不同强度地震波作用下单滑动面滑坡的变形机理

为了验证地震滑坡变形破坏是否沿坡体内软弱夹层带而滑动,以玉树2#典型滑坡为试验原型,并以地震时采集的不同强度的地震波为试验动荷载进行振动台模型试验。试验结果表明:单滑动面滑坡在地震作用下,坡体的破坏是先从坡体后缘浅层开始,进而向前缘和坡体内不断发展,而并非一定沿破体内软弱夹层(带)滑动。本次振动台模型试验,较好地模拟了单滑动面滑坡的牵引式滑移破坏特征,且在试验过程中发现在地震作用下滑坡的裂缝是由后部到前部的顺序出现,但是破坏是从前面先破坏,逐级往后部延伸,而且裂缝多为圆弧形。     

膨胀土渠道边坡的破坏与防治对策

膨胀土边坡的破坏在工程中极为常见,它是岩土工程的一个难题。当前对其破坏形式和破坏机理仍未形成统一的认识,影响了问题的解决。在对膨胀土地层结构分析的基础上,通过两个大型的现场试验,并结合许多滑坡实例,概括出膨胀土坡两种典型的滑动形式,即浅表层的膨胀型滑动(塌坡)和中深部的裂隙性滑坡,对膨胀土边坡的破坏有了新的认识。并分析了滑动的机理和影响因素,并对相应的处治对策提出了建议。     

滑坡模型试验及滑坡演化规律的分析

为更好地模拟和观察边坡在重力作用下的破坏过程,利用一个1 m×1 m×1 m(高×宽×长)的透明边坡模型槽,通过掀开挡土板,触发模型边坡的滑动。采用高速摄像机采集滑坡的破坏过程,并对滑坡产生的滑坡台阶、滑动面、拉张裂隙的演化特征及其相互关系进行分析总结。结果表明:黏性土坡的滑动并不是一个纯剪切的过程,坡顶处的拉张破坏和坡体内的剪切破坏是同步进行的。边坡在失稳时常常并非沿一个滑动面整体滑动,滑坡体内部可能有多个滑动面,不同滑动面上覆不同的滑块,在滑坡过程中多级分块下滑。     

不等厚互层顺层磷矿高边坡变形机制研究

以云南晋宁磷矿东采区顺层高边坡为研究对象,通过现场勘察,对现场滑坡形态、破坏情况、滑面及滑体特征等进行分析,并从地质、力学角度上分析滑坡变形破坏特征、力学机制及滑坡演化形成过程。最后采用离散元分析验证。研究结果表明:滑坡变形破坏模式为滑移—拉裂破坏,降雨及磷矿开采是滑坡滑动的重要诱因。磷矿层开采坡前缘切断岩层,形成临空面,岩体卸荷松弛发育裂隙,雨水下渗到全风化粘土层面附近富集,层间含水化强的物质,在长期浸泡软化、不等厚互层差异风化等作用下,岩体力学性质大幅衰减,滑体沿软弱层面向临空方向滑动,坡体后缘岩体被拉开,形成张拉裂缝,软弱滑动面贯通,边坡发生变形破坏,主要是以岩石的拉张破坏为主,拉应力对岩石的破坏起主导作用。从计算的位移、滑动形态、变形速率及应力分布判断,滑坡的变形机制为滑移—拉裂破坏模式。其研究成果为矿区高边坡稳定性分析及加固设计提供一定参考依据。     

膨胀土路堑边坡病害处治

结合某膨胀土路堑边坡集群发生的病害现状,阐述坡面膨胀土性质的变化分布特征和营力作用下的风化程度变化分布特征的耦合效应是病害的内因;提出了新开挖膨胀岩土路堑边坡失稳机制的时程演化概念模型,揭示了开挖坡址部高应力剪切塑性区与相对更强风化效应形成的牵引式塌陷破坏是结构性滑动失稳的主要形式。结合膨胀岩土边坡稳定可控的变形可以有效补偿边坡失稳(膨胀或超固结)荷载水平的机理,优化了护坡支撑结构刚度设计方法,提出了压脚稳定结合综合坡面护坡体系的既有高速公路膨胀土路堑边坡失稳病害处置措施,工程实践证明处治效果良好。     

