频发微小地震作用下顺层岩质边坡的振动台模型试验与数值分析EI北大核心CSCD

采用振动台物理模型试验与UDEC离散元方法,针对不同倾角的顺层岩质边坡,研究了其在频发微小地震作用下的动力响应、边坡变形与稳定性系数变化特征及破坏模式。结果表明:在频发微震作用下,边坡自振频率减小,阻尼比增大,坡体结构损伤不断发展并累积,具体表现为层面与次级节理的起裂、扩展、贯通,坡体永久变形逐渐增大,稳定性系数减小;两类边坡的加速度响应均表现出"高程效应"和"趋表效应",且两类边坡的动力响应随地震作用次数的增加而减弱;对缓倾顺层坡,其在振动台试验后期加载强震作用后,边坡破坏表现为岩层从上至下的逐层开裂滑移脱落,但在UDEC模拟的频发微震下的破坏主要集中在边坡表层;而对层面与坡面平行不出露的陡倾坡,边坡在微震下的稳定性基本良好,其强震破坏面主要有后缘陡倾层面段、中部台阶起伏段及前缘平缓剪出段3段构成。研究成果对库区滑坡形成机制的认识和减灾防灾具有重要的参考价值。     

频发微小地震作用下顺层岩质边坡的振动台模型试验与数值分析

采用振动台物理模型试验与UDEC离散元方法,针对不同倾角的顺层岩质边坡,研究了其在频发微小地震作用下的动力响应、边坡变形与稳定性系数变化特征及破坏模式。结果表明:在频发微震作用下,边坡自振频率减小,阻尼比增大,坡体结构损伤不断发展并累积,具体表现为层面与次级节理的起裂、扩展、贯通,坡体永久变形逐渐增大,稳定性系数减小;两类边坡的加速度响应均表现出"高程效应"和"趋表效应",且两类边坡的动力响应随地震作用次数的增加而减弱;对缓倾顺层坡,其在振动台试验后期加载强震作用后,边坡破坏表现为岩层从上至下的逐层开裂滑移脱落,但在UDEC模拟的频发微震下的破坏主要集中在边坡表层;而对层面与坡面平行不出露的陡倾坡,边坡在微震下的稳定性基本良好,其强震破坏面主要有后缘陡倾层面段、中部台阶起伏段及前缘平缓剪出段3段构成。研究成果对库区滑坡形成机制的认识和减灾防灾具有重要的参考价值。     

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。     

频发微震下上覆软弱岩体边坡动力稳定及失稳模式

水库蓄水诱发的高频次微小地震对库岸边坡稳定性存在一定影响。采用振动台物理模型试验,结合UDEC离散元分析方法,以三峡库区杉树槽滑坡为原型,研究了频发微震作用下典型上覆软弱岩体边坡的累计损伤过程、动力响应特征及破坏模式。结果表明:在频发微震作用下,模型边坡自振频率不断降低,阻尼比不断升高,完整性降低;坡体加速度响应在初始阶段和微震阶段体现出"高程效应"和"趋表效应",而在小震加载后,坡体动力响应与上述特征出现偏离;在反复微震下,坡体的破坏演化过程可概括为"次级节理发育→次级节理扩展→上部岩体破碎→后缘裂隙扩张→滑面贯通→边坡失稳破坏"阶段;离散元数值分析结果表明,上覆软弱岩体边坡在频发微震下的变形主要发生于岩层分界面以上,后缘裂隙以下的上部岩体,随着地震次数的增加,其永久位移不断增大,边坡稳定性系数不断降低,边坡破坏特征与振动台试验结果相吻合。     

频发微震下上覆软弱岩体边坡动力稳定及失稳模式

水库蓄水诱发的高频次微小地震对库岸边坡稳定性存在一定影响。采用振动台物理模型试验,结合UDEC离散元分析方法,以三峡库区杉树槽滑坡为原型,研究了频发微震作用下典型上覆软弱岩体边坡的累计损伤过程、动力响应特征及破坏模式。结果表明：在频发微震作用下,模型边坡自振频率不断降低,阻尼比不断升高,完整性降低;坡体加速度响应在初始阶段和微震阶段体现出“高程效应”和“趋表效应”,而在小震加载后,坡体动力响应与上述特征出现偏离;在反复微震下,坡体的破坏演化过程可概括为“次级节理发育→次级节理扩展→上部岩体破碎→后缘裂隙扩张→滑面贯通→边坡失稳破坏”阶段;离散元数值分析结果表明,上覆软弱岩体边坡在频发微震下的变形主要发生于岩层分界面以上,后缘裂隙以下的上部岩体,随着地震次数的增加,其永久位移不断增大,边坡稳定性系数不断降低,边坡破坏特征与振动台试验结果相吻合。     

