CN105115838A - 含裂隙岩质边坡在强地震下的防护方法 - Google Patents

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夏毓超
伍川生
赵宁雨
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Abstract

本发明提供的含裂隙岩质边坡在强地震下的防护方法，包括a.建立含裂隙岩质边坡相似模型，并且在含裂隙岩质边坡预置不同角度的裂纹；b.使含裂隙岩质边坡相似模型处于反复动载荷的模拟地震波作用下；c.根据对反复动荷载作用下的含裂隙岩质边坡相似模型的计算结果，确定含裂隙岩质边坡在强地震作用下的破坏损伤区域；本发明从微观的角度揭示岩质边坡在动荷载作用下变形破坏的机理，提出一种新的基于断裂力学的动态岩石破坏强度准则，明确含裂隙岩质边坡在地震波传播过程中应力应变状态，以减少边坡破坏后块体的飞落对坡体周边的影响，提高含裂隙岩质边坡在强地震荷载下的稳定性，针对性的提出合理经济的防护支挡体系，减少生命财产损失。

Description

含裂隙岩质边坡在强地震下的防护方法
技术领域
本发明涉及边坡工程领域，尤其涉及一种含裂隙岩质边坡在强地震下的防护方法。
背景技术
我国是多地震国家，近年来发生过多次强烈地震，如唐山大地震、汶川大地震等。根据近几十年的地震次数和地震烈度分析，我国发生的地震有增大的趋势，并且有震源浅，强度大，频率高的特点，主要集中在中西部地区。同时我国又是一个多山国家，特别是西南地区有大量的自然边坡，由于西部大开发战略的实施，建设了大量基础设施，公路、铁路、房屋建设、桥梁等。在山区进行工程建设，由于地形地貌较复杂，各种类型的岩质边坡工程非常常见。岩石是自然界最为复杂的固体材料之一，在漫长的地质历史过程中，经历了多次地质构造应力场的作用和改造，使原本完整的岩体变成不同程度损伤的地质体，从而产生了形态各异、大小不等的节理、裂隙等结构面，甚至断层。近年来，随着岩土工程规模的不段扩大，工程问题不断增多，由于岩体中含有各种缺陷,包括微裂纹、孔隙以及节理裂隙等宏观非连续面，岩质边坡的稳定性与岩体中裂纹相互作用和贯通特性息息相关。岩石断裂力学给出了均质材料中特殊单一裂纹或者规律性分布裂纹的扩展准则和扩展方向，但是在复杂多裂纹岩石的理论研究方面往往不如人意。由于有关强地震荷载作用下含裂隙岩质边坡稳定性的文献资料较少，且目前的研究中，多针对单一问题进行研究，很少有综合考虑多重因素对边坡稳定性的影响，并不足以作为边坡稳定的充分判据。更加无法完整揭示其损伤，扩展，滑移的全过程破坏状态和破坏机理，因此亟需一种方法为建立规范化边坡设计方法，以及滑坡治理、高陡边坡防护等工程中的推广运用奠定完善的研究基础和依据。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种含裂隙岩质边坡在强地震下的防护方法，以解决上述问题。
本发明提供的含裂隙岩质边坡在强地震下的防护方法，包括
a.建立含裂隙岩质边坡相似模型，并且在含裂隙岩质边坡预置不同角度的裂纹；
b.使含裂隙岩质边坡相似模型处于反复动载荷的模拟地震波作用下；
c.根据对反复动荷载作用下的含裂隙岩质边坡相似模型的计算结果，确定含裂隙岩质边坡在强地震作用下的破坏损伤区域。
进一步，步骤c还包括
c1.获取相似模型在荷载下裂纹的演化过程。
进一步，步骤c还包括
c2.根据在不同荷载情况下到裂纹的演化过程，确定相似模型在反复动荷载作用下裂纹的演化机理；
c3.采用无网格法模拟计算反复动荷载作用下岩体中裂隙扩展与连接；
c4.根据岩体中裂隙扩展与连接，确定含裂隙岩质边坡的破坏损伤区域。
进一步，步骤c之后还包括
d.根据破坏损伤区域，判定可能发生崩落岩块的体积与所处高度，确定相应支挡结构的位置与形式。
