反倾岩质边坡弯曲倾倒-剪切滑移破坏分析方法研究

目前反倾岩质边坡弯曲倾倒破坏分析方法仍以基于极限平衡理论的悬臂梁模型为主,但大多未考虑坡脚岩层的剪切破坏。为准确评价该类边坡的稳定性,建立考虑坡脚岩层剪切破坏的分析计算方法。首先,根据岩层变形破坏特征,将边坡分为后缘稳定区、中部弯曲倾倒区和前缘剪切区3个区域;其次,建立弯曲倾倒-剪切滑移破坏模式的稳定性分析方法;最后,通过工程实例验证,并进行参数分析。研究结果表明:提出的分析方法与工程实际符合性较好;边坡在倾角较陡、坡角较大时稳定性最差,坡角对边坡稳定性影响大于岩层倾角的影响;岩层厚度及层面内摩擦角增加有利于边坡稳定性,且会扩大坡脚剪切区范围。研究成果对反倾岩质边坡破坏的防治具有实践指导意义。     

上覆土层节理岩质边坡稳定性数值分析

采用Mohr-Coulomb和Ubiquitous-Joint本构模型,运用强度折减法,研究节理面倾向与倾角、土层与岩层的厚度比例对上覆土层节理岩质边坡稳定性的影响。结果表明: 节理面顺倾角度大小与岩体中岩石的内摩擦角接近时,坡体稳定性较差,破坏区域较大;节理面反倾角度与坡体潜在破坏裂隙近似正交时,坡体稳定性较好; 随着坡角的增大,节理面倾角变化对坡体稳定性的影响逐渐减弱;当节理面倾角大于坡角时,边坡角度是影响坡体稳定性的主要因素; 上覆土层厚度小于4m时,安全系数随土层厚度的增加而增大,土层厚度大于4m时,安全系数随土层厚度的增加而减小;上层土体的厚度较小时,应重点对坡脚处进行支护;上层土体厚度接近或超过坡高一半时,应重点对上层土体临空侧进行支护。     

反倾层状岩质边坡倾倒破坏的离心模型试验研究

针对反倾层状岩质边坡倾倒破坏机理认识的不足,采用平板玻璃作为相似材料,开展不同边坡坡角及岩层反倾角组合条件下的多组离心模型试验;结合图像量测技术,综合分析坡体在离心加载条件下变形倾倒特征,提出反倾层状岩质边坡典型倾倒破坏模式和倾倒破裂面位置的确定方法。研究表明:坡体倾倒变形主要发生在破裂面以上,坡趾岩层起到抗倾倒作用,变形过程分为位移量稳定增长和位移量加速增长两个阶段;坡体倾倒破坏模式经历坡趾岩层断裂、近坡顶张拉裂缝产生、岩层折断渐进式延伸及裂缝贯通瞬间倾倒4个阶段;边坡坡角及岩层反倾角影响坡体破坏时的临界坡高与破裂面位置,可通过计算位移矢量方向确定破裂面位置。上述研究成果,为反倾层状岩质边坡的破坏理论发展、工程地质灾害评价及防灾减灾提供参考。     

互层倾倒边坡岩层折断深度对挠度的影响分析

针对互层反倾岩质边坡倾倒破坏问题,在综合考虑软岩和硬岩力学性质差异的基础上提出了"组合悬臂梁"模型,并对各悬臂梁进行了力学分析。依据最大拉应力破坏准则建立平衡方程,计算出硬岩岩层的折断深度,并利用"分段叠加法"给出了组合岩层坡表处挠度计算公式。根据澜沧江苗尾水电站库区左岸一典型反倾软硬互层岩质边坡岩体参数,研究折断深度对组合岩层挠度的影响,结果表明:硬岩岩层折断深度越大组合岩层坡表处挠度越大;折断深度一定时,随着软岩与硬岩厚度比的增大、弹性模量比减小,组合岩层挠度增大;组合岩层挠度较大区域集中在岩层倾角60°附近,推测组合岩体岩层倾角接近60°时容易发生倾倒变形。     

