勉宁公路沿线边坡软岩力学特性及其稳定性研究

论文摘要

陕西省南部勉县-宁强地区沟谷纵横,广泛分布着寒武系、奥陶系、志留系的地层,岩性主要以泥岩、粉砂质泥岩等为主,在公路建设过程中山区公路软岩边坡问题比较突出。随着国家西部开发战略计划的实施,这就迫切地需要对山区公路软岩问题进行系统研究,本文结合陕南勉县-宁强高速公路山区沿线公路软岩边坡,分析公路软岩边坡岩体赋存地质条件,研究该地区山区公路软岩边坡的工程地质条件和边坡变形破坏地质力学模式。通过对组成边坡的软岩流变试验,确定流变力学模型中的岩石材料参数,建立符合实际的边坡流变力学模型。从工程地质基础、软岩流变特征、软岩边坡稳定性分析与评价等方面,系统地研究山区公路典型软岩边坡流变特征及其软岩边坡的稳定性问题。研究成果主要包括:（1）在充分研究软岩边坡工程地质环境的基础上,采用显微镜和浸水试验的方法,对软岩岩样宏观裂隙发育过程进行了研究,并分析了影响岩石裂隙发育的主要因素和泥岩破坏面形成的微观原因。依据岩样室内试验研究,阐述了软岩的岩体物理力学性质。利用回弹仪,在野外对岩石进行了测试,提出岩石回弹值与岩石强度的相关方程,并根据岩石回弹值对勉宁高速公路沿线岩石强度进行了分级。（2）依据勉宁高速公路沿线软岩边坡特征,分别采用边坡岩体质量RMR方法和分形方法进行了岩体质量评价,以此为基础,提出一个以岩体节理分布的分维数D为分级指标,并根据室内外波速测试的结果,对于不同的边坡岩体质量分级提出了相应的分形损伤参数。（3）分析沿线公路边坡的岩性特征、岩石风化程度及结构面的特性等,将研究区域的软岩边坡变形破坏地质力学模式归纳为5种。在47处软岩边坡中,滑移-压致拉裂变形模式1处,占边坡总数的2.12%;弯曲-拉裂变形模式32处,占边坡总数的68.1%;滑移-拉裂变形模式4处,占边坡总数的8.5%;蠕滑-拉裂变形模式6处,占边坡总数的12.8%;滑移-弯曲变形模式4处,占边坡总数的8.5%。软岩边坡以弯曲-拉裂变形模式为主,该类边坡破坏形式主要为倾倒、溃屈破坏、崩塌、滑塌等。（4）三轴压缩蠕变试验表明,Burgers模型能更好地描述勉宁高速公路软岩受力后的力学特性,特别是其长期蠕变特征;利用试验结果,分析确定了Burgers模型本构方程中各参数的数值。根据软岩试样难以制备的现状,分别设计方形和圆柱体试验试样,进行三轴流变压缩模拟计算,探讨不同形态试验试件对岩体蠕变变形特征的影响规律。即:立方体试件的应变量数值整体小于圆柱体试验试件的应变量数值。在低围压状态下（1～5MPa）,两者数值相差较小,约5～10%之间,在高围压状态下（10MPa）,两者相差较大,约10～30%之间。（5）根据三轴压缩试验结果,选择典型软岩高边坡,分别进行软岩边坡三维流变数值模拟计算和分形岩体损伤特征的三维流变模拟计算,考虑地下水的作用,分析与研究了软岩边坡开挖过程和边坡形成后蠕变期在上述两种状态下的应力、应变、塑性区以及主要影响因素、破坏形式等规律,并计算了不同状态下的安全系数。（6）针对软岩边坡破坏的不同形式,利用极限平衡法计算本区部分边坡的稳定系数,定量评价软岩边坡的稳定性。采用BP神经元评价方法,在影响公路边坡稳定性的因素中,根据现场调查和室内分析结果,最终确定20个BP神经元单因子评价指标,对相应的软岩边坡进行了综合评价。对于顺层软岩边坡,采用岩板模型,应用突变理论研究了岩层在水平地应力和垂直力共同作用下失稳的力学机理。根据所建立的四边简支岩板力学模型,推导出层状岩体系统的总势能函数表达式,建立该系统的尖点突变模型,给出在水平地应力和垂直力控制空间中使系统失稳的分叉集,分析作用力的渐变导致状态突变的过程。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 选题背景与研究意义
• 1.2 研究现状
• 1.3 论文主要研究内容及创新点
• 1.4 技术路线
• 2 勉宁公路软岩边坡的环境地质条件及其物理力学性质
• 2.1 区域环境地质条件
• 2.1.1 地形地貌
• 2.1.2 地质概况
• 2.2 水文地质条件
• 2.2.1 地下水的补给、径流和排泄
• 2.2.2 基岩裂隙水
• 2.3 原生结构及其对岩体结构的控制
• 2.3.1 岩石组合对岩体结构的控制
• 2.3.2 原生结构面对岩体结构的控制
• 2.3.3 原生结构对岩体结构类型的控制
• 2.4 沿线边坡分区及其构造特征
• 2.5 软岩软化的微观与宏观研究
• 2.5.1 基本特征
• 2.5.2 微观分析
• 2.5.3 软岩岩样的浸水试验
• 2.6 研究区软岩物理力学性质研究
