含节理层状岩石破裂特性及边坡工程应用研究

论文摘要

近年来,我国水利水电工程、交通工程和矿业工程高速发展,这些工程均涉及到地质结构和地质环境尤为复杂的岩质边坡的评价与防护工作,其中越来越多的岩石力学问题亟需解决。层状岩石是边坡工程中最常见的岩石类型,大多被层面和节理“切割”成结构复杂的非连续体,其中层面结构由原生成因作用在岩石建造过程中形成,节理由构造成因或次生成因作用在漫长的地质历史演化中形成。层面和节理在层状岩石及层状边坡的变形破坏中扮演不同的角色,实际岩石力学研究中应加以区分。尽管目前关于层状岩石和层状边坡的研究颇丰,但仍然存在诸多尚需解决的问题,包括层面和节理共同作用下岩石的破裂特性和力学性质、考虑各向异性的层状岩石强度准则、层状边坡破坏模式和裂隙演化过程、层状边坡局部破坏概率,等等。针对以上问题,本文综合运用室内试验、理论解析、工程地质分析等方法开展了深入研究,主要研究成果如下:（1）揭示了含单节理层状岩石的破裂过程和力学特性。自主设计和研发层状类岩石材料制作方法、技术和流程,制备了不同层面和节理倾角组合的层状类岩石材料,进而通过一系列单轴压缩试验研究了含单节理层状岩石的破裂过程和力学特性。研究表明:（1）层状试样的应力-应变曲线分为4类,新生的裂纹类型有9种,试样破坏模式可归纳为5类,力学参数、裂纹种类和破坏模式均与层面倾角和节理倾角有高度相关性。（2）层面倾角对弹性模量的影响较小,对单轴抗压强度和峰值应变的影响较大,二者均随着层面倾角的增大而呈先减小后增大趋势。节理倾角由-90°逐渐增大至90°,单轴抗压强度先减小后增大,峰值应变呈逐渐减小趋势,弹性模量先减小后增大。（3）层面倾角对裂纹分布的影响:随着层面倾角的增大,由节理处起裂的拉裂纹更易转换为层间剪切裂纹,甚至导致试样沿整个层面剪切破坏;当层面倾角增至90°时,裂纹类型主要为层间劈裂。节理倾角对裂纹分布的影响:含顺倾节理试样中,主要以层间剪切裂纹为主;含反倾节理试样中,除层间剪切裂纹外,大量拉裂纹从剪切裂纹面处延伸而出,两者呈网状结构密布整个试样。此外,层间剪切裂纹累积长度与层面倾角呈正相关关系,与节理倾角相关性较弱。（4）层面倾角对破坏模式的影响:随着层面倾角的增大,岩石的破坏模式逐渐由纯拉破坏过渡到拉-剪混合破坏,最终表现为层间劈裂破坏。节理倾角对破坏模式的影响:当节理顺倾时,试样更多呈现为剪切破坏;当节理反倾时,试样多表现为拉-剪混合破坏。（2）揭示了含平行双节理层状类岩石的破裂过程和力学特性。含平行双节理层状试样单轴压缩试验结果表明:（1）试样的应力-应变曲线可分为3类,裂纹组合型式可分为5种,裂纹联结类型可归纳为8种。层面倾角、岩桥倾角、节理倾向均对试样的力学参数和破裂过程产生影响。（2）随着层面倾角的增加,试样对应的应力-应变曲线逐渐由缓降型过渡到骤降型,正岩桥试样相比其它试样更易发生脆性破坏。（3）层面倾角对力学参数的影响:随着层面倾角的增大,单轴抗压强度呈先减小后增大趋势变化,弹性模量在岩桥倾角小于0时表现为先增大后减小趋势变化,在岩桥倾角大于0时呈递增趋势变化,联结应力比呈先增大后减小趋势变化。岩桥倾角对力学参数的影响:随着岩桥倾角的增大,单轴抗压强度基本保持不变,弹性模量分别呈递减（层面较缓）和递增趋势（层面较陡）变化,联结应力比分别呈先减小后增大（顺倾节理）和先增大后减小趋势变化（反倾节理）。