基于临界状态的边坡渐进破坏力学模型分析及应用

边坡条分法物理意义是以强度折减表征材料峰值强度的下降程度。以不平衡推力部分强度折减法为例,推广传统假设,应用理想弹塑性模型和全过程剪应力-应变模型,在峰值剪应力和峰值应变相等条件下,模拟边坡的渐进破坏过程;提出了临界状态决定法,随着临界状态逐步移动,边坡不平衡力和驱动力越来越大,抗滑力越来越小,直至整体处于破坏状态。以湖北省恩施州稻池村边坡为例,以3种数值(部分强度折减、理想弹塑性和全过程剪应力-应变本构)模型揭示边坡渐进破坏过程中各参量变化特征。结果表明:3种数值条块法均能描述稻池村边坡渐进破坏过程,基于条分法和理想弹塑性模型部分强度折减系数大于全过程剪应力-应变本构模型稳定系数。      

基于模型试验的动水驱动型顺层岩质滑坡启滑机制初探

动水驱动型顺层岩质滑坡数量多、灾害频发、危害大, 是滑坡地质灾害领域的研究重点, 但目前对于滑坡启滑机制的认识仍不充分, 滑坡的准确预报还面临巨大挑战。鉴于此, 以含软弱夹层的中倾角顺层岩质滑坡为研究对象, 通过构建理想的单层滑带滑坡物理模型, 开展了一系列动水作用下的滑坡模型试验研究。结果表明, 动水作用下顺层岩质滑坡从开始变形至失稳滑动需经历初始变形、缓慢变形、加速变形和失稳破坏4个阶段, 而各个阶段的演化特征与滑面粗糙度和倾角密切相关。滑面倾角越大或粗糙度越小, 滑坡体从开始变形至失稳滑动所需的时间则越短; 相应地, 坡体加速变形阶段越不明显, 滑坡破坏的突发性越强。滑带内的渗流冲蚀作用会使滑带土中的骨料流失, 导致其抗剪强度降低, 进而引发坡体滑动。与此同时, 上覆坡体的压剪作用以及变形演化过程亦将反过来影响冲蚀强度。基于滑带土黏聚力随水力梯度和冲蚀时间的变化关系, 提出了渗流驱动下滑带土黏聚力演化模型, 可较好地描述滑带土黏聚力的退化过程。滑面粗糙度的存在不仅显著影响了滑带的冲蚀劣化规律, 还改变了滑带不同区域的破坏模式。此外, 通过考虑滑面粗糙度对滑带不同区域破坏模式的影响, 开展了动水多效应关联分析, 建立了滑坡地质体力学分析模型, 实现了动水作用下顺层岩质滑坡动态稳定性的有效评估。本研究成果可为实际动水驱动型顺层岩质滑坡的预测和防治提供理论参考。      

呷爬滑坡滑带土蠕变特性及其稳定性

水库滑坡变形破坏受其岩土体蠕变特性及环境因素的影响。当滑坡进入加速变形阶段后,变形骤然增大,失稳概率增加。为了研究滑坡岩土体蠕变特性及其稳定性,选取锦屏一级水电站呷爬滑坡为研究对象,采用坡表位移监测曲线分析与室内三轴蠕变试验相结合的方法,建立了Burgers蠕变模型结合FLAC3D软件进行了滑坡稳定性研究。分析坡表位移-时间曲线发现,坡体变形特征与一般滑坡土体的蠕变特征具有相似性,滑带土室内三轴蠕变试验结果表明,滑带土变形可划分为瞬时蠕变、减速蠕变与稳定蠕变3个阶段,同时其瞬时变形量、稳定蠕变速率均随围压以及应力水平的增大而增大。基于滑带土蠕变特性的Burgers蠕变模型的计算结果,对比了常规强度折减法与考虑蠕变的强度折减法的滑坡稳定性系数,计算结果表明呷爬滑坡目前处于稳定状态,在一个计算周期内考虑蠕变的强度折减法较常规强度折减法的稳定性系数下降了0.04,因此,揭示滑坡土体蠕变特性并在此基础上研究其稳定性具有实际意义。      

