坡面形态对边坡动力变形破坏影响的模型试验研究

采用自主制作的单向振动试验台,对不同坡面形态土质边坡进行了失稳破坏过程的模型试验研究。试验设计了凹面坡、凸面坡和凹凸面组合型3类边坡共8个模型,通过单向振动试验台施加初始位移,触发模型边坡失稳破坏,利用摄像机对模型边坡破坏过程进行跟踪记录,并对变形破坏特征进行分析。试验表明：凹面坡主要由坡面上形成的横向裂隙带动整个坡体发生破坏,而凸面坡则是由于坡顶上形成的横向裂隙带动整个坡体发生变形破坏,凹凸面组合型边坡的破坏则是受坡面凸起部位所控制;进一步研究发现,凹凸程度越强的边坡越容易发生变形破坏,其变形破坏的程度越大。研究成果有助于了解不同形态坡面边坡的破坏特征,为工程边坡设计提供借鉴意义。     

地震作用下顺层岩质边坡动力响应和破坏模式大型振动台试验研究

5•12汶川大地震触发了大量的顺层岩质滑坡,对其进行研究很有必要。根据动力模型试验的相似关系,设计制作了1个坡角大于岩层倾角的尺寸(高×长×宽)为1.6 m×1.75 m×0.8 m的顺层模型边坡,并完成了大型振动台试验。试验结果表明,在坡体表面和内部竖直方向上,加速度放大系数随着坡体高程增加而增大,并且随着高程增加,加速度放大系数增大的速度加快;在坡体内同一高程上,坡面处的加速度放大系数大于一定水平深度坡体内部的加速度放大系数,表现出趋表效应;地震波输入频率对坡体动力响应有明显影响,随着频率的增加,越接近坡体的自振频率,加速度放大效应越显著;加速度放大系数随着输入波振幅的增加,总体上表现为递减趋势;通过和均质边坡振动台试验加速度监测数据对比,发现坡体结构对坡体加速度放大系数也有一定的影响,结构面对地震波的反射和折射作用加大了坡体加速度的放大效应。,对试验过程中坡体破坏特征的描述和分析发现,边坡的破坏模式为地震诱发－坡肩拉裂张开－坡面中部出现裂缝－裂缝贯通－发生高位滑坡－转化为碎屑流－堆积坡脚。研究成果对地震灾区滑坡形成机制的认识和减灾防灾有一定的价值。     

大型堆积体边坡基-覆界面及坡面动态响应特性试验研究

地震动力作用下堆积体边坡的变形破坏受多种因素影响,为研究基-覆界面及坡面倾角对松散堆积体边坡的动力响应影响,通过室内物理模型试验,模拟了水平向振动荷载作用下包含不同倾角的基-覆界面和坡面的堆积体边坡的变形破坏过程。试验结果表明,堆积体边坡的破坏模式由基-覆界面及坡面倾角共同控制,当基-覆界面倾角在一定范围内(15°)时边坡只发生浅表部局部滑塌破坏,不会发生沿基-覆界面的整体下滑;随着基-覆界面倾角的增大,边坡破坏形式由局部滑塌逐渐转变为以整体下滑为主;坡面坡度控制着边坡局部滑塌的范围。     

不同地质条件下隧道洞口仰坡地震破坏特性研究

针对洞口段均质围岩仰坡、含软弱夹层仰坡和桁架梁加固仰坡围岩3种工况,开展大型振动台模型试验,分析隧道洞口段仰坡模型土破坏形态。试验结果表明,均质边坡洞口段模型土在动力作用下坡肩土体先出现张拉裂缝,随着激振加速度增加,坡肩土体局部出现倾倒崩塌,最后沿坡面滑落堆积;含软弱夹层边坡在地震力作用下,仰坡坡脚部位土体挤压破碎,坡顶表面沿软弱夹层位置出现张拉裂缝,上覆土体沿软弱夹层滑动,最后土体大规模崩塌、滑落;洞口段加固边坡在动力作用下基本保持整体稳定,只部分梁格出现了局部的掉块,模型土顶部出现沿隧道轴向的细微裂缝。分析了隧道洞口段衬砌结构破坏形态,试验结果表明均质边坡洞口段AB两段衬砌模型裂缝分布较CD段复杂,认为洞口段地震影响深度为AB两段衬砌的长度,对应于实际工程中40 m;受软弱夹层影响,跨软弱夹层部衬砌模型裂缝形态较复杂;仰坡加固后,洞口段衬砌模型受力改善。研究结果可为山岭隧道洞口段边坡抗减震研究和设计提供参考。     

