本文是一篇土木工程论文，本文结合热力学，岩体力学，有限差分法和突变理论等多门知识，采用理论分析和数值模拟相结合的方法，从材料变形破坏出发，基于FLAC3D二次开发功能，编制材料变形破坏过程的能量演化可视化程序，再模拟材料各种变形破坏试验，揭示材料变形破坏的能量机理；
第一章 绪论
1.1 选题背景与依据
随着我国经济的快速发展，基础设施建设的规模不断扩大，而西南地区地形以山地和丘陵为主，路基路面施工需要进行开山填谷，高填深挖等土石方工程，进而衍生出了大量高填方边坡与高切坡工程，同时路基边坡引起的安全事故也越来越严重。如图1.1所示，浙江丽水发生的山体滑坡；重庆云阳发生的大型山地滑坡灾害，路基边坡滑坡体堵塞公路长约140米，当场直接致使11人死亡[1]；巴南广高速公路修建时滑坡病害曾经多次发生，其中滑坡治理造价超过10万元的工程达192处，总工程治理费用约4亿元，迫使该公路工程的造价增加和工期延长[2]。路基边坡的治理也越来越受到重视，对路基边坡工程进行稳定性研究，治理危险路基边坡也成为了工程建设安全和经济的关键课题之一。
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目前，已有的边坡稳定性分析方法可划分为定性分析法和定量分析法两大类，其中定性分析法主要包括工程类比法、历史分析法、专家系统法、图解法等；定量分析法可分为确定性与不确定性分析法。其中确定性分析法又分为极限平衡法和数值分析法；而不确定分析法的代表性研究方法有可靠性评价法、模糊评价法、灰色系统评价法、人工神经网络分析法等[3]。众多方法的发展使得边坡稳定性分析变得丰富，但这也正说明边坡岩体的工程环境复杂性和各种稳定性评价方法含有一定局限性。定性分析法能综合考虑影响边坡稳定性的多种因素，快速地对边坡稳定状况及其发展趋势做出评价，但是人为因素影响大，结论准确性差；定量分析法中的安全系数的确定和滑坡体内的应力应变关系分析极其依赖于理论的完整度和计算工具的成熟程度，不过随着定量分析法理论的不断改进和计算机技术的发展，以上问题逐渐得到解决，使其应用越来越广泛。
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1.2 国内外研究现状
1.2.1 边坡稳定确定性分析法研究现状
(1) 极限平衡法
极限平衡法是一种工程中应用时间最长，计算理论体系最为完备的分析方法。它以作用于岩土体中潜在破坏面上的抗剪力与剪切力之比作为安全系数，由于计算简单、安全可靠等特点，成为了边坡稳定性分析中应用最广泛的一种方法[4]。经过学者们的研究和应用，目前极限平衡主要有瑞典条分法、毕肖普法、简布法、Spencer法、Morgenstern-Price法、Sarma法等[5]。瑞典条分法通过滑动土体的整体力矩平衡来计算安全系数[6]。但由于其忽略了条间力的影响和计算繁琐的缺点，能解决这些缺点的简化毕肖普法得到发展[7-9]。但又因为边坡问题实质是三维问题，简化为二维分析会给工程带来不必要的麻烦[10]，Hungr[11-12]先后将毕肖普法及简布法扩展到三维，解决了这个问题。随着近年来的学者研究，Spencer法[13-15]，Morgenstern-Price法[16-18]，Sarma法[19-20]也各自不断得到了改进，更加完善。
(2) 数值分析法
尽管近年来极限平衡法研究取得了很大的成果，但它仍有适用范围有限、求解不易等问题。随着计算机飞速发展和数值分析软件日益完善，数值模拟在边坡稳定性分析中逐渐受到重视和发展，弥补了极限平衡法的一些缺点。数值分析法包括有限元法（FEM）、有限差分法（FOM）、边界元法（BEM）、不连续变形分析法（DDA）及离散元法（DEM）。它通常可结合强度折减理论，直接定量计算边坡安全系数，其计算过程简单、计算结果信息量大，因而得到了较广泛的应用[21]。
①有限元法
有限元法的基本思想是将岩体视为连续力学介质，建立近似函数把有界区域内的无限问题简化为有限问题，进行应力与变形分析。有限元强度折减法是一种由Zienkiewiez等人[22]首先引入，用以评估边坡性能的方法。之后Duncan[23]又将边坡安全系数定义为岩土体被折减使得边坡刚好达到临界破坏状态时的折减程度。通过公式（1.1）和（1.2）逐步调整强度指标，将黏聚力c和内摩擦角φ同时除以折有限元法的基本思想是将岩体视为连续力学介质，建立近似函数把有界区域内的无限问题简化为有限问题，进行应力与变形分析。有限元强度折减法是一种由Zienkiewiez等人[22]首先引入，用以评估边坡性能的方法。之后Duncan[23]又将边坡安全系数定义为岩土体被折减使得边坡刚好达到临界破坏状态时的折减程度。通过公式（1.1）和（1.2）逐步调整强度指标，将黏聚力c和内摩擦角φ同时除以折
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第二章 岩土材料变形过程能量时空演化规律和破坏机理
2.1 引言
岩土材料破坏本质是能量作用下的状态失稳现象，可以看作是不同形式能量相互转化的结果。基于能量守恒理论，国内外学者对于岩土材料加卸载能量演化规律的研究，取得了丰厚的成果。但是现有的研究往往注重室内试验，分析岩土材料破坏峰前以及峰后的能量突变，对于岩土材料变形过程中能量实时演化过程，即材料变形破坏过程能量可视化研究有所欠缺。研究材料变形破坏中的能量可视化可以得到其变形过程中的能量传递路径，进而精准定位岩土体的破坏位置，把握脆弱部位[74]。
