松散堆积体工程边坡变形机理分析及支护对策研究

合理选择开挖坡比、正确认识变形破坏机理是影响松散堆积体边坡稳定性和施工安全的前提, 本文研究了西南地区某松散堆积体工程边坡的结构特征, 根据地形条件确定了合理的开挖坡比, 采用二维有限元研究了开挖边坡的变形机理并根据模拟结果确定潜在滑动面, 在此基础上, 提出支护对策。研究结果表明, 边坡由厚度达70m 的坡洪积、泥石流块碎石堆积体组成, 斜坡下部缓中部稍陡, 开挖平台位于缓坡部位, 根据地形条件结合坡体结构特征确定边坡开挖坡比为1: 0. 75; 数值模拟结果表明, 边坡变形开挖面附近及坡顶拉应力和坡体下部最大剪应力控制, 坡顶部位将首先产生拉张裂隙, 开挖边坡内部产生从坡脚部位向上发展的剪切变形, 滑面一旦与坡顶拉裂缝贯通, 边坡将产生整体失稳; 边坡采用锚拉桩、锚索框架、锚杆框架、排水相结合的综合治理措施进行支护。     

极端冰雪灾害条件下松散堆积体边坡演化分析

针对2008年初南方罕见的极端冰雪气候,为研究其与地质灾害的相关性,探讨了极端冰雪灾害条件下均质松散堆积体边坡的演化特征。比较了融雪与降雨触发滑坡的异同点,通过具体事例分析了融雪触发滑坡灾害的一般规律。引入度日因子与雪雨当量两个物理量,根据南方极端冰雪气候特征建立了简化的有效融雪模型,并从渗流场、稳定性及变形3个方面模拟计算在不同雨雪当量下均质松散堆积体坡体的演化特征。结果表明,一定的融雪速率与融雪量对松散堆积体边坡渗流场无影响。随着融雪的持续,非饱和区基质吸力逐渐减小,坡体整体稳定性逐渐降低。坡面上水平位移与竖向位移逐渐增大,表现为水平方向上前缘变形大于后缘,竖直方向上后缘下错与前缘隆起。在融雪持续一段时间后,坡体失稳破坏。     

大型堆积体边坡基-覆界面及坡面动态响应特性试验研究

地震动力作用下堆积体边坡的变形破坏受多种因素影响,为研究基-覆界面及坡面倾角对松散堆积体边坡的动力响应影响,通过室内物理模型试验,模拟了水平向振动荷载作用下包含不同倾角的基-覆界面和坡面的堆积体边坡的变形破坏过程。试验结果表明,堆积体边坡的破坏模式由基-覆界面及坡面倾角共同控制,当基-覆界面倾角在一定范围内(15°)时边坡只发生浅表部局部滑塌破坏,不会发生沿基-覆界面的整体下滑;随着基-覆界面倾角的增大,边坡破坏形式由局部滑塌逐渐转变为以整体下滑为主;坡面坡度控制着边坡局部滑塌的范围。     

卢家湾大桥堆积体滑坡稳定性分析及处治措施研究

堆积体边坡普遍结构松散,稳定性差,多处于基本稳定或者临界滑动状态,在降雨、地震、施工开挖扰动等条件下,边坡极易因变形过大而失稳。以大永高速卢家湾大桥堆积体滑坡为例,通过地质调绘结合勘探成果,在掌握地层岩性、地质构造及水文地质条件等地质背景基础上,用传递系数法和刚体极限平衡法分析了卢家湾大桥滑坡堆积体的稳定性,并提出抗滑桩+锚杆的支护治理方案。利用有限元软件对加固后的边坡进行数值模拟,结果表明:边坡为复合型边坡,长时间强降雨水下渗至地下,地形上受工程建设开挖形成的临空面影响,导致了该边坡的失稳;经过计算,综合治理后坡体稳定性系数为1.2;滑坡监测数据表明,治理后坡体位移迅速收敛并趋于稳定,表明滑坡治理方案有效。工程研究成果可为今后类似工程提供参考。     

