考虑块石长轴倾角和土石接触面的土石混合体边坡稳定性研究

为准确分析土石混合体边坡稳定性,提出了一种基于原始块石形状库的随机土石混合体边坡模型构建方法,该方法可以很好的考虑块石形状和分布特征。采用该方法和有限元极限分析软件Optum G2,结合土石混合体边坡物理模型试验,研究了块石掺量(0%~50%)、长轴倾角(0°~180°)和土石接触面强度(1.4~0.01)对土石混合体边坡稳定性的影响。结果表明,块石在边坡剪切带存在“绕行”、“分流”、“包含”三种塑性扩展模式,并通过改变边坡剪切带的曲折点、长度和发展方向影响边坡稳定;通过对不同块石掺量下边坡稳定性研究,发现当块石掺量大于20%时,块石分布对边坡稳定性的影响较大;在高块石掺量下,边坡容易出现“局部”或“崩解式”破坏;在相同块石掺量下,块石长轴倾角平行或垂直于边坡剪切带时,边坡分别获得最小或最大安全系数;当块石长轴垂直于边坡剪切带时,边坡容易出现“崩解式”破坏,这主要与块石长轴对于边坡剪切带发展的“诱导”效应有关;在相同块石分布模型下,边坡安全系数随土石接触面系数的减小而降低,甚至会低于均质土边坡;当土石接触面强度低于土体强度时,块石对边坡剪切带存在 “吸引”效应。研究结果可为土石混合体边坡稳定性的评估和治理提供参考。     

考虑块石长轴倾角和土石接触面的土石混合体边坡稳定性分析

为准确分析土石混合体边坡稳定性,提出了一种基于原始块石形状库的随机土石混合体边坡模型构建方法,该方法可以很好的考虑块石形状和分布特征。采用该方法和有限元极限分析软件Optum G2,结合土石混合体边坡物理模型试验,研究了块石掺量(0%~50%)、长轴倾角(0°~180°)和土石接触面强度(1.4~0.01)对土石混合体边坡稳定性的影响。结果表明,块石在边坡剪切带存在“绕行”、“分流”、“包含”三种塑性扩展模式,并通过改变边坡剪切带的曲折点、长度和发展方向影响边坡稳定;通过对不同块石掺量下边坡稳定性研究,发现当块石掺量大于20%时,块石分布对边坡稳定性的影响较大;在高块石掺量下,边坡容易出现“局部”或“崩解式”破坏;在相同块石掺量下,块石长轴倾角平行或垂直于边坡剪切带时,边坡分别获得最小或最大安全系数;当块石长轴垂直于边坡剪切带时,边坡容易出现“崩解式”破坏,这主要与块石长轴对于边坡剪切带发展的“诱导”效应有关;在相同块石分布模型下,边坡安全系数随土石接触面系数的减小而降低,甚至会低于均质土边坡;当土石接触面强度低于土体强度时,块石对边坡剪切带存在 “吸引”效应。研究结果可为土石混合体边坡稳定性的评估和治理提供参考。     

土石混合体边坡稳定性的三维颗粒离散元分析

为探究土石混合体边坡的稳定性和破坏机理,基于土工离心模型试验基本原理,结合已开发的不规则块石和土石混合体三维离散元建模方法建立土石混合体边坡细观结构的三维离散元模型.引入颗粒流强度折减法并提出基于能量演化的方法来判别边坡失稳破坏.利用提出的土石混合体边坡三维离散元建模方法和稳定性分析方法,分析不同块石含量、块石形状、空间结构、空间形态等因素对土石混合体边坡稳定性和破坏模式的影响,并揭示这些因素影响的细观机理.结果表明:随含石量增加,土石混合体边坡的安全系数逐渐增大;土石混合体边坡中呈现出多滑动面现象,且滑面较为曲折,具有明显的绕石特征,坡脚部位的部分大块石使得剪出口的位置发生明显的改变;随块石形状由球体、卵石到碎石,土石混合体边坡的安全系数逐渐增大;上覆堆积体相对较厚且坡度不是很大的二元结构边坡或一元结构边坡的破坏模式主要是堆积体内部发生的弧形滑动破坏,上覆堆积体厚度不大且基岩面相对平整的二元结构边坡的破坏模式主要是沿基-覆界面的整体平移滑动破坏;随土石混合体边坡空间形态由条带型、敞口型到锁口型,其安全系数逐渐提高,其中锁口型边坡具有显著的支撑拱效应,且含石量越大这种效应越明显.     

