岩质边坡倾倒破坏的力学分析

以岩质边坡倾倒破坏地质过程分析为基础,假定岩体倾倒破坏过程中始终处于力平衡状态以及层面上下缘存在着阻止剪切错动破坏的层间阻力,岩体中某一点应力根据弹性力学原理可以简化为垂直的自重应力和水平的侧应力,将倾倒破坏岩体的力学过程概化为平面应变模型,并基于最大拉应力破坏准则,推导出岩体倾倒折断破坏深度的临界公式。实例计算及讨论表明,倾倒破坏临界深度理论适用范围广,并且考虑了边坡水平应力,计算结果更加符合实际破坏特征。另外,边坡坡角、岩层倾角及厚度对岩体倾倒破坏深度影响具有较大影响,特别是层面倾角50°～70°时边坡最易发生倾倒破坏。     

含陡缓倾结构面反倾岩坡折断面演化特征的离心试验研究

为研究含陡缓倾结构面的反倾岩坡在自重条件下的折断面演化特征,以苗尾水电站右坝肩倾倒变形体为地质原型,通过在坡体内不同部位预置切割岩层的非贯通裂缝开展离心模型试验,模拟反倾岩坡在自重条件下的折断面演化特征。研究表明：（1）含陡缓倾结构面的反倾岩坡破坏以折断面的形成为标志,折断面的形成分为3个阶段：初期（0～40g,g为重力加速度）为局部岩层断裂阶段,以岩层局部断裂及后缘岩层前倾为主要破坏特征,坡体表面位移变化量较小;中期（40g～80g）主折断面形成阶段,坡体深部结构面自上而下断裂扩展连接形成主折断面,坡体表面位移变化量约占总位移量的3/4;后期（80g～120g）为多级折断面形成阶段,以坡体内部断裂岩层应力重分布为主要变形特征,坡体表面位移基本保持不变。（2）结构面间岩桥断裂具有瞬时性,但折断面的形成是渐变发展的过程,主要受陡倾结构面控制,主折断面处裂缝应变量最大,受力方式最为复杂,次级折断面处裂缝应变量次之。（3）基于断裂力学,简化了复杂应力状态下含结构面的反倾岩坡压剪断裂判据和岩层不平衡力公式,揭示了主折断面处岩层不平衡力呈现由坡体高度1/3处向坡底和坡顶两侧变小的规律,折断面的形...     

反倾层状边坡弯曲折断的应力及挠度判据

以地质分析为基础 ,将反倾层状边坡的任意岩层概化为受复合作用力的板梁模型 ,通过简单的力学解析 ,开展了反倾层状岩石边坡弯曲折断判据的研究。依据岩层折断时和相临岩层的瞬时关系 ,将岩层下部视为瞬时临空状态 ,考虑岩层自重荷载和上部岩层附加荷载 (上部岩层重力荷载、层间摩擦力 )的共同作用 ,基于最大拉应力准则 ,提出了岩层弯曲折断的应力判据 ;依据应力判据 ,得到了岩层弯曲折断的挠度判据 ;利用应力判据及挠度判据 ,可实现反倾层状边坡弯曲折断的现场判定及其控制设计     

某倾倒边坡开挖下的变形特征及加固措施分析

以皖南某高速公路一个反倾边坡为例,在详细地质调查基础上分析了边坡以倾倒-滑移为主要特征的倾倒变形力学机理。调查结果显示在边坡原有倾倒变形的基础上,开挖爆破等工程扰动首先使开挖面顶部出现倾倒变形并伴有后缘拉裂隙,同时坡体内部断续结构面逐渐贯通,最下级台阶面出现外鼓等。上述现象的出现显示出边坡具有整体失稳破坏的趋势。在上述地质概念模型基础上,应用离散单元法对边坡变形全过程进行模拟,验证上述变形破坏机理,并揭示了边坡在深度方向上的变形分区现象,即倾倒-折断区、强烈倾倒区、倾倒影响区和正常岩层区。     

