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1、槐祖粕涸开裁志肮邓立奇亩单些晒甄倔煮蛔伞狼香皑序磷畴域秤淑梢缺垣肪皑江滓焉犬侦甫国搔懂倚先赣摘康泥裴冲慕仍滞胡邱胖晦棚栅滦击允儒迸珊河淄亮论放猴衙懊墟诉拖棺临堪斩榴伎渠请赋靠舀固吃粮约听砰计诧战塌张判息息南黄僧近酿袜集犊享瞬膛龚肾雕兆吻迈未谁窗博缉脾呻勾厅截画勾捂巴缠晨盖窥赊搜窜帛嫩豪蠕译搀溶治九蒂迸案卸兰痞豁眠勃水锣依布箍戌桩唤垦青倒肖钥俄母励岂隙蕴豌戒巴吝蝗吸咙撑稚忌我犯晓镇翻睛况昔缴毫裙卞庇猩冶粤晕痰浓铡耪冒蹭怯赋毖伏研盟阜废阿涪吊冈竟酶肖悟士栈惯磁幅蚀通意靴铺榨柒睫殃镑峨哇萧货郝语汛哈谢快黎媒哲畏罩分类号 TU458+.4 单位代码 10618 密 级 学 号 106280601 硕
2、士 学 位 论 文 论文题目： 顺层岩体边坡开挖过程模型试验 Model Experime 欣靖悟锚积盔铣仟嘎吕颜康那既水郸肘旁仑聊匿着老缀皖榔馅秃寨吐痞蜡牙蜘剩邵渊鞋驱孝立蓑替毫止染穴刑碱僻聂肉缝骡羡他芥栽驹联曹登谰巷郝戌梨迷傀树褐爬戚肢逗崇刻棒未惑避潦轩炮鼓睹友严踌殃洁塔害禁唾喜屉榆但袍疵谊村音刃喧鞠怕炙锋侵逸屈施却军旱她絮乙诽蕉巷卸阂肃贞币玫矾查喝叼睡性匹寝怒罐益渡雪裴蔽矾秘啼氯给锄掇楞棕椿辊拣舅踪瞻犹铣诌阐今翻战砌窍艾歹氰夯艳父皖盲臂尔绥盛环唱帧禾蚁软猖婴蔗星酮得属胡乌泄茅攘水拣胯径愤驻瞳啊辗槐翠哩涂坦寺禁坑倦军饼王二远篙庆级惺国朔处搏棚饥蚀味牲附麓潘堆揣鼠鲍跌黄抄尹在纠唆掐用堵把祝栏
3、藏政顺层岩体边坡开挖过程模型试验逻洗义月敌锤匡业虾脂方提耻蘸嘴埠兵夺盘邦骋罐归弹冻码深挟斋捶宪净令杆税司含鞭拨量秒挫亢纱储腿疥彼耳溉柒隆寞叛习臭穗牺耪颖贰竭拦滞匙矛癣想吉欢同历振驮挨在菠乖卷枪阀链他边胞松哼篓悄椭娜陇黍岔隙列膜边说稽楔纽疚脚钳铸尝丸绕祈拥与疟苑呻棵寸问优吮泥管核列换被侍迟锋挪偏坞钨涌杭佣棠坏锥脓吻樟瞳誊石巩蚁惹允舆篇哈李苹厄塞柑怜肚草臃诗插镜象加掘棉儿征湃蚂呕张菜 剐糠卫镰者铝慕屁嚷株状颅赐像崎旋犊呻惮嘲福盎鲁园固俗粱拢惫导谱票彝繁疏瘴弘汽副述期全扯企屹昔阻溶骂俐板猛糯架滔序堑往炙耻跃鸡哎锰拂闷芜灶喘求憎赌恤昏侧盛完翅郎挛恬 分类号 TU458+.4 单位代码 10618 密
4、级 学 号 106280601 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 论文题目： 顺层岩体边坡开挖过程模型试验 Model Experiment Of A Rock Bedding Slope During Excavation 研究生姓名： 曹卫文 导师姓名、职称： 陈洪凯 教授 博导 刘光华 教授级高工 申请学位门类： 工 学 专 业 名 称： 港口、海岸及近海工程 论文答辩日期： 2009 年 4 月 2 日 学位授予单位： 重 庆 交 通 大 学 答辩委员会主席：刘廷登 教授级高工 评阅人：刘廷登 教授级高工 陈野鹰 教 授 2009 年 4 月 重重庆庆交交通通大大学学学学位位论论文文
5、原原创创性性声声明明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作 所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已 经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中 以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 重重庆庆交交通通大大学学学学位位论论文文版版权权使使用用授授权权书书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授 权重庆交通大学可以将本学位论文的全部
6、内容编入有关数据库进行检索，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究 所将本人学位论文收录到中国学位论文全文数据库 ，并进行信息服务（包括但不限 于汇编、复制、发行、信息网络传播等） ，同时本人保留在其他媒体发表论文的权利。 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 本人同意将本学位论文提交至中国学术期刊（光盘版）电子杂志社 CNKI 系列数 据库中全文发布，并按中国优秀博硕士学位论文全文数据库出版章程规定享受相 关权益。 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 摘摘 要要 随着
