滑坡位移分形参数Hurst指数及其在堆积层滑坡预报中的应用

 在系统分析堆积层滑坡的物质组成和位移失稳规律的基础上,根据分形理论基本原理,对该类滑坡的位移失稳过程所具有的非线性、突变性和分形降维特性进行较为深入的分析与研究。运用分形理论R/S分析法,确定滑坡位移时序分形动力学参数位移Hurst指数,并分别以三峡库区典型堆积层滑坡——新滩滑坡和黄蜡石滑坡为例,计算滑坡位移失稳过程的Hurst指数。分析和评价位移Hurst指数与边坡稳定性的关系,发现Hurst指数随着边坡由稳定向失稳的演化出现明显降维突变规律,且降维时间与滑坡整体失稳时间相吻合。这表明位移Hurst指数是堆积层边坡稳定性评价的一种有效非线性分形动力学参数,可以运用这个非线性分形参数对该类滑坡失稳演化趋势与规律进行非线性动力学评价与预测。     

R/S分析在滑坡变形趋势预测中的应用

R/S分析(重标度极差分析)是一种描述和刻画非线性时间序列的有效方法。针对滑坡地表位移监测时序确定性与随机性共存的复杂非线性特征,对三峡库区的一个实例滑坡的长时期位移时序进行了R/S分析。分别计算了滑坡累积位移时序和增量位移时序的Hurst指数,指出增量位移时序是更有效的分形结构,其Hurst指数能定量刻画滑坡的变形趋势;分析了滑坡增量位移时序的非周期循环长度,发现滑坡前缘与中后部的增量位移时序Hurst指数和非周期循环长度存在显著差别,并从滑坡变形诱发机制上解释了这一差异产生的内在原因;最后基于滑坡变形演化的力学机理,提出了一个利用增量位移时序Hurst指数判断滑坡加速变形阶段的概念模型:为提高和完善滑坡失稳时间预测预报理论,提供了一个有意义的新思路和新方法。     

降雨条件下折线型滑面的大型滑坡稳定性离心模型试验

以大型土工离心机为技术依托,采用离心模型试验,研究开挖和降雨对滑面为折线型的大型滑坡变形破坏和稳定性的影响。试验中采用变形标志点、颗粒图像测速技术(PIV)和可承受高离心力的传感器,在获取坡体土压力、孔隙水压力和位移矢量场的基础上,综合分析开挖和降雨诱发大型滑坡变形破坏的特征及失稳模式。试验结果表明,在滑面形态变化大的部位开挖卸荷容易引起折线型滑面大型滑坡的局部复活;受开挖卸荷和降雨影响,滑坡后缘的开挖斜坡位移最大且最先失稳;受降雨的影响,滑坡前部位移较大,坡体表面变形破坏严重,开挖斜坡下部发育一条次级滑裂面,滑坡后缘和开挖平台前沿滑面坡度突变处各形成一条潜在主滑裂面。离心模型试验显示折线型滑面的滑坡受开挖和降雨的影响可表现出分级分块滑动的变形破坏特征。稳定性分析表明,降雨使折线型滑面的大型滑坡不同滑段稳定性系数不同程度降低,滑坡后缘、开挖斜坡和滑坡前缘处于不稳定状态。     

库水位骤变下滑坡–抗滑桩体系作用三维分析

库水位上升产生的浮力作用和库水位骤降时产生的渗透动水压力,将改变原有的水–边坡作用环境与条件,不利于库区边坡稳定。结合三峡库区马家沟I号滑坡的现场监测成果以及库水位波动数据,利用数值模拟方法,建立真三维模型。采用有限差分程序软件内置的Fish语言将分别考虑库水位上升和下降对坡面产生的静水压力作用、动水压力作用耦合于有限差分程序软件,对滑坡在库水位骤然上升与下降的位移和应力场进行分析,研究应力–渗流耦合作用下抗滑桩加固库区滑坡位移和受力特征,探讨滑坡–抗滑桩相互作用体系的防治效果。结果表明：抗滑桩与土体形成土拱效应以及抗滑桩阻滑效应相互作用下防治滑坡效果明显;库水位骤降产生的动水压力相比于库水位骤升产生的静水压力对滑坡–抗滑桩作用体系的减弱作用更大;数值模拟方法为对库水位骤变下滑坡–抗滑桩体系相互作用三维分析具有一定的指导意义。     

