顺层高边坡开挖松动区研究

开挖顺层岩石高边坡,往往需要进行预加固,因而合理确定坡体开挖松动区范围便成为核心问题。根据坡体开挖后的应力和位移状态,给出了开挖松动区的明确定义;结合重庆万州-梁平高速公路沿线各顺层高边坡失稳实例,对顺层高边坡开挖松动区进行了研究,简述了松动区的特点,分析了开挖松动区的影响因素。从岩体结构出发,以开挖深度和岩层倾角为主控元素,对顺层高边坡开挖松动区的长度进行了统计分析,结果表明：岩层倾角在15～30°的砂泥岩顺层高边坡最易产生开挖失稳,且松动区长度与开挖深度有关,二者比值较为集中地分布在2～5之间。     

考虑渗流的多层土盾构隧道开挖面稳定性分析

将传统模式的均匀土层稳定性分析的楔形体模型扩展到渗流作用下多层土盾构隧道开挖面的稳定性分析中,楔形体是由梯形组成的,每一个梯形对应一层土层,利用太沙基有效松动土压力理论和上限定理,推导了渗流作用下盾构穿越多层土的隧道开挖面极限支护压力的计算公式。极限支护压力等于作用于开挖面有效支护压力和渗透力的总和,其中有效支护压力用极限平衡来计算,渗流力采用水头分布的数值方法计算获得的。计算结果发现,渗透力构成了总支护压力的主要部分,分析结果和工程实测数据是一致的。     

基于偏应力的类土质路堑边坡松动区范围分析

类土质边坡是一种既受岩土体强度控制,又具有显著地质结构面效应的边坡类型,其滑坡机制和塌滑区分布规律区别于一般的岩质和土质边坡。以偏应力为主要评价指标,归纳了通过数值分析法预测类土质边坡松动区范围的方法。以某路堑边坡为案例,采用FLAC3D计算了该边坡在开挖和降雨工况下的稳定性状态,并基于软件内嵌的FISH语言编制了偏应力的后处理程序。结果表明：在开挖卸荷和岩土强度降低的作用下,新生和原始的偏应力等值线会出现增减交叉、分离、重合及梯度突变等现象,并可以反映结构面的响应特征及其对变形的影响,结合塑性区、位移场及施工记录,就可以预测松动区范围和潜在的变形破坏模式。案例边坡一定深度范围内的偏应力场在处于地应力驱动的弹性卸荷状态时会减小,之后由于重力势能的转化作用会增大,进入塑性破坏的非线性卸荷阶段时则显著减小,大变形和滑坡发生后还会出现明显的增减分区现象。相应地,边坡在开挖过程中先后表现为卸荷回弹、裂缝扩展与浅表层溜坍,降雨工况时发生沿全强风化交界面的顺倾滑塌,达到整体饱和状态后进而产生深层的圆弧型滑坡。     

某水力枢纽基坑开挖过程渗流耦合数值模拟

岩土工程中存在多种耦合作用,在水利水电工程中,渗流场与应力场的耦合是最重要的。以某水利枢纽厂房基坑开挖为工程背景,比奥固结理论为理论基础,莫尔-库仑准则为土体屈服判据,对基坑开挖过程中渗流耦合进行了数值模拟。计算结果显示：回填后的应力略大于开挖过程中的应力,沉井附近出现一定程度的应力集中。回填前后塑性区变化不大且范围较小,因而土体的屈服破坏不是该工程的重点。由于土体渗透系数大,厂房区地下水位高,基坑开挖过程中渗水量较大,回填后沉井及基坑底部防渗底板的防渗效果显著,因而在基坑开挖过程中防渗排水是该工程的重点问题。     

应用二维有限元方法恢复阿留申岛弧边缘晚白垩世板块增生附加体古构造应力场

一系列有限单元模型模拟了阿留申岛弧板块边缘附加体在晚白垩世板块增生过程中古构造应力场的演变特征。该地区板块增生过程中的楔形附加体具有不同的长度和厚度,在数学模拟过程中,附加体被假定为弹性连续体,根据有限单元程序计算出数学模型应力场,断裂发育状况是根据库仑-莫尔准则确定的。有限单元模型的边界条件为太平洋板块相对北美大陆板块的俯冲及与板块俯冲作用有关的大洋地壳的逆冲作用。数学模拟实验的结果表明,附加体古构造应力场有一定的演化规律。在板块增生的早期阶段,古应力1σ表现为近水平方向的压应力,逆断层发育于附加体中。大洋地壳的逆冲作用使得附加体应力轨迹重新定向,正断层发育于楔形附加体的底部,平移断层发育于大洋地壳的深部位置。逆冲作用可能导致了楔形附加体的侧向增生和垂直方向上的厚度加大。在板块增生的晚期阶段,楔形附加体中晚白垩统沉积岩尚未固结时,古应力1σ表现为近于垂直方向的压应力;当晚白垩统沉积岩固结之后,1σ为近于水平方向的压应力,逆断层发育于楔形附加体顶部。晚白垩统沉积岩的成岩过程对楔形附加体顶端古应力场分布特征和断层发育状况影响较大。     