频发微小地震下顺层岩质边坡累积损伤及稳定性分析

三峡库区蓄水后诱发的高频度微小地震对边坡稳定性产生了重大影响。采用振动台模型试验和UDEC离散元数值计算方法,深入地探究了库区典型顺倾层状岩质边坡在高频次微小地震下的累积损伤和稳定性。研究表明:①地震持续作用下,边坡自振频率、阻尼比、损伤度和损伤速率依次降低、增大、累积变大和不断提升,各测点PGA响应表现为"高程效应"和"趋表效应",且PGA放大系数均呈降低趋势;②高、低动荷载振幅阶段边坡岩体非线性累积损伤模型可分别用指数函数和三次函数描述,其演化曲线分别呈初期轻微降低、中期线性递增、后期平缓微增的"S"型特征和急速增长的"陡升"型特征;③边坡累积损伤–失稳破坏呈现为起伏体爬坡–啃断–磨平、次级节理(层面)起裂–扩展–贯通、坡体沿复合破坏面发生整体滑移、失稳破坏后岩体以破碎–大型–巨型块状堆积于坡脚,且含起伏体边坡整体稳定性更优;④动荷载振幅、动荷载频率、坡高、坡角增大而层面厚度减小时,边坡临界失稳微震作用次数减小、累积永久位移增大、稳定性系数减小,且层面出露边坡更易发生失稳破坏。     

频发微震下含水率对堆积体斜坡动力响应规律及失稳模式的影响

近年来,三峡库区微小地震频繁,同时库区堆积体斜坡广泛分布,频发微震作用下堆积体斜坡的稳定性值得关注。堆积体的含水率是影响斜坡稳定性的重要因素之一。通过振动台物理模型试验,揭示频发微震作用下三峡库区巨厚堆积体斜坡土体含水率对斜坡动力响应及失稳模式的影响。结果表明:模型斜坡在频发微震作用下发生"阶梯状"滑出破坏,变形演化过程:裂缝产生并发育→裂缝扩展→上部裂缝贯通(上部滑体发生滑动)→底部滑动面贯通(斜坡失稳破坏);裂缝贯通导致斜坡堆积体滑出的过程中,高含水率模型发生"局部整体式"破坏,低含水率模型发生"溃散式"破坏;坡体加速度响应表现出明显的趋高趋表效应,导致斜坡坡肩位置率先出现裂缝,含水率增大对这些效应具有促进作用。     

软硬互层状反倾岩质边坡倾倒变形离心模型试验研究

针对软硬互层状反倾岩质边坡倾倒变形演化模式尚不明确的问题,基于相似原理以及地质资料,以水泥、石膏等作为相似材料建立3组边坡物理模型:一组为单一硬岩层状反倾岩质边坡,另外2组为不同层厚比的软硬互层状反倾岩质边坡。通过离心模型试验,运用图像量测技术,探究软硬互层状反倾岩质边坡与单一硬岩层状反倾岩质边坡倾倒变形破坏模式的差异性,分析不同软硬岩层厚比中软岩对于边坡整体倾倒变形程度以及边坡极限承载力的影响。研究表明:(1)软硬互层状反倾岩质边坡倾倒变形模式与单一硬岩层状反倾岩质边坡倾倒变形模式存在差异。前者在倾倒变形过程中产生两级破裂面:主破裂面与次级破裂面,次级破裂面首先贯通,其上浅层岩体失稳,进而深部不连续弯折带相互贯通,主破裂面形成,边坡整体失稳,向下垮落。(2)倾倒变形过程中主破裂面以下岩体几乎未发生倾倒,可将该面定义为倾倒–未倾倒岩体的分界线;次级破裂面发育深度与主破裂面相比更浅,但是其上浅层岩体倾倒变形程度更大,且更易发生失稳破坏,该面为边坡倾倒变形的最危险破裂面。(3)由于软岩强度较弱的影响,软硬互层状反倾岩质边坡其破裂面形态呈弧线形,与单一硬岩层状反倾岩质边坡不同。(4)软岩的存在对于边坡的极限承载力与倾倒变形程度也有影响,且软硬岩层厚比不同,影响不同。相比于单一硬岩层状反倾岩质边坡,软硬岩层厚比为1∶1的软硬互层状反倾岩质边坡,其极限承载力提高,倾倒变形程度减小;而软硬岩层厚比为2∶1的软硬互层状反倾岩质边坡,其极限承载力降低,倾倒变形程度增大。     

