改进的遍布节理模型及其在层状岩体地下工程中的应用

基于显式有限差分程序FLAC3D,针对层状岩体建立了可以考虑其横观各向同性变形特性的遍布节理模型。通过FLAC3D程序的预留接口导入程序,将该改进的遍布节理模型中植入FLAC3D动态链接库。在此基础上进行了层状岩体变形与强度各向异性特性的研究,最后将该模型应用于龙滩水电站巨型地下硐室群的层状岩体围岩变形及破裂特征分析。研究表明,围岩变形主要表现为岩层同性面内的变形,其左右边墙变形不对称性主要受断层切割控制;围岩破坏型式以剪切破坏为主,其中岩体整体破坏受断层控制,表现为中低应力条件下的拉剪或压剪破坏;而开挖引起的岩层破坏受制于陡倾角层状岩体结构,表现为层间错动引起的剪切破坏。     

河北阜平县石滩地村危岩体变形破坏模式及稳定性分析

石滩地危岩体自20世纪20年代开始变形以来,于2016年7月19日再次发生崩塌灾害,坡体危岩体变形具有加剧的趋势,严重威胁坡脚处石滩地村安全。基于野外调查和勘测,结合已有资料,研究了石滩地危岩体变形破坏模式及稳定性。研究结果表明:石滩地村西侧危岩体变形范围大,可划分为三个危岩体区及7个危岩体带。危岩体崩塌破坏模式表现为滑移式、倾倒式、坠落式三种类型,其中南部、中部危岩体以倾倒、坠落式破坏为主,北部危岩体以滑移式为主。天然状态下危岩体处于基本稳定状态;当遭遇强降雨或地震时,危岩体处于不稳定或欠稳定状态,易发生崩塌灾害,相比于中、北部危岩体,南部危岩体更易发生崩塌。     

大别造山带岳西县斜坡变形破坏演化模式

岳西县自然斜坡在地球内、外动力共同作用下,容易变形并遭到破坏,造成人员伤亡和财产损失,严重制约了当地的经济发展。通过系统的工程地质调查和浅表生改造理论分析,查明了岳西县斜坡变形破坏特征及其成因,并探讨了其演化模式。结果表明,岳西县不同岩组的抗风化能力和力学特性存在差异,斜坡发生地质灾害的机理也不相同。根据斜坡结构特征,岳西县滑坡分为全风化层滑坡、强风化层滑坡和顺层岩质滑坡: 全风化层滑坡的滑面位于全风化层中或全风化层与强风化层的分界线处; 强风化层滑坡的滑面主要发育于强风化层与中风化层的分界线处; 顺层岩质滑坡主要发育于片麻岩发育的顺向坡中。根据变形破坏方式,岳西县崩塌可分为滑移式崩塌、倾倒式崩塌和坠落式崩塌: 滑移式崩塌主要由一组缓倾坡外结构面和另一组陡倾(坡外或者坡内)结构面控制; 倾倒式崩塌主要由一组陡倾坡内结构面和另一组近水平发育的结构面控制; 坠落式崩塌主要由一组结构面陡倾或近直立发育的结构面控制。岳西县滑坡多发育于风化壳厚度较大、岩体较松散、结构面强度低的地区; 崩塌多发育于斜坡高陡、岩质风化程度低、结构面发育的地区。研究成果对岳西县乃至整个大别山地区地质灾害的研究及防治工作具有一定的借鉴意义。     

对影响逆倾层状边坡稳定性因素的模型试验研究

在工程地质分析的基础上,根据相似理论建立了地质力学模型,研究了逆倾层状边坡岩体的变形破坏机制。介绍了模型试验的设计,并研究了逆倾边坡的稳定性以及岩层的倾角、厚度、结构面的强度对边坡稳定性的影响。结果表明,逆倾层状岩体的变形机制为倾倒变形,破坏模式为弯折破坏;破坏首先在坡顶产生,边坡变形加速的过程是在开挖结束一段时间后才出现;岩层倾角越小,变形加速所持续的时间越长;岩层的厚度和结构面的强度越大变形越小。     