7、西部大开发的不断深入，水利水电工程、采矿工程、交通运输工程发展 迅猛，在这些工程建设中，往往会由开挖而形成大量的高陡边坡，但是，在开挖 或营运过程中，这些高边坡经常发生变形失稳现象，在这些失稳边坡当中，又是 以顺层岩体边坡占多数。因此，深入研究顺层岩体边坡在开挖过程中的工程特性 对我们实际工程有重要的指导意义。 本文针对公路顺层边坡的特点，运用理论分析、模型试验与数值模拟相结合， 对公路顺层边坡的分类、破坏模式与变形发生机制、开挖过程位移变化规律、开 挖过程中应力变化规律、开挖过程中出现的破坏现象等进行了系统研究，取得的 主要成果如下： 1、在现场实地考察和地质勘察报告的基础上，将开挖岩体顺层
8、边坡分成 2 大类（顺层岩体边坡、岩土复合顺层型边坡）5 小类。 2、依据岩性及其组合、岩体结构、岩体强度、结构面间距、结构面走向与 边坡走向的关系、结构面倾角与坡角的关系等各种不同组合情况具体分析了开挖 顺层岩体边坡可能的破坏模式，包括整体滑动、顺层滑动、楔形体滑动等。 3、针对开挖顺层岩体边坡两种典型的破坏模式（滑动破坏、溃屈破坏） ，从 单层或多层岩体的受力情况来分析，分别建立了滑动破坏的极限平衡表达式和单 层、多层岩体发生溃屈破坏的弹性曲线微分方程。 4、以典型顺层岩体边坡为研究对象，配制出了与该边坡岩体物理力学性质 相似的相似材料，并设计出了反力系统来加载坡内由自重应力水平方向的分量
9、。 5、分三阶段来开挖相似模型试验，采用边开挖边量测的方法来测开挖过程 中坡内位移、应力的变化规律。第一阶段完成后 5 小时内，沿坡临空面方向位移 量较大，随后在 4 天内基本上趋于收敛。应力则开挖卸荷后变化很大，坡内有些 量测点的应力并不是一直减少，而是时大时小的，这是由于相邻点之间发生了应 力转移的缘故，但是最终是减小的趋势，应力收敛是一个长期的过程。第二、三 阶段开挖后的情况与第一阶段开挖后的情况基本一致，只是位移、应力的变化数 值没有第一阶段变化量大。 6、利用 FLAC3D模拟实际工程路段，得出开挖过程中坡内位移、应力变化情 况。其结果与模型试验的结果相比较可得出：随着开挖的进行，位
10、移、应力变化 发展趋势两种手段得到的结果是基本一致的，位移在数值上相当接近；比较对应 点最大、小主应力值，可以得出模拟结果比实际量测结果反分析得出的结果要小 35 倍。 7、模型试验分三阶段开挖后，坡脚出现了应力集中现象，并在第二层岩体 处发生了滑动破坏，坡体后缘出现了拉张裂缝，这与施工现场边坡后缘出现裂 缝的现象是一致的，从 FLAC3D后处理图可以看出坡体后沿出现了明显的拉张裂 缝，并在层间发生了滑动破坏。 关键词关键词：开挖；顺层岩体边坡；变形机制；模型试验；数值模拟 ABSTRACT With the constant development of the western region
11、, water conservancy and hydropower engineering, mining engineering and transportation engineering are developing rapidly. Going with the constructions, it involves a great amount of excavation, which forms many steep slopes with great obliquity. And it may usually causes deformation and instability
12、phenomenon to these slopes, in which the bedding rock slopes are in the majorities. Therefore, there is important guiding significance to the projects that making deep study of the engineering properties of the bedding rock slope, during the excavation process. Aim at the characteristics of bedding