进一步，步骤d还包括通过含裂隙岩质边坡在强地震荷载下破坏后块体在破裂面的滑移、抛落与飞溅的运动规律，确定相应支挡结构的位置与形式。
进一步，所述荷载包括轴向荷载和切向荷载。
进一步，根据裂纹线场理论获取脆断区长度和荷载之间的关系，确定裂纹裂纹扩展的演化机理。
进一步，步骤b中所述模拟地震波为正弦波。
进一步，所述相似模型采用水泥石膏作为模型的相似材料，采用石英砂作为骨料。
本发明的有益效果：本发明根据含裂隙岩质边坡在强地震作用下的破坏过程，从微观的角度揭示岩质边坡在动荷载作用下变形破坏的机理，提出一种新的基于断裂力学的动态岩石破坏强度准则，明确含裂隙岩质边坡在地震波传播过程中应力应变状态，以减少边坡破坏后块体的飞落对坡体周边的影响，提高含裂隙岩质边坡在强地震荷载下的稳定性，针对性的提出合理经济的防护支挡体系，减少生命财产损失。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述：
图1是本发明的原理示意图。
图2是本发明的流程示意图。
图3是本发明的无网格法计算模型示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述：图1是本发明的原理示意图，图2是本发明的流程示意图，图3是本发明的原理示意图。
如图1、2、3所示，本发明提供的含裂隙岩质边坡在强地震下的防护方法，包括
a.建立含裂隙岩质边坡相似模型，并且在含裂隙岩质边坡预置不同角度的裂纹；
b.使含裂隙岩质边坡相似模型处于反复动载荷的模拟地震波作用下；
c.根据对反复动荷载作用下的含裂隙岩质边坡相似模型的计算结果，确定含裂隙岩质边坡在强地震作用下的破坏损伤区域；
d.根据破坏损伤区域，判定可能发生崩落岩块的体积与所处高度，确定相应支挡结构的位置与形式。
本发明通过对含裂隙岩质边坡建立相似模型，并通过相似模型上试验研究在不同裂隙分布、不同地震波加载等情况下边坡的变形与破坏过程，为岩质边坡的加固支挡提供理论依据。
在本实施例中，步骤c还包括
c1.获取相似模型在荷载下裂纹的演化过程。
c2.根据在不同荷载情况下到裂纹的演化过程，确定相似模型在反复动荷载作用下裂纹的演化机理；
c3.采用无网格法模拟计算反复动荷载作用下岩体中裂隙扩展与连接；
c4.根据岩体中裂隙扩展与连接，确定含裂隙岩质边坡的破坏损伤区域。
在本实施例中，根据强度折减法，对支挡结构地震动土岩压力进行分析，建立基于强度折减技术的支挡结构地震主动、被动土岩压力上限解。上限解综合考虑水平和竖向地震系数、墙背倾角、坡面形式及支护方式、上挡墙对下挡墙的影响等诸多因素。本实施例中对相似模型的相似关系进行设计，确定相似模型的相似常数，并确定模型试验的相似材料及其主要物理力学参数。本实施例中以汶川波作为输入地震波，确定试验加载的动荷载。
在本实施例中，步骤d还包括通过含裂隙岩质边坡在强地震荷载下破坏后块体在破裂面的滑移、抛落与飞溅的运动规律，确定相应支挡结构的位置与形式。在此基础上根据在强地震荷载作用下岩质边坡的破裂方式，确定预防坡体破裂的锚固加固位置，深度及角度，合理设计对破裂坡体防止裂纹继续扩展的锚固方法及锚固范围。
在本实施例中，根据相似模型研究裂隙岩体在反复荷载作用下变形破裂过程及其能量耗散机制，将强地震作用简化为正弦波，以此分析反复动荷载作用下裂隙岩体损伤断裂过程。所述荷载包括轴向荷载和切向荷载。本实施例中根据相似关系理论选择水泥石膏作为模型所用的相似材料，用石英砂做骨料。
在本实施例中，根据裂纹线场理论获取脆断区长度和荷载之间的关系，确定裂纹扩展的演化机理。其中，裂纹扩展的演化机理的确定过程包括：
s1.分析含裂隙岩质边坡相似模型在反复动荷载作用下裂隙岩体损伤断裂过程，
s2.获取裂隙岩体损伤演化规律和损伤演化过程的能量耗散机制，得出裂纹间断应力场能量场，
s3.确定出裂纹的启裂扩展方向，
s4.获取含裂隙岩质边坡相似模型在不同荷载情况下到裂纹的演化过程。
