基于固有振动频率的滑移式和坠落式危岩块体稳定性评价模型研究

危岩块体的失稳多表现为突发崩塌破坏,无明显位移特征,因此常规位移监测难以达到监测预警的目的,此外影响危岩块体稳定性重要参数之一的危岩块体与母岩粘结面积难以获得,导致危岩块体稳定性评价困难。本文以危岩块体为研究对象,假设危岩块体均质各向同性,主控结构面为单个平面,系统阻尼比小于1,在振幅范围内的变形为线弹性变形,则可将危岩块体振动模型简化为弹簧振子模型。通过理论推导建立了危岩块体固有振动频率、危岩块体与母岩粘结面积、弹性模量和危岩块体质量之间的关系,再结合极限平衡模型,建立了基于固有振动频率的危岩块体稳定性评价模型。以白河堡水库右岸的危岩块体为试验对象,利用无线振动传感器(微芯方),将采集到的数据采用傅里叶变换等数学方法得到危岩块体固有振动频率,再结合固有振动频率与危岩块体粘结面积、弹性模量、危岩块体质量之间的关系,计算出块体粘结面积,最后基于该模型完成危岩块体稳定性评价。试验验证了基于固有振动频率的危岩块体稳定性评价可行性,相比传统方法更加快捷、准确。     

关键块体系统锚固法在加固边坡危岩中的应用

基于Goodman-Shi的块体理论和A.R.Yarahmadi Bafghi的关键块体群理论,提出确定危岩边坡关键块体和关键块体系统的几何分析法和矢量分析法,建立边坡危岩的地质模型和力学模型,分析危岩体破坏机理,针对不同变形破坏机理的关键块体系统提出合理、安全和经济的危岩边坡加固新方法--关键块体系统锚固法（KSA法）。通过建立集丹公路K49+790 m-K55+550 m段危岩边坡的地质模型和力学模型,结合其坡体及岩体结构特征,分析边坡危岩体变形破坏机理和锚固机理,提出顶部危岩清除、碎裂结构坡面喷射混凝土、块裂结构坡面挂网和块状岩体锚固的清-喷-网-锚联合锚固的系统锚固方案,加固该段危岩体。运用该法锚固方案较传统方法节省锚杆35%、SNS网32%及腰梁19%。     

G 109国道拉萨—羊八井段喀努纳危岩体变形破坏模式及稳定性分析

喀努纳危岩体发育于青藏铁路、G109国道和京藏高速公路的交汇路段,对交通工程施工建设和安全运营造成极大威胁。为了评价喀努纳危岩体的稳定程度,同时查明潜在崩塌的失稳条件和主控因素,深入系统地分析了危岩体的地质背景、发育特征及潜在变形破坏机理。利用块体理论和离散元方法,分别研究了自重条件和地震荷载作用下危岩体的稳定性及动力响应。研究表明,危岩体纵向上可以分为上部坡顶整体崩塌源、中部基岩裂隙带和下部块石堆积区,出露有4组优势结构面。通过计算得出,在自重条件下,危岩块体处于基本稳定状态;在地震荷载作用下,危岩体将会以剪切滑动、断裂坠落方式失稳;短时强震加剧了喀努纳危岩体内部损伤的累积。最后,文章给出了针对性防治和监测预警的建议。     

岩质边坡声发射特征及失稳预报判据研究

在分析岩质边坡失稳过程中岩体力学性质和声发射产生的微观机理基础上,通过岩石声发射试验和岩质边坡声发射监测实例,研究了岩质边坡声发射特征,提出了岩质边坡失稳破坏的基本力学分类及其声发射的监测预报方法和判据,实现对岩质边坡失稳的预测预报。研究结果表明,边坡破坏前存在一次或多次声发射高峰。应用AE技术可以确定边坡在变形过程中应力集中活跃区;以抗滑力减小为主的岩质边坡,其失稳预报判据为大事件率在15次/ min以上,预报时间为几分钟至数小时。以下滑力增大为主的岩质边坡失稳的预报判据为大事件率在26次/ min以上,破坏时间为第一次声发射峰值期后的30～45 d。     

含消落带劣化岩体的危岩边坡动力累积损伤机制研究

对消落带劣化岩体及水库诱发地震共同影响下三峡库区某典型危岩边坡的稳定性进行了研究,设计并开展了几何相似比为1:100的振动台模型试验,探讨了含消落带劣化岩体的危岩边坡动力累积损伤—失稳破坏演化全过程及其动力响应规律。研究表明：含消落带劣化岩体的危岩边坡动力累积损伤—失稳破坏全过程可归结为坡体内部损伤累积—裂隙发育—次级节理与深大裂隙贯通—失稳倾倒,同时伴随消落带岩体表层松动—掉落—破坏及内部出现渗流网—形成渗流通道—形成“凹腔”的复合破坏模式;随着地震动的持续,危岩体内部动力响应规律具有典型的“趋高”及“趋表”效应,危岩边坡表面累积位移不断增加,消落带处孔隙水压力整体增加,危岩边坡内部水平向及竖直向土压力在全阶段中整体均呈先增大后减小的规律;危岩边坡自振频率及阻尼比在全阶段整体呈减小和增加的趋势;在小震结束前阶段及强震阶段,危岩边坡损伤度曲线分别呈“S”型分布和指数型分布。     