黄土基覆层边坡动力破坏特征的大型振动台试验研究

为了探讨黄土基覆层边坡动力破坏特征与加速度的响应关系,采用1∶20振动台试验,设置输入地震波幅值逐级增大,实时监测边坡裂缝试验全周期内发育规律,应用MATLAB动力破坏特征检测系统获取地表裂缝的基本信息,提出边坡表面动力破坏特征,并结合各工况监测点加速度峰值变化规律进行分析。得到如下结论:(1)输入加速度峰值0.6g时,坡顶和坡脚的裂缝宽度、裂缝面积均有跳跃性增长,表明土岩接触面部位土体已发生累进剪切破坏,滑面和坡面上的加速度峰值响应突变,振幅突变较大,表明边坡已经发生破坏。(2)沿坡面和滑面加速度放大系数均呈非线性增加,而沿坡面的放大系数在各工况下明显比沿滑面的大,说明加速度沿高程放大效应明显。(3)拉裂缝和剪切裂缝面积突增是边坡破坏的重要特征,贯通裂缝产生和加速度响应突变可以作为边坡动力破坏的依据。     

降雨诱发直线型黄土填方边坡失稳模型试验

近年来,随着“治沟造地”和“固沟保塬”等工程在黄土高原的陆续开展,出现了许多直线型黄土填方边坡。降雨是诱发边坡失稳的重要因素,但对降雨诱发直线型黄土填方边坡变形演化特征和破坏模式的研究较少。以直线型黄土填方边坡为研究对象,通过传感器监测、三维激光扫描和人工降雨,开展室内降雨模型试验,记录了降雨入渗下边坡内部水文响应特征和边坡失稳破坏过程,并对湿润锋、土颗粒运移、坡体内部变形响应、裂缝演化特征及破坏模式进行了分析。试验结果表明:随着降雨入渗,湿润锋达到后,体积含水率增加,并在峰值后保持稳定,而基质吸力则减小,到达最低点后保持稳定。冲沟对填方边坡的影响较大,它的发育改变了坡体内含水率特征,同时也是控制边坡整体滑动的边界;边坡变形响应区域主要是以填方边坡前缘堆积区和后缘滑塌区为主;裂缝演化方向由边坡前缘向后缘发展,它的发育为雨水入渗提供优势通道,同时也加剧边坡的变形破坏;降雨形成的水动力驱使坡体中细颗粒从填方边坡后缘向前缘流失,减弱了土体颗粒之间的胶结能力,使其抗剪强度降低,进而使边坡失稳破坏。因此,在降雨入渗下,直线型黄土填方边坡的变形破坏模式为:坡顶冲沟破坏、坡脚软化→局部牵引坍塌、整体失稳→块体分割、流滑破坏。研究结果可为直线型黄土填方边坡的工程建设和滑坡灾害防治提供理论参考。     

加筋土边坡的破坏形式

了解加筋土边坡的破坏形式有助于加筋土边坡的设计和施工监测。对不同形式的加筋土边坡进行离心模型试验,绘制了边坡的破坏形式。试验结果表明:加筋土边坡能够保持较好的整体性,一般不会像未加筋边坡那样突然坍塌; 坡面附近土体内部可能先于坡顶产生裂缝,因此在实际工程中观察到显著的坡顶裂缝后,应当意识到在坡面附近的坡体内部也可能产生了裂缝。一般情况下筋材模量越大加筋效果越好,但在筋材和土接触面强度一定的情况下,筋材模量增大到一定程度后继续增大筋材模量是没有太大意义的。     

