直立层状岩质边坡失稳模型及临界高度分析

目前根据直立层状岩石边坡失稳破坏机理,其破坏形式大体可归纳为两类:溃屈破坏和倾倒破坏,其中溃屈破坏类似于经典的欧拉压杆失稳理论,但又有着明显的差异。在对二者异同的力学本质进行阐述的基础上,基于欧拉压杆稳定性计算原理并采用能量方法推导了自重荷载作用下直立岩层不致发生溃屈失稳破坏的临界高度计算公式,并与其他研究者提出的计算公式进行了对比分析。结果表明由本文提出的计算方法得到的直立岩质边坡不致发生溃屈失稳破坏的临界高度仅约为其他研究者相应计算结果的75%。     

大奔流顺层岩质滑坡溃屈型破坏力学机制研究

溃屈型破坏是顺层岩质边坡一种常见的破坏模式。以大奔流顺层岩质滑坡为例,分析了其溃屈型破坏的形成机制,绿泥石片岩层面发育程度和层面抗剪强度及岩石破碎程度是大奔流滑坡发生的主要地质因素,爆破震动荷载和地下水作用是发生溃屈型破坏的主要诱发因素。基于弹性板梁稳定理论和能量平衡原理,建立了顺层岩质滑坡溃屈型破坏力学模型;通过力学分析,提出了综合考虑滑坡自重、地下水与震动荷载作用的顺层岩质滑坡溃屈段长度条件方程。以大奔流滑坡为实例进行了验算,计算结果和现场破坏特征基本一致,表明了该方法的可行性,为研究顺层岩质滑坡溃屈型破坏的力学机制提供了依据。     

三峡库区顺层灰岩岸坡劣化−溃屈灾变机制研究

三峡库区巫峡段发现多处顺层岸坡滑移−弯曲变形迹象,库水循环涨落加剧了岸坡前缘劣化损伤与失稳破坏。以巫峡段青石 6号坡为例构建室内概化模型,开展顺层灰岩岸坡在消落带岩体劣化下的灾变机制研究。研究结果表明：蓄水前岸坡整体长期处于稳定状态。随着劣化进行,蓄水后岸坡变形加剧直至溃屈破坏,岩体劣化缩短了劣化−溃屈失稳进程。运动学分析显示,溃屈破坏时同一岩层达到速度峰值近似。岩层“弯折点”后部运动特征较为一致,前部较为离散。溃屈破坏点是岸坡能量释放的转折点和顶点;随劣化演变位移、应力逐渐递增,呈现提前破坏征兆,溃屈破坏前后应力产生“集中−释放”。整体来看,应力变化提前于位移,表明应力监测更有效。应力监测的核心在于关键区段的确定,对于劣化−溃屈型岸坡来讲,前缘“挠曲段”处应力陡增可作为岸坡临界失稳的重要表征;“劣化−溃屈”演化进程中后缘推挤始终存在,它是岸坡灾变的前提。但岸坡失稳的主导因素却是消落带岩体持续不断的劣化。青石 6 号坡当前处于向强烈弯曲隆起演化进程中,由于消落带岩体持续劣化,可能由稳定/基本稳定逐渐演变为欠稳定状态。     

顺层岩质边坡失稳破坏临界长度的数值模拟分析

含有多层软弱夹层的顺层岩质边坡开挖时,边坡失稳破坏范围常常为一有限范围,即存在一个失稳破坏临界长度,该长度对边坡稳定性评价和支挡工程设计有着决定性的影响,而如何确定失稳破坏临界长度,目前在工程实践中尚无较为成熟的解决方案,常凭工程人员的经验确定。笔者在对淮口镇西环线K3+115～K3+215段顺层边坡进行详细调查研究基础上,通过数值模拟,对该含多层软弱夹层的顺层边坡的变形破坏过程、变形破坏范围进行了分析,并与已有变形特征进行了对比,证明采用数值模拟分析其变形破坏过程和失稳破坏临界长度是可行的。失稳破坏临界长度的确定为边坡后续的稳定性计算和支挡工程设计提供了依据,达到了预期目的。因此,笔者的分析方法对具有类似特点的顺层边坡具有借鉴价值。     

基于统计损伤模型的直立层状岩质边坡失稳模型

根据直立层状岩石边坡的实际失稳模式,基于欧拉压杆失稳模型建立了直立层状岩石边坡在自重荷载作用下的失稳计算模型及临界高度计算方法。同时基于岩石内部含有初始损伤的客观事实,建立了基于统计损伤模型的直立层状岩石边坡失稳模型,并对两种不同模型的计算结果进行了讨论。研究结果表明,根据自重荷载作用下的失稳计算模型计算得到的直立岩质边坡溃屈失稳破坏临界高度约为其他研究者相应计算结果的75%,更符合边坡的实际受力特征及破坏情况。基于岩石统计损伤本构模型提出的直立层状岩石边坡失稳模型不但考虑了岩石的弹性模量等参数,而且结合了应力-应变曲线等特征,得出的结果也更符合实际。研究还发现计算参数m、ε0的变化对计算结果有较大影响,说明在类似问题中考虑岩石的损伤演化特性十分必要。     

