【摘要】：滑坡常見的自然災(zāi)害之一,也是斜坡破壞類型中分布最廣、危害最嚴重的一種地質(zhì)災(zāi)害,給世界人們帶來了極大的危害。我國幅員遼闊,地質(zhì)條件十分復(fù)雜,山區(qū)丘陵地貌廣布,滑坡分布十分廣泛,是世界上受滑坡危害較為嚴重的國家之一。抗滑樁是治理滑坡的主要手段之一,它具有布設(shè)靈活、施工簡便、抗滑能力強以及使用條件廣等特點,因此被廣泛應(yīng)用于滑坡治理工程中�？够瑯洞┻^滑體,嵌入滑床基巖,通過基巖對抗滑樁的抗力(嵌固力)來平衡滑體產(chǎn)生的下滑力,以達到提高滑坡穩(wěn)定性的目的。因此,嵌固段巖體的強度直接影響抗滑樁的嵌固效果。巖石流變是常出現(xiàn)于巖體中的一種現(xiàn)象,它會影響巖體的強度,這種影響發(fā)生在滑坡基巖中,就會對抗滑樁的嵌固效果造成影響,進而影響治理后滑坡的長期穩(wěn)定性。三峽工程是目前世界上最大的水利樞紐工程,庫區(qū)已發(fā)現(xiàn)大量大規(guī)模的滑坡和崩塌體。三峽庫區(qū)內(nèi)滑坡發(fā)育地層多為侏羅系地層,且分布較為廣泛。侏羅系砂泥巖互層巖體為該地區(qū)主要巖性,在滑坡演化過程中互層巖體會發(fā)生蠕變現(xiàn)象,出現(xiàn)應(yīng)變損傷,隨著時間的增長,導致巖體強度降低。對于三峽庫區(qū)治理后的滑坡,抗滑樁嵌在發(fā)生流變的基巖巖體中,巖體強度降低會對抗滑樁的嵌固效果產(chǎn)生影響,從而使得治理后滑坡的穩(wěn)定性受到影響。因此,對于三峽庫區(qū),在抗滑樁設(shè)計中,考慮基巖巖體的流變特性對抗滑樁嵌固效果的影響,對于評價庫區(qū)治理后滑坡的長期穩(wěn)定性是十分必要的。鑒于此,本文以三峽庫區(qū)侏羅系砂巖、泥巖為研究對象,對砂巖、泥巖進行不同圍壓下的三軸流變試驗,研究砂巖、泥巖的流變特性;建立砂巖、泥巖的流變模型,研究侏羅系砂巖、泥巖的長期強度;推導得到侏羅系砂泥巖互層巖體的流變本構(gòu)方程;建立考慮嵌固段互層巖體流變特性的滑坡-抗滑樁體系理想模型,分析嵌固段巖體流變特性對抗滑樁嵌固效果的影響。最終,為侏羅系地層滑坡-抗滑樁體系的長期穩(wěn)定性評價以及抗滑樁的優(yōu)化設(shè)計提供依據(jù)。主要的研究內(nèi)容和研究成果如下:(1)侏羅系砂巖、泥巖瞬時力學特性試驗研究通過室內(nèi)基本物理力學試驗對砂巖、泥巖進行了基本物理性質(zhì)的研究,通過室內(nèi)常規(guī)單軸、三軸壓縮試驗,得到相應(yīng)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線,分析曲線得到兩種巖石試樣在單軸壓縮和三軸壓縮試驗條件下的變形特征均可分為四個階段即:孔隙裂隙壓密階段、彈性變形至微破裂穩(wěn)定發(fā)展階段、非穩(wěn)定破裂發(fā)展階段和破壞后階段。兩種巖石試樣在單軸壓縮和三軸壓縮試驗條件下破壞試樣的破壞形式不同:在單軸壓縮條件下巖石試樣主要為脆性斷裂破壞,而在三軸壓縮條件下巖石試樣的破壞形式主要為剪切破壞。根據(jù)試驗過程中變形模量隨應(yīng)力的變化,得到試樣在不同圍壓下的屈服應(yīng)力;根據(jù)摩爾庫倫強度準則,分別計算得到了兩種巖石試樣的短期抗剪強度參數(shù),為之后的巖石流變特性的分析和流變模型的建立以及長期強度的計算提供了基礎(chǔ)材料。砂巖的彈性模量大約是泥巖的2~3倍,對于砂泥巖互層巖體來說,會出現(xiàn)由于彈性參數(shù)不匹配而導致的應(yīng)變不協(xié)調(diào)的現(xiàn)象。(2)侏羅系砂巖、泥巖流變力學特性試驗研究采用分級加載的方法分別對砂巖、泥巖進行了室內(nèi)巖石三軸流變試驗。基于得到的巖石三軸流變試驗結(jié)果,研究了巖石在不同圍壓下的應(yīng)變隨時間的變化規(guī)律。巖石流變?nèi)^程分為三個階段:減速流變階段,等速流變階段和加速流變階段,當軸向偏應(yīng)力小于巖石屈服強度時,巖石只發(fā)生減速流變階段和等速流變階段;軸向偏應(yīng)力大于屈服應(yīng)力時,巖石流變還會經(jīng)歷加速流變階段且加速流變階段的流變應(yīng)變占總流變應(yīng)變的主要部分。