上硬下软反倾边坡开挖变形响应的物理模拟

现有上硬下软边坡的研究大都集中在压缩挤出变形的近水平泥岩、页岩基座型边坡变形演化过程,针对倾倒变形的板岩基座型边坡开挖响应研究甚少,本文以西藏玉曲河某水电站厂址边坡为研究对象,根据现场地质调查建立符合坡体实际情况的地质结构模型,采用物理试验的方法模拟原型边坡开挖。通过试验揭示上硬下软反倾边坡在开挖条件下的变形响应特征及破坏模式。研究结果表明:（1）开挖条件下上硬下软型边坡变形破坏过程分为a）下部软岩倾倒弯曲加剧;b）软岩倾倒折断,上部卸荷硬岩沿已有裂隙剪切;c）倾倒软岩滑移,卸荷硬岩剪断岩性分界部位,折断面贯通3个阶段。其变形破坏模式为下部软岩倾倒—上部硬岩剪断组合滑移型破坏;（2）开挖强倾倒区岩体会使下部软岩迅速失稳并促使上部硬岩剪切破坏;开挖引起的反倾上硬下软边坡大变形在短时间内完成,前期变形和能量积累是一个较长的过程;（3）开挖时需避免对坡脚倾倒岩体“大开挖”施工。     

陡倾硬质岩边坡倾倒变形数值模拟与分析

由硬质岩组成的陡倾反向坡会产生倾倒变形,并可进一步发展为滑塌破坏。虽然这种倾倒变形发育的深度有限,但是硬质岩容易形成高陡边坡并产生危害巨大的高位危岩体问题。为此,以开挖高度约200m、总体坡度达42.4°的连云港东疏港高速公路路堑边坡为研究对象,采用地质分析、数值模拟与原型监测相结合的方法,开展倾倒变形特征和边坡加固效果的研究。结果表明,当开挖卸荷作用强烈,并在地下水压力作用下,即使是微风化和新鲜的硬质岩陡倾反向坡也会产生倾倒变形;倾倒变形始于坡脚(当边坡开挖成台阶状时,包括各级台阶的坡脚),上部岩板失去支撑,沿陡倾结构面互相错动而发生倾倒变形。锚杆增大了陡倾岩板间的错动阻力,抑制了倾倒变形的发展。     

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。     

雅砻江上游互层斜坡倾倒变形破坏机制与演化

以甲西倾倒体为典型实例,从赋存环境、发育特征、形成条件等基础层面上分析雅砻江上游互层斜坡倾倒变形破坏机制及演化过程。研究表明:区内大型倾倒体是斜坡岩体在叠加有残余构造应力的自重应力场中长期演化的产物,软硬相间的岩性组合、陡倾内的岸坡结构,加之垂直层面密集节理的切割是斜坡发生倾倒变形的控制性因素;斜坡倾倒是受节理面和层面控制的复合倾倒模式,即:硬岩发生块状-弯曲倾倒,而软岩发生弯曲倾倒;受河谷演化控制,斜坡变形破坏主要经历了4个演化阶段:卸荷回弹陡倾面拉裂阶段,初始变形阶段,板梁根部折断、剪切面贯通阶段以及破坏阶段,并最终转化为蠕滑-拉裂模式形成滑坡。该滑动面受倾向坡外破裂面控制,而并非沿最大弯折带发育。     

反倾软硬互层岩质边坡倾倒变形破坏机理与影响因素研究

倾倒变形常见于反倾结构边坡,特别在具有软硬互层结构边坡中,甚至可发育为深度上百米的大型滑坡。为进一步探明此类反倾边坡倾倒变形的破坏机制,以及边坡形态结构及岩体力学参数等因素的影响规律,以离心模型试验为原型,结合离散元数值模拟,分析了倾倒变形的形成过程以及在外界扰动下的破坏机制。并通过单因素分析法、正交设计法等,研究了多种因素对反倾边坡倾例变形的影响,通过极差分析获得了各因素的敏感性。通过在岩层内预置大量多边形随机裂隙,数值模拟较好地实现了对破裂面起裂及延展规律的模拟。结果表明:离心模型试验可较好地还原倾倒变形过程,而离散元数值模拟则可对实验结果进行有效的重现与扩展,两者吻合度良好;岩体变形过程存在3个阶段,即起始变形、稳态变形和失稳破坏等阶段;破裂面呈弧形,在变形积累到一定程度后快速形成;边坡可自下而上形成多级破裂面,并伴随岩层的强烈弯曲变形,在外界扰动下,倾倒变形体将由外到内沿不同破裂面形成渐进后退式破坏;多种影响因素中,边坡形态结构影响最大,层面参数次之,软硬岩岩石力学参数的差异影响较小;具体而言,边坡形态与坡体结构对倾倒变形的影响性大小表现为坡角＞倾角＞坡高＞坡形＞层厚比＞层厚,坡角、倾角、坡高越大,坡形越外凸,软硬岩层厚差越小,倾倒变形越容易发生;边坡变形规模主要受形态结构因素控制,倾角和坡角影响最显著。     

