基于最短折减路径法的边坡安全系数研究

使用双参数折减方法分析边坡稳定性的研究较多, 如何把两个折减系数定义为单一的综合安全系数是目前研究的一项重要内容。Isakov提出的最短折减路径法能够保证在不同工况下得到最小安全系数, 但是该方法的缺点在于计算复杂, 不适合工程应用。通过有限元数值模拟, 利用最短折减路径方法计算不同强度黏土构成的不同坡度均质土坡的最小安全系数和对应的折减系数, 探索了最小安全系数与土的初始黏聚力、内摩擦角以及边坡坡度的关系, 分析了初始强度对折减系数的影响。结果表明, 相同坡度下不同强度的黏土边坡在失稳时, 最小安全系数对应的临界破坏强度相同。临界破坏强度与坡度近似成线性正相关关系。由此基于最短折减路径法提出了一种新的计算最小安全系数的方法, 该方法得到的安全系数与目前常用的极限平衡方法所得结果相近, 并且计算简单, 因此可以用于边坡稳定性分析。      

石膏岩干湿循环细观模拟及损伤本构模型

为研究干湿循环作用下石膏岩劣化效应，并对其劣化损伤进行数学描述，采用颗粒流软件进行了细观力学模拟，并基于 Ｗｅｉｂｕｌｌ分布建立了统计损伤本构模型。研究表明:随着干湿循环次数的增加，试件裂纹数量不断增加，拉裂纹增加数量尤为显著；进行相同次数干湿循环时，随着围压不断增大，试件的拉裂纹数量逐渐减少，剪切裂纹数量不断增多。干湿循环作用对石膏岩细观强度参数影响效应大小不一，其强弱关系为:摩擦系数＞抗拉强度＞内摩擦角＞节理模量＞黏聚力。模型模拟值和试验值较为吻合，表明该模型能表征岩石破裂过程中的应力应变关系。      

含水率和离子浓度对滑带土抗剪强度的影响

滑坡地下水环境的变化对滑带土的强度和变形参数有着极大的影响，并影响滑坡的稳定性。三峡库区受到库水位升降及降雨入渗的影响，使得发育于该地区滑坡的滑带土含水率及离子浓度一直处于不断的变化中。以重庆万州区兴福寺滑坡为例，针对滑带土重塑样，采用 Ｘ 射线衍射分析了其矿物成分，然后进行了不同含水率下固结排水直剪试验、不同ＳＯ２－４ 离子浓度下滑带土的固结排水慢剪试验以及不同 ＳＯ２－４ 离子浓度下滑带土直剪反复剪切试验。试验结果表明:滑带土成分以黏土矿物、石 英、钠 长 石 等 为 主，其中黏土矿物以伊蒙混层、伊 利 石为主；含水率对滑带土抗剪强度指标的影响较为明显，具体为黏聚力随含水率的增大而增大，内摩擦角随含水率的增大而减小；ＳＯ２－４ 离子浓度对滑带土抗剪强度指标的影响也较为显著，随 着 ＳＯ２－４ 离子浓度的增大，黏聚力 与内摩擦角均减小；滑带土经过反复剪切后，残余强度、黏聚力和内摩擦角均随着ＳＯ２－４ 离子浓度的增大而减小。      

基于降雨作用下滑面抗剪强度动态变化的层状边坡稳定性评价

降雨入渗对边坡稳定性具有重要影响。鉴于层状边坡在自然情况中广泛存在，因此，开展在降雨情况下的多层状边坡入渗模型及其稳定性研究具有重要意义。考虑各层土体的渗透性能差异，利用约束函数求得各层土体的有效渗透系数，并基于Ｇｒｅｅｎ－Ａｍｐｔ模型建立层状边坡入渗模型。结合非饱和土强度经验公式，推导了考虑滑面抗剪强度动态变化的层状边坡稳定性方程。最后，对深圳某边坡在不同降雨强度和降雨历时下的稳定性系数进行了计算并对结果进行了分析。结果表明，当湿润锋未达到滑面处时，边坡稳定性系数与降雨历时和降雨强度呈线性关系。考虑边坡入渗能力，提出了降雨入渗临界时间概念。在任意降雨强度下，当降雨历时小于该时间时，边坡均不会失稳。本研究可以用于指导降雨情况下层状边坡的稳定性评价。      

