黄土边坡可靠度的随机有限元分析

为了研究黄土边坡的可靠度,在对黄土强度参数进行变异性统计、概率分布检验及垂直向自相关距离计算的基础上,将黄土强度参数黏聚力和内摩擦角作为随机变量,将其在二维边坡剖面的空间变化作为随机场,用局部平均细分法将符合一定均值和标准差的强度参数按随机场分布在边坡剖面的有限元网格上,再采用弹-理想塑性有限元计算边坡稳定系数,用MonteCarlo法计算其失效概率。结果表明:黄土黏聚力的变异系数多在0.30以上,内摩擦角的变异系数多在0.20以下,且黄土高原从西向东两个参数的变异性都增大;黏聚力和内摩擦角的概率分布类型对边坡失效概率计算结果影响显著,统计检验发现黏聚力采用对数正态分布、内摩擦角采用正态分布为宜;黄土地层的垂直向自相关距离多在0.7m以内,与计算厚度的比值多小于0.2;在大部分黄土的变异系数与自相关距离水平下,采用确定场进行可靠度分析,多数情况将极大地高估了黄土边坡的失效概率,而在极端高变异系数水平下,采用确定场进行可靠度分析,又将极大地低估其失效概率。     

黄土高原边坡特征与破坏规律的分区研究

为了研究黄土高原自然边坡的特征及破坏规律,按山系与水系或水系的分水岭、地貌单元、地层岩性特征等条件,将黄土高原划分为8个区:临洮—永靖区、天水—通渭区、兰州—会宁区、陇东区、靖边—安塞区、隰县—离石区、甘泉—吉县区和汾渭区.根据极限状态边坡的4个野外判别标准,测量了8个区510个自然极限状态黄土边坡断面,分区采用指数模型回归边坡坡高与坡宽的相关关系,计算各区20、50、100m坡高的边坡稳定系数和失效概率.结果表明:黄土高原的边坡特征与破坏形式具有分区特征,且南北差异性明显.临洮—永靖区边坡坡高与坡宽呈线性关系,表明该区边坡坡度不随坡高变化,边坡稳定性受内摩擦角控制;兰州—会宁区和靖边—安塞区高坡陡,低坡缓,高坡不稳定,易发生错落式滑坡;天水—通渭区、甘泉—吉县区和汾渭区高坡缓,低坡陡,稳定性计算结果显示高坡和低坡都较为稳定,但由于地层结构和地貌的特点,高边坡易发生低速蠕变型滑坡或高速远程滑坡;陇东区边坡整体上较为稳定;隰县—离石区受黏粒含量较高的Q1地层控制,高边坡稳定性较差;50m左右坡高的黄土边坡稳定性对强度指标内聚力、内摩擦角的敏感度都高,易于失稳.     

西安白鹿塬北缘黄土边坡稳定的可靠度分析

在西安白鹿塬北缘实测了14个黄土自然边坡断面,建立了地质模型,通过采样测试并收集已有的测试资料,获得了各时代黄土地层的物理力学参数,将Morgenstern-Price法稳定性计算公式作为极限状态方程,分别采用Monte-Carlo法和Duncan法进行了边坡稳定的可靠度分析。结果表明:采用Monte-Carlo法和Duncan法得到的14个边坡稳定系数分别为1.11～1.41和1.09～1.33,显示这些边坡处于基本稳定—稳定状态;采用上述两种方法得到的边坡可靠指标分别为0.56～1.79和0.39～1.60,得到的失效概率分别为3.4%～29.0%和5.5%～34.8%,并且共有75%的边坡失效概率大于10%,失效可能性较大。统计结果表明:白鹿塬区边坡的坡高和坡度存在负相关性。低而陡的边坡潜在最危险滑面剪出口较高,失效概率较小;坡高达到50m及以上时,边坡高而缓,剪出口较低,失效概率较大,其中河流下切深,有N2泥岩出露的极高边坡,稳定性最差。Duncan法求解的稳定系数略小于Monte-Carlo法求得的结果,而前者求解的失效概率略大于后者,两种方法计算结果较为接近。由于Duncan法理论简单,计算量小,更宜于在实际工程中应用。     

爆破作用下顺层岩质边坡稳定的可靠性分析

基于可靠度理论建立顺层岩质边坡稳定的可靠性分析方法，获得顺层岩质边坡可靠指标和失稳概率的计算表达式。以某高切坡为例分析其稳定状态和失稳概率，并据此探讨不同粘聚力、内摩擦角、炸药量和爆心距条件下边坡失稳概率的变化规律。计算结果表明，粘聚力对边坡的失稳概率影响较大；随着内摩擦角的增加，边坡失稳概率近乎线性减小；当单孔药量从10 kg增大到160 kg后，失稳概率增幅97.10%；当爆心距小于20 m时，边坡的失稳概率减小的速度很快，而爆心距超过20 m后边坡失稳概率减小的幅度较小。考虑爆破振动的时效性，爆破荷载使边坡失稳概率增大49.61%，单次爆破振动的影响时间约6 s。     