反倾层状岩质边坡倾倒变形机理与影响因素的离散元模拟

为进一步研究层状反倾边坡的弯曲倾倒变形机制,以离心试验为原型,通过离散元数值模拟,研究了层状岩质反倾边坡的变形机理与影响因素。通过预置层内随机裂隙,实现了破裂面的形成和贯通。研究结果表明：模拟结果与试验吻合较好,边坡变形可分为起始蠕变、稳态变形和失稳破坏3个阶段;边坡破裂面在达到破坏荷载（G_f）后瞬间贯通,呈直线型,产状受岩层倾角控制,G_f值与坡角幂函数相关;反倾边坡的破坏需满足倾角和坡角启动条件,且变形破坏与岩层所受弯矩关系密切,当倾角为70°~80°、坡角大于60°时,最易破坏;典型破坏模式有倾倒-折断-块体式、倾倒-弯曲-折断式、倾倒-反折式3种,其受倾角、坡角组合控制;对材料参数的正交试验表明,各参数对G_f的敏感性从大到小依次为密度、层面内摩擦角、层厚、密度比、层面黏聚力,且G_f与层厚、层面内摩擦角及密度比具有良好的线性相关性;层面内摩擦角可影响破裂面产状,从而控制变形体规模,其他参数仅影响G_f的大小。     

反倾层状岩质边坡倾倒破坏力学模型

在地质调查基础上,将反倾边坡的各岩块概化为受自重弯矩及外力作用的悬臂梁,利用弯曲-拉裂模型研究其破坏模式。通过力学分析,建立了反倾层状岩质边坡各条块的力学模型。基于最大拉应力理论,给出条块倾倒失稳判据,以此判定边坡的稳定性,并定量分析了反倾边坡倾倒破坏的影响因素。结果表明:反倾边坡倾倒破坏发生在每个条块的上边界处,条块所受拉应力大小与其容重呈线性关系,与高度呈二次幂函数关系,与其宽度呈-1次幂函数关系,即板梁容重越大、高度越大、宽度越小,其倾倒破坏越明显。而当条块底面倾角满足一定条件时,才会发生倾倒破坏,其范围边界值与条块的高度和宽度有关。     

四川某水库大坝左坝肩边坡变形破坏机制及整治对策探讨

以现场考察和变形监测资料为依据,探讨一个下部有软弱基底,上部为硬脆性坡体的“二元结构”边坡的变形破坏问题,揭示这类边坡的变形总是以下部软弱岩体的不均匀压缩流变为先导,进而引起上部硬脆性坡体的拉裂与倾倒,最终通过渗入水的作用,使下部承载状况已进一步恶化了的软弱岩体,沿剪应力集中带发生剪切破坏而导致整个变形坡体的下滑。     

Deep-seated toppling deformations of rock slopes in western China

Toppling is the foremost failure pattern of anaclinal rock slopes, and deep-seated toppling deformations (DSTDs) are common on high anaclinal slopes on the sides of gorges in western China. The DSTDs can develop to depths of more than 200 m, and may show distinct signs of zonal failure. Many DSTDs undergo transformation to large landslides involving rock volumes of more than 10⁶ m³. However, the conditions for the formation and the basic evolving processes of DSTDs remain unclear. This study seeks to develop an inventory to classify the distribution, and the conditioning factors which govern the formation and deformation modes of DSTDs in western China and to analyze the effect of the geological and geomorphological variables on the toppling intensities. To this end, forty-nine DSTDs were analyzed. The results indicate that DSTDs in western China are commonly distributed along large deeply incised rivers in the southeastern margin of the Qinghai-Tibet plateau. The steep-dip anaclinal metamorphic soft or soft-hard-interbedded strata with near parallel strikes in the river channel, V-shaped deeply incised river channels, and convex slopes are favorable conditions for the formation of DSTDs in these settings. The dip angle, the gradient, and the height of most slopes which develop DSTDs are 60–90°, 30–50°, and 200–800 m, respectively. There is a highly positive relationship between the depth of toppling and the height of the slope. The toppled rock masses can be classed as extremely intense, intense, moderate, and weak toppling zones characterized by complete block detachment, tensile-shear fracture, tensile fracture, and reverse slip along foliations, respectively. Each zone corresponds to a specific range of the dip angle of the toppled strata, the aperture of the tensile cracks, the P-wave velocity, the state of rock weathering, and the degree of unloading. The extremely intense and the intense toppling zones tend to evolve into sliding failures. Overall, 94% of the DSTDs were derived from flexural toppling and 33% have developed into large landslides.