黄土边坡可靠度的随机有限元分析

为了研究黄土边坡的可靠度,在对黄土强度参数进行变异性统计、概率分布检验及垂直向自相关距离计算的基础上,将黄土强度参数黏聚力和内摩擦角作为随机变量,将其在二维边坡剖面的空间变化作为随机场,用局部平均细分法将符合一定均值和标准差的强度参数按随机场分布在边坡剖面的有限元网格上,再采用弹-理想塑性有限元计算边坡稳定系数,用MonteCarlo法计算其失效概率。结果表明:黄土黏聚力的变异系数多在0.30以上,内摩擦角的变异系数多在0.20以下,且黄土高原从西向东两个参数的变异性都增大;黏聚力和内摩擦角的概率分布类型对边坡失效概率计算结果影响显著,统计检验发现黏聚力采用对数正态分布、内摩擦角采用正态分布为宜;黄土地层的垂直向自相关距离多在0.7m以内,与计算厚度的比值多小于0.2;在大部分黄土的变异系数与自相关距离水平下,采用确定场进行可靠度分析,多数情况将极大地高估了黄土边坡的失效概率,而在极端高变异系数水平下,采用确定场进行可靠度分析,又将极大地低估其失效概率。     

基于内外功率比的非直线坡面型边坡的稳定系数研究

在边坡稳定性上极限分析中, 由于考虑了材料的理想弹塑性本构关系与相关流动法则, 相比极限平衡法更符合岩土材料的特征。在以往的二维边坡极限分析上限法中, 要求坡面形态为规则的直线, 而无论是天然边坡还是人工边坡, 边坡的坡面形态往往并非规则的直线。此外, 以往的边坡极限上限分析中得到的稳定数N_s=c/γH主要针对土坡的临界高度计算, 且未考虑孔压等外力对边坡施加的外功率。不同于传统极限平衡法采用静力学的平衡条件, 本研究针对非直线型坡面边坡稳定性问题, 假定滑动面为对数螺旋线, 基于极限分析上限定理和虚功原理, 提出了一种边坡发生旋转破坏时旋转中心的确定方法, 推导出了非直线型坡面边坡的重力虚功功率和能量平衡方程的解析解, 并提出了基于内、外功率之比的稳定系数K用以评价边坡的稳定性。通过算例比较了不同形态天然边坡的稳定性和人工削坡对边坡稳定性的影响, 并分析了边坡的坡度(β)、土体的内摩擦角(φ)、黏聚力(c)以及孔压系数(r_u)对稳定系数K的影响规律。对于坡度较大的边坡, 通过削坡改变坡面形态提高了边坡的稳定系数K。稳定系数K随黏聚力的增加而非线性增大, 随孔压系数的增加而降低。当黏聚力相对于孔压系数对边坡稳定性影响更大时, 稳定系数K随内摩擦角的增加而增大; 反之, 稳定系数K则随内摩擦角的增加而减小。以上结果符合对边坡稳定性分析的普遍认知, 验证了模型的合理性。另外, 通过将该方法与传统的Bishop法的计算结果进行对比, 发现安全系数F_s=1与稳定系数K=0的临界状态物理意义相同, 稳定系数K随黏聚力非线性增加, 更符合边坡的渐进破坏过程。      

三峡库区消落带巴东组软岩抗剪强度劣化机理

三峡水库蓄水后,库区岸坡的消落带岩土体在库水周期性升降的作用下处于一种“干燥-浸湿”的循环状态。这种干湿循环作用将造成岩土体强度的劣化,并且随着劣化效应的增加,引起岸坡失稳,进而引发严重的地质灾害。以三峡库区巴东县巴东组第二段和第四段软岩为研究对象,在详细的野外调研基础之上,通过不同干湿循环次数下的软岩抗剪强度试验,模拟库水升降对软岩的水岩相互作用过程,探讨了巴东组软岩受库水“干燥-浸湿”循环作用下抗剪强度的劣化规律,利用X射线衍射方法对软岩的矿物成分进行分析,探讨消落带软岩的风化崩解机理。研究发现,巴东组第二段和第四段软岩分别在经历第1次和第3到5次干湿循环时,抗剪强度发生严重劣化;第二段软岩抗剪强度的劣化是由于蒙脱石遇水膨胀造成,第四段软岩抗剪强度的劣化是由于岩石中楔裂压力的发展造成。研究结果可以为岸坡稳定性评价提供理论依据。      