FLAC3D软件是岩土工程领域广泛使用的一款基于有限差分法的数值模拟软件，其中的fish语言为程序的二次开发提供了可靠的支撑。为了分析研究材料变形破坏过程，二次开发材料变形破坏过程能量转移的可视化程序。采用FLAC3D模拟材料的各种基础破坏试验，分析其能量时空演化规律和破坏机理，弥补材料强度变化与整体破坏研究中的不足，为第三章分析边坡灾变过程提供基础。
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2.2 岩土材料变形破坏的能量计算原理与程序开发
2.2.3 能量可视化程序的验证
建立标准岩石数值模型，直径50mm，高100mm，共划分个17280单元，如图2.2所示。四周施加环向应力模拟围压，大小为0MPa、5MPa。采用双向位移加载，上下边界同时施加轴向位移，加载速率2.5×10-5mm/step，计算时忽略材料自重影响。模型采用摩尔库伦应变软化本构，材料力学参数及峰后软化参数如表2.1模型力学参数所示，软化阶段粘聚力、内摩擦角以及剪胀角随应变变化改变。
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依据图2.2建立的数值模型和表2.1模型力学参数的力学参数，结合能量计算程序计算出总输入能。根据材料力学理论，通过加载位移得到的外力和总应变，计算出外力做功增量。外力做功增量和能量增量的对比结果如图2.5所示，岩土材料单三轴试验模拟下所得总能量结果与理论计算值基本符合。材料破坏后的各能量场云图如图2.6与图2.7所示，围压为0即单轴压缩下耗散能分布为多条斜线；围压为5.0MPa时分布为“X”状。而破坏时的耗散能场可以代表岩石的破坏路径，其分布与材料单三轴破坏试验下的破坏情况基本一致[57-58]，模拟结果基本符合，证明了能量可视化程序可靠性。
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第三章 边坡灾变过程的能量演化规律和破坏机理研究 .................. 35
3.1 引言 ....................................... 35
3.2 边坡灾变过程的能量原理和程序开发 .......................... 35
第四章 路基边坡施工过程中能量演化规律和破坏机理 .................. 70
4.1 引言 ................................. 70
4.2 渝邻高速青山沟段路基边坡填筑工程 ........................... 70
第五章 总结与展望 ......................... 108
5.1 主要研究结论 ................................... 108
5.2 本文创新点 .............................. 109
第四章 路基边坡施工过程中能量演化规律和破坏机理
4.2 渝邻高速青山沟段路基边坡填筑工程
4.2.1 工程概况
（1）基本概况
重庆江北国际机场东航站区及第三跑道建设工程内容包括：第三条跑道，滑行道、停机坪、航站楼、货运设施、工作区设施及进出场交通等。全场土石方工程挖方5800万m3，填方6900万m3。其中青山沟段填方工程量大，地质条件复杂，是全场地基处理与土石方工程的重点部位。
按照工程进度安排，渝邻高速改线段需要废弃拆除，在此之前，机场工程较大范围受其影响无法正常施工，由给定的地形图资料，可得渝邻高速与本期工程的相对位置关系如图4.1所示。为尽量减少改线之前渝邻高速对本期工程影响，需要分析和研究青山沟土石方填筑中的稳定性、变形问题，对本次土石方填筑施工方案进行专项优化设计。
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第五章 总结与展望
5.1 主要研究结论
针对西南地区路基路面施工中存在的开山填谷，高填深挖等土石方工程稳定性问题。本文结合热力学，岩体力学，有限差分法和突变理论等多门知识，采用理论分析和数值模拟相结合的方法，从材料变形破坏出发，基于FLAC3D二次开发功能，编制材料变形破坏过程的能量演化可视化程序，再模拟材料各种变形破坏试验，揭示材料变形破坏的能量机理；再将程序扩展到边坡灾变过程，分析不同参数对边坡灾变过程中的能量演化的影响；最后结合两项实际工程施工工况，分析路基边坡施工过程中的能量演化规律破坏机理。通过上述研究，本文的主要结论如下：
（1）基于材料变形破坏过程的能量机理，通过能量可视化程序，将不同试验能量的转化分为清晰明确的各个阶段。
①单三轴试验下，材料变形破坏存在三个阶段，完全弹性阶段中，材料各处收到的输入能直接储存为弹性应变能；应变软化阶段中，输入能与弹性应变能都不断转化为耗散能，并从材料内部往表面传递；残余强度阶段下，耗散能传递路径贯穿整个材料并随输入能的增大而增加，弹性应变能维持固定值。
②直接拉伸试验中，当抗拉强度随塑性应变的增加骤降为0时，材料分为破坏前后两个阶段，破坏前和单三轴完全弹性阶段相同；破坏后弹性应变能完全释放，材料各处耗散能突然出现。
③劈裂试验与直剪试验中，材料变形破坏存在四个阶段，完全弹性阶段与单三轴试验相同。应变软化分为了两个阶段，材料中部分部位首先破坏使得耗散能开始缓慢增大，其中劈裂试验中这部分耗散能产生原因为材料抗拉破坏；达到一定值后材料整体破坏耗散能开始突变，从材料外表面中心往内部不断传递。而在残余强度阶段中，耗散能同样贯穿材料，弹性应变能剩余量固定。
参考文献（略）