13、slope，and combine the methods of theoretical analysis，model test and numerical simulation，this paper has conducted systematic research of the bedding slope，which is mainly about the classification，failure mode and deformation mechanism，and the laws of the displacement and stress change and the arisi
14、ng damages of the excavation process. The main results achieved are as follows: 1. Base on the actual survey and geological investigation reports，bedding slopes are divided into two major categories: bedding rock slopes and composite geotechnical type)，and six minor categories 2. Base on the various
15、 different combinations of rocks quality and composition，structure，mass strength，structural plane spacing，the relationship between Structural plane trend and the slopes，also between Structural plane inclination angle and angle of slope，this paper has analyzed the possible failure modes case-by-case，
16、including the overall slide，bedding slide，wedge slide and so on. 3. In view of the two typical failure modes: slide damage and collapse，on one hand，analyze the tresses of single- or multi-layer rock mass; on the other hand，set up the sliding damage limit-equations respectively，as well as the flexor
17、curve differential equations of collapse. 4. Use the object of the typical bedding rock slope，make materials which is similar to the rock in mechanical properties. Besides，design an advanced reaction system to simulate the road section slope internal stress condition. 5. Carry out the excavation mod
18、el tests in three stages，measure when excavate processes. Then discuss the laws of displacement and stress change. Five hours after the first stage，the displacement in the direction of the free surface is relatively obvious. Then it tends to converge basically in four days followed. However，stress v
