锚固岩石边坡地震稳定性拟动力分析

地震易发地区的锚固岩石边坡,需要研究其地震稳定性。对于锚固典型岩石边坡,在考虑水平与竖向地震力、张裂缝积水深度、坡顶超载、锚索倾角、锚索位置、锚索拉力及静水与动水压力等的条件下,运用拟静力和拟动力方法分别推导了不同工况条件下其抗滑和抗倾覆地震安全系数。分析表明,竖向向上地震力有利于锚固岩石边坡的抗滑稳定,而竖向下的地震力有利于锚固岩石边坡的抗倾覆稳定;在相同工况条件下,当岩体放大系数等于1.0时,拟动力与拟静力方法所得锚固岩石边坡地震安全系数相差无几,但是,当岩体放大系数逐渐增大时,拟动力方法所得地震安全系数越来越明显地小于拟静力方法所得地震安全系数。因此,在抗震设计当中适当的考虑岩体放大系数,将会有利于锚固岩石边坡的安全设计。     

水力和超载条件下锚固岩石边坡动态稳定性拟静力分析

基于极限平衡理论,综合考虑水力条件、坡顶超载、地震荷载效应和锚固效应对岩石边坡进行了全面的稳定性分析。计算给出了多影响因素条件下岩石边坡稳定性安全系数的表达式,并重点分析了几种相关参数组合对岩石边坡稳定性的影响。分析表明,坡顶张拉裂缝积水、地下水渗流作用、滑面出流缝被堵塞、地震影响效应不利于岩石边坡抗滑稳定性,而锚索锚固效应则对提高边坡抗滑稳定性有积极作用;坡顶张拉裂缝积水、滑面出流缝被堵塞、水平向地震影响效应都不利于岩石边坡抗倾覆稳定性,但锚索锚固效应、坡顶超载、与竖直方向地震效应则对提高边坡抗倾覆稳定性有益。最后针对工程实际,提出了相应的工程建议。     

地震荷载作用下岩石边坡的抗倾覆稳定性分析及可靠度研究

在地震多发地区,地震荷载对岩石边坡的稳定性影响显著。因此,在边坡抗震设计中,准确有效地评估其稳定性显得非常重要。安全系数法未考虑地震荷载等影响因素的不确定性,因此具有一定的局限性。本文在考虑到破坏面出流缝未堵塞和被堵塞两种情况下,利用拟动力方法计算了岩石边坡抗倾覆稳定性安全系数。在此基础上,考虑到地震荷载、坡顶超载及张裂缝内水位深度的变异性,对岩石边坡的抗倾覆稳定性进行了可靠度分析。研究发现,当破坏面出流缝被堵塞时,岩石边坡的抗倾覆稳定性急剧降低。此外,地震荷载等因素的变异性对岩石边坡的抗倾覆稳定性有着显著的影响。因此,同时利用安全系数及可靠度指标来评估岩石边坡的稳定性,且适当地考虑岩体放大系数,有利于岩石边坡抗震设计的安全性。     

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。     

条形荷载下黏性土主动土压力计算

依据库仑土压力理论假设,挡土墙土压力由墙后填土在极限平衡状态下出现滑动楔体产生,推导出考虑滑裂面上填土的黏聚力、墙土间黏聚力、黏性土表面出现张拉裂缝、条形荷载下的黏性土主动土压力计算式,并给出临界破裂角的显式解答。当墙后作用有连续均布荷载或不考虑黏性填土表面出现裂缝时,只需取条形荷载到墙顶的距离或计算的裂缝深度为0即可按相同的方法求解。研究表明,由于未考虑条形荷载对临界破裂角的影响,规范方法得到土压力值偏小。该公式适用范围广,尤其对于条形荷载作用墙后任意位置时均可应用,对实际工程中挡土墙的设计计算具有一定应用价值。     