空间与颗粒参数对块石土边坡稳定性影响数值模拟研究

块石土边坡具有物理力学性质复杂,非线性强等特性,受块石-土体空间分布、块石粒径等几何因素影响较大。为研究几何参数对块石土边坡稳定性影响,本文基于研究团队提出的块石形状数据库随机生成方法,采用ABAQUS软件非线性分析方法,考虑含石量、最大粒径、空间分布等多种几何因素,建立大量有限元模型进行计算分析,得到以下结果：含石量增大,边坡安全系数上升,且含石量在50%-60%这个区间是上升速率最快。含石量增大,同粒径组边坡安全系数标准差增大,模型安全系数差异变大;最大粒径增大,块石分布对于边坡安全系数的影响增大,边坡稳定性先减小后增强,同粒径组边坡安全系数标准差增大。含石量和最大粒径增大,块石空间分布对于边坡稳定性影响增大。粒径大小不同,块石空间分布对于块石土边坡稳定性影响方式也不同,大粒径块石存在令滑动面向边坡内部发展,而密集小粒径块石大多是令滑面呈折线形,二者皆可增大边坡稳定性;当块石长轴与坡面夹角为90°、135°时,边坡塑性区呈发散分布,滑面更靠内部,稳定性更好,而当块石长轴与坡面夹角为0°、45°,则与上述情况相反;在通常沉积条件下,边坡稳定性随长短轴比增加而降低,滑动面越发平滑,塑性区范围与更加集中。可以看出,含石量、块石粒径、空间分布等因素对于块石土边坡有很大影响。几何参数不同,边坡稳定性差异较大,且具有一定规律性,在实际工程中有一定参考价值。     

空间与颗粒参数对块石土边坡稳定性影响数值模拟研究

块石土边坡具有物理力学性质复杂、非线性强等特性,受块石–土体空间分布、块石粒径等几何因素影响较大。为研究空间与颗粒参数对块石土边坡稳定性影响,基于已有的块石形状数据库随机生成方法,采用ABAQUS软件非线性分析方法,考虑含石量、最大粒径、空间分布等多种几何因素,建立大量有限元模型进行计算分析。结果表明:含石量增大,边坡安全系数上升,且含石量在50%～60%区间内上升速率最快;含石量增大,同粒径组边坡安全系数标准差增大,模型安全系数差异变大。最大粒径增大,块石分布对于边坡安全系数的影响增大,边坡稳定性先减小后增强,同粒径组边坡安全系数标准差增大。含石量和最大粒径增大,块石空间分布对于边坡稳定性影响增大。粒径大小、块石空间分布对于块石土边坡稳定性影响方式也不同,大粒径块石存在令滑动面向边坡内部发展,而密集小粒径块石大多是令滑面呈折线形,二者皆可增大边坡稳定性。当块石长轴与坡面夹角为90°、135°时,边坡塑性区呈发散分布,滑面更靠内部,稳定性更好;当块石长轴与坡面夹角为0°、45°,则与上述情况相反。在通常沉积条件下,边坡稳定性随长短轴比增加而降低,滑动面越发平滑,塑性区范围也更加集中。研究结果表明,几何参数不同,边坡稳定性差异较大,且具有一定规律性,在实际工程中有一定的参考价值。     

