多层软弱夹层边坡岩体破坏机制与稳定性研究

以大量的实际工程为基础,基于Sarma极限平衡法和有限元强度折减法探讨层状岩质边坡在不同岩层倾角θ、边坡坡角β、结构面间距h条件下的安全系数与破坏面位置的变化规律,揭示复杂多层软弱夹层边坡岩体的破坏机制及稳定性特征。结果表明：不同θ条件下边坡岩体失稳机制和破坏面位置不同,随着θ的增大,破坏机制表现为滑移破坏→滑劈破坏→崩塌破坏→倾倒破坏→滑移破坏;当β、h一定时,直立层状边坡的稳定性略大于水平层状边坡,反倾向边坡的稳定性明显大于顺层边坡;β直接影响边坡岩体破坏特征,当β由30°增大至60°时,顺层边坡的安全系数约降低53%;反倾向层状边坡的安全系数约降低40%;h对边坡岩体破坏机制的影响较小,但对稳定性的影响较大,建议工程实践中加强密集结构面岩质边坡的监测和加固工作。     

对影响逆倾层状边坡稳定性因素的模型试验研究

在工程地质分析的基础上,根据相似理论建立了地质力学模型,研究了逆倾层状边坡岩体的变形破坏机制。介绍了模型试验的设计,并研究了逆倾边坡的稳定性以及岩层的倾角、厚度、结构面的强度对边坡稳定性的影响。结果表明,逆倾层状岩体的变形机制为倾倒变形,破坏模式为弯折破坏;破坏首先在坡顶产生,边坡变形加速的过程是在开挖结束一段时间后才出现;岩层倾角越小,变形加速所持续的时间越长;岩层的厚度和结构面的强度越大变形越小。     

多阶多层复杂边坡稳定性的通用上限方法

极限分析上限方法在边坡稳定性评价中受到了广泛关注,但当前所取得的解析成果尚不能直接应用于解决任意多土层分布、多台阶的广义复杂层状边坡。基于组合对数螺线的旋转破坏机制,推导了具有任意坡面几何特征、任意多土层（含非水平土/岩层）边坡的外功率统一积分表达式及相应的虚功率方程,提出了多阶多层复杂边坡稳定性的通用极限分析上限方法;为克服积分式的复杂解析计算,引入了数值积分技术。在此基础上,结合最优化方法和强度折减技术,优化求解了复杂边坡的全局稳定性安全系数及相应的临界滑动面。通过多个典型算例的验证与对比分析,表明该方法具有较高的精度和广泛适用性。最后,针对典型多阶多层边坡实例,开展了上限法的深度拓展与应用研究,其结果为广义复杂层状边坡的稳定性评价提供了新思路。     

顺层岩质边坡稳定性影响因素分析

层状岩体抗剪强度具有各向异性的特点,在分析顺层岩质边坡的稳定性与剪切滑动面方向上需要考虑 值方向性变化的影响。首先提出层状岩体 值的表达式,然后在此基础上选用一顺层边坡作为实例,分别计算分析了坡高、岩层面倾角、坡顶堆载特别是强度参数 值各向异性对边坡稳定以及剪切面方向的影响。     

层状岩质边坡遍布节理模型的三维稳定性分析

采用遍布节理模型（ubiquitous-joint模型）描述层状岩体的各向异性特征,并探讨ubiquitous-joint准则中安全系数的计算方法,利用FLAC3D分析层理倾角、倾向与边坡稳定性之间的关系,结果表明：（1）对于顺层边坡,当岩层倾向与坡面倾向的夹角 较小时,边坡的安全系数随层理倾角 的增大呈现先减小后增大再减小的趋势; 20°～30°时,安全系数得到最小值, 60°时安全系数得到最大值;不同破坏型式导致安全系数变化规律之间的差异;当 较大时,曲线从先减小后增大的趋势转变为不断增大的趋势;根据 的大小将顺层边坡分为两类：当 45°时,为严格顺层边坡;当45° 90°时,为斜向层状边坡。（2）对于逆层边坡,当 45°时,曲线呈现先增大再减小然后又增大的趋势,各曲线随 的变化程度基本相同;但减小过程中,随着 的增大,曲线的斜率逐渐减小,边坡稳定性的各向异性程度减小;当 45°时,曲线随 的增大呈现非线性单调递增的趋势。（3）安全系数与 之间的关系表明,对于顺层坡,随着 的增大,边坡安全系数逐渐增大;对于逆层坡,当 较小时( 150°),边坡安全系数随 的增大而逐渐减小;随着 的增大( 120°),边坡安全系数与 呈现递增关系。     

