Time-dependent drift degradation due to the progressive failure of rock bridges along discontinuities

An important element of time-dependent drift degradation is the progressive failure of intact segments along discontinuities, referred to as rock bridges. A fracture mechanics model is developed to simulate the time-dependent failure of rock bridges along discontinuities. The time dependence of the rock bridge failure process is modeled utilizing subcritical crack growth. The rock bridges give an effective cohesion to the discontinuities, and this cohesion is time-dependent due to the time-dependent failure of the rock bridges. The resulting first-order differential equation for joint cohesion is implemented into the UDEC distinct element numerical code to model time-dependent drift degradation. The model and its implementation into UDEC are validated using several simple examples, including a direct shear test and a rigid block on a slope. Two time-dependent drift degradation examples are then shown, one with and one without thermal loading. These examples used similar geometry, material parameters and in situ stresses as for the proposed underground drifts for the storage of nuclear waste at Yucca Mountain. Both with and without thermal loading, a large zone develops around the excavation where the joint cohesion and tensile strength drop to zero due to the failure of rock bridges. This in turn results in an excavation that is significantly less stable than if time dependence was not included. The results demonstrate the importance of time-dependence on the stability of underground excavations in hard rock.     

顺层岩体边坡地震动力破坏离心机试验研究

 使用相似材料分别制作只含有非连续的层面和同时含有非连续的层面和非贯通的次级节理顺层岩体边坡小比例物理模型,进行离心机动力试验,研究边坡的动力响应和破坏机制以及非连续层面和次级节理对其的影响。试验结果证明：顺层边坡的动力响应对地震波的频率和边坡内部结构面的发育特征敏感,边坡结构面发育越复杂,边坡对地震波的频率响应越复杂,地形放大效应也越明显;顺层边坡的动力稳定性和破坏机制受结构面发育特征控制,含有次级节理的边坡动力稳定性更低,破坏范围也更浅,在破坏过程中还会出现次级节理的张拉破坏导致的岩体内部解体破碎,可能诱发岩石碎屑流。     

非贯通节理岩体边坡稳定性及破坏规律的数值分析

非贯通节理普遍存在于岩体边坡中,并对边坡的稳定性产生较大影响。利用数值分析软件Optum G2建立2类含非贯通节理岩体边坡的稳定性分析模型,采用shear joint单元模拟非贯通节理,基于有限元强度折减法得到不同节理(组)倾角、节理长度和岩桥长度下边坡的稳定系数F及破坏规律。研究结果表明,第一类模型中,随节理倾角α的增大,F先减小,再增大,最后基本保持不变。节理倾角等于边坡倾角时(α=60°),F有最小值,且节理长度越大,最小值越小,此时破坏面为由非贯通节理向坡脚发育的近圆弧状破坏面,而在其它倾角方向则影响较小;第二类模型中,随节理组倾角θ的增大,F先急剧减小(θ=30°时为最小值),再缓慢增大,最后缓慢降低。岩桥长度越小,F越小,在θ=30°时最为显著。此时破坏面呈不规则状,节理裂隙扩展路径由重力作用从上往下发展,并由一非贯通节理端部向相邻节理端部直线发展,当岩桥长度较小时,节理裂隙扩展路径更为复杂和密集。     

高频次微小地震下顺倾软硬互层边坡动力稳定性研究

三峡库区(TGR)自蓄水以来微震活动加剧、强度增大,频发微震会对库区边坡产生一定影响。采用振动台模型试验和UDEC数值模拟方法,对库区顺倾软硬互层边坡在不断微、小地震作用下的破坏失稳演化过程及动力稳定性进行了研究。研究成果如下:在不断地震作用后,边坡自振频率下降、阻尼比上升,自振频率下降的速度随加载次数和加载幅值的增加而增大;在不同加载阶段,边坡坡面PGA放大系数不断降低,动力响应呈现减弱趋势;弱层成为顺倾软硬互层边坡变形破坏的优势区域;边坡的破坏失稳演化过程为分段式的滑移破坏过程,上部软、硬层滑落后,剩余滑体沿着由上部弱层剪切裂缝、中部硬层次级节理拉裂缝和下部弱层剪切裂缝贯通形成的滑移面滑移破坏;UDEC数值模拟表明顺倾软硬互层边坡的累积永久位移随微震作用次数的增加而增加,稳定性系数则呈现递减趋势。研究成果对库区滑坡形成机制的认识和减灾、防灾有一定的价值。     