Evaluation of the possible slip surface of a highly heterogeneous rock slope using dynamic reduction method

A new method, the dynamic reduction method (DRM) combined with the strain-softening method, was applied to evaluate the possible slip surface of a highly heterogeneous rock slope of the Dagangshan hydropower station in Southwest China. In DRM, only the strength of the failure elements is reduced and the softening reduction factor K is adopted to calculate the strength parameters. The simulation results calculated by DRM show that the further slip surface on the right slope of the Dagangshan hydropower station is limited in the middle part of the slope, while both SRM (strength reduction method) and LEM (limit equilibrium method) predict a failure surface which extends upper and longer. The observations and analysis from the three recorded sliding events indicate that the failure mode predicted by DRM is more likely the scenario. The results in this study illustrate that for highly heterogeneous slopes with geological discontinuities in different length scales, the proposed DRM can provide a reliable prediction of the location of the slip surface.     

基于物理模型试验的多层滑带滑坡变形演化特征

滑坡变形演化特征一直是滑坡灾害预测与防治领域急需解决的关键问题, 但对于多层滑带滑坡的变形演化特征却少有研究。以物理模型试验为手段建立了三层滑带滑坡物理试验模型, 完成了多层滑带滑坡变形演化全过程的模拟。基于PIV技术获取坡表位移数据, 通过柔性测斜仪监测滑坡深部位移, 同时布设土压力盒获取滑坡内部土压力的变化情况, 实现了多层滑带滑坡演化过程多参量数据分析。试验结果表明, 多层滑带滑坡破坏过程可分为初始、等速、加速和破坏4个阶段。不同破坏阶段滑坡的主要变形区域不同, 下层滑体受到上层滑体牵引作用, 在重力和推力作用下滑坡变形逐渐向浅层发展。变形过程中滑坡应力逐渐向滑带集中, 滑坡推力沿埋深方向呈多级梯形分布。加速变形阶段滑带处应力迅速增大, 滑坡体内产生多层应力集中带, 滑带位置推力变化与滑坡位移显著相关。      

Failure mode and dynamic response of a double-sided slope with high water content of soil

A double-sided slope with high water content in sandy clay was considered under the action of seismic load. Its failure mode and dynamic response were investigated using a hydraulic servo shaking table test. The typical characteristic of failure mode and dynamic responses of the double-sided slope were analyzed. Experimental results show that slope failure undergoes a process of progressive deformation. The slope failure mode can be explained as creep sliding landslide. AFA (Amplification Factor of Acceleration) at the surface and inner parts of the slope shows an increasing trend with the increase of relative elevation. The relationship between AFA and EAA (Excitation Amplitude of Acceleration) is nonlinear. An empirical formula is proposed to describe preferably the relationship between AFA, relative elevation and dimensionless EAA. The AFA at the middle and upper parts of the slope increases apparently with increasing EFA (Excitation Frequency of Acceleration).     

基于一阶线性应变软化理论的边坡稳定性研究

在持续降雨或开挖卸荷作用下, 土体的强度指标会发生劣化, 但现今采用的边坡稳定性计算大多直接将其视为一个常数。为接近真实的边坡失稳破坏模式, 基于瑞典条分法以及一阶线性应变软化机制, 提出了一种边坡渐进破坏分析新方法, 推导出应变软化型边坡极限平衡表达式, 并获得了各破坏进度下边坡的安全系数。通过对模拟算例进行分析, 证明了条分-软化法的可靠性, 且计算结果表明渐进破坏过程中安全系数不仅取决于边坡的破坏方式与强度参数, 还与岩土体的软化模量密切相关。同时, 通过与滑坡实际案例的对比验算, 证实其强度指标存在不同的衰减系数, 即黏聚力的衰减系数大于摩擦角。从理论到应用, 最终获得的条分-软化法, 不仅考虑了岩土体的强度劣化效应以及滑动面的渐进发展, 还能有效地服务于实际工程背景下边坡的稳定性分析, 可以为滑坡的预防与治理提供指导建议。      

