基于极限平衡理论的土质边坡空间效应研究及应用

边坡空间效应是客观存在的,广义的空间效应包括滑体形态效应和坡面形态效应2个部分,由于考虑空间效应的三维边坡稳定性分析方法及最危险滑面搜索技术尚不完善,对空间效应的研究比较零散,未能进行系统的研究;对于相关工程而言,忽略空间效应并非总是偏于安全。因此,课题围绕边坡空间效应问题,从案例统计、理论分析、试验研究和工程应用4个方面对其进行系统的研究,主要取得如下研究成果:(1)基于案例统计分析研究了边坡的空间效应的构成与显著度。分析了522个失稳边坡资料,着重对比分析了滑体形态、滑体宽高比及坡面形态的分布,结果表明:①其中82.4%的宽高比位于0.5~5.0范围,平均宽高比为3.08,而宽高比大于10的仅占3.4%;②坡面形态对边坡稳定性的影响比较显著。随机统计了300个失稳边坡的坡面形态,其中凸坡148个(占49.3%),平坡112个(占37.3%),凹坡40个(占13.4%),可见,凹坡稳定性较好,平坡次之,凸坡最差。(2)提出了一种严格的二维极限平衡法并拓展至三维。通过类比经典土压力理论和Spencer的条间力假定,将离散后的条柱间作用力等效成滑面正应力,依据整个滑体的平衡条件,提出一种安全系数显式解答的严格二维极限平衡法;进而,将该方法拓展到三维,建立了满足4个平衡方程的非严格三维极限平衡法,可适用于一般空间形态滑面的安全系数计算,进而建立了考虑滑体效应的滑带强度参数的三维反演模型,弥补了二维反演分析确定的滑面强度参数偏高的不足,代表性算例验证了上述方法的合理性和可靠性,且精度较高。(3)建立了均质边坡三维近似最危险滑面搜索方法和编制了三维安全系数计算曲线。对于均质边坡,假定三维最危险滑裂面为一族幂函数绕垂直于主滑面旋转轴的旋转曲面,通过优化幂函数中的参数n来确定近似的三维最危险滑裂面,算例验证了该方法的有效性和合理性,且实现过程也非常简便;考虑到三维安全系数求解过程复杂,为了便于快速获得均质边坡的三维安全系数,编制了一套三维安全系数计算曲线,并得到了已有成果的验证。(4)研究了滑体形态效应的形成机制并编制了相应的修正曲线。依托三维边坡安全系数计算方法和近似三维最危险滑面搜索技术,对边坡滑体形态效应进行了详细分析,编制了滑体形态效应修正曲线,并得到了模型试验和数值计算成果的验证。同时,对影响滑体形态效应的各项参数(滑面形态、长高比、坡度、黏聚力和内摩擦角)进行了独立分析,总结了滑体形态效应的变化规律及影响幅度,从工程应用的角度建议了考虑滑体形态效应的界限标准。最后,对滑体形态效应的形成机制进行了深入讨论,并据此对滑体形态效应随各参数的变化规律进行了解释。(5)从模型试验的角度研究了坡面形态效应。采用底抬升模型试验,研究了坡面形态对边坡稳定性的影响。试验结果表明:①同一坡度下,平坡破坏时模型槽倾角高于凸坡2°~4°,但低于凹坡3°~5°。并从力学角度对这一现象进行了解释;②在主滑面上,坡面形态对滑面形态及位置影响不大,基本呈现圆弧滑面。受端部限制程度的不同,三维形态则出现较大的差别;③失稳滑体冲程呈现两端小、中间大的特点,最大冲程量随着坡度的增大而逐渐增大。(6)提出了圆形凸坡和凹坡的严格极限平衡法并探讨了坡面形态效应。基于严格极限平衡法建立了圆形凸坡和凹坡的安全系数理论解答,并据此分析了坡面形态效应。结果表明坡面形态(R/H)对安全系数有着重要的影响,其显著程度又受到c/(γHtanφ)和坡度β所制约。不论是凸坡还是凹坡,R/H越小,影响越大,且凹坡要比凸坡更显著;在R/H不变的情况下,量纲一化的指标c/(γHtanφ)和坡度β越大,坡形效应越明显。从工程应用的角度,编制了不同圆形坡面形态下的边坡安全系数速查曲线,便于定量评价相关工程边坡的稳定性。     

