反倾层状斜坡倾倒变形现象广泛揭露于水利水电、矿山、道路等工程边坡中,对工程安全具有重要影响,其破裂面变形演化直接影响稳定性评价方法是否合理。现阶段研究可知,倾倒变形不仅受控于岩体自身特性(如层厚、软硬程度等),还受控于结构面控制的特殊坡体结构特征,而针对结构特征对变形演化的影响控制效应研究尚为不足。本文从众多反倾斜坡工程实例入手,基于地质形成演化概念模型,围绕倾倒变形结构面控制效应进行了较深入的系统性研究,运用室内试验分析裂隙对岩块特性的影响作用,利用底摩擦试验对比研究不同角度裂隙对破裂面形态控制效应,运用物理离心模型试验,辅以颗粒流数值试验验证,研究这类结构控制下的变形破坏特征、应变演化规律、裂隙贯通破坏规律及破裂面形成演化特征,揭示变形破坏演化全过程、演化过程中的裂纹扩展模式、力学机理和裂隙形成贯通后的变形破坏。据此,本文取得主要成果如下:(1)通过对58个大型工程反倾层状斜坡倾倒变形实例的统计分析,归纳变形破坏控制性因素,基于UDEC的均匀试验,对结果进行线性回归分析,由回归方程系数关系可知控制性因素影响大小依次为:岩层厚度(系数为4.9199),岩块弹模(系数为0.8677),岩层倾角(系数为0.2783),斜坡坡角(系数为0.1636)。(2)基于贡献率法对33个受结构控制的反倾层状斜坡倾倒变形体实例进行影响因子敏感性分析可知,裂隙密度因子权重为0.269,对倾倒变形发育影响程度最高,其次为坡度(权重为0.162)、坡形(权重为0.161)及岩性(0.158),坡高及岩层倾角敏感度相对较低,规律显现出裂隙赋存对岩质斜坡倾倒变形存在显著影响作用;(3)通过对四个典型倾倒变形体裂隙结构特征的工程地质分析可知,反倾层状斜坡中赋存的陡、缓双裂隙结构面对倾倒变形破坏的发育演化过程具有明显的促进控制作用,并依据这类裂隙结构面发育特点建立反倾层状斜坡地质模型。(4)根据地质原型和倾倒岩体受拉弯折破坏特征研究,设计细观条件下含裂隙反倾层状斜坡岩石劈裂力学试验,成果表明:裂隙赋存下岩石的拉应力应变曲线从宏观上可划分为弱弹性段(OA段)、强塑性段(AB段)及强弹塑性段(BC段)三个阶段;裂隙角度对岩石弱弹性段应变及峰值应变具有显著影响;在陡裂隙倾角为80°时,其抗拉强度最小,而在陡裂隙固定时,岩石抗拉强度随着缓裂隙倾角增大而增大;缓裂隙角度变化影响岩石劈裂破坏方式,而陡裂隙角度变化则影响裂纹孕育模式;基于变分数阶微积分获得的岩石拉应力应变本构模型:①OA段可表示为σ/E(OA)=(αθ1)α1ε1-α1/Γ(2-α1);②AB段可表示为σ/E(OB)=σ/E(OA)+(αθ2)α2α1ε1-α2-ε1-α21/Γ(2-α2);③BC段可表示σ/E(OC)=σ/E(OB)+(αθ3)α3ε1-α3-ε1α32/Γ(2-α3)。(5)设计9组底摩擦试验,对比无裂隙、含一组陡裂隙和一陡一缓两组裂隙的三种类型试验,并研究不同裂隙角度对破裂面影响作用,试验揭示:陡倾裂隙倾角变化对岩质斜坡变形及主破裂面形态有明显规律性影响,陡倾裂隙倾角越大,发生倾倒破坏的初始部位逐渐变浅,破坏面积相对减小,破裂面从近直线型逐渐转变成近弧形;缓倾裂隙的赋存使陡倾裂隙顺尖端开裂增长,且相互沟通形成贯通破裂面过程更加快捷;主破裂面上覆层状岩体在倾倒变形时,会在其中部产生反向弯曲折断;通过定量分析,得出随着陡倾裂隙倾角增大,倾倒变形破坏幅度降低,而主破裂面无论是长度还是反映迹线复杂度的分维值亦随之降低。(6)通过进行反倾层状斜坡变形演化大型离心试验,成果可知:①由位移矢量场及土压力数据分析可知:斜坡整体变形宏观上表现出“反向弯折”的特点;②通过纵向全时程应变分析可知,深部岩体为反向弯折受力状态,较深处岩体由初期反向弯折状态逐渐转变为倾倒弯折受力状态,前缘由于压致拉裂作用发生向临空面的“鼓胀”;③通过对各加载阶段应变时程规律分析可知,斜坡坡顶浅表为倾倒受力状态,深部为反向弯折受力状态,各阶段应变率随时间增长而增加,斜坡中部除弧形过渡部位承受上下两侧压力而表现出两侧受拉特征外,均为倾倒受力状态;④综合裂纹扩展形态及整体变形破坏现象,并追索新生裂纹延伸方向描绘破裂面可知,整体变形破坏区内分为下侧近“弧形”主折断面和上侧多级次折断面。(7)基于物理模型试验揭示的规律及现象,通过含裂隙的反倾层状斜坡颗粒离散元数值试验对其形成演化过程及力学机理进行论证分析,结合斜坡破裂面演化变形特征及受力特征,分析反倾层状斜坡破裂面演化全过程特征,与大型离心试验对比分析归纳了 8大类14种裂纹扩展表现形式。根据其力学成因归类了斜坡各部位破裂面形成演化的5种主要变形破坏模式,即压致拉裂型破裂面、缓倾角压剪型破裂面、压缩破坏型破裂面、拉张破坏型破裂面和弯折破坏型破裂面。基于破裂面形成后的倾倒变形演化的变形破坏特征进行了分析。最终提出陡缓裂隙结构控制的反倾层状斜坡变形破坏模式为“压剪-反弯-剪断-倾倒”。