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。     

Identification of deformation and failure characteristics in cataclinal slopes using physical modeling

This study investigates the deformation characteristics of cataclinal slopes in central Taiwan prior to landslide failure. Field surveys and physical model tests were performed to explain the gravitational deformation characteristics of cataclinal slopes under various conditions and to derive the deformation process and failure characteristics. The results show that the distribution of erosion gullies (different length of the slope mass), the extent of erosion (different thickness of the slope mass), the foliation dip angle, and the geological material critically affect the deformation of cataclinal slope masses in the study area. The results of physical model tests indicate that increasing the foliation dip angle, the thickness and the length of sliding mass, particle size (spacing between foliations) increases the depth of slope deformation. Foliation dip angle is the most critical factor that controls the deformation of slate slopes. When the cataclinal slopes reached maximum deformation, a shear failure and translational slide occurred within a short period. The deformation zone exhibited significant cracking at the scarp and the bulging of the slope toe, which facilitated the infiltration of surface water and groundwater, accelerating the deformation to failure.     

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。     

顺层岩质边坡溃屈变形机制及失稳判定方法

溃屈型破坏是一种常见的顺层岩质边坡破坏模式,溃屈变形发展机制及失稳破坏的定量研究对滑坡工程勘查和防治指导十分重要。本文根据边坡的地质环境和力学作用机制,建立了三维受压板简化模型,其能够考虑岩层自身重力、地震力、静水压力的共同作用和岩体材料塑性变形的影响。基于弹塑性受压板稳定理论,利用能量法推导得到了边坡溃屈变形破坏的临界方程。对于溃屈型边坡的结构失稳和滑动失稳分别提出了相应的稳定性判定方法,并针对不同状态的边坡提出了相应的防治措施建议。以四川省甘孜藏族自治州巴塘县下归哇边坡为例,对所提判定方法的正确性进行了验证。计算结果表明,边坡的临界溃屈长度（a1）为483.8 m,说明下归哇边坡能够发生溃屈变形;现场勘查得知边坡实际溃屈长度（a′）为530.0 m,a′＞a1,可知边坡是稳定的。这与实际情况相吻合,由此证明本文所提出的判定方法可行。     

边坡变形破坏过程的大变形有限元分析

在用有限元法分析边坡稳定性时,引入计算大变形问题的更新的拉格朗日方法,推导了边坡大变形弹塑性有限元分析的方程式。采用边坡某一幅值的等效塑性剪应变区,从坡脚到坡顶贯通前的折减系数作为边坡安全系数。在此基础上,采用弹塑性大变形有限元分析软件计算了均质土坡不同坡角的安全系数,将其与小变形分析的结果进行了对比分析,结果表明：用弹塑性大变形有限元分析边坡失稳破坏的过程中,既考虑了岩土材料的非线性,又考虑了边坡的几何非线性,使计算结果更趋合理。并结合东深供水改造工程BIII2边坡进行了大变形有限元分析,计算结果与勘查到的实际边坡的滑动面分布位置比较接近。研究表明：该方法尤其适宜于软土类边坡或基坑的稳定性分析。     

Investigation of rainfall-induced failure processes and characteristics of cataclinal and anaclinal slopes using physical models

In this study, two types of small-scale physical modeling tests have considered the impact of the infiltration of rainfall and groundwater level in order to investigate the processes involved in rock slope deformation and failure. The study conducted the physical tests under controlled conditions of groundwater level with rock block shape for two rock slope types (cataclinal and anaclinal slopes). Observations obtained during each stage of deformation and failure were used to explain how gravity deformation varies with groundwater conditions on cataclinal and anaclinal slopes, and infer how rainfall and groundwater influence slope failure. Our results indicate that groundwater level is a crucial factor in the deformation failure of slopes. The failure mechanisms of cataclinal slopes differ considerably from those of anaclinal slopes. The infiltration of surface water and groundwater can have a significant influence on rock layer deformation and the speed of failure. Different shapes of rock block have two toppling types of rock slope, the spherical rock model relatively close to flexural toppling type and the triangular rock model relatively similar to block flexural toppling type, respectively. Details of the failure characteristics of cataclinal and anaclinal slope models are discussed in this paper.     

