坡顶荷载作用下岩质边坡倾倒破坏分析

坡顶荷载是公路边坡、铁路边坡以及矿山边坡等稳定性分析中不可忽略的因素,倾倒破坏是陡倾层状岩体边坡一类主要的变形破坏形式,研究坡顶荷载作用下岩质边坡块体倾倒破坏具有重要的工程指导意义。在Goodman和Bray块体倾倒破坏极限平衡逐步分析方法的基础上,基于传递系数法,通过建立坡顶荷载作用下岩质边坡倾倒破坏地质力学模型,提出了考虑坡顶荷载作用的边坡倾倒破坏的解析分析方法,推导出了坡顶荷载作用下反倾边坡坡脚剩余下滑力和维持边坡稳定所需要的支护力的计算公式,为该类边坡的设计和支护提供了理论依据。通过算例分析,探讨了不同岩块厚度和切坡角度下坡顶荷载对剩余下滑力和滑动比例系数的影响。结果表明:对于一个给定的边坡,岩块厚度存在一个临界值,当岩块厚度小于该临界值时,坡顶荷载对剩余下滑力的影响程度要明显大于岩块厚度大于该临界值的情况;切坡角度越大,坡顶荷载对边坡稳定性的影响越显著;随着坡顶荷载的增加,滑动比例系数逐渐增大。对比分析理论解与UDEC计算的数值解,表明两种方法计算结果是一致的,相互得到了验证。     

坡后土体推力作用下反倾节理岩质边坡次生倾倒机理分析

次生倾倒破坏是层状反倾岩质边坡的一种主要破坏模式,极限平衡理论是分析倾倒破坏的常用方法,研究反倾节理岩质边坡次生倾倒破坏机理对边坡工程众多的西南山区基础设施建设具有重要的工程指导意义。在Goodman和Bray块体倾倒破坏极限平衡分析方法的基础上,建立了考虑地下水压力、节理连通率、岩体黏聚力等影响因素的反倾岩质边坡在坡后土体推力作用下的次生倾倒地质力学模型,提出了坡后土体推力作用下的反倾节理岩质边坡次生倾倒破坏的解析分析方法,推导出了边坡各岩层下推力的解析表达式,提出了边坡倾倒破坏的综合安全系数,并编写了对应的matlab计算程序,为该类边坡的设计和加固提供了理论依据。通过算例分析表明,与单纯岩质边坡块体倾倒破坏相比,该类边坡次生倾倒破坏形式的特点是破坏基准面以上岩层自上而下依次分为滑移区、倾倒区和稳定区3个部分;地下水压力、节理连通率、底裂面岩体黏聚力对各岩层的破坏形式、稳定安全系数大小都具有明显影响,尤其是在坡体中下部及坡脚部分最为敏感;而各岩层稳定安全系数最小的区域集中于边坡中上部。     

地震作用下岩质边坡倾倒破坏分析

倾倒破坏是陡倾层状岩体边坡一类主要的变形破坏形式,地震作用下岩质边坡块体倾倒破坏分析具有重要的工程指导意义。基于块体极限平衡,针对岩块长细比较大的情况,推导出了地震作用下岩质边坡倾倒破坏的一般解析解。对于简单的反倾边坡,给出了地震作用下倾倒破坏的显式解析解,并推导了岩块间法向力、破坏模式转变点和坡脚剩余下滑力计算公式。通过4个典型算例研究了地震作用对反倾边坡破坏模式、倾倒破坏时所允许的最大陡倾节理视倾角、破坏模式转变点和坡脚剩余下滑力的影响,为反倾边坡的抗震支护设计提供了理论基础。最后,根据地震影响系数与破坏模式转变点和坡脚剩余下滑力的定量关系对比分析了解析法与传递系数法,结果显示,当岩块长细比大于20时,解析法具有足够的计算精度。     

