反倾向边坡倾倒破坏机制研究及其流形方法模拟

CORC > 成都山地灾害与环境研究所 > 中国科学院水利部成都山地灾害与环境研究所 > 山地灾害与地表过程重点实验室

题名	反倾向边坡倾倒破坏机制研究及其流形方法模拟
作者	屈新
答辩日期	2017
文献子类	博士
授予单位	中国科学院大学
授予地点	北京
导师	苏立君
关键词	反倾向层状边坡弯曲倾倒极限平衡数值流形方法串层锚杆
其他题名	Study on the Mechanism of Toppling Failure of Countertendency Slopes and Their Simulations By the Numerical Manifold Method
学位专业	岩土工程
英文摘要	倾倒破坏是反倾向层状岩体边坡常见的一种破坏模式，在自然和工程边坡中均有发生。按破坏机制的不同，Goodman将倾倒破坏模式分为两类：弯曲倾倒和块体倾倒（块体-弯曲倾倒是两者的复合形式）。由于块体倾倒作用机制简单，破坏面是确定的直线或者双折线，因此，国内外学者在该方面的研究已取得了显著的成果，并建立了较为完善的理论分析方法。弯曲倾倒破坏相对较为复杂，由于反倾向边坡破坏面的位置、形状和破坏岩层的个数未知，使得学者无法从理论上定量分析岩层间的力学作用机制。因此，本文重点研究反倾向层状边坡弯曲倾倒破坏机制，主要工作包括以下几个方面：（1）提出了一种搜索弯曲倾倒破坏面的理论分析方法，该方法将反倾向层状边坡简化为叠合悬臂梁模型，并结合极限平衡方法和潘家铮最大最小原理，认为边坡破坏基准面（由各个岩层折断面组成）是使边坡发生整体破坏所需外力最小的破坏面。在破坏基准面搜索过程中，首先确定岩层破坏个数；然后，利用极限平衡方法，结合岩层的破坏模式，求出各组岩层发生整体破坏所需的最小外力F；最后，不断变化搜索角，得到一系列F，它们当中的最小值作为边坡发生整体破坏所需的最小外力，对应的破坏面作为边坡潜在破坏基准面，相对应的岩层组合为最危险的岩层组合。（2）对影响边坡稳定性的内部和外部因素作了参数敏感性分析。其中，内部因素是指岩土体物理力学参数，包括粘聚力、抗拉强度、内摩擦角、层间内摩擦角、岩体重度。外部因素重点研究了地震荷载、坡顶荷载和边坡开挖。（3）系统阐述了NMM的基本原理, 包括物理覆盖、数学覆盖、物理片、数学片、流形单元的基本概念以及它们之间的关系，接触理论及其实现过程。在NMM前处理方面，提出了矩形有限元网格覆盖系统的生成算法；在构造局部位移逼近函数过程中，提出了具有物理意义的泰勒展式升阶方法。（4）考虑到流形方法采用两套完全独立的覆盖系统，所以我们总可以用规则的数学网格来作为数学覆盖进行插值，这样就可以取得最佳的插值效果，单元收敛性便能得到保证。再结合适用于流形方法的变分提法，建立起流形方法处理含有任意物理边界的二阶、四阶偏微分问题的一般格式。以ACM薄板单元为例，与ANSYS、拟协调元法、广义协调元法进行了对比，证明本文提出的流形方法在处理具有曲线边界的薄板弯曲问题时具有收敛快和精度高等优势。此外，本文将流形方法拓展到其高阶形式，并成功解决了四阶偏微分问题。（5）根据反倾向层状边坡的变形破坏机制，建立了相应的破坏准则和弹塑性本构模型；在弹塑性应力修正过程中，给出了改进的切向预测径向返回的方法。最后采用5个算例验证了本文建立的弹塑性流形方法的有效性。（6）基于反倾向层状边坡的变形破坏机制，归纳出加固反倾向层状边坡的核心思想：增大岩层之间的摩擦阻力，减少岩层承受的弯矩或者提高边坡抗倾倒能力。重点介绍了串层锚杆的加固方法及其力学分析过程，并以皖南板岩边坡为工程实例，重点分析了锚杆长度、锚杆加固位置和使用锚杆数目对边坡加固效果的影响。最后，综合上述分析给出了皖南板岩边坡的串层锚杆最佳加固方案。
语种	中文
页码	168
内容类型	学位论文
源URL	[http://ir.imde.ac.cn/handle/131551/24583]
专题	成都山地灾害与环境研究所_山地灾害与地表过程重点实验室
作者单位	中国科学院成都山地灾害与环境研究所
推荐引用方式 GB/T 7714	屈新. 反倾向边坡倾倒破坏机制研究及其流形方法模拟[D]. 北京. 中国科学院大学. 2017.