岩石边坡稳定的块体单元极限分析上限法

将块体单元法与极限分析上限法相结合,提出了岩石边坡稳定的块体单元极限分析上限法。借助于块体单元法离散计算区域,通过块体系统速度场在结构面上满足Mohr-Coulomb屈服条件、关联流动法则、速度边界条件以及块体系统虚功原理,构成求解边坡强度储备安全系数上限解的非线性规划模型,模型的求解采用复合形法。最后研究了一个岩质楔形体边坡算例和小湾水电站进水口边坡实例,通过将块体单元法上限分析计算结果与刚体极限平衡法相比较,验证了该方法的正确性。     

基于刚体平动运动单元的上限有限元研究

刚性块体极限分析上限法常应用于岩土工程稳定性研究,然而应用时需假定刚性块体破坏模式并递推繁琐的几何关系。为此,提出一种适应性更广的基于非线性规划模型的刚体平动运动单元上限有限元法,并解决了其优化模型初始值的确定问题。通过引入有限单元思想,将计算区域离散成刚体单元,同时以单元速度和节点坐标作为决策变量,由上限定理建立非线性规划模型获得上限解。利用编制的上限有限元程序进行边坡和浅埋隧道稳定性算例验证,表明运动单元上限有限元法能调整速度间断线至较优方位,所得破坏模式特征鲜明,上限解精度高,可广泛应用于边坡、隧道等稳定性分析研究。     

三维复杂块体系统边坡深层加固条件下稳定性及破坏机制模型试验研究

白鹤滩水电站左岸为强卸荷岩体三维复杂块体系统高边坡,采用三维地质力学模型试验,进行了边坡变形特性、失稳破坏过程、破坏机制、边坡稳定性及加固处理效果研究。模型试验表明,边坡失稳模式为块体滑动破坏,破坏形态表现为底滑面的剪切破坏和后缘结构面的拉裂破坏以及块体沿底滑面和侧滑面的滑动。边坡破坏过程为模型结构面初裂、结构面组合块体边界贯通、最终至边坡整体失稳3个阶段。采用地质力学模型试验综合法获得了左岸块体系统边坡整体稳定安全系数,典型块体稳定安全系数与三维刚体法及块体单元法(BEM)计算成果对比基本一致,模型试验综合法安全系数相对较大。同时,针对层内错动带LS_(337)界面部位相对变位监测表明,深层混凝土置换洞加固有效地控制了底滑面的滑动变形,提高了相关结构面组合块体的稳定性,边坡加固效果较为明显。研究成果对白鹤滩工程左岸强卸荷区三维复杂块体系统边坡及类似工程边坡稳定性及加固处理具有重要的指导意义。     

基于非线性破坏准则的边坡稳定性极限分析

上限定理是求解岩土工程问题的有效工具。以上限定理为理论基础,分析边坡的稳定性问题,并考虑了岩土材料破坏准则的非线性特性。在非线性Mohr-Coulomb破坏准则下,采用条分法与极限分析上限法相结合的方法,对边坡稳定性进行分析。通过切线法引入非线性强度参数 、 ,推导了岩土材料在非线性破坏准则下的相关联流动法则,建立功能方程,推导了边坡直线滑裂面、折线滑裂面和光滑曲线滑裂面安全系数F的计算方程。采用数学规划法计算后与工程实际中常用的边坡稳定性分析方法进行对比,并获得安全系数F =1.0时的稳定性系数Ns。与已有的研究成果进行比较分析,结果表明了该方法的正确性及优越性     

边坡稳定极限分析的单元集成法

提出的单元集成法为采用塑性力学上限定理分析边坡的稳定性提供了一种通用性较强的手段。它采用类似于有限元网格划分的方式离散边坡计算区域,并设定一个机动许可的滑动机构（包括滑裂面位置和速度场,它与网格划分方式无关）,在此滑动机构下可以很方便地计算每个单元贡献的外力功率和内能耗散率。把所有单元的能量相加就是滑坡体的总能量。然后,根据上限定理求得安全系数,并通过非线性数学规划方法找到最小值。对于直线滑裂面或对数螺旋滑裂面的单滑块机制,几个典型算例说明了该方法的有效性。     