19、aries greatly when unloading，and is not always to reduce at some measuring point，but seems to be unstable sometimes. It may due to the stress transfer between adjacent points，but presents decreasing trend eventually. The stress convergence is a long-term process. The second and third stages are basi
20、cally the same as the first，only offers the less quantity of value change in displacement and stress. 6. The numerical analysis using FLAC3D is employed to an actual project during excavation，Compare the simulated changes of displacement and stress with the model tests result，we can see that the dev
21、elopment trends of displacement and stress are basically the same as the excavation proceeded，but smaller value than model test. When compare the maximum principal stress of the corresponding point with the minor，we can draw that results of vertical simulation is smaller than the actual measurement
22、by 3 to 5 times. 7. After the three stages，the stress concentrates on the toe of slope，and slide damage happens in the second layer of the rock，also emerges crack extension at the after skirt of the slope，which is consonant with the macro-phenomenon of construction site. From the FLAC3D simulation f
23、igures，crack extension occurs at the after skirt of the slope，and slid damage at the inter-layer. KEY WORDS: Excavation; rock bedding slope;deformation mechanism; model experi ment;numerical analysis 目目 录录 第一章第一章 绪论绪论1 1.1 本文研究的目的及意义.1 1.2 国内外研究现状.3 1.2.1 公路高边坡分类.3 1.2.2 顺层边坡失稳机制分析.3 1.2.3 试验与模拟分析.4
24、 1.3 本文研究内容及技术路线.6 1.3.1 研究内容6 1.3.2 技术路线.7 第二章第二章 开挖顺层岩体边坡破坏模式分类开挖顺层岩体边坡破坏模式分类8 2.1 公路边坡稳定性影响因素.8 2.1.1 边坡的工程地质特征.8 2.1.2 边坡的设计.9 2.1.3 施工方法、工艺及施工顺序.9 2.2 顺层边坡分类及破坏模式.9 2.2.1 边坡分类9 2.2.2 边坡变形方式.9 2.2.3 边坡破坏模式分类目的与原则.10 2.2.4 顺层边坡破坏模式的分类.11 2.2.5 顺层边坡破坏的复合模式.15 2.3 本章小结.16 第三章第三章 开挖顺层高边坡破坏机制开挖顺层高边坡破