小湾水电站左岸坝前堆积体在自然状态下稳定性的平面离散元与有限元分析

使用平面离散元法（ＵＤＥＣ）和有限元法对小湾水电站左岸坝前堆积体在自然状态下的稳定性初步进行了二维数值计算与分析, 得到该堆积体应力和变形状态的定量结果, 对堆积体的稳定性有了相应的认识。     

反复微震作用下顺层及反倾岩质边坡的动力稳定性分析

水库蓄水后诱发的高频次微小地震在一定程度上会对区域地质体的稳定性产生重要影响。本文采用振动台试验、UDEC数值分析方法,对顺层、反倾两类典型岩质边坡在反复微小地震作用下的动力稳定性进行了深入研究。结果表明:两类边坡的加速度响应均表现出"高程效应"和"趋表效应",且随地震作用次数的增加,坡体损伤(表现为层面与次级节理的起裂、扩展、贯通)不断累积,造成两类边坡的动力响应均呈现减弱的趋势;在反复微震作用下,边坡自振频率减低和阻尼比增大是其动力特性变化的基本规律;边坡累积永久位移随着地震作用次数的增加而增加,而稳定性系数则呈现递减趋势;在反复微震作用下,顺层坡的后缘竖向拉裂缝逐渐向下扩展并与下卧层面连通,边坡主要发生沿层面的整体滑移失稳模式;反倾坡首先在坡肩及坡面出现块体崩落,随后上部岩层逐层剥落,最终形成圆弧形破坏面,边坡以坡肩处发生落石、中上部岩层发生崩塌为主要破坏特征。     

三峡船闸高边坡节理岩体稳定 分析及加固方案初步研究

针对三峡工程永久船闸高边坡节理岩体，采用了断裂－损伤力学模型的有限元数值方法，着重分析了在压剪应力场作用下边坡节理尖端产生次生裂纹而进一步扩展的可能性及产生的附加变形，并研究了如何对这种破裂方式用锚固手段加以控制，以达到减少节理损伤演化扩展区和边坡的变形量。文中对锚固方案做了优化分析和评价。     

Numerical investigations of rock bridge effect on open pit slope stability

In this study, the effect of rock bridges on rock slope stability was investigated by incorporating non-persistent joint networks in numerical models, and the critical profiles of an open pit mine were analysed. Parallel deterministic networks of infinite and finite lengths, ubiquitous joint network model and Veneziano joint network model were used in order to simulate the rock fractures. Materials were modelled based on the generalised Hoek―Brown and equivalent Mohr–Coulomb failure criteria. The parallel deterministic infinite and the ubiquitous joint network models produced lower safety factors. The introduction of rock bridges along discontinuity planes in the parallel deterministic network and Veneziano joint network models significantly contributed to the stability and strain distribution, which should be considered in stability analysis of rock mass in open pit by rock slope practitioners. The results show the significance of joints in hard rock behaviour and the joints should be included in order to attain practical and realistic simulations.     

反倾层状岩质高边坡开挖变形破坏机理研究

在龙滩工程工程地质条件、地应力测试和试验洞变形监测结果综合分析的基础上,建立了地质概化和边坡施工开挖模型。以监测信息为基础,假定初始地应力场近似符合线性分布,采用二维显式有限差分法对龙滩工程左岸进水口边坡1-1剖面进行了自重平衡和开挖施工的模拟。由分析获得了反倾层状岩质高边坡临界节理发展、节理张开度和变形等边坡破坏因素之间的规律。通过对开挖到480 m平台和313 m平台时情况的对比分析,找出了开挖对边坡破坏的影响,即会使临界节理发育和节理张开尺度增大。通过离散元程序(UDEC2D3.1)对边坡开挖的模拟分析,客观评价了边坡的稳定性及其可能的破坏形式。     

层面参数对顺层岩质边坡地震动力破坏过程影响研究

建立3组含有非完全贯通层面和正交次级节理的顺层岩质边坡数值模型,运用FLAC/PFC2D耦合计算方法进行了地震动力破坏过程模拟试验。试验结果证明：非贯通层面部分在水平地震动力作用下,同时存在张拉和剪切两种破坏模式。非贯通层面部分的强度和层面贯通率对顺层边坡地震动力稳定性的影响十分明显,控制着边坡产生破坏的临界地震动力输入幅值以及产生破坏后边坡的破坏范围大小。贯通层面部分的抗剪强度（即贯通层面的摩擦角）对边坡地震动力稳定性和破坏范围的影响很小,只有在顺层边坡内部所有岩层层面均完全贯通的前提下才能转变为边坡稳定性主控因素。     