圆形凸坡的稳定性分析

通过三维数值分析表明圆形凸坡的破坏模式接近于轴对称破坏,采用一般的三维破坏模式会使计算结果偏于不安全,揭示了目前三维分析方法中滑裂面形状的假设并非总是合理。构建了轴对称条件下的容许速度场,得到了内摩擦角(=0时圆形凸坡临界坡高的上限解。同时提出了轴对称破坏模式下,计算圆形凸坡安全系数的极限平衡方法。比较了圆形凸坡和长直坡的稳定性差异,圆形凸坡的相对半径越小、土体越接近于纯黏性土时两者的差异越大,坡度较小时前者较稳定,坡度较大时则相反,进而纠正了以往认为平面应变模型计算圆形凸坡偏于不安全的错误认识。     

坡面沉桩边坡动态稳定性三维极限上限分析

 采用极限分析上限法,建立土质边坡坡面沉桩动态稳定性三维计算模型,研究沉桩力、桩土间横向力等对边坡动态稳定性的影响。通过算例计算,对整个沉桩过程中边坡抗滑稳定安全系数的变化规律及其内在机制进行深入研究,并分析桩径、沉桩位置、坡角对边坡抗滑稳定安全系数的影响规律。结果表明：沉桩力对边坡稳定性产生不利影响,导致沉桩前期边坡安全系数持续降低;桩体穿过破坏面后,边坡安全系数由于桩身的抗滑作用而显著提高。桩径越大,沉桩前期安全系数越低,其下降速度也越快,但桩体穿过破坏面后安全系数提升也越明显;沉桩位置越靠近坡顶,沉桩过程中安全系数下降速度越快,导致最危险点的安全系数越低;坡角越大,沉桩过程中整体安全系数越低。分析结果对于坡面沉桩的稳定性评估及设计施工具有一定参考价值。     

天然边坡削坡工程中的稳定性研究

天然边坡在削坡工程施工阶段或竣工后,往往形成上下部不同坡度的边坡。离心模型试验与现场试验结果表明,这类边坡有两种破坏模式。一种是滑裂面始于坡顶,另一种是滑裂面始于坡面。利用极限分析上限法理论讨论并确定边坡发生不同破坏模式的条件,从而给出极限开挖深度、设计开挖深度小于极限开挖深度时的稳定安全系数以及设计开挖深度大于极限开挖深度时的土压力,为解决天然边坡削坡工程中的稳定性设计问题提供理论依据。     

基于非连续变形分析的岩质高边坡稳定性评价

针对岩质高边坡的滑坡失稳的典型破坏形式,采用非连续变形分析(DDA)这一数值分析方法,结合某高速公路岩质高边坡工程实例,建立计算模型,深入研究边坡岩体的结构面参数与边坡变形的相互关系,分析不同工况下边坡块体的极限内摩擦角和稳定安全系数,进而评价边坡的稳定性,结果表明与边坡稳定实际情况基本吻合。     