缓倾外层状结构边坡变形破坏模式及支护对策研究

高速公路开挖形成越来越多的工程边坡。缓倾外层状结构边坡作为一种典型的岩质边坡,一般情况下整体稳定性较好,但在特定的结构面组合状况下,开挖后也可能产生整体变形破坏。本文以软弱结构面和长大裂隙发育的公路工程边坡为例,通过岩体结构及边坡一定范围内已有边坡破坏现象的调查研究,采用工程地质类比和三维离散元法综合分析边坡变形破坏模式,并针对变形破坏模式的特点,提出支护对策。研究结果表明,结构面贯通坡体形成切割块体的后缘和侧缘边界时,缓倾外层状结构边坡可沿层面产生滑移-拉裂变形,若滑面与临空面具有一定夹角,边坡的变形可表现为旋转式滑移-拉裂;结构面组合控制的缓倾外层状结构岩质边坡稳定性受坡体中下部的关键块体控制,一旦关键块体失稳,将引起上部块体的连锁失稳,此类边坡变形控制的重点是对关键块体分布区域进行强支护;支护工程实施后的变形监测结果表明,基于变形破坏模式分析的边坡支护方案保证了边坡施工和运营过程中的安全。     

物质组成特征对碎石土斜坡变形破坏影响研究

为研究物质组成空间分布特征对降雨下碎石土斜坡变形破坏的影响,以不同成因碎石土斜坡的特点为依照,进行了4种物质组成空间分布的碎石土斜坡模型及1种均质斜坡模型试验。结果表明,物质组成空间分布特征对降雨下碎石土斜坡变形破坏所发挥的作用与降雨入渗方向和应力调整方向有重要关系。当土料变化方向与入渗方向大角度相交且与应力调整方向相同时,斜坡渗透性为土料各自的渗透性,斜坡力学性质偏向于组成土料力学性质的最大值。当土料变化方向与入渗方向相同且与应力调整方向大角度相交时,斜坡渗透性接近组成土料渗透性的最小值,斜坡变形破坏受控于其中的软弱土料。降雨下斜坡各处均发生变形,且变形向周围调整并产生影响。破裂面更易发于软弱土料中。该研究有助于斜坡灾害勘察、预测评价及防治向精细化方向发展。     

水位下降条件下土钉加固土坡破坏特性研究

水位下降是导致滑坡的重要原因之一,而土钉是加固土坡的有效手段。进行离心模型试验,再现了水位下降时土钉加固土坡的变形和破坏过程,测量了土坡的位移变化。试验结果表明,水位下降条件下土钉加固土坡的破坏模式以绕钉破坏为主,滑裂面从坡顶逐渐向下发展至坡面;土钉加固土坡的破坏过程与变形局部化过程表现出显著的耦合变化;土钉加固机制主要表现为通过土钉与坡体的相互作用,减小土坡的变形和变形局部化程度,从而提高土坡的稳定性。增加土钉长度使得滑裂面向坡内部移动,显著减小土坡的变形及变形局部化程度,从而提高了土坡安全性。     

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。     

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。     

填土斜坡的排水条件对斜坡稳定性的影响

降雨是导致斜坡破坏的主要原因。地下水位上升和在土中渗流引起土体应力状态的变化是导致斜坡在降雨过程中或降雨后变形与破坏的关键因素。填土斜坡的稳定性不仅取决于填土的强度,还与填土斜坡的排水条件密切相关。适当的排水条件不仅可以限制斜坡中地下水位上升的高度,而且可以及时消散因材料剪切收缩而生成的超孔隙水压力,防止土体液化,避免斜坡整体流动破坏。本文采用完全耦合有效应力分析程序和与状态相关的剪胀性砂土模型模拟地下水位上升过程中填土排水条件对压实填土斜坡稳定性的影响。完全耦合有效应力分析方法可以模拟孔隙水和土骨架间包括浮力和渗流在内的相互作用。分析结果表明斜坡排水条件是影响斜坡因地下水位上升而变形和破坏的重要因素,加固松散填土斜坡时必须设置适当的排水与泄水装置。     