基于Barton-Bandis准则的锚固边坡稳定性分析

结合岩石节理面非线性Barton-Bandis破坏准则,探讨了将Barton-Bandis破坏准则参数转化为线性Mohr-Coulomb破坏准则抗剪强度参数的两种常用方法,通过实例分析了各方法的优劣。推导了加锚单岩石节理面控制的平面滑动岩体边坡抗滑稳定性安全系数计算式,开展了锚固参数分析。研究表明：相对于采用等效线性拟合法或切线等效法获取Mohr-Coulomb抗剪强度参数而言,直接应用Barton-Bandis破坏准则计算节理面控制的岩石边坡稳定性更为直观和简便;随着结构面基本摩擦角、结构面粗糙度系数和结构面壁面有效抗压强度的增大,边坡安全系数逐步提高,且结构面基本摩擦角和粗糙度系数对边坡安全系数的影响程度更为显著;锚索锚固力越大,边坡抗滑稳定性越好,而锚索设置角度越大,边坡抗滑稳定性越低,锚索角度设置不当将明显减小锚固效应的有效性。     

Kinematic analysis of pile behavior for improvement of slope stability in fractured and saturated Hoek–Brown rock masses

Because of a multitude of steep slopes being constructed adjacent to roadways, there is greater concern of landslide occurrence, particularly in instances where poor geomaterials are present. Installation of piles along the slope is one commonly adopted method. This paper presents the assessment of the stability of a rock slope with stabilizing piles based on kinematic analysis. The pile effect is introduced with a resultant lateral force and a moment. Upper bound solutions of the pile's lateral force are derived with a log‐spiral rotational failure mechanism. The slope performance based on the bearing capacity of surcharge loading is also discussed with consideration of pore water pressure. In order to substantiate the derived theoretical solutions, numerical analysis with optimization technique is carried out. Results demonstrate that rock materials with high quality are conducive to ensure slope stability. Reduced lateral force on the pile is produced with lower rock weight, slope height, and surcharge loading. Finally, the safety factor and stability coefficient are discussed to complete the evaluation of the slope stability. Copyright © 2016 John Wiley & Sons, Ltd.     

以破坏概率为目标的岩质边坡平面滑动破坏反分析

把可靠性理论和反分析方法相结合,对岩质边坡平面滑动破坏进行了反分析,讨论了分别以稳定系数和破坏概率为目标的反算方法,阐述了平面滑动破坏反分析的计算过程,根据无后缘张裂缝的岩质边坡平面滑动极限状态函数,运用Monte Carlo方法对某核电工程基坑边坡平面滑动破坏进行了反分析。指出了基于稳定系数的常规定值反分析中的不足,讨论了变异系数、截尾位置、相关系数对计算结果的影响。认为抗剪强度指标的变异系数和相关系数对反算结果影响不大,截尾位置按照“3σ”原则兼顾变异系数经验范围的设置方法可以满足要求。     

强降雨条件下具有张裂缝边坡临界滑动场

降雨持时较长且雨强较大时,雨水的入渗不仅会增大孔隙水压力,且易使张裂缝充水形成静水压力,对边坡稳定不利。结合降雨条件下饱和-非饱和渗流分析,考虑降雨过程中的瞬态孔隙水压力场与瞬态强度场,并同时考虑张裂缝充水时的静水压力,对边坡临界滑动场法进行改进,提出降雨条件下具有张裂缝边坡临界滑动场数值模拟方法,且对其进行了验证。将该方法用于一个典型均质黏土边坡算例,结果表明,（1）文中方法可考虑张裂缝具体位置、深度及其充水状态下对边坡稳定性的影响,并能搜索出任意形状危险滑面,计算结果合理可靠;（2）降雨条件下张裂缝中静水压力对边坡稳定性及滑面形状有较大影响;（3）降雨条件下张裂缝位置对边坡稳定有较大影响,距坡肩越近,张裂缝对边坡稳定性影响越大;（4）张裂缝处在最不利位置且充水时存在一个最不利深度。     

