危岩突发性破坏机制研究.pdf

分类号密级P 6 4 2单位代码1 0 6 1 8学号1 0 9 1 3 0 0 2 墨麽交通戈謦 硕士学位论文论文题目：危岩突发性破坏机制研究S t u d yo nt h eM e c h a n i c sf o rt h eM u t a t i o nR u p t u r eo fP e r i l o u sR o c k研究生姓名：张瑞刚导师姓名、职称：陈洪凯教授申请学位门类：专业名称：论文答辩日期：学位授予单位：答辩委员会主席：阴可教授评阅人：刘光华教授2 0 1 2 年4 月李明副教授重庆交通大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所里交的学位论文，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：张饰日期：& o ／2 年々月扩日重庆交通大学学位论文版权使用授权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 0 时，( 2 ．4 ) 式无实数解，这时系统无定常态；( 2 ) 当a 0 ，系统不稳定1 2第二章突变理论基础对于分支2 ( x > o ) 中X ：= 4 = - 2 ，则名= - 2 x 2 = _ 2 √一口!o 一·····／R Kk ／／，’L．．．．0 ，表明危岩主控结构面尚未达到最大抗剪强度，随变形Ⅳ而聚集剪切形变能当甜= “时，T ．- 0 ，表明危岩主控结构面切向抗力达到最大值，并从此刻起开始卸载当甜> 1 , 1 时，T ’ 0 ，此过程耗散的能量d W P = T d u > 0 ，该过程危岩卸载释放剪切形变能增量d 吖= 与刀= 嚣丁纨 O ) 提供能量依据由能量守恒原理可知，危岩主控结构面锁固段存在非零的微变形幽时，危岩系统能量增量方程为d V = d ％ d 乃? + d 玢r G + d W P( 3 ．2 4 )当一( 媚 d 晖+ 讲圪) 0 时，表明系统释放出的能量不足以使主控结构面锁固段破裂；而当一( 媚‘+ d 晖+ d ％) = 删P ，即d V = o 时，为判断危岩动力失稳的临界条件。

当一( d ％ d 晖+ d ％) > 删尸，d V = 0 时，表明系统变第三章危岩突发性破坏动力特性研究2 3形所释放出的能量足够大，使危岩发生崩落对式( 3 ．2 4 ) 求导得d Vd W , e 七d W ：’d w ，’d W P 一= ·- - - - - - 二- - - - - - - - - - - - - - ：二- - - - ——————·—- = 二- —- - - - - - - - - - - 一d ud u( 3 ．2 5 )盟：．H 1 2 ( “一一U 2 弦- 2 兰．3．26)d一= - “ 一一- 已’●’，n - u3 G o lⅣo7、7警：芝乒u 2 - 2 旦一警H 卜轳@ 2 7 ，幽目风晶oL‰／、7华d u = d ％= 嘞G _ ( 孵嚣s i I l 踟”》专( 3 ．2 8 ) 5 ，【J ．“．_ d W P ：舭一盖( 3 ．2 9 )式( 3 ．2 5 ) 中了d V 的物理意义：危岩主控结构面锁固段破裂产生形变幽，耗散能量．量—d W - P ( > 0 ) ，需要危岩重力分量做功及弹性形变能释放以提供能量，这两部分能量差值为了d V 。

了d V > 0 表明系统内部释放出的能量不足以使危岩进一步破裂，系统处于准静止状态华：o 为判断危岩体崩落破坏的临界状态危岩临滑聚能与临滑释放能量曲线如图3 ．9 所示，当‰ 0 时系统无定常态，无实数解；a o ≤0 时图形为一抛物线，x ：O 将抛物线分成上下两个分支，如图4 ．3 所示当a o ≤0 时，基于L y a p u n o vs t a b i l i t y 分析，得对于分支l ( x 0 ，系统不稳定对于分支2 ( x > o ) 中而= 3 ／二- a 0 ，则旯= - 2 x 2 = - 2 √一口o O ，它对应丁曲线软化段拐点1 4 t 以下的某区段奇点集S 为：一＼X伍I，I／，’L ／／一／，一7 ‘’’分支I一‘_ ●’图4 ．3 折叠突变平衡曲面F i 9 4 ．3B a l a n c e dc u r v e ds u r f a c eo ff o l dc a t a s t r o p h e图4 ．4 切向抗力．变形曲线F i 9 4 ．4T a n g e n t i a lr e s i s t a n c ef o r c e - d e f o r m a t i o nc u l v e第四章基丁= 折叠突变的危岩突发性破坏研究3 l( 半) + 器2 ( 1 - a ) = 。