复杂堆积层边坡开挖变形机理及加固效果评价

针对某电力工程换流站高挖方边坡,分别采用极限平衡法和强度折减法对边坡的稳定性和变形特征进行分析。分析结果表明,边坡的稳定性受降雨和地震作用影响显著,两种工况下边坡均处于不稳定状态,地震作用对斜坡地带堆积体结构形成损伤,不但使边坡整体稳定性下降,还促使坡体内裂隙大量发育,利于降雨入渗,进一步恶化边坡的水文地质条件,导致坡体孔隙水压力增加、有效应力降低。边坡加固设计采用桩板墙+坡面格构锚杆支护措施,加固后边坡稳定性系数达到1.406,最大总位移由加固前的425 mm降至9 mm,大幅提高边坡稳定性,表明防护方案能保障边坡安全性,达到防治和风险管控的目的。     

降雨作用下堆积层滑坡的模型试验研究

通过模型试验,研究不同材料堆积体在降雨作用下的滑坡机理。模型试验中,针对凹形堆积体边坡进行了不同堆积材料的试验。试验结果分别记录了黏性土、砂土以及碎石土边坡随降雨时效的坡面变形特征、边坡内部孔隙水压力变化特征,并对监测结果进行了分析。试验结果表明:孔压的变化规律与坡面变形规律具有一致性,降雨通过影响边坡内部孔隙水压力的变化来影响边坡的稳定性。同时,拟合了降雨量与边坡位移的关系,并对比了不同堆积材料对边坡稳定性的影响。     

黄土边坡开挖与支护效应的离心模拟试验研究

黄土边坡在开挖卸载过程中的稳定性分析及其防护在边坡工程中占有重要地位。采用西南交通大学土工离心机进行了1组非支护边坡和2组土钉支护边坡的离心模型试验,研究了开挖卸载过程中黄土边坡的变形特性、稳定性变化规律及土钉的加固效应。离心模型试验研究表明,土钉能够显著提高黄土边坡的稳定性。土钉支护的边坡土体,因土钉的锚固效应,边坡的变形范围更大,但变形量较小,最大变形量并不在坡面,而是发生在坡面下的锚固区域内,非支护黄土边坡的潜在滑移面产生于距坡顶约40 cm处,土钉支护后,黄土边坡基本不会发生破坏。对于抵抗边坡发生变形而言,不等长土钉支护的效果要优于等长土钉支护,研究成果为黄土边坡的开挖与防护提供了参考。     

离心模型试验与数值模拟相结合研究采空边坡渐进破坏特性

以贵州六盘水地区煤层开采为工程背景,采用离心模型试验与数值模拟相结合的方法研究了采空条件下边坡的渐进破坏过程及破坏模式。基于离心模型试验得到了开采过程中边坡的位移场,并采用FLAC~(3D)对离心模型试验过程进行了数值模拟,数值与试验结果得出的边坡位移时程曲线吻合程度较高,塑性区分布与试验点对分析得到的滑裂面破坏过程与路径基本一致。通过对比、融合离心模型试验观测与数值模拟结果,表明贯通坡脚与采空区的滑裂面由下向上形成,且总体发生剪切错动破坏,贯通坡肩与采空区的滑裂面由上至下发生复杂的破坏过程,初始阶段滑裂面发生张拉破坏,中间阶段同时发生张拉与剪切破坏,末尾阶段发生剧烈的剪切滑移破坏。     

离心模型试验与数值模拟相结合研究采空边坡渐进破坏特性

以贵州六盘水地区煤层开采为工程背景,采用离心模型试验与数值模拟相结合的方法研究了采空条件下边坡的渐进破坏过程及破坏模式。基于离心模型试验得到了开采过程中边坡的位移场,并采用FLAC~(3D)对离心模型试验过程进行了数值模拟,数值与试验结果得出的边坡位移时程曲线吻合程度较高,塑性区分布与试验点对分析得到的滑裂面破坏过程与路径基本一致。通过对比、融合离心模型试验观测与数值模拟结果,表明贯通坡脚与采空区的滑裂面由下向上形成,且总体发生剪切错动破坏,贯通坡肩与采空区的滑裂面由上至下发生复杂的破坏过程,初始阶段滑裂面发生张拉破坏,中间阶段同时发生张拉与剪切破坏,末尾阶段发生剧烈的剪切滑移破坏。     