缓倾切向岩质边坡顺层滑动典型工程案例研究

本文以层间发育有软弱夹层的缓倾角切向岩质边坡为研究对象,通过对边坡失稳变形特征的研究,分析边坡变形的影响因子,认为坡体后缘贯通的张拉破裂面与软弱夹层将坡体切割成规模不等的块体,边坡大范围开挖而又不作支护处理致使块体在顺层方向存在陡峻临空面,外倾的软弱夹层在雨水反复浸蚀作用下力学强度不断降低并演化为滑面,随着时间效应的累积以及机械施工振动、静水压力等不利因素的复合作用影响,当块体下滑力大于抗滑力时,边坡将会发生顺向滑移—拉裂破坏。同时采用层次分析法对影响因子进行分析,得出前缘开挖卸荷、降雨及软弱夹层是导致边坡失稳变形主控因子的结论。     

三维复杂块体系统边坡深层加固条件下稳定性及破坏机制模型试验研究

白鹤滩水电站左岸为强卸荷岩体三维复杂块体系统高边坡,采用三维地质力学模型试验,进行了边坡变形特性、失稳破坏过程、破坏机制、边坡稳定性及加固处理效果研究。模型试验表明,边坡失稳模式为块体滑动破坏,破坏形态表现为底滑面的剪切破坏和后缘结构面的拉裂破坏以及块体沿底滑面和侧滑面的滑动。边坡破坏过程为模型结构面初裂、结构面组合块体边界贯通、最终至边坡整体失稳3个阶段。采用地质力学模型试验综合法获得了左岸块体系统边坡整体稳定安全系数,典型块体稳定安全系数与三维刚体法及块体单元法(BEM)计算成果对比基本一致,模型试验综合法安全系数相对较大。同时,针对层内错动带LS_(337)界面部位相对变位监测表明,深层混凝土置换洞加固有效地控制了底滑面的滑动变形,提高了相关结构面组合块体的稳定性,边坡加固效果较为明显。研究成果对白鹤滩工程左岸强卸荷区三维复杂块体系统边坡及类似工程边坡稳定性及加固处理具有重要的指导意义。     

岩腔后退近水平砂-泥岩互层危岩稳定性研究

岩腔后退是三峡库区重庆段近水平砂-泥岩危岩稳定性改变的关键。基于岩腔平行后退理论,提出了岩腔泥岩后退的剪切破坏和拉破坏力学机制,考虑岩腔后退参数提出了3类危岩体稳定性计算方法,结合重庆万州太白岩危岩稳定性计算得到如下结论:采用本文方法计算得出滑塌式危岩W12、倾倒式危岩W22、坠落式危岩W4处于稳定状态,倾倒式危岩W59处于欠稳定状态,而坠落式危岩W16处于基本稳定状态,这与2008~2013年现场监测情况相吻合。针对滑塌式危岩W12讨论得出,最小主应力随时间呈线性降低趋势,随着最小主应力持续降低,泥岩先产生剪切破坏后发生拉破坏,泥岩破裂角随着最小主应力降低不断降低;随着岩腔深度加大,稳定系数呈凹曲线降低趋势,岩腔后退是危岩失稳的根本原因;存在一临界岩腔深度,此岩腔深度下危岩将发生失稳破坏,并可据此预测危岩失稳时间。     

雷波县莫红集镇后山危岩的成因机制及稳定性分析

基于莫红集镇后山危岩的地层岩性与坡体结构、工程地质、水文地质、岩体结构特征及危岩变形破坏迹象，岩体为含磷粉砂岩及灰质白云岩，危岩具有较为破碎的岩体结构及良好临空条件，在差异风化、卸荷以及裂隙水等作用影响下，稳定性将逐渐降低，最终破坏失稳。通过稳定性分析，危岩在暴雨工况下处于欠稳定～不稳定状态。危岩区单体危岩有可能产生较大规模整体变形破坏，可能产生的变形破坏将以倾倒式和滑移式崩塌为主。根据对该崩塌的稳定性分析与评价结果，提出采取被动网+拦石墙+危石清除+监测预警等工程进行综合治理的防治措施，为后期治理提供科学依据。     