转弯凸型边坡静动力稳定性分析及空间效应研究

山区受地形影响建有大量转弯路基边坡,其失稳呈显著的空间特性,传统的边坡稳定分析方法大都基于二维平面应变条件,难以真实反映滑坡三维空间特征。基于变分理论的极限平衡法开展了转弯凸型边坡三维稳定性分析,结合拟静力法分析地震作用下边坡动力稳定性,并确定转弯边坡的最危险滑裂面位置。通过与其他方法计算结果对比,表明这一理论获得了转弯边坡更为临界的稳定性。通过考虑不同边坡转弯外凸参数（如转弯角、转弯半径、坡度）和水平地震加速度系数,揭示了三维效应对转弯凸型边坡稳定性的影响规律。结果表明：较小的转弯角就可以充分发挥三维效应,增大了边坡静动力稳定性;减小转弯半径会显著增强三维效应,并增加最危险滑裂面深度,但对较大的坡度和水平地震加速度情况并不明显,此时可以忽略三维效应采用传统的平面应变分析方法。     

裂缝边坡三维极限上限拓展分析

裂缝的存在会降低边坡稳定性,而在边坡宽度受到限制时三维效应更加显著,因此有必要对裂缝边坡稳定性进行评估。针对裂缝边坡三维稳定性研究,基于极限分析上限定理,在三维破坏机构中引入一条垂直张拉裂缝,并引进机构参数拓展裂缝边坡三维破坏模式,包括坡面破坏和坡底破坏,建立能量平衡方程并通过优化算法求解裂缝边坡稳定系数上限解。根据g-line图像法绘制裂缝边坡稳定性图表以便读取安全系数。分析了边坡宽高比、坡角以及土体内摩擦角对裂缝边坡破坏模式和裂缝深度及位置的影响规律。结果表明:对于确定的边坡几何形态以及土体参数,存在最小边坡宽高比B/H*,当边坡宽高比小于B/H*,边坡发生坡面破坏且坡顶裂缝的影响可以忽略;内摩擦角φ小于5°时,边坡发生坡底破坏,而对于裂缝边坡,仅在φ=1°左右发生坡底破坏;随着边坡宽高比的增大,裂缝深度逐渐增加,裂缝位置逐渐远离坡肩,但对于坡角为75°的边坡裂缝深度先增大后减小。     

考虑应力渗流耦合作用下含结构面边坡稳定分析

基于非饱和土强度理论与简单条分法,分析了渗流作用下土坡稳定性降低的机理;运用GTS软件通过接触单元考虑结构面,建立应力渗流耦合作用下含结构面土坡稳定分析模型;采用强度折减法与极限平衡法进行渗流边坡稳定分析。结果表明:运用单纯塑性贯通区来判定土坡失稳存在不足之处;数值计算安全系数采用强度折减法与极限平衡法计算结果非常接近,可运用极限平衡法进行安全系数求解;结构面与土中水渗流对边坡的变形、应力和稳定性影响显著,边坡稳定分析要充分考虑结构面和渗流的影响。     

软弱土层的位置和坡角对分层土质边坡的稳定性影响研究

针对不同层数和软弱土层处于不同位置的分层土质边坡工程,采用FLAC3D有限差分数值计算软件,以安全系数和边坡位移等值线图为边坡稳定性的评价指标,运用强度折减法模拟分析不同坡角对每种分层土质边坡稳定性的影响。在分析每种分层土质边坡不同坡角下稳定性的基础上,得出安全系数的变化规律,进而细化边坡达到临界稳定的坡角范围,并在此范围内分析边坡稳定性。     

山区公路边坡稳定性参数敏感性分析

以湖南省常吉高速公路某路段左侧边坡为依托,通过相关地质资料分析,选取了对边坡稳定性影响较大的坡度、坡高、粘聚力、内摩擦角和弹性模量五个指标。并借助于有限元强度折减模块,采用单因素敏感性分析方法进行了边坡稳定性影响参数敏感性分析并比较分析结果。结果表明:常吉高速公路边坡的稳定性参数相对于边坡安全系数的敏感性排序从大到小依次为:坡度、坡高、内摩擦角、粘聚力、弹性模量,边坡的失稳主要依赖于坡度和坡高,此为山区公路边坡稳定性评价分级和针对性地防治设计起到了指导作用。     