基于3维离散元颗粒流的土石混合体大型直剪试验模拟分析

为能更好的揭示土石混合体的剪切特性与力学行为,以新疆博乐地区某土石坝心墙料为研究对象,选取了3种不同含石量的室内混合料试样,通过导入随机多面体模板建立真实块体颗粒模型,并进行了不同含石量在不同围压下的的三维颗粒流土石混合体室内大型直剪试验模拟,研究了含石量对试样抗剪强度的影响,分析了土石混合体在剪切过程中的体积变化以及不同含石量下土石混合体的力链网络分布。结果表明：模拟结果与室内试验的拟合度较好,二者具有良好的一致性;含石量对土石混合体的剪切特性有显著影响,含石量越高,土石混合体的抗剪强度越大;在相同法向应力下,试样的剪胀量随着含石量的增加而增大,低含石量试样表现出一定的“软化特性”,高含石量试样表现出“硬化特性”;不同含石量的土石混合体力链网络分布表现为各向异性,随着含石量的增加,强力链数目增多,分布更加集中,试样整体较为稳定,土石混合体在宏观上表现出更高的剪切强度。该研究可以更好的理解土石混合体的细观力学机理,可为相关岩土力学模拟提供参考依据。     

土石混合体细观力学参数对宏观力学特性影响研究

为了系统地研究土石混合体细观力学参数对其宏观力学特性的影响,首先在不规则块石体三维离散元模型的基础上,建立了符合宏观统计规律的含石量为50%的土石混合体三维离散元模型;然后进行了不同石-土颗粒法向刚度的比值、不同石-土颗粒法切向刚度比的比值、不同石-土颗粒摩擦系数的比值和不同石-土颗粒间黏结强度与土-土颗粒间黏结强度的比值等情形下的土石混合体大三轴试验三维颗粒流数值模拟,分析了各种情形下土石混合体的宏观力学响应;最后从微裂纹演化、摩擦功、块石颗粒转动特征等多个角度对各细观力学参数影响的细观机理进行了揭示.结果表明:随着石-土颗粒法向刚度比值的增大,试样初始模量增大,破坏应变和峰值强度均减小;石-土颗粒法切向刚度比的比值和石-土颗粒间黏结强度与土-土颗粒间黏结强度的比值对土石混合体的宏观力学行为影响不显著;石-土颗粒摩擦系数的比值越大,峰值强度和残余强度越大.     

土石混合体地层中基坑开挖对邻近既有隧道影响

为解决土石混合体地层中基坑开挖引起的隧道响应问题,基于离散单元法采用数值模拟手段进行研究。采用颗粒流数值计算软件PFC2D对土石混合体微观结构、隧道管片结构及基坑围护结构进行精细化建模及施工过程模拟,并针对隧道位于基坑开挖引起的主动土压力区及被动土压力区两类位置条件下,地层含石率w对基坑开挖引起的隧道结构响应影响规律进行系统性研究。结果表明:隧道位于基坑开挖主动土压力区时,量值大于60%前提下的含石率提升导致隧道周围逐渐形成具备较好抗剪性能的连续块石骨架体,从而抑制侧面开挖引起的隧道结构响应。隧道位于基坑开挖被动土压力区时,量值小于75%前提下的含石率的提升对上方开挖引起的隧道结构响应起到抑制作用;含石率大于75%时,含石率的提升无法为上方开挖引起的隧道结构响应提供抑制作用。     

不同含石量下泥岩土石混合体剪切特性及细观破坏机制

为探究含石量对泥岩土石混合体剪切特性及细观破坏机制的影响,设计了含石量20%~80%共4组试样,分别在0.2、0.4、0.6、0.8 MPa这4种不同围压下进行室内大型三轴剪切试验,研究不同含石量试样的偏应力、体积应变及抗剪强度参数的变化规律;基于数字图像处理技术生成PFC^2D颗粒流数值模型进行一系列数值分析。结果表明：试样抗剪强度随含石量增大而不断增大。与其他类型的土石混合体不同的是,泥岩土石混合体在低围压下呈先剪缩后剪胀的变化规律,且含石量越高,最终剪胀效果越明显;在高围压下始终表现为剪缩,且含石量越低,剪缩效果越强。内摩擦角随含石量增大呈慢快慢的“S”型增长趋势,且在20%~80%含石量内增长较快;黏聚力随含石量增大不断降低,但下降速率逐渐减小。数值试验表明：土石混合体在剪切过程中存在拉剪混合破坏;随含石量增加,土石混合体骨架结构效应越来越显著,剪切带绕过块石,形成多个形状不规则的小剪切带。     

