反倾岩质边坡破坏的力学机制研究

以反倾岩质边坡为研究对象,建立了由一组结构面切割时边坡稳定性系数的力学计算方法。根据岩块结构面的受力模式,构建了岩块结构面的断裂力学模型,并基于断裂力学建立了各岩块结构面等效应力强度因子的求解方法和稳定性判据。引入Kelvin蠕变模型,获得了t 时刻岩块结构面等效应力强度因子的求解方法和结构面长度计算方法,为反倾岩质边坡的防治和监测提供了理论依据。以边坡内各岩块的转角为关联变量,量化了岩块转动后岩块间的相互作用力,建立了岩块转角的计算方法。最后,通过实例分析,表明建立的反倾岩质边坡破坏的力学分析方法计算结果与实际情况基本一致。     

反倾岩质边坡变形破坏的节理有限元模拟计算

岩质边坡的倾倒破坏是地质环境中广泛存在的现象,通过模拟手段对边坡的响应规律进行科学准确预测显得尤为重要。采用基于强度折减法的节理有限元法(JFEM-SSR)对反倾层状边坡的变形破坏机制进行研究,该方法可同时考虑岩块和节理属性,并能充分体现岩层或岩块接触作用的非线性关系,在获得边坡应力、位移及塑性区的同时可以到边坡的稳定系数。首先,采用JFEM对R. E. Goodman和J. W. Bray提供的一个倾倒破坏的算例进行了模拟计算,证实该法应用于节理岩石边坡稳定性分析的合理性;然后,基于该方法,采用节理网络模型建立广乐高速公路一桥墩承台开挖边坡的地质模型,对其变形破坏机制及稳定性影响因素进行研究,重点探讨地下水渗流作用、地震作用、岩层倾角、岩面厚度对边坡变形破坏的影响,以便为工程决策提供依据。     

岩土工程边坡稳定性分析中的拉伸破坏问题EI北大核心CSCD

应用FLAC^(3D)数值软件结合强度折减法,分别定义2种破坏准则来考虑拉伸破坏和不考虑拉伸破坏,并根据对比分析原理,模拟2种典型类型的边坡——均质土坡和含有节理的岩坡在不同的坡高、坡角、节理倾角情况下的稳定性问题,以探讨是否需要考虑拉伸破坏,以及在何种条件下必须考虑,影响程度如何。模拟结果显示,在采用连续介质力学与理想弹塑性模型来模拟滑坡问题时,是否考虑拉伸破坏对均质土坡稳定性影响不大,但对于模拟节理岩坡滑动的影响不可忽略。考虑抗拉强度准则之后,岩土边坡安全系数偏于保守。对于稳定性越好的边坡,进行失稳分析时,拉伸破坏对安全系数的计算影响越大。同时在岩质边坡节理的倾角接近水平和竖直时,只有在考虑拉伸破坏时才可以更加真实合理地模拟出边坡的破坏区以及剪切滑动面。采用定义的2种破坏准则分析意大利阿勒颇露天矿山滑坡问题,验证上述研究结论。最后,对数值模拟方法、本构模型、孔隙水压等对边坡稳定性模拟分析的影响进行讨论。     

地震作用下岩质边坡块体倾倒破坏分析

 基于传递系数法的概念,在建立地震作用下岩质边坡倾倒破坏地质力学模型的基础上,提出考虑地震作用边坡倾倒破坏的解析分析方法,并进一步分析地震作用对边坡倾倒稳定性的影响。该方法采用边坡几何力学参数以及潜在倾倒岩块编号来表征边坡倾倒稳定性分析中变量,从而使每个倾倒岩块的计算变量具有统一的表达式,因此很容易采用Microsoft Excel进行程序化分析。分析结果表明,地震作用下边坡的破坏模式取决于地震影响系数与其临界值的关系,地震影响系数临界值的大小取决于地震力方向以及缓倾结构面的倾角和内摩擦角,当地震影响系数小于该临界值时,按倾倒破坏分析边坡稳定性,否则边坡发生滑动破坏;边坡倾倒稳定性受地震力作用方向和地震影响系数的影响,地震作用方向对边坡倾倒稳定性影响较小,而边坡倾倒稳定性随地震影响系数的增加而显著降低。     

块裂层状岩质边坡稳定性研究

岩质边坡工程中经常会遇到层理和节理极为发育、岩体被切割成许多离散块体的块裂层状岩体边坡,该类型边坡的破坏模式和稳定性影响因素有别于一般的岩质边坡.针对该类边坡,通过室内模型试验,探讨不同开挖坡度和层理面倾角下岩质边坡的破坏特征,并运用Sarma法对于室内模型试验结果进行分析,计算结果表明Sarma法适用于块裂层状岩质边坡的稳定性分析,这对该类岩质边坡的工程实施具有一定的指导意义.     