Effect of rainfall on a colluvial landslide in a debris flow valley

A colluvial landslide in a debris flow valley is a typical phenomena and is easily influenced by rainfall. The direct destructiveness of this kind of landslide is small, however, if failure occurs the resulting blocking of the channel may lead to a series of magnified secondary hazards. For this reason it is important to investigate the potential response of this type of landslide to rainfall. In the present paper, the Goulingping landslide, one of the colluvial landslides in the Goulingping valley in the middle of the Bailong River catchment in Gansu Province, China, was chosen for the study. Electrical Resistivity Tomography (ERT), Terrestrial Laser Scanning (TLS), together with traditional monitoring methods, were used to monitor changes in water content and the deformation of the landslide caused by rainfall. ERT was used to detect changes in soil water content induced by rainfall. The most significant findings were as follows:(1) the water content in the centralupper part (0~41 m) of the landslide was greater than in the central-front part (41~84 m) and (2) there was a relatively high resistivity zone at depth within the sliding zone. The deformation characteristics at the surface of the landslide were monitored by TLS and the results revealed that rainstorms caused three types of deformation and failure: (1) gully erosion at the slope surface; (2) shallow sliding failure; (3) and slope foot erosion. Subsequent monitoring of continuous changes in pore-water pressure, soil pressure and displacement (using traditional methods) indicated that long duration light rainfall (average 2.22 mm/d) caused the entire landslide to enter a state of creeping deformation at the beginning of the rainy season. Shear-induced dilation occurred for the fast sliding (30.09 mm/d) during the critical failure sub-phase (EF). Pore-water pressure in the sliding zone was affected by rainfall. In addition, the sliding L1 parts of the landslide exerted a discontinuous pressure on the L2 part. Through the monitoring and analysis, we conclude that this kind of landslide may have large deformation at the beginning and the late of the rainy season.     

Three-dimensional stability of landslides based on local safety factor

Unlike the limit equilibrium method (LEM), with which only the global safety factor of the landslide can be calculated, a local safety factor (LSF) method is proposed to evaluate the stability of different sections of a landslide in this paper. Based on three-dimensional (3D) numerical simulation results, the local safety factor is defined as the ratio of the shear strength of the soil at an element on the slip zone to the shear stress parallel to the sliding direction at that element. The global safety factor of the landslide is defined as the weighted average of all local safety factors based on the area of the slip surface. Some example analyses show that the results computed by the LSF method agree well with those calculated by the General Limit Equilibrium (GLE) method in two-dimensional (2D) models and the distribution of the LSF in the 3D slip zone is consistent with that indicated by the observed deformation pattern of an actual landslide in China.     

考虑降雨滑坡多级滑动的改进传递系数法研究

在多级滑坡的渐进破坏过程中, 滑带不同部位的屈服程度和破坏模式不同, 强度参数也不同。在强降雨条件下, 坡表产生的张拉裂缝充水, 会产生静水压力。当前广泛应用的传递系数法对滑带不同位置取同一强度参数, 也尚未考虑到静水压力作用。为此提出了一种考虑静水压力作用和滑带不同部位强度参数差异的改进传递系数法, 对降雨引起的西安市柳西村南部的牛角沟滑坡进行了计算。结果表明: 与不考虑静水压力和滑带不同部位强度参数差异的计算方法比, 改进传递系数法计算的抗滑力相对较小, 剩余下滑力计算结果相对较大, 各级滑坡稳定性系数分别减小了约33.26%、17.92%、24.95和16.94%;而改进前的稳定性系数偏高, 可能会导致支挡工程的安全储备不足。本研究提出的改进传递系数法可为多级滑坡处置提供更安全的参考。      

