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。     

岩质边坡稳定性评价的尖点突变理论模型

考虑岩质边坡后缘张裂隙中的孔隙水压力及地下水对软弱结构面的物理化学作用,将软弱结构面分为应变硬化区和应变软化区,建立单平面滑动破坏的岩质边坡力学模型,引入尖点突变理论,建立尖点突变模型,推导岩质边坡突变失稳的充要力学条件判据,并重新推导极限平衡法的临界稳定系数。结果表明,分叉集方程等于0为岩质边坡突变失稳充要力学条件判据;由于滑面处含水量不同,稳定系数小于1,边坡不一定会发生失稳;稳定系数大于1,边坡也不一定稳定。     

机械施工动荷载-采空区顶板失稳判据

针对机械施工荷载作用下采空区顶板失稳破坏具有突发性及受力过程复杂的特点,将机械施工荷载简化为移动简谐力,采用力学分析建立了机械施工荷载-采空区顶板力学模型。基于动力学理论,形成了机械施工荷载-采空区顶板的双尖点突变模型,由系统失稳的充分条件和必要条件,获得了机械施工荷载-采空区顶板失稳判据。基于能量原理,推导了机械施工荷载-采空区顶板总能量方程,根据系统临界失稳判据,构建了临界机械施工荷载计算模型。对建立的两种失稳判据分别进行实例验证,结果表明采用突变理论计算得到的理论状态与实测状态一致;采用能量原理计算得到的临界机械施工荷载理论值与实测值较吻合,平均误差为11. 01%。研究可为露天开采下机械施工荷载大小控制、采场结构参数设置、采空区失稳控制与治理等提供参考。     

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。     

顺层边坡岩体结构的非完善屈曲性态研究

视顺层边坡岩体自重的法向分量为结构的初始缺陷,应用初始后屈曲理论和尖点突变模型探讨了缺陷结构在临界状态下的屈曲性态,建立了边坡岩体结构的平衡稳定模态幅值方程,给出了边坡岩体结构分叉点附近的邻域及其稳定性判据。研究结果表明,表征结构初始缺陷的修正项与尖点突变模型中的剖分因子之间具有确定的关系;与理想化完善结构不同的是,顺层边坡岩体结构屈曲的临界值远大于其分叉点处的载荷值,是由其突变模型的分叉集确定的;只有考虑了边坡的实际缺陷,才可得出边坡岩体结构在真正临界意义上的临界值。     

露天矿高陡边坡稳定性研究现状及发展趋势

在收集整理国内外相关资料的基础上,从边坡稳定性分析方法、边坡监测、预测预报方法等方面总结了目前边坡稳定性研究方法及预测预报研究现状,分析露天矿边坡的工程特点,指出当前露天矿边坡稳定性研究存在的问题,提出“边坡岩体渐进损伤破坏是边坡岩体失稳前兆本质特征”这一学术思路,认为边坡稳定性及预测预报研究发展趋势为建立基于微震监测信息反演的边坡岩体内部损伤演化模型,提出露天矿边坡岩体强度参数识别表征方法和动态稳定性评价方法,寻求边坡失稳过程岩体内部“空间”损伤劣化的微震活动性、强度弱化与边坡动态失稳之间的联系,以微震前兆信息和边坡岩体强度储备系数为失稳判据,实现露天矿边坡稳定性动态分析预测     

物质点强度折减法边坡失稳判据选择方法

用物质点强度折减法求解边坡安全系数时,需要选择一定的失稳判据,而采用不同的失稳判据获得的安全系数通常存在一定差异.为此,采用物质点强度折减法对两个边坡算例进行了稳定性分析,对比研究了文献中常用的4种边坡失稳判据(计算不收敛、特征点位移突变、塑性应变贯通及界限值判据)在计算边坡安全系数时的合理性及适用性.同时,将Spen...     