基于强度折减法的三维边坡稳定性与破坏机制

基于强度折减技术的三维弹塑性有限元法是当前较为有效的边坡稳定性评价方法,但很少应用于复杂地质环境及负载条件下的三维边坡稳定性与破坏机制分析。拓展这一方法,利用典型算例,探讨了单元尺寸、边界条件、土体强度、局部超载和地震荷载等因素对三维边坡稳定性及潜在滑动面的影响;在此基础上,着重研究含软弱夹层及地下水的复杂三维边坡在负载条件（坡顶局部超载及地震荷载）下的破坏模式及滑动机制。结果表明：随着黏聚力的增加,潜在滑坡体的剪出位置远离坡脚,滑坡后沿远离坡肩,滑坡深度加深;坡顶超载强度较低时,边坡表现为整体破坏模式,而高超载强度下表现为局部地基破坏;考虑地下水后边坡的稳定性显著下降,且潜在滑动面加深,滑坡体体积有所增大。含软弱夹层的三维边坡,其潜在滑动面呈折线型,当受超载作用时,其破坏模式和滑动机制与地震荷载作用下不同:前者为竖向剪切和水平错动的联合作用,而后者为软弱夹层水平错动起主导作用。     

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。     

逆层岩质边坡地震动力破坏过程FLAC/PFC耦合数值模拟分析

建立含有非贯通层面和正交次级节理的逆层岩质边坡FLAC/PFC2D耦合计算模型,进行地震动力破坏过程模拟试验,研究了逆层岩质边坡地震动力破坏机理。试验结果证明,在地震动力破坏过程中,边坡内部层面主要产生剪切破坏,少量张拉破坏集中于逆层边坡顶部位置并且总是发生在坡体已经产生动力失稳之后,因此层面的抗拉强度并不影响逆层边坡的地震动力稳定性。坡顶正交次级节理只能产生张拉破坏,形成宏观的岩层倾倒趋势,而坡底的正交次级节理既会产生张拉破坏,也会产生剪切破坏,破坏面滑动趋势明显。动力响应坡顶放大效应和破坏面发育位置深度导致坡顶岩体的张拉倾倒早于坡底岩体的剪切滑动,与逆层边坡静力倾倒破坏顺序相反。     

逆层岩质边坡地震动力破坏过程FLAC/PFC~(2D)耦合数值模拟分析

建立含有非贯通层面和正交次级节理的逆层岩质边坡FLAC/PFC2D耦合计算模型,进行地震动力破坏过程模拟试验,研究了逆层岩质边坡地震动力破坏机理。试验结果证明,在地震动力破坏过程中,边坡内部层面主要产生剪切破坏,少量张拉破坏集中于逆层边坡顶部位置并且总是发生在坡体已经产生动力失稳之后,因此层面的抗拉强度并不影响逆层边坡的地震动力稳定性。坡顶正交次级节理只能产生张拉破坏,形成宏观的岩层倾倒趋势,而坡底的正交次级节理既会产生张拉破坏,也会产生剪切破坏,破坏面滑动趋势明显。动力响应坡顶放大效应和破坏面发育位置深度导致坡顶岩体的张拉倾倒早于坡底岩体的剪切滑动,与逆层边坡静力倾倒破坏顺序相反。     

基于改进Goodman-Bray法的库区反倾边坡稳定评价

库区岩质反倾边坡常在蓄水期发生失稳破坏,其存在特定的破坏模式。在中国水利水电科学研究院改进的Goodman-Bray算法基础上,考虑岩柱间水压力及库水压力对岩柱产生的倾倒力矩以及饱和区岩土体的强度降低,改进该算法对库区反倾边坡蓄水期稳定性进行评价。以Fortran为平台编写岩质反倾边坡稳定性分析程序,通过苗尾水电站工程实例边坡对所提力学模型和分析方法进行验证,并与离散元模拟结果进行对比验证其准确性。反倾边坡失稳模式为"滑动—倾倒—稳定"三段式,坡形隆起处倾倒变形程度更加强烈。蓄水后饱和岩土体抗剪性能变弱,导致坡脚处失稳模式由倾倒转变为滑动,锁固段岩体失去阻滑力后引起边坡整体失稳。     

沪蓉西马水河大桥岸坡稳定性评价

马水河大桥是沪蓉国道主干线关键性工程,大桥桥头边坡地质条件复杂,构造发育,边坡整体稳定性对大桥施工和安全运行影响很大,但其整体稳定性非常难以判断。如何在计算中反映马水河大桥岸坡的地质结构、岩体结构特征及岩体结构面网络以及变形破坏模式,是决定岸坡稳定性分析结果客观性的重要因素。基于岸坡地质条件、地质结构和岩体结构面网络模拟的有限差分数值分析方法和数值分析模型,分别模拟了边坡在天然状态下、桥荷载作用下及水位升高50 m情况下的应力状态和变形大小。研究结果表明,在桥荷载作用下,斜坡应力场局部影响较大,深度达50 m,因此建议桩基设计时应加大桩基断面尺寸以改善桩体承载力。     