京广铁路K1219路基土质边坡深层滑移失稳机制与整治对策

为研究土质边坡深层滑移失稳机制, 以京广铁路下行线K1219+000处路基边坡失稳为例, 通过现场调查测绘、工程地质钻探、原位试验和室内试验、深部位移监测和数值模拟等手段, 详细研究了该土质边坡变形破坏特征、地质力学过程和失稳模式。结果表明: 路基边坡表面裂缝宽度及深度呈坡顶至坡脚逐渐变浅变窄, 变形具有一定的旋转性, 牵引式特征明显, 属于深层滑移拉裂式失稳; 土质边坡经历了因坡脚开挖、抽水引起的应力场和渗流场重新分布阶段、雨水入渗软化导致下滑力不断增大而滑面逐渐迁移扩大加深阶段以及支挡结构抗力失效阶段3个地质力学过程, 其失稳模式包括浅层滑移、浅层滑面向深层迁移、动荷载触发深层滑移失稳3个阶段。在此基础上, 综合确定了滑面位置, 并通过反演方法确定了滑面力学参数。研究采用了刚架式双排抗滑桩的整治方案, 通过理论计算和数值分析, 边坡变形与抗滑桩变形基本一致, 且与监测结果整体吻合, 这表明土质边坡深层失稳理论分析准确且计算的力学参数科学, 整治对策稳妥、可靠。      

基于滑带完整性指标的三峡库区堆积层滑坡失稳破坏判据

滑坡稳定性评价是滑坡防治中关键问题之一, 滑坡失稳破坏判据研究可为滑坡稳定性评价提供支持。为了提高滑坡稳定性评价的精度, 以滑坡深部位移监测数据为基础的滑坡失稳破坏判据不失为一种有效方法。基于滑坡深部位移监测数据, 引入滑带完整性指标, 推导得到了滑带完整性指标与滑坡抗剪强度参数之间呈正比例关系; 运用滑坡稳定性计算方法和三峡库区堆积层滑坡简化模型, 获得了滑带完整性指标与滑坡的稳定性系数之间呈正比例关系。建立了考虑滑带完整性指标的三峡库区堆积层滑坡失稳破坏判据, 即: 当滑坡滑带土完整性指标大于滑坡滑带土完整性指标的临界值时, 滑坡处于稳定状态; 当滑坡滑带土完整性指标小于滑坡滑带土完整性指标的临界值时, 滑坡发生失稳破坏。以三峡库区典型堆积层滑坡——五尺坝滑坡为例, 通过实例分析发现该判据具备可靠性, 对堆积层滑坡适用性好。研究成果表明, 滑带完整性指标失稳破坏判据可以用于评价滑坡的稳定状态, 为滑坡失稳破坏判据研究提供了一种新思路。      

基于物理模型试验的杆塔基础滑坡防护措施效果研究

大量穿越山地丘陵区的高压输电线路杆塔基础常位于滑坡灾害高易发斜坡地段, 施加适当防护措施提高其稳定性, 是保障输电线路持续安全运行的关键。为研究不同防护措施对杆塔基础滑坡的防护效果, 以湖北省巴东县燕子滑坡为地质原型, 设计制作物理试验模型, 分别开展了极端降雨条件下滑坡在无防护、施加抗滑桩与格构护坡时的物理模型试验, 从试验角度揭示了滑坡变形破坏特征与不同防护措施的防护效果。试验结果表明: 在2种极端降雨工况(50, 100 mm/h)下, 无防护的滑坡体历经了坡表冲刷、裂缝扩展、局部垮塌变形与整体滑动的演化过程; 抗滑桩措施对滑坡整体的防护效果显著, 滑坡整体处于稳定状态, 杆塔基础变形较小, 杆塔倾斜率满足规范, 但坡表会出现冲刷垮塌现象; 格构护坡措施能有效减少坡面冲刷和坡脚垮塌风险, 但在持续强降雨条件下对杆塔基础的整体稳固作用稍弱。物理模型试验结果与滑坡历史变形和实际治理效果吻合, 试验结论可为类似杆塔基础滑坡的破坏机理研究与防护工程设计提供借鉴。      