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。      

公路弃土场边坡的稳定影响因素敏感性分析

以日照市岚山区某弃土场为研究对象,通过对现场调研并采样开展直剪试验,在压实度分别为90%、92%和95%的情况下取得不同的黏聚力c和内摩擦角φ值,通过MIDAS GTS NX进行数据模拟,选取MohrCoulomb模型,采用有限元强度折减法(SRM)算出边坡的等效应变塑性区及安全系数,以此分析边坡稳定性。利用数值模拟的结果,分别绘制坡高、坡比与安全系数的关系图,归类分析不同坡高和坡度对边坡稳定性系数的变化规律。通过边坡稳定影响因素的敏感性分析,分析影响边坡稳定性各因素与边坡安全系数之间的相关性,即分析各因素的变化对于边坡安全系数的影响程度。     

基于有限元强度折减法的边坡失稳判据统一性研究

采用有限元强度折减法进行边坡稳定性分析时,常用的计算收敛性、塑性区贯通性和特征点位移突变性等3种失稳判据未能体现出很好的统一性。采用Mohr-Coulomb屈服准则,针对3个典型边坡(坡角α、坡高H),系统分析了不同单元相对尺寸L/H、剪胀角ψ时各种失稳判据的适用性和统一性。结果表明,3种判据下的边坡安全系数均随单元相对尺寸的减小逐渐逼近Spencer解,但依据计算收敛性得到的边坡安全系数偏差普遍较大;单元相对尺寸较大(L/H≥1/30)时,剪胀角取值对计算的收敛性影响显著,而对塑性区贯通和特征点位移突变时机的影响较小。当单元相对尺寸足够小(L/H=1/60)和ψ=0或φ(内摩擦角)时,3种判据具有良好的统一性;边坡破坏过程出现明显的组合破坏特征,受拉破坏区域和塑性区可以构成较为平滑的潜在滑动面,说明采用单一的压剪屈服破坏准则(如M-C屈服准则)将过高估计边坡的安全系数。     

库水λ变动联合降雨作用下麻柳林滑坡稳定性评价

库水λ变动和降雨是影响三峡水库库区滑坡失稳的重要因素,因此进行不同时段内的库水λ变动联合降 雨工况下的滑坡稳定性评价具有重要意义.以重庆市万州区麻柳林滑坡作为研究对象,首先在实际监测资料的 基础上,将工程地质类比法和 GeoStudio数值模拟相结合,对滑坡抗剪强度参数进行反演优化;然后基于 PＧⅢ型 分布曲线对降雨重现期进行分析后共设置２５种计算工况,利用 GeoStudio模拟软件进行模拟计算.并选取了内 摩擦角、黏聚力及降雨量３个因素进行了正交试验,采用极差分析法进行稳定性敏感分析.分析表明,麻柳林滑 坡稳定性变化幅度与降雨强度呈正相关,变形量与滑坡稳定性系数呈负相关;最不利工况为低水λ联合百年一遇 降雨工况,此时麻柳林滑坡稳定性系数为０．９６０,滑坡模拟变形量达到０．３９４７m.极差分析结果表明所选取的３ 个影响因素的敏感性由大到小依次为:内摩擦角、黏聚力、降雨量.此次研究成果为确定库区滑坡失稳破坏工况 和稳定性分析评价提供了一种可行的思·.      

基于3DEC的岩质边坡安全系数影响因素敏感性研究

为研究岩质边坡中结构面几何参数及力学参数对边坡安全稳定性的影响,文中采用离散元软件3DEC进行数值模拟试验;以安全系数为指标,结合响应面分析法,研究边坡结构面几何参数倾向、倾角及力学参数法向刚度(Kn)、切向刚度(Ks)、粘聚力(c)、内摩擦角(φ)对影响边坡稳定性敏感程度;结果显示,结构面的几何参数是边坡的稳定性的前提条件,在具备滑塌条件的情况下,结构面的力学参数,将进一步影响边坡的稳定性;其中结构面的切向刚度和内摩擦角对边坡稳定性有高敏感度,按照敏感度由大到小排序,为切向刚度内摩擦角粘聚力法向刚度;同时发现内摩擦角和切向刚度与边坡安全性因素之间呈相互促进作用。     