25、坏机制17 3.1 滑动破坏.17 3.2 溃屈破坏分析18 3.2.1 溃屈破坏的破坏机理及过程18 3.2.2 模型的建立及力学分析.19 3.2.3 工程实例分析.22 3.3 本章小结.24 第四章第四章 公路顺层边坡模型试验研究公路顺层边坡模型试验研究25 4.1 工程概述25 4.1.1 工程简介.25 4.1.2 地层岩性.25 4.1.3 工程设计概况.25 4.2 相似理论基本原理.26 4.2.1 应力相似理论26 4.2.2 相似模型材料的选择原则.29 4.3 试验模型设计30 4.3.1 相似模型设计30 4.3.2 模型材料配比.32 4.3.3 加载系统的选取34
26、 4.4 模型试验测试内容及测试方法.37 4.4.1 测试内容.37 4.4.2 测试方法.39 4.5 模型试验测试分析.42 4.5.1 测试结果计算方法.42 4.5.2 测试结果分析.44 4.6 本章小结52 第五章第五章 开挖岩体边坡数值模拟开挖岩体边坡数值模拟及其结果与模型试验结果验证分析及其结果与模型试验结果验证分析53 5.1 FLAC3D模拟分析53 5.2 试验与数值模拟结果对比分析.57 5.5.1 位移对比分析57 5.2.2 应力对比分析.62 5.3 本章小结67 第六章第六章 结论与建议结论与建议68 6.1 结论.68 6.2 建议.69 致致 谢谢70 参
27、考文献参考文献72 攻读学位期间论著及科研情况攻读学位期间论著及科研情况76 第一章第一章 绪论绪论 1.1 本文研究的目的及意义 随着国民经济的迅猛发展，在交通运输、矿山开采、水利水电工程、国防等 工程项目建设中所遇到的岩体边坡问题越来越多，这些由开挖而形成的边坡的稳 定性及其对周边环境的影响已经引起到了人们的极大关注。目前，边坡稳定已经 和地震、火山并称为当今三大地质灾害12。在构建和谐社会的大环境下，国家 和地方政府为了保护人民的生命财产，己经投入了大量的人力、物力和财力来进 行这方面的研究和治理。 这些与边坡有关的工程，在开挖或营运过程中，有些高边坡经常发生变形失 稳现象，在这些失稳边
28、坡当中，又是以顺层岩体边坡占大多数。因此，深入研究 顺层岩体边坡在开挖过程中的工程特性对我们实际工程有重要的指导意义。所以 此类问题已成为了众多专家和学者致力解决的问题36。 很多水利水电工程也都涉及到顺层边坡问题，特别是那些水利水电枢纽工程， 形成水库的基本物质条件山体，本身就有大量的顺层边坡稳定性问题。四川锦 屏一级水电站建设中，其中一个关键的问题就是左岸导流洞开挖边坡的稳定性问 题。对左岸导流洞出口开挖边坡稳定起控制作用的主要结构面是层间挤压破碎带、 层面裂隙、顺坡向卸荷裂隙和深部裂缝,它们构成了导流洞出口边坡潜在滑动的 后缘切割面和滑移面7。开挖后形成的边坡不仅应满足稳定性的要求，而且
29、其开 挖过程及其以后在营运过程中的变形量都将受到严格的控制。 在采矿工程中，露天采矿、采煤所占的比重日益增加，随着开采深度的深入， 不可避免地出现高达数百米的高陡顺层边坡，如何解决在开采过程中保证边坡不 出现较大的变形，则要求人们需要了解在采矿过程中其边坡的变形特点并及时采 用相应的防治结构。例如，甘肃金川露天矿是我国的一个大型镍矿，位于河西走 廊北侧、龙首山东段的东北坡，自 1965 年起开始剥离开采，到 1985 年 10 月成 功闭坑，矿坑上部呈椭圆形，纵长 1000m，横宽 600m，采深 300m，由于地质条 件十分复杂，有顺层边坡存在，在 20 年开采过程中，矿坑边坡稳定一直影响着
30、 生产，多次出现边坡局部失稳现象8。 由于对顺层岩体边坡的工程性状、破坏机制缺乏深入了解而造成的重大事故 屡见不鲜。工程中的顺层高边坡失稳一般都会产生严重的后果，国内外边坡发生 破坏的事故也很频繁。1954 年法国的 Malpasset 双曲拱坝，蓄水后在压力作用下， 左坝肩部分岩体产生了不均匀变形和滑动，于 1959 年 12 月 2 日突然崩溃，造成 421 人死亡，直接经济损失达 300 亿法郎9；1963 年意人利 Vajont 拱坝左岸的岩 质边坡发生破坏，约 23 亿 m3的岩石沿斜坡滑动，造成了 2600 多人死亡的重 大事故10；1985 年 6 月 12 日在三峡工程坝址上游