公路弃土场边坡的稳定影响因素敏感性分析

以日照市岚山区某弃土场为研究对象,通过对现场调研并采样开展直剪试验,在压实度分别为90%、92%和95%的情况下取得不同的黏聚力c和内摩擦角φ值,通过MIDAS GTS NX进行数据模拟,选取MohrCoulomb模型,采用有限元强度折减法(SRM)算出边坡的等效应变塑性区及安全系数,以此分析边坡稳定性。利用数值模拟的结果,分别绘制坡高、坡比与安全系数的关系图,归类分析不同坡高和坡度对边坡稳定性系数的变化规律。通过边坡稳定影响因素的敏感性分析,分析影响边坡稳定性各因素与边坡安全系数之间的相关性,即分析各因素的变化对于边坡安全系数的影响程度。     

含优势渗流层边坡降雨入渗下的可靠度分析

含优势渗流层边坡在降雨入渗的作用下其渗流场往往具有较高的不确定性,这给边坡的稳定性评价带来困难,通常采用概率的方法解决此类问题。针对含优势渗流层边坡降雨入渗下的可靠度问题,通过将应力分析中的点估计-有限元法引入到边坡渗流-稳定性分析,提出了考虑优势渗流层渗透特性不确定性的渗流概率分析和边坡可靠度分析方法;其次以广西某含碎石夹层土坡为例,分析了降雨入渗下碎石夹层的优势渗流效应及渗流概率,并基于此开展了该边坡降雨入渗下的可靠度分析。结果表明:①含优势渗流层边坡雨水沿优势渗流层渗入坡体内部的深度显著高于沿坡面渗入的深度;优势渗流层渗透特性的不确定性对渗流结果的影响较大,使得边坡稳定性分析具有较强的不确定性;②随着雨水入渗持时的增加,含优势渗流层边坡不同滑动面的失效概率总体呈现增加趋势,最危险滑动面的位置不断向边坡下部演化;依托工程滑动面位置的预测结果与工程实际吻合;③提出的概率分析方法适用于分析含优势渗流层边坡降雨入渗影响下的稳定性问题,而且具有计算量小的优势,可作这类边坡可靠度分析的一种新方法。      

锚杆不确定性对加固边坡失稳概率的影响

为了探究锚杆不确定性对加固边坡失稳概率的影响, 建立了施加锚杆后的边坡模型, 通过以下两种途径来考虑锚杆的不确定性: 其一是假定锚杆与锚固体之间接触面上的单位表面摩擦力为对数正态分布变量, 其二是引入锚杆与锚固体之间接触面上的单位表面摩擦力衰减系数来考虑运营过程中锚杆的不确定性。采用极限平衡分析法并结合蒙特卡罗抽样法, 计算并对比分析了两种途径下锚固边坡失稳概率变化曲线, 最后以深圳假日酒店基坑边坡支护工程为例, 证明所提方法的有效性。结果表明: 对于途径一, 在相同土体统计参数下, 随着锚杆与锚固体之间接触面上单位表面摩擦力变异系数的增加, 加固边坡的失稳概率缓慢增加, 增幅介于18.03%~41.90%之间。对于途径二, 随着锚杆衰减系数自1.0逐步减小至0, 加固边坡失稳概率迅速增加, 增幅介于55.64%~124.90%之间; 在同一衰减系数下, 加固边坡失稳概率随着锚杆衰减根数的增加而增大。研究结果可以为锚杆施工与运营期间的管理提供决策支持。      

考虑降雨渗流影响的露天煤矿黄土开挖边坡分析

黄土开挖边坡在降雨作用下坡面破坏可分为片蚀破坏、沟状侵蚀、坍塌破坏3个阶段。通过野外现场地质调查,建立调查区域露天煤矿某段运煤大道处黄土开挖边坡三维数值分析模型,采用V G模型设定渗流边界函数,并以此根据室内外实验设定初始负孔隙水压力;在有限差分软件中运用fish语言将野外现场测得的稳定渗透系数与边坡开挖高度关系编入渗流计算命令流中,模拟了不同降雨强度下孔隙水压力、开挖边坡位移、坡面冲刷程度、最大主应力变化情况,提出黄土区开挖边坡在降雨作用下沟状侵蚀在第三级台阶(坡高60 m)左右破坏严重,坡高高于此高度应注意沟状侵蚀的剧烈扩展并加以防治;应在开挖边坡顶部以及台阶坡顶、坡肩处加强监测与防护治理工作。      

