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。     

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。     

层状反倾-顺倾边坡倾倒变形形成条件及发育规模特征

以往研究中倾倒变形研究在反倾边坡较多而在顺倾边坡中很少,对两种不同结构的边坡形成倾倒体的异同点更是存在较多空白。在总结大量倾倒体实例基础上,对层状反倾和顺倾边坡倾倒变形形成条件及发育规模特征进行了详细研究。结果表明,顺倾边坡若发生倾倒,通常表现为坡高 100 m,边坡坡角 35°,岩层倾角 60°,岩性为薄层或薄层与中层互层的软岩、软硬相间的岩石;反倾边坡当坡角 30°及岩层倾角 30°就可能发生倾倒,其岩性为薄层～中厚层状的软岩、硬岩及具有似层状结构的坚硬岩石均可;提出层状岩质边坡“倾倒临界倾角 ”的概念,对于顺倾边坡, 60°,当 时边坡将可能产生倾倒破坏,当 时边坡通常产生顺层面的“滑移-弯曲”或“滑移-拉裂”型破坏;反倾边坡 30°,当 时边坡才可能演化成明显倾倒变形,当 时边坡不会倾倒或倾倒不明显;对于地质条件基本相同而坡体结构不同的两种边坡,反倾边坡形成的倾倒体无论是发育分布面积还是倾倒深度通常是大于顺倾边坡的,而且一旦形成倾倒体,二者的规模通常是深层的、大型或特大型的;倾倒体的分布面积和倾倒深度均呈现一种随坡高的增加而增加的趋势,坡高 250 m时其分布面积和倾倒深度表现为陡然增加,并且反倾边坡增加幅度大于顺倾边坡。     

岩质边坡复合型破坏机制的改进运动单元法研究

目前运动单元法的研究主要集中于土质边坡,未涉及到岩质边坡稳定性分析问题;而岩体中孕育有不同特性的结构面,控制着岩质边坡的力学行为。为求解结构面控制作用下岩质边坡“结构面滑移-岩桥剪断”复合型破坏问题,研究了塑性滑移区节点在岩桥内和结构面上的运动约束条件,推导了含结构面的运动单元计算公式,提出了改进运动单元法。通过经典算例的对比分析,验证了改进运动单元法计算结果的准确性。研究结果表明:岩桥位置、结构面贯通度和结构面倾角是控制岩质边坡力学行为的3个主要影响因素。岩桥越接近坡顶,改进运动单元法所得安全系数越大,而Jennings法无法反映岩桥位置的影响效应。高贯通度的结构面导致岩质边坡发生“结构面滑移-岩桥剪断”复合型破坏模式,安全系数较小;而低贯通度的结构面导致完整岩石发生破坏,安全系数较大。水平或陡倾角结构面导致滑裂面穿切结构面,安全系数较大;而对于其它倾角情况下的结构面,岩质边坡发生“结构面滑移-岩桥剪断”复合型破坏模式,安全系数较小。实例应用结果说明该方法可以有效评价岩质边坡的稳定状态,可在类似工程中应用推广。     

基于底摩擦试验的硬岩岩质边坡变形过程及破坏机制研究

针对不同倾向、不同倾角条件下,边坡变形破坏特征不同但缺乏相互对比分析研究的现状,在充分考虑硬岩岩质边坡变形破坏特征的基础上,配制硬岩相似材料,采用底摩擦试验方法,分析不同倾向、不同倾角边坡变形破坏模式,并借助PIVlab技术进行分析。结果表明:顺倾和反倾边坡变形破坏模式和破坏范围有明显区别。在45°坡度条件下,当顺倾边坡倾角由30°→45°→60°→80°转换时,变形破坏模式由滑移-拉裂→轻微滑移-弯曲（或滑移-剪切）→未有明显变形（整体稳定）→浅表部倾倒-拉裂逐渐演化。在45°坡度、反倾边坡条件下,变形破坏模式由岩层倾角30°和45°条件下无明显变形,逐渐向60°和80°条件下的倾倒-拉裂演化。当岩层倾角较陡时,反倾边坡破坏范围相对顺倾边坡更大,倾倒弯曲转折端更深。PIVlab结果反映出不同结构边坡条件下,不同位置的速度和位移矢量特征不同,且与宏观观察结果相吻合。研究成果能够为同类边坡的稳定性评价和治理设计提供一定参考。     

