多层边坡破坏机制数值模拟研究

通过大量的多层边坡算例来分析FLAC3D强度折减法在不同强度、坡比和层厚的情况下所得安全系数与滑动面位置的变化规律,并与极限平衡法进行对比,探究强度折减法和极限平衡法所得结果产生差异的原因,揭示多层边坡的破坏机制。数值模拟计算结果表明:①对于上层土体强度较软的边坡,当上下层强度相差到一定程度,表现为上层破坏,强度折减法与极限平衡法的安全系数相对差值最大,达5%~7%;上层土体厚度h增加时,安全系数逐渐减小;上层土体位于地表以下时,滑动面通过坡趾,安全系数保持不变。②对于下层土体强度较软的边坡,当上下层强度相差到一定程度,强度折减法所得安全系数基本保持不变,但极限平衡法仍保持增长趋势,最大相对差值可达12%;上层土体厚度h增加时,安全系数也相应增大,h位于9~12 m,边坡表现为深层破坏;而h=12 m时,极限平衡法的滑动面却通过坡趾,但安全系数相差很小。当h的变化范围在3~5 m,两种方法的安全系数相对差值最大,达6%~10%。破坏区分布分析表明,边坡呈拉伸-剪切复合破坏,对于下层土体强度较软的边坡,复合破坏模式更显著,与单一剪切破坏模式相比,最大有10%左右的相对差值。     

基于统一滑移线场的均质土质边坡稳定性评价方法

结合统一强度理论根据数值法推导了土质边坡统一极限坡面曲线,在此基础上提出了一种利用统一极限坡面曲线与原坡面线间的位置关系定义土质边坡稳定性系数的新方法。对于均质土坡,利用极限坡面曲线法可以快速且精确的得到其统一极限坡面曲线和边坡安全系数。应用统一极限坡面曲线法对均质土坡算例进行稳定性系数计算,得到的结果与已被验证方法的计算结果相吻合,表明本文方法计算结果是可靠的。此外,对多个均质土坡样本安全状态进行了判断,研究表明统一极限坡面曲线法计算得到的结果和已被验证的其它方法的计算结果吻合度较高,表明本文方法能够准确地判断均质土坡边坡所处的状态,而且吻合率优于其他方法,显示出统一极限坡面曲线法在判断边坡稳定状态方面的优势。同时分析了中间主应力对边坡稳定的影响,结果表明中间主应力对边坡稳定有较大影响。     

一种基于拟动力法和剩余推力法的地震边坡稳定性分析新方法

由于常用的拟静力法存在诸多局限性,将更合理的拟动力法与边坡极限平衡分析法相结合对地震边坡稳定性分析具有重要的理论和实际意义。基于拟动力法与边坡极限平衡分析中的剩余推力法,推导了考虑振动放大效应的边坡地震力求解公式及地震边坡剩余推力计算公式。在此基础上,借助MATLAB软件编写了计算地震边坡剩余推力和安全系数的程序,得到了一种拟动力地震边坡稳定性分析新方法。应用已开发的程序,通过算例分析,讨论了地震动特性、坡体材料特性、坡体几何形状、地形放大效应对地震边坡稳定性的影响。研究表明：地震边坡安全系数随输入地震动的初始相位呈周期性波动变化,且土体放大系数不会改变其波动周期;地震边坡安全系数随地震系数、土体放大系数、地震动波长与坡高比值的增大而减小;当不考虑振动放大效应时,λ/H等于2是拟动力安全系数由急剧减小到趋于稳定的转折点,λ/H值越小,拟动力安全系数与静力安全系数越接近,λ/H值越大,拟动力安全系数与拟静力安全系数越接近;当考虑振动放大效应时,拟动力安全系数可能小于拟静力安全系数,因此,无论从安全还是经济的角度出发,拟动力法都比现行的拟静力法更合理,应该是地震边坡稳定性分析的首选方法。     