流變作用下的應(yīng)力-軸向應(yīng)變曲線可以劃分為四個階段:孔隙裂隙壓密階段、彈性變形階段、裂隙發(fā)展階段和宏觀破裂階段。相同軸向偏應(yīng)力作用下,圍壓越大,巖石的流變應(yīng)變越小,穩(wěn)態(tài)階段的流變速率越小,說明圍壓對巖石流變變形有抑制作用。相同圍壓下,軸向偏應(yīng)力越大,巖石試樣進入穩(wěn)態(tài)流變階段時的流變速率越大。不同圍壓作用下,每級應(yīng)力施加的瞬間,巖石試件均會產(chǎn)生較大的瞬時彈性應(yīng)變;相同圍壓下,瞬時彈性應(yīng)變和瞬時彈性模量均隨著軸向偏應(yīng)增大而增大。砂巖在穩(wěn)態(tài)流變階段的流變速率小于泥巖在穩(wěn)態(tài)階段的流變速率,在三軸應(yīng)力狀態(tài)下,泥巖相對于砂巖表現(xiàn)出較強的流變能力。(3)侏羅系砂巖、泥巖非線性流變本構(gòu)模型的建立建立了巖石的非線性粘彈塑性流變本構(gòu)模型描述砂巖、泥巖流變力學響應(yīng)特征規(guī)律。以雙曲線理論為基礎(chǔ),改進了Burgers模型,改進后的Burgers模型可以很好地描述砂巖瞬時彈性模量與軸向偏應(yīng)力的線性關(guān)系,以及巖石的粘彈性流變特征。建立了非線性粘塑性模型,來描述加速階段流變特性。通過驗證證明建立的粘彈塑性流變模型可以全面,準確的表現(xiàn)巖石的全過程流變應(yīng)變特征。應(yīng)用彈塑性理論,采用廣義米塞斯準則,建立了巖石三維流變模型,為后續(xù)互層巖體的流變模型的建立以及Abaqus有限元軟件的二次開發(fā)提供了理論保證。認為長期強度是使巖石穩(wěn)態(tài)流變速率為零的臨界應(yīng)力值,利用建立的流變模型,得到穩(wěn)態(tài)流變速率與應(yīng)力的線性關(guān)系,得到砂巖的長期抗壓強度和長期抗剪強度,對比發(fā)現(xiàn),其值均明顯低于短期強度。(4)砂泥巖互層巖體非線性流變本構(gòu)模型的建立及其有限元軟件數(shù)值程序的研制將互層巖體宏觀上看成均質(zhì)體,細觀上看做由砂巖、泥巖組成的互層巖體,建立應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系在宏觀為均質(zhì)體,細觀則依賴于兩種巖體性質(zhì)的單元體。考慮單元體的位移協(xié)調(diào)性,得到單元體的應(yīng)力應(yīng)變張量與砂巖、泥巖應(yīng)力應(yīng)變張量及體積含量的關(guān)系。根據(jù)Cosserat介質(zhì)理論計算得到單元體的等效彈性模量與等效泊松比。根據(jù)得到的巖體流變模型,結(jié)合彈塑性理論推導得到單元模型的流變本構(gòu)模型的增量形式。由于流變現(xiàn)象的存在,單元模型內(nèi)砂巖、泥巖的分擔應(yīng)變隨時間增長而不斷改變,模型為保持位移協(xié)調(diào),進而產(chǎn)生應(yīng)力重分布的問題。使用Fortran語言編譯,實現(xiàn)了這種由流變引起的兩種巖體的應(yīng)力重分布的數(shù)值程序的研制。建立模型對數(shù)值程序進行驗證,結(jié)果證明數(shù)值程序可以很好的反應(yīng)互層巖體的流變力學響應(yīng)特性。(5)基于互層巖體流變特性的抗滑樁嵌固效果研究通過分別對考慮不同抗滑樁樁寬、不同抗滑樁嵌固深度以及嵌固段互層巖體流變特性的幾種工況的數(shù)值計算,得到在嵌固段互層巖體流變作用的影響下,抗滑樁樁前、樁后、樁頂以及樁底在不同工況下的位移和抗滑樁嵌固段彎矩剪力分布規(guī)律,通過分析可知:在巖體發(fā)生流變之后,樁前樁后整體位移均隨時間的變化,其變化規(guī)律與巖體流變特性相同,以水平位移為主,變形由瞬時變形和流變變形組成,流變變形占主要部分,流變變形中以減速流變變形占主要部分。抗滑樁的位移模式,在模型演化過程中發(fā)生了改變。