基于断距-层厚特征统计的反倾边坡S型破坏演化数值模拟

三峡库区巫峡龚家坊至独龙一带存在大量反倾不稳定边坡,多具有薄厚互层和软硬相间的岩体结构,边坡高度普遍在500 m以上。现场调查表明独龙7#边坡(D7)具有明显的“S”型柔性变形现象。为探明反倾边坡“S”型变形破坏机制,以独龙段反倾边坡为依托,从边坡的岩体结构调查、破坏模式概化、监测资料分析、变形破坏模拟等角度对软硬互层反倾高边坡的破坏机制进行研究。通过现场调查与无人机倾斜摄影,建立了边坡的三维模型,进而提取航拍数据,获得了岩层厚度、断距等的统计规律;基于断距-层厚统计规律,通过离散元软件UDEC对库水软化作用下D7边坡“S”型变形机理进行了模拟分析。研究表明:(1)独龙段边坡普遍具有陡倾内逆向层状结构,发育3组结构面,岩体被切割成块;(2)根据软岩占比,可将独龙段边坡分为2类:A类边坡软岩层占约20%,断距/层厚值分布于0.7~2.8区间,并集中于1.2~1.8;B类边坡软岩层占比约10%,断距/层厚值分布于0.5~3.3区间,并集中于0.6~1.5;A类边坡岩体长细比更大;(3)长期监测表明,边坡在库水位低值时位移量大,D7边坡位移持续增大,潜在整体失稳;(4)离散元模拟表明,边坡破裂面自坡脚延伸,中部硬岩区起到支撑并抑制上部变形的作用,边坡硬岩区与软岩区的差异变形以及变形体不同部位惯性的差异是导致岩层“S”型变形的主因,最终分别过“S”形岩层两个反弯点形成两条剪切带,形成自下而上的柔性弯曲-滑移型破坏。(5)断距-层厚比(S/T)可影响边坡破坏模式,比值越大,反折变形区与坡脚垮塌区越小,当S/T≥2时,S型变形不再发育。     

基于改进GSI体系确定三峡地下厂房围岩等效变形模量及强度

基于地质强度指标GSI体系和Hoek-Brown强度准则, 研究岩体强度及变形模量时没有考虑到结构面产状对工程岩体参数的影响.结合三峡工程地下厂房, 根据围岩开挖面与结构面分布的空间位置关系, 确定了结构面分布对围岩结构等级SR的影响系数, 改进了GSI体系中围岩SR的统计方法, 确定了围岩的等效变形模量和强度参数.研究表明, 改进后的GSI体系求解的围岩弹性区等效弹性模量、扰动区等效变形模量和粘聚力分别减小了约15%、8%和28%的误差.      

自然地应力场对含断层地下洞室围岩稳定性影响规律

自然地应力场及结构面分布特征是地下岩体工程围岩稳定性的主要内在控制因素。本文基于数值计算和实际工程的变形监测分析表明:①随侧压系数的增大,含断层围岩的稳定性变差;②不同应力状态下断层分布位置对围岩稳定性的控制作用差异明显;③当围岩附近断层与洞室开挖面不相交且水平构造应力场较大时,围岩可能产生更大的变形或更大范围的失稳。     

张开穿透型单裂隙岩体三轴卸荷蠕变特性试验

高应力条件下较多岩体工程在开挖卸荷过程中表现出显著的时效变形特征。为研究裂隙岩体在卸荷状态下的蠕变特征,以锦屏I级水电站大理岩为原样制备模型试样,开展了恒轴压分级卸围压三轴卸荷蠕变试验。试验结果表明：试件在破坏时对应应力差最小的是倾角为30°裂隙试样,其次为倾角为60°裂隙试样,倾角为90°裂隙试样最大。从破坏形式来看,完整试件与倾角为90°裂隙试件均呈整体剪切破坏模式,倾角为30°和60°裂隙试件均从裂纹尖端扩展至破坏。变形特征方面,均可采用Burgers模型对各裂隙试样不含加速蠕变阶段的蠕变曲线进行拟合,试样在不同裂隙类型和应力水平下的变形特点则通过参数数值加以区分。该结论与Lemaitre应变等效原理和Sidoroff能量等价原理中有关损伤材料和无损材料间相关关系的基本观点一致。基于此,提出了裂隙岩体损伤蠕变模型,该模型建立了完整岩石与裂隙岩体间的相关关系,对裂隙岩体时效变形特征的进一步研究具有较好的参考价值。     

大型硬岩地下硐室围岩二次应力场特征弹脆塑性分析

结合某水电站硬岩地下厂房开挖,运用FLAC3D软件,对不同地应力环境中大型地下硐室开挖围岩的二次应力场的大小变化、分布特征及其对围岩稳定性的影响进行了三维弹脆塑性数值模拟分析。分析结果表明:①在低地应力环境中,顶拱浅部围岩1σ随开挖逐渐增大,2σ基本不变,3σ在顶拱开挖时迅速降低。而在较高地应力环境中,在顶拱开挖时,应力处于三向迅速卸荷状态;②无论在较高还是低应力环境中,边墙和底板浅部围岩的应力变化路径基本一致,开挖出露时,均处于三向卸荷应力状态;③较高地应力环境中的应力松弛区、集中区及围岩塑性区的分布范围和深度均比较低地应力环境中开挖要大(深);④开挖结束后,围岩的σ1平行于硐室轮廓线,而σ3指向开挖面;⑤硬岩大型地下硐室开挖,由于围岩浅部应力差迅速增大,岩体可能出现脆性破坏,甚至出现岩爆现象。     

