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对于各类边坡工程,其稳定性的影响因素很多,其中,岩质边坡中的软弱夹层常成为实际滑坡失稳的主要因素。大量实例证明,许多岩质边坡的失稳,都与其间含有软弱夹层有关。综合不同专家对软弱夹层的定义,软弱夹层是指岩层中岩性软弱、结构松散、力学强度低、流变效应明显以及遇水易软化、泥化的相对软弱的岩体结构面。软弱夹层的物质组成复杂,岩性各异,却具有共同的基本特征,即夹层厚度一般很薄,产状与上、下岩层基本一致,含有一定数量的胶粒、粘粒,亲水性强,遇水可能软化或泥化,力学强度较低,具塑性变形,渗透稳定性较差。目前,在边坡工作中,对软弱夹层的认识程度仍然有限,尚有不少问题值得深入研究,所以研究软弱夹层对岩质边坡稳定性的影响势必成为边坡工程研究中的重点之一。
本研究查阅了国内外大量有关软弱夹层对边坡稳定影响的文献,在理论上对其进行了较系统地总结,全面分析了软弱夹层对岩质边坡稳定性的影响的大小和方式。利用有限元软件ANSYS模拟在有含水平软弱夹层的岩质边坡中,夹层的厚度、深度以及所含材料参数等因素对岩质边坡的稳定性的影响作用。并以重庆某含泥化夹层的岩质边坡为例,采用赤平投影法对该边坡进行初步分析后,对边坡进行了稳定性计算。在此基础上,建立了边坡简化数学模型,利用有限元软件ANSYS对其稳定性进行模拟计算,再利用模拟结果与边坡现场实际情况进行比较分析,从而试图揭示软弱夹层对岩质边坡稳定性的影响规律。
本文研究内容主要如下:
1、总结前人研究成果和观点,将软弱夹层按成因、力学效应、岩层产状等不同分类标准作出了系统的分类,分析了软弱夹层的物质组成、结构以及天然预荷载情况对其物理力学性质的影响,对软弱夹层独特的流变性质进行了一定程度的探讨,并概括介绍了由软弱夹层所引起的边坡的几种不同的破坏形式。
2、介绍了有限元的理论基础及有限元软件ANSYS的基本原理、用途、各种优点及该软件在边坡稳定性分析中所基于的有限元强度折减法原理的求解思路及分析过程。
3、本文建立了一个理想的含水平状软弱夹层的岩质边坡,通过独立变化该软弱夹层的埋深、内摩擦角、夹层厚度三个参数因子,运用ANSYS模拟得出其分别对应的边坡稳定性系数、应力情况及塑性区图等,通过比较分析,从而揭示各参数因子对边坡稳定性系数、滑动面形状及破坏范围等的影响规律。
4、对重庆江北区某含软弱夹层的边坡进行了地表地质调查,并通过实验对软弱夹层的物理力学性质进行了分析,包括软弱夹层的粒度成分、含水率、密度、土粒比重、孔隙比、粘土的液塑限、液塑性指数、抗剪强度等。尤其重点通过直接剪切试验得出了软弱夹层在天然状态及饱和状态下的抗剪强度参数:凝聚力c和内摩擦角Ф,为下一步的分析模拟计算提供了所需的数据。
5、运用本文相关研究成果,对重庆江北区研究边坡进行了分析计算。首先,在进行赤平投影初步分析的基础上,按单平面滑动对边坡进行了稳定性计算:在此基础上建立了简化的有限元地质模型,用ANSYS软件进行了模拟研究,并通过与稳定性计算得出的结果进行对比分析,从而得出结论证明了该软弱夹层在边坡失稳中的控制性的影响作用。
综上所述,本文研究内容中的特色在于:
(1)利用有限元分析软件ANSYS作为分析工具,建立了含理想水平状软弱夹层的简化边坡模型,通过独立改变软弱夹层埋深、厚度、内摩擦角等参数因子的情况下,针对ANSYS不同的边坡失稳的模拟结果,结合工程地质学理论,进行全面的比较分析,得出各因子对边坡稳定性的影响方式及作用大小。
(2)对于含软弱夹层的研究边坡实例,利用传统的赤平投影分析方法对边坡进行了初步分析,分析结果将边坡简化为平面问题,并对边坡按单平面滑动进行了稳定性计算,再利用有限元ANSYS软件进行边坡模型的数值模拟,将两者计算分析结果进行对比分析,从而更为深刻地分析了软弱夹层的边坡稳定性中的控制性的影响作用。