岩质块体渐进破坏的稳定分析方法

岩桥的破裂贯通是一种非连续变形现象。强度折减技术虽然是渐进破坏过程模拟的主流技术,但其不具备描述非连续变形现象的能力。提出连通率折减法和刚度折减法来模拟含非贯通结构面岩块的渐进破坏过程,并建立考虑渐进破坏过程的块体稳定分析方法。首先,引入Goodman单元来描述共面非贯通结构面的岩桥部分和裂隙面部分,建立静力平衡方程来求解滑裂面内岩桥单元和裂隙面单元的应力。其次,岩桥单元采用Griffith准则来判别破坏,利用连通率折减法来描述其破裂;裂隙面单元采用MC准则来判别破坏,用刚度折减法来描述其屈服;通过循环迭代,模拟岩桥单元的破裂过程和裂隙面单元的应力调整过程,实现整个滑裂面的渐进破坏过程模拟。然后,定义考虑渐进破坏过程的滑裂面极限状态;通过自重超载方式将滑裂面推送至极限状态;基于极限状态设计的理论框架,计算度量块体稳定性的安全系数指标。工程实例分析结果表明,渐进破坏过程模拟结果与现场调查结果是一致的。渐进破坏过程的模拟实现,有助于岩质边坡变形破坏机制分析从定性分析阶段扩展至定量分析阶段。     

地表超载作用下隧道失稳破坏的上限有限元分析

针对地表超载作用下隧道稳定性和破坏模式问题,基于刚体平动运动单元上限有限元理论编程并计算分析,获得了浅埋隧道失稳临界超载系数上限解和刚性运动块体体系破坏模式。通过与现有的刚性块体极限分析上限法以及极限分析上、下限有限元法计算结果的对比分析,验证了上限解的可靠性。研究结果表明,（1）临界超载系数 黏聚力c之比 随土体内摩擦角 和隧道埋深C与直径D之比( )的增大而相应增大,随土体重度与黏聚力参数 的增大而减小;（2） 和 对隧道破坏模式的影响较明显; 增大,则隧道破坏范围增加;内摩擦角 增大,刚性运动块体破坏模式相互错动更加显著,相比而言, 对破坏模式的影响并不显著;（3）刚体平动运动单元上限有限元上限解精度高,所得刚性运动块体破坏模式具有滑移线形态,能精细地反映隧道失稳破坏特征。     

非线性破坏准则下边坡稳定性极限分析斜条分法

考虑坡顶均布荷载和地震效应典型情况下,将边坡滑体进行任意斜条块划分,建立了具有倾斜界面的多块体破坏模型。基于极限分析上限法和非线性摩尔-库仑破坏准则,考虑岩体内正应力的不均匀性,引入多点切线法和强度折减法推导得出边坡临界破坏状态下的安全系数Fs通用计算公式。采用序列二次规划法对安全系数Fs的目标函数进行最优化计算,并与既有研究成果进行对比分析,其结果具有较好的一致性,相对误差不超过3.565%,表明了该方法的正确性。同时对比传统单点切线法计算结果,多点切线法较单点切线法获得的边坡安全系数值偏小,表明了多点切线斜条分法偏于保守,是安全的。参数分析表明坡顶均布荷载、地震效应和非线性参数均对边坡安全系数及潜在临界滑裂面有重要影响。多点切线法引入非线性摩尔-库仑破坏准则对边坡进行稳定性极限分析,为相关研究人员提供了一种新的思路与方法。     

基于块体单元法的岩石边坡安全系数研究

岩石边坡因其结构面数量众多、块体系统及其滑动方式复杂,给危险块体组合的搜索及其安全系数计算带来很大困难。基于块体单元法,对岩石边坡中的危险块体组合搜索及其安全系数的计算方法进行了研究。首先,在块体元强度折减计算的成果下,根据屈服面贯通理论提出搜索危险块体组合的新方法;然后,对安全系数计算方法进行研究,建议在位移突变判据下采用双线性交叉法计算安全系数;最后,进行了单面、双面和多面滑动以及复杂块体系统的算例分析,并与刚体极限平衡法计算结果进行了对比。结果表明,由于块体单元法考虑了力与力矩的平衡及结构面上应力的非均匀分布,其计算结果更准确。该方法有望广泛应用于复杂岩石边坡稳定分析。     