地震荷载作用下顺层岩体边坡变形特征分析

应用二维离散元程序UDEC计算了地震荷载作用下边坡的位移,并将计算结果与Newmark法计算结果及震后现场实测值进行了对比。结果表明,Newmark法计算得到的位移值较实测值偏小,离散元计算得到的位移结果较Newmark法更接近于实测值。在此基础上,初步分析了地震荷载作用下坡高、坡角、岩层倾角等因素对顺层岩体边坡位移的影响规律。由分析结果可知,地震荷载下顺层岩体边坡的位移并不随坡高增加而单调增大,在坡高约100 m时位移达到最大值,坡高超高100 m位移反而有所降低;当坡高超高200 m后,位移随坡高的变化幅度不大,顺层岩体边坡的位移随坡角增加而单调增大。随岩层倾角增加边坡位移明显增大;当岩层倾角大于层面内摩擦角时,随着岩层倾角的增大,边坡变形增长幅度明显增大。     

层状岩体边坡破坏形式的工程地质判别

通过对层状岩体边坡不同破坏类型形成原因的对比分析及各种类型的力学及成因差异的研究,提出对各类层状岩体边坡的破坏类型进行判别的工程地质要点,并指出边坡工程中工程地质调查、分析是边坡分析能否反映实际的关键。文章还对各种破坏类型的力学机制及评价方法进行了对比分析,提出了层状岩体边坡工作中重点调查的项目,从而使层状岩体边坡工作更具有实际意义。     

地震效应和坡顶超载对均质土坡稳定性影响的拟静力分析

基于强度折减技术和极限分析上限定理,假定机动容许的速度场破坏面,考虑坡顶超载、水平和竖向地震效应影响推导了边坡稳定性安全系数的计算表达式。采用序列二次规划迭代方法（和内点迭代方法）对边坡安全系数目标函数进行能量耗散最小化意义上的优化计算,与多个算例的对比验证了其方法和程序计算的正确性;对影响土质边坡动态稳定性的一些因素进行了参数分析,分析表明：随着边坡倾角?、坡顶超载q、水平和竖向地震效应影响系数的增大,边坡稳定性安全系数显著下降;随着坡顶超载q、水平地震效应影响系数kh的增大、竖向地震效应影响系数kv的减小,边坡的潜在滑动面越来越深,潜在破坏范围越来越大。竖向地震效应对边坡稳定性也有一定影响,强震条件下的设计计算必须考虑竖向地震效应的影响。     

坡后土体推力作用下反倾节理岩质边坡次生倾倒机理分析

次生倾倒破坏是层状反倾岩质边坡的一种主要破坏模式,极限平衡理论是分析倾倒破坏的常用方法,研究反倾节理岩质边坡次生倾倒破坏机理对边坡工程众多的西南山区基础设施建设具有重要的工程指导意义。在Goodman和Bray块体倾倒破坏极限平衡分析方法的基础上,建立了考虑地下水压力、节理连通率、岩体黏聚力等影响因素的反倾岩质边坡在坡后土体推力作用下的次生倾倒地质力学模型,提出了坡后土体推力作用下的反倾节理岩质边坡次生倾倒破坏的解析分析方法,推导出了边坡各岩层下推力的解析表达式,提出了边坡倾倒破坏的综合安全系数,并编写了对应的matlab计算程序,为该类边坡的设计和加固提供了理论依据。通过算例分析表明,与单纯岩质边坡块体倾倒破坏相比,该类边坡次生倾倒破坏形式的特点是破坏基准面以上岩层自上而下依次分为滑移区、倾倒区和稳定区3个部分;地下水压力、节理连通率、底裂面岩体黏聚力对各岩层的破坏形式、稳定安全系数大小都具有明显影响,尤其是在坡体中下部及坡脚部分最为敏感;而各岩层稳定安全系数最小的区域集中于边坡中上部。     

山区公路边坡岩体结构特征及其对边坡稳定性影响浅析

在对西南山区多条在建高速公路边坡岩体结构特征的调查的基础上,针对不同岩性组合形式和结构面组合特征进行统计分析。结果表明,边坡稳定性因软、硬岩的组合方式不同差异很大;反向边坡的失稳概率随岩层倾角增大而增大;顺向边坡破坏的概率随坡角与岩层倾角之差的增大而增大,而当岩层倾角大于60°时,边坡破坏概率明显降低。     

