反倾岩质边坡破坏机理模型试验研究

通过室内物理力学模型试验研究发现,对于反倾边坡,其主要的变形破坏形式为倾倒变形折断破坏,破坏首先发生在坡顶;通过试验研究反倾岩层的层面剪切强度(c,?值)、岩层厚度及岩层倾角对反倾边坡变形的影响发现,反倾岩层的层面强度(c,?值)和岩层厚度是影响边坡稳定性的重要因素,而岩层倾角对反倾边坡的变形影响不大。对试验结果进行分析,显示此类边坡的变形破坏过程具有明显的“叠合悬臂梁”的特征,并得出反倾岩质边坡的抗倾覆能力随着反倾岩层的层面强度(c,?值)、岩层厚度及岩层倾角的增大而增大的结论,与工程实际比较吻合。     

反倾岩质边坡次生倾倒机理及稳定性分析

倾倒破坏是反倾边坡的一种常见破坏模式,其中次生倾倒是反倾岩质边坡倾倒破坏的主要诱因。建立了反倾岩层在坡后土体作用下次生倾倒破坏的地质力学模型,基于室内物理模拟试验,分析了反倾岩层上覆土压力分布规律、岩层的破坏模式和整体破坏面的形状与位置。根据库仑主动土压力理论得到下卧岩层表面各点法向压力的理论值与实测值基本相符,土体中存在土拱效应导致两者存在差异,随着上覆土体厚度及堆载作用的加大,土拱效应越明显。各岩层可能的破坏模式包括弯拉破坏、弯滑破坏和滑动破坏。下卧反倾岩层的整体破坏面是一通过坡脚的近似平面,整体破坏面与岩层层面法线方向呈0°～25°的夹角。基于叠合悬臂梁模型,引入岩层横截面上节理面的黏聚力和岩石抗拉强度随岩层嵌入深度的折减系数,改进了反倾岩层的极限平衡分析方法,推导了坡体任意岩层下推力的理论公式,定义了任意岩层变形破坏的安全系数和边坡整体倾倒破坏的综合安全系数。提出了下卧反倾岩层潜在整体破坏面的理论计算方法,并确定了影响潜在整体破坏面位置的敏感因素。     

陡倾顺层岩质斜坡倾倒变形破坏特征研究

 顺层岩质斜坡是常见的斜坡结构类型之一,对该类斜坡的变形破坏特征以及形成机制研究已较深入,一般认为顺层岩质斜坡的变形破坏以滑移–拉裂、滑移–弯曲(或溃曲)模式为特征。通过系统的文献收集及大量现场调查发现,陡倾顺层岩质斜坡还存在一种典型的变形破坏形式,即倾倒变形。结合具体的陡倾顺层岩质斜坡倾倒变形破坏的实例,详细分析、总结该类斜坡发育的地质环境条件及变形破坏特征,在此基础上结合典型斜坡分析陡倾顺层岩质斜坡倾倒变形是在河谷演化、成坡过程中,岩层在平行坡面的最大主应力作用下由坡脚开始从下至上作悬臂梁弯曲,最终导致岩层根部折断,形成倾倒体;当坡体内折断带的剪应力超过其抗剪强度时,坡体将发生滑动形成滑坡。     

反倾层状碎裂结构岩质边坡破坏机制研究

反倾岩质边坡是我国西南水利水电工程、山区交通工程、矿山工程中一种常见的边坡类型,目前已成为影响此类工程正常运行的安全隐患之一。通过基底摩擦物理模型试验,研究了发育一组与岩层层面正交节理的反倾碎裂结构岩质边坡变形破坏全过程,分析了边坡变形破坏过程中的宏观变形、岩层位移、岩层弯折角等,揭示了反倾层状碎裂结构岩质边坡破坏机制及空间受力演化规律,并进行了反倾碎裂结构岩质边坡变形分区。研究结果表明:(1)根据实验变形破坏特征,将反倾层状碎裂结构岩质边坡划定为拉裂–倾倒型、拉裂–滑移倾倒型、弯曲拉裂–(滑移)倾倒型3种破坏模式,并可分为稳定区、(弯曲)拉裂–倾倒区、压致拉裂–(滑移)倾倒区、剪切–滑移区等变形区,当坡角或倾角较大时,剪切–滑移区不存在。(2)随着坡角增大,边坡破坏由渐变转化为速变,最先变形部位也由坡体中部向坡顶转移,破坏过程中岩层弯曲特性逐渐弱化;坡角大小一定,倾角较小时,坡体易先发生变形乃至沿破裂面滑移破坏;坡角或倾角较大时,坡体易发生拉裂–倾倒破坏。(3)坡体不同位置岩层变形破坏明显不同步,变形符合蠕变三阶段特征,且当岩层刚开始发生张拉变形时,该岩层变形速率方向基本水平,当发生倾倒变形后,岩层产生明显的竖直变形速率,可作为划分坡体岩层初始变形阶段的判识标准。(4)以拉裂–倾倒破坏为主的岩层最大弯折角明显较小,其破裂面呈阶梯状;以弯曲拉裂–(滑移)倾倒为主的岩层最大弯折角与破坏深度明显较大,其破裂面多呈直线或不规则折线状。     