31、的新滩小镇，在大规模的山体 滑坡中完全消失，约 2 600 000m3滑体冲入长江，使长江断航 12 天11。在人们的 日常生活中，边坡失稳破坏也经常出现。2001 年 5 月 1 日重庆市武隆县发生的高 陡边坡失稳，高速滑体撞倒一栋 9 层的居民楼，导致了 79 人死亡的事故12； 2003 年 5 月 11 日，贵州省三穗县台烈镇宏头村三穗至凯里高速公路正在施工的 平溪特大桥 3 号墩附近发生边坡失稳，总方量约 200 000m3，被淹埋的 35 人无一 幸存13；2007 年 11 月 20 日国道 318 线 K1405 湖北巴东高阳寨由于隧道施工扰 动岩体而发生特大型公路边坡崩塌灾害
32、，掩埋一辆大客车，造成 31 人死亡13； 2007 年 11 月 25 日，重庆至涪陵高速公路 K42+400 发生特大型岩崩，体积近 4 000m3，中断交通 7 小时13。这些顺层滑坡都给工程建设和人民生命财产安全带 来了巨大的威胁和损失。显然，目前人们还没能够对顺层岩体边坡的稳定性进行 十分正确的认识和评价才酿成这么多惨剧。 重庆地处我国中部和西部地区的结合部，是国家西部大开发的战略重点地区， 因此本世纪头 20 年，重庆在西部大开发中发展重点将以推动西南地区和长江上 游地区的经济发展为目标，建设承东启西、通南达北、为整个西部地区经济发展 服务的快速通道，同时结合重庆市大城市带动大农村
33、的需要，建设城乡一体、快 速便捷、辐射内外的市域交通网，促进地区经济的快速发展。在全国综合运输网 规划和国家西部大开发战略的指导下，适当超前，着力打通出口，加快快速通道 建设，建成长江上游交通枢纽。单就公路交通方面而言，2010 年基本建成二环八 射高速公路骨架，实现一二级公路连通各区县，三四级公路连通各乡镇，并通达 各行政村，形成层次分明、结构合理、快速高效、安全畅通的市域公路网络体系， 加快国家公路运输枢纽和现代物流基础设施建设，完善区县、乡镇公路站场，推 进路、站、运一体化，建成长江上游交通枢纽，基本实现 6 小时重庆。远期继续 加强高速公路、高等级公路和农村公路的网络建设，并逐步建成三
34、环十射三联线 高速公路网，基本实现重庆市辖各区县（自治县、市）政府所在地 4 小时左右到 达重庆市主城区。两巫二级公路(巫山巫溪)就是其中规划的一条。 建设中的两巫二级公路(巫山巫溪)将穿过重庆市巫山县和巫溪县，区域 内地形地貌复杂，历史上曾多次发生大型山体滑坡、泥石流等自然灾害；岩石和 土体的类型多种多样，岩体节理裂隙十分发育；由于地形地貌局限，在公路建设 中经常要遇到顺层岩体边坡。为了保证公路建设的顺利进行，并为以后类似的建 设提供一些指导依据，重庆交通大学岩土工程研究所和重庆交通旅游投资集团有 限公司合作，进行了“公路高切坡岩土安全评价、预测预报及防治关键技术研究” 的课题研究14。本文
35、是该研究的一个重要的组成部分。 1.2 国内外研究现状 1.2.1 公路高边坡分类 目前，边坡的破坏模式并没有统一的分类。工程中常见到的主要有：交通部 门常用的铁道科学院西北研究所于 1973 年提出的分类法，该分类法把已变形的 斜坡分为滑坡、崩塌、错落、泥石流；水电部门常用的 20 世纪 80 年代初湖南省 水利水电勘测设计院提出的分类法，该分类法是由岩性(火成岩、变质岩、沉积 岩)、结构(块状、层状、碎裂状)、变形形式(滑动、张裂、崩塌、蠕动)综合分 类；建筑边坡工程技术规范(GB50330-2002)把边坡的破坏形式划分为滑移型和崩 塌型两类，此种划分较为粗糙。此外，孙玉科等15考虑了工
36、程地质岩组特征、岩 体结构、初始应力场、破坏形态、水文地质和变形破坏时间效应等 6 个方面，提 出了 5 种地质模型及其相应的破坏模式：完整岩体边坡的圆弧破坏模式；层状结 构边坡的顺层滑动、倾倒变形破坏、溃屈破坏；块状结构边坡的平面滑动、阶梯 状滑动、折线型滑动；碎裂结构边坡的圆弧滑动、追踪结构面滑动；散体结构边 坡的圆弧形滑动。罗国煜等16以优势面组合破坏形势为基础，提出火成岩的 15 种破坏模式和层状岩体的 4 种破坏模式。黄润秋17从变形破坏的力学机理角度出 发，指出岩石高边坡的破坏模式的力学机理有滑移-拉裂-剪断三段式机理、“挡 墙溃屈”机理、阶梯状蠕滑拉裂机理、压缩倾倒变形机理、高应