考虑突变理论的顺层岩质边坡失稳研究

应用突变理论,以顺层岩质边坡为例,考虑地下水对滑面带介质的应变和水致弱化性质,以及地下水对边坡后缘张裂缝的水力效应,构建了边坡的尖点突变模型,分析了顺层岩质边坡失稳的力学机制：边坡失稳过程主要是内部因素和外部因素共同作用的结果,内部因素主要是地下水通过物理化学作用软化了滑面带岩体,使滑面带岩体刚度比降低,在边坡失稳的过程中起主导的定性作用;外部因素主要是指边坡后缘张裂隙的静水压力,不仅使得边坡的滑动势能增加,还对边坡造成一种扰动的作用,加速滑坡的启动。在突变分析的基础上,推导了边坡后缘张裂缝临界充水高度和临界降水强度的关系式,建立了边坡滑移破坏的水力判据;给出了边坡岩体在渐进软化过程中的位移变化规律,剪切位移并非均匀增长,而是呈现出阶梯状跳跃式上升。同时,进行了室内物理模型试验（当刚度比 ）,在一定程度上验证了考虑突变理论来分析顺层岩质边坡失稳的力学机制和边坡岩体在渐进软化过程中位移变化规律的合理性。并提出了此种类型边坡的处治技术与优化方法建议。     

基于尖点突变模型饱水边坡稳定性分析

为分析不同饱水条件下露天矿坑边坡稳定性,基于尖点突变理论,考虑矿坑水位变化对滑坡面岩体的劣化作用,构建饱水条件下边坡稳定性分析尖点突变模型。结果表明:不同饱水条件下对边坡岩石力学性质产生损伤,损伤演化方程符合负指数变化规律,并根据弱化规律建立非线性饱水弱化函数;对饱水滑面介质建立本构方程,引入饱水弱化函数,构建不同饱水条件下边坡稳定性分析尖点突变模型;根据尖点突变模型判别式得到,饱水作用对岩石损伤越大,判别值逐渐趋于0,边坡状态由稳定向失稳方向转变。研究成果可为边坡体内部含有的地质构造,如软弱结构等,以及受水位影响的库岸边坡稳定性分析提供有益思路。     

基于FLAC强度折减理论的边坡稳定性研究

将强度折减理论与FLAC软件相结合,利用FLAC软件后处理功能,动态显示广义剪应变增量及塑性区的演化情况,分析土质边坡的稳定性.以静力平衡计算收敛、特征部位位移突变及剪应变增量贯通情况为失稳判据判断边坡稳定状态,求得边坡的稳定系数Fs,并搜索到土坡的临界滑裂面.将计算结果同国际标准算例结果进行比较,二者具有较好的一致性.表明基于FLAC的强度折减法进行边坡稳定性分析,可以较形象地反映边坡潜在滑移面的动态演化规律及具体位置,求出边坡稳定系数,进而合理评价边坡的稳定状态.     

基于突变理论的地下工程洞室围岩失稳判据研究

地下工程围岩体系是高度非线性的复杂大系统,其稳定判据至今没有一个统一的认识。突变理论注重研究系统状态发生突变时外界的控制条件,主要阐述非线性系统如何从连续渐变状态走向系统性质的突变。应用突变理论对围岩体失稳的突变过程进行探索,旨在从理论上弄清其突变条件。能量突变判据和熵突变判据从物理学的观点考虑了围岩系统失稳的可能性,位移模突变判据、洞周屈服区面积突变判据和广义黏塑性剪应变突变判据则主要是根据数值计算中直观判别条件（关键点位移、洞周屈服区面积和广义黏塑性剪应变）考虑围岩失稳的可能性。将以上5种判据应用于某地下洞室断面,对围岩系统的稳定性进行分析,根据系统突变条件从不同的方面判别其发生失稳的可能性,可为工程的设计施工提供一定参考。     

基于SLFT的边坡强度折减法失稳判据

强度折减法在评价边坡稳定性时不需要假设和搜索临界滑裂面,相对于其它方法具有一定优势,但失稳判据尚无明 确标准。滑移线场理论（SLFT） 可以计算得到的极限状态下的边坡坡面曲线（简称极限坡面曲线）,已有研究表明极限坡 面曲线与边坡坡面的相对位置关系可以判断边坡稳定性。基于该结论提出一种边坡强度折减法失稳判据：不同折减系数计 算得到不同的强度参数,因此滑移线场理论计算得到的极限坡面曲线将发生变化,当极限坡面曲线与边坡坡面在坡底相离 时,判断边坡为稳定状态;当极限坡面曲线与边坡坡面相交于坡脚时,判断边坡为极限平衡状态;当极限坡面曲线与边坡 坡面相交时,判断边坡为失稳状态。对标准边坡考题的计算结果表明：提出的失稳判据收敛性较好,安全系数计算结果与 标准答案和已有失稳判据分析结论相差较小;传统失稳判据收敛指标的确定没有明确标准,当位移突变曲线光滑时很难找 到突变点,很难准确计算对应的安全系数,更重要的是传统失稳判据判断边坡极限状态受到人为主观因素的影响,而提出 的失稳判据可以实现失稳判据的客观标准化;确定的临界滑裂面形状以及在边坡中的位置都与标准答案基本一致,提出的 失稳判据适用于强度折减法。     