考虑随机横向节理的反倾层状边坡倾倒破坏分析

实际边坡工程中,横向节理极其发育,且节理位置分布随机,节理长度也各不相同,随机横向节理对反倾向层状边坡倾倒破坏的影响规律尚不清楚。为此,通过计算机随机生成了横向节理的位置系数和长度系数来表征横向节理的随机特性,建立随机横向节理反倾向层状边坡模型。应用该模型探讨边坡发生倾倒破坏的启动条件和破坏机理,并基于极限平衡理论确定岩层的破坏模式和破坏位置。以皖南山区的典型反倾向层状板岩边坡为研究对象,分析横向节理位置和横向节理长度对边坡倾倒破坏的影响规律。结果表明：无论横向节理如何分布,岩层(从坡脚至坡顶)发生破坏所需的层间力总是先增大后减小;当横向节理位置或者横向节理长度发生改变时,潜在破坏岩层的层间力也随之发生改变,且其数值随横向节理长度的增加而明显减小;当横向节理位置和横向节理长度都随机改变时,层间作用力曲线形状变化较大,个别岩层发生破坏时所需的层间力差值较大。研究结论对反倾层状边坡倾倒破坏机理的认识与地质灾害防治有参考价值。     

反倾互层岩质边坡挖方稳定性的建模分析

现有反倾互层岩质挖方边坡的稳定性分析方法很难将动力载荷位移响应比参数控制在预警标准值以下,导致分析结果不够精准。分别从岩体强度、岩层组合结构、力学载荷作用、时间、不连续面力学特征等5个方面,分析影响反倾互层岩质边坡稳定性的要素条件,计算挖方边坡整体边坡角数值,根据损伤贯通区域发展原理分析失稳损伤破坏特征,计算挖方卸荷效应下的施工强度,构建反倾互层岩质挖方边坡的稳定性模型。实例测试表明,应用该稳定性建模分析方法后,随着边坡高度的不断增大,挖方动力载荷位移的响应比参数始终低于5.42,未超过预警标准值,可精准分析反倾互层岩质挖方边坡的稳定性。     

倾角变化条件下反倾层状斜坡倾倒变形演化研究

倾倒变形是反倾层状岩质边坡的一种典型破坏模式,为了研究不同岩层倾角对反倾层状岩质边坡倾倒变形的影响,以澜沧江上游古水水电站坝前倾倒变形体为原型,从岩层倾角变化的角度出发,利用大型土工离心机试验分析了反倾层状岩质边坡的失稳破坏过程、变形演化特征与最终失稳模式等。结果表明：(1)反倾层状斜坡的变形演化过程基本概括为岩层压密-坡脚压裂阶段、弯折面形成-部分失稳阶段和弯折面贯通-彻底失稳3个阶段,岩层倾角的改变并不会影响斜坡阶段性演化过程;(2)岩层倾角越大的斜坡,斜坡形成弯折面所需时间越短,失稳破坏发生后坡体贯通性倾倒破坏深度更大,对应的变形范围越大,折断岩层的破坏程度越剧烈;(3)岩层倾角变化会导致斜坡的倾倒变形过程与最终失稳模式存在一定差异。倾角较小的55°和70°模型斜坡前部岩层在重力作用下发生明显弯曲倾倒变形,最终以“倾倒-弯曲-滑移”的失稳模式发生破坏;倾角最大的85°斜坡岩层发生的弯曲变形较小,最终以“倾倒-折断-崩塌”的模式发生破坏。研究结果对大型工程项目的顺利开展具有一定指导意义。     

强震作用下反倾层状岩质边坡变形及破坏模式研究

以反倾层状岩质边坡为研究对象,通过振动台试验,对强震作用下反倾层状岩质边坡的变形规律和破坏模式进行了研究,并通过数值分析对试验结果进行了验证。结果表明,反倾层状岩质边坡在强震作用下坡体内的位移不断增大,能量不断累积,裂隙不断发育延伸;裂隙从边坡的中下部开始发育,沿结构面不断向边坡内部和上部延伸;裂隙的产生、发育和贯通是反倾层状岩质边坡整体失稳的主要原因。反倾层状岩质边坡在强震作用下主要变形规律为,在震动初期坡体表面部分岩体松动,最终脱离坡体坠落;随着震动的持续,裂隙沿坡体内部结构面逐渐贯通,产生崩塌破坏。     