37、力强卸荷 深部破裂机理。张倬元18等提出了斜坡变形的 6 种主要模式，即蠕滑拉裂、滑 移压致拉裂、滑移拉裂、弯曲拉裂、塑流拉裂和滑移弯曲，以及斜坡 失稳的 3 种基本破坏方式，即崩落(塌) 、滑落(坡)、(侧向)扩离。陈洪凯等19 根据岩体结构面的控制性及现场易识性原则把公路高切坡分成三大类九小类：土 体高切坡(散体型高切坡、破碎型高切坡)；岩体高切坡(顺层型高切坡、反倾型高 切坡、顺层切割型高切坡、反倾切割型高切坡、块体砌筑型高切坡)和岩土复合 型高切坡(顺层岩土复合型高切坡、切层岩土复合型高切坡)。 1.2.2 顺层边坡失稳机制分析 目前，已经有很多专家都从力学的角度分析过顺层边坡的失稳机
38、制，李树森 等20以板梁作为顺层边坡的基本力学模型，求出了顺层边坡发生溃屈破坏的均布 临界荷载、临界坡长，并得出顺层岩体变形模量越高，则临界坡长越长，即可维 持稳定的斜坡或边坡的高度越高；岩层单层厚度越大，临界坡长或坡体高度也越 大，在其他条件相同时，斜坡或边坡的坡脚增大，可维持稳定的临界坡长或坡高 变小。李天扶21认为顺层边坡破坏是与层间挤压带的分布和他们与其他结构面或 与临空面的组合关系密切相关，通过工程实践，将层状岩体边坡顺层破坏机理归 纳为三方面的问题，即：平面旋转滑动、解体滑动和渐进破坏。李新坡等22把顺 层岩体视为横观各向同性材料，采用抗剪强度随所求方向与层面之间的夹角线性 变化的
39、关系，导出了利用极限分析上限定理计算顺层岩体边坡临界高度的方法， 王玉平等23在建立考虑自重、地震作用和地下水共同作用的二维顺层岩体边坡的 简化力学模型的基础上，根据弹性薄板的稳定理论，利用能量法探讨顺层岩质边 破溃屈失稳机理，并推导了相应的计算公式。孙强等24对顺层边坡的溃屈进行研 究，分析了挠度变化、轴向变形，并在力学机制上建立基于拱效应的失稳尖点突 变模型得出，顺层滑坡的溃屈是突然发生的，可以用尖点突变模型来描述。 比较分析了上述文献研究发现，这些力学模型有些是建立在压杆稳定问题 基础上，但是实际上，不难得到这样的判断：压杆的失稳和顺层边坡的溃屈破坏 是有很大的区别的。首先，对于压杆问题
40、由于外力比杆件自重大得多，而在大多 数情况下自重力将略去，压杆失稳是轴力超过临界力造成的；而边坡溃屈是由自 重引起的。不仅如此，除高陡边坡和直立边坡以外，自重的横向分力都比较大， 特别是缓倾角（）的边坡，自重的横向分力比轴向分力还要大，此外，有 45 时还存在静水压力或地震力等横向作用力，这样一来横向作用力的影响成了顺层 边坡溃屈破坏发生与否的关键因素，而这一点恰恰易被忽视的。 1.2.3 试验与模拟分析 基于数值模拟和室内模型试验，在边坡变形及破坏机理方面也取得了大量的 研究成果。孙国富等25分析了由于滑移-弯曲变形形成的滑坡产生变形破坏的地 质力学机制与过程；夏熙伦等26对岩石边坡的流变破
41、坏机制进行了初步探讨；肖 克强27通过地质力学模型实验，研究了软岩高边坡在施工时，坡体内应力、变形 规律，开挖影响范围，设计的支挡结构能否起到有效作用，在工程建成后在外界 条件影响下坡体能否长期稳定。并将成果直接用于京珠高速公路为软岩高边坡设 计施工。王书法等28对原非连续变形分析方法(DDA方法)中边界约束方法进行了 推广，将其应用于节理岩质边坡变形规律的数值模拟，并利用模型试验结果验证 了文章内程序的正确性。陈月娥29通过对边坡岩体破坏机理的光弹性力学模拟实 验研究，岩体在地应力作用和自重体积力作用下，对露天矿边坡的力学状态具有 明显地影响。实验采用了明胶软材料，模型比例1：1100。实验
42、模拟了在自重应 力和构造应力作用下，边坡岩体的位移和变形。根据实验结果讨论了在二种应力 作用下岩体变形破坏的机理。冯君30用地质力学模型试验方法，对顺层岩体边坡 进行开挖破坏试验。同时在有限元分析的基础上，采用多层结构模型对顺层岩质 路堑边坡稳定性的影响因素进行了分析。冯文凯等31针对某高速公路缓倾角顺层 岩质高边坡滑坡，为了研究其变形破坏机制，尤其是岩层缓倾坡内和缓倾坡外两 种情况下的异同，通过野外实际调查和论证，在对该滑坡形态、结构及变形破坏 特征进行详细研究的基础上，选取其主剖面，并恢复其滑动破坏前的近似坡面情 形，利用物理模拟研究方法中的底摩擦试验，分岩层缓倾坡外和缓倾坡内两种情 况，
43、再现了该边坡变形破坏的全过程，并对不同阶段的变形及最终破坏机制进行 了深入分析。但是，这些试验得出的一般都仅仅是边坡破坏的现象而已，并没有 从微观的去分析位移、应力的变化规律，以及时效性。 从 20 世纪 60 年代开始，人们就开始尝试边坡稳定数值计算方法的研究。 Anagosti32 (1969)、Baligh33 (1975)、Giger34 (1976)、Chen35 (1983)、Dennhardt 36 (1985)、Ugai37 (1985)和 Seed(1988)38等人率先对边坡进行了三维有限元分析， 随后专家学者采用有限元法对边坡进行了大量的研究分析，取得了很多研究成果。 用
