基于能量原理的岩石边坡稳定性研究

论文摘要

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。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 选题背景、研究目的和意义
• 1.2 国内外研究动态
• 1.3 本文的主要研究内容
• 第2章 基于能量原理的岩石破坏准则研究
• 2.1 引言
• 2.2 最小耗能原理
• 2.3 用最小耗能原理解决问题的途径
• 2.4 基于最小耗能原理的岩石断裂破坏准则研究
• 2.4.1 基于最小耗能原理的岩石断裂破坏准则
• 2.4.2 常数确定
• 2.4.3 岩石断裂破坏过程中的起裂准则
• 2.4.4 基于最小耗能原理的岩石断裂破坏准则的验证
• 2.5 基于最小耗能原理的岩石整体破坏准则研究
• 2.5.1 岩石整体破坏准则
• 2.5.2 准则的验证
• 2.6 本章小结
• 第3章 岩石边坡破坏过程中的裂纹扩展过程研究
• 3.1 引言
• 3.2 岩石断裂破坏的力学机制
• 3.2.1 岩石断裂过程中的应力应变状态
• 3.2.2 裂纹扩展机制
• 3.3 岩体裂纹扩展的复合型断裂判据研究
• 3.3.1 最大周向拉应力理论
• 3.3.2 最小应变能密度因子准则
• 3.3.3 最大应变能释放率准则
• 3.4 压剪作用下的岩石裂纹扩展判据
• 3.4.1 岩石压缩状态下的裂纹扩展过程
• 3.4.2 压剪条件下岩石裂纹的起裂判断
• 3.4.3 压剪条件下翼裂纹的扩展条件
• 3.5 多裂纹相互作用的断裂力学分析
• 3.5.1 裂纹尖端的极值分布
• 3.5.2 多裂纹之间贯通模式分析
• 3.6 岩石边坡破坏过程中的单个裂纹扩展过程分析
• 3.7 岩石边坡破坏过程中的多裂纹扩展及贯通过程分析
• 3.8 本章小结
• 第4章 岩石边坡稳定性计算数值模拟研究
• 4.1 引言
• 4.2 裂隙岩体边坡中的裂缝扩展过程数值模拟
• 4.2.1 RFPA 软件简介
• 4.2.2 含裂纹岩石边坡的破坏过程数值模拟
• 4.3 裂隙岩石边坡破坏过程数值模拟
• 4.3.1 岩石边坡内单裂纹扩展过程数值模拟
• 4.3.2 岩石边坡失稳过程数值模拟
• 4.4 本章小结
• 第5章 结论与展望
• 5.1 主要结论
• 5.2 研究展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间的研究成果