节理岩体关键块体稳定的概率分析

基于地下岩体受节理面的控制,节理面的几何和力学参数随机分布,从而导致岩体系统具有高度不确定性,提出以关键块体理论为基础,考虑节理几何和力学参数随机性的岩体开挖可靠度分析方法,并给出了块体稳定的总失效概率评价模型。以澳大利亚阿德莱德地区一铜矿地质条件为例,以节理面倾角、倾向、摩擦系数和黏聚力为随机变量,通过Monte Carlo模拟和概率图方法,进行了岩体可靠度和失效概率的计算。最后,采用条件概率的分析方法,计算了单面滑动块体的总失效概率。计算结果表明,块体沿单面滑动并且出现的概率为11.0%,总的失效概率为3.85%,超过一般岩体工程可允许的风险水平,认为该方法可以作为评价块体可靠性的依据。     

块系岩体滑移失稳中低摩擦效应的理论与试验研究

深部岩体具有块状层次结构,深部动载造成岩块发生相互间的振动脱离产生低摩擦效应,从而极易诱发原先处于平衡状态的岩体的动力变形破坏。在前人研究基础上,将块系岩体振动简化为等效质量-黏弹性模型,引入岩石摩擦滑移速率弱化模式,最终得到块系岩体滑移失稳计算模型。通过计算分析块系岩体自身特性及外荷载特性对岩块间低摩擦效应的影响。理论计算表明：水平静力及外扰动保持不变,增大岩块间弹性系数或者减小黏性系数,更容易引发岩体低摩擦滑移。随着冲击扰动、水平拉力幅值的增加,岩块的水平残余位移量值增加,当它们幅值超过一临界值时,岩块发生自持续滑移失稳运动。冲击扰动诱发岩块间不可逆位移、动力滑移失稳的临界能量与剪切力水平密切相关,在较大的剪切内力条件下,极其微弱的动力扰动即可诱发较大的岩块间不可逆位移甚至岩块的动力滑移失稳,随着剪切内力的减小,诱发岩块滑移失稳的能量阈值不断增大,当剪切内力低于岩块动摩擦强度时,单次冲击扰动只能诱发岩块间的不可逆位移。初步开展扰动诱发含初应力紫砂岩块体滑移试验,试验结果与理论计算基本符合,证明该模型的可行性。     

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。     

基于极限超载的无衬砌浅埋土质隧道稳定性研究

为了从理论上判别和度量无衬砌浅埋土质隧道的稳定性,考虑拱形隧道洞身范围斜向滑裂面作用,采用极限平衡法导出隧道发生整体失稳时的极限超载与稳定安全系数理论解,并通过既有典型加载试验进行验证。浅埋隧道极限超载理论解与典型加载试验结果较接近,在此基础上,将抗滑力与滑动力之比定义为整体稳定安全系数,并分析其影响因素。研究表明,稳定安全系数随黏聚力、内摩擦角的增大而增大,黏聚力对其影响显著,而内摩擦角对其影响不显著;稳定安全系数随隧道跨度、覆跨比、超载的增大而减小,但超载越大对稳定安全系数影响越小;随着高跨比的增大,若黏聚力较低则安全系数减小,若黏聚力较高则安全系数先增大后减小。通过典型的加载试验对整体稳定安全系数进行了校验,表明稳定安全系数计算值基本满足工程允许误差要求。     

基于物质点法的土体流动大变形过程数值模拟

土体滑坡作为一种自然地质灾害,受自然因素和人类活动的影响在我国时有发生,给周围居民的生命和财产安全带来了很大威胁,日益受到人们的广泛关注。滑坡防治也逐渐成为工程研究的热点之一。土体本质上是一种具有复杂组成结构的颗粒材料堆积体,通过对颗粒流动的模拟可以深入理解自然界中的土体流动现象,如滑坡、泥石流等,进而预测灾害破坏范围及改进相应工程防护措施。但由于土体流动是一个涉及大变形及大位移的复杂流动过程,传统的基于网格的有限元法（FEM）由于网格畸变,并不适合这类问题的研究。本文采用物质点法（MPM）模拟土体流动大变形问题。作为一种源于particle-in-cell（PIC）法的无网格法,兼具欧拉法和拉格朗日法的优点,因而,物质点法在处理大变形问题上具有独特的优势。目前,国内外利用物质点法模拟边坡滑动问题已有不少研究,但对相关参数进行敏感性分析的较少。本文基于物质点法模拟了黏性土体及无黏性土体流动大变形问题,并进行了参数敏感性分析,包括土体材料的内摩擦角、黏聚力、高宽比、底面坡度对土体滑动距离的影响规律。本文计算中采用Drucker-Prager（DP）弹塑性本构模型描述土的非线性特性。研究结果表明:（1）基于物质点法得到的土体的流动形态、滑动距离以及自然休止角等数值模拟结果均与文献中的实验结果基本吻合,验证了物质点法模拟土体大变形力学行为的精度及有效性;（2）随着内摩擦角、黏聚力的增大,滑动距离相应减小;（3）坡度对边坡稳定的影响是显著的,随着底面坡度的增大,滑动距离相应增大;（4）当土柱高宽比较小时,与滑动距离呈线性增长关系。其中,内摩擦角和黏聚力反映了土体的抗剪切性能,因此通过工程措施提高土体的抗剪能力可以降低土体滑坡带来的危害。研究结果为探索土体滑动破坏规律,降低滑动破坏范围提供了可靠的参考。     