极限平衡方法在夏日哈木镍钴矿山拟建露天采场边坡角优化中的应用

夏日哈木镍钴矿为大型镍钴硫化物矿床,现拟建大型露天采场,边坡采用分台阶式高边坡,最高边坡高度超过600m。该工程具有开挖成本高,边坡一但失稳后果严重的特点。为此需要选择一个即节约经济成本又保障整体边坡稳定的最佳边坡角。本文采取Geostudio软件中的Slope模块极限平衡方法对拟建露天采场假设开挖边坡角的整体边坡稳定性进行分析,提出最佳设计边坡角。　本次边坡角优化的思路：首先根据场地工程地质条件和拟建边坡的高度等因素将拟建边坡划分为5个区,选择典型边坡工程地质剖面并进行工程地质岩体分段,然后通过岩石强度指标折减计算（本文采用费辛柯法、M.Georgi法和经验法）给各分段的岩体赋予凝聚力、内摩擦角等计算参数,采用极限平衡方法（Geostudio软件中的Slope模块法）对不同角度下对各分区边坡的破坏形式及安全系数进行计算,最后提出了各分区边坡的最佳设计边坡角。     

浸泡作用下碎石土剪切强度衰减规律及机理

水库蓄水后, 滑坡体碎石土经受长时期的浸泡, 力学性质发生改变, 从而影响滑坡整体稳定性。为探究浸泡对碎石土力学性质的影响规律, 选取三峡库区马家沟滑坡后缘未经受长期浸泡作用的碎石土进行大型直剪试验, 分析了不同浸泡天数下碎石土的剪切力学性质。试验结果表明: 浸泡40 d后, 碎石土黏聚力下降幅度达39%, 内摩擦角下降幅度为8.3%;碎石土黏聚力在浸泡前期快速下降, 下降速率随浸泡天数增加而降低, 浸泡20 d后, 黏聚力基本达到稳定。为探究碎石土抗剪强度降低的原因和机理, 对粉质黏土(碎石土细粒成分)进行了三轴剪切试验、激光粒度分析及浸出液阳离子分析等试验, 揭示了碎石土抗剪强度的衰减机理为: 浸泡作用下, 碎石土中的粉质黏土发生矿物溶解、离子交换与吸附作用, 土体中大颗粒细化, 胶结作用减弱, 进而导致碎石土整体抗剪强度降低。研究结果对库区碎石土滑坡评价与治理具有一定的指导意义。      

平面剪切岩质边坡滑裂面的确定及稳定性分析

由于传统搜索方法对岩质边坡滑裂面的确定无法兼顾效率与精度, 如何迅速准确确定潜在滑裂面仍然是个难题。极限平衡法在岩质边坡稳定性分析中备受认可, 采用岩质边坡平面剪切滑动模型, 以滑裂面的倾角来表征潜在滑裂面的位置; 基于极值法, 推导了极限平衡条件下平面剪切破坏型岩质边坡潜在滑裂面的解析解, 并结合香港秀茂坪路边坡对其准确性进行了验证, 进一步对四川宜宾打营盘山公路多级边坡进行了整体稳定性分析。结果表明: 香港秀茂坪边坡采用本文方法确定的边坡潜在滑裂面倾角与实际滑坡倾角基本一致。实际工程应用中, 采用Slide软件中布谷鸟搜索法和模拟退火法两种搜索方法得到的滑裂面倾角分别为38.0°和37.0°, 本解析法所得倾角为34.8°; 选用Janbu法、Morgenstern-Price法和Sarma法分别计算对应的稳定系数, 结果均为1.04左右, 本文所得稳定系数为1.15, 可见本文方法所得结果基本准确。通过参数敏感性分析发现, 随着黏聚力的增加, 边坡滑裂面倾角越来越小, 稳定系数也随之增加; 而当内摩擦角增大时, 边坡滑裂面倾角和稳定系数也随之增大。      