水平厚层状岩质边坡地震动力破坏过程颗粒流模拟

 基于二维颗粒流软件(PFC2D)的人工合成岩体技术,研究岩桥长度和节理间距不同组合形式下的含水平断续节理厚层状岩质边坡在地震作用下的破坏模式、动力响应规律以及岩桥段应力演化特征。研究结果显示：地震动作用下,含水平断续节理厚层状岩质边坡主要发生溃散型破坏、拉裂–滑移–块体倾倒混合破坏和拉裂–水平滑移混合破坏;水平断续节理是控制边坡动力稳定性的关键因素。节理间距对边坡破坏模式起控制性作用：当节理间距较小时,易发生溃散型破坏;当节理间距较大时,易发生拉裂–滑移–块体倾倒破坏和拉裂–水平滑移混合破坏。岩桥长度和节理间距共同控制着边坡岩体破碎程度,从而控制着边坡失稳破坏时滑动面的个数,当节理间距很小或者节理间距较大、岩桥长度较小时,发生单滑动面破坏;当节理间距和岩桥长度均较大时,发生双滑动面破坏。在地震动力作用下,岩桥段首先发生破坏,随后各节理间也产生破坏并贯通。岩桥长度和节理间距对边坡动力响应均产生一定影响,随着节理间距减小、岩桥长度增大,峰值位移、峰值速度增大,对加速度PGA放大系数的影响区域集中在边坡坡表、坡脚等部位。地震作用下,含水平断续节理厚层状岩质边坡岩桥段应力演化、裂纹萌生与输入的地震波加速度具有良好的一致性。     

节理方向对风化岩石边坡稳定性的影响

探讨了蒙托卡罗方法在岩质边坡滑坡稳定性评价中的应用,并利用蒙托卡罗数值模拟法软件对影响边坡稳定性的节理层倾角变化进行了数值模拟,研究结果表明:节理层倾角越大,边坡的稳定性越差。     

顺层岩质边坡稳定性影响因素分析

在有限元分析的基础上,采用多层结构模型对顺层岩质路堑边坡稳定性的影响因素进行了分析.指出当边坡走向与岩层走向夹角超过30°后,边坡发生顺层滑动破坏的可能性很小,基本上可不视为顺层边坡,这与试验结果一致.同时也阐明了岩层倾角以及结构面抗剪强度对顺层岩质边坡稳定性的影响.文中结论可为顺层岩质边坡的科研、设计和施工提供参考.     

岩土工程边坡稳定性分析中的拉伸破坏问题

应用FLAC~(3D)数值软件结合强度折减法,分别定义2种破坏准则来考虑拉伸破坏和不考虑拉伸破坏,并根据对比分析原理,模拟2种典型类型的边坡——均质土坡和含有节理的岩坡在不同的坡高、坡角、节理倾角情况下的稳定性问题,以探讨是否需要考虑拉伸破坏,以及在何种条件下必须考虑,影响程度如何。模拟结果显示,在采用连续介质力学与理想弹塑性模型来模拟滑坡问题时,是否考虑拉伸破坏对均质土坡稳定性影响不大,但对于模拟节理岩坡滑动的影响不可忽略。考虑抗拉强度准则之后,岩土边坡安全系数偏于保守。对于稳定性越好的边坡,进行失稳分析时,拉伸破坏对安全系数的计算影响越大。同时在岩质边坡节理的倾角接近水平和竖直时,只有在考虑拉伸破坏时才可以更加真实合理地模拟出边坡的破坏区以及剪切滑动面。采用定义的2种破坏准则分析意大利阿勒颇露天矿山滑坡问题,验证上述研究结论。最后,对数值模拟方法、本构模型、孔隙水压等对边坡稳定性模拟分析的影响进行讨论。     

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。     

水–岩作用下断续节理砂岩力学特性劣化机理

在库水位周期性升降作用下,库水消落带节理岩体的损伤劣化很可能导致库岸边坡向不稳定的方向发展。基于此,开展了断续节理砂岩的水–岩作用试验,结合力学试验和微细观结构检测综合分析其劣化规律及机理。结果显示:(1)在长期水–岩作用过程中,断续节理岩样的抗压强度、变形模量劣化趋势明显,而且存在明显非均匀性,其中前3个水-岩作用周期的阶段劣化度明显较大,5个水–岩作用周期之后的阶段劣化度明显减小并趋于稳定。(2)水–岩作用下,不同节理倾角岩样的力学参数劣化幅度不一样,阶段劣化度总体呈U型分布,节理倾角在0°和90°附近时,节理岩样从明显的张性破坏逐渐向剪性破坏转变,破坏模式变化特征比较明显,对应力学参数劣化幅度较大;节理倾角为60°左右时,节理岩样总体保持顺节理面的剪切破坏,破坏模式变化特征不明显,对应力学参数劣化幅度比较小,这些变化也使得节理岩样各向异性力学特征逐渐减弱。(3)在水库长期运行过程中,消落带节理岩体的产状直接影响水–岩作用的劣化趋势和变形破坏特征,因此,在库岸边坡长期变形稳定分析中,不仅要关注消落带岩体力学性质的劣化,也要关注节理岩体的产状差异及其在水–岩作用下变形破坏模式的转化。     

