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本研究的主要作者为杨肖锋、鲁祖德、陈从新、孙朝燚和刘轩廷。他们分别来自中国科学院武汉岩土力学研究所岩土力学与工程国家重点实验室和中国科学院大学。该研究发表于2022年6月的《岩土力学》期刊第43卷增刊1。
本研究的主要科学领域为岩土工程,特别是顺层岩质边坡的稳定性分析。随着人口和经济的增长,资源与环境之间的矛盾日益加剧,滑坡等地质灾害逐年增加,严重影响了人类的生产生活和工程建设。因此,研究边坡失稳的机制具有重要的理论和实际意义。
顺层岩质边坡的滑移-弯曲破坏是常见的破坏模式之一。以往的研究主要基于弹性压杆理论或弹性梁板理论进行分析,但这些理论未能充分考虑岩体抗拉强度的影响。本研究旨在通过引入最大拉应力强度理论,建立板裂结构顺层岩质边坡滑移-弯曲破坏的力学模型,并预测潜在破坏点。
本研究包括以下几个主要步骤:
地质成因及演化机制分析:首先,作者分析了板裂结构顺层岩质边坡的地质成因,将其分为滑移段和弯曲段。基于地质力学模型,作者引入了最大拉应力强度理论,并采用能量法、Rayleigh-Ritz方法及势能驻值原理等近似模拟弯曲段的挠曲方程。
力学模型及基本假设:作者根据边坡的变形演化机制,将变形区域分为滑移段和弯曲段,并提出了若干基本假设,如岩层的走向与边坡的走向基本一致,岩层厚度远小于边坡长度等。
滑移-剪切破坏分析:在滑移段,作者通过受力分析推导了岩层的轴向力公式,并提出了临界长度的计算方法。当岩体的单轴抗压强度小于轴向力时,岩体将发生压剪破坏。
滑移-弯曲破坏分析:在弯曲段,作者采用Rayleigh-Ritz法和势能驻值原理求解挠曲方程,并推导了最大拉应力的计算公式。通过理论公式的程序化,作者预测了边坡潜在破坏点的位置。
基本算例分析:作者以陕西山阳滑坡为工程背景,验证了理论模型的正确性。通过理论计算与数值模拟的对比,作者发现理论预测值与实际破坏值近似一致。
数值模拟:作者采用FLAC3D数值模拟软件分析了山阳滑坡的破坏过程,结果表明张拉塑性区与剪切塑性区的贯通是滑坡失稳的主要原因,且数值模拟结果与理论计算结果近似一致。
地质成因及演化机制分析:作者将板裂结构顺层岩质边坡的滑移-弯曲破坏过程分为瞬移-蠕滑、隆起-弯曲和弯曲-破坏三个阶段,并分析了各阶段的力学特征。
力学模型及基本假设:作者提出了板裂结构顺层岩质边坡的力学模型,并推导了滑移段和弯曲段的受力公式。
滑移-剪切破坏分析:作者提出了临界长度的计算方法,并指出当岩体的单轴抗压强度小于轴向力时,岩体将发生压剪破坏。
滑移-弯曲破坏分析:作者通过Rayleigh-Ritz法和势能驻值原理求解了挠曲方程,并推导了最大拉应力的计算公式。通过理论公式的程序化,作者预测了边坡潜在破坏点的位置。
基本算例分析:作者以陕西山阳滑坡为工程背景,验证了理论模型的正确性。理论预测值与实际破坏值近似一致。
数值模拟:作者采用FLAC3D数值模拟软件分析了山阳滑坡的破坏过程,结果表明张拉塑性区与剪切塑性区的贯通是滑坡失稳的主要原因,且数值模拟结果与理论计算结果近似一致。
本研究通过引入最大拉应力强度理论,建立了板裂结构顺层岩质边坡滑移-弯曲破坏的力学模型,并预测了潜在破坏点。理论计算与数值模拟的结果与山阳滑坡的实际破坏近似一致,验证了模型的正确性。该研究为大型岩质边坡的监测和锚固提供了重要参考,具有重要的理论和实际意义。
重要发现:本研究首次将最大拉应力强度理论引入板裂结构顺层岩质边坡的力学分析中,提出了潜在破坏点的预测模型。
方法创新:本研究采用能量法、Rayleigh-Ritz方法及势能驻值原理等近似模拟弯曲段的挠曲方程,并结合梁板强度理论推导了最大拉应力的计算公式。
研究对象的特殊性:本研究以陕西山阳滑坡为工程背景,验证了理论模型的正确性,为类似工程提供了重要参考。
本研究还详细分析了板裂结构顺层岩质边坡的地质成因及演化机制,为理解边坡失稳的力学机制提供了重要依据。此外,本研究通过数值模拟分析了山阳滑坡的破坏过程,为滑坡的监测和防治提供了科学依据。