节理倾向对力学参数的影响:含顺倾节理试样的单轴抗压强度略小于含反倾节理试样,含顺倾节理试样的弹性模量变异性小于含反倾节理试样,含顺倾节理试样的联结应力比与含反倾节理试样相近。（4）裂纹分布方面,随着层面倾角由缓倾逐渐增大至竖直,试样中出现的主要裂纹类型由普通拉裂纹和含层间剪切拉裂纹变化至层间剪切裂纹,最终变为层间劈裂;相比于负岩桥岩样,正岩桥岩样中更易产生雁列状拉裂纹;含顺倾节理试样易产生台阶状裂纹,含反倾节理岩样易产生雁列状拉裂纹。（5）裂纹联结方面:随着层面倾角的增大,裂纹联结类型由只含常规裂纹的联结逐渐向含层间剪切裂纹的联结过渡;随着岩桥倾角由负逐渐增大至正,裂纹联结类型由非直接联结向直接联结转化;相比于顺倾节理试样,直接联结出现在反倾节理试样上的可能性更大。（3）提出了层状岩石抛物线强度准则。通过在均质岩石正交抛物线准则中引入两个各向异性力学参数(kβ和σcβ),发展出一种抛物线型的层状岩石强度准则,该准则既能反映层面倾角对强度的影响,又能体现高应力状态下岩石强度的非线性变化。抛物线强度准则包络线的形状由kβ决定,而σcβ只影响强度水平。由446个试验数据的应用验证表明:（1）抛物线强度准则的预测结果与试验值高度吻合,且预测误差相较于McLamore-Gray准则和Tien-Kuo准则更小。（2）抛物线强度准则对高围压下的数据的预测误差小于低围压数据;对层面滑动型破坏岩石的预测误差大于非滑动型破坏岩石。（3）当用于预测的试验数据量减少时,预测效果仍保持稳定,表明试验数据有限的情况下该准则的预测仍具可靠性。（4）总结了层状边坡的基本坡破坏模式,分析了含节理层状岩质边坡的裂隙演化过程。岩层层面对层状边坡的破坏起控制作用,节理和临空面对层状边坡的演化也有一定影响。根据层面倾角大小,将层状岩质边坡分为5大类,每种类型对应的边坡破坏模式分别为——近水平层边坡:蠕滑-拉裂;顺层边坡:平面滑动,台阶状滑动,滑移-溃曲,楔形体滑动,偏转滑动;近竖直层边坡:倾倒破坏,溃曲破坏;反向陡倾边坡:弯曲倾倒,块状倾倒,块状-弯曲倾倒;反向缓倾边坡:张拉-剪切破坏。长期重力作用下,层状边坡会发生深层滑动或倾倒破坏,其破坏特征在于:局部岩体尺度上,岩块发生粘塑性蠕变变形,拉裂隙、剪切带等逐渐扩展,具有一定时间效应;整体边坡尺度上,物质结构、地形形貌渐进演化,且越接近地表和应力集中区,变化程度越剧烈。含节理层状岩石的单轴压缩试验可以很好地反映层状边坡内裂隙演化过程。（5）建立了反倾边坡弯曲倾倒局部破坏概率计算模型。反倾边坡弯曲倾倒局部破坏概率计算分4个步骤进行,分别为:建立反倾边坡的地质力学模型,并按照一定概率分布模型随机生成物理力学参数;确定倾倒区和滑移区分界;由坡脚至坡顶逐个计算每个岩柱的稳定性;通过迭代计算获得边坡局部破坏概率。该计算模型可推广至复杂条件下反倾边坡的局部破坏概率分析。研究结果表明:（1）局部破坏概率随着岩石摩擦角、抗拉强度和层面摩擦角的增大而下降,随着重度的增大而上升;随着重度和抗拉强度的变化,最大破坏概率岩柱的位置也相应发生变化,但岩石摩擦角和层面摩擦角对最大破坏概率位置没有影响。（2）重度、岩石摩擦角、抗拉强度和层面摩擦角的变异性对计算结果的影响逐渐增大,其中层面摩擦角变异性的影响显著发育其它三者。（3）随着层面倾角的增大,边坡最大破坏概率呈先增大后减小趋势;随着边坡倾角及高度的增大或随着坡顶倾角的减小,最大破坏概率逐渐增大。