汤屯高速公路顺层岩质边坡变形机制分析及治理对策研究

通过对汤屯高速公路顺层边坡现场工程地质条件的系统调查,首先对边坡的岩体结构类型及其成因机制、结构面与坡面组合特征进行细致研究,在此基础上通过FLAC^3D数值模拟,结合工程地质条件分析,对其变形破坏机制进行深入探讨。研究结果表明,边坡处于滑移弯曲–滑移拉裂复合型滑坡的初始阶段,边坡的变形受层间软弱夹层及岩体结构控制作用明显,坡体中上部块体沿层间软弱夹层产生滑动,受下部岩体约束,在坡体最薄弱部位–开挖面附近产生弯曲变形;受弯曲部位推力作用,第一级边坡碎裂岩体中逐渐产生剪切滑动面,并与弯曲部位岩体中滑移切出面贯通,最终破坏。基于变形机制分析的治理措施将重点放在控制碎裂岩体和潜在剪出口的变形上,监测结果表明,边坡达到稳定性要求。     

Stability analysis of stratified rock slopes with spatially variable strength parameters: the case of Qianjiangping landslide

Jurassic strata prone to slope failure are widely distributed in the Three Gorges Reservoir region. The limit equilibrium method is generally used to analyze the stability of rock slopes that have a single failure plane. However, the stability of a stratified rock mass cannot be accurately estimated by this method because different bedding planes have variable shear strength parameters. A modified limit equilibrium method is presented with variable water pressure and shear strength used to estimate the stability coefficient of a sloping mass of stratified rock and to identify the potential sliding surface. Furthermore, an S-curve model is used to define the spatial variations of the shear strength parameters c and ? of the bedding plane and the tensile strength of the rock mass. This model can also describe the variation of strength parameters with distance from the slope surface, which depends on the reservoir water level. Also, it is used to evaluate the stability of the Qianjiangping landslide, located at Shazhenxi Town, Zigui County, Three Gorges Reservoir area, China. The results show the most probable sliding surface is the interface between a slightly weathered layer and subjacent bedrock. When reservoir water rises above the elevation of the slide mass toe, the stability coefficient of the slope declines sharply. When the reservoir water level is static at 135 m, the stability coefficient decreases gradually as the phreatic line changes as a result of heavy rainfall.     

白鹤滩水电站边坡结构面强度及稳定性分析

结构面变形及其破坏特征是岩体岩石力学研究的基本问题之一,针对白鹤滩水电站边坡工程,本文利用数值方法,研究了影响控制性结构面强度的一般性因素,确定了控制性结构面强度上限值;基于反演手段,获取了控制性结构面综合强度指标,并由此建立河谷演化模型再现河谷地应力场,根据结构面地应力赋存环境为选择合理的结构面本构模型奠定理论依据。在上述基础性研究前提下,利用平面数值计算手段分析了左岸边坡稳定性特征,并对平面计算结果进行了合理性评价;最后,基于岸坡改造、破坏过程中结构面性状弱化这一前提假设,利用强度折减法揭示了左岸边坡变形、破坏方式。解决了工程问题,并得到有关的方法应用认识。     

爆破荷载作用下边坡渐进破坏模式的UDEC模拟研究

运用二维离散元程序UDEC,以黄麦岭磷矿采场边坡为例,模拟了爆破荷载作用下层状岩质边坡渐进破坏的全过程。结果表明,爆破荷载作用下岩质边坡的破坏,是一个由潜在滑动面上的局部破坏逐步扩展到整体破坏的过程,同时也是一个滑动面上拉剪应力传递与转移的过程,其变形破坏过程可分为累进破坏和整体滑动两个阶段。     

Dynamic distinct-element analysis of the 800 m high Åknes rock slope

The seismic stability of the Åknes rock slope, western Norway, was analysed by using the distinct element code UDEC (Universal Distinct Element Code). The slope poses a threat to the region as a sudden failure may cause a destructive tsunami in the fjord. The dynamic input was based on earthquakes with return periods of 100 and 1000 years, and in most models the input shear wave was a harmonic function (sine wave). Models with depths of the sliding surface up to 200 m and with ground water conditions derived from site investigations were analysed, as well as models with ground water conditions assumed from possible future draining of the slope. The analyses indicate that an earthquake with a return period of 1000 years is likely to trigger sliding to great depth in the slope at the present ground water conditions and that the slope will be stable if it is drained. The analyses also indicate that sliding is not likely to be triggered by an earthquake with a return period of 100 years at the present ground water conditions.     

