岩质块体渐进破坏的稳定分析方法

岩桥的破裂贯通是一种非连续变形现象。强度折减技术虽然是渐进破坏过程模拟的主流技术,但其不具备描述非连续变形现象的能力。提出连通率折减法和刚度折减法来模拟含非贯通结构面岩块的渐进破坏过程,并建立考虑渐进破坏过程的块体稳定分析方法。首先,引入Goodman单元来描述共面非贯通结构面的岩桥部分和裂隙面部分,建立静力平衡方程来求解滑裂面内岩桥单元和裂隙面单元的应力。其次,岩桥单元采用Griffith准则来判别破坏,利用连通率折减法来描述其破裂;裂隙面单元采用MC准则来判别破坏,用刚度折减法来描述其屈服;通过循环迭代,模拟岩桥单元的破裂过程和裂隙面单元的应力调整过程,实现整个滑裂面的渐进破坏过程模拟。然后,定义考虑渐进破坏过程的滑裂面极限状态;通过自重超载方式将滑裂面推送至极限状态;基于极限状态设计的理论框架,计算度量块体稳定性的安全系数指标。工程实例分析结果表明,渐进破坏过程模拟结果与现场调查结果是一致的。渐进破坏过程的模拟实现,有助于岩质边坡变形破坏机制分析从定性分析阶段扩展至定量分析阶段。     

露采矿山台阶边坡结构面特性与破坏机制分析

基于四川峨胜露天矿山台阶边坡的结构面特征,结合离散单元软件3DEC对台阶边坡进行模拟,研究台阶边坡破坏机制。结果表明:(1)受区域地质构造影响,研究区域的优势结构面倾角较陡,且产状与构造迹线相关;(2)矿区台阶边坡变形破坏模式主要为平面滑动和楔形体破坏,发生倾倒破坏的可能性小;(3)边坡整体变形小,在结构面贯穿的位置有位移突变和增大的现象,临空面的楔形体出露后发生崩塌掉块,局部稳定性降低;(4)台阶边坡破坏机制为拉裂-滑移-崩塌,可分为三个阶段:弹性变形阶段,渐进变形阶段和变形破坏阶段。     

土石混合体边坡的细观处理技术

土石混合体边坡是由滑坡堆积、残坡堆积、崩坡堆积、冲洪堆积等形成的一种非均质边坡。由于其物质组成的不均质性,带来与其它边坡显著不同的变形性质和破坏机理。针对其物质结构特点,对土石混合体边坡应该采用细观处理技术,将之分别看成均质连续体、等效的均质连续体、非均质不连续体和结构面控制的非连续体等4种情况来处理。     

地基渐进破坏及极限承载力的Cosserat连续体有限元分析

利用Cosserat连续体理论和所发展的有限元数值方法,模拟了地基由应变软化引起的以应变局部化为特征的渐进破坏过程,并从等价塑性应变的发展变化,阐述了渐进破坏过程对所能发挥的极限承载能力的影响。结果表明,Cosserat连续体模型能有效地模拟由应变软化引起以应变局部化为特征的渐进破坏现象,对地基等土工结构物有必要进行渐进破坏分析。同时指出,在求解软化型土体地基的极限承载力时,如果仍按传统的极限平衡或极限分析理论进行分析,可能得出偏于危险的结果。     

考虑张拉-剪切渐进破坏的边坡矢量和法研究

针对边坡渐进破坏过程中岩土体强度参数不断劣化现象,采用应变软化模型代替传统的理想塑性模型,提出一种考虑张拉?剪切渐进破坏的边坡矢量和分析方法。从安全系数表达式与最危险滑动面搜索两方面进行研究,首先基于滑动和力的矢量特性,改进矢量和法滑动趋势与安全系数表达式,进而基于改进自适应遗传算法搜索边坡最危险滑动面。算例表明,采用应变软化模型时的矢量和法安全系数与最危险滑动面形态具有动态变化与调整的特性。该基于张拉-剪切应变软化模型的计算方法进一步扩展了边坡矢量和分析法。     