基于最短折减路径法的边坡安全系数研究

使用双参数折减方法分析边坡稳定性的研究较多, 如何把两个折减系数定义为单一的综合安全系数是目前研究的一项重要内容。Isakov提出的最短折减路径法能够保证在不同工况下得到最小安全系数, 但是该方法的缺点在于计算复杂, 不适合工程应用。通过有限元数值模拟, 利用最短折减路径方法计算不同强度黏土构成的不同坡度均质土坡的最小安全系数和对应的折减系数, 探索了最小安全系数与土的初始黏聚力、内摩擦角以及边坡坡度的关系, 分析了初始强度对折减系数的影响。结果表明, 相同坡度下不同强度的黏土边坡在失稳时, 最小安全系数对应的临界破坏强度相同。临界破坏强度与坡度近似成线性正相关关系。由此基于最短折减路径法提出了一种新的计算最小安全系数的方法, 该方法得到的安全系数与目前常用的极限平衡方法所得结果相近, 并且计算简单, 因此可以用于边坡稳定性分析。      

基于内外功率比的非直线坡面型边坡的稳定系数研究

在边坡稳定性上极限分析中, 由于考虑了材料的理想弹塑性本构关系与相关流动法则, 相比极限平衡法更符合岩土材料的特征。在以往的二维边坡极限分析上限法中, 要求坡面形态为规则的直线, 而无论是天然边坡还是人工边坡, 边坡的坡面形态往往并非规则的直线。此外, 以往的边坡极限上限分析中得到的稳定数N_s=c/γH主要针对土坡的临界高度计算, 且未考虑孔压等外力对边坡施加的外功率。不同于传统极限平衡法采用静力学的平衡条件, 本研究针对非直线型坡面边坡稳定性问题, 假定滑动面为对数螺旋线, 基于极限分析上限定理和虚功原理, 提出了一种边坡发生旋转破坏时旋转中心的确定方法, 推导出了非直线型坡面边坡的重力虚功功率和能量平衡方程的解析解, 并提出了基于内、外功率之比的稳定系数K用以评价边坡的稳定性。通过算例比较了不同形态天然边坡的稳定性和人工削坡对边坡稳定性的影响, 并分析了边坡的坡度(β)、土体的内摩擦角(φ)、黏聚力(c)以及孔压系数(r_u)对稳定系数K的影响规律。对于坡度较大的边坡, 通过削坡改变坡面形态提高了边坡的稳定系数K。稳定系数K随黏聚力的增加而非线性增大, 随孔压系数的增加而降低。当黏聚力相对于孔压系数对边坡稳定性影响更大时, 稳定系数K随内摩擦角的增加而增大; 反之, 稳定系数K则随内摩擦角的增加而减小。以上结果符合对边坡稳定性分析的普遍认知, 验证了模型的合理性。另外, 通过将该方法与传统的Bishop法的计算结果进行对比, 发现安全系数F_s=1与稳定系数K=0的临界状态物理意义相同, 稳定系数K随黏聚力非线性增加, 更符合边坡的渐进破坏过程。      

Inversion analysis of the shear strength parameters for a high loess slope in the limit state

It is difficult to obtain reliable shear strength parameters for the stability analysis and evaluation of high loess slopes.Hence,this paper determines slope elements and physical parameter of 79 slopes with heights of[40,120]m based on the measured loess slopes in the Ganquan and Tonghuang subregions of northern Shaanxi Province,China.In the limit state of the loess slope(stability factor Fs is 1.0),a fitting equation for the slope height and width is established.Then,the model is developed by stability analysis software-SLOPE/W,and the comprehensive shear strength parameters corresponding to different slope heights of the high slope in the study area are obtained by inversion using the Morgenstern-Price method.The results show that when the height of the slope increases,the cohesion c increases in the soil,and the internal friction angle j decreases.This change is consistent with the characteristics reflected in the composition and physical properties of the slopes,and the comprehensive strength parametric curves are very similar between the Ganquan subregion and the Tonghuang subregion.A landslide that occurred in Miaodian-zaitou of Jingyang County,Shaanxi Province,is selected to verify this inversion method,and the results show that the calculated shear strength parameters of the inversion are consistent with the measured value of the actual slope.     