基于稳定性耦合分析法的余王扁边坡稳定性分析

边坡稳定性分析的极限平衡法与有限元法(FEM)的耦合分析法,首先利用有限元法分析获得边坡岩土体的整体应力场,在此基础上利用极限平衡法进行边坡的稳定系数求解。该方法既反映了边坡的稳定和变形之间的关系,又克服了极限平衡法与有限元法的不足,使二者的优点相互补充,获得的稳定系数基于极限平衡理论体系,可以同传统的稳定系数评价体系接轨。以西安市雁塔区余王扁削坡后边坡为例,用稳定性耦合分析法对其进行了稳定性分析,并把分析结果与各种极限平衡法的计算结果进行了比较,证明了耦合分析方法的可靠性和可行性。      

中国西南深切峡谷岸坡地应力场基本特征

基于西南地区10个大型水电工程95点空间应力测试数据与50点硐壁应力恢复法测试数据,统计分析了边坡地应力场随垂向、水平向深度变化规律,根据主应力量级、倾角变化规律分析边坡浅表部地应力场特征,探讨了西南深切峡谷地区边坡地应力场分布规律。研究表明,（1）边坡应力场在宏观上可划分为浅表部区(0～300 m)与深部区(>300 m);（2）浅表部区主应力量级、倾角波动较为剧烈,而深部区主应力量级、倾角较为稳定,其最大主应力介于15～30 MPa,中间主应力介于10～20 MPa,最小主应力介于5～12 MPa,最大、最小主应力倾角介于0°～30°,最大主应力约为最小主应力的1.5～3.5倍;（3）浅表部区地应力场具有由主应力较小、最大主应力倾角与坡角近平行转变为主应力急剧增高、最大主应力倾角变化不明显,继而转变为主应力量级、最大主应力倾角剧烈波动,最后逐渐转变与深部应力场近于一致的特征。     

黄延高速公路K207+690～830段边坡稳定性分析

在分析黄陵—延安高速公路K207 690~830段边坡特征的基础上,分别用剩余下滑力法、极限平衡法和强度折减有限元法,对在降雨入渗作用下该边坡的稳定性进行了对比分析,提出了针对该边坡特点的重力式挡土墙和疏排地表水相结合的滑坡综合治理方案;用SLOPE/W法对治理后边坡稳定性模拟分析认为,边坡安全系数得到很大提高,治理效果明显。研究表明,与传统的边坡稳定性分析方法相比,强度折减有限元法得到的边坡安全系数物理意义明确,优势明显,具有一定推广价值。     

非稳定渗流条件下非饱和土边坡稳定分析

大量的滑坡灾害表明, 水的作用是影响边坡失稳的重要原因,合理地评价边坡的稳定性,需考虑边坡基质吸力场的变化与水的渗流作用。通过稳定与非稳定渗流条件下的非饱和土堤算例,探讨了Bishop和Fredlund非饱和土抗剪强度公式应用于强度折减有限元法的差异,并与极限平衡法的结果进行对比。结果表明,Bishop和Fredlund非饱和土抗剪强度公式的本质是相同的,而从非稳定渗流条件下的分析结果来看,强度折减有限元法分析的安全系数与极限平衡法分析临水坡和背水坡安全系数的最小值相当接近,强度折减有限元法更适合分析边坡的整体稳定性。此外,采用Bishop强度公式可以通过用饱和度代替基质吸力参数来体现基质吸力对强度的影响,在分析饱和度较高的非饱和土边坡稳定性时较为方便。     

边坡安全系数的多解性讨论

边坡安全系数计算结果直接影响边坡工程设计,而极限平衡法不能给出唯一的安全系数值,研究边坡安全系数的多解性,有助于对边坡稳定性计算结果有一个合理地判断与取舍。先假定滑面正应力的初始分布,然后采用含有3个待定参数的拉格朗日函数对其修正,保证滑体满足所有的力与力矩平衡条件;设定一系列安全系数分别求解平衡方程组,得到对应的待定参数值;最后根据滑面正应力分布的合理性判断边坡安全系数的合理范围。算例表明,圆弧滑面合理安全系数范围在5 %以内,而任意形状滑面安全系数最大取值范围可达15 %。     