水力作用下顺层岩质边坡稳定性分析

通过对顺层岩质边坡中地下水力作用进行分析,认为地下水力作用主要为沿结构面分布的裂隙水压力和拖拽力。分析了滑动破坏中的控稳优势结构面,认为该面上的张裂隙静水压力、滑动面扬压力以及拖拽力的大小均取决于后缘张裂隙的充水高度。将典型岩石边坡进行简化假设,利用简化后的边坡水力学分析模型,推导出边坡稳定系数和决定边坡稳定性的张裂隙充水临界高度的表达式。选取实际边坡进行分析和计算,验证了公式的合理性,结果表明地下水作用下边坡稳定系数的降低主要与静水压力有关,而渗透力的影响很小。     

岩质边坡滑动-倾倒组合破坏模式稳定性分析

在岩质边坡滑动-倾倒组合破坏地质力学模型的基础上,采用改进的传递系数法,提出了岩质边坡滑动-倾倒组合破坏的解析分析方法,并对初始下滑推力及岩块底部的凝聚力进行敏感性分析。与传递系数法相似,将边坡体几何力学参数及潜在倾倒岩块编号作为变量,使得每个倾倒岩块的稳定性分析具有统一的表达式,并易于采用Microsoft excel进行程序化分析。分析结果表明：岩块底面的凝聚力对下部潜在倾倒区域的破坏模式影响较大,随着岩块底面凝聚力的增加,潜在倾倒区域发生倾倒破坏的块体呈逐渐增加的趋势,而发生滑动破坏的块体则明显较少,岩块底面倾角对坡体整体稳定性影响较大;随着岩块底面倾角的增大,整个坡体的稳定性逐渐降低。     

含顺层断续节理岩质边坡地震作用下的破坏模式与动力响应研究

基于二维颗粒流软件PFC2D的人工合成岩体技术（SRM）,研究了岩桥倾角和节理间距不同组合形式的含顺层断续节理岩质边坡在地震作用下的破坏模式与动力响应规律。研究结果显示：在地震动力作用下,含单潜在滑动面的顺层断续节理岩质边坡呈现出滑移-倾倒的混合破坏特征,含多潜在滑动面的顺层断续节理岩质边坡则主要发生倾倒破坏;由顺层断续节理以及岩桥交替连接所组成的潜在滑动面是控制边坡动力稳定性的关键因素。在地震动力作用下,最靠近坡脚的岩桥段首先萌生翼裂纹,使得拉应力得到释放,随后各节理相继萌生裂纹并扩展、贯通,最终导致坡体发生阶梯状整体失稳。裂纹扩展受顺层断续节理控制,萌生裂纹中以张拉裂纹为主,且裂纹数量与输入地震波的加速度曲线具有同步性。另一方面,节理面的存在对边坡动力响应产生明显影响,沿坡表以及沿水平方向上的峰值速度、峰值位移随着岩桥倾角的增大、节理间距的减小而增大,同时节理间距和岩桥倾角对于峰值加速度（PGA）放大系数的影响范围主要集中在坡表、坡肩;沿竖直方向上,峰值位移随着岩桥倾角、节理间距的增大而减小,PGA放大系数曲线随高程变化总体呈现U型分布特征。     

Closed-Form Solution of Critical Inclination for Rock Slope with Weak Plane

Plane failure of rock slope is highly related to the inclination of the weak plane. The inclination of the weak plane is a general function of factors including: height of slope, factor of safety, horizontal coefficient of earthquake influence, inclination of slope, unit weight of rockmass, cohesion and friction angle on the plane. The closed-form solution of the critical inclination of the weak plane corresponding respectively is derived under two conditions (i.e., without earthquake and with earthquake), because the critical height of slope and the critical factor of safety are considered to and are easy to be adjusted in engineering practice. In the end, the relations between derived critical closed-form solution and each parameter are illustrated with an example.