深部洞室围岩分区破裂化的冲击破坏机制研究

提出了深部洞室围岩分区破裂化的冲击破坏机制。即在岩体开挖引起的围岩应力重分布过程中,径向应力波波前产生应力不连续间断面,当波前应力降满足一定条件时,产生局部冲击破坏。根据弹性动力学理论,应用位移势函数,通过Laplace变换简化计算,推导了洞室开挖瞬间围岩径向应力场的动力学理论解,得到了发生各次分区破裂化时,波前径向应力降的统一计算公式。根据质点速度、间断面压力降,由动量守恒定律推导了围岩分区破裂化的冲击本构方程和破坏准则,得到了产生冲击破坏的间断面压力降临界值计算公式。给出了分区破裂形成后各破裂区半径的表达式,关系式表明,各破裂区之间存在等比关系,其等比值为 。     

基于FLAC^3D的黄土边坡稳定性分析

根据FLAC^3D的特点和基本原理,结合黄土边坡的变形特点,研究某典型黄土-基岩边坡的变形破坏过程,分析边坡分步开挖坡体应力和位移的变化规律,研究表明：边坡坡脚开挖,对于边坡的整体稳定性影响较为严重,很有可能引发边坡破坏;随着开挖的进行,坡体主要位移逐渐转变为水平位移,且开挖后应力在坡脚处集中。依据对边坡开挖过程中位移和应力的分析,表明随着每一级土体的开挖,边坡位移迅速增大,因此控制开挖过程中坡体位移是边坡开挖工程中重要工作,应采取对边坡坡面和坡脚加固的措施,以缓解坡脚应力集中,减小和避免坡体位移。     

黄土高边坡变形破坏机理的数值模拟研究

采用非线性弹性和弹塑性有限元法模拟了黄土地区某高速公路黄土高边坡在不同降雨条件和地震条件下坡体应力场变化及变形破坏规律,结果认为:随降雨人渗量的增加,边坡土体的含水量逐渐增大,其塑性破坏域不断扩大;地震作用使坡体最大主应力和剪应力明显增大,应力集中带的范围扩大,坡体内塑性区迅速扩大;黄土高边坡的破坏方式为滑塌型,其变形破坏过程为坡体蠕动→后缘拉裂→滑带在坡体中下部形成并向两侧扩展→剪出口形成→坡体突滑.这些规律的认识对黄土高边坡稳定性评价和设计方案确定具有重要意义.     

高地应力条件下边坡岩体卸荷变形的两种表现形式研究室

本文简要介绍了高地应力地区水电高边坡工程中人们十分关注的两个工程地质与岩石力学问题：锦屏一级水电站边坡大范围岩体卸荷松动和小湾导致坝基(肩)岩体开挖快速卸荷问题。作者认为锦屏一级水电站左岸边坡大范围松动变形仍然是自重和构造复合应力场卸荷作用的结果,边坡的规模大、坡度陡,以及高水平构造应力是导致大范围卸荷松动变形的重要因素;小湾电站坝基(肩)岩体开挖过程中出现的坚硬完整岩体板裂、拱裂和葱剥皮等一系列新破裂现象是在高地应力作用下,由于开挖导致垂直坡面应力卸荷,增大边坡表面岩体主应力差和剪应力而引起的快速破裂行为,并通过破裂完成了顺坡面的最大主应力的卸荷,卸荷破裂主要集中在开挖面附近5～6m深度范围内。     

一大型倾倒体边坡非线性强度折减稳定性分析

分析的大型倾倒体边坡位于西藏林芝地区巴河上老虎嘴水电站右岸交通洞出口附近。该倾倒体坡体结构破碎,节理发育,边坡开挖后多次发生滑塌。在分析该倾倒体成因基础上,其强度特性用适于节理岩体的Hoek-Brown准则描述;计算采用非线性强度折减弹塑性数值方法;并对比了刚体极限平衡法计算结果。结果表明,两种方法获得的整体安全系数基本一致;加固前边坡基本处于极限平衡状态;数值分析较好地揭示了边坡失稳滑动特征;经工程措施处理后稳定性总体满足设计要求。     