长期静水浸泡对三峡库区滑带土物理-化学-力学性质的影响

三峡水库蓄水使得库岸大量土体长期处于浸泡状态,导致土体软化从而诱发滑坡失稳。为研究长期浸泡对滑坡土体物理-化学-力学性质的影响,以马家沟滑坡原状滑带土为对象开展了浸泡软化试验,通过比较不同浸泡时间滑带土的粒度分布、界限含水率、化学与矿物成分、剪切特性等特征,探讨了滑带土浸泡软化机理。研究结果表明:浸泡过程中滑带土中Ca2+、Mg2+等离子流失较多,但矿物成分无变化;浸泡后滑带土出现阶段性粒度细化现象,液塑限和塑性指数均随黏粒含量增加而增大;随着浸泡时间增加,滑带土应力应变关系在低法向应力下由强软化型变为弱软化型,在高法向应力下由软化型变为硬化型;滑带土抗剪强度参数随着浸泡时间增加呈指数形式降低,黏聚力c降低程度大于内摩擦角φ。研究成果可以为水库滑坡稳定性评价提供理论依据。      

基于有限元强度折减系数法岩土边坡稳定性分析与抗滑桩设计

基于有限元强度折减系数法原理,应用具有折减分析功能的ANSYS软件,以暴雨工况为最不利控制工况,采用平面应变条件下Drucker-Prage关联流动屈服准则(DP4)和边坡失稳破坏综合判据,分别对龙胜县城桑江北区不稳定高切边坡自然状态和削坡及抗滑桩加固状态进行了强度折减数值模拟。确定了这2种状态边坡最危险滑动面位置、形状并给出了极限状态坡体强度储备安全系数,通过所建桩-土共同作用连续介质模型及ANSYS后处理路径分析功能,求得极限状态滑坡设计推力和桩身内力及其分布,且将该法分析结果与传统分析方法作对比,发现误差很小且该法更接近边坡实际情况。综合分析表明,该法在岩土边坡滑坡灾害防治方面是可行且有效的新途径,有其自身的优越性和广阔的发展前景。      

三峡库区麻柳林滑坡变形特征及演化模拟

在库水位波动和降雨作用的共同影响下，库岸滑坡的变形规律往往更为复杂。以三峡库区麻柳林滑坡为例，基于野外调查、钻探编录、深部位移监测以及数值模拟等手段，分析了库水位波动和降雨作用下滑坡变形特征及演化规律。结果表明:麻柳林滑坡在粉质黏土层和块石层交界处发育一个次级滑带，目前该滑坡主要沿次级滑带运动，导致次级滑动的原因与坡体物质的差异性有关；S_i(S_f)指标分析法揭示滑坡的滑带还未完全破坏，滑坡仍处于蠕变状态；根据三峡水库水位调度规律，将一个完整水文年划分为6个阶段，数值模拟结果表明滑坡在库水位缓慢下降阶段变形速率较小、在快速下降阶段和低水位阶段变形速率持续增大、在快速上升阶段和缓慢上升阶段以及高水位阶段变形速率则保持平稳。其中，降雨的直接影响和降雨导致库水位波动进而对滑坡变形造成的间接影响，使得麻柳林滑坡在低水位阶段的变形显著增加、稳定性最差，应加强该时段内滑坡的监测和预警。      

基于物理力学机制的滑坡数值预报模式: 综述、挑战与机遇

滑坡预测预报是地质灾害防治领域长期以来备受关注的前沿科学问题。当前的研究框架专注于滑坡的变形行为特征与外动力因素, 面临着普适性不强与预报精准度不高的双重瓶颈问题。基于目前研究现状, 系统梳理了滑带流变力学行为与强度弱化效应的内涵, 阐述了滑坡渐进破坏演化机制, 总结了滑坡预测预报模型所包含的类型, 并介绍了其中的典型模型, 指出当前研究主要存在如下问题: ①滑坡演化物理力学模型尚需扩展; ②预测预报模型未能充分结合滑坡演化过程和物理力学模型; ③物理力学模型预测与多场监测数据间的兼容性问题未能实际解决。针对上述问题, 阐述了基于物理力学过程的滑坡预测预报所面临的挑战, 并立足多学科融合与交叉, 提出了开展滑坡预测预报研究的新思路。新思路要求从滑坡滑带介质特性与流变力学行为出发, 建立滑坡演化过程物理力学模型, 紧密结合实时多场监测数据, 建立滑坡数值预报模式, 实现滑坡物理力学过程实时动态更新, 以期实现理论与技术的突破。      