反倾向岩质斜坡变形破坏特征研究*

 以黄河上游某电站库区一大型反倾层状岩质斜坡的变形破坏为例,通过地质分析及数值模拟分析,揭示了该类斜坡的变形破坏是岩层在自重应力作用下作悬臂梁弯曲,使岩层发生弯曲变形,导致坡体后缘开裂、根部折断,前缘发生剪切蠕变,当坡体内折断带的剪应力超过其抗剪强度时,坡体逐渐错动下滑形成倾倒塌滑体。     

反倾岩质边坡块状–弯曲复合倾倒破坏分析方法研究

由于岩石的脆性和节理的不规则性，块状–弯曲复合倾倒破坏是反倾岩质边坡最常见的倾倒失稳类型。首先通过离心模型试验揭示块状–弯曲复合倾倒的破坏机制，建立块状–弯曲复合倾倒破坏的力学模型，其次基于极限平衡理论，分别推导出了完整岩层和块状岩层稳定性的力学解析公式，并提出一种块状–弯曲复合倾倒破坏的破坏面搜索算法，最后，通过Matlab编程实现稳定性分析过程。研究结果表明：发生块状–弯曲复合倾倒破坏的边坡可以划分为倾倒区、裂缝区、变形区及无影响区，块状–弯曲复合倾倒破坏的破坏面呈台阶状，且破坏面的台阶高度等于块状岩层内块体高度的倍数；理论分析方法的计算结果与离心试验结果相互吻合；采用理论计算方法进行了影响因素分析，发现缓倾节理倾角及边坡坡角对倾倒Ⅰ区的破坏面范围影响较大，岩层厚度、抗拉强度及缓倾节理倾角对临界失稳高度影响较大。研究成果可为该类边坡的灾害防控提供理论支撑。     

岩质反倾边坡弯曲倾倒破坏分析方法研究

 弯曲倾倒破坏是岩质反倾边坡的一种主要失稳破坏模式,目前,岩质反倾边坡弯曲倾倒破坏稳定性分析中存在很多悬而未决的问题。通过对模型试验结果的分析,阐明岩质反倾边坡弯曲倾倒的破坏过程和破坏机制,基于极限平衡理论,建立岩质反倾边坡弯曲倾倒破坏的力学模型和稳定性分析方法,利用所建立的分析方法,以MATLAB为平台编写岩质边坡弯曲倾倒稳定性分析程序,通过2个工程实例边坡对所提力学模型和分析方法进行验证,并进行参数分析,得出的结论和规律更符合工程实际,对该类边坡的设计施工具有指导意义。     

基于GDEM的坡脚劣化条件下三峡库区砂岩反倾岩质边坡的破坏机制研究

三峡库区反倾岩质边坡的坡脚岩体在水-岩作用下,物理力学性质易发生劣化,威胁边坡稳定。准确认识坡脚岩体劣化条件下反倾岩质边坡的破坏机制尤为重要。以三峡库区砂岩反倾岩质边坡为研究对象,利用GDEM数值软件建立了不同坡角、岩层倾角、层厚的边坡模型。对于坡脚劣化前后均未发生倾倒变形的边坡,分析了坡脚劣化前后边坡最大主应力的变化;对于坡脚劣化前稳定、坡脚劣化后发生倾倒变形的边坡,概述了反倾边坡在坡脚劣化条件下的变形演化过程,明确其对坡脚劣化的响应特征。另外,分析了坡角、倾角、层厚对边坡变形的影响,探明了砂岩反倾边坡破裂面的形态、位置特征,砂岩边坡主破裂面与层面夹角呈20～26°,以坡脚劣化岩体与上部变形岩体为界,破裂面自分界点向上成近直线形。砂岩反倾边坡中主要呈剥落-倾倒-折断式的破坏模式。     