中等倾角岩层顺向坡滑坡发育特征及形成机制分析

中等倾角岩层顺向坡,受坡体结构和岩体物理力学性质控制,多存在变形、崩塌、滑坡等工程地质问题,常常会诱发大规模的地质灾害。该类斜坡潜在滑动面不直接出露地表,一般具有变形机制复杂、隐蔽性强和危害大的特点,是滑坡领域关注与研究的重点。拖担水库大坝左岸为一古滑坡,在水库扩建开挖过程中,诱发古滑坡体复活。在分析古滑坡工程地质条件的基础上,结合地质勘察和变形监测结果,研究了其变形特征及形成机制。研究结果表明:①左岸古滑坡具有岩层倾角“上陡下缓”、滑体底部存在反倾坡内的剪切破碎带、滑床岩体产生弧状弯曲的特点;②古滑坡体为一基岩顺层滑坡,滑动模式为“滑移（弯曲）—剪断”型,其变形破坏过程包括三个阶段:弯曲隆起阶段、滑移剪出阶段和扰动变形阶段;③该类斜坡变形破坏后,坡体易沿“上陡下缓”的椅型软弱层面发生二次滑动,滑坡控制关键是对下部变形区的保护。     

多层软弱夹层边坡岩体破坏机制与稳定性研究

以大量的实际工程为基础,基于Sarma极限平衡法和有限元强度折减法探讨层状岩质边坡在不同岩层倾角θ、边坡坡角β、结构面间距h条件下的安全系数与破坏面位置的变化规律,揭示复杂多层软弱夹层边坡岩体的破坏机制及稳定性特征。结果表明：不同θ条件下边坡岩体失稳机制和破坏面位置不同,随着θ的增大,破坏机制表现为滑移破坏→滑劈破坏→崩塌破坏→倾倒破坏→滑移破坏;当β、h一定时,直立层状边坡的稳定性略大于水平层状边坡,反倾向边坡的稳定性明显大于顺层边坡;β直接影响边坡岩体破坏特征,当β由30°增大至60°时,顺层边坡的安全系数约降低53%;反倾向层状边坡的安全系数约降低40%;h对边坡岩体破坏机制的影响较小,但对稳定性的影响较大,建议工程实践中加强密集结构面岩质边坡的监测和加固工作。     

近水平厚层高陡斜坡崩塌机制研究

近水平厚层高陡斜坡岩层倾角小于10°,具有软硬相间或上硬下软的结构,常形成高陡斜坡或陡崖地形,主要以大型崩塌的形式发生破坏。在梳理国内外文献的基础上,从岩体破坏机制出发,对近水平厚层高陡斜坡崩塌的形成过程、破坏机制、失稳模式进行分析,总结归纳了6种地质力学模型,包括滑移-拉裂、塑流-拉裂、倾倒-拉裂、剪切-错断、剪切-滑移、劈裂-溃屈,并提出了相应的野外识别特征。      

震裂-滑移式崩塌形成机制及变形规律研究

以四川省S303线卧龙至巴郎山段K70+340～K70+388处崩塌为研究对象,采用地质力学分析和UDEC离散元模拟相结合的方法,揭示了震裂-滑移式崩塌形成机制及其变形破坏规律。结果表明：该类型崩塌主要发生在有陡倾结构面的顺层岩质斜坡;地震波对斜坡岩体主要为拉剪破坏,并呈现出坡顶和坡面处拉应力大于坡体内部的规律;地震力对斜坡的影响表现出顶部较下部、坡面较坡内变形快、变形量大的特点;随地震波加速度的幅值的增大,斜坡动力响应也越强烈,崩塌体的位移也越大;震裂破坏过程可以归纳为6个阶段,即（1）地震作用下岩体的损伤和拉张裂缝的形成;（2）拉张裂缝的拓展和软弱滑移面的贯通;（3）崩塌体整体震散和局部岩块的滑移;（4）局部岩块失稳,产生岩体的坠落、弹射、抛射和滚落现象;（5）岩体整体产生坠落、弹射、抛射和滚落;（6）崩塌体趋于稳定。该问题的研究不仅可以为地质灾害的分析提供新方法,而且对震区防灾、减灾具有一定的指导意义。     