三维边坡稳定分析的有限元弹塑性迭代解法

针对已知滑动面的三维边坡稳定分析问题,在塑性力学上限定理的基础上,提出了求解安全系数的三维有限元弹塑性迭代解法。对于滑动面的非线性特性,采用常规的矩形（平面）或立方体（空间）单元来描述,应力则符合相关联流动法则的Mohr-Coulomb强度准则。通过对弹塑性增量理论中流动法则的分析,证明了当结构达到极限状态时,滑动面内切向应力的方向与滑体的主滑方向一致,说明最终以滑动面内的切向应力作为滑体滑动力的有效性。通过迭代的方式,逐步降低滑动面材料的抗剪参数,使边坡达到极限状态,不仅快速求得了滑动面的安全系数,且能够得到边坡在接近临界失稳状态时滑动面内切向应力的分布情况和边坡的变形规律,为边坡采取加固措施提供了参考依据。最后,以椭球面滑动和楔形滑动2个经典算例和工程实例,验证了该方法的有效性和正确性。     

顺层岩体路堑边坡稳定性的弹塑性有限元模拟分析

基于理想弹塑性本构模型和Drucker-Prager准则,运用岩体力学理论、有限元数值模拟技术和强度折减原理,对顺层岩体路堑边坡在开挖过程中不同阶段的应力、变形、结构面上的摩擦力和边坡的稳定性等问题进行了模拟分析。分析表明,顺层岩体路堑边坡的应力场、位移场、结构面的接触状况以及边坡的稳定性明显受开挖效应的影响;在每一阶段的开挖面上,坡脚附近的水平位移量最大,最危险接触面也都集中在开挖形成的坡脚处,此处岩石最先脱落破坏;边坡的稳定性安全系数也随着开挖阶段的深入而逐渐降低。     

再论岩质高边坡稳定性分析方法

岩质高边坡稳定性分析是岩土工程中经典的研究课题,其假定不同,分析方法就不同。从现有稳定性分析方法中存在的问题入手,指出其存在的优劣性,在刚体极限平衡和有限元等传统边坡稳定性分析方法的基础上,提出了用有限单元法直接求解边坡稳定性。该方法的思路是用潜在滑动面上在开挖、支护完成后尚未发生滑动的所有滑面单元模拟边坡在各工况下的真实应力场和变形场,根据这个真实应力场直接计算边坡安全系数。结合现场即时监测手段和计算机仿真技术可逐步模拟边坡在分步开挖期间的稳定性。算例分析表明,该方法完善了刚体极限平衡法的不足,克服了强度折减法强度参数c、?值折减比例的难题,弥补了超载法力学方向不明确的缺陷。计算所得的边坡安全系数和稳定状态与工程实际相当接近,表明提出的方法是可靠有效的新方法,为复杂岩质边坡稳定性分析提供了新的思路和途径。     

大岗山水电站坝区初始地应力场反演分析

针对大岗山水电站坝区V型河谷地形地貌特征,根据地应力实测资料及地质构造条件,考虑边坡浅表全风化、强风化地层以及断层破碎带对坝区初始地应力场的影响,建立了坝区初始地应力场三维回归计算分析模型。通过多元回归三维数值计算,求得地应力最优回归系数,较为准确地反演了大岗山坝区的初始地应力场。计算结果表明,大岗山坝区初始地应力场是一个在浅部以构造应力为主、在深部以自重应力为主、由构造应力和自重应力联合组成的中等偏高的地应力场,研究结果为坝区边坡开挖及长期稳定性分析提供了重要依据。     

锦屏一级水电站左坝肩边坡数值模拟

锦屏一级水电站左岸边坡工程地质条件复杂,特别是由控制性软弱结构面切割形成的楔形体对左岸边坡的稳定性影响较大。工程中已采用系统预应力锚索支护和抗剪洞回填对楔形体进行加固处理。为了解两种支护措施及其施工工序对楔形坡稳定性的影响,采用数值模拟方法,对支护措施在不同工况条件下,边坡继续开挖进行模拟计算。通过不同工况数值模拟对比分析发现,系统锚索支护对限制塑性区发展起到了良好的效果,抗剪洞回填对限制楔形体底滑面的错动有非常明显的效果,及时进行锚索支护和回填抗剪洞是锦屏一级水电站左岸边坡在施工期乃至运行期间稳定运行的有力保证,通过控制性软弱结构面的位移变化趋势判断边坡稳定性是可行的。     