节理岩体边坡概率损伤演化规律研究

露天矿边坡岩体是含有大量空间上随机分布裂隙的三维损伤体，岩体的强度和内部裂隙分布在空间上均具有随机性，岩体损伤是一种概率损伤。应用三维节理网络模拟技术建立节理岩体损伤张量及概率分布规律的计算方法，综合应用Rosenblueth原理、损伤断裂力学与数值模拟等理论与技术，建立三维节理岩体概率损伤演化的耦合分析程序，通过对鞍钢眼前山露天铁矿南帮边坡岩体随采场逐渐下降过程中概率损伤演化规律的数值模拟，计算得出边坡岩体在不同开采阶段的损伤张量的均值与标准差，揭示节理岩体损伤张量在露天矿开采的空间和时间上的动态变化规律，建立露天矿不同开采阶段的边坡岩体三维随机损伤场，为评价露天矿边坡可靠性的动态变化规律奠定基础。     

节理岩体边坡模糊稳定性分析方法研究

节理岩体边坡失稳破坏同时受控于节理与岩体抗剪强度。在对具有两组平行节理的岩体边坡失稳破坏机制研究基础上，探讨节理岩体边坡几何物理参数为模糊数情况下边坡稳定性评价的分析方法，给出节理岩体边坡模糊安全系数的计算公式，编制基于潜在滑动面自动搜索边坡模糊稳定性研究程序。算例研究成果表明，采用模糊分析方法可以对节理岩体边坡稳定性有更全面客观的了解，能为潜在不稳定边坡的稳定性评价和锚杆设计等提供重要的参考依据，避免发生由于计算参数不确定性引起的加固节理岩体边坡破坏情况。     

A new model for effects of impersistent joint sets on rock slope stability

Joints often have profound effects on elastic properties and strength of rock masses and therefore on rock slope stability. In surface mine slopes, joints are usually too numerous to be taken into account individually, so an equivalent properties approach is necessary. Previous work that treats a jointed rock mass as an equivalent composite material of joints and intact rock between resulted in excellent agreement between estimated and true rock mass elastic moduli in case of fully persistent joints, for example, [Pariseau WG. An equivalent plasticity theory for jointed rock masses. Int J Rock Mech Min Sci 1999;36(7):907–18]. Rock mass failure mechanisms on joints and through intact rock were retained using influence functions obviating the need for an equivalent rock mass strength. Impersistent joints, which are not continuous on a joint plane, can be accommodated [Pariseau WG. Effects of joint persistence on jointed rock masses. Trans Soc Min Metal Explor 2003;314:121–8]. However, slope stability analysis of a large, deep copper mine indicated a need for computational efficiency even in two-dimensional analysis of vertical sections through pit walls [Puri S. Role of joint persistence in rock slope stability. MS thesis, Department of Mining Engineering, University of Utah, 2006]. The analyses by the popular finite element method used small elements of bench size near the pit slopes and much larger elements away from the pit walls. The reasons for the graded meshes were numerical accuracy (small elements) and computational economy (large elements). Small elements contained only a few joints, while the larger elements contained hundreds of joints and led to impractical computation run times, on the order of days. A new modeling procedure that recognizes sufficiently large elements as representative volume elements (RVEs) assists in overcoming this obstacle. A companion improvement embeds a sufficient number of joints in RVE-size elements that then allows for recovery of joint failure mechanisms that are lost with the RVE designation. These innovations reduced PC (Pentium-4) run times by two orders of magnitude to a few hours.     

岩质边坡断续裂隙阶梯状滑移模式及稳定性计算

阶梯状滑移破坏是一类典型岩质边坡破坏失稳模式。在总结断续裂隙阶梯状滑移的岩质边坡地质结构特征的基础上,利用离散元二维颗粒流程序（PFC^2D）模拟研究了边坡阶梯状滑移破裂模式及其演化过程。边坡岩桥可归纳为剪切贯通破坏、张拉贯通破坏及张–剪混合贯通破坏3类。通过岩石细观颗粒黏结力场、岩桥段应力及破裂贯通演化分析,揭示了重力作用下阶梯状滑移是从下而上岩桥逐个渐进性破裂贯通演化的过程,坡体后缘张裂纹发展贯通是下部坡体的牵拉作用造成;以缓倾角阶梯状平行裂隙边坡（岩桥倾角90°,裂隙倾角30°）为例,阶梯状滑移过程大致可分为坡体弹性稳定变形、下部岩桥贯通破坏、中上部岩桥贯通–后缘张裂、整体沿贯通面滑移共个阶段,其中第3个阶段坡体微断裂数急剧增加,为滑裂带扩展至贯通的临界失稳状态。基于滑移模式及其演化过程的认识,建立了岩桥剪切贯通、张拉贯通和张–剪混合贯通三类阶梯状滑移边坡稳定性计算理论模型,推导了考虑岩桥强度和贯通率的边坡安全系数极限平衡计算公式。     