离心模型试验与数值模拟相结合研究采空边坡渐进破坏特性

以贵州六盘水地区煤层开采为工程背景,采用离心模型试验与数值模拟相结合的方法研究了采空条件下边坡的渐进破坏过程及破坏模式。基于离心模型试验得到了开采过程中边坡的位移场,并采用FLAC~(3D)对离心模型试验过程进行了数值模拟,数值与试验结果得出的边坡位移时程曲线吻合程度较高,塑性区分布与试验点对分析得到的滑裂面破坏过程与路径基本一致。通过对比、融合离心模型试验观测与数值模拟结果,表明贯通坡脚与采空区的滑裂面由下向上形成,且总体发生剪切错动破坏,贯通坡肩与采空区的滑裂面由上至下发生复杂的破坏过程,初始阶段滑裂面发生张拉破坏,中间阶段同时发生张拉与剪切破坏,末尾阶段发生剧烈的剪切滑移破坏。     

渗透性与降雨强度对堆积层滑坡稳定性的影响

本文基于非饱和渗流理论及非饱和土的Fredlund双应力变量强度理论,对一沿岩土接触面滑动的堆积层滑坡模型,分别进行了8种条件下的降雨入渗数值模拟试验,研究了不同土体渗透性及降雨强度对滑坡稳定性的影响。结果表明:(1)堆积层滑坡的稳定性与土体的渗透性有密切关系,在降雨后的短期内,土体渗透性越好,滑面孔隙水压力升高越明显,滑坡的稳定性降低程度越大;(2)降雨期间,埋深较浅的滑面,入渗雨水能够较快到达,对滑坡稳定性的影响较大;(3)在相同的降雨时间内,降雨强度越大,滑坡稳定性降低速率越快;(4)降雨强度影响着滑坡发生的滞后性,在降雨总量一定的条件下,若降雨强度较大,雨停后,滑坡稳定性继续下降的程度较大;(5)降雨总量控制着滑坡的最终稳定性。     

不同降雨模式下膨胀岩边坡模型试验研究

采用原状膨胀岩进行室内边坡模型试验,研究膨胀岩边坡在连续降雨和湿-干循环模式下的变形和水分入渗特性,揭示两种模式下膨胀岩边坡的变形破坏模式。试验发现,连续降雨模式下初期数次降雨对膨胀岩边坡变形影响最大,有明显的水平方向位移,后期变形很小且趋向稳定。湿-干循环模式下边坡膨胀变形及深部岩体含水率降雨完成后一段时间才达到峰值,随循环次数及降雨量增大,边坡变形速率及变形量都明显增大,岩体裂隙不断发育,水分入渗深度增大,但限于表面一定深度,对深部岩体影响较小。试验结果对工程应用有一定的指导意义：连续降雨模式初期膨胀较大,须加强和完善初期的排水措施,做好边坡的支挡防护措施;湿-干循环模式下,随循环次数增加,做好坡面的防护措施,以起到保湿防渗作用;两种降雨模式均说明纯膨胀性泥岩边坡不发生典型的圆弧滑动等破坏模式,而工程边坡的滑动多发生在软弱夹层上,因此,要做好该类边坡的软弱夹层特性勘察,对于不含软弱夹层的纯泥岩边坡要重点监测其浅层变形特性。     

土工袋加固膨胀土边坡降雨−日晒循环试验研究

为了解复杂气候条件下土工袋加固膨胀土边坡的效果与机制,开展袋装膨胀土边坡降雨−日晒循环试验,观察并分析边坡位移变形、坡面冲刷、降雨入渗等情况,并与素膨胀土边坡进行对比。试验结果表明：素膨胀土边坡在降雨−日晒循环作用下,边坡表面产生的裂隙较多,容易出现土体流失,土工袋则具有良好的反滤和抗冲刷作用,可以减少袋内和下卧层土体的流失,保持边坡的稳定性;土工袋对膨胀土有较好的约束作用,可以有效地抑制其膨胀变形,减小因变形引发边坡失稳的可能性;土工袋有良好的排水效果,雨水能通过土工袋袋间间隙快速地排出,边坡内含水率的增加幅度较小。     