媒体重头文章概览

正《岩土力学》02/2019坡顶荷载作用下岩质边坡弯曲倾倒破坏分析车辆、坡顶堆载等造成的坡顶荷载是影响边坡稳定性的一个重要因素。基于叠合悬臂梁模型和极限平衡理论,建立了坡顶荷载作用下岩质反倾边坡的力学分析模型,推导了坡顶荷载作用下边坡的剩余倾倒力和剩余滑移力计算公式,给出了岩层破坏模式判别条件,并通过大型数学分析软件Matlab将分析方法程序化。通过与离散     

基于弯曲倾倒破坏模式的反倾岩质边坡稳定性解析方法

悬臂梁法是反倾层状岩质边坡弯曲倾倒破坏与稳定性分析的常用方法,然而目前主要做法是对破坏面上全部岩层依次迭代求解,不够简便,很难在现场快速初步判定边坡稳定性。在悬臂梁模型的基础上,通过对岩层临界失稳高度与预设破坏面上岩层高度比较分析,将破坏面上的岩层分为稳定区、主动倾倒区和被动倾倒区,进而基于极限平衡原理,提出相应的稳定性计算方法,同时利用S区几何面积的大小,初步判定边坡的倾倒风险。通过2个工程实例及离心实验结果验证了所提方法的可靠性,研究成果对反倾层状岩质边坡倾倒破坏稳定性评价与灾害防治具有重要的指导意义和应用价值。     

Geomechanical model test for analysis of surrounding rock behaviours in composite strata

Due to the large differences in physico-mechanical pro perties of composite strata,jamming,head sinking and other serious consequences occur frequently during tunnel boring machine(TBM) excavation.To analyse the stability of surrounding rocks in composite strata under the disturbance of TBM excavation,a geomechanical model test was carried out based on the Lanzhou water supply project.The evolution patterns and distribution characteristics of the strain,stress,and tunnel deformation and fracturing were analysed.The results showed that during TBM excavation in the horizontal composite formations(with upper soft and lower hard layers and with upper hard and lower soft layers),a significant difference in response to the surrounding rocks can be observed.As the strength ratio of the surrounding rocks decreases,the ratio of the maximum strain of the hard rock mass to that of the relatively soft rock mass gradually decreases.The radial stress of the relatively soft rock mass is smaller than that of the hard rock mass in both types of composite strata,indicating that the weak rock mass in the composite formation results in the difference in the mechanical behaviours of the surrounding rocks.The displacement field of the surrounding rocks obtained by the digital speckle correlation method(DSCM) and the macro-fracture morphology after tunnel excavation visually reflected the deformation difference of the composite rock mass.Finally,some suggestions and measures were provided for TBM excavation in composite strata,such as advance geological forecasting and effective monitoring of weak rock masses.     

互层岩体中巷道顶板应力分布及破坏特征研究

考虑巷道顶板岩层分层特性,采用Reissner厚板理论建立巷道互层顶板的应力计算模型,将巷道互层顶板视为三维应变厚板,结合力学相关知识求解得到不同条件下互层巷道顶板的应力分布。分析了软硬互层巷道顶板变形破坏特征及其规律,以山东某矿6506工作面回采巷道为工程背景,通过FLAC^3D数值模拟软件建立不同巷道顶板组合的计算模型,分析了互层巷道顶板岩层的软硬性质对巷道顶板应力和破坏深度的影响。研究结果表明:破坏发生在巷道顶板最下部岩层端部并逐渐向上扩展,最终形成冒落拱;不同岩性组合下巷道顶板应力主要集中在硬岩中,顶板各岩层岩性之间存在差异更易导致应力集中现象;硬岩能有效减弱巷道顶板的破坏深度,使顶板的变形量远小于软岩顶板的变形量,软岩顶板由于其支承能力弱,岩层内应力易达到其极限强度,导致巷道顶板的破坏深度和范围都大大增加。     