含软弱夹层边坡的三维稳定性极限分析

边坡的三维稳定性分析比其二维平面应变模型在理论上更能反映边坡的实际情况。为研究软弱夹层对边坡稳定性的影响,引入三维圆锥体平动破坏机构和牛角状螺旋圆锥体转动破坏机构,建立三维转动-平动组合破坏机构,并通过平面插入的方法实现破坏机构沿边坡的纵向拓展以便用于任意长度的边坡稳定性分析。结合算例分析,通过与弹塑性有限元数值模拟结果进行对比,验证了本文方法的有效性。分析表明,组合破坏机构能够很好的用于含软弱夹层边坡的稳定性分析并为实际工程提供一个简单有效的设计方法。     

Shear strength characterization of municipal solid waste at the Suzhou landfill, China

The current practice of slope stability analysis for a municipal solid waste (MSW) landfill usually overlooks the dependence of waste properties on the fill age or embedment depth. Changes in shear strength of MSW as a function of fill age were investigated by performing field and laboratory studies on the Suzhou landfill in China. The field study included sampling from five boreholes advanced to the bottom of the landfill, cone penetration tests and monitoring of pore fluid pressures. Twenty-six borehole samples representative of different fill ages (0 to 13 years) were used to perform drained triaxial compression tests. The field and laboratory study showed that the waste body in the landfill can be sub-divided into several strata corresponding to different ranges of fill age. Each of the waste strata has individual composition and shear strength characteristics. The triaxial test results showed that the MSW samples exhibited a strain-hardening and contractive behavior. As the fill age of the waste increased from 1.7 years to 11 years, the cohesion mobilized at a strain level of 10% was found to decrease from 23.3 kPa to 0 kPa, and the mobilized friction angle at the same strain level increasing from 9.9° to 26°. For a confinement stress level greater than 50 kPa, the shear strength of the recently-placed MSW seemed to be lower than that of the older MSW. This behavior was consistent with the cone penetration test results. The field measurement of pore pressures revealed a perched leachate mound above an intermediate cover of soils and a substantial leachate mound near the bottom of the landfill. The measurements of shear strength properties and pore pressures were utilized to assess the slope stability of the Suzhou landfill.     

垃圾体内部与衬里界面组合破坏稳定分析方法研究

垃圾填埋场沿底坡和背坡衬里界面发生平移破坏的工程实例较多,也有破坏面沿垃圾体内部和底坡的组合破坏形式,相应的计算分析方法有待完善。对组合破坏,根据垃圾体内部破坏面为库仑主动破坏面和组合破坏面上各点安全系数相同的假设,由刚体极限平衡条件,建立组合破坏的稳定计算方法。运用双楔体和组合破坏稳定分析方法对算例和Kettleman Hills填埋场工程实例进行计算分析。结果表明：双楔体法计算得到的最危险平移滑动破坏安全系数大于组合破坏最小安全系数;最危险破坏面是组合破坏面;对Kettleman Hills填埋场,组合滑动面也是可能的滑动破坏面。由此可见,组合破坏是垃圾填埋场可能的破坏形式之一,在进行垃圾填埋体滑动稳定分析计算时应进行组合破坏形式的计算分析。     