反倾层状岩质边坡倾倒变形影响因素分析

以某水电站反倾层状岩质边坡为实例模型,基于叠合悬臂梁的破坏特点和摩尔-库仑模型,运用UDEC数值分析软件对倾倒变形的相关影响因素进行分析,结果表明:岩层倾角、水平地应力、风化程度、地下水及地震作用是边坡倾倒变形的主要影响因素,边坡坡角和岩层厚度是倾倒变形的次要影响因素;边坡坡角为70°左右、岩层倾角为65°左右是层状岩质边坡倾倒破坏的优势角,即在这两种情况下,边坡将出现较大变形。     

PFC~(2D)模拟研究不同工况的异面非贯通节理对岩体力学性质的影响

针对非贯通节理岩体研究中多以共面节理岩体为对象、对异面节理岩体力学性质研究较少的问题,为了更全面的研究非贯通节理岩体的贯通扩展规律,基于直剪模型试验及相关颗粒流理论,利用颗粒离散元数值模拟软件PFC~(2D),研究不同工况的非贯通异面节理岩体。对比异面节理起伏角度、节理倾斜角度(节理与水平剪切方向的夹角)、节理连通率以及试验加载速率和法向应力对异面非贯通节理岩体扩展贯通机理和强度特性的影响。试验结果显示以上五方面对非贯通节理岩体的力学特性影响显著:(1)异面节理的起伏角度越大,非贯通节理岩体的峰值抗剪强度越大,抗剪能力越强。岩体的峰值剪切位移随着节理起伏角度的增大有增大的趋势。(2)非贯通节理岩体的峰值剪切强度、峰值剪切位移会随着试验剪切速率的增大逐渐增大,但增大的速率和幅度会随剪切速率的增大而变小。(3)非贯通节理岩体的峰值抗剪强度会随着法向应力的增大逐渐增大,且增大趋势呈线性。(4)异面节理的连通率越大,非贯通节理岩体的抗剪能力越差,峰值抗剪强度越小。峰值剪切位移亦随连通率的增大而减小,但减小幅度不大。(5)节理的倾角越大,岩体峰值切应力越大,抗剪能力越强。     

顺坡向外倾优势裂隙连通率对高边坡稳定性影响分析

顺坡向外倾优势裂隙控制的岩质高边坡,其连通率对边坡整体稳定性起到重要作用,但目前关于裂隙连通率对边坡稳定性影响敏感程度研究尚较少。为此,针对金沙江乌东德水电站高达180 m的进水口岩质边坡,采用定性与定量相结合的分析方法,通过对顺坡向外倾裂隙连通率统计,及其与岩桥组合的“底滑面”参数加权平均,采取刚体极限平衡法计算边坡稳定系数。通过连通率敏感性分析计算,论证了裂隙连通率对该类边坡稳定性的影响程度以及在统计线连通率带宽投影法中,带宽的选取对连通率和稳定系数的影响程度。     

共面断续岩桥直剪试验破坏过程研究

岩桥对岩质边坡稳定性起控制性作用,而非贯通性节理岩体是广泛存在于岩质边坡中的一种岩桥载体形式。研究共面断续岩桥连通率对岩石抗剪性能的影响,可为岩质高边坡稳定性评价提供理论依据。以直剪试验的形式,通过石英砂、水泥、石膏和水制备直剪试验试样, 并预留相同长度的3条共面断续节理,对共面断续岩桥进行剪切模拟,分析其破坏模式、破坏过程演化机制和力学参数。结果表明:直剪试样呈现张拉破坏、拉剪破坏和剪切破坏3种破坏模式,以剪切破坏为主,节理所在面为控制性结构面;试样破坏过程依次呈现为裂纹稳定、裂纹破坏和残余变形阶段;随连通率增大,抗剪强度降低,黏聚力减小,内摩擦角小幅变动;共面断续岩桥连通率越大,岩石抗剪性能越差,岩质边坡稳定性越低。     