堆积层斜坡地震动地形效应试验研究

 地震中已经观测到斜坡的地震响应会受地形的影响。因此,在划分堆积层斜坡坡面类型的基础上,开展不同坡形振动台模型试验。试验结果表明：输入强度较强的地震波时,斜坡表面加速度响应峰值放大系数大于斜坡内部,且斜坡中上部及表面曲率变化较大处(AC2)加速度放大效应更为显著。坡形的变化影响着斜坡自振频率,表现为上凸下凹型斜坡的自振频率接近于5 Hz,其他坡形斜坡接近于10 Hz。模型破坏的临界加速度阈值为500～700 Gal与斜坡稳定性计算结果基本一致。坡形影响斜坡的滑动面位置及厚度,曲率半径越大(凸型为正、凹型为负)的坡形滑动面厚度越大。滑动距离(与坡脚的距离)量测显示：直线型和上凹下凸型斜坡滑动距离最远危害范围大,凸型和上凸下凹型斜坡运动距离较远危害范围较大,凹型坡运动距离较近危害范围较小。因此,直线型和上凹下凸型斜坡的危险性(危害性)最高,凸型和上凸下凹型斜坡危险性较高,凹坡危险性最低。本研究的意义在于加强地震力作用下地形效应对斜坡稳定性研究的认识,为防灾减灾和灾害风险评价提供科学依据。     

深凹露天矿边坡稳定的空间受力状态分析

在假定岩体为连续、均质、各向同性的弹性体，只承受自重应力和进行倒截头圆锥形开挖情况下，运用弹性力学原理对深凹露天矿边坡的空间效应进行分析，并推导出边坡环形岩石的临界滑动角α与岩石容重γ、摩擦系数f、岩石的环向弹性模量Eθ和开挖半径r之间的关系式。该式表明临界滑动角随着开挖深度的增加而增加的空间力学原理，它为深凹露天矿采用可减少下部废石剥离量或减小剥采比的凸曲线形边坡奠定了理论基础，也为确定其边坡的合理形状提供了初步方法。本理论包含了传统边坡稳定性分析的原理，并适用于其他岩石深凹边坡开挖工程的稳定性分析。凸曲线形边坡的采用将会带来巨大的经济效益。     

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。     

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。     

凹型边坡稳定性分析中的侧面力取值方法探讨

尽管凹型边坡的稳定性高于直线边坡是众所周知的,要准确计算凹型边坡的安全系数却很难,因为垂直于滑动方向侧面力对稳定性有影响,但是目前还没有合适方法计算其的大小。出于简化考虑,现有研究多按主动土压力计算该侧向力。为了检验按主动土压力计算该力的合理性,将侧面力分别按主动、静止和被动土压力取值,基于Spencer法概念推导了考虑侧压力的凹型边坡稳定性计算方法,然后用Matlab软件编制了计算程序,分析了三种土压力取值方法下,凹型边坡稳定性安全系数的差异。结果表明,将侧向压力考虑为土压力或静止土压力,凹型边坡的稳定性甚至低于相同条件直线边坡;而将侧向压力考虑为被动土压力,凹型边坡的安全系数结果又显著大于有限差分软件Flac3D分析结果,因此,将凹型边坡的侧压力简单按土压力取为主动、静止和被动土压力都是不合理的,如何计算凹型边坡的侧面力,还需要进一步深入研究。     

顺层岩质路堑边坡破坏模式及设计对策

 在对大量顺层边坡进行详细调查研究基础上,总结提出顺层岩质路堑边坡的分类及8种顺层边坡破坏模式,并对较为常见的滑移–拉裂和滑移–弯曲破坏模式的稳定性分析方法进行讨论。指出在实际工程中,对于滑移–拉裂型顺层边坡,其稳定性分析可通过计算失稳岩层临界长度进行,为避免开挖过程中边坡出现顺层滑动,宜先加固后开挖或边开挖边加固;对顺层清方边坡,可能出现滑移–弯曲破坏,宜采用弹性受压板稳定理论进行边坡稳定性分析后,确定分级高度和加固措施。水是诱发顺层边坡失稳的主导因素,设计中应加强防排水措施。     