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。     

基于设计安全系数及破坏模式的边坡开挖过程动态变形监测预警方法研究

由于地质和结构特征的不同造成的边坡变形破坏机制存在差异以及同一边坡在不同施工开挖阶段的变形规律和量值也存在差别,采用工程类比方法获得的单一的静态的边坡监测预警指标无法表达某一边坡在施工开挖过程中动态的变形规律和特征,针对该问题提出了基于设计安全系数和破坏模式的边坡开挖过程中动态变形监测预警指标的研究思路和方法,并将其应用于糯扎渡水电站溢洪道消力塘边坡755～740 m开挖过程变形监测预警指标的确定,通过与现场监测结果的对比分析表明,该边坡开挖过程中是稳定的,分析与工程实际是相符的。研究表明,基于设计安全系数和破坏模式的边坡开挖过程动态监测预警指标的研究思路和方法用于边坡在开挖过程中动态变形监测预警是可行和有效的。     

反倾层状岩质边坡悬臂梁极限平衡模型研究

基于悬臂梁理论和运用极限平衡法研究反倾层状岩质边坡变形破坏是一种既注重变形过程又注重力学分析的可行方法。在国内外研究现状基础上,研究悬臂梁极限平衡分析模型。首先通过野外现象的观测,提出能对反倾层状边坡变形几何空间条件进行分区的“基准面”的概念,再利用“基准面”分析岩层分区破坏模式的力学机制,认为破坏面的形成机制是弯曲拉裂和压缩剪切的共同作用结果,对悬臂梁极限平衡分析模型中的各参数确定给出假设或理论分析,建立了计算模型。以重庆市巫溪县中梁水库硝洞槽-郑家大沟库段反倾岸坡为例,在边坡变形破坏模式识别基础上,应用悬臂梁极限平衡模型理论分析实例,验证该模型的合理性,同时也给出反倾层状边坡悬臂梁极限平衡模型计算步骤,用数值模拟方法验证该分析模型的正确性。模型计算结果表明,破坏区大体分为滑移区、倾倒区和倾倒变形影响区,破坏区大小由坡角、岩层倾角、坡高共同决定,当三者关系（见式（13））大于0时,才存在破坏区,才有可能发生变形破坏。研究成果对反倾层状岩质边坡稳定性评价与防治具有理论指导意义和应用价值。     

地震作用下含弱面斜坡变形破坏实验研究

为了研究含弱面斜坡在强震作用下变形破坏规律,对含单一弱面的3组斜坡模型模拟地震作用下的变形破坏,并用数字散斑相关方法对实验结果进行处理,得到斜坡模型位移和应变。从实验结果可以发现:位移和应变变形均集中在弱面上,随着震动的持续,这种变形积累最终导致斜坡发生破坏; 模型对比中可以发现,在斜坡体内弱面越深则斜坡稳定性越强,在斜坡体内弱面越长则斜坡稳定性越弱。分析模型最初在顶部出现裂缝和沿弱面发生滑动的原因。     

Kinematics and 3-D internal deformation of granular slopes: Analogue models and natural landslides

This study uses results from a series of analogue models, and field observations, scanned data and sections of natural landslides to investigate the kinematics and internal deformation during the failure of an unstable slope. The models simulate collapse of granular slopes and focus on the spatial and temporal distribution of their internal structures. Using a series of systematically designed models, we have studied the effect of friction and deformability of the runout base on internal deformation within a granular slope. The results of these different models show that the collapse of granular slopes resulted in different-generation extensional faults at the back of the slope, and contractional structures (overturned folds, sheath folds and thrusts) at the toe of the slope. The failure surfaces and the volume of the failure mass changed both spatially and temporally. Younger failure surfaces formed in the back of the older ones by incorporating additional new material from the head of the slope. Our model results also show that the nature of the runout base has a significant influence on the runout distance, topography and internal deformation of a granular slope. Model results are compared with natural landslides where local profiles were dug in order to decipher the internal structures of the failure mass. The natural cases show similar structural distribution at the head and toe of the failure mass. As in model results, our field observations indicate the presence of at least two generations of failure surfaces where the older ones are steeper.     