强震作用下多层土质边坡破坏规律与变形特征

通过对汶川地震受灾区北川县陈家坝地区的地质灾害调查,根据现场松散土质边坡破坏情况,由工程地质类比法选择了计算模型和地震波,采用岩土弹塑性理论和FLAC3D软件分析了多层土质边坡在动荷载作用下边坡单元的剪切拉伸破坏和剪切应变动力响应规律。研究表明,在水平和竖直地震波联合作用下,地震边坡单元首先在坡体内产生剪切破坏。随着震动时间的增加,剪切破坏单元向坡脚和坡肩处延伸,而在坡肩处主要产生拉破坏,一旦剪切破坏面和拉破坏面贯通,将导致边坡失稳。强震过后边坡坡脚鼓出,坡肩下凹,整个坡体呈弧形破坏。      

辽西黄土陡坡的冲刷破坏机制

以70°辽西黄土陡坡为例,在降雨强度为2.7 mm/min条件下对边坡坡面冲刷破坏特征进行了室内物理试验模拟。试验发现：随着降雨的持续坡面水流能量不断增加,致使侵蚀强度增强;边坡的侵蚀方式从试验初期的片蚀,到中期的细沟侵蚀,最后演化为坡顶部的切沟侵蚀和坍塌。基于试验成果,采用SEEP/W程序对降雨条件下边坡降雨入渗规律进行数值模拟,发现在降雨过程中坡顶部所产生的水头压力最大,随高度降低呈减小趋势;运用PFC2D颗粒流软件从微观角度对坡体土颗粒运动情况进行模拟,结果发现位于坡顶的颗粒最先被径流冲刷带走,且下落速度很快。经对比表明：数值模拟结果和物理模拟试验现象基本一致,可为进一步研究黄土边坡冲刷破坏规律提供参考。     

基于黏聚力裂缝模型的反倾层状岩质边坡倾倒破坏模拟

反倾层状岩质边坡的倾倒破坏是一种常见的地质灾害。为探究开挖条件下反倾层状岩质边坡的倾倒破坏机制以及层间剪切强度、岩层厚度因素对破坏特征的影响,利用ABAQUS有限元软件,建立黏聚力裂缝模型（Cohesive Crack Model,CCM）,基于连续-离散方法,经参数标定和对比,建立反倾层状岩质边坡CCM,采用开挖并增重的方式诱发边坡倾倒破坏。数值模拟结果与古水水电站坝前倾倒变形体离心模型试验结果基本一致,验证了CCM的正确性。进一步,基于以上参数及模型,研究了反倾层状岩质边坡的破坏演化过程和应力分布特征,并探讨层间剪切强度对边坡倾倒破坏特征的影响。结果表明:坡体前缘首先发生局部折断,后缘出现明显拉裂缝,反倾岩层由下往上依次折断直至倾倒体中部（一级破裂面）。随后,坡体前缘的表层岩层被挤出,形成二级破裂面,最后一级破裂面扩展至坡体后缘,形成连通宏观的破裂面。最后,二级破裂面扩展至坡体中部,边坡完全倾倒破坏;破裂面基本沿层间法向应力峰值位置连线发育;层间剪切强度对边坡倾倒破坏特征具有显著的影响,随着层间剪切强度的增大,岩层初始折断位置逐渐降低,垮塌范围逐渐减小,破裂面倾角增大;坡体层厚越大,一级破裂面分布越深,垮塌区范围越大,坡体滑动的整体性越强。研究成果可为反倾层状岩质边坡倾倒破坏的分析和监测提供有效计算方法及依据,为此类滑坡灾害的防治提供一定参考。     

