压力和风化共同作用的基座劣化致危岩失稳机理研究

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在大多数倾倒式危岩破坏过程中,有部分危岩破坏时,不是表现出单一的绕一点进行倾倒变形,而是形成“坐滑”。由于此类危岩体上部为硬质岩石且下部为软质岩石,软质岩石基座易于遭受风化侵蚀,形成凹岩腔随基座风化后退不断加剧。上部硬质岩石由于局部失去支撑,软质岩石基座随着凹岩腔后退运动形成偏压力,加速推动了崩塌孕育演化的进程,使下部软质岩石粉碎,致使上部硬质岩石滑落到粉碎的软质岩石上,形成新的稳定结构。本文对凹岩腔劣化后推机理做了深入研究,如下所示。(1)对月亮湾公园观测区域进行观测试验布置,对观测点气温、相对湿度、风速和降水量各项气象数据进行分析整理,得到了单位水文年内气象数据的拟合方程。(2)对观测点的泥质砂岩掉落情况进行收集整理,比较并进行拟合,得到在单位水文年内泥质砂岩演进深度与自然风化作用下的拟合曲线,总结了泥质砂岩凹岩腔在自然情况下后退距离方程。(3)对泥质砂岩试样进行力学压缩试验和剪切试验,并对在空气中暴露不同时间下岩样进行人工预损伤,对其相关物理指标进行统计整理,得到了泥质砂岩的单轴抗压强度、弹性模量、不同人工预损伤强度下抗压强度、不同人工预损伤强度下弹性模量、粘聚力和内摩擦角在空气中暴露不同时间作用下的变化规律,并对这些数据进行劣化度分析。得到泥质砂岩在时间变化下各项岩性数据及其劣化度的公式。(4)根据极限平衡法,建立危岩凹岩腔劣化后退力学方程。建立麻柳乡W03典型危岩力学模型,在上部硬质岩石由于后缘裂隙张开前倾与下部泥质砂岩软弱基座凹岩腔碎裂进行联系,得到在未稳定状态下泥质砂岩凹岩腔后退力学方程。(5)根据泥质砂岩蠕变特征,结合西原正夫模型,以其为基础建立了压力黏弹塑性蠕变损伤模型本构关系,并运用拉普拉斯变换及其逆变换方法,推导出应力黏弹塑性蠕变损伤模型一维蠕变方程,并以此为基础推导,最终获得在预损伤单轴应力下泥质砂岩横向蠕变方程。根据弹塑性力学联系,将凹岩腔劣化后退力学方程、自然情况下泥质砂岩劣化方程与预损伤单轴应力下泥质砂岩横向蠕变方程进行整合,得到泥质砂岩在应力改变与时间变化下凹岩腔劣化方程。(6)结合第三章观测试验数据和压缩试验结果及第四章损伤蠕变理论分析,针对麻柳乡的W03典型危岩进行数值模拟。基于试验与理论得到岩体强度参数在应力与自然风化相互叠加作用下的参数折减与后退蠕变方程,使用蠕变流变模式,分析不同工况下危岩体最大主应力、剪切应变增量、X方向位移与Z方向位移等变化。得到模拟结果验证了自然风化与应力对软弱基座的劣化存在相互叠加的作用。
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