广州白云堡豪苑观光塔滑坡的形成与防治研究

以往常有两种误区：(1)认为单斜岩层边坡只要坡脚处岩层不被切断，就不会破坏；(2)植树绿化和排水设施的设置总是对边坡的稳定性有利的。文章通过野外调查和力学模型分析了坡脚处岩层未被切断的白云堡豪苑观光塔处单斜岩层滑坡的形成机制，认为该滑坡属于顺层边坡溃屈型的板裂破坏——溃屈破坏，分析了滑坡的稳定性及剩余滑动力。分析表明，人工开挖后边坡的防治方法和措施不当对该滑坡的产生起了非常关键性的作用，其中盲目的植树绿化和排水沟设置成了边坡不稳定的主要诱导因素。由此可见，边坡(滑坡)防治措施的选择对其稳定性具有非常重要的意义。最后，提出切中要害的滑坡防治方案。     

基于岩体刚度的顺层岩质滑坡破坏特性研究

应用力学手段研究顺层岩质边坡失稳机理以及顺层岩质边坡稳定与其刚度密切相关在该领域获得了较多研究者认可,力学分析也成为顺层岩质边坡稳定研究的重要手段之一,在顺层岩质边坡刚度对其稳定的影响获得广泛的关注同时,却未能有人专门研究其刚度与其破坏特性之间的关系,为此在总结前人研究成果基础上,采用柔度作为其刚度指标,认为顺层岩质边坡破坏力学模型、破坏形态以及临界长度与其柔度大小密切相关,在其柔度小于临界柔度值时,可简化为杆模型,在其柔度值大于其临界柔度值时,根据其实际坡长,可简化为梁或杆模型,并分析了柔度大小与其破坏特征之间的关系,指出溃屈破坏一般只在特定的情况下发生。     

Malvern Hills边坡溃曲破坏分析及数值流形法模拟

基于能量法推导了多层岩质边坡临界溃曲长度计算公式。考虑层间和交叉节理采用数值流形法对新西兰Malvern Hills边坡溃曲演变过程进行了模拟,并将理论计算、数值模拟结果与现场实测数据进行了对比。结果表明:通过预制层间和交叉节理,数值流形法可以准确模拟边坡溃曲破坏过程;边坡溃曲变形及失稳破坏过程依次为层间错动—轻微弯曲、坡脚牵引—剧烈隆起、加速滑移—形成滑坡;在自重长期作用下,边坡溃曲形成至破坏演化过程主要分为初始弯曲、急剧弯曲和滑坡形成3个阶段;β为交叉节理与斜坡法向夹角,在0°、15°、30°、45°这4种交叉节理中,β为45°时边坡最容易产生滑移弯曲变形,溃曲程度最大,并且经历滑移弯曲时步最少;β为30°～45°时,数值模拟结果与实际较为吻合。     

预加固高填方边坡滑动破坏的离心模型试验研究

2009年10月3日,攀枝花机场260×104 m3万方的高填方预加固边坡整体失稳,沿基覆界面下滑,并超覆于其下方的易家坪老滑坡之上,使易家坪老滑坡再次复活。这一填方边坡失稳事件最终导致机场停航两年。通过大型离心模型试验,再现了攀枝花机场预加固高填方边坡的滑动失稳过程,获得了边坡变形破裂的特征参量,阐明了边坡的滑动失稳机制。研究表明：天然工况下,边坡变形以坡顶沉降和沿基覆界面软弱层的蠕滑为主,坡体总体处于蠕滑变形状态;降雨和地下水工况下,坡体中后部拉张破裂和中前部挤压变形显著,具有塑性流动及推移式破坏特征,并最终产生溃滑失稳;预加固抗滑桩承受较大的边坡变形推力,且越靠近坡体后部的桩推力越大,最终从后向前逐排产生累进性剪断破坏,说明该填方边坡多排抗滑桩的平面布置和受力确定欠合理;降雨和地下水工况下,坡体的最大孔隙水压力是天然工况下的3.7倍,孔隙水压力对坡体失稳有重要作用;通过模型和原型的综合对比分析,该边坡的滑动失稳机制为推移式蠕滑-累进性折断-溃滑与超覆。     