某大型水电站左岸高边坡开挖数值模拟及支护建议

应用3D-? 软件对西南某大型水电站左岸边坡开挖过程进行三维数值模拟,模拟结果表明：开挖坡面产生不同程度的张拉应力区域;缆机平台和拱肩槽槽坡底部产生一些竖直方向的回弹变形和水平向坡外的变形;5#梁山脊在拱肩槽开挖后将产生进一步的卸荷松弛,表层岩体稳定性将可能恶化,f42-9断层以上的大块岩体将是一个潜在的威胁;根据以上分析对开挖边坡制定了分层开挖、分层加固的方案,支护方案采用预应力锚索及排水系统的组合形式进行加固,支护后的稳定性计算表明,采用的支护措施是有效的,达到了工程设计的要求。     

岩质边坡渐进破坏的三维随机分析

层间错动带是岩体结构中普遍存在的一种地质现象,含错动带的岩质边坡三维分析更是岩土工程关注的难点问题。结合国内某高拱坝工程,根据岩体层间错动带的分布状况,利用等厚度节理单元模拟了坝区22层错动带和软弱夹层,利用Mohr-Coulomb准则确定节理单元的破环方式,提出了岩质边坡三维滑动面的确定方法,该方法考虑了岩石和错动带（软弱夹层）的随机性。利用弹塑性理论、可靠度理论和破坏追踪相结合的方法,通过3 000多次有限元的计算,得到了边坡滑动面的位置、形态、破坏的先后顺序、滑动的方向以及滑动到任何程度的概率度量。含层间错动带的岩质边坡渐进破坏模式可概括为边坡的破坏起始于层间错动带的剪切破坏。随着各层间错动带的破坏、边坡结构性能恶化,部分较薄的岩层变成不同支撑形式的板,然后部分岩层开始破坏,边坡开始滑动,形成一个或几个破坏台阶,直至失稳。     

Stability of Asymmetric Roof Wedge Under Non-Symmetric Loading

Summary. An analytical method is presented for the calculation of the load carrying capacity of two-dimensional asymmetric rock wedges when the loading on the joint faces is non symmetric, such as the case of an asymmetric wedge formed in the roof of a circular tunnel in an inclined stress field. The pull out force that causes yield at one of the joint faces is evaluated from formulae based on the limiting equilibrium conditions assuming a purely frictional joint resistance. Next, the total pull out force required for the secondary face to yield is calculated. During this step, the wedge is further displaced and while the primary yielding face is plastically deformed, the other face is still in the elastic range until failure. Validation of the analytical procedure is obtained with the UDEC code, which provides an implementation of the Distinct Element Method in two dimensions. When the assumptions made in the analytical procedure are valid, the analytically calculated values for the pull out resistance of the wedge are computed to be close to the numerically obtained ones.     

边坡危险滑动面及稳定安全系数的力学解析方法

为了分析边坡的稳定性,提出了一种基于极限平衡理论的分析方法。假定坡体为只受重力作用的弹性体,通过弹性力学解析解求得应力分布,将滑动面用分段二次多项式函数表示,当分段间隔足够小时,这种表示方式可以描述任意曲面形状,根据坡体滑面所满足的Mohr-Coulomb准则,定义边坡稳定安全系数,其为多项式系数的函数。通过混和罚函数优化方法可以求出最危险滑动面对应的多项式系数,获得边坡的稳定安全系数,从而判定边坡的稳定性。所提出的方法与以往方法不同,不用将滑体划分成垂直条块,不用假定滑面上的法向应力分布形式,而直接利用已有的坡体弹性应力解。算例表明:本文方法所得到的结果与简化Bishop法和有限元强度折减法获得的结果非常接近,且基本介于有限元法和简化Bishop法之间。     

考虑土体抗拉强度的边坡永久位移极限分析

通过野外观测与室内试验发现,边坡后缘往往存在拉应力区。拉应力区的存在会影响边坡的稳定性,而地震荷载的存在会放大这种影响。分析拉应力区对边坡稳定性的影响,当前主要采用的方式为:对强度准则中抗拉强度进行折减（即张拉截断）。文章通过极限分析上限原理和拟静力法,推导出边坡临界加速度计算方程。以边坡在不同参数组合下的位移系数为基础,输入实测地震波,采用改进的Newmark法对边坡进行位移分析。文章算例的结果表明:拉应力区的存在会大大降低边坡临界加速度,土体在完全张拉截断下的临界加速度对边坡可能会产生超过50%的折减。拉应力区的存在也可以使永久位移达到传统的摩尔库伦理论计算值的2倍之多。文中所有的结果皆以图表形式展示,非常便于理解以及读取数据。