软硬互层盐岩变形破损物理模拟试验研究

 针对我国盐岩地层的地质赋存特征,开展一系列物理模拟试验,探讨倾角、夹层和界面对软硬互层盐岩变形破损的影响规律。试验结果及理论分析表明：(1) 软硬互层盐岩的单轴抗压强度随倾角变化呈两边高、中间低的U形变化规律。(2) 软硬互层盐岩的破坏模式：层面倾角θ＜30°时,为脆性硬夹层主控的整体破坏;45°＜θ＜75°时,为弱夹层或弱界面主控的剪切滑移破坏;85°＜θ＜90°时,为硬夹层劈裂破坏,局部弱夹层剪切破坏。(3) 沿弱夹层和弱界面的剪切滑移破坏是软硬互层盐岩单轴抗压强度呈现U形变化规律的内在原因。因此,设定储气库的运行压力时,需要着重考虑腔壁肩部和腰部弱夹层和界面的抗剪强度,防止其达到破坏强度而导致腔体破损,从而避免因气体泄漏而引发事故。     

软硬岩质路基边坡破坏滑移离散块体数值模拟

反倾状岩体边坡的破坏和普通的滑坡不同,其破坏过程和破坏机理尚不十分清楚。不良结构面滑移是其中的一种典型破坏形式,这种形式的滑坡和地质构造有紧密的关系,用常规的连续介质理论无法模拟岩体破坏、分离和滑移的大位移过程。根据非连续块体理论,采用离散元软件UDEC,模拟不良结构面的张开、滑移和破坏行为,研究这类边坡治理的有效措施,为实际施工提供参考。通过模拟分析典型的公路软硬互层岩石边坡工程稳定和破坏滑移特性,结合现场监测和试验数据,确定合适的物理力学参数。在此基础上,研究滑坡发生在反倾斜岩质边坡的工况,模拟结果表明三条连续贯通的滑动面发生大位移滑移破坏,其中滑体内多处发生开裂、分离和滑移现象。通过滑体内最大不平衡力的演化规律,揭示滑动过程是一个高能量逐步向低能量变化的过程。     

Numerical simulations of kinetic formation mechanism of Tangjiashan landslide

Tangjiashan landslide is a typical high-speed landslide hosted on consequent bedding rock.The landslide was induced by Wenchuan earthquake at a medium-steep hill slope.The occurrence of Tangjiashan landslide was basically controlled by the tectonic structure,topography,stratum lithology,slope structure,seismic waves,and strike of river.Among various factors,the seismic loading with great intensity and long duration was dominant.The landslide initiation exhibited the local amplification effect of seismic waves at the rear of the slope,the dislocation effect on the fault,and the shear failure differentiating effect on the regions between the soft and the hard layers.Based on field investigations and with the employment of the distinct element numerical simulation program UDEC(universal distinct element code),the whole kinetic sliding process of Tangjiashan landslide was represented and the formation mechanism of the consequent rock landslide under seismic loading was studied.The results are helpful for understanding seismic dynamic responses of consequent bedding rock slopes,where the slope stability could be governed by earthquakes.     

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。     

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.     

Evaluation of potential failure of rock slope at the left abutment of Jinsha River Bridge by model test and numerical method

Jinsha River Bridge is located on Tiger Leaping Gorge town, China. The left bank slope composes of moderately thick layer of slate overlain by schistose basalt, and where rocks are controlled by two sets of joint planes. To evaluate the stability of the rock slope under bridge foundation, model test and calculation model based on the geological parameters and the slope stability was simulated and analyzed using Universal Distinct Element Code (UDEC) and Finite Element Mehod (FEM). According to model test, failure mainly initiated at the toe with shear movement along the joint planes, eventually resulting in the sliding along the slope surface and formation of tension crack at the crest of the model. This result coincide with the UDEC model, which shows that slope surface will produce loosening damage and slipping expected along the joint planes under different loading conditions. Moreover, the result of FEM analysis indicates that the rock mass under the main pier has potential shear failure region. So, the bridge foundation should be strengthened to prevent the slope failure under external forces.     