强间断分析方法在土工结构物渐进破坏过程中的应用

对于超固结黏土和密实砂土等软化材料或非关联塑性材料组成的地基、边坡及挡土墙墙后土体,在其破坏过程中,会产生应变局部化现象,使得控制方程的类型发生改变,从而导致出现数值解不惟一和解的网格相关性等现象。为了克服这些数值困难,基于强间断分析方法,及单元内嵌不连续面的有限元模型,对地基、土坡、墙后土体的渐进破坏过程进行了数值模拟。计算结果表明,单元内嵌不连续面模型可以有效地模拟土工结构失稳破坏过程,并且能够明显地改善采用常规有限元方法所产生的网格尺寸相关性问题。这一方法可作为传统极限平衡法进行稳定分析、承载力分析的有益补充。     

大型复杂堆积边坡稳定性的离散元分析

与一般高边坡相比,堆积边坡在物质组成、边界条件、力学特性上具有明显差异,其变形与破坏表现出明显的非连续介质特性,传统的边坡稳定分析方法难以反映其失稳方式与破坏过程,而离散元法在分析非连续介质的变形和破坏方面具有较好优越性。以某一大型复杂堆积边坡为依托,首先模拟边坡土体室内三轴试验过程,通过与试验结果对比确定边坡土体的细观力学参数,进而通过建立堆积边坡离散元模型研究其失稳机制,预测其失稳方式和变形过程。结果表明:未开挖前该边坡处于稳定状态,一期开挖完成后边坡上部存在2个潜在滑动体,且表现为沿下伏基岩面的深层滑动; 二期开挖完成后,下部存在一较明显滑动体,其失稳会进一步加剧上部两潜在滑动体的变形破坏; 整个堆积边坡的失稳表现为沿基岩的自下而上牵引式渐进破坏。     

某倾倒边坡开挖下的变形特征及加固措施分析

以皖南某高速公路一个反倾边坡为例,在详细地质调查基础上分析了边坡以倾倒-滑移为主要特征的倾倒变形力学机理。调查结果显示在边坡原有倾倒变形的基础上,开挖爆破等工程扰动首先使开挖面顶部出现倾倒变形并伴有后缘拉裂隙,同时坡体内部断续结构面逐渐贯通,最下级台阶面出现外鼓等。上述现象的出现显示出边坡具有整体失稳破坏的趋势。在上述地质概念模型基础上,应用离散单元法对边坡变形全过程进行模拟,验证上述变形破坏机理,并揭示了边坡在深度方向上的变形分区现象,即倾倒-折断区、强烈倾倒区、倾倒影响区和正常岩层区。     

非连续变形分析（DDA）方法在高海拔高烈度地区公路边坡稳定性分析中的应用

分析了天山某公路边坡发育的工程地质特征,并结合高海拔高烈度地区公路冻融作用强烈的特征,引入了冻融折减系数,采用非连续变形分析(DDA)方法模拟了该段边坡变形破坏全过程。结果显示,在各种内外营力的综合作用下,目前该段边坡处于时效变形阶段,变形破坏主要集中于浅表部;DDA模拟结果表明,在天然状态下该段边坡处于基本稳定状态,但在地震工况及地震+冻融工况下易于发生浅表层的滑移式崩塌。结合以上边坡变形破坏特征,提出了采用清除坡表危岩+插别加固的综合治理措施。      