地下采空诱发陡倾层状岩质斜坡失稳机制研究

 我国西南灰岩山区的褶皱山体经长期强烈的地质抬升运动与河流侵蚀,山体呈现出中上部厚层-巨厚层灰岩地层陡峭,下部页岩、泥岩地层平缓的“靴状”地貌形态,加之下部煤层、铝土矿层的开采,成为我国大型层状岩质崩滑灾害的高发区。本文以重庆武隆鸡冠岭陡倾层状岩质斜坡滑动为例,采用FLAC3D模拟分析了地下采空诱发陡倾层状岩质斜坡“弯曲变形-层间错动-采矿加速倾倒变形-下伏岩体阻滑-下伏岩体剪切破坏-整体失稳”的渐进失稳过程,认为鸡冠岭山体滑动是一类层状岩体的倾倒-滑移失稳的复合破坏模式。模拟结果表明：(1) 陡倾临空的斜坡在长期重力作用下,坡体沿山梁方向发生蠕滑变形,坡体逐渐产生拉裂缝;同时由于该斜坡位于背斜核部附近,应力集中导致上覆层状岩体呈现出弯曲变形的特征;(2) 长期岩溶作用加速坡体裂缝的发育与扩张;(3) 斜坡下部煤层开采时,导致鸡冠岭山梁发生应力发生重分布,上覆层状岩体逐渐发生层面分离,层状岩体下部产生裂缝,岩体强度逐渐降低;(4) 当斜坡下部煤层逐渐采空后,上覆层状岩体变形急剧增大,发生倾倒破坏,挤压矿层下伏稳定岩体,发生剪切滑移,最终从临空处剪出形成高速碎屑流。因此,对于西南灰岩褶皱山区,认识长期地下采空对层状山体的扰动作用,对大型灰岩山体防灾减灾与风险区划具有重要的现实意义。     

顺向坡岩层倾向与坡向夹角对斜坡稳定性的影响

 顺向坡是岩质斜坡中稳定性最差、最易变形破坏的斜坡类型,顺向坡岩层倾向和坡向夹角的上限与岩质密切相关。为了分析不同岩质顺向坡岩层倾向与坡向夹角对斜坡稳定性的影响,建立考虑侧限顺层平面型斜坡的稳定性计算模型。考虑斜坡侧向边界阻滑效应,结合直剪试验岩桥贯通理论计算侧向阻力,以T2b2和T2b3分别作为软、硬岩代表,分析不同岩质顺向坡岩层倾向和坡向夹角变化对斜坡稳定性影响的敏感程度,最终给出顺向坡岩层倾向和坡向的上限夹角。结果表明：在考虑侧限时,硬质岩岩层倾向与坡向夹角变化对斜坡稳定性影响的敏感程度高于软质岩,取30°为顺向坡岩层倾向与坡向夹角的上限较合适。通过三峡库区库首至巴东段滑坡统计,验证分析结果的合理性。结论为经验判断顺向坡危险性提供了依据,也可作为区域滑坡危险性评价等工作中坡体结构划分的参考。     

紫坪铺水电站2#泄洪洞进水口边坡变形特征及其机理研究

四川省紫坪铺水电站2#泄洪洞进水口高边坡地质条件复杂,坡脚和中部的L9,L10软弱岩带上盘均出现明显倾倒变形迹象,并发生过几次垮塌。通过对该边坡的物质组成、结构特征、以及边坡开挖等因素的分析研究,阐述了其变形机理说明这类由下软上硬岩性组成的反倾边坡,其变形破坏模式为压缩–倾倒和滑移复合型。变形首先以层间软弱岩的不均匀压缩变形为先导,进而引起上部岩体倾倒,沿顺坡向结构面拉裂。采用二维有限元数值模拟,分析了这类边坡在开挖过程中的应力和变形的特征及其变化规律,进一步验证了上述的机理模型。     

基于弯曲模式的层状采动斜坡变形破坏机理研究

为揭示采空区反倾斜坡变形破坏机理,针对采空区顶板层状岩体提出固定梁约束模型,并根据已有研究给出其基于结构力学和最大拉应力准则的弯曲折断应力判据。为验证约束模型的效果,以纳雍左家营崩塌为例,在详细地质调查的基础上,选取典型地质剖面1-1′剖面,对面积最大的1号采空区顶板每隔10 m取一个计算点,计算出固定梁约束模型下采空区顶板不同位置处的弯曲折断应力,同时利用FLAC^3D对其进行数值模拟,最后综合结构力学计算结果、数值模拟结果和地质调查对左家营崩塌机理进行分析。研究结果表明:固定梁可作为采空区顶板反倾层状岩体的受力模型,采空区顶板受力由固定梁向简支梁转化;采空区两侧端面应力集中现象明显,且应力集中朝顺倾向偏移,顺倾向应力集中较反倾向显著,采空区顶底板中部局部呈受拉状态,塑性区以剪切破坏为主;上硬下软不利岩性组合和节理裂隙发育的岩体造成的岩体结构破碎是崩塌源区形成的关键因素,高度临空的斜坡地形为崩滑提供了有利地形,采空区应力调整导致已有裂缝裂隙不断扩展、贯通,加剧斜坡失稳,最终形成崩塌。