     

地震效应下非线性抗剪强度参数对裂缝边坡稳定性影响的上限解析

基于非线性Mohr-Coulomb破坏准则,结合极限分析上限法和拟静力分析法,建立功能方程,推导了地震效应下裂缝边坡的安全系数计算方程。采用数学规划方法,计算了不同参数组合条件下的边坡安全系数值,详细分析了非线性条件下一系列参数对边坡稳定性的影响。研究表明,边坡安全系数随非线性参数和地震效应的增大而减小。对比分析可知,在非线性破坏准则下,裂缝深度较大时,裂缝对边坡稳定性影响显著,且边坡越陡影响越大;当裂缝深度超过某个值后,临界破坏面起始端可能不穿过裂缝最底端,而是从裂缝中间某部位穿过。在地震效应作用下,非线性抗剪强度参数对安全系数影响显著。研究成果进一步完善了裂缝边坡稳定性分析内容,所列图表为边坡的设计与施工提供有益参考。     

基于动力学和材料软化特性的边坡渐进破坏特征研究

边坡的失稳是一个从量变到质变的动态渐进破坏过程,此问题也是边坡领域研究的重点与难点之一。在考虑岩土材料软化特性和动力学求解的基础上,建立了边坡渐进破坏仿真的理论框架;利用ABAQUS软件的动力显式求解模块实现了边坡的渐进破坏仿真;根据塑性应变揭露了剪切带的扩展过程,由软化本构确定了滑面材料的分区演化规律,根据等效塑性应变确定了边坡的滑面,通过滑面位置将边坡分为滑体、滑带、滑床,并分别研究了边坡各分区内部特征点运动学变量的发展过程,从而揭示了边坡的渐进破坏过程;基于材料参数沿滑面的时空分布,利用矢量和法得到了边坡不同演化阶段的安全系数。对比该方法与Bishop法确定的滑面位置与安全系数,发现两种方法峰值和残余强度对应的安全系数比较接近,该方法搜索所得滑面位于Bishop法自动搜索的滑面之间,验证了此方法的合理性及可靠性。最后分析了材料软化特征对边坡稳定性的影响,在保持其他参数不变的条件下,增大残余黏聚力,边坡的滑面位置加深,安全系数的初始值减小,安全系数的快速减小阶段有所推迟,并且快速减小阶段经历的时间有所延长,稳定后的安全系数有所增大。保持其他参数不变,增大残余黏聚力对应的等效塑性应变阈值,边坡的滑面位置加深,安全系数的初始值减小,安全系数的快速减小阶段有所推迟,但快速减小阶段经历的时间基本不变,达到稳定的时间有所推迟,同时稳定后的安全系数略微有所增大。     

坡顶荷载作用下岩质边坡弯曲倾倒破坏分析

车辆、坡顶堆载等造成的坡顶荷载是影响边坡稳定性的一个重要因素。首先,基于叠合悬臂梁模型和极限平衡理论,建立了坡顶荷载作用下岩质反倾边坡的力学分析模型,推导了坡顶荷载作用下边坡的剩余倾倒力和剩余滑移力计算公式,给出了岩层破坏模式判别条件,并通过大型数学分析软件Matlab将分析方法程序化;然后,通过与离散元模拟结果进行对比分析,验证了所提分析模型的准确性;最后,基于所提分析方法,进行了不同参数的敏感性分析。研究结果表明,坡顶荷载对岩层剩余力的影响较大,但对岩层破坏模式的影响不大;对边坡稳定性较为敏感的切坡角度为50°和岩层倾角为58°,当小于该值时,边坡稳定性将显著提高;层间黏聚力对自重边坡稳定性影响较大;数值模拟与理论分析得到的安全系数较为一致,验证了考虑坡顶荷载作用下弯曲倾倒破坏分析理论解的正确性,可为类似工程稳定性分析提供参考。     