缓倾顺层岩质斜坡破坏条件和变形机制分析——以常吉高速公路朱雀洞滑坡为例

总结国内外实例数据发现:缓倾条件下顺层斜坡能够产生滑移-弯曲变形;同类滑坡具有隐蔽性强、体积规模巨大、滑动面后陡前缓、多层滑动、突发性、高速、滑动距离有限等特征;顺层斜坡产生滑移-弯曲变形的必要条件为岩层倾角20°～60°、岩体软硬相间、节理与裂隙发育、岩层倾角>斜坡坡角、坡长达到数百米及以上、岩体剩余下滑力大于其临界值。为了研究缓倾顺层岩质斜坡滑移-弯曲变化过程,以常吉高速公路朱雀洞滑坡为例,采用地质调查、文献查询、理论计算、物理模拟相结合。首先对滑坡基本特征及其成因机制进行细致研究,建立了滑移-弯曲变形力学模型,进行了变形条件判别、稳定性评价。在此基础上,运用物理模型试验分析方法,再现了斜坡变形破坏演化过程,进一步证实了其滑移-弯曲型变形破坏机制。     

层状岩体地下洞室破坏模式数值模型及验证

基于层面法向局部坐标系中的横观各向同性弹性本构模型,根据层面产状方位角,推导出整体坐标系中弹性应力的转换方法。针对层状岩体的各向异性特征,将岩体的破坏模式细分为5种,分别对每一种破坏模式建立各自的判别函数和屈服准则,根据塑性流动正交法则推导出相应的应力修正迭代计算方法。通过单轴、三轴压缩数值试验,对层状岩体的强度和变形性质进行研究,分析层面倾角和围压对层状岩体力学行为的影响。将所建模型与FLAC3D自带的横观各向同性弹性模型以及遍布节理模型进行对比,验证模型的正确性及精度。同时,将模型应用于三向等压理想圆形隧洞的开挖计算中,分析层状岩体破坏方式受层面方位角影响的变化规律,分析结果表明层面对围岩破坏模式和塑性区扩展方向起到了控制作用。     

Mechanism on apparent dip sliding of oblique inclined bedding rockslide at Jiweishan, Chongqing, China

Because of the existence of a front stable rockmass barrier, the failure pattern of an oblique inclined bedding slope is conventionally recognized as a lateral rockfall/topple, and then a transformation into a rockfall accumulation secondary landslide. However, the Jiweishan rockslide, Wulong, Chongqing, which occurred on June 5, 2009, illustrates a new failure pattern of massive rock slope that rockmass rapidly slides along apparent dip, and then transforms into a long runout rock avalanche (fragment flow). This paper analyzes the mechanism of the new failure pattern which is most likely triggered by gravity, karstification, and the processes associated with mining activities. A simulation of the failure processes is shown, using the modeling software, FLAC^3D. The results show that there are five principal conditions for an apparent dip slide associated with an oblique inclined bedding slope are necessary: (1) a block-fracture bedding structure. The rockmass is split into obvious smaller, distinct blocks with several groups of joints, (2) an inclined rockmass barrier. The sliding rockmass (i.e., the rockslide structure before movement) exists along a dip angle and is barricaded by an inclined stable bedrock area, and the subsequent sliding direction is deflected from a true dip angle to an apparent dip angle; (3) apparent dip exiting. The valley and cliff provide a free space for the apparent dip exiting. (4) Driving block sliding, which means the block has a push type of effect on the motion of the rockslide. The “toy bricks” rockmass is characterized by a long-term creeping that induces the shear strength reduction from peak to residual value along the bottom soft layer, and the sliding force is therefore increased. (5) The key block resistance and brittle failure. The pressure on the key block is increased by the driving rockmass and its strength decreases due to karstification, rainfall, and mining. The brittle failure of the karst zone between the key block and the lateral stable bedrock occurs instantaneously and is largely responsible for generating the catastrophic rockslide–rock avalanche. If there was not a pre-existing key block, the failure pattern of such the inclined bedding rockmass could be piecemeal disintegration or small-scale successive rockfall or topple. The recognition of catastrophic failure potential in such inclined bedding slopes requires careful search for not only structures dipping in the direction of movement, but also key block toe-constrained condition.     