半嚣兰产d V 一船卜筹讯2 ”衄)‘％Q ‰瑚广( 等) + 丽u 0 2 ( 1 - a ) 硝= 一( 寻) + 丽u 0 2 ( 1 - a ) = 屯= +一2 知- 2 u o ( 1 一口) 一知- 2 B a _ a d 幽V ，“2 ( 卜口) 、2 等砰( 2 ”衄)‘％( 2 u o + ) 1—2 知- 2 1 4 0 ( 1 一口) 一勉- 2 B a _ a d 幽V ，“2 ( 1 一口) ，2等“? ( 2 ”衄)‘姒2 ”础) 1( 4 ．t 4 )( 4 ．1 5 )4 ．2 危岩突变破坏机理及动力失稳点危岩体突发性破坏过程用突变理论可描述为：系统或过程某一状态持续出现，外界干扰使系统偏离原状态，跃进到另一稳定态该动力过程在宏观上表现为：危岩体主控结构面锁固段承载力减小后( ”> ‰) ，处于相对完好状态的危岩体由于卸载而释放能量d 形 d 孵+ d ％( O ) 时，所超过的能量部分d y ( o 时，锁固段A B 上方危岩体作准静态位移；若皇二= 0 ， d ud u 则说明无须外力做功，仅凭系统内部的能量转化( 危岩体储存的弹性应变能向锁固 段破碎转移) ，锁固段便可自动产生形变破碎，故可用_ d V = 0( 4 ．1 6 ) 口“ 作为判定危岩体系统动力失稳的临界条件。

在危岩体形变破坏相空间图中( 图4 ．3 ) 有两个分支( 分支l 和分支2 ) ，它们分别对应危岩峰值抗剪强度‰后，拐点坼以上和以下的某区段( 图4 ．4 ) 在分支l 上，在危岩体动力失稳过程中，危岩系统最终要到达和经过图4 ．3 中分支2 当甜 o 时，锁固段持续断裂扩展，对应突变平衡曲面下半 c l uJ l ， 支：；= o 时，系统突变失稳，对应平衡曲面突变点d u( 2 ) 基于突变理论和L y a p u n o vs t a b i l i t y 分析，发现危岩系统演化至临滑破坏时，参数在扰动万作用下，系统表现出的渐变到突变的跳跃，得到了危岩灾变破坏的突变点及跃迁幅值计算式基于对平衡方程和突变流形的分析，发现了平衡方程有突变点时危岩弹冲破坏，突变平衡曲面两个分支光滑相接时危岩体最终以风化．剥落形式破坏 3 ) 折叠突变几何模型曲线蕴涵了丰富的信息量危岩演化状态与突变模型中相点对应基于G r e e n 定理，证明了危岩突发性动力失稳能量释放量、动力失稳瞬间弹冲破坏起始点和终止点及破坏失稳启动方式等问题可以由折叠突变几何模型计算得到为确定危岩的致灾能力及致灾范围计算提供了依据，有利于更好地防灾减灾。