Mechanism of slope failure in loess terrains during spring thawing

Slope failure in loess terrains of Northern China during spring thawing period is closely related to the freeze-thaw cycling that surface soils inevitably experienced. Field surveys were carried out on natural and artificial slopes in thirteen surveying sites located in the Northern Shaanxi, the center of Loess Plateau, covering five characteristic topographic features including tablelands, ridges, hills, gullies and valleys. Based on the scale that is involved in freeze-thaw cycling, the induced failures can be classified into three main modes, i.e., erosion, peeling and thaw collapse, depending on both high porosity and loose cementation of loess that is easily affected. Model tests on loess slopes with gradients of 53.1°, 45.0° and 33.7° were carried out to reveal the heat transfer, water migration and deformation during slope failure. The surface morphology of slopes was photographed, with flake shaped erosion and cracks noted. For three slope models, time histories for the thermal regime exhibit three obvious cycles of freeze and thaw andthe maximum frost depth develops downwards as freeze-thaw cycling proceeds. Soil water in the unfrozen domain beneath was migrated towards the slope surface, as can be noticed from the considerable change in the unfrozen water content, almost synchronous with the variation of temperature. The displacement in both vertical and horizontal directions varies over time and three obvious cycles can be traced. The residual displacement for each cycle tends to grow and the slopes with higher gradients are more sensitive to potentially sliding during freeze-thaw cycling.     

软硬互层顺层岩质边坡破坏试验

软硬互层结构的顺层岩质边坡破坏类型复杂、难于防治, 针对此类边坡地质灾害易发、多发的问题, 从坡面角度、岩层倾向及组合形式、节理分布等方面进行了研究。边坡物理模型试验是揭示边坡变形破坏机理的重要手段, 基于相似理论, 以重庆市万州区孙家滑坡为工程依托, 根据滑坡区地质勘探报告设计了室内边坡物理模型试验; 试验通过顶升模型箱模拟重力加载来探究顺层岩质边坡发生破坏时, 前缘坡角和软弱夹层倾角之间的关系; 结合有限元分析软件Plaxis 2D对物理模型进行了多组数值模拟试验, 以验证软硬互层顺层岩质边坡破坏机制。试验结果表明: 对于顺层岩质边坡, 当软弱夹层的倾角在22°左右, 前缘开挖坡角58°左右时, 顺层岩质边坡容易发生滑动, 滑动面为后缘节理面和软弱夹层的贯通面。因此, 顺层岩质边坡稳定性受层面和节理面密度的控制, 当边坡含多层软弱层面时, 易沿层面和后缘节理贯通面发生破坏, 随着软弱面层数增加, 边坡稳定系数逐渐降低。研究成果可以为公路开挖切坡导致的顺层岩质边坡失稳机理研究及其稳定性评价提供理论依据, 为顺层岩质边坡失稳的预测预报提供支撑。      

平面剪切岩质边坡滑裂面的确定及稳定性分析

由于传统搜索方法对岩质边坡滑裂面的确定无法兼顾效率与精度, 如何迅速准确确定潜在滑裂面仍然是个难题。极限平衡法在岩质边坡稳定性分析中备受认可, 采用岩质边坡平面剪切滑动模型, 以滑裂面的倾角来表征潜在滑裂面的位置; 基于极值法, 推导了极限平衡条件下平面剪切破坏型岩质边坡潜在滑裂面的解析解, 并结合香港秀茂坪路边坡对其准确性进行了验证, 进一步对四川宜宾打营盘山公路多级边坡进行了整体稳定性分析。结果表明: 香港秀茂坪边坡采用本文方法确定的边坡潜在滑裂面倾角与实际滑坡倾角基本一致。实际工程应用中, 采用Slide软件中布谷鸟搜索法和模拟退火法两种搜索方法得到的滑裂面倾角分别为38.0°和37.0°, 本解析法所得倾角为34.8°; 选用Janbu法、Morgenstern-Price法和Sarma法分别计算对应的稳定系数, 结果均为1.04左右, 本文所得稳定系数为1.15, 可见本文方法所得结果基本准确。通过参数敏感性分析发现, 随着黏聚力的增加, 边坡滑裂面倾角越来越小, 稳定系数也随之增加; 而当内摩擦角增大时, 边坡滑裂面倾角和稳定系数也随之增大。      

Experimental study of motion characteristics of rock slopes with weak intercalation under seismic excitation

In order to investigate the effect of a weak intercalation on slope stability, a large-scale shaking table model test was conducted to study the dynamic response of rock slope models with weak intercalation. The dynamic response of the prototype slopes were studied in laboratory with the consideration of law of similitude. The initiation failure was observed in the rock slope model with a counter-tilt thin-weak intercalation firstly, not in the slope model with a horizontal thin-weak intercalation. Furthermore, it was interesting that the fracture site is shifted from crest top to the slope surface near the weak intercalation, which is different with the location of failure position in a normal layered slope. We also discussed the effect of the dip angle and the thickness of weak intercalation on the failure mechanism and instability mode of the layered rock slope. From the experimental result, it was noted that the stability of the slope with a counter-tilt weak intercalation could be worse than that of the other slopes under seismic excitation. The findings showed the difference of failure in slopes with a horizontal and counter weak intercalation, and implicated the further evaluation of failure of layered slopes caused by seismic loads.