多层软弱夹层的牵引式滑坡稳定性分析

针对多层软弱夹层的牵引式滑坡,本文以阿海水库里故滑坡为例,着重分析了多层软弱夹层的牵引式滑坡的破坏形式,根据其破坏形式提出稳定性分析建议;应用Morgenstern-Price法对滑坡的稳定性进行计算,结合所得稳定性系数分析该滑坡体最终的破坏形式。通过分析表明:里故滑坡坡脚会先发生滑动;当坡脚发生滑动后,坡体中部、上部因下部滑块滑动失去支撑,最终会导致中上部岩土体沿着软弱夹层5发生滑动,不会导致中上部岩土体发生穿层滑动。     

含弱层边坡分区滑动破坏模式及演化规律研究

含弱层岩石边坡的破坏模式及滑坡机制对露天矿边坡稳定性研究具有重要意义。基于极限平衡理论建立含弱层岩石边坡分区滑动力学模型,将弱层上部坡体分为稳定区–欠稳区–失稳区,推导三区力学平衡方程与坡体稳定差函数,研究含弱层边坡分区稳定性的影响因素,揭示欠稳区是形成大型滑坡的关键区域。并进行边坡分区滑动破坏过程的底摩擦模型试验,验证了理论结果。研究表明:分区滑动破坏是含弱层岩石边坡的典型破坏模式,弱层倾角是影响稳定区–欠稳区–失稳区三区分布的决定性因素,坡体欠稳区后端对倾角的敏感性较高。倾角较小的坡体三区分布较为均匀,倾角较大的坡体,角部稳定性越低。最后,以弓长岭露天铁矿何家采区北帮滑坡为背景,验证了分区滑动破坏模式的准确性,研究成果可为类似含弱层岩石边坡稳定性的研究和治理提供借鉴。     

含裂隙类岩石材料的局部化渐进破损模型研究

结合含裂隙类岩石材料模型试验观测结果，从含裂隙类岩石材料破坏过程和破坏机制出发，将表征体单元（RVE）划分为弹性区及剪切局部化带两个部分，并把剪切局部化带内的变形过程抽象为胶结强度弱化及摩擦强度增强两个阶段。重点考虑了这两个阶段一前一后发挥作用这一由试验所揭示的结构性破坏本质，同时借助于试样的滑移变形定义与胶结强度弱化相关的破损变量，抓住试样渐进性破坏的特征，进而采用细观链式模型及均匀化方法将破坏过程的细观特征与宏观力学特性相结合，建立含裂隙类岩石材料局部化渐进破损模型的理论公式。最后对已建立的含裂隙类岩石材料局部化渐进破损模型进行试验验证，模型计算结果与M．Yumlu和M．U．Ozbay的试验结果吻合很好，证明所提出模型的正确性。     

用有限元强度折减法求滑(边)坡支挡结构的内力

滑(边)坡体的破坏属于破坏力学范畴，当滑面上每点都达到极限应力和极限应变状态时，材料进入破坏，此时岩土体抗剪强度得到充分发挥，这就是破坏力学中的破坏准则。通常当有支挡结构与岩土介质共同作用时，滑面上土体一般不处于极限平衡状态，而可能处于弹性平衡或者局部塑性极限平衡状态。这种受力状态不足设计情况下的受力状态。多年来，岩土工程设计一直采用极限状态设计方法，即传统方法中计算得到的支挡结构上的岩土侧压力是在坡体整体破坏且岩土体强度充分发挥时的岩土侧压力，也就是土体处于极限平衡状态且支挡结构有充分位移时作用在支挡结构上的岩土压力，按此设计既能保证坡体安全，又能最大限度地节省经费。因此，采用有限元强度折减法来考虑岩土介质与支挡结构的共同作用时也应遵循这一原则，即要求作用在支挡结构上的岩土侧压力与传统方法计算得到的岩土侧压力大体相当，在此条件下根据岩土介质与支挡结构的共同作用米确定支挡结构的内力。按照此原则，采用有限元强度折减法，不但得到了滑坡推力的大小和分布，而且通过有限元桩-土共同作用模型计算得到了抗滑桩的弯矩和剪力，并与传统方法进行了比较。算例表明采用有限元强度折减法来计算抗滑桩的内力是可行的，该方法增火了支挡结构设计的可靠性和经济性。     