不同坡角斜坡动力响应频谱特征研究

 斜坡频谱特征曲线与斜坡形态密切相关,若入射地震波主频接近频谱曲线中极大谱比值所对应的卓越频率,就会放大斜坡动力响应,甚至造成斜坡失稳。以汶川极震区青川狮子梁斜坡为典型实例,根据青川3次余震作用下斜坡不同高程实测地震记录及地脉动测试结果,通过单点谱比法,获得斜坡地震动和地脉动的频谱特征曲线,通过对比分析曲线发现：坡顶卓越频率最小;同时,实测水平地震加速度峰值放大系数随高程增加表现出先减小后增加的“凹型”特征,坡顶的放大系数甚至达到坡底的1.25。如果从斜坡形态因素进行分析,坡顶存在低频但较高放大系数的现象可能与斜坡高差与入射波波长之比密切相关,在比值为0.2时,坡顶放大效应达到最大。为进一步确定斜坡形态对频谱特征影响,利用实测汶川地震卧龙波拟合成多频率地脉动作为动力输入,在FLAC有限差分软件中建立3种不同坡角均质斜坡模型,经动力计算后发现,3种模型坡顶、坡中及坡脚的卓越频率基本一致,该结果与输入单一频率Ricker子波时斜坡动力响应一致,说明斜坡角度改变不会影响斜坡的卓越频率。研究结论有助于增强斜坡自身频谱与动力响应之间关系的认识。     

纵横波时差耦合作用的斜坡崩滑效应离散元分析——以北川唐家山滑坡为例

 运用离散元数值模拟技术,对北川唐家山斜坡体在具地域性和空间非均质性的地震纵横波时差耦合作用(同时考虑水平和竖向地震力作用)下产生崩滑破坏的动力全过程进行研究,确定该斜坡体在强震动力作用下产生崩滑破坏的形成机制及主控因素。研究表明：(1) 该斜坡体的初期崩滑破坏是受到地震纵波产生的水平与竖向拉裂耦合作用所致,并以竖向拉裂作用占优,而后期的抛射及运动过程则是受到地震纵横波的耦合作用所致;(2) 地震纵波产生的水平与竖向拉裂耦合作用是触发斜坡体产生初期崩滑破坏的主控因素,而斜坡所处地形(如高程差、沟谷延伸方向)则是促使破坏后的斜坡体形成后续碰撞解体及碎屑流等运动过程的控制诱发因素;(3) 该斜坡体动力响应特征值的放大效应表明,其放大系数值从大到小依次是：竖向加速度＞水平加速度＞竖向速度＞水平速度,该结果与斜坡体发生先期崩滑破坏的形成机制及主控因素相符合,即地震纵波产生的竖向加速度起到了优势破坏作用。以上结论对研究动力耦合条件下的斜坡崩滑效应具有较高的理论和现实价值。     

无黏性土斜坡地基承载力模型试验研究

采用缩尺模型试验对砂土斜坡地基的土压力分布、变形机制、破坏模式进行探索,并研究了斜坡坡角、基础尺寸、相对密度、基础形状对斜坡地基破坏形态及极限承载力的影响。结果表明：斜坡地基的破坏模式与Choudhury提出的破坏模式相近,破坏区域由不对称楔体、辐射向剪切区、被动楔体组成。斜坡地基的破坏区域长度随斜坡坡角、基础尺寸的增大而增大,但不随相对密度的变化而变化;而斜坡地基的极限承载力随斜坡坡角的增大而减小,随基础宽度、相对密度的增大而增大。对相同尺寸的基础而言,方形基础下的地基极限承载力和破坏区域长度均大于圆形基础。试验研究成果对斜坡地基变形特征、破坏形态和斜坡地基承载力影响因素的探究具有一定理论参考价值。