顺层震裂斜坡降雨触发灾变机制及稳定性分析——以三溪村滑坡为例

 震裂斜坡作为震后灾区潜在的高危地质灾害承载体分布广泛,尤其在雨季突发失稳的现象突出。针对该类灾害,以三溪村滑坡为例,通过现场详细调查,采用Seep模块探寻降雨作用下斜坡的水响应规律,并通过室内试验获取不同条件下的强度参数。在此基础上,对降雨触发型震裂斜坡变形破坏的机制模式进行归纳,参照滑坡所处实际情况建立相应的水力学模型,量化计算斜坡稳定性系数。研究表明：(1) 顺层震裂斜坡灾变过程可分为原始斜坡–地震损伤–蠕变弱化–降雨触发–滑坡失稳5个演化阶段。(2) 降雨是岩体形成深部裂隙、节理扩展从而切割岩体呈条块状的重要原因,同时裂隙的贯通促进了降雨入渗,导致滑带饱水软化、加速蠕变变形至失稳。(3) 降雨与震后蠕变效应的耦合作用是影响坡体稳定性的主要因素,经历前期的降雨饱水软化以及同期的蠕变累计变形,最终在暴雨形成的水动力触发下失稳破坏。研究成果为降雨型震裂斜坡稳定性机制分析及工程治理提供参考。     

地震作用下双排抗滑桩支护边坡振动台试验研究

利用大型振动台试验研究双排抗滑桩支护在地震荷载作用下的抗震性能。通过对比上部锚杆+下部双排桩共同支护与单一桩支护的破坏过程,分析两种情况下坡体的动力响应与破坏机制。试验表明在桩+锚杆共同支护下,桩后边坡坡脚首先发生剪切破坏,当地震动作用增大到一定范围,坡顶出现张拉裂缝,两者贯通时边坡发生越顶破坏;单一桩支护条件下,首先在坡顶出现张拉裂缝,裂缝随着地震动作用增大向下扩展,当同下部剪切滑移带贯通时,边坡失稳破坏。通过坡体裂缝发展过程、位移及加速度监测数据表明,前者的抗震性能显著优于后者;在地震动作用下,边坡破坏是张拉–剪切复合作用的结果。试验研究为双排抗滑桩抗震设计奠定了坚实的基础。     

四川丹巴甲居滑坡动态变形过程三维系统监测及数值模拟分析

 受青藏高原地质构造作用的影响,我国西南山区分布着大量成因类型多、机制复杂、突发性强、变形破坏发展趋势难以预测、失稳后破坏性大等特点的堆积体滑坡。甲居滑坡为大渡河上游一巨型松散堆积体古滑坡局部复活,针对滑坡动态变形过程和失稳破坏迹象,综合采用GPS地表位移监测、干涉InSAR监测和深部位移监测(测斜仪),3种监测技术优势特点并相互结合构成三维系统监测网。根据监测成果分析,判别其当前为浅表层加速变形破坏和深部缓慢变形的演化阶段;研究其变形失稳模式为浅表层滑移–拉裂失稳破坏和深部蠕滑–拉裂变形的复合模式;并利用FLAC3D数值模拟滑坡在动态变形过程中滑坡体内的应力场、位移、塑性破坏区分布特征的变化。     

根据应力场和位移场判断滑坡的破坏类型及最优加固位置确定

 滑坡的类型通常有推移式、牵引式和复合式。基于数值分析方法结合变模量弹塑性强度折减法,可以得到滑坡体的应力场和位移场。根据数值分析结果,发现推移式滑坡的上部位移和应力水平高于下部,而牵引式滑坡的下部位移和应力水平大于上部,复合式滑坡则是推移式和牵引式的组合,从而可以根据应力场和位移场较明确地确定滑坡体的滑坡类型。通过假设采用抗滑桩加固滑坡体,设定抗滑桩处于不同的位置,研究其安全系数大小与坡体应力场和位移场的关系,发现当抗滑桩置于应力水平和位移较大的部位时可以获得较大的安全系数,因而推移式滑坡的最优加固位置在坡体上部,牵引式滑坡的最优加固位置在坡体下部,复合型滑坡的最优位置在坡内应力水平和位移较大的部位。因此,可以根据数值分析得到的应力场和位移场确定滑坡的最优加固位置,为工程处理提供较明确的合理加固位置,对指导滑坡处理有较好的意义。最后通过对几个典型滑坡的计算分析,验证该方法的合理性和可行性。     