基于M-P法的抗滑桩支护边坡稳定性分析

为评价采用抗滑桩支护后的边坡稳定性,从设计和验算两个角度着手,基于Morgenstern-Price（M-P）法建立了抗滑桩支护边坡的分析模型,进而得到了抗滑桩下滑力和边坡安全系数的表达式;通过引入自适应遗传优化算法,建立边坡稳定性分析优化模型,搜索采用抗滑桩支护边坡的非圆弧最危险滑动面;从确定安全系数求抗滑桩所受下滑力和确定抗滑桩抗力求边坡最小安全系数两种情况出发,探讨了抗滑桩位置对边坡稳定性的影响。结果表明：该方法可搜索出更加符合实际情况的边坡非圆弧最危险滑动面,并且能够得到抗滑桩的下滑力或边坡的最小安全系数,相同条件下抗滑桩应设置在边坡中部较为适合,才能最大发挥抗滑桩的加固作用。     

水平地震力作用下顺倾结构面对岩质边坡破坏影响分析

基于断裂理论和波动理论对水平地震力作用下对岩质边坡顺倾结构面的破坏建立了数学模型,在不考虑结构面填充物的影响下分析了结构面的长度、埋深及倾角在水平地震动力作用下对边坡破坏的影响。分析结果表明,当结构面埋深与长度h/L相差不大时,对于一定的水平地震加速度a,结构面埋深和长度越大,边坡在地震作用下越容易破坏;当结构面埋深和长度一定时,边坡破坏随着水平地震加速度的增大而增强。另外,结构面的倾角在增大过程中,岩体所受的拉应力逐渐增大,剪应力则表现为先增大,后减小。这是由于当结构面的埋深与长度一定时,随着倾角的增大,地震作用下边坡是从剪切破坏逐渐向拉张破坏过渡。该模型对地震作用时边坡稳定性分析具有一定的参考意义。     

Environmental impacts of blast-induced acceleration on slope instability at a limestone quarry

The main objective of this study is to evaluate the influence of blast-induced acceleration on the stability of slopes at Arakli-Tasonu limestone quarry where a planar shear failure has recently been observed. The planar failure occurred within rock layers consisting of limestone and clayey limestone. The triggering mechanism of the planar shear failure was investigated using blast-induced acceleration values obtained from 73 shots, field measurements, laboratory assessment of rock material properties and utilizing limit equilibrium analysis. From the analysis of slope stability, the safety factor at a magnitude of 0.106g was found to be lower than a minimum value of 1.2 in the case of a water-filled tension crack of a slope, 15 m depth. These findings indicate that the planar shear failure was strongly influenced by the acceleration of uncontrolled blasting operations as well as heavy rainfall.     

岩质边坡复合型破坏机制的改进运动单元法研究

目前运动单元法的研究主要集中于土质边坡,未涉及到岩质边坡稳定性分析问题;而岩体中孕育有不同特性的结构面,控制着岩质边坡的力学行为。为求解结构面控制作用下岩质边坡“结构面滑移-岩桥剪断”复合型破坏问题,研究了塑性滑移区节点在岩桥内和结构面上的运动约束条件,推导了含结构面的运动单元计算公式,提出了改进运动单元法。通过经典算例的对比分析,验证了改进运动单元法计算结果的准确性。研究结果表明:岩桥位置、结构面贯通度和结构面倾角是控制岩质边坡力学行为的3个主要影响因素。岩桥越接近坡顶,改进运动单元法所得安全系数越大,而Jennings法无法反映岩桥位置的影响效应。高贯通度的结构面导致岩质边坡发生“结构面滑移-岩桥剪断”复合型破坏模式,安全系数较小;而低贯通度的结构面导致完整岩石发生破坏,安全系数较大。水平或陡倾角结构面导致滑裂面穿切结构面,安全系数较大;而对于其它倾角情况下的结构面,岩质边坡发生“结构面滑移-岩桥剪断”复合型破坏模式,安全系数较小。实例应用结果说明该方法可以有效评价岩质边坡的稳定状态,可在类似工程中应用推广。