基于矢量和分析方法的边坡滑面搜索

基于力是矢量这个基本概念,给出了边坡矢量和法安全系数的矢量表达式。在边坡荷载已知的情况下,运用有限元法计算得到边坡真实的应力分布状态,使用矢量和法安全系数并采用优化算法中的直接法搜索边坡的临界滑面。计算结果表明,使用矢量和分析法搜索得到的临界滑面位置与极限平衡法得到的滑面位置基本吻合,且安全系数相对误差最大为2.09 %,验证了该方法在边坡稳定分析中的合理性与可靠性。矢量和分析方法与基于强度储备安全系数的分析方法不同,具有明确的物理和力学意义,且不需引入过多假设,公式简洁,易于进行三维边坡稳定分析,不需进行迭代计算,可在工程实际中得到广泛的运用。     

LU Kun-lin,ZHU Da-yong,YANG Yang 均质边坡准三维安全系数实用计算曲线

针对三维极限平衡法计算边坡安全系数存在着分析过程繁琐、较难普及推广等诸多不足,建立了一套实用的三维边坡安全系数计算曲线。假设三维滑面为中间圆柱和两端为部分球面的组合滑面,采用基于滑面正应力修正的极限平衡分析方法,计算36 864个均质边坡,根据计算结果绘制该套曲线。依据该套曲线可以得到,（1）根据已知边坡体的相关指标快速获得三维安全系数,能够得到较二维分析方法更准确、更客观的稳定性评价;（2）根据实际坡体的稳定状况反分析获得滑面土体强度参数,有效地克服二维反分析得到滑面土体强度参数偏高的弊端。研究成果可为均质边坡三维稳定性初步评价提供简单、实用的参考依据。     

某水电站坝前堆积体稳定性的三维数值模拟分析

某水电站坝前堆积体边坡的稳定性关系到该大坝的建设与运营。野外工作发现,它是深切冲沟型崩塌式堆积体,由下伏基岩和松散的堆积物组成。在1 360~1 450 m高程之间堆积体有一个较为明显的收口转向特征,这有利于增加其稳定性。在野外工作的基础上,采用目前较为通用的两种三维有限元软件(3D-Sigma和3D-Flac)对其稳定性进行数值模拟研究。结果表明：（1）堆积体的应力场主要表现为以自重应力场为主,其应力分布主要受岩性控制;（2）堆积体的潜在滑动面为堆积体与其下伏基岩接触部位的一定范围内;（3）堆积体的位移表现为向坡外(临空面方向)滑移,且中前缘的位移量相对较大;（4）堆积体前缘的收口效应改善了其应力状态,增加了稳定性;（5）堆积体的整体稳定性较好,在1 472~1 610 m高程之间的堆积体有可能发生局部的中浅层破坏。     

列车振动荷载作用下某岩质边坡应力应变动力响应分析

以某高速铁路隧道进口边坡为研究对象,采用FLAC3D软件分析了列车振动荷载对该边坡岩体的应力、变形及稳定性的影响。数值模拟结果显示,在列车振动荷载作用下,隧道两侧及底部最大、最小主应力均产生集中现象,最大主应力较自重应力场下增加1～2MPa,最小主应力较自重应力场下增加0.5～1MPa;隧道顶部最大、最小主应力均与自重应力场下基本一致;隧道进口边坡总位移增量最大值区域主要分布在边坡顶部及隧道正上方坡顶区域,自坡顶往坡底总位移增量逐渐减小,最大总位移增量约为2.15cm;列车振动荷载将在边坡内地层分界面附近、软弱夹层内、构造结构面附近、开挖面附近形成剪应变增量带,对边坡的稳定性极为不利。     