层理面特性对砂岩断裂力学行为的影响研究

层理弱面对层状岩石的力学特性影响较显著，为了研究层理面特性对岩石断裂力学特性的影响，开展了具有不同层理方向的砂岩试样三点弯试验，探讨了砂岩断裂韧度及断裂模式的各向异性。之后基于有限元中的黏聚单元建立了数值模型，采用数值模拟方法研究了层理面强度对各层理角度试样断裂力学行为的影响规律。结果表明：层理方向影响下砂岩的断裂韧度及模式存在各向异性；同一层理方向试样的断裂韧度随层理面强度的增大而增大，且试样的层理面与加载方向夹角越小，断裂韧度受层理面强度变化影响越明显；试样的断裂模式不仅与层理面强度有关，还受层理倾角的控制，层理面与加载方向夹角θ = 0o试样断裂模式基本不受层理面强度影响，θ = 30o试样主要沿层理面张拉或剪切破坏，且沿层理面的破裂长度随层理面强度的降低逐渐增大；层理面强度较大时，θ = 45o试样主要沿层理面张拉破坏，θ = 60o～90o试样主要以贯穿层理的张拉破坏为主；层理面强度较小时，θ = 45o～90o试样均以沿层理面的剪切破坏为主，其中θ = 45o试样沿层理剪切长度最大。另外，通过数值模拟结果分析了层理面强度及方向对试样的起裂角及裂纹扩展路径产生的影响。该研究成果可作为层状岩石断裂力学理论的有益补充。     

基于极限应变判据-动态局部强度折减的边坡破坏演化数值模拟

岩土材料具有极限应变特征,其值可以通过室内试验或数值模拟方法求得。边坡岩土体主要为剪切破坏,可采用极限剪应变作为材料破坏的判据。事实上,边坡岩土体强度参数劣化并非整体性的,而是一个渐进性局部损伤至整体失稳的过程。本文基于极限应变判据,建立了边坡破坏的动态局部强度折减方法,此方法对边坡中超过极限剪应变值的单元进行强度折减。通过不断折减计算过程中产生的超过极限剪应变值单元,直到坡内超过极限剪应变值的单元贯通,认为边坡整体发生破坏。将该方法应用到实际边坡工程中,计算结果和边坡破坏模式及变形监测数据基本吻合。此方法在分析边坡渐进性破坏及稳定性评价方面具有较好应用前景。     

三峡工程大型浅埋地下厂房围岩变形特征及机理研究

以三峡工程右岸浅埋地下厂房为例,基于施工期变形监测资料及数值模拟分析,结合地质和施工资料,对地下厂房围岩变形特征及其机制进行分析。围岩变形受结构面分布、自然应力场及地形条件等因素影响。由于地下电站区最大水平主应力近垂直于厂房轴线,大跨度高边墙厂房顶拱易产生向上抬起变形,而边墙以近水平向卸荷变形为主,且边墙变形明显较顶拱变形大;与边墙小角度相交的断层主要表现为卸荷张开变形,断层与开挖面之间的岩体变形集中;偏压地形的山峰一侧围岩变形普遍较大。围岩的上述变形特征表明围岩稳定性数值分析中应充分考虑其相关的地质条件,建立如实反映工程实际的地质力学模型是成功的工程实例数值分析的前提。     

三峡库区藕塘滑坡变形特点及复活机制研究

为深入研究库区古滑坡变形特征及其复活机理,文章以三峡库区藕塘滑坡为研究对象,通过对钻孔、探槽及平硐等现场勘查资料和监测资料的深入分析,并结合数值模拟方法,探讨了藕塘滑坡的时-空变形特点及影响因素,并揭示其复活机制。电子自旋共振试验和现场勘查结果表明藕塘滑坡由三个次级滑体组成。监测数据显示:总体上,地表累计位移-时间曲线呈阶跃状变化,即雨季滑坡变形速率急剧加快,旱季则骤减;在空间上滑坡的变形速率随高程的增加而增加。库水和降雨是导致藕塘滑坡变形破坏的主要因素:滑坡下部区域变形主要受库水影响,而滑坡中、上部区域变形主要受降雨影响。数值模拟结果也进一步揭示了影响滑坡孔隙水压力响应的主控因素随滑坡高程的变化而变化。库水骤降使得坡体前部渗透压增大,同时强降雨使得坡体中部及上部孔隙水压力升高,二者共同作用下导致滑坡复活。此外库水位下降或降雨量增加,均会不同程度降低边坡的稳定性。以上结论对于指导实际工程及深化库区古滑坡的研究具有一定的理论意义,同时加强古滑坡的研究有助于丰富滑坡稳定性评价及预测预报方法,为古滑坡的治理提供一定的理论依据。     

江北机场高填方夯后碎块石土剪切力学性质研究

重庆江北机场高填方边坡高度普遍为60~120 m,填料主要为砂、泥岩混合料,含石量非常高,也存在较多大粒径块石。对夯后填土开挖4 m深（强夯填土分层厚度）的大探坑,测试夯后填土的密度、物质组成,并拍照获取现场图像。通过筛分测试及图像处理技术,得到了夯后填料的级配曲线及结构特征。从工程尺度,将夯后填料粒径小于60 mm的视为胶结物,通过重塑样直剪试验测试标定其剪切性质。基于现场照片的图像分析,建立符合工程实际的夯后填土大尺度颗粒流数值模型,考虑粒径60 mm以上的碎块石的真实分布,模拟研究了江北机场高填方体夯后高含石量填料的剪切变形、损伤演化及剪切强度特征,揭示了夯后填料临近峰值及峰后剪应力与法向位移波动特征、大块石及含石量对剪切带分叉及绕石和峰后剪切应力跌落的影响规律。