Failure mechanism and stability analysis of the Zhenggang landslide in Yunnan Province of China using 3D particle flow code simulation

Based on the principle of 3D particle flow code, a numerical landslide run-out model is presented to simulate the failure process of the Zhenggang landslide (in southwestern China) under the effect of water after a rainfall. The relationship between the micro-mechanical parameters and the macro-shear strength of the grain material is determined through numerical calibrations. Then the rainfall effect is considered in numerical simulations and rain-induced sliding processes are performed, which help us to discuss the mechanism of deformation and failure of this landslide together with field observations. It shows the Zhenggang landslide would most likely be activated in Zone I and would gain momentum in Zone II. In order to prevent the potential disaster, a tailing dam is advised to be designed about 175 m downstream from the current landslide boundary of Zone II. Verified by field observations, the presented landslide model can reflect the failure mechanism after rainfall. It can also provide a method to predict the potential disaster and draft disaster prevention measures.     

风振影响下乔木坡地暴雨型浅层滑坡演化机制

强对流或台风等极端天气下乔木坡地发生浅层滑坡灾害往往是暴雨和强风共同作用的结果。以皖南山区一处暴雨型浅层滑坡——畈章组滑坡为例, 通过现场调查和气象资料的分析表明, 除暴雨外风荷载也有可能促进滑坡的启动。为揭示该滑坡启动与破坏后这一完整运动过程的演化机制, 首先基于无限斜坡模型分析了实际降雨条件下的滑坡稳定性, 然后对取自于滑坡体内乔木根系周围和滑动面附近的两种土样利用DPRI型环剪仪, 分别开展了不排水循环剪切试验和自然排水残余剪切试验。结果表明: ①降雨入渗引起滑动面孔隙水压力的上升, 并导致稳定性的降低是畈章组滑坡启动的直接原因; ②乔木根系周围的饱和土在风振作用产生的动剪切荷载下易形成高的超孔隙水压力, 并导致浅表层的局部失稳滑动, 增加了畈章组滑坡整体破坏的可能性; ③滑动面土体的残余强度具有强烈的"正速率效应", 从而控制了畈章组滑坡启动后不会表现出高速远程的运动特征, 与现场调查结论一致。研究结果可以为暴雨协同风振作用下富乔木坡地浅层滑坡的预警预报研究提供参考。      

基于SBAS-InSAR的矿区采空区潜在滑坡综合识别方法

针对位于山区且受大量采空区影响的边坡,利用传统测量方法监测耗费人力、物力且光学遥感难以定量识别其是否为潜在滑坡的问题,本文提出一种融合研究区小基线集（SBAS-InSAR）地表监测数据、坡度及坡向的识别方法。通过SBAS-InSAR技术获得研究区地表雷达视线（LOS）方向形变速率,将其转化为垂直方向形变速率,并根据研究区DEM建立坡度及坡向分析图,根据不同山体的坡度、坡向找到易发生滑坡的区域,融入该区域垂直方向的时序形变速率,对其进行滑坡识别。实验表明：卡房镇周边受采空区的影响较大,多数区域垂直方向年形变速率大于10 mm/a;通过本文方法对研究区潜在滑坡进行识别,发现在研究区的21处历史滑坡点中,有16处被识别为潜在滑坡,5处未被识别但也位于发生形变的区域内,表明本文方法对潜在滑坡的识别精度高,具有可行性。该研究为识别采空附近的潜在滑坡提供了一种新的思路,可以有效识别采空区附近山体边坡是否处于潜在的、不明显的滑动状态,对滑坡灾害具有预警作用。