基于底摩擦试验的硬岩岩质边坡变形过程及破坏机制研究

针对不同倾向、不同倾角条件下,边坡变形破坏特征不同但缺乏相互对比分析研究的现状,在充分考虑硬岩岩质边坡变形破坏特征的基础上,配制硬岩相似材料,采用底摩擦试验方法,分析不同倾向、不同倾角边坡变形破坏模式,并借助PIVlab技术进行分析。结果表明:顺倾和反倾边坡变形破坏模式和破坏范围有明显区别。在45°坡度条件下,当顺倾边坡倾角由30°→45°→60°→80°转换时,变形破坏模式由滑移-拉裂→轻微滑移-弯曲（或滑移-剪切）→未有明显变形（整体稳定）→浅表部倾倒-拉裂逐渐演化。在45°坡度、反倾边坡条件下,变形破坏模式由岩层倾角30°和45°条件下无明显变形,逐渐向60°和80°条件下的倾倒-拉裂演化。当岩层倾角较陡时,反倾边坡破坏范围相对顺倾边坡更大,倾倒弯曲转折端更深。PIVlab结果反映出不同结构边坡条件下,不同位置的速度和位移矢量特征不同,且与宏观观察结果相吻合。研究成果能够为同类边坡的稳定性评价和治理设计提供一定参考。     

陕西山阳特大型滑坡视向滑移-溃屈破坏力学分析

陕西山阳滑坡为典型的陡倾层状斜向岩质斜坡,其破坏模式不同于常见的顺倾层状岩质斜坡溃屈破坏模式,也不同于斜倾层状山体的视向滑移-剪切破坏模式,更不同于陡倾顺层岩质斜坡的倾倒、倾倒-滑移破坏模式,属于视向滑移-溃屈破坏模式。在实地调查的基础上,从斜坡结构特征、结构面组合特征以及剪出口特征分析了滑坡的破坏模式,进而分析了山阳滑坡的视向滑移-溃屈破坏机制;以梁板理论、层状板裂结构岩体弯曲-溃屈破坏的力学模型为基础,结合斜倾层状岩质滑坡的视向滑动机制研究,建立了基于斜坡自重、地下水静水压力、侧向摩阻力以及斜坡岩体厚度变化作用下的陡倾层状斜向岩质斜坡视向滑移-溃屈破坏力学模型,进行力学分析,推导了溃屈段长度条件方程,并以山阳滑坡为例验证了长度条件方程的正确性。     