Centrifuge modeling of the geogrid-reinforced slope subjected to differential settlement

A series of centrifuge model tests of geogrid-reinforced slopes with superstructure was conducted under differential settlement condition. The influence of reinforcement placement on the deformation and failure behavior of the slope and superstructure is investigated by considering different numbers of geogrid layers. The response of the slope and superstructure is analyzed based on a full-field displacement measurement via image analysis. The differential settlement induces distinguishable superstructure movement and slope deformation above the subsidence zone. The slope displacement, close to the vertical direction, appears only in a limited zone. An integrated analysis scheme of deformation and failure processes is adopted to reveal the failure mechanism of both the unreinforced and reinforced slopes: a certain level of deformation localization induced by differential settlement results in the local failure, and adversely, the local failure aggravates the deformation localization near it. The geogrid reinforcement mechanism is further clarified as the reduction on the deformation localization of the slope due to geogrid placement. The geogrid reinforcement effect can be comprehensively described with two respects: hooping effect and shielding effect, which illustrates the influence sphere and degree of geogrid reinforcement on restraining the slope deformation. The geogrid reinforcement is proven effective to improve the safety of the slope and superstructure.

     

冲洪积卵石土层分布区滑坡形成机理分析HT4H——以安溪县某安置区边坡为例

地下水渗流是冲洪积卵石土层分布区发生滑坡的主控因素。安溪县某安置区的北侧边坡就是处于这种地质环境并受此影响,自2010年6月以来变形持续加剧、范围逐年扩展。目前,滑坡后缘整体下错达1.5 m,坡体纵横裂缝密布,前缘挡墙鼓出,坡体正处于强变形阶段。文章以此为例,着重讨论冲洪积卵石土层分布区形成滑坡的工程地质条件、水文地质条件及变形破坏特征,分析变形破坏的控制因素和滑坡形成机理,预测滑坡的稳定性。结果表明:冲洪积卵石土层形成的渗流系统,在充沛、多源的地下水补给等因素作用下,也会导致高差小、坡度缓的边坡发生严重地质灾害;基于现状水位,采取工程措施后,将坡体地下水位再降低4 m,稳定性系数将由原先的0.987~1.048提高至1.298~1.388,边坡可达到稳定状态。针对致灾成灾的主控因素和稳定性验算结果,提出采用“盲沟盲管排水+定向敷管导水+竖井”为治水止滑的主措施。本文研究是对地下水渗流控制型滑坡治理方法的有益探索和挑战,可为类似滑坡机理研究提供有益的参考借鉴。     

膨胀土边坡非饱和渗流及渐进性破坏耦合分析

膨胀土边坡受降雨影响产生膨胀变形,是典型的非饱和土多场耦合问题。为探究降雨入渗对其渐进性破坏的失稳过程,基于饱和-非饱和渗流理论、膨胀土弹塑性本构关系和应变软化理论,利用应变软化模型、FLAC3D二次开发平台和内置FISH语言,提出了一种综合考虑非饱和渗流、膨胀变形和应变软化的多场耦合数值分析法。结合工程实例,通过该方法探讨了降雨入渗条件下膨胀土边坡非饱和渗流、位移响应及渐进性破坏的变化规律。结果表明:膨胀变形和应变软化受控于非饱和渗流的时空分布,对边坡位移响应过程影响显著,也易导致饱和-非饱和分界带形成剪应力集中区。膨胀土边坡渐进性破坏由局部破坏转变为整体性失稳,其塑性破坏区首先随悬挂型暂态饱和区的变化向坡内扩展,雨后逐渐形成第二条由坡脚向坡顶扩展的滑动带,呈现出多重滑动性和后退牵引式的破坏特征。