鄂尔多斯临兴西区深煤层地应力场特征及应力变化分析

大小及方向对深部煤层气开发影响显著。以鄂尔多斯东缘临兴西区为对象, 基于实 验测试、井壁崩落法和断层摩擦系数地应力法,分析了三向主应力方向与大小,阐释了基本特征及其空间发育规律。结果显示：8号煤层垂向应力介于44.94 ~ 50.46 MPa,平均48.47MPa;水平最大主应力介于35.16 ~ 44.53 MPa,平均40.62MPa;水平最小主应力介于28.79~39.45 MPa,平均33.02MPa。9号煤层垂向应力介于45.03~ 50.46 MPa,平均48.57MPa;水平最大主应力介于35.33~44.53 MPa,平均40.69MPa;水平最小主应力介于29.01 ~ 39.45 MPa,平均33.11MPa。误差分析显示此地应力计算结果可靠。三向地应力大小与埋深呈正相关关系。在垂向上,三向地应力相对大小表现出明显分带性,即埋深＜1000m左右为Sh＜Sv＜SH为特征的剪切型地应力带、埋深介于1000~1800m 表现为Sh＜SH＜Sv过渡带、埋深>1800m左右表现为Sh＜SH＜Sv为特征的正断型地应力带。在平面上,地应力在平面上总体呈西北部低、中部与南部高、其余地区适中,主要在T-23-2井和T-19井区存在应力低值带。最大水平主应力地应力方向主要以EW-NEE向为主。地应力场的阐释将为研究区深煤层储层物性评价、勘探选区及钻完井工程设计提供地质参考。     

拉林铁路板块缝合带隧道地应力分析

青藏高原板块缝合带为印度板块和欧亚板块两大陆块的缝合区域,带区地质条件复杂,构造运动强烈。川藏线拉林铁路几乎沿雅鲁藏布江缝合带展布,高地应力问题十分突出,但目前针对板块缝合带隧道的地应力研究相对较少。本文采用空心包体法对拉林铁路沿线隧道进行了原位地应力测量,并与成兰、兰渝和锦屏等几个典型工程的地应力进行对比分析。研究表明：拉林铁路沿线隧道埋深大,构造应力突出,总体表现为最大水平主应力 > 垂直主应力 > 最小水平主应力;平均侧压系数（1.0~1.5）分布较为集中且处于较高水平;最大主应力量值大多在20~50 MPa之间,最大主应力与埋深的梯度为0.033 7 MPa/m,方向以北北西-北北东向为主。建议采用仰拱结构减小隧道墙脚处的应力集中现象。     

利用室内和现场水压致裂试验联合确定地应力与岩石抗拉强度

钻杆式水压致裂原地应力测试系统的柔性会影响最大水平主应力的计算精度。利用空心岩柱液压致裂试验获得的岩石抗拉强度来取代重张压力计算最大水平主应力是降低钻杆式测试系统柔性的负面影响的重要途径。在福建某隧道深度为65 m的钻孔内开展了8段的高质量水压致裂原地应力测试,随后利用钻孔所揭露的完整岩芯开展了17个岩样的空心岩柱液压致裂试验。利用空心岩柱液压致裂所得的抗拉强度平均值为8.40 MPa,与经典水压致裂法确定的岩体抗拉强度8.22 MPa接近。对于20 m的范围内8个测段的原地应力量值,最小水平主应力平均值为8.41 MPa,基于重张压力P_r的最大水平主应力平均值为16.70 MPa;基于空心岩柱抗拉强度的最大水平主应力量值平均值为16.88 MPa,两种方法获得的最大水平主应力平均值基本一致。最大最小水平主应力与垂直主应力之间的关系表现为σ_H > σ_V > σ_h,这种应力状态有利于区域走滑断层活动。通过对比分析可知,对于钻杆式水压致裂原地应力测试系统,当测试深度小且测试系统柔性小时,基于重张压力和基于空心岩柱抗拉强度得到的最大水平主应力量值差别不大,这说明基于空心岩柱的岩石抗拉强度完全可以用于水压致裂最大水平主应力的计算,同时基于微小系统柔性的水压致裂测试系统获得的现场岩体强度也是可靠的。      