基于动态演化特征的锁固段型岩质滑坡前兆信息研究

 大型岩质滑坡是高能量突然释放的突发性地质灾害,常造成重大人员伤亡和经济损失。其中锁固段型岩质滑坡为大型岩质滑坡的主要类型,其发展演化具有较强的隐蔽性和突然性。依据锁固段存在形式和赋存位置,将锁固段型滑坡细分为“三段式”、“挡墙式”、阻滑块体、线性多级和阶梯状多级型5种类型。通过分析典型锁固段型滑坡的工程地质特性、滑坡阶段性演化规律和突发失稳特征,并基于动态演化特征从滑坡后缘拉裂缝开裂闭合、前缘鼓胀、坡体加剧变形和岩体微破裂声学信号特征等对岩质滑坡失稳前兆信息进行了系统总结。根据不同滑坡不同演化阶段的前兆失稳信息,利用InSAR,LiDAR,GPS,三维激光扫描和岩石微震等先进技术,采用“空–天–地–内”一体化的滑坡失稳预警防治方法。不同演化阶段的滑坡前兆信息的获取,对具有突发灾害的锁固段型岩质滑坡防治具有重要指导意义,可提高灾害预警预报准确率。     

层状岩体斜坡强震动力响应的振动台试验

 通过大型振动台试验,研究反倾和顺层两类结构岩体边坡在强震条件下的地震动力响应。结果表明：强震条件下,斜坡对水平地震动力的响应要远超过垂直地震动力,前者所导致的加速度响应峰值(PGA)放大系数是后者的2～3倍。在水平地震动力作用下,斜坡的地震动响应具有显著的高程效应和结构效应。对于硬岩顺层斜坡在1/2倍坡高以上坡面和坡内均出现显著的PGA放大效应;而硬岩反倾斜坡的放大效应则主要表现在坡体内部1/2倍坡高以上和坡体表部2/3倍坡高以上,且放大幅度要高于顺层斜坡。软岩斜坡在水平地震力作用下的动力响应总体上较硬岩斜坡弱,顺层斜坡表现为1/2倍坡高后,PGA放大系数的持续增大,而反倾斜坡主要表现为坡表中下部(1/4倍坡高处)和3/4倍坡高以上PGA的突然增大。模型在强震条件下的破裂观测结果表明：硬岩顺层斜坡(HD)在变形破坏通常表现为顺层滑移–下部隆起溃屈型失稳;硬岩反倾斜坡(HAD)为后缘垂直拉裂–中下部平缓剪出型失稳(L型滑面);软岩顺层斜坡(SD)为顺层滑移–底部挤出–分层滑移型失稳;软岩反倾斜坡(SAD)为斜坡顶部拉裂–下部剪出型失稳。试验结果与现场观察现象能较好吻合,从而深入揭示强震条件下层状结构斜坡的地震动力响应和失稳破坏机制。     

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.     

楔刀作用下含水平节理岩体的位移场特征及损伤演化试验研究

 为了研究水平节理对盘形滚刀破岩机制的影响,对实际条件进行简化后,在改进的试验装置上进行楔形刀具作用下相似材料的贯入破坏试验。用CCD相机对试件表面的变形、破坏过程进行实时拍摄,并采用数字散斑相关方法对采集图像进行分析,获得试件表面的位移场分布特征。通过位移场方差的演化对节理试件刀具荷载下的破坏进行表述。在采用相机拍摄数字图像的同时,采用声发射测试系统对试件破坏过程中微破裂源进行二维平面定位,研究含水平节理试件在楔形刀具作用下微震裂源的形成机制和微破裂分区聚集成核的特点。     