电塔塔基边坡受风荷载影响的稳定性研究

以镇江五峰山输电铁塔塔基边坡为研究对象,在分析研究区工程地质环境背景的基础上,借助FLAC3D三维数值模拟软件,采用强度折减法,详细分析了塔基边坡在自然风（风速3.4 m/s）、大风90°、大风60°、大风45°、大风0°（大风风速30 m/s）五种工况下的变形特征,计算了各工况下塔基边坡的稳定性系数,结果表明,以上五种工况下塔基边坡基础的整体不均匀沉降分别为0.43‰、0.66‰、0.50‰、0.33‰、0.65‰,边坡稳定系数分别为1.31、1.25、1.23、1.23、1.18,表明在五种工况下边坡均处于稳定状态,大风0°时塔基边坡的稳定性相对较小。     

接触带土层软化对排土场边坡稳定性的影响分析

针对排土场上部渣土层和下部基岩面接触处的软化接触带对其稳定性的影响问题,采用有限元极限分析法构建了含软化接触带的排土场边坡的数值模型,系统分析了堆填角度、基岩倾角、软化接触带厚度及软化度对排土场边坡稳定性的影响规律,并通过具体的排土场边坡实例验证了该分析方法的可行性。研究结果表明,同等条件下,接触带软化和堆填角度对排土场边坡稳定性的影响很大,而基岩倾角和接触带厚度的影响相对较小;随着接触带软化度的增大,排土场边坡下、上限安全系数的绝对衰减率可达50%左右;随着接触带土层的不断软化,排土场边坡滑动面穿过软化接触带的长度逐渐变大,滑坡总体积不断增大;因软化接触带土层的存在,排土场边坡中下部土体推挤坡脚前缘及牵引后部坡体滑动,最终形成由软化接触带到坡顶的贯通滑裂面。     

高边坡卸荷岩体稳定性分析

岩质边坡在长期的地质作用下往往会被多组结构面所切割,形成复杂的卸荷裂隙岩体,而高边坡中的卸荷岩体直接影响到整个边坡的稳定性.依托西南某拱坝右坝肩高边坡工程,从地质分析的角度,对边坡卸荷岩体进行分区节理统计,进而划分出可能的局部不稳定块体,并定性评价了边坡的整体稳定性.在此基础上建立了三维地质模型,分别采用强度折减法和关键块体理论分析并评价了该工程高边坡卸荷岩体的局部稳定性,并提出了在地质勘察、安全监测、加固处理和施工控制等方面的建议.研究结果表明,该高边坡卸荷岩体整体稳定性较好,但局部存在潜在不稳定块体.该研究成果对类似工程具有重要的参考价值.     

Effect of rock mass structure and block size on the slope stability--Physical modeling and discrete element simulation

This paper studies the stability of jointed rock slopes by using our improved three-dimensional discrete element methods (DEM) and physical modeling. Results show that the DEM can simulate all failure modes of rock slopes with different joint configurations. The stress in each rock block is not homogeneous and blocks rotate in failure development. Failure modes depend on the configuration of joints. Toppling failure is observed for the slope with straight joints and sliding failure is observed for the slope with staged joints. The DEM results are also compared with those of limit equilibrium method (LEM). Without considering the joints in rock masses, the LEM predicts much higher factor of safety than physical modeling and DEM. The failure mode and factor of safety predicted by the DEM are in good agreement with laboratory tests for any jointed rock slope.     

含非贯通裂隙的三维岩体拓扑识别的切割算法

岩体中的裂隙是影响其物理力学性质的关键因素,对裂隙岩体进行拓扑识别,是各种不连续数值分析方法的基础.由于裂隙随机分布且数量巨大,使得裂隙岩体中的块体形状复杂、块体搜索难度很大.考虑裂隙分布的随机性及块体中的非贯通裂隙,提出了三维裂隙岩体拓扑识别的切割算法.首先,生成初始块体,并根据裂隙的统计数据随机生成其几何信息.然后,逐条加入裂隙面,通过其与已有块体的线段、多边形面的相对位置关系,进行拓扑计算,实现其对已有块体的切割,从而生成新的块体信息.最后,通过算例分析,对所提的切割算法的效率进行了验证.该方法能够快速、有效地实现三维裂隙岩体的拓扑识别,且能记录块体内部的非贯通裂隙,可以作为裂隙岩体非饱和渗流分析及裂隙扩展过程模拟分析的基础.     