Stability Analyses of Municipal Solid Waste Landfills with Decomposition

A bioreactor landfill is operated to enhance refuse decomposition, gas production, and waste stabilization. Some of the potential advantages of bioreactor include rapid stabilization of waste, increased landfill gas generation, gain in landfill space, enhanced leachate treatment, and reduced post closure maintenance period. Due to the accelerated decomposition and settlement of solid waste, bioreactor landfills are gaining popularity as an alternative to the conventional Subtitle D landfills. However, the addition of leachate to accelerate the decomposition changes the physical and engineering characteristic of waste and therefore affects the geotechnical characteristics of waste mass. The changes in the physical and mechanical characteristics of solid waste with time and decomposition are expected to affect the shear strength of waste mass. The objective of this paper is to analyze the stability of solid waste slopes within the bioreactor landfills, as a function of time and decomposition. The finite element program PLAXIS is used for numerical modeling of bioreactor landfills. Stability analysis of bioreactor landfills was also performed using limit equilibrium program STABL. Finally the results from finite element program PLAXIS and limit equilibrium program STABL are compared. GSTABL predicted a factor of safety of more than 1 in all the cases analyzed, whereas PLAXIS predicted a factor of safety of less than 1 at advanced stages for a slope of 2:1. However, the interface failures between solid waste and landfill liners have not been considered in this paper.     

扩建城市垃圾填埋场的地震稳定性分析

结合现场剪切波速试验、室内常规及动三轴试验结果,给出了扩建城市垃圾填埋场地震稳定性的有限元分析方法,并分析了扩建垃圾填埋体沿填埋体内部圆弧滑动面、新老填埋体交界面及底部和背部衬垫系统的地震稳定性。当填埋场中渗滤液水头较低时,扩建填埋体最易发生沿新老填埋体交界面的滑动。与总应力法计算结果相比较发现,总应力法只适合分析输入地震动较小的情况,而当输入地震动较大时,由于它不能考虑动孔压上升所导致的MSW软化而使得其计算的扩建填埋体沿圆弧滑动面的安全系数偏保守。另外,采用Newmark法分析了不同输入地震动时不同横、竖向扩建方案的永久位移,分析表明：扩建填埋体沿新老填埋体交界面的地震永久位移的对数近似与屈服加速度同最大水平加速度的比值呈线性关系,并给出了其永久位移的拟合公式。     

污泥掺入生活垃圾后的力学特性试验研究

填埋是污泥消化处置的方法之一,由于污泥的工程特性较特殊,填埋会引发很多环境岩土工程问题。考虑到填埋工程会进行分层碾压铺填,在标准击实试验的击实功下制备试样,通过污泥与垃圾土混合后的直接剪切试验、渗透特性试验,考虑淋滤液和降解产气压力共同影响,进行边坡稳定分析。结果表明：污泥和垃圾混合后的强度比垃圾土的强度低,比污泥的强度高,改善了污泥的强度特性;污泥掺入垃圾后的渗透系数与垃圾土的渗透系数相当,没有劣化垃圾土的渗透特性,但比污泥的渗透系数有显著提高;随着污泥掺量的增加,边坡安全系数会先提高后降低,因此,应结合试验和稳定计算结果,确定实际工程的污泥掺入比;考虑降解产气对边坡稳定的影响,安全系数会降低约15%～20%。     

短龄期城市固体垃圾直剪试验及应力位移模型

城市固体垃圾（MSW）的力学行为是环境岩土工程研究中的一个主要课题。进行了1、4、7 d共3组短龄期的MSW试验室直剪试验,每组试验分别考虑3种不同密度。试验结果表明,MSW试样的直剪破坏仍遵循摩尔-库仑破坏准则。密度较大试样的抗剪强度在1～7 d龄期内持续增长;密度较小试样的抗剪强度在1～4 d龄期内增长,在4～7 d龄期内降低。MSW试样的摩擦角随龄期的发展单调增加,但黏聚力随龄期先增大而后减小。分析了传统剪应力-位移模型的不足,提出了一个新的复合正切-指数曲线模型,该模型具有良好的数学性质,较传统模型有更广泛的适用性。试验数据拟合表明,新模型能很好地描述MSW的剪应力-位移过程,相关系数均大于0.99。其结果可供相关填埋场设计及工程数值分析参考     

城市固体废弃物填埋场的岩土工程问题

论述了国内外城市卫生填埋场相关的岩土工程问题及其研究现状,包括卫生填埋场填埋体物理力学性质、卫生填埋场的防渗系统和边坡稳定等一系列岩土工程问题,在此基础上初步探讨了我国城市卫生填埋场相关岩土工程问题的发展前景。     

