考慮實際初始地應(yīng)力條件的邊坡穩(wěn)定性研究

在邊坡穩(wěn)定性的研究中，傳統(tǒng)的極限平衡方法與近年來流行的強度參數(shù)折減有限元法都不能考慮初始地應(yīng)力場的影響，通常只是考慮重力場、表面荷載以及地下水的作用。本項目旨在發(fā)展有效的數(shù)值分析方法，既能考慮地應(yīng)力這個重要因素，又能對邊坡的穩(wěn)定性直接給出工程師們最關(guān)心的安全系數(shù)。 本項目首先在邊坡穩(wěn)定分析中引入了彈性補償法，通過有選擇性地調(diào)整材料的彈性模量來模擬極限狀態(tài)的應(yīng)力分布，同時由相應(yīng)的速度場獲得結(jié)構(gòu)的上限載荷，最終經(jīng)過迭代分別獲得結(jié)構(gòu)的極限下限和上限載荷。我們找到了一個簡單而有效的途徑，在線彈性有限元算法的基礎(chǔ)上，以較小的計算代價實現(xiàn)了上述算法過程，而且還具有相當高的計算精度。通過對不同因素的考察，發(fā)現(xiàn)名義載荷和泊松比對計算結(jié)果的影響較大，并且名義載荷至少要比極限載荷大，才能使迭代計算很快地收斂于極限載荷。針對實際邊坡為巖土類介質(zhì)和主要承受重力或初始地應(yīng)力載荷的特點，我們推導了彈性補償法迭代過程中名義應(yīng)力、等效應(yīng)力、塑性耗散能、以及安全系數(shù)的表達式。同時，還實現(xiàn)了以強度折減步作為加載步的迭代算法。最終，通過彈性迭代直接求出邊坡穩(wěn)定的安全系數(shù)。通過考察初始地應(yīng)力的影響發(fā)現(xiàn)，隨著側(cè)壓力系數(shù)的增大，邊坡的安全系數(shù)逐漸變小。 本項目還基于塑性力學上限定理的理論框架，推導了考慮附加應(yīng)力場的新的功－能平衡方程，并且發(fā)展和完善了單元集成法，統(tǒng)一地考慮遇水膨脹應(yīng)力和地質(zhì)構(gòu)造應(yīng)力對邊坡穩(wěn)定的影響。它對膨脹土邊坡的超低安全性，對由小范圍局部滑動帶動并逐漸擴展而形成的漸進式淺層滑坡現(xiàn)象，以及對高地應(yīng)力區(qū)一些水電工程的壩基和壩址岸坡開挖后出現(xiàn)的淺層破壞現(xiàn)象，可以用定量的計算結(jié)果（而不僅僅是靠概念性的分析）給出解釋。同時還發(fā)現(xiàn)，對干濕循環(huán)條件下評價邊坡安全性的安定分析中，循環(huán)載荷部分所對應(yīng)的純彈性應(yīng)力場也可以納入這種改進的極限分析方法統(tǒng)一地實現(xiàn)。 我們還利用非線性有限元分析方法可以考慮初始地應(yīng)力的特點，借用極限平衡的概念，給出了一個基于過載定義的安全系數(shù)。計算結(jié)果顯示，不同初始地應(yīng)力狀態(tài)對安全系數(shù)的影響是不可忽略的。這從另外一個角度證實了本課題在立論時所提出的觀點。 為了探索初始地應(yīng)力狀態(tài)對邊坡安全性的影響，本項目還研制了一套微波反射測量裝置，以求利用微波的反射特性進行應(yīng)力測量。 本項目的研究，為評價初始地應(yīng)力對邊坡穩(wěn)定的影響提供了一種有效的途徑。 2100433B

工程實踐表明，初始地應(yīng)力條件對邊坡的穩(wěn)定性影響很大，但在目前常用的極限平衡法（包括強度折減有限元法）中只能計入巖體自重、表面載荷和孔隙水壓的作用，不能考慮初始地應(yīng)力這個關(guān)鍵的因素，而有限元仿真的方法又不能給出邊坡的整體安全系數(shù)。為此，本項目首先通過數(shù)值模擬和物理模型試驗等手段揭示初始地應(yīng)力條件與邊坡穩(wěn)定性之間的內(nèi)在聯(lián)系，探索不同地應(yīng)力狀態(tài)下的破壞模式。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)塑性力學的上限定理，嚴格地推導新的功能平衡方程，從而給出考慮初始地應(yīng)力條件的邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)的計算方法。為了能夠在數(shù)值上加以實現(xiàn)，引入一種新的邊坡穩(wěn)定上限分析方法- - 單元集成法。它采用單元網(wǎng)格離散邊坡計算區(qū)域，根據(jù)有限元仿真給出的初始地應(yīng)力條件，從功能平衡方程中求解邊坡的整體安全系數(shù)。本項目提出的方法為研究初始地應(yīng)力條件與邊坡穩(wěn)定性之間的關(guān)系提供了一條有效的途徑。

《斷裂構(gòu)造對地應(yīng)力場的影響及其工程應(yīng)用》主要介紹斷裂構(gòu)造對地應(yīng)力場的影響及其工程應(yīng)用。

《斷裂構(gòu)造對地應(yīng)力場的影響及其工程應(yīng)用》共分8章，主要內(nèi)容包括地應(yīng)力的形成及其影響因素，中國西部地區(qū)地應(yīng)力場特征及其形成機理，活動斷裂對地應(yīng)力場、非活動斷裂對地應(yīng)力場的影響的研究，斷裂構(gòu)造對地應(yīng)力場的影響的數(shù)值模擬分析，復雜斷裂構(gòu)造復合條件下的地應(yīng)力特征及斷裂構(gòu)造對地應(yīng)力場的影響的工程應(yīng)用等。

《斷裂構(gòu)造對地應(yīng)力場的影響及其工程應(yīng)用》可供土木工程、地質(zhì)工程、巖石力學等工程技術(shù)人員及高等院校相關(guān)專業(yè)師生參考。2100433B

巖體初始地應(yīng)力的大小和方向是影響地表及地下結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的重要因素之一，地應(yīng)力測量與研究在工程、地質(zhì)、地球物理等方面具有重要意義。本項目擬在全面分析現(xiàn)有地應(yīng)力測量方法和技術(shù)的基礎(chǔ)上，提出一種新的巖體應(yīng)力測量方法- - 鉆孔局部壁面應(yīng)力全解除法，并開發(fā)出相應(yīng)的地應(yīng)力測井設(shè)備及其測試軟件。這種方法理論基礎(chǔ)嚴密，可以克服套芯應(yīng)力解除法、水力壓裂法等現(xiàn)有鉆孔應(yīng)力測量方法之不足，是具有發(fā)展前途的一種鉆孔應(yīng)力測量 2100433B

因此，多數(shù)學者習慣用狹義的概念，將靜地應(yīng)力視為地靜應(yīng)力，屬地壓場的范疇，而地應(yīng)力場稱為構(gòu)造應(yīng)力場。

地應(yīng)力場一般隨時間變化，但在一定地質(zhì)階段相對比較穩(wěn)定。在地質(zhì)力學中，地應(yīng)力場分為古地應(yīng)力場和現(xiàn)今地應(yīng)力場。地應(yīng)力場對地質(zhì)構(gòu)造研究，對震源、礦藏和地下水分布的研究，以及對工程開挖和地下建筑等均有重要意義。2100433B