三維邊坡的失穩(wěn)與加固機(jī)理研究

邊坡穩(wěn)定問(wèn)題一直是巖土工程領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)，普遍存在于水利水電工程、公路工程、鐵路工程、礦山工程、城市建設(shè)與改造等工程建設(shè)中。邊坡穩(wěn)定性分析逐漸從二維分析向更符合實(shí)際情況的三維分析邁進(jìn)。坡頂荷載是堆土填方、基坑工程、鐵路邊坡、公路邊坡、坡頂建設(shè)活動(dòng)等穩(wěn)定性分析中不可忽略的因素。因此，準(zhǔn)確的分析和評(píng)價(jià)三維邊坡在頂部荷載下的失穩(wěn)機(jī)制和滑動(dòng)特征，以滿足工程邊坡和開(kāi)挖工程穩(wěn)定性分析的精確要求，是巖土工程研究中的重要課題之一。本項(xiàng)目以細(xì)砂邊坡為研究對(duì)象，采用模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬的分析方法，深入研究坡頂荷載下細(xì)砂邊坡失穩(wěn)機(jī)制和滑動(dòng)特征，討論坡面幾何形態(tài)和坡體初始含水率對(duì)邊坡失穩(wěn)規(guī)律的影響。（1）設(shè)計(jì)了坡頂荷載下三維邊坡失穩(wěn)模型試驗(yàn)系統(tǒng)和測(cè)量系統(tǒng)，借助模型系統(tǒng)對(duì)三維邊坡進(jìn)行模型試驗(yàn)；（2）模型邊坡在坡頂荷載下觸發(fā)失穩(wěn)破壞，坡頂位移計(jì)、坡內(nèi)土壓力盒分別記錄坡頂位移和坡內(nèi)土壓力的變化。利用數(shù)碼相機(jī)和白砂層模型分別獲取邊坡外部破壞過(guò)程、形態(tài)和滑動(dòng)面特征，并且考慮坡面形態(tài)（平、凸、凹）和坡體初始含水率對(duì)邊坡破壞的影響，深入認(rèn)識(shí)邊坡破壞機(jī)制；（3）對(duì)比模型試驗(yàn)結(jié)果，分析坡面形態(tài)和坡體初始含水率對(duì)邊坡破壞過(guò)程、破壞模式、破壞整體形態(tài)、滑動(dòng)面特征、滑面深度、滑動(dòng)范圍、破壞難易程度等的影響；（4）采用SVOffice巖土工程數(shù)值分析軟件，模擬邊坡的穩(wěn)定性和破壞形態(tài)，分析坡體初始含水率、坡頂荷載、坡面形態(tài)對(duì)穩(wěn)定性和破壞形態(tài)的影響。土體含水率越高，抗剪強(qiáng)度越低，邊坡更易觸發(fā)失穩(wěn)。坡頂荷載加重邊坡的負(fù)擔(dān)，邊坡更容易破壞。相同坡高、坡角下，凹坡最穩(wěn)定，平坡次之，凸坡最不穩(wěn)定。 2100433B

邊坡失穩(wěn)是水利水電工程、交通工程和城市建設(shè)中常見(jiàn)的工程地質(zhì)災(zāi)害，也是工程地質(zhì)和巖土工程領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。土質(zhì)邊坡失穩(wěn)因周圍土體約束的空間效應(yīng)而呈現(xiàn)明顯的三維特征，加固體的存在將進(jìn)一步強(qiáng)化三維效應(yīng)。由于數(shù)學(xué)模擬與力學(xué)分析方面的局限，二維分析方法仍是邊坡穩(wěn)定分析中的常用手段。本項(xiàng)目針對(duì)三維土質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性問(wèn)題，采用模型試驗(yàn)和解析分析相結(jié)合的方法開(kāi)展系統(tǒng)研究，探索土坡三維失穩(wěn)的機(jī)理及其極限分析方法。通過(guò)三維邊坡失穩(wěn)的壓載試驗(yàn)和離心試驗(yàn)確定其破壞機(jī)制和滑動(dòng)面特征，分析土體參數(shù)的影響規(guī)律；基于所得滑動(dòng)面，研究三維土質(zhì)邊坡穩(wěn)定性的極限分析方法，進(jìn)而提出考慮加固體剛度與強(qiáng)度作用的三維分析理論，結(jié)合模型試驗(yàn)探討土坡與加固體共同作用機(jī)理。研究成果對(duì)于闡明三維邊坡失穩(wěn)與加固機(jī)制具有重要意義，提出的試驗(yàn)方法和設(shè)備可應(yīng)用于相關(guān)研究，三維極限分析和加固評(píng)估方法的建立為邊坡穩(wěn)定的分析設(shè)計(jì)與減災(zāi)控制提供科學(xué)依據(jù)。

本研究針對(duì)現(xiàn)有的應(yīng)變局部化理論分析復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下土體失穩(wěn)現(xiàn)象所面臨的一些列問(wèn)題，從真三軸試驗(yàn)研究出發(fā)，提出三維非共軸的變形分叉理論來(lái)預(yù)測(cè)土體的失穩(wěn)狀態(tài)，并引進(jìn)復(fù)合體理論描述土體失穩(wěn)后的力學(xué)性狀，將上述理論與有限元技術(shù)相結(jié)合可有效的降低單元網(wǎng)格尺寸的敏感性，從而為數(shù)值模擬土體漸進(jìn)破壞過(guò)程提供了有效的途徑。本研究成果可為今后土體失穩(wěn)和變形控制提供理論依據(jù)。 2100433B