含裂隙岩体点触探破坏机制研究

岩石点触探试验是间接评估岩体力学特性的重要方法，在其原位应用过程中，岩体的触探特性会受到原位裂隙的重要影响。为了明确岩体裂隙对点触探试验的影响范围，揭示含裂隙岩体点触探的破坏机制，量化不同裂隙对点触探指标的影响，进行一系列含裂隙岩体的室内点触探试验，并通过数值模拟对其破裂机制进行了研究。试验结果表明：点触探加载点下方的影响区域内存在裂隙时会改变点触探破坏模式和强度特性。当裂隙延伸至加载压头附近时，点触探加载下岩体会发生从加载点向该裂隙端部的剪切破坏，裂隙内端的位置决定了点触探的强度及裂纹扩展路径，基于剪切破坏的极限平衡原理可建立点触探强度与剪切路径的对应关系。为了进一步阐明含裂隙点触探破裂规律，通过数值模拟分析了裂隙内端延伸至压头附近不同区域条件时点触探特性，根据破坏模式界定了触探加载点下方的裂隙影响范围，通过定义弱化系数量化了影响区域内不同裂隙对点触探强度的影响程度。同时基于岩体裂隙扩展路径耗能规律，对多裂隙条件下的点触探破裂特性进行了探讨。     

剪胀和破坏耦合的节理岩体本构模型的研究

 摘要：根据节理岩体切向加载作用下的变形机制,把微凸体在磨损破坏过程中引起的剪胀软化现象和伴随的强化现象分开考虑,提出一种新的本构模型。试验结果表明,在法向和切向载荷共同作用下,由于微凸体的爬坡和啃断作用,节理岩体均会发生一定程度的剪胀和磨损,累积到一定程度就产生软化现象,在此引入一个初始剪应力概念体现上述特征。另一方面,由于破碎颗粒的碾压和迁移作用,使得抗剪力学行为由微凸体粗糙度控制逐渐转变为由结构面上形成的紧密夹层的力学行为所控制,抗剪强度提高,在此通过弹塑性随动强化模型来体现这一变形行为。当随动强化模型与初始剪应力相结合时,即为节理岩体切向加载作用下的剪应力–切向位移本构关系。通过对各种已有试验曲线的对比分析,验证该模型的正确性。     

峰前围压卸荷条件下岩石的应力–应变全过程分析和变形局部化研究

地下工程和边坡工程开挖一般处于卸荷条件。岩石在加载和卸荷条件下的力学特性不同,研究岩石在卸荷条件下的强度特性具有重要的理论和现实意义。根据损伤断裂力学知识建立了岩石处于卸荷条件下的全过程应力–应变关系,包括线弹性阶段、非线性强化阶段、应力跌落和应变软化阶段。理论和试验研究发现,岩石卸荷破坏所需要的应力比连续加载破坏时小,且卸荷破坏时的变形比连续加载时大,其主要原因是卸荷时存在裂纹张开,裂纹张开导致了无摩擦滑动和变形模量的减少,岩石的无摩擦滑动必定比摩擦滑动所需的应力小。通过和试验结果的比较验证了该理论的有效性和正确性,该理论对边坡工程和地下工程开挖具有重要的参考价值。     

峰前围压卸荷条件下岩石的应力-应变全过程分析和变形局部化研究

地下工程和边坡工程开挖一般处于卸荷条件。岩石在加载和卸荷条件下的力学特性不同，研究岩石在卸荷条件下的强度特性具有重要的理论和现实意义。根据损伤断裂力学知识建立了岩石处于卸荷条件下的全过程应力-应变关系，包括线弹性阶段、非线性强化阶段、应力跌落和应变软化阶段。理论和试验研究发现，岩石卸荷破坏所需要的应力比连续加载破坏时小，且卸荷破坏时的变形比连续加载时大，其主要原因是卸荷时存在裂纹张开，裂纹张开导致了无摩擦滑动和变形模量的减少，岩石的无摩擦滑动必定比摩擦滑动所需的应力小。通过和试验结果的比较验证了该理论的有效性和正确性，该理论对边坡工程和地下工程开挖具有重要的参考价值。     

弹丸撞击下花岗岩靶破坏效应实验与数值分析

 对不同速度弹丸撞击花岗岩靶产生的弹坑深度和裂纹长度进行实验和数值分析。利用轻气炮进行五发实验,得到3种撞击速度下的弹坑直径、弹坑深度、靶板表面裂纹分布等破坏效应,并对撞击速度为654 m/s的正侵彻实验靶进行切割,得到靶板内部的裂纹分布情况。采用非线性动力学软件Autodyn对正侵彻花岗岩实验进行数值模拟。将Johnson-Homquist损伤本构模型(JH–2模型)与拉伸断裂软化模型相耦合,来模拟靶板内高应力区材料的压缩和剪切破坏效应,以及低应力区靶板在主拉伸应力作用下产生的损伤和裂纹扩展。相对于传统有限元计算中删除单元形成裂纹的处理方法,本文采用SPH算法,通过定义损伤来描述材料的压缩破坏以及由剪切和拉伸断裂形成的裂纹。模拟得到的弹坑尺寸以及裂纹长度与实验结果符合较好。根据模拟结果进行数值试验,拟合出不同撞击速度下的弹坑深度和裂纹长度的经验关系式。相关方法及材料模型参数可为后继实验和相关数值模拟提供参考。     

