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反倾层状边坡弯曲折断的应力及挠度判据

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维普资讯 http://www.cqvip.com 1004-9665/2004/12(03 -()243 Journal ofEngineering Geology 工程地质学报 反倾层状边坡弯曲折断的应力及挠度判据 陈红旗黄润秋 (成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家专业实验室成都610059) 摘要以地质分析为基础,将反倾层状边坡的任意岩层概化为受复合作用力的板梁模型,通过简单的力学解析,开展了反 倾层状岩石边坡弯曲折断判据的研究。依据岩层折断时和相临岩层的瞬时关系,将岩层下部视为瞬时II缶空状态,考虑岩层自 重荷载和上部岩层附加荷载(上部岩层重力荷载、层间摩擦力)的共同作用,基于最大拉应力准则,提出了岩层弯曲折断的应 力判据;依据应力判据,得到了岩层弯曲折断的挠度判据;利用应力判据及挠度判据,可实现反倾层状边坡弯曲折断的现场判 定及其控制设计。 关键词边坡折断应力挠度弯曲岩层 中圈分类号:P642.22 文献标识码:A STRESS AND FLEXIBILITY ClUTERIA oF BEND】[c G AND BREAK G IN A CoUNTERTENDENCY LAYERED SLoPE CHEN Hongqi HUANG Runqiu (Natoina/laboratory of Geo—hazards Prevention and Geo—environment Protectoin, , 也University of Technology,Chengdu 610059) Abstract Based on geological analyses,this paper presents criteria of bending and breaking in a countertendency slope by a simple stress analysis. In the analyses,a rnadom rock stratum is simpliifed as a girder model under a complex loading. According to instnatnaeous disconnection between strata at failure,it is assumed that the down— side of hte upper srtatum faces air.Taking into account hte deadweight nad add—ons loading(gravity of hte upper srtatum,firction stress of interface and SO on),the srtess cirteiron of bending and breaking can then be established based on hte maximum tensile sterss rule.From the stress criterion of bending nad breaking,the flexibility criterion can be found.The stress and flexibility criteria can be used in assessment of hte potentila failure and design of con— rtol measures for prevention of bending and breaking in the countertendency layered slopes. Key words Slope,Break,Stress,Flexibility,Flexure,Stratum 坡的变形破坏模式可分为弯曲倾倒和块体群倾倒两 1 引 言 类。反倾向边坡的稳定问题在水利水电、矿山、铁路 边坡开挖以及城市环境灾害等方面都广泛存在。但 当层状岩体的倾向与边坡坡面倾向相反时,称 这类边坡的变形破坏现象只是在近3O年才被人们 为反倾层状边坡或反倾边坡 。反倾层状岩石边 认识和研究 。国内外学者运用数值分析(DEM、 +收稿13期:2003—12—0l;收到修改稿13期:2004—02—25. 基金项目:国家自然科学基金重大研究计划资助(项目编号:90102002). 第一作者简介:陈红旗(1973一),男,在站博士后,主要从事工程地质与岩土工程.Email:chenhongqi@163.conr 维普资讯 http://www.cqvip.com Journal ofEngineering C.eolo ̄y工程地质学报2004 12(3) UDEC)、物理模型试验(底摩擦法、倾斜台面法和离 心模型)和等效力学解析(极限平衡分析方法、悬臂 梁力学模型)等方法和手段,开展了大量研究。 纵观反倾边坡的研究历程,块体式倾倒的极限 平衡分析已较为成熟 J,该方法把倾倒变形考虑为 块体群在自重和块体间摩擦力作用下发生的转 动 ]。