Design Charts for Selecting Minimum Setback Distance from Side Slope to Horizontal Trench System in Bioreactor Landfills

The primary objective of bioreactor landfill is to achieve adequate and rapid distribution of moisture in landfilled municipal solid waste (MSW) to accelerate the anaerobic biodegradation of the organic fraction within MSW. A horizontal trench system (HT) is commonly adopted for leachate distribution in MSW under pressurized conditions. However, this approach should be implemented carefully due to the potential instability of landfill slopes that comes from the generation and distribution of excessive pore fluid pressures. In this study, HT design charts are presented that determine the optimal location of horizontal trench systems from the side slope (i.e., minimum lateral setback distance) under continuous leachate addition with maximum applied injection pressures, for which the landfill slopes remain stable [factor of safety (FOS) where FOS ≥ 1.5]. Use of any higher injection pressure and/or shorter lateral setback distance of HT than the one presented in the design charts would result in an unacceptable design of the bioreactor side slope (FOS < 1.5). The design chart was developed based on a parametric study that used a numerical two-phase flow model that involved different slope configurations and landfill waste depths. MSW heterogeneity and anisotropy, as well as unsaturated hydraulic properties, were taken into consideration in these simulations. Transient changes in pore water and gas pressures due to leachate recirculation were accounted for dually in the slope stability computations. The importance of these design charts is illustrated using a practical example. Site-specific conditions and the expertise and prior experience of a designer or operator must also be adequately considered and utilized with the design charts presented here for the safe design of a horizontal trench system in a bioreactor landfill.     

填埋场封场覆盖系统稳定性统一分析模型构建及应用研究

为探讨不同界面形式下有限长与无限长填埋场边坡封顶覆盖系统稳定特性,通过模型试验确定了不同边坡长度下界面分别为土工膜和三维网时封场覆盖系统的破坏模式与失稳坡度。基于试验结果建立了覆盖系统的许可破坏模式及其速度场,利用极限分析上限法建立了考虑界面强弱特性以及坡长有限与无限形式的覆盖系统稳定性统一分析模型,并利用模型试验结果对该理论进行验证。运用文中提出的理论模型对新型环保的垃圾填埋场封场覆盖生态污泥腾发覆盖技术（EST）中防护基材稳定性进行定量分析。研究结果表明：覆盖层失稳时,滑移面分为上、下两段,上段为平行于坡面的直线,下段为位于覆盖层内部近似为与坡面成一定夹角的直线;减小边坡长度能使覆盖系统稳定特性提高,但减小覆盖层厚度对覆盖系统稳定的增减影响与界面强弱形式有关;覆盖系统稳定特性主要由界面抗剪强度控制,增加基材强度并不能大幅度提升覆盖系统稳定特性,且增加界面黏聚力对覆盖系统稳定贡献明显优于增加界面摩擦系数。     

不同降雨模式下山谷型垃圾填埋场水分运移及其稳定性研究

近10年的运营经验表明,国内南方地区第1批建造的山谷型垃圾填埋场中的渗滤液水位一般较高。同时,现有研究表明,降雨入渗引起渗滤液水位过高是垃圾填埋场失稳的主要诱因之一。因此,研究强降雨条件下山谷型垃圾填埋场的水分运移规律及其稳定性,具有重要的现实意义。基于七子山填埋场浅层、中层和深层垃圾土的土-水特征曲线和Brooks-Corey公式,利用非线性拟合技术得到垃圾土的渗透性函数;运用饱和-非饱和渗流理论,对递减型、中心型、增强型和平均型4种降雨模式下七子山填埋场的水分运移进行了数值计算;利用极限平衡理论,对不同降雨模式下七子山填埋场的稳定性进行了分析。结果表明,降雨模式对山谷型垃圾填埋场内的水分运移规律和填埋场的稳定性有显著的影响,递减型降雨模式下填埋场内孔隙水压的变化最大,同时填埋场稳定系数也下降最为明显,为最不利降雨模式;经历7 d 746 mm的极端强降雨后,七子山填埋场具有极大的失稳隐患。