盐岩的压剪疲劳特性与位错损伤研究

 开展不同剪切角度的压剪试验和疲劳试验,研究压剪作用下盐岩的力学特性和晶体位错特性,基于损伤力学观点,建立以位错为量度指标的损伤关系模型。得到的主要结论有：(1) 大于45度角剪切时,盐岩晶体位错的滑滞阻力较小,盐岩抗变形能力、峰值应力和最大变形量均随着剪切角度的增大而减小。裂纹以剪切面附近扇形裂纹发育为主;(2) 疲劳寿命和循环荷载的上限应力水平相关。剪切角度不同时,若应力水平相同,则其疲劳寿命(循环数)基本相同;若应力大小相同,则剪切角度越大,疲劳寿命越短。(3) 变向剪切对盐岩的疲劳寿命影响巨大,使疲劳寿命下降90%以上。(4) 盐岩疲劳裂纹的成核和位错的不断挤入挤出有关,裂纹扩展是多滑移系交替滑移的结果。建立了基于位错理论的盐岩损伤模型,使损伤能从本质上表达盐岩的破坏过程。越大的疲劳损伤使盐岩的承载能力下降越明显。     

碳酸盐岩应力–应变关系与微结构分析

 碳酸盐岩微裂隙的存在、产生和发展对宏观力学性质有显著的影响,通过碳酸盐岩扫描电镜图像分析和进行三轴剪切试验,发现碳酸盐岩中白云岩、灰岩、白云质灰岩的应力–应变关系均可分为压密阶段、线弹性变形阶段、微裂隙的产生和稳态扩展阶段以及断裂破坏阶段,与之对应的微裂隙表现为：原始微裂隙发生闭合,稳定持续存在形成线弹性变形,新的微裂隙在应力集中处产生、扩展并稳定发展以及微裂隙扩展强烈、发展成宏观裂隙最终导致岩块整体破裂。试验表明,受压状态下岩石裂隙是从孔隙的外围开始发育,逐渐扩展到孔隙,最后导致孔隙及岩体失稳。裂隙发育以张性的微裂隙起始,逐渐形成剪裂隙,并出现追踪剪裂隙的张裂隙,直至裂隙贯通。碳酸盐岩的初始微观裂隙主要的表现为张裂隙和剪裂隙,岩石破裂从先存的裂隙端部开始,原有裂隙的端部是加载后应力集中的地方,在岩石介质的晶粒边界的接触点或断层附近,应力高度集中导致裂纹密度增加,当压力达到或接近峰值压力时,由于裂纹的汇交与集中迅速失稳形成宏观断裂,随后就出现开裂和应变软化。     

大光包滑坡岩体碎裂特征及其工程地质意义

 “5•12”汶川地震发生六年以来,对地震诱发最大的大光包滑坡开展了工程地质测绘、声波检测、钻孔取芯、电镜扫描等一系列工作,研究表明该滑坡滑带产生于震旦系灯影组三段(Zd3)白云岩的层内错动带。综合研究揭示滑床岩体碎裂化宏观特征如下：滑面以下0～1 m岩体呈砂土状,砂粒含量占到60%以上;1 m以下岩体平均声波波速2 500～3 000 m/s,完整性指数趋于0.15～0.77,岩体损伤程度总体上随滑床深度增加而减小,而滑面下同一深度岩体损伤程度随滑床高程的增加而增大,局部有差异性破碎。另一方面,微观研究揭示滑带岩体压剪晶体沿解理面折扭断裂,穿晶裂纹发育,表现为部分晶体松动架立,晶间连接丧失。研究揭示的工程地质意义：(1) 滑带岩体性质主要受控于层内挤压错动的泥质花斑状白云岩,该层成分复杂,风化程度高,节理发育,完整性差;(2) “5•12”地震使滑带岩体产生强烈的剪切破坏(拉张和压剪破坏)和翼裂纹扩展,岩体的抗剪强度指标及完整性系数剧降,岩体质量劣化,在启动后巨厚滑体的碾压与揉搓作用下,滑带岩体的摩阻力进一步降低。综上,大光包滑坡滑带岩体损伤碎裂化是地震荷载作用下岩体内部缺陷动态演化的累进过程,滑带所在的地层岩性及岩体结构特征为其主要内因,强震荷载是其关键的外在诱因。     