渗流应力耦合作用下顺倾向层状边坡各向异性渗流特征数值模拟

渗流场与应力场耦合作用下边坡渗流规律对研究边坡稳定性至关重要,应用基于等效连续介质模型和Louis经验公式建立的各向异性岩体渗流应力耦合模型,对顺倾向层状边坡的各向异性渗流规律进行了模拟分析。研究表明：顺倾向层状边坡中水位降深随结构面倾角θ的增大先升高、后降低,呈现两头低、中间高的形态,且越靠近溢出点,结构面倾角对水位降深影响越大;θ约为42°时水位降深最大,潜水面最低,同时渗透各向异性系数达到最大值;顺倾向边坡岩层产状一定时,随着埋深的增加,岩体渗透各向异性系数逐渐减小,裂隙控渗特征由显著到逐渐变弱,表现出向各向同性渗流过渡的趋势。     

岩层倾角影响顺层岩石边坡稳定性的模型试验研究

根据相似理论建立地质力学模型,介绍了模型试验的设计和过程。通过4组对比试验,研究了原型边坡的变形破坏机制以及改变边坡岩体的岩层倾角对边坡稳定性的影响。试验结果表明,顺层边坡的主要变形方式均为滑动变形,破坏模式为滑移-拉裂破坏,滑动过程为分级滑动,越往后拉裂面倾角越小。边坡的变形破坏首先发生在临空面靠近地表部位。层面强度越大,边坡越稳定;岩层倾角越小,边坡越稳定。     

岩溶区层状缓倾角岩质边坡变形破坏机制研究

在贵州岩溶区某大型工程台址工程地质环境条件研究基础上,采用地质历史过程机制分析法和数值模拟方法,对岩溶区层状缓倾角岩质边坡变形破坏机制作系统研究,总结出了4种变形破坏机制,即高陡的层状缓倾内边坡(A类坡)主要发生倾倒-崩落或拉裂-崩落破坏,低矮的层状缓倾内边坡(C类坡)则以小规模垮塌为主;缓倾外顺层边坡(B类坡)以滑移-拉裂型顺层滑坡或块状滑坡为主,而复合型边坡(D类坡)多以滑移-拉裂和弯曲-拉裂组合形式发生破坏.     

三维应力作用下岩体层面效应分析

为得到层状岩体在真三轴压缩情况下的强度变形特征,利用数值分析方法建立计算模型,得到不同结构面倾角? 下试样的应力和变形响应,结果表明,(1) 加载初期,结构面倾角? = 0°和? = 90°试样对应的初始弹性模量最大;随着试样变形的增大,对应的弹性模量以? = 90°、60°、0°的顺序逐渐减小;? = 90°和? = 0°试样发生破坏的脆性特征比较明显;(2) 随着围压? 3 = σ2的增大,压缩强度? 1不断增大;围压对强度极值发生的位置影响不大;(3) 最小主应力与结构面走向平行情况下,随着中间主应力? 2的增大,试样压缩强度呈现先增大后减小的趋势;随着最小主应力? 3的增大,? 1逐渐增大;当? 3较小时,二者符合线性关系;随着? 3的增大,二者的关系逐渐呈现非线性特征;并且结构面滑移破坏型试样的非线性特征更加明显;(4) 最小主应力与结构面走向垂直的情况下层状岩体的压缩强度与中间主应力和最小主应力的关系均呈现显著的线性特征。     

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。     

陡倾坡外弱面控制的斜坡滑移-剪损变形破坏模式

斜坡变形破坏和稳定性分析是各类工程建设中高度关注的问题.采用实例调查、理论分析、数值计算等技术方法,以雅砻江某水电工程坝址区右岸顺层岩质斜坡为例,研究总结了斜坡发育滑移-剪损变形破坏的成因机理、发育特征以及与弱面倾角和发育深度的关系.研究表明,滑移-剪损变形破坏通常发育在力学性能相对较差的薄层、互层状结构的顺层岩质斜坡或斜坡强-弱风化带内.斜坡发育滑移-剪损变形破坏与陡倾坡外弱面的倾角和发育位置密切相关.倾角在45°~65°之间或距斜坡表部水平距离小于80 m的弱面对斜坡发育滑移-剪损变形破坏的影响控制作用明显,并且弱面距斜坡表部水平距离比弱面倾角对斜坡发育滑移-剪损变形破坏的影响控制作用更强.研究成果可补充完善岩质斜坡变形破坏类型,具有重要的工程意义和实践价值.      