优势裂隙倾角对反倾岩质边坡变形影响分析

通过底摩擦实验试验在前人的基础上进一步研究优势裂隙组的倾角变化对反倾岩质边坡变形破坏影响。将反倾岩质边坡变形破坏区域分为剪切滑移区、倾倒破坏区以及倾倒变形影响区。实验试验结果及理论分析表明:①裂隙的存在使得岩体呈现非均质各向异性的特性且裂隙的倾角不同对岩体强度的折减也是不同的,当裂隙倾角θ满足关系式:θ∈[π-(α+50°),π-(α+40°)](α为岩层倾角)时,对反倾岩质边坡的整体强度折减达到最大;②当裂隙倾角θ对反倾岩质边坡的岩体强度折减达到最大时,剪切滑移区在反倾岩质边坡的破坏区域中的占比达到最大,与之呈正相关;③反倾岩质边坡发生最终破坏需要的时间主要与前缘以剪切破坏为主导的剪切滑移区的占比有关,剪切越多区的占比越大,边坡发生破坏所需时间越多,反之边坡破坏所需时间越少。     

强震作用下中倾外层状岩质边坡动力失稳机理研究

中倾外层状岩质边坡在静力条件下的稳定性一般较好,但是在对"5·12"汶川地震中失稳边坡调查的过程中,却发现了大量的中倾外层状岩质边坡动力失稳案例。为了得出该类型斜坡动力变形失稳机理,采用三维离散元数值模拟技术,对该类型边坡在地震作用下失稳机理进行数值模拟。结果表明:在地震荷载作用下,坡表各监测点PGA放大系数随高程增加呈现非线性增大且均大于1。在边坡水平剖面上PGA放大系数先增大,在距坡表50 m后逐渐降低;而竖直剖面上PGA放大系数在1/2高度下整体变化不大,超过该高度其急剧增大。地震作用下整个边坡的失稳机理为:边坡顶部优势层面逐渐张开,缓倾坡外的结构面发生剪切变形;随着变形的发展,坡体上部拉张裂缝向深处扩展,坡内锁固段岩层被破坏,控制性结构面贯通;滑坡沿贯通滑面快速滑下,摧毁坡脚铁路线并堵塞河道,整个边坡发生拉裂-滑移-剪断型失稳破坏。研究成果为类似地区的边坡工程地震失稳分析提供参考和依据。     

岩质边坡倾倒破坏的非连续变形分析

岩质边坡倾倒破坏存在块体的滑移、转动,及块体本身的折断。常规的离散元、非连续变形分析方法(DDA)虽然擅长处理块体的滑移和转动,但不能模拟连续体本身的破坏。然而通过在DDA方法中引入虚拟节理和真实节理的概念(即DDARF方法),用真实节理表征岩体中已经存在的天然节理、层面等,用起粘结作用的虚拟节理表征连续体。该方法可模拟连续体的变形及连续体的破坏。为此,首先对DDARF方法中的虚拟节理模型进行了着重的介绍。然后利用DDARF方法对龙滩边坡倾倒破坏的离心模型试验进行研究。研究结果表明,反倾块体的下部几乎没有明显的位移,而位于破坏面以上的部分产生明显的倾倒位移,导致在反倾块体的中部发生弯折破坏,形成贯通整个坡体的破坏面。数值模拟结果与离心模拟试验结果吻合得很好,验证了DDARF方法的有效性。     