压剪应力条件下砂岩双面剪切细观开裂扩展演化特性试验研究

 利用自主研发的煤岩双面剪切细观开裂演化过程试验装置,通过开展不同法向应力条件下的剪切试验,借助声发射技术及图像处理技术,对细观开裂扩展过程、细观开裂扩展空间分布进行深入探究。研究结果表明：对于压剪应力条件下的双面剪切试验,加载过程中的大部分阶段,试件表面损伤不明显,表面裂纹出现在峰值剪应力之前;当剪应力达到峰值前,Hit率有一个急剧增加的过程,说明砂岩内部已有裂纹产生,而试件表面并无明显变化,一段时间后才在表面观测到细小裂纹,推测裂纹由内向外扩展;试件发生宏观破坏后,左右两侧裂纹呈八字形或梯形分布,由于竖向剪切力引起的岩体内部剪切破坏占主导作用且砂岩内部晶粒间存在一定的几何物理性质差异,主裂纹基本沿预定剪切面扩展的同时表现出开裂扩展的不规则性;裂纹多在石英、长石等矿物颗粒的边缘即砂岩中相对薄弱的环节产生,随着应力水平的增加,裂纹也会穿过矿物颗粒形成穿晶破裂,这种现象多在石英颗粒中出现,这与其特有的微结构特征有关。     

不同尺寸裂隙岩石损伤破坏特性光弹性试验研究

为了充分认识试件尺寸与裂隙倾角对裂隙岩石损伤破坏的影响,开展了不同试件尺寸、不同裂隙倾角的光弹性单轴压缩试验。利用反射式光弹仪直观形象地记录试件损伤破坏全过程的彩色条纹变化,基于光学-应力定律计算得到裂隙岩石损伤破坏过程中试件表面的全场应力应变,分析岩石裂隙扩展失稳的尺寸效应及裂隙倾角对岩石强度及破坏模式的影响,研究裂隙岩石损伤—扩展—破坏的力学机制。试验结果表明:裂隙岩石单轴压缩的应力应变曲线可分为弹性阶段,塑性阶段,峰后软化阶段,残余阶段不明显;裂隙岩石峰前阶段的弹性模量随着试件高宽比的增加而增大,随着裂隙倾角的增加而减小;单轴抗压强度随着高宽比的增加呈减小趋势;峰后的软化阶段受试件尺寸与裂隙倾角的共同影响,裂隙倾角与高宽比越大,岩石的破坏越具有突然性,即脆性越明显;岩石损失破坏时最大应变与应力分布在预制裂纹中心,损伤首先从预制裂纹处发生。随着加载的不断进行,最大应变与应力的位置转变为裂纹的两端,逐渐向平行于轴向加载方向发展直至试件端部。岩石损失破坏时,最大应变与应力分布在预制裂纹中心,损伤首先从预制裂纹处发生。随着加载的不断进行,最大应变与应力的位置转变到裂纹的两端,裂纹逐渐向平行于轴向加载方向发展直至试件端部。     

节理剪切应力–位移本构模型及剪胀现象分析

 在法向与切向荷载的共同作用下,节理剪切应力–位移曲线宏观表现为峰前呈剪切硬化、峰后呈剪切软化现象：当微凸体爬坡效应占主导地位时,宏观表现为剪切硬化;当微凸体在剪切过程中磨损累积到一定程度时,宏观表现为剪切软化。剪胀硬化、磨损软化共同控制节理的剪切力学行为。在详细分析已有的剪切应力–位移本构模型的局限性的基础上,提出硬化–软化全剪切本构模型,采用单个函数反映节理剪切位移曲线的变化特征,其优点为：(1) 避免分段讨论剪切位移曲线特征、分段求取拟合参数的麻烦;(2) 在整个讨论区域内存在一个峰值且峰值处斜率为0;(3) 当剪切位移足够大时,强度趋于残余值,体现出节理面材料的力学特征。对不同类型的剪切位移曲线进行分析,该模型均表现出较强的适应性。同时分析现有的剪胀模型,其主要缺陷是不能反映初始剪缩现象与体现真正的剪胀起始点。在分析典型剪胀曲线基本特征的基础上,采用分段函数考虑剪胀特征,能较好地拟合剪胀曲线。