河北省顺平县李思庄滑坡稳定性分析

李思庄滑坡为河北省顺平县境内潜在危险性最大的一残坡积堆积层滑坡,近年由于削坡建房,滑坡稳定性降低,极端降雨条件下存在复活可能。在野外调查确定滑坡结构特征的基础上,采用改进Mein-Larson降雨入渗模型分析不同降雨强度及持时对李思庄滑坡安全系数影响,运用有限差分软件FLAC3D计算分析该滑坡在天然和极端降雨工况下的稳定状态。研究结果表明:天然状态下,边坡潜在滑移面为基岩与残坡积层分界面,边坡安全系数为1.18,未发生失稳破坏;随降雨历时增加,潜在滑移面由基岩与残坡积层分界面转移到湿润峰面,当湿润峰达到基岩与残坡积层分界面,边坡安全系数为0.83,属不稳定状态。并对李思庄滑坡初步提出设置挡土墙和截排水沟的治理建议。      

Analysis of time-varying rainfall infiltration induced landslide

A case study of rainstorm-induced landslide is modeled following the hourly rainfall time series from the stage of infiltration caused by induced slope movement and soil saturated to excess pore pressures—Transient Rainfall Infiltration and Grid-based Regional Slope-Stability Analysis (TRIGRS). The grid-based landslide stability analysis was conducted to model the increased pore pressures and runoff in the study area under the specified rainfall conditions. The generated time variances of pore pressures help determine landslide characteristics and mechanisms under rainfall conditions. Inputs of soil properties and permeability parameters for landslide stability analysis in the study area were prepared by TRIGRS adopted for transient infiltration analysis. Results of the analyses show that under heavy rainfall conditions, the infiltrated slope is unstable and the time of debris masses movement initiated is correlated to the recorded time. In the initiated landslide, characteristics and effects are considered and reflected in the numerical modeling under combinations of topography, land use, climatic and geological conditions. Results reveal that there is a plane failure surface and a potential circular failure surface at the study site besides the rock topple failures in the crest. A grid-based slope-stability analysis incorporated with the GIS spatial functions is more advantageous than the traditional two-dimensional analysis for specified slope profiles to determine the whole behavior of a slope.     

考虑非饱和土基质吸力的丁家坡滑坡变形机制及稳定性评价

丁家坡滑坡位于云阳县黄石镇中湾村,对拟建的云阳—开州（云开）高速公路安全具有潜在的威胁。为了查明丁家坡滑坡特征,开展了野外工程地质测绘、钻探与试验测试,采用Geo-studio完全耦合计算模式分析了不同降雨工况下滑坡渗流场、应力场、位移场的变化,考察了基质吸力在滑坡稳定性评价中的作用,并计算了不同降雨历时、降雨强度下滑坡的稳定性系数。结果表明:（1）丁家坡滑坡的斜坡地形、松散的岩性、潜在的临空面等因素决定了滑坡的形成与发育,坡体渗透性较好,降雨作用激励滑坡的变形,目前该滑坡处于蠕滑阶段;（2）降雨入渗后,坡体孔隙水压力增加,基质吸力减小,有效应力和抗剪强度降低,在土-岩界面形成剪应力集中,产生应变和位移,滑坡变形破坏;（3）高强度短历时的降雨使坡体浅层迅速饱和,易形成浅层滑,低强度长历时的降雨使坡体浸润较深,易造成深部滑动,其潜在滑动面主要为土-岩界面;（4）在非饱和状态下土体基质吸力对滑坡的稳定性具有重要影响;（5）目前滑坡处于基本稳定状态,一旦发生降雨,滑坡稳定性将降低,降雨历时越久、降雨强度越大,滑坡越易失稳。相对于滑坡Ⅱ区,滑坡Ⅰ区对云开高速公路安全的影响更大,应该重点对滑坡Ⅰ区进行防护治理。该研究可为工程设计、施工及滑坡的预警预报提供依据。     

碎石土路堑高边坡地震动力响应过程分析

以功东高速大营盘碎石土深路堑高边坡为研究对象,对其用有限差分软件FLAC3D模拟分析,在低频高幅的地震波作用下,深入考虑网格划分和输入波以保证模拟的准确性,以此来研究高烈度地区地震作用下高边坡开挖及时支护的工序下的自然和降雨工况不同的变形和动力响应规律。结果表明:（1）在静力开挖支护阶段,开挖主要影响范围为开挖面附近的土体,位移主要为回弹变形,随着开挖深度的增加,回弹位移增加变缓。向下坡方向的位移趋势从坡脚开始产生,在降雨工况下所有坡面测点均产生向下坡方向位移。（2）地震作用下,坡体会产生多条剪切带倾泄能量,而地震降雨工况下产生坡顶到坡脚的贯通剪切带,成整体失稳趋势。（3）输入地震波峰值及其在此峰值点的位移响应存在时间差,且此点位移也不是位移最大值,降雨对中上部坡体位移影响较大,会使位移较自然工况下几乎成倍增加。（4）在地震中下坡方向的水平位移越大,其加速度响应越有降低的趋势,且越往坡体内部,降雨对加速度响应影响越不明显。     