应变软化边坡渐进破坏模式及稳定性可靠度

针对现有考虑应变软化效应的边坡渐进破坏分析模型中计算假定条件不符合实际情况的不足,以三峡库区赵树岭滑坡为研究对象,考虑地下水位波动和地震力的影响,提出用于分析多场耦合条件下应变软化边坡渐进破坏模式及稳定性可靠度的方法.结果表明,地下水位波动和地震力会不同程度地影响滑坡的渐进破坏模式和破坏概率.滑坡在145 m、175 m水位和库水位从175 m陡降为145 m三种工况下整体稳定,但分别有14.119%、20.266%和21.797%的概率发生局部渐进破坏;在烈度为Ⅶ的地震力作用下同时考虑3种蓄水工况,该滑坡分别有34.067%、38.061%和38.405%的概率发生整体渐进破坏;根据滑坡渐进破坏模式指出最佳加固位置应在沿江大道前沿.该分析方法具备可靠性,可为边坡的渐进破坏模式及稳定性评价研究提供参考.      

边坡物理模型倾斜加载方式的研究

模型试验是研究边坡失稳机制的重要技术手段,通过倾斜模型获得滑坡的变形破坏过程也是常用的试验方法。作为一种试验加载方法,倾斜加载方式的可控性、倾斜过程中应力场的相似性都是影响该方法应用的关键性问题。为了研究试验方法的可控性,以块状滑体为例,分析计算了模型倾斜和离心加载两种试验方法对滑块抗滑安全系数的影响过程,结果表明,倾斜加载方法可以随着倾斜角度的增加连续地降低滑块的抗滑安全系数,而离心加载方式仅在1g～10g范围内对滑块的抗滑安全系数产生显著影响。为了比较模型倾斜前后模型内部应力场的相似性,建立了物理模型的数值计算模型,模拟不同倾斜角条件下坡体内的应力场。计算结果表明,模型倾斜过程中,坡体中部应力状态保持稳定,倾斜角较大时,坡体的前缘滑带位置应力状态变化较大,前缘进入塑性变形的可能性增大,局部应力场变化有利于模拟水库型滑坡的破坏机制。为了验证倾斜模型模拟滑坡破坏过程的应用效果,以千将坪滑坡为原型,采用倾斜加载方式进行破坏模型试验,获得了滑坡的破坏过程。与非连续变形分析方法(DDA)模拟的结果相比,模型试验得到的破坏形态更接近实际滑坡。     

贵州水城“7.23”高位远程滑坡冲击铲刮效应分析

以2019年贵州水城“7.23”滑坡为例,采用现场调查、无人机航测和数值模拟技术,分析了滑坡的运动过程和冲击铲刮特征,结果表明:（1）水城“7.23”滑坡属典型的高位远程滑坡,滑体高位启动后冲击下方凸起山脊,铲刮地表残坡积土层,并解体形成碎屑流,最大铲刮深度可达11 m;（2）模拟结果显示,滑坡运动最大速度为30 m?s-1,最大动能达8 900 kJ,铲刮体积达46×104 m3,最终体积为116×104 m3,灾害放大效应明显;（3）水城滑坡的冲击铲刮过程可分为冲击嵌入→剪切推覆→裹挟混合三个阶段。      

用拐点原理计算滑坡后沿张裂缝深度的新公式

当坡体后沿产生张裂缝时,通常意味着坡体接近极限平衡状态,滑坡可能发生,若遇降雨,张裂缝充水产生的水压往往是滑坡发生的启动因素,因为水压的大小与张裂缝的深度估算有关,是边坡稳定分析的重要条件之一。建立了一个坡体后部潜在三角形极限平衡体拉张模型,导出裂缝深度公式。应用拐点的数学性质原理,解出裂缝处与内摩擦角相应的滑面倾角,计算张裂缝深度系数,绘制了应用于实际的张裂缝深度系数的数值解曲线图。解释了张裂缝发生条件:裂缝处的滑面倾角必须小于裂缝深度系数的一阶导数的极值点确定的与土层内摩擦角对应的倾角α。给出了圆弧滑面和一种非圆弧滑面发生张裂缝位置的公式。与Spencer裂缝公式进行了比较,表明本文方法具有实用价值。     