• 2.6.1 岩样室内试验研究
• 2.6.2 软岩岩块波速测试试验
• 2.6.3 沿线边坡岩体点荷载回弹试验
• 3 勉宁高速公路边坡坡体结构与岩体质量评价
• 3.1 研究区边坡岩体结构研究
• 3.1.1 结构面的分级特征
• 3.1.2 结构面状态
• 3.1.3 影响结构面的因素
• 3.1.4 岩体结构
• 3.2 边坡岩体质量主要评价方法
• 3.2.1 岩石质量指标（RQD）
• 3.2.2 岩体基本质量指标（BQ）
• 3.2.3 岩体质量指标（RMR）
• 3.2.4 CSMR 和GSMR 边坡岩体分类
• 3.2.5 岩体质量的分形评价方法
• 3.3 研究区边坡岩体质量RMR 方法评价
• 3.4 研究区边坡岩体质量分形方法评价
• 3.5 研究区边坡岩体的分形损伤参数及确定方法
• 3.6 边坡岩体力学参数的估算
• 3.7 本章小结
• 4 软岩边坡变形破坏地质力学特征研究
• 4.1 影响边坡稳定性的主要因素
• 4.1.1 岩石类型
• 4.1.2 岩石风化程度
• 4.1.3 强弱岩层交界面
• 4.1.4 岩层产状与边坡的关系
• 4.1.5 节理构造
• 4.1.6 断层构造
• 4.1.7 褶皱构造
• 4.1.8 水文地质条件
• 4.1.9 植被覆盖程度
• 4.1.10 坡高与坡角
• 4.1.11 人类工程因素
• 4.2 边坡变形破坏地质力学模式分析与研究
• 4.2.1 边坡变形与破坏的一般特征
• 4.2.2 蠕滑－拉裂变形破坏模式
• 4.2.3 滑移－压裂拉裂变形破坏模式
• 4.2.4 滑移－拉裂变形破坏模式
• 4.2.5 滑移－弯曲变形破坏模式
• 4.2.6 弯曲－拉裂变形破坏模式
• 4.3 勉宁高速公路软岩边坡的变形破坏地质力学模式分类
• 4.4 本章小结
• 5 泥岩流变试验和流变试验数值模拟的研究
• 5.1 概述
• 5.2 粘弹性本构方程
• 5.2.1 粘弹性Burgers 模型的本构方程
• 5.2.2 蠕变常数的确定
• 5.3 泥岩流变试验研究
• 5.3.1 泥岩岩石的试样
• 5.3.2 三轴压缩蠕变试验方法及条件
• 5.3.3 三轴压缩蠕变试验分析
• 5.4 泥岩流变试验数值模拟研究
• 3D 基本原理'>5.4.1 FLAC^3D基本原理
• 5.4.2 模拟试件研究的目的和内容
• 5.4.3 三轴压缩试验（围压1MPa）模拟计算与计算参数确定
• 5.4.4 不同围压状态下三轴压缩试验模拟计算研究
• 5.4.5 三轴压缩试验不同形态试验试件的模拟计算研究
• 5.5 本章小结
• 6 软岩边坡开挖过程数值模拟研究
• 6.1 边坡开挖过程数值模拟的设计方案
• 6.1.1 边坡工程地质模型的选取
• 6.1.2 计算模型的建立
• 6.1.3 计算参数
• 6.1.4 计算过程
• 6.2 边坡开挖过程中的数值模拟计算结果与分析
• 6.2.1 位移场规律与特征分析
• 6.2.2 应力场规律与特征分析
• 6.2.3 速度场规律与特征分析
• 6.2.4 塑性破坏规律与分析
• 6.3 边坡蠕变阶段的数值模拟结果与研究
• 6.3.1 位移场规律分析
• 6.3.2 应力场规律与特征分析
• 6.3.3 速度场规律与特征分析
• 6.3.4 塑性破坏规律分析与研究
• 6.4 基于边坡岩体分形损伤法的数值模拟结果与研究
• 6.4.1 边坡开挖阶段数值模拟结果及其研究
• 6.4.2 边坡蠕变阶段数值模拟结果及其研究
• 6.5 边坡流－固相互作用数值模拟结果与研究
• 6.5.1 无渗流（静水）模式下边坡数值模拟分析
• 6.5.2 渗流模式下边坡数值模拟分析
• 6.6 边坡安全系数分析与研究
• 6.7 本章小结
• 7 勉宁高速公路软岩边坡稳定性分析与研究
• 7.1 极限平衡法评价方法的稳定性分析与研究
• 7.1.1 计算参数的选择和滑动面的确定
• 7.1.2 计算方法的选择
• 7.1.3 分析计算结果
• 7.2 基于模糊神经网络法的稳定性分析与评价
• 7.2.1 人工神经网络的基本原理
• 7.2.2 人工神经网络模型的选择及其过程
• 7.2.3 模糊神经网络综合方法流程
• 7.2.4 模糊神经网络综合评价
• 7.2.5 与其它评价方法的比较分析
• 7.3 顺层软岩边坡突变失稳机理分析与研究
• 7.3.1 岩体突变理论
• 7.3.2 顺层边坡岩体变形特性分析
• 7.4 小结
• 8 结论
• 8.1 结论
• 8.2 建议
• 致谢
• 参考文献
• 附录