含两条节理岩样压缩破坏行为的颗粒流模拟

利用颗粒流软件中平行粘结方式建立数值计算模型,通过校核室内试验数据确定数值模型的细观参数值,并采用smooth-joint在模型中设置两条断续节理,通过改变岩桥倾角和节理倾角,建立不同节理布置数值模型。从细观和宏观两方面,研究单轴压缩荷载下节理试样内接触力、微裂隙数量和节理岩体的破坏行为发现,峰值轴向应力之前,微裂隙数量增加缓慢,峰值轴向应力之后,微裂隙数量迅速增加;颗粒接触力易在节理端部和岩桥处聚集,在节理中间段附近分布较为稀疏,接触力较大的位置易产生裂纹;峰值轴向应力时刻,岩桥倾角为15°时,岩桥均未贯通,岩桥倾角为45°和75°时,绝大部分试样的岩桥贯通了,节理倾角为90°时,岩桥全部没有贯通。     

节理起伏角对非贯通节理岩体力学特性的影响

对非贯通节理岩体进行直剪试验,在相同法向应力作用下研究具有不同节理起伏角的非贯通节理岩体的强度特性、变形特征。并采用颗粒流数值模拟软件(PFC 2D)进一步研究非贯通节理岩体的细观扩展机理。两种试验研究表明:(1)非贯通节理岩体的破坏形态受节理起伏角的影响显著,随着节理起伏角增大,岩体的破坏程度逐渐加重,岩体破坏时的张拉裂纹越大,裂纹数目也越多,张拉节理与两节理面之间的夹角将越大,表面破损也越明显;(2)非贯通节理岩体的变形特征受节理起伏角的影响显著,当节理起伏角不同时,非贯通节理岩体的法向变形将不同,随着节理起伏角增大,非贯通节理岩体的峰值切向位移逐渐减小;(3)非贯通节理岩体的强度特性受节理起伏角的影响显著,随节理起伏角的增大,非贯通节理岩体的峰值剪切强度增大,岩体抗剪强度增大。     

岩质边坡抗震稳定性的能量方法研究

 地震荷载作用下边坡失稳判据是岩土力学研究的热点和难点,综合运用极限分析和波动理论,从功率角度出发,提出外力功率等于内能耗散的岩质边坡能量稳定性评价方法。借助强度折减法和超载系数法,通过安全系数对单节理边坡进行定量化安全性评估。以P波倾斜入射单节理边坡为例,首先,研究边坡的自稳临界高度和应力波入射节理透反射基本规律;其次,在边坡临界自稳高度范围内,研究应力波作用下边坡临界高度的动态变化情况;最后,根据外力功率等于内能耗散的判断准则,通过强度折减法和超载系数法,分析动荷载作用下单节理边坡动态安全系数的变化,计算块体极限滑动时所需的能量。研究表明：边坡节理面的黏聚力越高,其自稳临界高度越高,动荷载作用下边坡动态临界高度也越高,抗震性能也越好;随着入射P波峰值强度的增大,边坡动态临界高度降低的幅度也增大;随着入射角度的不断减小,边坡动态临界高度变化的幅度不断增大,表明地震作用下边坡破坏的可能性不断增大;边坡动安全系数的变化趋势与透射应力的变化趋势相反;边坡的高度越高,块体越不稳定,其极限滑动时所需的能量也越少。     

顺层岩质边坡开挖稳定性研究

用地质力学模型试验方法,在实验室对顺层岩质边坡进行分期开挖破坏试验;同时,利用三维快速拉格朗日差分分析(FLAC3D)程序模拟开挖破坏过程。2 种方法所得结果具有较好的可比性,揭示了顺层岩质边坡在开挖状态下岩体变形破坏的一些规律。提出在实际工程中,为避免开挖过程中边坡出现顺层滑动,宜边开挖边支护,且首先在坡脚处设置锚杆。     

成组节理岩体的有限元塑性极限分析研究

运用有限元塑性极限分析方法研究节理岩质边坡的稳定性。含成组节理岩体的力学行为受控于节理面的方位和强度参数,从宏观上将节理岩体视为均质各向异性体,在有限元塑性极限分析中引入节理岩体各向异性的屈服条件,建立了节理岩质边坡有限元塑性极限分析的上、下限法数学模型。