公路岩质边坡应力变化特征和稳定性评价的数值模拟的研究.pdf

摘 要 岩质边坡在山区高等级公路建设中十分常见，在自然作用力及人类活动的影 响下，岩质边坡内部会进行平衡状态的调整，边坡稳定状态也会发生相应改变。 因此，仅依靠边坡的设计从时间和空间上无法对边坡的长期安全性做出准确判 断，必须要加强岩质边坡的安全监测工作。目前，公路岩质边坡的监测，并没有 考虑公路岩质边坡失稳破坏的特点，多是以位移为监测参数来跟踪边坡的失稳过 程。这种针对自然滑坡的监测方法，无法克服用于岩质边坡监测过程中时间滞后 的缺陷。因此，为了尽早判断和预测边坡安全的倾向，有必要对边坡形成过程以 及平衡调整时的内部应力变化特征进行研究，以便及早掌握岩质边坡安全状态的 变化。不但可以寻求更能反映岩质边坡状态变化的力学参数进行监测，也有助于 建立具有公路交通特点的岩质边坡预警系统。 本文在分析目前监测技术的基础上，结合公路岩质边坡的特点，从应力角度 来分析岩质边坡形成过程中的应力场特征。研究在安全状态变化时，边坡内部应 力场的变化规律以及边坡中敏感部位的分布特征，为建立相应的岩质边坡预警系 统做尝试性的前期探索工作。主要研究工作从以下七个方面展开：(1)为适应有 限元模拟的需要，对岩质边坡内部结构面的模拟技术进行研究。采用低强度弹塑 性夹层单元模拟边坡中的软弱结构面，用非线性有限元中的状态非线性技术模拟 岩质边坡结构面的力学特征，建立岩质边坡非线性有限元模型。(2)通过对岩质 边坡破坏机理的分析，提出便于数值仿真分析的岩质边坡分类方法，根据重新定 义的边坡类型，分析公路岩质边坡破坏模式及其条件。(3)根据公路工程的特点， 采用二维有限元方法模拟岩质边坡的开挖，分析开挖效应对其内部应力场的影响 以及岩质边坡成坡后的应力场特征。(4)结合工程上常用的坡型，在对开挖效应 分析的基础上，进行不同岩体条件下岩质边坡合理坡型的研究，根据边坡斜率变 化时开挖效应对边坡内部应力场的影响，探讨岩质边坡合理坡率的确定程序。(5) 以强度折减法为手段，分析典型岩质边坡安全状态恶化时边坡内部应力变化过 程，分析坡率变化对边坡内部应力变化特征的影响，探讨典型岩质边坡中的应力 敏感部位。(6)在分析岩质边坡成形后随着边坡安全状态恶化过程中内部应力场 变化特征的基础上，对岩质边坡中应力敏感部位进行了探讨，指出了岩质边坡中 不同部位、不同方向应力场对边坡岩体恶化过程的响应程度。(7)跟踪实体工程 的施工进度，通过有限元技术，模拟边坡整个开挖进程，提取计算结果中位移场 及应力场的相关信息与现场监测成果相对照。对数值模拟技术在实际边坡中的应 用效果进行分析。根据分析结果，总结出数值模拟技术应用于岩质边坡施工进程 的可行性及有效性手段。 关键词：岩质边坡；数值模拟；强度折减法；开挖效应；软弱结构面；合理坡型 Abstract Therockmassis familiarinmountainarea slopevery high—gradehighway the andhuman construction．Underinfluenceofthenaturalfunction inner activity,the oftherockmasswill onthe of part slope carry adjustmentequilibrium，the will stabilizationstate also onthe changeaccordingly．Therefore，onlydepend slope cantdoaccurate tothe ofthe fromtimeand design judgmentlong-termsafety slope must thesafe workoftherockmass the spac