在软土地基上有反压护道路堤及堤坝的稳定计算

用反压护道对软土路基进行处理,是保证路堤及堤坝稳定常用的工程措施之一。而目前较常使用的极限平衡法在对有反压护道的路堤及堤坝稳定性进行分析计算时,其结果及搜索到的滑动面位置和形状与实际差别较大。通过强度折减分析了不同工况下有反压护道的路堤的稳定性,并与极限平衡法进行了对比,结果表明,强度折减法的分析结果更接近工程实际情况。利用早期得出的复杂荷载作用下路堤的填土极限高度计算公式,实现用填土极限高度控制路堤的稳定性。最后,以工程实例验证了强度折减和填土极限高度判断有反压护道路堤稳定性是切实可行的。     

基于原位地应力测试及流变模型的深部泥页岩储层地应力状态研究

深部泥页岩储层地应力状态的准确确定是页岩气等非常规能源高效开发的关键。综合基于原位地应力测试获得水平最小主应力,建立基于流变模型的地应力剖面,应用成像测井技术确定水平最大主应力方向等,是准确确定泥页岩储层地应力的有效方法。将该研究思路应用于陕西汉中SZ1井,利用水压致裂原地应力测试方法获得储层水平最小主应力值范围为32~41 MPa;利用偶极声波测井数据获得岩石力学参数,结合地壳应变率和储层埋藏史,建立了SZ1井地应力剖面,结果表明牛蹄塘组1950~2025 m深度范围内水平主应力差介于10~15 MPa,水平最小主应力值范围为28~41 MPa,水平最大主应力值范围为47~49 MPa,预测得到的水平最小主应力值与实测结果具有较好的一致性。原地应力实测及流变模型预测结果揭示SZ1井地应力为正断型(S_v＞S_H＞S_h)或正断型与走滑型相结合的应力状态(S_v≈S_H＞S_h)。水平主应力差随伽玛值的升高而变小,表明地应力剖面与地层岩性具有较好的对应关系。基于成像测井揭示的钻孔诱导张裂隙分布特征,SZ1井水平最大主应力方向约为N74°W,与区域构造应力场方向基本一致。相关结论为准确认识SZ1井目标层地应力状态,以及后期水平井布设及压裂控制等提供了重要依据。      

加筋土边坡稳定性分析的水平条分法

加筋土是一种新型的经济可靠的边坡加固方式。针对新型加筋土边坡带来的问题和基于垂直条块划分的极限平衡方法的不足,提出了一种严格满足力与力矩的平衡的极限平衡分析方法。基于水平条块的严格条分法将滑体水平的划分成若干条块,边坡中的加筋材料产生的抗力作为附加外力作用于条块上,再应用极限平衡的思想和假设对典型条块的受力状态进行分析。根据极限平衡条件推导了边坡安全系数的隐式表达式,再通过力矩的平衡,求解条间力待定系数,进而叠代求解安全系数。说明了利用本文公式计算坡顶极限承载力的方法。该方法计算结果较经典极限平衡法结果稍大。     

高应力下砾质心墙料切线模量研究

使用高压大型三轴仪,对某300 m级土石坝的砾质土心墙料进行了最高围压5 MPa的三轴试验。试验结果表明砾质土的应力-应变关系符合双曲线关系,抗剪强度包络线呈非线性。根据参数的物理意义,初始模量Ei应在尽可能小的应变范围内取值,最大主应力差 应在大应变范围内取值,且实际工程的应变在1 %左右,建议在?a= 0 %～3 %下取Ei值,在?a = 5 %～15 %下取 值,数据拟合表明建议取值法比传统取值法拟合度高。由于试验的围压范围较大,提出把围压分0.2～1.0 MPa,1.5～3.0 MPa,3.5～5.0 MPa三段分别取切线模量,通过回归证明拟合较好。