在不考慮嵌固段基巖的流變特性時樁底不發(fā)生位移,此時抗滑樁的位移模式為RB模式(即繞樁底部轉(zhuǎn)動)。嵌固段巖體發(fā)生流變后,抗滑樁在發(fā)生平移的同時,還繞嵌固段下部一點發(fā)生轉(zhuǎn)動,此時抗滑樁的位移變?yōu)镽BT模式。抗滑樁嵌固段的彎矩和剪力量值在流變作用下,均出現(xiàn)較大程度的降低,最大彎矩與剪力均隨時間增大而減小,并且最大彎矩和剪力距樁頂?shù)木嚯x隨時間增大而增大。抗滑樁提供的抗滑力隨時間的增大而減小,考慮嵌固段基巖的流變作用后,抗滑樁的嵌固效果會隨時間增大而降低。在嵌固段基巖流變的作用下,對于不同樁寬,不同嵌固深度的抗滑樁,對抗滑樁周以及樁兩端位移的影響也不同。
【學位授予單位】：中國地質(zhì)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：P642.22
【圖文】：
圖 2-1 砂巖標準試樣 圖 2-2 泥巖標準試樣表 2-2 砂巖常規(guī)物理性質(zhì)參數(shù)天然含水率 飽和吸水率塊體密度(g/cm3)顆粒密度(g/cm3)壓縮波速（m/s）范圍 0.42%~0.75% 0.98%~1.20% 2.47 ~2.62 2.58~2.64 2631~3226平均值 0.59% 1.06% 2.54 2.62 2813表 2-3 泥巖常規(guī)物理性質(zhì)參數(shù)天然含水率 飽和吸水率塊體密度(g/cm3)顆粒密度(g/cm3)壓縮波速（m/s）范圍 0.42%~0.66% 2.3%~3.7% 2.52 ~2.61 2.64~2.66 2083~2439平均值 0.57% 2.8% 2.58 2.65 23032.2 單軸壓縮試驗
圖 2-1 砂巖標準試樣 圖 2-2 泥巖標準試樣表 2-2 砂巖常規(guī)物理性質(zhì)參數(shù)天然含水率 飽和吸水率塊體密度(g/cm3)顆粒密度(g/cm3)壓縮波速（m/s）范圍 0.42%~0.75% 0.98%~1.20% 2.47 ~2.62 2.58~2.64 2631~3226平均值 0.59% 1.06% 2.54 2.62 2813表 2-3 泥巖常規(guī)物理性質(zhì)參數(shù)天然含水率 飽和吸水率塊體密度(g/cm3)顆粒密度(g/cm3)壓縮波速（m/s）范圍 0.42%~0.66% 2.3%~3.7% 2.52 ~2.61 2.64~2.66 2083~2439平均值 0.57% 2.8% 2.58 2.65 23032.2 單軸壓縮試驗
圖 2-3 MTS815 型巖石力學試驗機示意圖 圖 2-4 MTS815 型巖石試驗機壓力室在砂巖、泥巖進行單軸壓縮試驗采用 0.8MPa/s 的恒定速率對施加軸向荷載，直到巖樣明顯破壞，在試驗過程中采用計算機自動記錄試樣的軸向荷載和軸向變形值。2.2.2 試驗結(jié)果與分析圖 2-5、圖 2-7 分別為砂巖、泥巖單軸壓縮應(yīng)力應(yīng)變?nèi)^程特征曲線，圖 2-7、2-8 分別為砂巖、泥巖試驗單軸壓縮試驗破壞照片。從曲線可以看出，砂巖和泥巖試樣的應(yīng)力應(yīng)變曲線在試樣發(fā)生破壞之前較為相似，可以將其劃分為三個階段：① 孔隙裂隙壓密階段：在該階段時，巖石試樣內(nèi)部原有的張開性結(jié)構(gòu)面和微裂隙受到軸向應(yīng)力的作用發(fā)生擠壓、閉合，應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈上凹型，曲線的斜率隨著應(yīng)力的增加逐漸增大。該階段多存在于原生裂隙較為發(fā)達的巖石中，堅硬巖石的壓密階段幾乎不存在[183,184]。從圖 2-5、2-7 中看出，砂巖、泥巖的應(yīng)力-應(yīng)變曲線均在加載之初就呈現(xiàn)上凹型，說明試驗中使用的兩種巖石試樣內(nèi)部均存在微
【參考文獻】
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本文編號：
2786318