层状结构岩体顺层斜坡失稳机理的力学分析

本文从力学方面研究了层状结构岩体顺层斜坡的失稳机理，通过能量平衡法，求出了层状结构岩体顺层斜坡溃屈破坏的均布临界载荷，临界波长，并经实际计算验核，对工程评估，灾害防治有一定参考价值。     

爆破荷载作用下露天矿边坡稳定性的突变研究

基于二维斜坡平面滑动失稳力学模型,引入爆破荷载因素,建立了露天爆破荷载作用下岩质边坡失稳的尖点突变理论模型。根据建立的突变模型,探讨了爆破荷载幅值和爆破荷载频率对边坡稳定性的影响规律,导出了边坡的动态自稳临界高度,并提出了失稳的判据条件,结果表明：爆破荷载幅值越大,爆破荷载频率越小,后缘裂缝深度越大,边坡失稳的可能性越高;在爆破荷载作用下,边坡的稳定程度是动态变化的,且随着应力波入射角的增大,边坡失稳破坏的可能性不断提高。以大孤山露天矿内的两处边坡为例,计算了边坡的动安全系数及动态自稳临界高度,利用边坡当前实际的稳定情况验证了提出的边坡失稳判据的合理性,为预防露天矿爆破在开挖过程中边坡岩体的动力失稳提供了一定的理论支持。     

Applicability Research on the Dip Slope with Interbeddings of Weak and Strong Rocks Using Strength Reduction Method

Based on the combination of FLAC^3D software and strength reduction method, the applicability of three kinds of instability criterion of the stability of dip slopes with interbeddings of weak and hard rocks is studied. Then the failure process, failure mode and stability of the slopes are analyzed. The results show that: (1) the maximum unbalance rate affects the final calculated results; there is no certain relation between the convergence of calculation and the slope stability. The convergence of the displacement curves of key points and the ultimate displacement values should also be concerned to determine the slope stability. The maximum unbalance rate and the amplitude of the reduction affect the determination of the characteristic point in the displacement curve. It is difficult to quantitatively evaluate the shear strain rate when judging the slope stability, the judgment is not convenient and the error is large. Combining with calculation convergence criterion and feature point displacement mutation criterion is helpful to improve the accuracy of judgment on the limit state of the slope. (2) Slope deformation and failure process can be roughly divided into four stages qualitatively; the rock mass has buckling failure can be divided into three stages according to the deformation characteristics. The potential shear export of slope with buckling failure locates above the slope toe. Different combinations of weak and strong rock thickness does not affect the failure mode of slope, which all bellows to buckling failure mode, but it will affect the slope stability coefficient; with the increase of the thickness of strong rock and weak rock, the stability coefficient increases. If the thickness of the strong rock increases, the stability coefficient increases as well when the thickness ratio is constant.     

斜坡倾倒变形的工程地质分析

近10年来,在山区,尤其是西部山区的工程建设和灾害防治实践中,我们发现越来越多的以“倾倒”为特征的岩质边坡变形破坏和稳定性问题,其出现的频度和造成的危害大有比肩“滑动”破坏这一边坡失稳的传统主题,成为困扰地质工程师和岩石力学工作者的又一难题。这类问题之所以难,是因为建立在以“滑动”为基础的传统边坡稳定性分析方法不再适用这类边坡。本文在大量工程实例的基础上,分析了边坡倾倒变形和破坏的基本特征,从“倾倒”变形破坏的地质过程和变形稳定性分析的基本理念出发,建立了描述倾倒边坡不同变形程度的工程地质模型,这个模型将倾倒边坡分为倾倒-坠覆、倾倒-错动、倾倒-张裂、倾倒-松弛4个区,分别对应不同的变形程度和稳定性状况,提出了各个区的具体特征和定性指标与量化指标相结合的描述指标体系,从而将倾倒的地质显现、力学机理和变形稳定性有机统一,实现了对倾倒边坡稳定性的工程地质评价。与传统的“滑动”问题不同的是,本文没有强调对这类问题采用强度稳定性的评价思路,而建议采用变形稳定性评价的理念,这似乎更适合倾倒变形这类问题的分析和评价。     

基于岩体结构特征和未确知测度评价模型的岩质开挖边坡稳定性研究

综合黔西地区层状岩质开挖边坡研究成果发现:岩体结构特征是分析评价层状边坡变形失稳模式、机制和稳定性的重要基础。因此,结合该地区层状边坡地质条件的差异性,针对性地划分岩体结构类型对边坡的分析评价尤为重要。考虑地层岩性组合、地质构造、软弱夹层（结构面）因素,系统地将边坡岩体结构类型分为4个大类（近水平-缓倾边坡岩体,倾斜层状边坡岩体,陡倾、直立、倒转层状岩体,地质构造作用强烈或含有溶蚀洞穴、沟壑的边坡岩体）和10个亚类,并针对相应类型的边坡进行工程地质综合评价,分别阐述了失稳模式和机制。以边坡岩体结构类型为基础,甄选影响开挖边坡稳定性的6个定性指标和6个定量指标;对指标组合赋权,用未确知测度理论对边坡进行稳定性预测评价,建立了“岩体结构-指标组合赋权-未确知测度理论”的新评价体系。实例预测结果表明预测结果与实际情况具有较好的一致性,说明该方法是一种可靠性高、科学合理的稳定性预测新方法,可在相关工程领域中应用推广。     

