考慮實(shí)際初始地應(yīng)力條件的邊坡穩(wěn)定性研究結(jié)題摘要

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(lái)流行的強(qiáng)度參數(shù)折減有限元法都不能考慮初始地應(yīng)力場(chǎng)的影響，通常只是考慮重力場(chǎng)、表面荷載以及地下水的作用。本項(xiàng)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(gè)重要因素，又能對(duì)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(xiàng)目首先在邊坡穩(wěn)定分析中引入了彈性補(bǔ)償法，通過(guò)有選擇性地調(diào)整材料的彈性模量來(lái)模擬極限狀態(tài)的應(yīng)力分布，同時(shí)由相應(yīng)的速度場(chǎng)獲得結(jié)構(gòu)的上限載荷，最終經(jīng)過(guò)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(gè)簡(jiǎn)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(jì)算代價(jià)實(shí)現(xiàn)了上述算法過(guò)程，而且還具有相當(dāng)高的計(jì)算精度。通過(guò)對(duì)不同因素的考察，發(fā)現(xiàn)名義載荷和泊松比對(duì)計(jì)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(jì)算很快地收斂于極限載荷。針對(duì)實(shí)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(diǎn)，我們推導(dǎo)了彈性補(bǔ)償法迭代過(guò)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(dá)式。同時(shí)，還實(shí)現(xiàn)了以強(qiáng)度折減步作為加載步的迭代算法。最終，通過(guò)彈性迭代直接求出邊坡穩(wěn)定的安全系數(shù)。通過(guò)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(xiàng)目還基于塑性力學(xué)上限定理的理論框架，推導(dǎo)了考慮附加應(yīng)力場(chǎng)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(duì)邊坡穩(wěn)定的影響。它對(duì)膨脹土邊坡的超低安全性，對(duì)由小范圍局部滑動(dòng)帶動(dòng)并逐漸擴(kuò)展而形成的漸進(jìn)式淺層滑坡現(xiàn)象，以及對(duì)高地應(yīng)力區(qū)一些水電工程的壩基和壩址岸坡開(kāi)挖后出現(xiàn)的淺層破壞現(xiàn)象，可以用定量的計(jì)算結(jié)果（而不僅僅是靠概念性的分析）給出解釋。同時(shí)還發(fā)現(xiàn)，對(duì)干濕循環(huán)條件下評(píng)價(jià)邊坡安全性的安定分析中，循環(huán)載荷部分所對(duì)應(yīng)的純彈性應(yīng)力場(chǎng)也可以納入這種改進(jìn)的極限分析方法統(tǒng)一地實(shí)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(diǎn)，借用極限平衡的概念，給出了一個(gè)基于過(guò)載定義的安全系數(shù)。計(jì)算結(jié)果顯示，不同初始地應(yīng)力狀態(tài)對(duì)安全系數(shù)的影響是不可忽略的。這從另外一個(gè)角度證實(shí)了本課題在立論時(shí)所提出的觀點(diǎn)。 為了探索初始地應(yīng)力狀態(tài)對(duì)邊坡安全性的影響，本項(xiàng)目還研制了一套微波反射測(cè)量裝置，以求利用微波的反射特性進(jìn)行應(yīng)力測(cè)量。 本項(xiàng)目的研究，為評(píng)價(jià)初始地應(yīng)力對(duì)邊坡穩(wěn)定的影響提供了一種有效的途徑。 2100433B

工程實(shí)踐表明，初始地應(yīng)力條件對(duì)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(qiáng)度折減有限元法）中只能計(jì)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(gè)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(xiàng)目首先通過(guò)數(shù)值模擬和物理模型試驗(yàn)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(xué)的上限定理，嚴(yán)格地推導(dǎo)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(jì)算方法。為了能夠在數(shù)值上加以實(shí)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(jì)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(xiàng)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(duì)地應(yīng)力場(chǎng)的影響及其工程應(yīng)用》主要介紹斷裂構(gòu)造對(duì)地應(yīng)力場(chǎng)的影響及其工程應(yīng)用。

《斷裂構(gòu)造對(duì)地應(yīng)力場(chǎng)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(guó)西部地區(qū)地應(yīng)力場(chǎng)特征及其形成機(jī)理，活動(dòng)斷裂對(duì)地應(yīng)力場(chǎng)、非活動(dòng)斷裂對(duì)地應(yīng)力場(chǎng)的影響的研究，斷裂構(gòu)造對(duì)地應(yīng)力場(chǎng)的影響的數(shù)值模擬分析，復(fù)雜斷裂構(gòu)造復(fù)合條件下的地應(yīng)力特征及斷裂構(gòu)造對(duì)地應(yīng)力場(chǎng)的影響的工程應(yīng)用等。

《斷裂構(gòu)造對(duì)地應(yīng)力場(chǎng)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(xué)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(cè)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(xiàng)目擬在全面分析現(xiàn)有地應(yīng)力測(cè)量方法和技術(shù)的基礎(chǔ)上，提出一種新的巖體應(yīng)力測(cè)量方法- - 鉆孔局部壁面應(yīng)力全解除法，并開(kāi)發(fā)出相應(yīng)的地應(yīng)力測(cè)井設(shè)備及其測(cè)試軟件。這種方法理論基礎(chǔ)嚴(yán)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(cè)量方法之不足，是具有發(fā)展前途的一種鉆孔應(yīng)力測(cè)量 2100433B

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

地應(yīng)力場(chǎng)一般隨時(shí)間變化，但在一定地質(zhì)階段相對(duì)比較穩(wěn)定。在地質(zhì)力學(xué)中，地應(yīng)力場(chǎng)分為古地應(yīng)力場(chǎng)和現(xiàn)今地應(yīng)力場(chǎng)。地應(yīng)力場(chǎng)對(duì)地質(zhì)構(gòu)造研究，對(duì)震源、礦藏和地下水分布的研究，以及對(duì)工程開(kāi)挖和地下建筑等均有重要意義。2100433B