循环载荷作用下岩石材料变形场演化试验研究

 将岩石在动载荷作用下破坏过程的应力场直观地表现出来,从变形场演化的角度研究岩石试件的破坏规律是岩石力学变形观测领域一个有重要意义的课题。采用岩石材料破坏过程变形场监测(Geo-DSCM)系统,观测循环载荷作用下岩石材料破坏过程中的变形场演化。岩石试件采用大理岩加工而成,对岩石试件加载的循环载荷为正弦波,其下、上限载荷分别为10,130 kN,频率为0.04 Hz。通过对多个岩石试件的变形破坏过程的观测,从变形场演化的角度总结岩石材料在循环载荷下的破坏规律。试验结果表明：循环载荷作用下岩石的变形经历3个阶段,即均匀阶段、局部化阶段和破坏阶段。岩石在破坏过程中其变形场演化表现出一个规律,即在破坏前夕发生严重的变形局部化现象,形成变形局部化带;变形局部化带中的变形进一步集中,形成宏观裂纹,导致试件破坏。从而可用一种描述变形场局部化特征的统计量(如变形场的方差)来表征变形场演化过程,岩石破坏前发生变形局部化,此统计量会发生突跳。因此,此统计量可用以指示岩石结构的破坏,如果设计现场观测系统,应用此方法有望实现灾害监测与预报。     

Centrifuge Model Tests on a Cohesive Soil Slope Under Excavation Conditions

Problems induced by slope excavations are quite common. An in-flight excavation device was realized to simulate the live excavation of slopes at high g levels during centrifuge model tests. A series of centrifuge model tests was conducted to simulate the excavation of a slope at different inclinations and heights, and the effect of the excavation size was taken into consideration. The displacement histories of points over the slope were measured by an image capture and displacement measurement system. Measurement results showed that the excavation-induced deformation process could be divided into several phases with different displacement distribution features. The excavation was found to only affect a restricted zone of the slope whose boundary could be outlined by an A-surface. A strain analysis was conducted to determine the excavation-induced strain localization area of the slope. The degree of strain localization increased as the excavation time increased, but the width of the strain localization area was nearly invariable. Shear failure first occurred near the excavation surface and then extended upwardly to the slope surface under excavation conditions, while tension failure played a dominant role in the upper part of the slip surface. The strain localization area moved towards the slope surface with an increasing slope inclination. The lower part of the final slip surface was located in the strain localization area.     

水位下降条件下土坡破坏的离心模型试验研究

水位下降引起土坡破坏的规律机理对于发展稳定性分析方法具有重要意义。研制了离心模型试验中超重力场水位升降模拟设备,进行水位下降条件下黏性土坡变形破坏的离心模型试验。根据试验位移测量结果,基于变形与破坏过程集成分析的思路探讨了土坡破坏机理。水位下降导致土坡发生由坡顶向坡脚的渐进性的错动破坏。水位下降条件下土坡的变形和破坏过程是耦合的。变形局部化发展是导致滑裂面出现的根本原因。滑裂面出现后滑动体内部仍发生显著的变形,并与滑裂面上的错动变形相耦合。     

基于CT数字体相关法测量红砂岩单轴压缩内部三维应变场

 基于X射线工业CT实时获取单轴压缩过程中红砂岩试件的三维数字体图像,采用数字体相关(digital volume correlation,DVC)法测量、分析受载过程中试件内部三维变形场及应变场。通过位移场和应变场的分析,揭示试件内部应变局部化演变及破坏过程。红砂岩内部结构可以作为散斑结构,成为变形信息的载体,DVC法的精度可达0.05体素;红砂岩变形破坏中存在明显的应变局部化特征,在峰值荷载的68.9%时试件内部出现应变局部化区域,并逐渐发展至试件破坏,局部化区域与试件最终破坏面位置相一致。研究结果表明,DVC法测量结果能够直观地反映出试件内部应变局部化特点及其演化的过程,为岩石内部变形可视化提供了方法。     