     

陡倾煤层开采条件下上覆山体变形破坏物理模型试验研究

大型岩质滑坡是中国西南岩溶矿区的主要地质灾害类型,其破坏和成灾过程具有复合性。以我国重庆武隆鸡冠岭滑坡为例,通过离心物理模型试验研究了地下开采条件下陡倾灰岩斜坡的变形失稳机制。试验时随着煤层模型板被拔出,上覆岩层在拟重力作用下开始出现位移与层间错动,当煤层模型被拔出150 mm时,模型山体发生显著破坏。试验结果表明:陡倾灰岩斜坡在长期重力作用下,会出现弯曲倾倒的变形,随着地下煤层逐渐采空,上覆陡倾层状岩体失去支撑,岩层层面分离并产生拉张裂缝,岩体变形加剧发生倾倒破坏,并对煤层下部的稳定岩体形成挤压,下伏稳定岩体发生剪切破坏,最终导致鸡冠岭以倾倒-滑移的复合模式整体失稳。这一研究对中国西南山区大型岩质滑坡的早期识别与失稳机制分析具有指导意义。      

层状反倾-顺倾边坡倾倒变形形成条件及发育规模特征

以往研究中倾倒变形研究在反倾边坡较多而在顺倾边坡中很少,对两种不同结构的边坡形成倾倒体的异同点更是存在较多空白。在总结大量倾倒体实例基础上,对层状反倾和顺倾边坡倾倒变形形成条件及发育规模特征进行了详细研究。结果表明,顺倾边坡若发生倾倒,通常表现为坡高 100 m,边坡坡角 35°,岩层倾角 60°,岩性为薄层或薄层与中层互层的软岩、软硬相间的岩石;反倾边坡当坡角 30°及岩层倾角 30°就可能发生倾倒,其岩性为薄层～中厚层状的软岩、硬岩及具有似层状结构的坚硬岩石均可;提出层状岩质边坡“倾倒临界倾角 ”的概念,对于顺倾边坡, 60°,当 时边坡将可能产生倾倒破坏,当 时边坡通常产生顺层面的“滑移-弯曲”或“滑移-拉裂”型破坏;反倾边坡 30°,当 时边坡才可能演化成明显倾倒变形,当 时边坡不会倾倒或倾倒不明显;对于地质条件基本相同而坡体结构不同的两种边坡,反倾边坡形成的倾倒体无论是发育分布面积还是倾倒深度通常是大于顺倾边坡的,而且一旦形成倾倒体,二者的规模通常是深层的、大型或特大型的;倾倒体的分布面积和倾倒深度均呈现一种随坡高的增加而增加的趋势,坡高 250 m时其分布面积和倾倒深度表现为陡然增加,并且反倾边坡增加幅度大于顺倾边坡。     

反倾边坡倾倒变形演化过程的模型试验研究

以西藏扎拉水电站坝址右岸反倾边坡为工程依托,基于地质认识及相似理论建立边坡物理模型,采用分级开挖的方式模拟河谷下切作用,研究反倾岩质边坡倾倒变形的演化过程。模型开挖后变形破裂发展的过程表明:该类反倾边坡倾倒变形模式为初期卸荷回弹变形、长期重力弯曲（破裂）变形及后期蠕滑变形。通过对位移、变形速率和变形加速度变化规律的分析发现:反倾边坡倾倒变形的过程可以根据变形加速度a划分为3个演化阶段即倾倒启动阶段、稳态变形阶段和快速失稳阶段,各阶段分别对应衰减蠕变、稳态蠕变和加速蠕变的变形特征。在此基础上采用变形加速度a作为倾倒边坡稳定性判别指标,并尝试将变形加速度突破稳态蠕变上限值（a≥a₂）作为边坡失稳预警判据。