基于SLFT的边坡强度折减法失稳判据

强度折减法在评价边坡稳定性时不需要假设和搜索临界滑裂面，相对于其它方法具有一定优势，但失稳判据尚无明 确标准。滑移线场理论（SLFT） 可以计算得到的极限状态下的边坡坡面曲线（简称极限坡面曲线），已有研究表明极限坡 面曲线与边坡坡面的相对位置关系可以判断边坡稳定性。基于该结论提出一种边坡强度折减法失稳判据：不同折减系数计 算得到不同的强度参数，因此滑移线场理论计算得到的极限坡面曲线将发生变化，当极限坡面曲线与边坡坡面在坡底相离 时，判断边坡为稳定状态；当极限坡面曲线与边坡坡面相交于坡脚时，判断边坡为极限平衡状态；当极限坡面曲线与边坡 坡面相交时，判断边坡为失稳状态。对标准边坡考题的计算结果表明：提出的失稳判据收敛性较好，安全系数计算结果与 标准答案和已有失稳判据分析结论相差较小；传统失稳判据收敛指标的确定没有明确标准，当位移突变曲线光滑时很难找 到突变点，很难准确计算对应的安全系数，更重要的是传统失稳判据判断边坡极限状态受到人为主观因素的影响，而提出 的失稳判据可以实现失稳判据的客观标准化；确定的临界滑裂面形状以及在边坡中的位置都与标准答案基本一致，提出的 失稳判据适用于强度折减法。     

近水平地层滑坡平面失稳模型与破坏判据研究

将近水平地层滑坡视为一个系统,针对其平面失稳问题,在建立力学模型的基础上,运用势函数突变模型,从理论上推导了滑坡系统失稳的力学破坏判据和滑带土的临界变形位移。根据近水平地层滑坡演化系统,结合万州区安乐寺滑坡实例,运用所推导出的滑带土临界变形位移公式,得出临界位移约为34mm,并同时提出系统和临界突变状态的差距与外界环境因素——滑坡后缘裂隙积水深度、滑带土含水量的关系,即当滑坡后缘裂隙积水深度和滑带土含水量越大时,系统与临界突变状态的差距越小,滑坡越容易滑动。     

力幅突变激扰作用的岩石边坡动力敏感性研究

动载荷作用引起岩石边坡失稳破坏,尤其力幅突变激扰作用对边坡稳定影响很大。对动、静载荷作用下岩石力学性质进行了分析,建立了岩石边坡非线性运动方程,分析了岩石边坡动力变形模型及非线性动力响应,得出当扰动频率增加到一定程度,滑体振幅突然增加,产生向上突跳并随力幅的增加继续增加;反之,当力幅较大并逐渐减小时,滑体振幅也随之减小,当扰动的振幅减小至一定程度,滑体振幅突然降低,产生向下突跳减小。对初始条件和力幅突变激扰对岩石力学非线性振动系统的影响进行了分析,得到初始条件的微小变化可引起系统响应的巨大差异,当振幅A极小时,线性系统的振荡很弱,它对非线性系统的作用也很弱,整个系统的运动便可看作两运动的独立叠加。当振幅A再加大到使其幅值超过非线性系统三奇点之间的间隔时,系统可以在这些奇点之间来回跃迁振荡,从而运动复杂化,随振幅A的增加,系统从倍周期运动向混运动变化,研究结果可为岩石边坡的动力稳定提供指导。     

有限元强度折减法中边坡失稳位移突变判据的改进

采用有限元强度折减法分析边坡稳定性时,计算所得安全系数依赖于所采用的失稳评判标准。目前边坡失稳判据的多样性及其不确定性,使得计算所得安全系数的合理性及其唯一性受到了质疑,因此如何选择或改进一种既能满足工程需要又易于操作的失稳判定准则显得尤为重要。针对某一典型边坡算例分别按计算收敛性、特征部位位移突变性和塑性区贯通性等3 个失稳判据考查判据的合理性及其适用性,对比研究三维与二维数值所得边坡稳定安全系数的差异,然后对位移突变失稳判据进行了一种改进,通过绘制位移突变倍率(当前分析步位移与上一分析步位移之比)跟折减系数的关系曲线来确定边坡安全系数,并通过简化的实例模型证明了其适用性。     