论文目录

• 作者简历
• 摘要
• abstract
• 第一章 绪论
•   1.1 选题依据及研究意义
•   1.2 研究现状
•     1.2.1 层状岩石力学性质研究现状
•     1.2.2 岩石裂纹扩展试验研究现状
•     1.2.3 层状边坡演化与破坏研究现状
•   1.3 研究内容、技术路线和创新点
•     1.3.1 主要研究内容
•     1.3.2 研究方法与技术路线
•     1.3.3 创新点
• 第二章 单节理层状岩石破裂试验研究
•   2.1 概述
•   2.2 含节理层状类岩石材料制备
•     2.2.1 材料和配比
•     2.2.2 制样仪器
•     2.2.3 试样制作流程
•   2.3 试验流程和试样尺寸
•     2.3.1 试验流程
•     2.3.2 试样几何尺寸
•   2.4 应力-应变和强度分析
•     2.4.1 应力-应变关系
•     2.4.2 力学参数
•   2.5 裂纹扩展模式和机制分析
•     2.5.1 裂纹图像
•     2.5.2 裂纹类型
•     2.5.3 破坏模式
•   2.6 不同因素对试样破裂过程的影响
•     2.6.1 与均质岩石试验的对比
•     2.6.2 岩石层面的影响
•     2.6.3 顺倾与反倾节理试验结果的对比
•   2.7 本章小结
• 第三章 平行双节理层状岩石破裂试验研究
•   3.1 概述
•   3.2 试验设计
•     3.2.1 类岩石材料及试样制作
•     3.2.2 试样尺寸
•     3.2.3 试验测试系统
•   3.3 试验结果
•     3.3.1 应力-应变关系
•     3.3.2 参数分析
•     3.3.3 裂纹组合型式
•     3.3.4 裂纹联结类型
•   3.4 裂纹形成机理及应用
•     3.4.1 裂纹组合成因机制
•     3.4.2 层面和节理对裂纹联结的影响
•     3.4.3 基于试验结果的断层形成分析
•   3.5 本章小结
• 第四章 层状岩石抛物线强度准则研究
•   4.1 概述
•   4.2 试验数据
•   4.3 几种常用准则
•     4.3.1 McLamore-Gray准则
•     4.3.2 Tien-Kuo准则
•     4.3.3 改进的Hoek–Brown准则
•   4.4 层状岩石的抛物线强度准则
•     4.4.1 强度准则的提出
•     4.4.2 参数拟合
•     4.4.3 参数各向异性
•   4.5 抛物线准则的验证与误差分析
•     4.5.1 抛物线准则验证
•     4.5.2 误差分析
•     4.5.3 参数敏感性分析
•     4.5.4 试验数据量对预测效果的影响
•   4.6 本章小结
• 第五章 层状边坡变形破坏及裂隙演化特征
•   5.1 概述
•   5.2 层状边坡变形破坏模式
•     5.2.1 近水平层边坡
•     5.2.2 顺层边坡
•     5.2.3 近竖直层边坡
•     5.2.4 反向陡倾边坡
•     5.2.5 反向缓倾边坡
•   5.3 长期重力作用下层状边坡的演化
•     5.3.1 顺倾边坡深层滑动-溃曲模式演化过程
•     5.3.2 反倾边坡深层倾倒模式演化过程
•   5.4 基于裂纹扩展试验的层状边坡破坏过程分析
•     5.4.1 层状边坡破坏模式
•     5.4.2 层状边坡内单节理裂隙演化
•     5.4.3 层状边坡内双节理裂隙演化
•   5.5 典型层状岩质边坡破坏实例
•     5.5.1 宣汉天台乡滑坡
•     5.5.2 三峡库区杉树槽滑坡
•     5.5.3 武隆鸡尾山滑坡
•     5.5.4 茂县新磨滑坡
•     5.5.5 三峡库区龚家坊滑坡
•   5.6 本章小结
• 第六章 层状岩质边坡局部破坏概率研究—以弯曲倾倒为例
•   6.1 概述
•   6.2 弯曲倾倒破坏机理及力学模型
•     6.2.1 弯曲倾倒破坏机理
•     6.2.2 单个岩柱受力分析
•     6.2.3 倾倒区与滑动区界限的确定
•     6.2.4 边坡局部稳定性函数
•   6.3 弯曲倾倒局部破坏概率
•     6.3.1 基于Monte-Carlo模拟的破坏概率计算
•     6.3.2 局部破坏概率计算流程
•   6.4 参数敏感性分析及复杂模型应用
•     6.4.1 破坏面的确定
•     6.4.2 非确定性物理参数的影响
•     6.4.3 边坡几何条件的影响
•     6.4.4 复杂条件下的计算模型
•   6.5 麻日滑坡破坏概率演化
•     6.5.1 滑坡工程地质概况
•     6.5.2 计算模型和参数
•     6.5.3 局部破坏概率演化
•   6.6 本章小结
• 第七章 结论与展望
•   7.1 结论
•   7.2 展望
• 致谢
• 参考文献

文章来源

类型: 博士论文

作者: 汪丁建

导师: 唐辉明

关键词: 层状岩石,层状边坡,构造节理,破裂特性,破坏模式,局部破坏概率

来源: 中国地质大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

专业: 地质学,建筑科学与工程

单位: 中国地质大学

基金: 国家重点研发计划项目(No. 2017YFC1501305)

分类号: TU45

DOI: 10.27492/d.cnki.gzdzu.2019.000029

总页数: 147

文件大小: 13910K

下载量: 309