但是,对于实际工程而言,由于这种情形坡 表块体已处于破坏状态,处置工程措施应该相当明 / J1  I确,因此已无太大的工程意义。 弯曲倾倒的表现形式可分为延性弯曲和脆性折 断两种 ]。总体上,这类变形是漫长的地质历史过 程(河谷下切)的产物。主要发生在斜坡前缘、陡倾 的板状岩体在自重弯矩作用下,于前缘开始向临空 方向作悬臂梁弯曲,并逐渐向坡内发展。变形时除 结构面会产生错动外,坡表岩层发生明显的弯曲变 形,即“点头”现象。其发育规模、发育程度,除受边 坡地质结构控制外,良好的临空条件是一个很重要 的因素。无论哪一种变形方式,最终破坏状态均表 现为岩层的折断(对支护工程尤为关键)。通过野 外观测与物理模拟,已有研究对弯曲折断机制进了 定性描述,也有少量的初步定量分析 。Choquet 和Tanon(1985)在这方面做了开创性工作,在弯曲 折断分析基础上,初步建立了倾倒型边坡的稳定系 数概念。但是这些定量的研究均是考虑自重荷载下 的简化力学模型,尤其对岩层外部荷载作用考虑不 足(或仅作定性分析用)。因而远未为工程所接受。 为此,迫切需要开展反倾层状岩石边坡弯曲折断工 程判据的研究,为反倾层状岩石边坡稳定性评价和 控制提供定量依据。 在反倾层状边坡的成坡过程中,附加构造应力 般已释放殆尽,最多仅存少量的残余应力,所以边 坡岩体主要受自重力、上部岩层的重力以及岩层间 的摩擦力作用 。由于工程下部开挖,可视岩层下 部形成一瞬时临空空间。因各岩层的变形间存在时 间滞后效应,则各岩层变形折断前,任意岩层的下边 界均有一瞬时临空状态,且越靠近坡面,临空的距离 及深度也随之增加(图1、2),而其上边界则受到上 部岩层的摩擦力、重力作用。 2岩层的受力分析 为了分析反倾向边坡的力学机制,从反倾边坡 中抽取出具代表性的单个岩层来进行分析,其受力 及尺寸如图1、2所示。 图2 反倾层状边坡应力分析模型 Fig.2 Stratum model for stress analyses in a countertendency layered slope 2.1上部岩层的作用力 如图1所示, 、G 分别为分析岩层顶端A点 (即 =L处)所受上部岩层侧向压力及重力荷载, 其分量F为上部岩层施加法向作用力, 为上部岩 层施加的轴向剪切力(受齐典涛2001年相关研究启 发),其表达式为: H=研日 (1) Gs=yH (2) 为岩石的重度;日为所选岩层顶部到坡顶的距 离;K为侧压力系数。 则岩层任意点 处( 处)侧向压力及重力为: H=K (H+( 一 )si ) =r(H+( 一 )sin ) T=Tl一 = Hco 一Gssi =T(H+( 一 )si )(Kcoslf—si ) F=Fl+F2 Hsi +Gsco =y(H+(L一 )si )(Ksi +CO ) 由于F的作用,产生一层间摩擦力/: f= F= (H+( 一 )siqB)(Ksinlf+co ) 为摩擦系数。 维普资讯 http://www.cqvip.com 陈红旗等:反倾层状边坡弯曲折断的应力及挠度判据 245 2.2岩层自重分析 3.2其他作用力 G为分析岩层的重力(图2)。若将分析岩层看 重力分量 的作用在分析岩层上边界产生压 作悬臂板梁(Choquet,Tanon;黄润秋;孙广忠;Camp— bell;刘传正等均曾建立类似模型),岩层厚为h,岩 层长度为£,岩层宽度为b。则单位长度上的重力 为: G:yhb (3) 将重力分为沿 轴和Y轴两个分量G 和G ,其 中G 引起岩层轴向压缩,而G 引起岩层弯曲,且G =yHbcos/3。 3岩层弯曲折断的应力分析 在上述力系作用下,分析岩层将发生弯曲变形。 弯矩的作用使分析岩层下边界产生压应力,而上边 界产生拉应力。一般情形,岩体的抗压强度远大于 抗拉强度,因此,在弯曲折断应力分析中,可将岩体 抗拉强度作为弯曲折断破坏的判断标准。通过岩层 上边界拉应力(包括弯矩产生拉应力及轴向作用力 产生的边界应力)和抗拉强度的对比分析,从而达 到判定岩层是否弯曲折断的工程目的。 3.1弯矩作用弓l起的拉应力 引起分析岩层弯曲变形的力为垂直于岩层轴线 的作用力,包括重力分量 以及上部岩层引起的作 用力,,则任意 处弯矩值为: 』l =MG+MF= L’ ·hbcoslf·(£一 ) 1 + L_ (Klsi +co )·(L— ) + sin3(Ksin3+c。 )·(£一 ) (4) 为岩层倾角。 由图2,可得分析岩层的抗弯刚度为: bh (5) 则有岩板上边界的拉应力为: 一 = 三 丝( ± 塑2:( 二 3bh + ! ( ±里 望2:( = 2: bh (6) 应力,任意 处压应力值为: or2=ysin ̄·(£一 ) (7) 摩擦力 所引起的任意 处的压应力为: or3=Ftgcp: (H+(£一 )sin3)(Ksin3 +co )·tgcp (8) 为层间摩擦角。 由于轴向剪切力 的作用,使分析岩层上边界 产生一相当于拉应力的作用,其在任意 处值为: or = (H+(£一 )sin3)(Klco 一sin3)(9) 3.3岩层弯曲折断判据 由上述分析可知,岩板上侧边界上任意一点的 拉应力为: = 。