顺层岩质边坡稳定性极限分析上限法

基于极限分析上限法理论,运用体积力增量法,考虑单层滑动面极限分析模型的缺陷,建立考虑含结构面的多岩层错动的任意块体模型,利用岩块体在外荷载作用下达到极限破坏时,外荷载做的功与岩体消耗的功相等为基础建立等式方程,由此推导得到此类边坡稳定系数的计算公式。在分析典型边坡算例的基础上,对比离散元数值模拟结果,验证了该方法的可行性和适用性。对云南省普宣高速公路某顺层岩质边坡进行计算,其稳定系数接近离散元数值模拟结果,数值稍有偏大,边坡稳定。其研究结果为此类边坡稳定性评价提供了一种新的计算方法。     

顺层岩质边坡开挖模型试验及稳定性影响因素分析

用地质力学模型试验方法,对顺层岩质边坡进行开挖破坏试验。同时在有限元分析的基础上,采用多层结构模型对顺层岩质路堑边坡稳定性的影响因素进行了分析。指出当边坡走向与岩层走向夹角超过30后,边坡发生顺层滑动破坏的可能性很小,基本上可不视为顺层边坡。同时也阐明了岩层倾角以及结构面抗剪强度对顺层岩质边坡稳定性的影响。文中结论可为顺层岩质边坡的科研、设计和施工提供参考。     

基于Hoek-Brown准则的非等比强度折减方法

针对节理岩质边坡稳定性分析问题,开展了基于Hoek-Brown破坏准则的强度折减法研究。边坡的失稳过程是一个渐进累积破坏过程,破坏过程中各强度参数的衰减程度不同,在强度折减法中对应的折减系数也不同,不同折减系数间关系的确定及其综合安全系数的定义值得深入探讨。首先从岩体材料软化（硬化）特性出发,根据岩体强度参数从峰值强度到残余强度的变化规律,推导了Hoek-Brown破坏准则中3个强度参数折减系数间的数学关系式,然后以折减前后滑面上抗滑力之比定义综合安全系数来评价边坡的稳定性,最后结合算例验证了该方法的合理性,可有效应用于节理岩体边坡的稳定性分析。     

缓倾软硬岩互层边坡变形破坏机制模型试验研究

以宜巴高速公路沿途彭家湾软硬岩互层边坡为工程依托,依据地质分析及相似理论建立缓倾软硬岩互层边坡室内模型,采用开挖试验及和注水软化试验来模拟实际中的工程开挖（或河谷下切）和雨水浸润软化过程,研究缓倾软硬岩互层边坡的变形破坏机制。结果表明：在开挖及雨水软化两种工况下,该类软硬岩互层边坡的变形模式都是前期的滑移拉裂变形和后期的整体蠕滑变形,破坏模式是以深部软层为滑动面的整体滑移;硬岩层与软岩层的变形情况略有不同,硬岩层以整体蠕滑变形为主,而软岩层以滑移拉裂变形为主;深部软岩层的状态变化对边坡的整体稳定性影响非常关键;工程开挖（河谷下切）及雨水入渗都会对该类缓倾软硬岩互层边坡的稳定性有重要影响,开挖导致的临空面及微裂隙是滑坡发生的基础,水是滑坡发生的条件和诱因。     

岩质边坡滑动-倾倒组合破坏模式稳定性分析

在岩质边坡滑动-倾倒组合破坏地质力学模型的基础上,采用改进的传递系数法,提出了岩质边坡滑动-倾倒组合破坏的解析分析方法,并对初始下滑推力及岩块底部的凝聚力进行敏感性分析。与传递系数法相似,将边坡体几何力学参数及潜在倾倒岩块编号作为变量,使得每个倾倒岩块的稳定性分析具有统一的表达式,并易于采用Microsoft excel进行程序化分析。分析结果表明：岩块底面的凝聚力对下部潜在倾倒区域的破坏模式影响较大,随着岩块底面凝聚力的增加,潜在倾倒区域发生倾倒破坏的块体呈逐渐增加的趋势,而发生滑动破坏的块体则明显较少,岩块底面倾角对坡体整体稳定性影响较大;随着岩块底面倾角的增大,整个坡体的稳定性逐渐降低。     