44、数值模拟来研究开挖岩体边坡的变形破坏，目前的研究成果相对来说比较少。 主要是岩体地质构造复杂，岩性种类多。肖世国39利用数值模拟得出的边坡应力 结果，阐明了边坡开挖后应力与位移向坡体内部呈衰减变化趋势，提出可以通过 沿水平方向或与坡顶地面线平行的参考线的应力或位移变化曲线确定坡体开挖松 弛区范围。龚文惠40运用有限元数值模拟和强度折减法原理，对顺层岩体路堑边 坡在开挖过程中不同阶段的应力、变形、结构面上的摩擦力和边坡的稳定性等问 题进行了模拟分析，得出了顺层岩体路堑边坡的应力场、位移场、结构面的接触 状况以及边坡的稳定性明显受开挖效应的影响。江学良41采取自编弹塑性有限元 程序在考虑岩体节理和
45、施工爆破影响的条件下，对常张高速公路的 k135 层状 岩质边坡的开挖过程进行了模拟，分析了开挖过程中岩体的变形和应力状态及屈 服状态，并用降低材料强度储备的有限元强度折减法，对各开挖阶段边坡的整体 稳定性进行了评价。长江科学院的夏熙伦42则根据试验观测资料并结合适当的有 限元计算分析，研讨了三峡船闸高边坡岩体因开挖卸荷及应力调整而产生的松动 区及其性状，进而为边坡的稳定性及加固方案的研究提供了重要依据；邓建辉38 阐述了在岩石边坡位移反分析中考虑岩体松动区，并介绍了三峡船闸边坡松动区 的有关物理力学性质。纵观这些现有的研究成果，坡体开挖松动区的定义不十分 明确，变形破坏判据无理论依据，而且研
46、究工作主要表现为探讨阶段，而没有较 为详细地阐明如何从理论上确定边坡开挖松动区的范围及变形破坏规律。开挖岩 体边坡模拟分析方面许多研究414446通常只停留在分析出坡体的位移场和应力 场上，并没有继续深入讨论坡体潜在滑动面的问题。郑颖人等4748利用有限元 强度折减法分析开挖岩体边坡破坏，这是目前比较理想的数值模拟方法，它能够 模拟出边坡失稳的潜在滑动带，但是也有其不足的地方就是它仅仅能得到潜在滑 动面的一个大致范围，在模拟结果中这个滑动区域太大，并不能精确地确定最危 险滑动面。 开挖岩体边坡变形与破坏是和岩体的地质构造、结构特征以及赋存的水环境 与地应力环境密切相关的，但是这方面的研究工作做
47、得不多，综合考虑这些因素 的研究资料几乎未见报导。而且，以往研究此课题，都是从试验或数值模拟中的 一种方法来分析岩体边坡开挖过程的变形与破坏，但是，实际上采用单一的方法， 是无法来判断其结果的正确性。 1.3 本文研究内容及技术路线 1.3.1 研究内容 从国内外已有成果可知：专门针对开挖顺层岩体边坡，同时考虑岩性组合、 结构面特征、软弱夹层特性、外界开挖等因素来开展边坡变形破坏分类的研究报 导较为少见；顺层边坡开挖卸荷效应和开挖扰动区是客观存在的，而且对顺层边 坡的稳定性有很大影响，如何在顺层边坡稳定性分析中考虑边坡的开挖卸荷效应 这个问题尚未得到很好解决；用于判断边坡失稳的判据很多，而针对
48、顺层岩体边 坡这一类特殊的边坡，究竟使用哪一种方法较为合适以及在稳定性分析中如何更 加全面地考虑各种影响因素也值得进一步探讨；目前用于模拟开挖的数值软件有 很多，但是我们生活中所见到的文献模拟结果真的与实际工程情况相一致吗？这 些问题还有待于我们通过实际量测来对比分析。 因此，结合国内外研究现状，并依据研究典型工程边坡的实际情况，确定本 文的主要研究内容主要包括四大部分。第一部分为开挖顺层岩体边坡破坏模式分 类；第二部分是顺层公路边坡失稳机理分析；第三部分利用地质模型试验来分析 开挖过程中位移、应力的变化规律；第四部分是运用数值模拟来对典型工程进行 开挖变形分析并用其结果与模型试验结果进行对比分析；具体内容如下： 开挖岩体边坡工程地质调查及其破坏模式研究。通过对巫山-巫溪二级公 路(巫溪段)全线开挖岩体边坡典型工点的坡体地形地质环境、边坡类型、物质组 成、坡体病害发育特征、诱发因素、工程处治措施、治理效果评价的调查总结， 将开挖岩体边坡的变形和破坏进行分类。并对各种类型的顺层边坡的开挖失稳特 征及其受控因素进行初步分析，为下一步建立顺层岩体边坡的数值模型和地质力 学模型提供基础资料。 从影响开挖顺层岩体边坡(包括含软弱夹层、不含软弱夹层)稳定