反倾层状岩质边坡悬臂梁极限平衡模型研究

基于悬臂梁理论和运用极限平衡法研究反倾层状岩质边坡变形破坏是一种既注重变形过程又注重力学分析的可行方法。在国内外研究现状基础上,研究悬臂梁极限平衡分析模型。首先通过野外现象的观测,提出能对反倾层状边坡变形几何空间条件进行分区的“基准面”的概念,再利用“基准面”分析岩层分区破坏模式的力学机制,认为破坏面的形成机制是弯曲拉裂和压缩剪切的共同作用结果,对悬臂梁极限平衡分析模型中的各参数确定给出假设或理论分析,建立了计算模型。以重庆市巫溪县中梁水库硝洞槽-郑家大沟库段反倾岸坡为例,在边坡变形破坏模式识别基础上,应用悬臂梁极限平衡模型理论分析实例,验证该模型的合理性,同时也给出反倾层状边坡悬臂梁极限平衡模型计算步骤,用数值模拟方法验证该分析模型的正确性。模型计算结果表明,破坏区大体分为滑移区、倾倒区和倾倒变形影响区,破坏区大小由坡角、岩层倾角、坡高共同决定,当三者关系（见式（13））大于0时,才存在破坏区,才有可能发生变形破坏。研究成果对反倾层状岩质边坡稳定性评价与防治具有理论指导意义和应用价值。     

边坡物理模型倾斜加载方式的研究

模型试验是研究边坡失稳机制的重要技术手段,通过倾斜模型获得滑坡的变形破坏过程也是常用的试验方法。作为一种试验加载方法,倾斜加载方式的可控性、倾斜过程中应力场的相似性都是影响该方法应用的关键性问题。为了研究试验方法的可控性,以块状滑体为例,分析计算了模型倾斜和离心加载两种试验方法对滑块抗滑安全系数的影响过程,结果表明,倾斜加载方法可以随着倾斜角度的增加连续地降低滑块的抗滑安全系数,而离心加载方式仅在1g～10g范围内对滑块的抗滑安全系数产生显著影响。为了比较模型倾斜前后模型内部应力场的相似性,建立了物理模型的数值计算模型,模拟不同倾斜角条件下坡体内的应力场。计算结果表明,模型倾斜过程中,坡体中部应力状态保持稳定,倾斜角较大时,坡体的前缘滑带位置应力状态变化较大,前缘进入塑性变形的可能性增大,局部应力场变化有利于模拟水库型滑坡的破坏机制。为了验证倾斜模型模拟滑坡破坏过程的应用效果,以千将坪滑坡为原型,采用倾斜加载方式进行破坏模型试验,获得了滑坡的破坏过程。与非连续变形分析方法(DDA)模拟的结果相比,模型试验得到的破坏形态更接近实际滑坡。     

基于FELA的随机场方法在考虑降雨入渗的边坡开挖稳定性分析中的应用

黑山共和国南北高速公路项目部分路段处于复理石地区,降雨集中、空间变异性显著且分层分布的岩土体给道路边坡施工带来了挑战。条分法、常规有限元法等确定性分析方法不能考虑岩土材料的不确定性,给出的具有唯一性、确定性的结果不能反映边坡稳定的不确定性。以该工程某边坡为例,采用有限元极限分析方法（FELA）,考虑岩土材料强度的空间变异性,利用上下限解法得出安全系数的分布区间。由勘察资料得到材料均值、标准差和空间相关长度并重建描述抗剪强度指标的二维随机场,同时考虑开挖岩层的节理分布,分析边坡在分级开挖过程中,各施工步骤的稳定性和破坏模式。与有限元分析结果相比,随机场条件下,部分情况开挖阶段安全系数低于限值,并出现局部破坏和整体破坏两种形式。结合不饱和土理论,模拟暴雨情况下雨水的入渗深度并在饱和区采用降低后的强度参数重新计算。通过蒙特卡洛模拟,得到各工况下安全系数、滑动体体积、挡墙弯矩和锚杆内力的概率密度分布函数。挡墙结构约束土体的变形,使得破坏模式趋向于整体破坏,安全系数分布区间变小。锚杆能带动更多土体进入工作状态,同样约束安全系数分布区间。旱季施工与雨季施工边坡破坏区域不同,同等支护条件下,雨季边坡安全系数分布区间更大,且均值明显降低。      