在本实施例中，利用裂纹线场理论，研究压应力作用下裂纹尖端的精确弹性区应力场和脆断区应力场，然后将精确弹性区应力场和脆断区应力场相匹配，进而确定脆断区长度和荷载之间的关系。利用脆断区长度和荷载之间的关系，从理论上分析裂纹产生劈裂破坏的贯通机理，从而确定裂纹裂纹扩展的演化机理，建立断裂计算模型。所述断裂结算模型为在反复动荷载作用下裂隙扩展与连接的力学模型。该力学模型是在裂隙岩体动力学试验的基础上，根据裂隙岩体动态破坏过程，从裂隙岩体结构效应和能量耗散等角度表达裂隙岩体力学特性，运用Fortran及MATLAB等编程工具编制相应的无网格法数值计算程序进行模拟，其计算模型如图3所示。
在本实施例中，还考虑裂了隙水对裂隙岩质边坡的影响，采用离散网络分析含裂隙岩体边坡的渗留场，建立一个含裂隙岩质边坡的渗流-应力耦合模型，综合分析裂隙水情况下在强地震作用下裂岩质边坡的受力模式。使受力分析的结果更加准确，再根据反复动荷载作用下裂纹演化机理，将断裂计算模型运用到典型坡体结构，从而确定复杂裂隙对坡体内力在地震荷载下的相互影响。
本发明通过对岩质边坡无网格方法计算对含裂隙岩质边坡进行模拟并与相似模型试验进行对比，确定含裂隙岩质边坡在强地震作用下的破坏损伤区域，根据可能发生崩落岩块的体积与所处高度确定相应支挡结构的位置与形式，针对性的建立规范化边坡设计方法，并为含裂隙岩质边坡抗滑支挡结构的研究与创新奠定理论基础。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种含裂隙岩质边坡在强地震下的防护方法，其特征在于：包括
a.建立含裂隙岩质边坡相似模型，并且在含裂隙岩质边坡预置不同角度的裂纹；
b.使含裂隙岩质边坡相似模型处于反复动载荷的模拟地震波作用下；
c.根据对反复动荷载作用下的含裂隙岩质边坡相似模型的计算结果，确定含裂隙岩质边坡在强地震作用下的破坏损伤区域。
2.根据权利要求1所述的含裂隙岩质边坡在强地震下的防护方法，其特征在于：步骤c还包括
c1.获取相似模型在荷载下裂纹的演化过程。
3.根据权利要求2所述的含裂隙岩质边坡在强地震下的防护方法，其特征在于：步骤c还包括
c2.根据在不同荷载情况下到裂纹的演化过程，确定相似模型在反复动荷载作用下裂纹的演化机理；
c3.采用无网格法模拟计算反复动荷载作用下岩体中裂隙扩展与连接；
c4.根据岩体中裂隙扩展与连接，确定含裂隙岩质边坡的破坏损伤区域。
4.根据权利要求1所述的含裂隙岩质边坡在强地震下的防护方法，其特征在于：步骤c之后还包括
d.根据破坏损伤区域，判定可能发生崩落岩块的体积与所处高度，确定相应支挡结构的位置与形式。
5.根据权利要求4所述的含裂隙岩质边坡在强地震下的防护方法，其特征在于：步骤d还包括通过含裂隙岩质边坡在强地震荷载下破坏后块体在破裂面的滑移、抛落与飞溅的运动规律，确定相应支挡结构的位置与形式。
6.根据权利要求3所述的含裂隙岩质边坡在强地震下的防护方法，其特征在于：所述荷载包括轴向荷载和切向荷载。
7.根据权利要求6所述的含裂隙岩质边坡在强地震下的防护方法，其特征在于：根据裂纹线场理论获取脆断区长度和荷载之间的关系，确定裂纹裂纹扩展的演化机理。
8.根据权利要求1所述的含裂隙岩质边坡在强地震下的防护方法，其特征在于：步骤b中所述模拟地震波为正弦波。
9.根据权利要求1所述的含裂隙岩质边坡在强地震下的防护方法，其特征在于：所述相似模型采用水泥石膏作为模型的相似材料，采用石英砂作为骨料。
10.根据权利要求1-9任一权利要求所述的含裂隙岩质边坡在强地震下的防护方法，其特征在于：建立含裂隙岩质边坡的渗流-应力耦合模型，通过所述含裂隙岩质边坡的渗流-应力耦合模型，进行裂隙水对裂隙岩质边坡的受力分析。
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