溪洛渡水电站某危岩体稳定性及加固措施研究

在现场调查分析的基础上,提出了溪洛渡水电站某危岩体的两种可能失稳模式（剪切坠落或拉裂倾倒失稳）,进而建立了相应的稳定性计算极限平衡力学模型,而且对危岩体的变形和破坏特征进行了数值模拟分析,分析结果表明,危岩体抗拉裂倾倒稳定性较差,剪切坠落失稳的稳定性系数较高。在稳定性分析的基础上,计算出危岩体倾倒失稳时,安全系数为1.5时的锚固力,进而提出了危岩体加固方案：充填凹岩腔+填充裂隙+预应力锚索＋锚杆联合加固,数值模拟表明此加固方案效果良好。     

基于巨厚岩层-煤柱协同变形的煤柱稳定性

采前煤柱稳定性研究是工作面冲击危险性评估和开采方案设计的关键。以山东某矿深井巨厚砾岩条件工作面开采遗留煤柱为背景,采用案例调研、理论分析、数值模拟和工程实践等方法,对巨厚岩层-煤柱协同变形机制及其煤柱稳定性进行了研究,建立了巨厚岩层-煤柱协同变形的简化力学模型,探讨了引起煤柱变形的主要应力来源和变形形式,推导了在协同变形条件下煤柱的应力-应变关系。以此为基础,综合煤柱煤体应力、围岩稳定性和变形特征等条件,提出了煤柱整体失稳的力学判据。研究结果表明：巨厚岩层-煤柱失稳诱发冲击与煤柱的位置、尺寸和上覆岩层运动或变形关系密切,上覆岩层运动或变形是诱发煤柱失稳的动力因素;巨厚岩层-煤柱的变形主要包括受集中力F压迫的协同挠曲压缩变形和受集中力G作用的重力沉降变形,二者保持内在协调性;巨厚岩层下煤柱整体失稳的工程判据为煤柱煤体平均支承应力p超过其平均极限支承强度Rc（p≥Rc）;评估得到遗留的50 m煤柱具有强冲击危险性,并通过优化开采设计,取得了良好的效果。该研究成果对相似条件煤柱留设及其稳定性分析具有参考意义。     

结构面对岩质边坡地震动影响的数值模拟研究

[摘 要] 本文采用数值模拟的方法,利用UDEC 软件,开展了结构面对岩质边坡地震动影响的数值 模拟研究,研究内容涉及结构面产状和位置变化对岩体边坡地震动放大系数空间展布的影响。根据岩 体边坡中结构面发育的一般规律,本文模型工况主要考虑与坡面相交的贯穿性结构面,模拟的主要物理 对象是层面、贯穿性长大软弱结构面等。数值模拟结果表明:结构面越靠近坡顶,边坡上部的地震动响 应越强烈;顺倾结构面会使坡肩部形成更强烈的地震动响应;边坡越陡,坡顶和坡肩部的地震动响应越 强烈。上述规律对于岩质边坡地震稳定性分析具有指导意义。     

Numerical Studies on Chip Formation in Drag-Pick Cutting of Rocks

A two dimensional non-linear finite element simulation model has been developed using a mathematical model for progressive rock failure for understanding the mode and sequence of rock failure under a drag pick cutter. Rock cutting simulation has also been done using linear elastic modeling using local stability factor contouring. It has been observed from the simulation results that during negative rake angle cutting the chipping occurs by shear failure of the elements. Whereas, in positive rake angle cutting, some elements were observed to fail in shear and some under tension. The predicted peak cutting force using the developed models was found to be up to 25% higher than the experimental values. The effect of input parameters such as rake angle, flank wear, depth of cut and rock properties on the predicted peak cutting force has been studied, verified from earlier experimental studies and compared with some earlier proposed theories on rock cutting. The elastic stress analysis model based on the stability factor contouring method has also been found to be an effective tool to bracket the expected peak cutting force for a given operational and rock parameters but failed to simulate the effect of pick geometry (rake angle) correctly. The non-linear simulation model using progressive rock element failure is superior to elastic linear stress analysis model by simulating the correct trends for all the rock and machining parameters.