坡角变化条件下反倾层状斜坡倾倒变形演化机制及稳定性分析方法研究

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倾倒破坏是反倾层状岩质斜坡最典型的变形破坏形式,其成因机理复杂且具有很长的时间演化效应。在长期的地质演化历史时期中,倾倒斜坡内部积累了大量的应变能,其一旦失稳将会给人民的生命财产安全带来巨大的威胁。因此,对倾倒斜坡稳定性状态的判断一直是相关地质领域的重点研究内容。然而,由于其复杂的成因过程,只有充分的了解斜坡倾倒破坏的变形特征、演化过程及失稳模式,才能有针对性的建立起斜坡稳定性的评价手段。鉴于此,本文在对多个典型倾倒案例进行分析的基础上,通过室内离心模型试验并结合离散元数值分析方法对反倾斜坡倾倒变形演化及弯折带孕育全过程开展研究,并在此基础上尝试采用GMD稳定性分析方法对斜坡的稳定性进行评价,具有较大的实际研究意义,取得主要研究成果如下:(1)通过对多个典型倾倒斜坡的分析研究,总结出斜坡在自重条件下发生倾倒变形破坏的成因控制条件主要有地形地貌、地层岩性、斜坡坡角与岩层倾角等。采用数值分析手段并结合前人研究成果,得出临空条件(坡角)是斜坡发生倾倒变形的关键性控制因素。(2)以古水水电站坝前倾倒变形体为原型,概化设计三组不同坡角的离心模型试验,期望可以在多个样本的离心机试验中获得斜坡倾倒变形全过程演化机制,结果表明:(1)斜坡倾倒破坏最先发生在坡脚位置,而后以参差阶坎状的形式向上延伸,随变形发展,部分斜坡可能发生多级折断现象;斜坡倾倒变形弯折带孕育过程可概化为:a.初始沉降变形,b.坡脚破裂,倾倒弯曲,c.弯折带从坡脚逐级延伸,倾倒加剧,d.弯折带延伸至贯通,坡体临界失稳等四个变形阶段。(2)坡角因素对斜坡倾倒变形有很大的影响,坡度越陡的斜坡越容易发生倾倒破坏,且坡度越陡其倾倒破坏发育深度越深,变形规模也越大。(3)斜坡倾倒变形主要发生在倾倒折断基准面上方,基准面与层面法线的夹角不随坡角的改变而发生变化。(3)在离心模型试验的基础上,采用UDEC数值分析软件对模型试验进行补充验证,根据数值计算结果并结合离心模型试验将反倾斜坡倾倒演化过程划分为倾倒变形启动-层间错动、变形发展初期-层内拉张破裂、变形发展末期-切层张剪破裂与倾倒失稳-岩体坠覆滑移等四个变形阶段;通过对不同坡角计算结果的对比分析发现,坡角变化对斜坡倾倒变形弯折带的发育形态没有影响,从剖面上来看弯折带呈“直线型”,结合数值分析与离心模型试验结果我们认为弯折带与层面法线的夹角在10~16°之间;但坡角因素对反倾斜坡倾倒变形发育程度、变形特征以及最终的失稳破坏方式有较大的的影响,坡度较缓的斜坡多发生“倾倒-剪切滑移”失稳,随坡角增大斜坡失稳破坏模式逐渐演变为“倾倒-坠覆”。(4)基于GMD稳定性评价模型基本原理,构建了倾倒斜坡稳定性评价方法,并根据斜坡倾倒变形破坏特征结合三角形荷载作用下悬臂梁的转角与挠度的关系,得到斜坡变形失稳阈值(?),最后通过对数值模型各演化阶段的稳定性分析验证了该方法的合理性。
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