基于薄层法和移动坐标系法的地铁竖向振动在成层土层中传播

针对地铁竖向振动在成层地基中的传播,提出了移动荷载作用下层状地基的分析模型。基于该模型,利用狄拉克函数及三重傅里叶变换将时空域内单个移动简谐荷载转换为频率-波数域内的荷载,结合薄层法和移动坐标系法推导了单个移动简谐荷载和移动简谐线荷载作用下三维层状地基动力响应的解析解,并给出了移动简谐线荷载动力响应解析解中参数n的经验取值范围;分析了荷载的移动速度对层状地基动力响应的影响以及弹性模量、泊松比、阻尼比和荷载频率对土体临界速度的影响。结果表明：荷载的移动速度对不同频带的动力响应的影响范围不同;移动速度对低频响应的影响程度大于对高频响应的影响程度;相比于泊松比和阻尼比,弹性模量对土体临界速度的影响最大;频率越接近荷载振动频率的振动响应,其幅值越大,临界速度越小。     

强震作用下均质岩质边坡动力响应的振动台模型试验研究

近年来我国地震灾害频发,强震诱发边坡失稳作为地震中最为常见的次生灾害,致使我国的地震滑坡灾害数量位居全世界之首,针对强震作用下岩质边坡动力响应问题,采用铁粉、重晶石粉、石英砂、石膏、水作为相似材料,开展了均质岩质边坡振动台试验。详细分析了均质边坡模型在不同频率和幅值地震波输入下的地震动响应特征,发现当频率较低时,沿坡表水平距离方向上监测点的水平加速度放大系数是单调增大的,坡肩处水平加速度放大系数达到最大值,当频率进一步增大接近或者超过模型自振频率时,边坡模型不再呈现出典型的放大现象;相同幅值不同频率加载条件下,均质边坡模型的自振频率变化整体不太明显,而输入加速度幅值的变化对自振频率的影响更为显著,低频成分对模型损伤不明显,高频及自振频率附近频段对均质边坡的损伤更为强烈,导致模型的自振频率显著下降。该问题的研究对强震作用下岩质边坡地震动响应及变形破坏机理研究具有一定的指导意义。     

露天矿排土场高边坡动力稳定性研究

露天矿生产采用爆破手段,除采矿形成边坡外,废矿堆积也常常形成排土场高边坡,现场实测露天矿排土场在生产爆破作用下的振动速度,将实测加速度数据推导得到的水平加速度值,线性插值到每一个土条中,利用等效静力法对边坡在爆破动力作用下的稳定性进行了计算及评价,与传统等效静力法相比,此方法更接近实际振动加速度分布情况。同时,采用模态叠加法,通过有限元动力响应分析的手段,对露天矿排土场高边坡表面不同部位土体位移分布规律进行了分析,最终得到研究边坡在生产爆破动荷载作用下不会产生整体滑移,但在坡面顶部表层或浅层会产生一定深度的拉张裂缝,在重力和爆破动力的作用下裂缝逐渐加深,到一定深度时,表层矿渣会顺坡滑下产生表面滑塌型破坏的结论。     

循环荷载下土体变形特性研究

为研究循环荷载下土体变形特性,基于已有的分数阶黏壶构建循环荷载下分数阶黏壶,并将其替换为西原模型黏塑性体中的常值黏壶,建立了可描述循环荷载下土体变形规律的分数阶西原模型。当循环荷载应力幅值大于土体临界应力幅值时,模型为反映土体破坏型变形规律的分数阶西原模型;反之,则为反映土体稳定型、临界型变形规律的广义Kelvin模型。采用应力分解法,将循环荷载分解为一个静力荷载和一个平均应力值为0的循环荷载,基于流变力学理论给出了静力作用下基于该模型的流变本构方程,再根据黏弹性力学理论构建了交变应力作用下基于该模型的动态响应本构方程,将已获得的土体流变本构方程与动态响应本构方程叠加,得到新的土体本构方程。结果表明:与既有的试验结果相比,基于分数阶西原模型所建立的本构方程可较好描述循坏荷载下土体各种类型的变形特征,对土体各类型变形曲线的拟合效果较好,拟合系数均在0.90以上,且模型参数值随循环荷载动应力幅值的增大而以幂函数形式减小。