Failure behavior and mechanism of slopes reinforced using soil nail wall under various loading conditions

Soil–nailing technology is widely applied in practice for reinforcing slopes. A series of centrifuge model tests was conducted on slopes reinforced with a soil nail wall under three types of loading conditions. The behavior and mechanism of failure process of the reinforced slopes were studied using image-based observation and displacement measurements for the slope, nails, and cement layer. The nailing significantly increased the stability level and restricted the tension cracks of the slopes. Increasing the nail length improved the stability of the reinforced slopes with deeper slip surfaces. The reinforced slope exhibited a significant failure process, in which slope slippage failure and cement layer fracture occurred in conjunction with a coupling effect. The deformation localization was induced by the loading within the slope and ultimately developed into a slip surface. The nailing reinforced the slope by significantly delaying the occurrence of the deformation localization within the slope. The failure of nails was recognized as a combination of pull-out failure and bend deformation. The loading conditions were shown to have a significant effect on slope deformation and nail deflection, and they consequently influenced the failure behavior and its formation sequence.     

基于降强法数值计算的复杂岩质边坡动力稳定性安全评价分析

分析复杂岩质边坡在地震荷载作用下的动力稳定性的特点,提出基于降低材料强度算法的动力稳定性分析方法。先将软弱结构面抗剪强度指标降低,进行静力计算,在此基础上,再进行动力稳定分析,综合评估边坡的动力稳定性与降强倍数的关系,将边坡处于临界稳定状态下的降强倍数定义为动力稳定安全系数。借助数值计算程序,将上述方法应用于国内某拱坝坝轴线左岸岩质边坡的动力稳定性分析,取得满意的成果。     

顺层岩质边坡地震动力响应及地震动参数影响研究

 利用FLAC2D建立顺层岩质边坡模型,分析其在地震作用下的动力响应规律,研究地震动参数对其动力响应的影响。结果表明：顺层岩质边坡在地震作用下失稳主要由结构面控制,位移主要发生在潜在滑移面上部岩体中;对地震波存在垂直向和临空面放大作用,其滤波作用没有土质边坡明显,不同岩层会对某一频率的波产生明显的放大效应;当振幅、卓越频率增加时,坡肩下方的加速度放大系数呈递减趋势,且在强度相对较低的岩体内较明显,但随着振幅增加,边坡动力响应增强;各处加速度放大系数受地震动持时影响较小,剪应变增量受其影响较大。当振幅、持时增加时,边坡位移呈增大趋势;当卓越频率增大时,边坡位移减小。同时,证实了地震边坡破坏由上部拉破坏与下部剪切破坏组成,研究结果有助于进一步揭示边坡在地震作用下的失稳机制。     

循环荷载下节理岩体边坡动力响应的试验研究

 在振动荷载的长期循环作用下,岩质边坡中的原生结构面可能扩大并产生新的破裂面,直接影响到岩质边坡的稳定性。以某节理岩体边坡为原型,根据相似理论制作模型框架并在其内建造室内节理岩体边坡模型,利用振动台对边坡模型进行振动加载,研究在振幅分别为1.0,1.25,1.5 mm的振动荷载作用下节理岩体边坡的动力响应规律,对比水平方向和竖直方向振幅都为1.5 mm时边坡模型的变形差异。循环加载试验表明,在振动荷载作用下,边坡变形随振动荷载振幅、振动时间的增大而增大;边坡模型对于竖向的振动荷载更加敏感;边坡模型在受到振动荷载作用时,顶部的变形大于底部的变形;长期的振动荷载作用会导致原生裂隙延伸、扩张、贯通,引起边坡变形增大;根据变形情况提出边坡在振动荷载作用下的变形过程及变形导致的整体性滑坡和局部滑塌2种可能的破坏模式。研究结果对节理岩体边坡在循环荷载作用下的动力响应、疲劳劣化机制和边坡工程的长期安全性等理论研究和工程应用具有参考意义。     

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。