考虑层间错动的顺层岩质边坡稳定性分析

渝怀线DK385+470～DK385+700段为典型的顺层岩质边坡,当采用滑面为直线型的刚体极限平衡法进行分析计算时,由于无法考虑滑体内的层间错动对边坡稳定性的影响,直接导致稳定系数计算结果偏大。根据极限分析上限法原理,结合工程实例,提出了考虑层间错动的顺层岩质边坡极限分析上限法,并推导了这种方法的稳定系数计算公式。该方法可以将层间错动产生的内能耗散计入到虚功率方程中,因而可以考虑层间错动对边坡稳定性的影响。以渝怀线典型顺层岩质边坡为例,采用刚体极限平衡法和极限分析上限法分别进行了稳定性分析计算,结果两种方法却得出了截然相反的结论。     

反倾层状岩质边坡倾倒破坏力学模型

在地质调查基础上,将反倾边坡的各岩块概化为受自重弯矩及外力作用的悬臂梁,利用弯曲-拉裂模型研究其破坏模式。通过力学分析,建立了反倾层状岩质边坡各条块的力学模型。基于最大拉应力理论,给出条块倾倒失稳判据,以此判定边坡的稳定性,并定量分析了反倾边坡倾倒破坏的影响因素。结果表明:反倾边坡倾倒破坏发生在每个条块的上边界处,条块所受拉应力大小与其容重呈线性关系,与高度呈二次幂函数关系,与其宽度呈-1次幂函数关系,即板梁容重越大、高度越大、宽度越小,其倾倒破坏越明显。而当条块底面倾角满足一定条件时,才会发生倾倒破坏,其范围边界值与条块的高度和宽度有关。     

反倾层状岩质边坡倾倒变形机理与影响因素的离散元模拟

为进一步研究层状反倾边坡的弯曲倾倒变形机制,以离心试验为原型,通过离散元数值模拟,研究了层状岩质反倾边坡的变形机理与影响因素。通过预置层内随机裂隙,实现了破裂面的形成和贯通。研究结果表明：模拟结果与试验吻合较好,边坡变形可分为起始蠕变、稳态变形和失稳破坏3个阶段;边坡破裂面在达到破坏荷载（G_f）后瞬间贯通,呈直线型,产状受岩层倾角控制,G_f值与坡角幂函数相关;反倾边坡的破坏需满足倾角和坡角启动条件,且变形破坏与岩层所受弯矩关系密切,当倾角为70°~80°、坡角大于60°时,最易破坏;典型破坏模式有倾倒-折断-块体式、倾倒-弯曲-折断式、倾倒-反折式3种,其受倾角、坡角组合控制;对材料参数的正交试验表明,各参数对G_f的敏感性从大到小依次为密度、层面内摩擦角、层厚、密度比、层面黏聚力,且G_f与层厚、层面内摩擦角及密度比具有良好的线性相关性;层面内摩擦角可影响破裂面产状,从而控制变形体规模,其他参数仅影响G_f的大小。     

基于黏聚力裂缝模型的反倾层状岩质边坡倾倒破坏模拟

反倾层状岩质边坡的倾倒破坏是一种常见的地质灾害。为探究开挖条件下反倾层状岩质边坡的倾倒破坏机制以及层间剪切强度、岩层厚度因素对破坏特征的影响,利用ABAQUS有限元软件,建立黏聚力裂缝模型（Cohesive Crack Model,CCM）,基于连续-离散方法,经参数标定和对比,建立反倾层状岩质边坡CCM,采用开挖并增重的方式诱发边坡倾倒破坏。数值模拟结果与古水水电站坝前倾倒变形体离心模型试验结果基本一致,验证了CCM的正确性。进一步,基于以上参数及模型,研究了反倾层状岩质边坡的破坏演化过程和应力分布特征,并探讨层间剪切强度对边坡倾倒破坏特征的影响。结果表明:坡体前缘首先发生局部折断,后缘出现明显拉裂缝,反倾岩层由下往上依次折断直至倾倒体中部（一级破裂面）。随后,坡体前缘的表层岩层被挤出,形成二级破裂面,最后一级破裂面扩展至坡体后缘,形成连通宏观的破裂面。最后,二级破裂面扩展至坡体中部,边坡完全倾倒破坏;破裂面基本沿层间法向应力峰值位置连线发育;层间剪切强度对边坡倾倒破坏特征具有显著的影响,随着层间剪切强度的增大,岩层初始折断位置逐渐降低,垮塌范围逐渐减小,破裂面倾角增大;坡体层厚越大,一级破裂面分布越深,垮塌区范围越大,坡体滑动的整体性越强。研究成果可为反倾层状岩质边坡倾倒破坏的分析和监测提供有效计算方法及依据,为此类滑坡灾害的防治提供一定参考。