滑坡运动过程仿真分析

滑坡是一个动态过程，滑坡体的运动是一个集滑动，转动，拉张等运动方式的复杂运动过程，传统的极限平衡和计算和有限元分析均无法描述滑坡的运动学特点和运动过程。非连续变形分析（DDA）是最近发展起来的一种新的离散数值分析方法。该方法基于块体的运动学理论及数值分析，可以开展块体的静力和动力学计算。应用非连续变形分析方法对长江三峡区新滩滑坡的运动全过程进行了数值模拟研究，模拟方案充分依据该滑坡的地质，地形特征，按不同岩土体和地质结构面类型进行块体单元的划分，共划分成504个块体单元。模拟结果表明，新滩滑坡是以斜坡中部姜家坡一带的局部破坏为其运动的开始阶段，并进一步牵引上部滑体和推动下部滑体。代表性块体单元的位移变化曲线和滑动速度变化曲线反映了滑动过程中滑坡体块体系统的变形是非连续的，各处块体的动态形态各异，从而很好地再现了新滩滑坡的整个动态过程，揭示了滑坡的运动机制。     

内蒙古乌努格吐山铜钼矿露天采场边坡工程地质特征及破坏类型

通过对乌努格吐山铜钼矿露天采场边坡自然背景条件、岩体结构类型、岩石力学参数、工程地质岩组特征、结构面特征、边坡工程地质分区、边坡稳定性评价、边坡破坏类型及规模等论述,阐明了露天采场边坡工程地质特征.边坡稳定性计算结果表明,A区A-A'剖面、C区E-E'剖面稳定性计算结果不能满足安全系数的要求,其他区边坡总体稳定性较好.露天采场现处于生产建设阶段,边坡正处于剥离形成过程中,边坡几何形态保存较完整,仅局部出现小型崩塌、垮塌、粒状解体、楔形破坏、地裂缝和大气降水冲刷等.尚未出现较大规模破坏,现状边坡总体稳定,基本可代表未来边坡的破坏类型和稳定状态.     

某大型堆积体边坡成因机制分析及治理措施研究

针对我国西南地区水电工程建设中经常遇到的堆积体边坡问题,以堆积体边坡的岩体结构特征及工程地质、环境条件为基础,结合现场踏勘在地表、平硐中看到的地质现象和钻孔岩芯资料,详细地分析了堆积体边坡的成因机制和演化过程,并恢复出其形成的概化地质模型。结果显示,堆积体边坡整体为崩塌堆积物,但在形成过程中堆积体一区中上部发生了较大方量的局部破坏,导致了堆积体一、二区地貌和内部结构的差异。对堆积体边坡的稳定性进行了宏观定性评价和详细计算分析,结果表明堆积体整体趋于稳定,但覆盖层浅、中部存在局部稳定性较差的区域。为保证工程的后期正常运营,在综合考虑工程、环境、经济等方面因素的基础上,对堆积体一区采取压脚的处理方式,二区采取削坡减载加挡土墙的处理方式。分析计算成果为工程设计提供了必需的指导和合理的依据,同时也可为类似工程的分析提供参考     

倾倒式岩质崩塌运动过程数值模拟分析

在延长县崩塌详细调查的基础上,采用数值模拟方法对倾倒式岩质崩塌运动过程进行了模拟,分析了其运动规律。根据崩塌的破坏形式和运动特点,将倾倒式崩塌的整个运动过程分为四个阶段：岩体原有节理的开裂变形阶段、岩体沿基座支点的倾倒运动阶段、崩塌体在一定初速度下的落体运动阶段、崩塌体的碰撞与堆积阶段。通过对倾倒式崩塌影响范围的理论计算结果、数值模拟结果和实际调查结果对比得出,数值模拟结果和实际调查结果基本一致,两者远大于理论计算结果,因此数值模拟结果可作为倾倒式崩塌的影响范围,可为崩塌灾害的防治提供科学依据。     