粉砂质板岩力学特性及各向异性特性

为研究鄂西北地区板岩的力学特性及各向异性特征,开展了志留系粉砂质板岩的单轴压缩和巴西劈裂试验,分析了试样的力学特性和各向异性特征以及在不同荷载作用下的变形破坏模式,揭示了不同破坏模式的力学机制,并通过数值分析研究了不同板理面角度板岩边坡破坏模式及力学机制。研究结果表明,粉砂质板岩中的板理面是影响岩体力学行为的弱面,使得粉砂质板岩表现出明显的各向异性的特征。在单轴压缩条件下,粉砂质板岩在垂直板理面方向比平行板理面方向更易变形,变形量更大;平行板理面方向加载时试样破坏类型为竖向劈裂型张拉破坏,其实质是压杆失稳;垂直板理面加载时试样的破坏类型为穿切板理面的劈裂型剪切破坏;所测得的力学参数各向异性也较明显。在劈裂荷载作用下,粉砂质板岩的破坏模式主要有张拉劈裂破坏和沿板理面剪切破坏两种,所得抗拉强度在平行板理面方向上最大,在垂直板理面方向上最小,两个方向上的抗拉强度均小于抗压强度。由于板理面间的抗拉强度极低,在受到与板理面呈小角度相交的劈裂荷载作用时,容易产生沿板理面的张拉劈裂或拉剪破坏,在实际工程中应尽量避免板理面间的受拉破坏和沿板理面的拉剪破坏。在边坡工程中,板理面倾向、倾角对边坡破坏模式及力学机制有较大影响,边坡防护治理需充分考虑这一影响。上述研究为粉砂质板岩区岩质边坡防护治理以及其他岩石工程设计与施工提供理论依据与技术基础。     

常吉高速公路湘西段路堑边坡结构特征与防护措施

常吉高速公路湘西段地形起伏大, 地质条件复杂, 路堑边坡数量众多, 边坡稳定性问题突出。本文根据岩体产状与边坡坡面的关系研究, 认为常吉高速湘西段路堑边坡主要包括顺向坡、正交坡与反向坡, 其中顺向坡的变形破坏机制与它的物质组成、岩体结构合风化程度等有关。分析、总结了路堑边坡的变形破坏模式, 提出并实施了针对不同边坡结构类型与变形破坏模式的边坡防护措施。     

3D modeling of stratified and irregularly jointed rock slope and its progressive failure

Little has been published on the three-dimensional (3D) simulation of the progressive failure of rock slopes, possibly because the process of failure involves a complex, nonlinear evolution from initiation, through propagation and crack. In addition, rock is typically anisotropic, which makes it difficult to identify and describe the slope constituents and failure processes accurately. Despite such difficulties, further study of the fracture process is just as important as analyzing stress fields in 3D rock slope failures. In this paper, the 3D realistic failure process analysis code using finite element programming, and an extended version of numerical centrifugal method, is used to simulate slopes failure with different dip angles. The numerical centrifugal analysis results in this paper are found that the critical failure surface develops along the weak structural surface when the slope dip angle β is below 30°; conversely, the failure surface is formed along the toe of circular sliding when β is above 30°. In addition, it is also found that whether or not including the irregularity of joint into modeling to analyze the 3D slope stability problem will lead to a significant difference in factors of safety, it can reach 8.41 % at the same slope angle. Furthermore, the acoustic emission analyzing reveals deformed location characters of rock slope during the failure processes. With such capabilities, the approach contributes significantly to the in-depth study of the mechanisms of rock slope instability process.     

恩施盆地红层边坡变形破坏模式研究

恩施盆地红层分布范围广,存在大量的斜坡或人工高陡边坡。由于红层岩体工程地质性质的特殊性,在自然地质作用和人类工程活动的影响下,边坡产生变形破坏,造成人员伤亡和财产损失,对城市市政工程和道路工程建设产生了较大的影响和制约。本文通过恩施盆地红层边坡的野外工程地质调查、钻探、现场试验（压水和渗水试验）、样品采集和室内岩体特性参数测试等工作,基本查清了红层的工程地质特性、水理特性和边坡变形特点。恩施盆地红层可分为“硬砂岩”和“软砂岩”,前者由胶结较好的粉砂岩和砂岩组成,强度较高,透水性差,属相对隔水层;后者由胶结较差的砂岩构成,强度低,透水较强,为含水层。边坡变形破坏规模较小,但点多、危害较大。本文从运动方式和影响因素两个方面对边坡变形破坏模式进行研究,依据斜坡岩土体运动方式,红层边坡变形破坏划分为:顺层岩质滑坡、坠落式崩塌、倾倒式崩塌3种;按变形破坏影响因素,边坡变形破坏划分为:软硬互层红砂岩差异风化、顺层结构面和切层结构面不利组合、人工开挖扰动3种,并分析了各类变形破坏模式的特点和变形破坏过程,对恩施盆地及同类型地区的红层边坡变形破坏的防治具有指导意义及参考价值。     