地震边坡破坏机制及其破裂面的分析探讨

 地震作用下边坡破坏机制是边坡动力稳定性分析的前提,目前主要采用拟静力与动力有限元时程分析的方法进行分析,认为地震边坡破坏机制为剪切破坏,并以极限平衡法计算得到的剪切滑移面作为地震动力作用下的破裂面,而不考虑地震荷载作用下的拉破坏,从而使地震边坡稳定性分析失真。汶川地震边坡调研发现,滑坡上部多数发生拉破坏,甚至有些岩土体被抛出,这是一个很好的启示,为此,采用FLAC动力强度折减法,结合具有拉和剪切破坏分析功能的FLAC3D软件对地震边坡破坏机制进行数值分析。计算表明,地震边坡的破坏由边坡潜在破裂区上部拉破坏与下部剪切破坏共同组成,而不是剪切滑移破坏,通过多种途径给出地震边坡破裂面位置的确定方法,为边坡动力稳定性分析提供更加准确的基础。     

江阴大桥南岸边坡安全性综合评判模型的建立

随着工程开挖、工程荷载的增大以及环境因素的变化，岩土体必然产生相应的变形，甚至失稳破坏。安全监测的目的在于预测、发现失稳征兆。实测的边坡外部变形值，通常可由3部分组成，即边坡岩体的弹塑性变形、沿滑动面的剪切位移以及测量误差，而且目前尚难以将对判别边坡稳定性具有重要意义的沿滑动面的剪切位移分离出来。所以，对于在破坏之前变形量不大的岩质边坡，往往不易根据外部变形来判别稳定性。在阐述岩质边坡和地基外部变形特征的基础上，提出了根据外部变形观测成果对工程边坡安全性进行评判的非单点原则、一致性原则、累进性原则、合理性原则、无因果原则和可视性原则，并采用模糊数学方法，建立考虑多因子边坡安全性的综合评判模型，按地基和边坡的结构类型和边界条件分区，给出了江阴大桥南岸工程边坡的安全性评判实例。     

岩质边坡稳定塑性极限分析方法——斜分条法

基于塑性极限分析上限定理,依据岩质边坡沿某一滑裂面滑动破坏时,在其内部产生沿陡倾角结构面(断层、节理和层面)的剪切破坏现象,建立了岩质边坡极限分析斜分条法破坏模式。进一步根据滑体处于极限状态时的虚功率方程,推导得出了斜分条后岩质边坡的塑性极限分析稳定系数计算公式。采用超载系数的方法,将稳定系数表示在块体所受的极限荷载,避免了隐式出现,有效地简化了公式推导。以锦屏一级水电站右岸边坡为例进行了稳定性分析。计算表明,结论较为合理,对于具有倾斜界面的岩质边坡稳定性评价具有重要意义。     

三维分析与评价

许多重要工程的基础不得不设置在岩体斜面上，但是至今为止此类工程基础的分析理论以及设计方法并没有完全确立。基于一种考虑岩体的低抗拉强度特点的三维弹塑性有限元数值分析，对岩体斜面上设置的刚性桩基础的水平承载力进行了分析与评价，并与现场试验结果进行了比较分析。结果表明，用相对简单的三维有限元分析，可以较好地反映现场试验中所观测到的变形与破坏现象，是一种有效的评价方法。采用同样的方法，对桩到斜面项端距离以及斜面倾斜角度的变化所带来的对刚性桩基础水平承载力的影响，作了定量的分析与评价，其结果对斜面岩体上刚性桩基础的水平承载力的理论分析以及实际设计具有一定的参考价值。     

用有限元强度折减法进行节理岩质边坡稳定性分析

通过对节理岩质边坡非线性有限元模型进行强度折减，使边坡达不到稳定状态时，有限元静力计算将不收敛，此时的折减系数就是稳定安全系数。同时可得到边坡破坏时的滑动面以及破坏过程，有传统条分法无法获得节理岩质边坡的滑动面与稳定安全系数，该方法为节理岩质边坡稳定分析了开辟新的途径，通过算例表明了此法的可行性。