尺寸，坡长：l o o m 1 0 0 0 m ；坡高：5 m 2 0 m 。因台架长度所限，故模拟边 坡的坡长：l o o m 5 0 0 m ，坡高：5 m l o m 。相似比，1 ：2 0 0 ，共2 个模具，其尺 寸分别为2 5 m m x5 0 m m l o o m m 和5 0 m m 5 0 m m l o o m m 两组，分别模拟5 m 厚度 滑体和l o m 厚度滑体。模具用钢板制成。 表2 - 1 坡长与试块个数关系 l坡长 l o o m2 0 0 m3 0 0 m4 0 0 m5 0 0 ml 5 0 块ii 试块个数1 0 块2 0 块3 0 块4 0 块 2 4 1 3 模型浇注 本次模型实验只模拟重力相等，而一般水泥沙浆试块的容重无法达到天 然岩石块体的容重，故在本实验块体的制作中为了使容重达到实验要求在水 泥沙浆中添加了钢珠，经过容重配合比实验，将试块容重控制在2 5 9 c m 3 左 右，然后进行试块的制作，实验所用模具和添加料钢珠以及实验试块成品如下 图所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 圈2 1 模型浇筑横具图2 2 添加料钢珠 圈2 35 0 x 5 0 x 1 0 0 ( m m ) 实验块 图2 42 5 x 5 0 x 1 0 0 ( r a m ) 实验块 242 试验台架设计 实验台架的设计必须满足2 个基本要求：1 、实验板长度要大于2 5 m ，2 、 实验板一端铰接一端活动，这样才可以通过不断调整实验板的角度来模拟长 大顺层边坡的坡角( 岩层倾角) 的改变。实验台架如下图所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 图2 5 试验台实物图图2 6 实验架局部放大图 2 4 3 试验方法 把做好的试验块放在试验架的钢板上，然后拉动钢丝绳，缓慢的提升钢 板的活动端，因钢板另一端固定在活动铰上，钢板在钢丝绳的提升下，与水 平方向形成一斜角，随着斜角不断增大，钢板上的试验块在达到一定角度后 就向下滑动，根据试验块向下滑动破坏的形式就可得到试验结果。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 7 页 第3 章结构模型实验数据分析 边坡因河谷下切风化、地震、构造运动、人类工程活动等形成。在人类 工程经济活动中由于各种需要常常会进行各种开挖活动。在开挖初期，由于 工程刚开始坡体内应力场、位移场只产生局部变化，应力重分布范围不大， 故坡体基本处于力学平衡状态，随着开挖的继续，在临空面出现局部卸荷， 边坡内出现局部的不平衡，引起坡体应力在较大范围内发生重分布，边坡会 产生局部变形破坏，但整个边坡整体上是平衡的，开挖到一定的深度，由于 物质、能量交换的加剧，边坡远离平衡向非平衡转化，在近临空面一定区域 内形成应力降低区，该区域内岩体性质劣化，各种力学参数降低，。并造成该 区域内的岩体裂隙发展，但根据已有研究成果，首先力学参数降低的那部分 岩体的范围是有限的，一般位于边坡近临空面的一定区域，其次在该范围内， 离临空面越近，岩体力学参数值降低越多，离临空面越远，岩体力学参数值 降低越低，也就越接近岩体天然状态下的相应值。坡体进入极限平衡状态， 在开挖面一定区域内产生滑移。 3 1 模型实验破坏模式 顺层滑坡的破坏模式常见的有7 种【5 】，分别为滑移一拉裂破坏，滑移压制拉 裂破坏，塑流拉裂破坏，滑移弯曲破坏，弯曲拉裂破坏，滑劈破坏和顺层滑 移破坏。对于前端岩层出露的顺层滑坡主要有滑移拉裂破坏与顺层滑移破坏 两种模式。滑移拉裂型即滑体未全部下滑，还有一部分稳定在滑面上；顺层 滑移型即滑体全部下滑。 本次试验典型模式如下，先把滑块单层顺坡整齐摆在试验滑板上，然后 缓慢的提升滑板的一端，随着滑板不断的提升，斜坡的角度不断增大，滑体 从先前的稳定状态进入临界稳定状态：如再增大斜坡角度，滑体进入了不稳 定状态，产生了第一次失稳，坡体前端部分试块滑移失稳，坡体后端试块还 处于稳定状态；随即，缓慢提升滑板，坡体后端的试块也由稳定状态进入了 临界状态，再增大斜坡角度，此时，试块进入了不稳定状态，产生了第二次 西南交通大学硕士研究生学位论文第18 页 滑移失稳，前端部分试块产生滑移失稳，坡体后端还有一部分试块处于稳定 状态；待滑块滑移稳定后，再提升滑板，同理，坡上试块从稳定状态进入临 界状态，最后转为失稳由此过程可知，长大顺层滑坡破坏失稳过程为渐进的， 多次滑移失稳破坏过程。 3 2 实验数据分组分析 此实验为一随机实验，需要做大量的重复性实验，在所得到数据的基础 上分析归纳，从中统计分析出长大顺层滑坡的滑移破坏形态。参考工程中常 见顺层边坡规模和开挖深度，并考虑实验台架大小尺寸，选取了5 m 厚度下 l o o m 5 0 0 m 顺层边坡和l o m 厚度下l o o m 5 0 0 m 顺层边坡来做模型实验，并 以此为统计样本来分析长大顺层边坡的破坏形态。 3 2 1 厚度5 m 坡长1o o m 模型数据分析 本实验样本空间为2 5 组，分析归纳实验数据，实验中一次全部下滑为2 组，两次分段下滑为8 组，三次分段下滑为1 5 组。一次全部下滑的比例约为 8 左右，如图3 1 所示。 1 5 彝1 0 囊5 d 0 糟移次数 3 图3 1l o o m 坡长失稳次数统计 典型模型实验破坏如图3 2 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第19 页 图3 22 5 x 5 0 x 1 0 0 模拟l o o m 坡长失稳破坏图 3 0 篓2 7 莲2 4 姜2 1 盖1 8 1 5 i o 誉8 羹6 羹 一 甏2 0 051 01 5 2 02 53 0 实验组 图3 3 首次滑移破坏角度统计 o5 1 01 52 0 2 5 3 0 实聘蛆 圈3 4 首次滑移块体个数统计 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 0 页 从图3 3 我们可以看出，在2 5 组实验中，模型首次滑移破坏的角度位于 2 0 。一2 7 。之间，平均首段滑移破坏角为2 3 4 。首次滑移块体区间图如图3 4 所示，其中首次滑移块体个数占总块体个数比例小于2 0 为1 3 组