A 2D integrated FEM model for surface water–groundwater flow of slopes under rainfall condition

Numerical modeling of water infiltration in slopes under rainfall conditions, especially under rainstorm conditions, is a fundamental problem for slope stability assessment. To obtain representative results, surface water–groundwater flow models are incorporated in the simulation. Based on finite element representation of Richards’ equation and of kinematic wave equations, an integrated 2D numerical model (IMCR2D) of the surface water–groundwater system was established. The model has a symmetrical matrix that modifies the flux boundary according to the runoff solution on the slope. IMCR2D was verified using two laboratory experiments, and it showed good agreement with numerical and experimental results. Additional numerical examples were used to study the effect of flux supply from runoff on infiltration. In comparison with SimMd (an existing method), IMCR2D displayed advantages in cases where surface runoff develops in an upper low-permeability section of the slope and flows down into a high-permeability section of the slope. To illustrate the advantages of the new method, the seepage field and stability condition of a case study in the Three Gorges Hydroelectric Reservoir were analyzed using IMCR2D and SimMd. The deformation of a landslide in part reflects its stability, and therefore, we also used displacement monitoring data to estimate the variation of stability conditions from that aspect. Comparison of the two numerical models indicated that flux supply greatly affects the seepage field, and that rainfall plays an important role in landslide stability evaluation, but only when considering flux supply from upper slope surface runoff.     

降雨下边坡开挖支护离心模型试验

为研究降雨下高速公路高边坡在开挖及运营过程中的变形规律及稳定性,以柳南公路改扩建工程某处典型高边坡为原型,利用大型土工离心机及自主研发降雨装置,开展12组不同开挖-支护时序边坡模型试验,通过对边坡从变形至破坏全过程监测,分析不同支护时序条件对边坡稳定性的影响。结果表明:实时支护能有效抑制边坡在水平和竖向的变形,在边坡开挖至第1级和第6级后,坡顶水平变形分别降低33.9%和30.4%,竖向变形降低54%和11.6%;实时支护对维持降雨下边坡稳定状态非常有利,边坡开挖至第2、4、6级后遭遇降雨,其稳定系数降低了10.1%、5.4%、6.5%;相同降雨量下,无实时支护边坡的稳定系数要比实时支护至少降低50%,说明了实时支护对降雨下边坡稳定性的意义巨大。      

考虑初始含水率分布的覆盖层边坡非饱和入渗过程与稳定性计算方法

根据覆盖层边坡特性设计室内降雨试验模型,提出初始含水率分布沿高程呈反比例分布。根据边坡表面未饱和时降雨入渗受总降雨量控制的基本假设,建立了不排水状态下覆盖层边坡降雨入渗的解析计算方法。基于上述降雨入渗理论,考虑非饱和土抗剪强度变化规律,建立适用于非饱和覆盖层边坡的边坡稳定性计算方法。分析了覆盖层厚度、初始含水率分布参数以及覆盖层边坡角度对边坡稳定性的影响规律。具体结论如下:(1)覆盖层边坡内部初始含水率分布可采用反比例分布近似表示,基于总降雨量控制假设,得到可考虑初始含水率分布的覆盖层边坡降雨入渗解析计算方法。(2)基于半无限空间体边坡假设,给出覆盖层边坡在降雨入渗条件下不同位置滑动面的稳定系数计算方法。(3)在相同降雨量条件下,边坡初始稳定性随覆盖层土体厚度的增加而下降。降雨入渗对覆盖层边坡稳定性的影响随着上覆土层厚度的增加而减小。(4)当降雨量相同时边坡稳定性随着覆盖层土体初始含水率分布参数的增加而下降,降雨时间越长,初始含水率分布对边坡稳定的影响越明显。(5)不同角度的覆盖层边坡稳定性均随降雨量增加而逐渐减小。在初始状态下边坡角度增加所引起的最小稳定系数下降幅度最大,随着降雨量的增加,边坡稳定性受角度影响逐渐减小。