3 6第五章基于尖点突变的危岩突发性破坏研究第五章基于尖点突变的危岩突发性破坏研究突变理论是一种用于研究自然界不连续( 跳跃性) 变化现象的数学方法，其特点为系统状态空间不可微分岔理论是突变理论的基础分岔与突变都是研究非线性动力系统参数变化时系统稳定性变化分岔强调系统平衡状态附近的局部性质，而突变是研究从一种吸引子到另一种吸引子的跳跃【9 7 】位于陡崖或陡坡表面的危岩失稳演化过程属于渐变到突变的典型动力学过程，其孕育阶段是准静态的，但失稳破坏则是动态的，并伴随有大量弹性能释放，造成主控面结构面岩体动力破碎C h e nH K 等( 2 0 0 6 ) 指出主控结构面非线性失稳扩展是危岩破坏的根本原因【8 7 1 ，用突变理论研究危岩灾变过程具有可行性在危岩动力失稳问题研究中，很多学者已经作出了诸多努力和探索如M ．B a r b e r o 考虑地震条件，结合离散元法，建立模型分析了差异性分化危岩体的稳定性1 9 8 】；S U NQ 等( 2 0 11 ) 从微观角度分析了岩体蠕变破坏机理【剜；陈洪凯等( 2 0 0 9 ) 1 7 0 i和王林峰等( 2 0 1 0 ) t 韶】揭示了岩质陡坡的后退演化力学机制；M a g a l iF r a y s s i n e s 和D i d i e rH a n t z ( 2 0 0 9 ) 模拟并分析了灰岩陡高边坡的破坏机制【l 删；刘军等( 2 0 0 0 ) 提出了非线性系统的分岔模型，探讨了边坡岩体系统在演化过程中出现的焦点、结点及鞍点等相关问题【1 0 1 1 ；王志强等( 2 0 0 9 ) I 删、姜永东等( 2 0 0 8 ) 【删、秦四清( 2 0 0 0 ) 【6 5 】及Q i nS Q 等( 2 0 0 6 ) i 6 7 J 基于弹性力学研究提出了滑坡失稳的突变模型，分析了滑坡破坏过程中的相关混沌特征1 6 7 1 。

然而，现有研究对危岩主控结构面的蠕变及动力失稳扩展研究针对性较差不同的主控结构面本构模型及危岩力学模型使得突变模型类型千差万别本文立足危岩主控结构面，基于能量原理和突变理论，对危岩突变破坏模型及其动力学参数进行研究，为实施突发性崩塌灾害实时安全警报提供科学借鉴5 ．1 主控结构面介质及其本构模型假定危岩主控结构面由两种介质组成：1 ) 具有弹脆性( 如强度较高的岩桥部分)或应变硬化( 如岩层夹杂的硬粘土) 复合特性的材料；2 ) 强风化层的应变软化介质研究认为，岩石在剪断时，会产生突然的应力降，之后随剪切变形的增大，抗剪应力降低为残余强度，不随变形而变化1 6 4 , 6 5 l ，这种观点虽简化了力学计算，但却与实际不符( 图5 ．1 ) ，尤其在危岩主控结构面较长时，理论与实际差异较大L a j t a iEZ ( 1 9 6 7 ) 1 1 吲、刘远明和夏才初( 2 0 l O ) 【1 叫通过剪切试验发现，含有多裂纹或缺陷的坚硬岩块在破坏前存性本构关系，在破坏时则岩块被剪断并产生突然的应力降( 峰残差) ，岩块破坏后内部裂缝的组合可能形成一条台阶状或锯齿状的贯通的不连续面( 图5 ．2 ) ：G e h l eC 和K u t t e r ( 2 0 0 3 ) 指出在锯齿状贯通节理上，随着位移增加将第五章基于尖点突变的危岩突发性破坏研究3 7导致应力增长，在不规则面被磨平后，随着位移增大，应力可能快速降低【1 0 4 1 ，如图5 ．3 所示。

图5 ．1 岩石脆性剪切破坏本构曲线F i 9 5 ．1C o n s t i t u t i v ec u t ' v eo fb d t t l es h e a rf a i l u r e图5 ．2 锯齿状贯通节理形成【1 0 4 JF i 9 5 ．2t h ef o r m a t i o no f d e n t a t ec o n t i n u o u s j o i n t第五章基于尖点突变的危岩突发性破坏研究西山 至 ≥J豫l’|、＼．．?jr 弋∑。