岩石边坡动态稳定性的初步探讨

许多工程问题涉及岩石边坡的动态稳定性。地震引起的坝肩岩体变形,露天矿山爆破造成的岩石边坡滑动,以及在岩石边坡上建筑物基础由于机械振动而发生的破坏等都与岩体动态稳定的现象有关。然而,有各种振源,它们对岩体的作用很不相同。岩体受振时具有各种频谱特性。在稳定分析中必须考虑这个因素。此外,受动力作用的岩石边坡总是处于初始的静力状态。动态分析不应与静态稳定性割裂开来。在野外及实验室试验的基础上,本文提出在动力和静力同时作用下岩石边坡稳定分析的一种途径。     

深层高压注浆加固古滑坡滑动带试验及效果分析

通过深层高压注浆法加固混碎石黏土古滑坡滑动带的成功工程实例,结合各种检测手段及有限元弹塑性分析,阐述对混碎石黏土古滑坡滑带土实施深层高压注浆加固的机制;测试和分析了滑动带压力注浆前后物理力学参数的变化特征;计算了注浆前后滑坡的剩余下滑力及安全系数。电镜观测表明,水泥浆液对于滑动带岩土体的充填置换率可达到5%～10%;土工试验结果显示,滑动带土体黏聚力由20.20 kPa提高到39.54 kPa,内摩擦角由16°升高到21.30°;声波CT扫描试验表明,滑动带土体的声波波速增长约为31%。有限元弹塑性分析计算表明,滑坡由注浆前的不稳定状态变为注浆后的基本稳定状态,边坡剩余下滑力大幅减小,为支挡结构设计提供了优化依据。试验及计算分析结果表明,高压注浆法用于加固滑动带岩土体是可行的,经注浆加固后的滑动带岩土体的力学性能得到了明显改善,边坡安全性得到了提高。     

基于粘结和摩擦特性的岩石变形与破坏的研究

就微观结构而言,矿物颗粒之间或相互粘结或相互分离,Coulomb准则的粘结力和内摩擦力在局部不能同时存在.粘结力是在变形作用下丧失的,材料丧失粘结力之后通过摩擦承载.若承载能力降低,屈服破坏仅在局部断面发生,具有脆性特征;反之将发生分布的屈服破坏,具有延性特征.围压增加可以使裂隙能够承载的摩擦力超过岩石材料的粘结力,那么当轴向应力增加到粘结力时,材料发生剪切屈服产生塑性变形,而摩擦力不会增加到其最大值,裂隙也不发生滑移.利用摩擦的概念可以理解不同岩石的变形、承载和破坏随围压变化的特征.      

长江巫峡岸坡座滑式危岩稳定性研究——以望霞座滑式危岩为例

通过对长江巫峡望霞座滑式危岩调查研究表明,在川东平行岭谷一系列平行展布的背斜山、向斜谷的窄岭宽谷地貌格局控制作用下,长江巫峡横石溪背斜岸坡近水平的灰岩与页岩、泥岩软硬互层结构为座滑式危岩的孕育提供了有利条件;对危岩软弱基座矿物成分 X-Ray 衍射的结果表明,绿泥石、云母、蒙脱石等层状结构硅酸盐矿物含量较高,其抗剪强度低,容易产生滑动,易沿主控结构面方向形成潜在破坏面,导致岩体整体剪出,发生座滑破坏。根据危岩发育机理,将三峡地区座滑式危岩破坏过程归纳为四个阶段,即：拉裂阶段、扩展阶段、失稳阶段和后期破坏阶段;并基于极限平衡理论和岩体结构理论,推导了座滑式危岩破坏的两组结构面的应力表达式,建立了座滑式危岩稳定性分析的力学模型。将该方法运用到望霞座滑式危岩案例计算表明,天然状况下危岩稳定系数为1.19,属于基本稳定岩体;在饱和状态下,随后缘裂隙充水高度的增加其稳定系数递减,当裂隙充水高度为10 m 时,稳定系数为1.15,当裂隙充水高度为20 m 时,稳定系数为1.07。