边坡动力破坏机理的振动台试验研究

将数字图像位移测量技术和有限元数据平滑方法应用到边坡模型的振动台试验中,得到了整个振动过程的位移场和应变场,探讨了土质边坡的动力破坏模式和破坏机理。结果表明土质边坡的变形是渐进式的,坡体中部到坡脚是剪切破坏,坡顶一定深度是拉剪破坏,破坏时有深层的圆弧状滑动面,用位移时程曲线的广义曲率做为判断边坡动力破坏的物理量是可行的。     

华南典型巨厚层红层软岩边坡降雨失稳的模型试验研究

 针对华南巨厚层红层软岩边坡在强降雨条件下极易致灾的问题,采用相似理论,通过制备可表征软岩遇水软化特性的相似材料,构建巨厚层红层软岩边坡相似模型,研究其在中小雨(雨强Id＜25 mm)、大雨(25 mm≤Id＜ 50 mm)、暴雨(50 mm≤Id＜100 mm)等降雨模式下的灾变过程和规律。结果表明：(1) 该类型边坡的变形破坏受降雨模式的影响较大,大雨和暴雨等强降雨条件下边坡岩体逐渐崩解软化,在坡脚处首先达到饱和,产生初始裂缝,在重力及渗透力作用下,裂缝进一步扩展贯通,产生局部破坏,这样,坡脚之上的部分失去支撑,导致整个坡体产生牵引式滑坡。(2) 降雨入渗主要分为无压渗流、有压渗流与饱和渗流3个阶段,边坡表面裂缝主要出现在无压渗流阶段并在有压渗流阶段逐渐扩展贯通、在饱和渗流阶段发生破坏;降雨过程中超孔隙水压力的累积和消散改变了边坡有效应力场的分布,从而引起其位移。(3) 临滑阶段,有效应力和孔隙水压力比位移、位移变化速率等参数对边坡的破坏响应更敏感,因此提出基于应力监测的边坡灾变过程安全预警新思路。     

Effect study of cracks on behavior of soil slope under rainfall conditions

Deep-seated landslides in slopes are often induced by rainfall due to pre-existing cracks or weak layers. A series of centrifuge model tests under rainfall conditions were conducted on slopes with different types of cracks. The histories of suction and displacement of the slope were measured during the tests to investigate the infiltration–deformation–failure process of the slopes. The wetting front curved notably near the crack under rainfall conditions. The deformation of the slope was mainly caused by the saturation of soil and crack-affected water infiltration under rainfall conditions. The displacement process of the slopes with cracks can be divided into a small displacement stage, a rapid increase stage, and a stable stage. The influence of the crack on the infiltration and deformation of the slope decreased with increasing distance from the crack. Rainfall induced significant vertical deformation near the vertical crack rather than horizontal deformation. In contrast to the oblique crack, the vertical crack on the slope top was unlikely to lead to global landslide under rainfall conditions. The deformation–failure behavior of the slope with cracks was also affected by the rainfall style and rain intensity.     

软土桩基上拓宽路堤的变形破坏离心模型试验

采用离心模型试验手段,以广州高速公路改扩建工程为背景建立模型,设计相应尺寸的模型试验方案,模拟软土桩基上的新路堤拓宽过程,研究软土桩基的变形破坏规律与机理。结果表明:旧路堤主要发生竖向位移,新路堤发生沉降和一定量水平位移; 新路堤坡肩区域出现向坡脚滑动趋势,导致新路堤施工过程中路堤和软基产生滑动破坏; 新路堤中的滑裂面首先出现,从新路堤坡肩到短桩顶端自上而下逐渐形成; 在新路堤滑裂面形成过程中,软基中的滑裂面从旧路堤下的地基表面至新路堤坡脚下地基部分自内向外逐渐形成,2条滑裂面几乎同时达到贯通状态; 管桩发生一定程度的倾斜,在滑裂面出现之前的某一时刻倾斜角度迅速增加; 在局部滑裂面附近位移出现较快增长,变形较为集中; 变形局部化导致了局部发生破坏,而局部破坏促进了变形局部化的进一步发展,二者的耦合发展最终导致土体发生破坏。