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原文传递基于能量原理的路基边坡灾变演化规律与破坏机理研究

论文题名：	基于能量原理的路基边坡灾变演化规律与破坏机理研究
关键词：	道路路基;边坡工程;灾变过程;能量演化;破坏机理
摘要：	重庆作为长江上游和我国西部区域发展中心，基础设施工程的规划和建设极其重要。然而由于复杂的山地地形及地质条件，近年来，路基边坡中高边坡数量越来越多，高度越来越高。高边坡变形量大，投资需求高、工期容易被延误、往往造成严重灾害。因此有必要对路基边坡工程存在的高边坡进行稳定性研究，对高边坡设计提出有效建议。而从热力学的角度出发，分析边坡灾变过程的能量演化，研究高边坡的稳定性，能够突破传统方法的局限性。本文依托国家自然科学基金项目“基于双尺度耦合方法的土石混合料高填方边坡破坏机理及稳定性研究（51808083）”，从材料变形破坏出发，基于FLAC3D二次开发了材料变形破坏过程的能量演化可视化程序，揭示了材料变形破坏的能量机理；再将程序扩展到边坡灾变过程，分析了某经典边坡算例灾变过程中的能量演化；最后依托两个实际边坡工程案例，研究了施工过程中的路基边坡能量演化和破坏机理。主要内容和成果如下：　　（1）基于FLAC3D二次开发了一款用于展示能量分布的程序；基于材料力学，从理论计算角度验证了程序的准确性，发现了材料单三轴试验破坏时的耗散能分布与实际试验中的破坏面具有较高的一致性。研究了包括材料单轴压缩、三轴压缩、直接拉伸、劈裂和直剪试验过程中，能量的时空演化规律，根据总能量时间变化，将材料变形破坏过程按破坏试验类型的不同分为了不同阶段；根据材料内外能量分布时空变化，得到了其破坏过程中能量传递的内外路径，揭示了材料变形破坏过程能量时空演化规律。　　（2）将能量可视化程序应用于二维边坡灾变过程分析，研究了能量可视化程序在边坡工程中的适用性，结果表明该程序计算得到的安全系数与特征点位移突变判据、数值计算不收敛判据、塑性区贯通判据和Janbu法差别很小；该程序展示的能量场分布也符合理论，其中动能场分布与Janbu法得到的边坡滑体高度一致。将边坡灾变过程的能量演化分为了能量稳定、能量耗散与能量突变三个阶段，得到了边坡灾变过程中能量演化的一般规律。分析了包括坡高、坡度、弹性模量、粘聚力与内摩擦角对边坡灾变能量演化规律的影响。结合了尖点突变模型，进一步证实了能量判据的统一性。　　（3）结合能量可视化程序和边坡破坏的能量判据，分析了施工过程中的路基高边坡能量演化。以高填方边坡施工为例，以耗散能场变化为代表，分析了不同方案填筑过程耗散能场变化；根据不同方案边坡临界状态能量场变化，得到了破坏影响最小的方案。又以需要开挖支护的高边坡为例，分析了不同施工阶段能量场的变化，研究了建筑结构对边坡变形破坏过程能量演化的影响，得到了不同施工阶段中的薄弱点，为实际工程提供了参考价值。
作者：	兰雨舟
专业：	土木工程
导师：	涂义亮
授予学位：	硕士
授予学位单位：	重庆交通大学
学位年度：	2023