一 一 ,+ = 匕 三 丝( ±里 塑2: 3bh +zsin/3(Ksin/bh 3+cos ̄) ̄A3 一ysi ·A [ +Asin3](Ksin ̄+c0 )·tg + [ +Asin3](Kcos3一sin3) (10) 式中,A:(L— )。 依据最大拉应力破坏准则(当存在层内横向裂 纹时,也可应用断裂破坏的最大应力理论判据),可 得岩层弯曲折断判据,如(11)式,对应最小折断深 度为(L一 )。 or 一or =0 (11) 为最高折断点的 坐标; 。为分析岩层的抗 拉强度。 由于边坡底部岩层的临空空间较小,变形初期 般仅会发生弯曲变形,不会发生破坏。而边坡中 部岩层因临空距离较小,仅在超过抗拉强度的地方 出现细微裂纹。而越向上,裂纹宽度越大。因此边 坡应从边坡中上部岩层的拉裂缝开始破坏,当各岩 层的裂缝贯穿时,就会出现滑坡现象。对于抗拉强 度较大的岩层,L— 值越大,下部岩层所能提供的 临空空间较小,因此这类岩体极有可能只弯不折。 如果岩层中有裂隙存在,则裂隙处由于有应力集中, 极易发生破坏(可演化为断裂力学判据)。利用 (11)式描述的应力判据,可初步判定层状边坡弯曲 折断破坏状态,并确定弯曲折断深度 。 维普资讯 http://www.cqvip.com Journal ofEngineering Geology工程地质学报2004 12(3) 式中A=Ksin/3+cos/3;B=( +6 一4Lx)。 4岩层弯曲折断的挠度分析 边坡岩层应力一般不易获取或测量麻烦,使弯 曲折断应力判据受限。为此,需要进一步研究,以给 出工程实用的弯曲折断判据。变形特征是边坡稳定 性状态的直观表现,可通过地质编录轻松获得,若能 建立变形相关的判据,可实现弯曲折断破坏的现场 4.2岩层弯曲折断的挠度判据 依据弯曲折断应力判据,不难得出岩层处于临 界折断状态的最大深度(L =L一 ),也就是对于 深度为 的分析岩层发生折断破坏的最小深度。为 此我们可以利用高度为 的岩层坡面挠度进行弯 曲折断的变性特征判定。 判定。 4.1岩层挠曲分析 对于梁的挠度计算,一般忽略剪力引起的梁横 截面之间的错动,仅考虑弯矩作用引起的弯曲变形。 可采用变形能量法或直接由弯矩求得挠度,这里采 用直接由弯矩来求解挠度。由上述受力分析可知, 引起弯曲变形的作用力q(x)为: q(x)=F+G =yhbcosl3 + (日+( 一 )sin#)(KsinO+COsO) (12) 依据等直梁挠曲线微分方程,并四次微分后可 得: Elw =一ffffq ̄ + +争 ~C+C4 其中:W 为岩层 处的挠度;E为分析岩层的弹 性模量;,为分析岩层的惯性矩;C。=一Q。;C =一 Mo;C3=ElOo;C4=E 0为常数;Q0、M0、00、W0分别 为岩层根部( =0处)的剪力、弯矩、转角和挠度。 Q0=fq( ) = Ysin/3(Ksin/3+co ) +[yhbcos/3+yH( lsi +cos#)] 』『g( ) = Ysin/3(Ksin/3+c。 ) +÷[ ^6co +TH(Ksin/3+coq ̄)]L Oo=0 W0=0 整理可得,分析岩层任意 处的挠度为: Elw 一地 (1OL3-1OLZx+5LxZX3) 1 3 +  。24 一 (13) 将 代入式(13),可得临界折断岩层的最大挠 度 一(易知位于岩层顶部,即坡面): 1 ysinO si (KsinO+cos#) m“ 一—————————— 石 ——————一L 1 . yhbcos/3+ 日—三七 ysin/3( rsi +co ) +———— ————— (14) 利用现场反倾边坡岩层的变形特征即坡表挠度 (W )的测量,利用下述挠度判据,可进行弯曲折断 状态的现场判定。借鉴岩层弯曲时效概念,进而可 进行弯曲倾倒变形阶段的划分。 若wz> 一,岩层已发生折断破坏; 若wz= 一,岩层处于临界折断状态; 若wz<w ,岩层未发生折断破坏。 5结论 文章通过反倾层状岩石边坡弯曲折断的应力分 析,得出了弯曲折断的最大拉应力判据;在应力判据 的基础上,提出了可供工程实用的弯曲折断挠度判 据。对于特定反倾层状岩石边坡,利用应力判据可 确定任意岩层的折断线深度;利用挠度判据,在岩体 变形特征调查的基础上(尤指岩层产状的异常),可 直接进行边坡弯曲折断破坏状态的现场判定,并可 作边坡弯曲倾倒变形时效的延拓。 本文只是取得了反倾层状边坡弯曲折断定量评 判的初步成果,但是尚需深入的野外工程地质调研 和理论研究,加以修正和完善,尤其是方程中参数的 确定和合适地质原型的选择。 (下转273页) 维普资讯 http://www.cqvip.com 杨果林等:常德一张家界高速公路慈利东互通段膨胀土工程特性及改性研究 273 (上接246页) [4] Bobet A.Anlaytical solutions for toppling failuer.In2tematninal 参考文献 Journal Rock Mechanics and Mining Sciences,1999,36:971 980. 张倬元,王兰生,王士天等.工程地质分析原理[M].北京:地 [5]伍法权.云母石英片岩斜坡弯曲倾倒变形的理论分析[J].工 程地质学报,1997,5(4):306—311. 质出版社,1997,315,355. 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