基于FLAC~(3D)对含软硬岩互层边坡的变形分析

以南京地区采矿形成的边坡为背景,研究含有硬岩的软硬岩互层边坡的稳定性。运用FLAC~(3D)基于有限元强度折减法,模拟不同硬岩岩层的倾角和厚度对顺向坡和反向坡变形的影响,分析对比上述因素对边坡变形影响的大小。研究结果表明,顺向坡中硬岩的倾角越大,厚度越大,变形越小,并且变形有趋于稳定的趋势;反向坡中硬岩的倾角越大,厚度越大,变形先减小后增大,说明上述因素越大,反向坡越容易产生倾倒变形。     

Probabilistic assessment of rock slopes stability using the response surface approach——A case study

This paper examines the stability condition of a jointed rock slope in the south western region of Saudi Arabia using deterministic and probabilistic approaches, under both dry and wet conditions. The study area is characterized by complex geology in rugged terrains. The stability analysis is carried out using the code FLAC3 D to generate a 3-dimensional, ubiquitous joint model, to determine the influence of the dominant, unfavourable discontinuity orientation with respect to the slope face. The deterministic analysis is first implemented using the mean values of the selected random variables, namely the dip,dip direction and friction angle of the dominant discontinuity set, and the stability condition is assessed with a factor of safety based on the classical frictional joint constitutive model. A Box-Behnken design(BBD) approach is then adopted to create the surface response function as a second order polynomial for the factor of safety. To do so, fifteen FLAC3 D models are generated in accordance with the BBD.Based on this, 10,000 simulations of different slope realizations are carried out using Monte-Carlo simulation technique, and the probability of unsatisfactory of performance of the rock slope is assessed. It is shown that the probabilistic approach provides more insight and confidence in the stability condition of the rock slope, both under dry and steady state heavy rainfall conditions. A discussion is presented on the significance of accepting lower safety factors when heavy rainfall conditions are encountered.     

Effect of rock mass structure and block size on the slope stability——Physical modeling and discrete element simulation

Rock slope has many geological structures with different sizes, configurations and mechanical properties such as joints, fissures, faults, shear bands and so on[1]. These geological structures may make the slope unstable, producing toppling, fracturing or sliding failures. A lot of investigations have focused on the stability of jointed rock slope, however, the mechanisms on the progressive failure of jointed rock slope is still an open issue in either physical modeling or numerical simulation…     

地震作用下金沙江某跨江桥梁岩质岸坡动力响应分析

由于地震波的随机性及地质构造的复杂性,导致岩质边坡的地震响应特征变得十分复杂。以金沙江地区某跨江桥梁岩质岸坡为例,采用有限元方法研究了地震波在岩质边坡内的传播特征,分析了不同类型结构面对边坡动力响应特征的影响;采用振动台模型试验验证了数值计算结果,探究了边坡的动力变形演化规律及其破坏机制。研究结果表明：软弱结构面对岩质边坡的波传播特征影响较大,在波传播过程中结构面使坡内出现局部的放大效应,相同条件下边坡的动力放大效应为：块状边坡>顺层边坡>反倾边坡。边坡高程、坡表微地貌及结构面对边坡的动力放大效应具有较大的影响,边坡动力放大系数随高程增加而增加,坡表微地貌变化使平台区域出现局部放大现象,块状边坡中放大效应主要集中于最上层顺向结构面以上的表层坡体。地震作用下块状边坡的动力放大效应随激震强度的增加而增加,边坡动力变形演化过程主要包括弹性变形、塑性变形和滑动破坏3个阶段。软弱结构面对块状边坡的地震破坏模式具有控制性作用,最上层顺向结构面为潜在滑面,其地震破坏模式为拉裂-滑移-倾覆式破坏。