暂时性承压水导致山前缓坡破坏的模型分析

宁（南京）镇（镇江）地区大量缓倾角滑坡发生在强降雨之后,坡内水位抬升形成暂时性承压水,滑坡变形表现为坡体前缘隆起、后缘拉裂。通过对南京江宁石龙路滑坡开展现场地质调查,发现该滑坡地层结构表现为宁镇地区山前缓坡典型的上细下粗的二元地质结构特征。文章以南京石龙路滑坡破坏特征为基础,从简单的承压水分布模型与简支梁模型的基本原理出发,试图分析暂时性承压水导致坡体前缘隔水层隆起破坏的力学机制。针对滑坡前缘隆起特征,构建承压水一维稳定流模型,分析了坡体前缘透水层中承压水的分布特征;引入简支梁模型分析了承压水扬压力对隔水层的变形和稳定性的影响以及隔水层中裂隙的发育规律;确定了隔水层隆起后破坏的判据,详细分析了坡脚处扬压力水头和隔水层厚度对隔水层破坏特征的影响。研究结果表明透水层中承压水头为三角形分布,隔水层最深裂隙发育在扬压力对简支梁模型的最大弯矩处;地表隔水层最大破坏区域与坡脚处扬压力水头呈正相关,与隔水层厚度呈负相关;隔水层发生隆起—拉裂破坏时的临界扬压力水头和临界隔水层厚度近似呈线性关系。     

含交叉裂隙岩体相似材料试件力学性能单轴压缩试验

以相似材料制作含交叉裂隙岩体试件,考虑主裂隙与加载方向之间角度变化及主、次裂隙之间角度变化制作20组试件,对试件进行单轴压缩试验,研究交叉裂隙对岩体破坏模式及力学特性的影响。研究表明,主裂隙与加载方向呈0°及90°时,试件破坏主要为沿次裂隙扩展的剪切型破坏;当主裂隙与加载方向呈30°及45°时,试件破坏主要是沿主裂隙扩展所致的剪切型破坏;主裂隙角度一致情况下,大部分含交叉裂隙岩体破坏强度高于含单向裂隙岩体,含交叉裂隙岩体试件应力-应变曲线峰后下降斜率比含单向裂隙岩体大;主裂隙角度一致情况下,当次裂隙与主裂隙呈45°夹角左右时,岩体试件强度较低,当次裂隙与主裂隙呈30°及90°夹角左右时,岩体试件强度较高。     

堆积层滑坡地震动力响应的物理模型试验

以玉树7.1级地震诱发的玉树机场路堆积层滑坡为对象,该滑坡坡度约为10o,长×宽×厚为317 m×482 m×19.8 m,由以碎石土为主的上覆层、卵石土为主的滑动带及基岩3层组成,开展大型振动台模型试验,探究震后边坡再次承受振动荷载的能力以及地震垂直分量对坡体稳定性的贡献,分析其动力响应特征和失稳破坏机制。结果表明,强震作用下堆积层滑坡的永久变形是造成地震地质灾害的重要因素;随着输入地震荷载增大,坡脚率先破碎沉降,坡体中部产生弧形裂隙并产生沉降,坡顶出现贯穿张裂隙和剪切裂隙并向坡腰推进,表现出典型的牵引性滑坡特征;峰值加速度(PGA)、动土压力以及加速度频谱与输入地震波的强度、滑坡高程呈正相关;PGA放大系数呈现出明显的非线性特征,其变化趋势随地震荷载强度增大而减小,地震波垂直分量对滑坡PGA放大系数影响略大于水平分量。     

皖南山区典型顺层滑坡形成机制研究

皖南山区鸟雀坪滑坡是典型的顺层岩质滑坡,其变形破坏模式为滑移-弯曲,变形破坏过程可分为以下三个阶段:斜坡初始形成,表面卸荷回弹阶段、上部岩体滑移,下部岩体隆起弯曲阶段、滑面贯通—滑坡整体失稳破坏阶段。滑坡形成沿河长200m,纵向长700m,体积约200×104m3的滑坡堆积体,堵塞大源河并强迫河流发生改道。