Stability Analysis of Rock Slopes Against Block-Flexure Toppling Failure

Block-flexure is the most common type of toppling failure in rock slopes. In this case, some rock blocks fail due to tensile bending stresses and some overturn under their own weights. In this paper, first, a literature review of toppling failures is summarized. Then, a theoretical model is proposed for rock slopes with a potential for block-flexure toppling instability. Next, a new analytical approach is presented for the stability analysis of such slopes. Finally, a special computer code is developed for a quick stability assessment of the failures based on the proposed method. This code receives the rock slope parameters from the user as the input data and predicts its stability, along with the corresponding factor of safety against the failure, as the output. In addition, two case studies are used for practical verification of the proposed approach and the corresponding computer code as well.     

顺层斜坡溃屈机制与早期识别研究

本文采用物理机制模型、数值模拟和理论计算相结合,分析研究了顺层斜坡滑移-弯曲变形机制,提出了顺层斜坡产生滑移-弯曲变形的地质和力学条件、临溃状态判别与早期识别标志。研究认为:岩层倾角20是滑移-弯曲变形产生的必要地质条件。斜坡前缘岩层弯曲隆起是临溃状态的早期判识标志。岩层倾角、单层厚度、临界坡长和溃屈深度之间相互制约和影响。岩层倾角越大,越易产生溃屈,且溃屈层数和深度越大;斜坡临界坡长与岩层倾角呈负幂函数变化规律;层间黏结作用产生的共弯效应影响弯曲岩层的整体抗弯刚度,从而制约溃屈深度并对斜坡最终溃屈状态起着决定性作用。该成果对于早期防范和识别地质灾害具有重要价值。     

高陡岩质料场边坡稳定性与支护设计研究

水电站料场高边坡具有高度大、坡度陡、卸荷速度快等特点,因多按临时边坡进行设计,故施工期变形破坏事例频发。基于这一现状,依托瀑布沟水电站两岩质料场边坡,通过两年多跟踪施工过程的支护设计工作,总结出一套操作性强的料场高边坡稳定性及支护设计方法。针对料场边坡存在的受软弱结构面控制的边坡整体稳定性、浅表层块体稳定性、碎裂岩体稳定性三种工程地质问题,在跟踪施工过程开展岩体结构调查的基础上,按照先整体后局部的稳定性评价思路,开展高边坡稳定性评价。施工期动态支护设计按照保证整体稳定,控制局部变形,顾全潜在失稳区域的理念,通过定性评价确定不稳定区域并优先设计提交施工;针对施工中最易出现的块体变形和碎裂岩体变形,建立了合理的支护设计原则和严格的施工规定;对稳定性差、施工风险高、支护造价大的潜在不稳定区域,应及时地调整开挖方案,减少工程造价。实践表明,这套方法保证了料场高边坡的快速施工安全,减少了工程投资。     

A numerical study of flexural buckling of foliated rock slopes

The occurrence of foliated rock masses is common in mining environment. Methods employing continuum approximation in describing the deformation of such rock masses possess a clear advantage over methods where each rock layer and each inter‐layer interface (joint) is explicitly modelled. In devising such a continuum model it is imperative that moment (couple) stresses and internal rotations associated with the bending of the rock layers be properly incorporated in the model formulation. Such an approach will lead to a Cosserat‐type theory. In the present model, the behaviour of the intact rock layer is assumed to be linearly elastic and the joints are assumed to be elastic–perfectly plastic. Condition of slip at the interfaces are determined by a Mohr–Coulomb criterion with tension cut off at zero normal stress. The theory is valid for large deformations. The model is incorporated into the finite element program AFENA and validated against an analytical solution of elementary buckling problems of a layered medium under gravity loading. A design chart suitable for assessing the stability of slopes in foliated rock masses against flexural buckling failure has been developed. The design chart is easy to use and provides a quick estimate of critical loading factors for slopes in foliated rock masses. It is shown that the model based on Euler's buckling theory as proposed by Cavers (Rock Mechanics and Rock Engineering 1981; 14 :87–104) substantially overestimates the critical heights for a vertical slope and underestimates the same for sub‐vertical slopes. Copyright © 2001 John Wiley & Sons, Ltd.