三峡库区软硬互层近水平地层高切坡崩塌研究

由泥、砂岩互层或厚层砂岩夹泥岩等形成的类似“夹心饼干”的软硬互层近水平层状结构边坡,是三峡库区分布较为广泛的一种结构类型边坡。由于泥、砂岩风化速度的不同而产生的崩塌灾害现象是三峡库区最为常见的一种地质灾害,首先,从地形地貌、地层岩性、结构面组合、降雨作用和风化作用等方面对软硬互层高切坡的崩塌形成原因进行研究,软硬岩的差异性风化而造成的软岩空腔和硬岩中的结构面组合是造成崩塌的主要原因;其次,基于野外调查的地质现象分析,得到了软硬互层高切坡崩塌主要有倾倒、滑移、塑流拉裂、悬臂拉裂、错断等破坏机制,并概化出了各类破坏示意图;通过离散元数值模拟,对泥砂岩软硬互层高切坡崩塌的形成破坏过程进行了再现和分析,其破坏过程为泥岩剥落-岩腔-砂岩裂隙张开-危岩体弯曲-倾倒崩塌-堆积坡脚;最后,在三峡库区高切坡各类破坏机制的基础上,提出了相应的处治对策。研究成果对三峡库区高切坡地质灾害的认识和防治有一定的意义。     

西藏樟木后山危岩崩塌颗粒离散元数值分析

崩塌危岩是高陡岩质边坡浅表层破坏常见的动力地质灾害方式之一,它突发性强,随机性大,速度快,发生猛烈,一直是边坡工程勘察中的重点。对西藏樟木后山高陡边坡危岩进行了现场勘察,分析研究了危岩崩塌体的分布范围。利用PFC3D模拟了在降雨件下危岩崩塌危岩的运动轨迹、速度及不同摩擦系数崩塌体的堆积特征。计算分析结果表明,崩塌危岩运动路径受地形地貌影响较大,与地面发生碰撞,多次改变行进方向,简化二维计算可能得出错误结论;坡面摩擦系数影响崩塌危岩的堆积形态,摩擦系数越小,堆积体位置越远,运动状态易表现流态性状。坡面摩擦系数取1.2时,模拟结果与实际较为吻合;崩塌危岩主要危害的范围为陡崖下部武警二营至樟木沟口一带。利用PFC3D模拟危岩崩塌运动可以初步确定崩塌体三维堆积形态及影响范围,为防灾减灾工程设计提供有益参考。     

新疆维吾尔自治区乌恰县康苏红层崩塌运动学特征研究

以新疆维吾尔自治区乌恰县康苏红层崩塌为例, 基于DAN-W运动学模型进行了红层崩塌碎屑流空间预测评价, 同时根据无人机航拍图和野外地质现场调查, 结合崩塌研究区的工程地质要素, 分析该崩塌的形成特征和失稳模式。结果表明:该崩塌为拉裂式崩塌, 主要受危岩体岩性组合和坡体结构面组合控制, 其孕灾模式为差异风化阶段→岩体结构变形破坏阶段→悬挑危岩阶段→崩塌失稳落下阶段, 具有典型的碎屑流运动特征。同时利用动力学模型软件DAN-W对该崩塌碎屑流的运动过程进行计算, 得到崩塌碎屑流的运动时长约为50 s, 堆积体平均厚度达到2 m, 最大速度为11.5 m·s-1, 冲击最远距离达到315 m, 与实际情况相符。表明DAN-W模型可以用来分析红层崩塌碎屑流的动力学灾害效应, 为红层地区类似的潜在崩塌碎屑流灾害的形成特征和运动效应分析提供借鉴。     

铁路隧道施工中围岩变形失稳工程地质问题

近年来,中国的铁路建设技术明显提高,隧道工程的数量和长度大量增加,工程地质条件越来越复杂多样。在取得显著技术进步的同时,也在施工过程中发生了一些重大设计变更和伤亡事故。作者在参加技术调查中,从分析区域工程地质条件入手,在以往注重研究断裂构造、褶皱构造、岩石强度、岩体完整性、岩溶、特殊土等地质因素的基础上,应用岩石学、矿物学、构造地质学、岩体结构力学等基础知识,深化了对一些特殊工程地质因素的认识,确定高地应力挤压作用、极软岩挤压和卸荷作用、古老变质岩软弱夹层滑移作用、岩脉（墙）体变软化作用、顺层剪切变形作用5类地质因素,是造成隧道施工过程中发生较大规模围岩失稳、坍塌的重要条件。由于以往认识不够深入,缺乏相应的工程措施,给施工、投资、工期曾造成重大不利影响。文章结合11个工程实例,分析了这5类围岩变形失稳的特征和成因,提出了工程对策要点,以期从中吸取经验教训,减少类似问题的发生。     