爆破作用下顺层岩质边坡稳定的可靠性分析

基于可靠度理论建立顺层岩质边坡稳定的可靠性分析方法，获得顺层岩质边坡可靠指标和失稳概率的计算表达式。以某高切坡为例分析其稳定状态和失稳概率，并据此探讨不同粘聚力、内摩擦角、炸药量和爆心距条件下边坡失稳概率的变化规律。计算结果表明，粘聚力对边坡的失稳概率影响较大；随着内摩擦角的增加，边坡失稳概率近乎线性减小；当单孔药量从10 kg增大到160 kg后，失稳概率增幅97.10%；当爆心距小于20 m时，边坡的失稳概率减小的速度很快，而爆心距超过20 m后边坡失稳概率减小的幅度较小。考虑爆破振动的时效性，爆破荷载使边坡失稳概率增大49.61%，单次爆破振动的影响时间约6 s。     

冻融循环及含水率对冰碛土力学特性影响

处在季节性冻土区的冰碛土受冻融循环作用影响显著,极大地影响工程的稳定和安全。为了探究冻融循环作用及初始含水率对冰碛土静力学特性的影响,以川西甘孜州海螺沟的冰碛土为研究对象,通过开展不同冻融循环次数及初始含水率条件下冰碛土不固结不排水三轴试验研究冻融循环作用对冰碛土力学参数的影响。试验结果表明：冻融循环作用下冰碛土应力-应变曲线为弱应变软化型;随冻融循环次数增加,冰碛土弹性模量、抗剪强度均呈现出先快速衰减后趋于稳定的变化趋势,且初始含水率越大其力学指标衰减程度越大,黏聚力呈负指数型函数降低,而内摩擦角无明显变化;采用指数型函数对抗剪强度、弹性模量试验值进行多元非线性拟合,建立冰碛土力学参数与围压、含水率及冻融循环次数的关系表达式,拟合效果理想,可用于推算经历冻融循环后土体力学参数值;冻融循环作用会使冰碛土力学性质显著劣化,且劣化程度与含水率呈正相关。研究成果可为高寒山区工程设计与建设提供科学支撑。     

考虑含水率对人工冻结红黏土力学特性的影响

在冻结法施工中, 冻土的强度及变形特性对冻结壁的稳定性至关重要。为了研究不同含水率对冻结作用下土的强度和蠕变的影响, 以江西红黏土为研究对象, 通过冻结三轴试验, 在-10℃下研究含水率对冻结红黏土强度及蠕变特征的影响。试验结果表明: 16%~32%含水率范围内, 冻结红黏土的抗压强度随含水率的增加先增大后减小; 16%~28%含水率范围内, 随着含水率增大, 其黏聚力逐渐增大, 内摩擦角逐渐减小; 围压为0.2 MPa与0.5 MPa下的蠕变曲线都显示含水率较低时只会出现衰减蠕变阶段和稳定蠕变阶段, 含水率较高时会出现加速蠕变阶段。含水率对红黏土的力学性质影响较大, 研究成果可为江西地区红黏土地层地铁隧道建设人工冻结法施工提供参考。      

黄土高原边坡特征与破坏规律的分区研究

为了研究黄土高原自然边坡的特征及破坏规律,按山系与水系或水系的分水岭、地貌单元、地层岩性特征等条件,将黄土高原划分为8个区:临洮—永靖区、天水—通渭区、兰州—会宁区、陇东区、靖边—安塞区、隰县—离石区、甘泉—吉县区和汾渭区.根据极限状态边坡的4个野外判别标准,测量了8个区510个自然极限状态黄土边坡断面,分区采用指数模型回归边坡坡高与坡宽的相关关系,计算各区20、50、100m坡高的边坡稳定系数和失效概率.结果表明:黄土高原的边坡特征与破坏形式具有分区特征,且南北差异性明显.临洮—永靖区边坡坡高与坡宽呈线性关系,表明该区边坡坡度不随坡高变化,边坡稳定性受内摩擦角控制;兰州—会宁区和靖边—安塞区高坡陡,低坡缓,高坡不稳定,易发生错落式滑坡;天水—通渭区、甘泉—吉县区和汾渭区高坡缓,低坡陡,稳定性计算结果显示高坡和低坡都较为稳定,但由于地层结构和地貌的特点,高边坡易发生低速蠕变型滑坡或高速远程滑坡;陇东区边坡整体上较为稳定;隰县—离石区受黏粒含量较高的Q1地层控制,高边坡稳定性较差;50m左右坡高的黄土边坡稳定性对强度指标内聚力、内摩擦角的敏感度都高,易于失稳.     

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。