顺层岩质边坡开挖模型试验及稳定性影响因素分析

用地质力学模型试验方法,对顺层岩质边坡进行开挖破坏试验。同时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。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。     

三峡库区平缓层状软硬相间斜坡变形模式变化分析

三峡库区发育大量软硬相间斜坡岩体,其变形机制复杂多变。以涪陵岩上危岩体为例,分析塑流-拉裂型斜坡的变形控制因素为厚层软基;以云阳云江路高边坡为例,分析压致-拉裂型斜坡的变形控制因素为薄夹层。采用应力分析的方法,对两种类型的岩体破坏进行了分析。塑流-拉裂型斜坡岩体以岩石的拉张破坏为主;滑移-压致拉裂型斜坡岩体以岩石的压张破坏为主。两种模式在结构上的差别为软岩厚度的差别。以巫山望霞危岩体为例说明,当软岩厚度处于相间位置时,其变形模式为复合模式。因此斜坡内部的岩体结构类型与斜坡变形破坏地质力学模式有着密切关系,斜坡结构变化则变形模式相应变化,其模式可能为过渡的复合式。这一认识对判断单个平缓软硬相间斜坡的变形问题具有积极的指导意义。     

含软弱夹层岩质边坡稳定性研究现状及发展趋势

含软弱夹层岩质边坡在自然环境和工程实践中都比较常见，稳定性差，边坡失稳产生了大量的滑坡灾害，造成大量人员伤亡和经济损失。因此，含软弱夹层岩质边坡稳定性研究一直是工程地质和岩土工程领域的研究重点之一。在收集整理国内外相关资料的基础上，从自重工况、开挖工况、暴雨和蓄水工况、地震工况方面总结了目前含软弱夹层岩质边坡稳定性的研究现状及进展，取得如下主要认识:(1)软弱夹层对岩质边坡稳定性有显著不利影响，含软弱夹层岩质边坡的稳定性比均质岩质边坡、不含软弱夹层的层状岩质边坡都差；(2)含软弱夹层岩质边坡的稳定性系数、变形特征和破坏模式与软弱夹层的含水状态、抗剪强度、倾角、厚度、间距、层数和边坡坡度有关；(3)开挖容易诱发坡体沿软弱夹层滑坡，含软弱夹层岩质边坡开挖后需要及时支护；(4)爆破层裂效应改变了软弱夹层与围岩的接触状态，减小了它们之间的凝聚力和摩擦力，导致边坡稳定性降低；(5)暴雨和蓄水都不利于含软弱夹层岩质边坡稳定；(6)岩质边坡地震动力响应和变形破坏特征受软弱夹层参数(厚度、倾角、含水状态)、地震波特性(地震波的类型、幅值、频率、激振方向)和边坡结构(顺层或反倾)共同影响；(7)在软弱夹层对水平向动力响应的放大或减弱作用及厚层软弱夹层的消能减震作用方面仍然存在不同观点。在此基础上，分析了研究方法的优缺点，指出当前含软弱夹层岩质边坡稳定性研究存在的问题。最后，针对该领域的研究现状，提出了未来的研究重点和方向，主要包括:含多层软弱夹层岩质边坡的渐进性变形破坏过程和稳定性；全面深入研究单因素作用(开挖卸荷、爆破、地震、暴雨、库水位变化、地下水等)对含软弱夹层岩质边坡稳定性的影响机制；多因素耦合作用下含软弱夹层岩质边坡稳定性；支挡结构体系对含多层软弱夹层高陡岩质边坡的加固机制。