考虑地下水作用的Goodman-Bray方法改进及应用

反倾岩质边坡的稳定性分析方法一般为Goodman-Bray法,但其没有考虑地下水。对Goodman-Bray法进行改进,推导出了考虑地下水作用的反倾岩质边坡稳定性计算方法,并用MATLAB编写了计算程序。最后以重庆巫溪县中梁水库硝洞槽-郑家大沟反倾岩质边坡为例,采用Sarma法和传递系数法(TCM)对改进的Goodman-Bray法(简称WGB法)进行验证。结果表明:反倾岩质边坡往往受自身岩体结构的控制,条块划分结合结构面产状的Sarma法和WGB法比铅直方向条分的TCM法更符合实际情况,但Sarma法忽视了对条块底面连通性的考虑,使计算结果偏低。综合比较3种计算方法,WGB法更加适用于考虑地下水作用的库岸反倾岩质边坡稳定性分析。     

降雨作用下反倾岩质边坡尖点突变模型研究

针对降雨触发的滑坡,以反倾岩质边坡为例,在岩层受力分析的基础上,提出了一个简单的力学模型,并运用突变理论分析该类边坡弯曲倾倒破坏的力学机制。结论表明:反倾岩质边坡弯曲倾倒破坏过程是其内外因素共同作用的结果,其中内部因素起主导的定性作用,外部因素起触发作用。     

岩质顺层边坡稳定性分析及加固方案研究

猴子岩水电站左岸泄洪洞进口边坡为岩质顺层边坡,其稳定性对泄洪洞和大坝的建设和运行有重大影响。该边坡下游侧临空,J4裂隙走向与边坡走向近于垂直,倾角较大,可形成侧向切割面,断层fm2与边坡走向小角度相交,反倾坡内,可形成后缘拉裂面,加之层间挤压带发育,因此该边坡存在由不利组合形成的滑移块体。分持久、短暂和偶然3种工况,采用刚体极限平衡法对边坡的稳定性进行计算。结果表明,以层间挤压带gm4、gm3为底滑面的滑移块体稳定性差,在暴雨或地震条件下,有失稳的可能,需进行加固处理。结合该边坡岩层厚度大且较完整,层间挤压带容易追踪,控制边坡稳定的层间挤压带埋深在锚索有效加固范围内等特点,边坡加固方案采用了系统锚索、抗剪洞和锚固洞的联合加固方案。监测成果表明,该方案对岩质顺层边坡加固效果明显。     

非贯通节理岩体单轴压缩试验研究

对不同节理倾角、不同节理连通率的预制节理圆柱形岩体试样进行单轴压缩试验。结果表明:试样的强度、变形特性及破坏模式与节理构造形态密切相关;在不同节理连通率下,不同角度的非贯通节理试样的力学特性均表现出各向异性特征,随着节理连通率的增大,各向异性特征越来越明显,岩体峰值强度逐渐下降,岩体在弹性阶段的最大弹性模量也逐渐降低;相应地,试件的破坏模式也变得更加复杂,随着节理连通率的增大,应力-应变曲线的斜率逐渐减小,曲线出现多个峰值,且有较明显的屈服平台;非贯通节理岩体峰值强度和弹性模量随节理连通率的非线性变化规律,可分别采用二次和三次多项式函数表示,其系数与节理倾角有关;非贯通节理试样的裂纹变化特征与节理连通率、节理倾角有着密切的联系。     

基于离散元的顺倾节理岩质边坡破坏过程分析

为了研究含顺倾节理岩质边坡的破坏过程,以某露天矿西南区域边坡为研究对象,建立典型剖 面的数值模型,并通过室内试验标定边坡数值模型细观参数,监测数值边坡模型关键位置的速度、位移 和孔隙率,结合边坡内部的裂纹发育和力链分布情况,分析边坡的破坏过程特征。结果表明:基于离散 元的数值模拟试验和边坡数值模型均符合实际情况,具有可行性;边坡的破坏过程是在剪切应力和拉应 力作用下,顺倾节理处的力链由下至上逐渐断裂,随着断裂范围扩大,边坡发生加速滑动,具体表现为受 顺倾节理控制的前缘牵引式剪切 －张拉组合破坏;节理上部的“拱形”力链未被破坏,滑坡特征为沿节 理面和岩桥的整体滑动。