棱柱状结构体试件破损过程的试验研究

通过棱柱状结构体在直排、直错排两种排列方式下的平面应变压缩试验,研究了不同侧向应力状态下结构体的破损过程,来探讨结构性岩土材料在受荷过程中的变形和破损机理。试验发现,在棱柱状结构体试件的破损过程中,结构体表现出劈裂、剪切和压碎的破损方式,最后形成破损带;随着侧向应力由低向高的变化,应变软化逐渐向应变硬化过度;低侧向应力状态时应变软化、体胀和侧向挤出;高侧向应力状态时应变硬化、体缩和侧向收缩;不同的侧向应力状态和排列方式下几乎都没有结构体的转动发生。     

大别造山带岳西县斜坡变形破坏演化模式

岳西县自然斜坡在地球内、外动力共同作用下,容易变形并遭到破坏,造成人员伤亡和财产损失,严重制约了当地的经济发展。通过系统的工程地质调查和浅表生改造理论分析,查明了岳西县斜坡变形破坏特征及其成因,并探讨了其演化模式。结果表明,岳西县不同岩组的抗风化能力和力学特性存在差异,斜坡发生地质灾害的机理也不相同。根据斜坡结构特征,岳西县滑坡分为全风化层滑坡、强风化层滑坡和顺层岩质滑坡: 全风化层滑坡的滑面位于全风化层中或全风化层与强风化层的分界线处; 强风化层滑坡的滑面主要发育于强风化层与中风化层的分界线处; 顺层岩质滑坡主要发育于片麻岩发育的顺向坡中。根据变形破坏方式,岳西县崩塌可分为滑移式崩塌、倾倒式崩塌和坠落式崩塌: 滑移式崩塌主要由一组缓倾坡外结构面和另一组陡倾(坡外或者坡内)结构面控制; 倾倒式崩塌主要由一组陡倾坡内结构面和另一组近水平发育的结构面控制; 坠落式崩塌主要由一组结构面陡倾或近直立发育的结构面控制。岳西县滑坡多发育于风化壳厚度较大、岩体较松散、结构面强度低的地区; 崩塌多发育于斜坡高陡、岩质风化程度低、结构面发育的地区。研究成果对岳西县乃至整个大别山地区地质灾害的研究及防治工作具有一定的借鉴意义。     

基于边坡渐进破坏特征对传统极限平衡法几点假设的合理分析

边坡的渐进破坏特征一直以来是边坡计算仿真中的一个难点。实际边坡的破坏很少是一个整体达到极限状态,突然滑动的过程,往往是逐步发展由局部破坏到最终整体失稳,即临界状态小扰动导致的链式多米洛骨牌式失稳。利用颗粒流软件,设计了0.1 m粒径高10 m土坡的数值模型,粒间黏聚力为36 kPa,摩擦系数为0.36。初始模型在重力作用下不会发生破坏,通过单独折减粒间黏聚力到18 kPa使得边坡破坏,监测竖向颗粒组group的变化获取每20 000个时间步的边坡破坏形态,实现200 000个时间步内边坡的渐进破坏过程。边坡总是从局部开始破坏,坡体物质的运移造成次一级破坏,形成最终的近似弧形的滑动面,说明滑体不是整体下滑,不是刚体,不是整体达到极限状态;坡体内应力的变化也不是单调的,有涨有落,均区别于当前极限平衡法中有限条块的刚体假设;滑动面上同时达到极限状态假设,问题本身是静不定的,通过给出条间力的传递方式使之静定可解;整体分析不能考虑破坏的局部化和渐进特征。这说明边坡计算方法的未来在于能反映动力问题和材料破坏特征的离散元方法。