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。     

膨胀变形对膨胀土边坡稳定性的影响

当采用合理的强度参数时,根据常规极限平衡或极限分析方法的计算结果,很难解释一些膨胀土边坡会在极缓的坡度下发生失稳破坏的原因。事实上,由于膨胀土遇水后会发生显著的变形,在饱和区与非饱和区交界面附近会出现很大的剪应力。因此,在膨胀土边坡的稳定分析中,需要考虑这种因素的影响。根据塑性力学的上限定理,严格地导出了考虑膨胀应力作功的功能平衡方程。根据强度储备定义的安全系数即隐含在这一方程中,它可以通过迭代方法求解。边坡稳定的上限分析在数值上是利用了单元集成法来完成的。这不仅能方便地利用应力分析的成果,而且能进行滑裂面的优化,从而找到最小的安全系数。对一个坡度为1:4的膨胀土边坡的稳定计算结果表明,膨胀变形会使边坡的安全系数显著减小。当考虑膨胀时,优化得到的破坏模式是在浅层出现一个局部的滑动,它会牵动其上部的土体也相继出现局部滑动,这正好符合膨胀土滑坡时所常见的牵引性的特征。     

工程荷载作用下缓倾角反倾似层状岩质边坡变形稳定性分析

在反倾层状边坡的破坏机制和稳定性分析方面,由于其稳定性一般较好,系统深入地研究其破坏机制和稳定性的反而不多。以火山岩地层多次火山喷发旋回形成的缓倾角反倾似层状岩质边坡为研究对象,利用有限元分析其位移矢量图,揭示边坡的变形破坏机制和稳定性控制要素,利用极限平衡法、矢量和法,评价其稳定性,利用强度折减法分析塑性区的扩展规律,揭示滑动面发展的时间空间规律,结果表明,（1）类似层状反倾岩质边坡的潜在破坏模式为剪切–张拉破坏,滑面形态表现为近似折线状：顺坡向穿过凝灰岩夹层和强风化岩体,后缘通过陡倾结构面;（2）极限平衡法、矢量和法的边坡稳定性综合评价表明边坡浅层稳定性不满足工程稳定性要求,深层稳定性满足工程稳定性要求,且三维矢量和安全系数大于二维结果,是三维效应造成;（3）塑性区扩展揭示滑面的空间发展序列为滑面4、5、3。文中的技术路线和分析方案可用于缓倾角反倾层状岩质边坡稳定性评价。     

观光塔边坡的稳定性分析与治理措施

分析了观光塔边坡的失稳破坏机制,并应用不确定性方法对该边坡进行了稳定性分析,结果表明,坡脚陡倾岩层是阻止该边坡继续滑移的有利因素,地下水是控制该边坡稳定的主导因素.最后,基于机制分析提出了针对性的治理措施.     

复杂荷载条件下边坡稳定性的上限极限分析

基于极限分析上限定理与土的抗剪强度折减技术,考虑边坡顶面超载、坡体内孔隙水压力与地震惯性力等复杂荷载,建立了边坡稳定的极限平衡状态方程,采用优化方法求解边坡稳定安全系数及相应的潜在破坏模式。其中水与地震对边坡的影响作用通过虚功方程来体现,将孔隙水压力与地震惯性力当作外力荷载做功,将强度折减系数作为评价边坡稳定性的定量指标。通过典型算例的对比分析,验证了方法的合理性,并探讨了孔隙水压力、地震加速度系数对边坡稳定性的影响。     

Evaluation of the Instability Risk of the Dam Slopes Simulated with Monte Carlo method (Case Study: Alborz Dam)

Embankment dams are one of the most important geotechnical structures that their failures can lead to disastrous damages. One of the main causes of dam failure is its slope instability. Slope Stability analysis has traditionally been performed using the deterministic approaches. These approaches show the safety of slope only with factor of safety that this factor cannot take into account the uncertainty in soil parameters. Hence, to investigate the impact of uncertainties in soil parameters on slope stability, probabilistic analysis by Monte Carlo Simulation (MCS) method was used in this research. MCS method is a computational algorithm that uses random sampling to compute the results. This method studies the probability of slope failure using the distribution function of soil parameters. Stability analysis of upstream and downstream slopes of Alborz dam in all different design modes was done in both static and quasi-static condition. Probability of failure and reliability index were investigated for critical failure surfaces. Based on the reliability index obtained in different conditions, it can be said that the downstream and upstream slope of the Alborz dam is stable. The results show that although the factor of safety for upstream slope in the state of earthquake loading was enough, but the results derived from probabilistic analysis indicate that the factor of safety is not adequate. Also the upstream slope of the Alborz dam is unstable under high and uncontrolled explosions conditions in steady seepage from different levels under quasi-static terms.