岩质边坡楔形体锚索加固方向角三维优化设计

以岩质边坡中常见的楔形体滑动为研究对象,研究其最优锚固方向角的计算方法。将锚索自由段单位长度能提供的最大抗滑增量作为目标控制变量,将坡面和两组滑动面的特征参数与锚索设计参数作为优化控制自变量,通过坐标系转换建立线性方程组对锚索的预拉力进行分解,得到用于锚固方向角三维优化的新计算方程。在该方程的基础上,借助导数法和Matlab软件中的fmincon函数分别对锚索加固方向与坡面走向垂直的二维优化方式和锚索加固方向不受限制时的三维优化方式下的锚固方向角进行了优化。最后通过算例与工程实例分析相结合,证明了推荐的最优锚固方向角计算方法的有效性与先进性。新方法可进一步提高锚索的锚固效益,减少锚索的总用量,降低边坡的支护费用。     

Influence of rock property correlation on reliability analysis of rock slope stability: From property characterization to reliability analysis

Cohesion(c) and friction angle(φ) of rock are important parameters required for reliability analysis of rock slope stability. There is correlation between c and φ which affects results of reliability analysis of rock slope stability. However, the characterization of joint probability distribution of c and φ through which their correlation can be estimated requires a large amount of rock property data, which are often not available for most rock engineering projects. As a result, the correlation between c and φ is often ignored or simply assumed during reliability studies, which may lead to bias estimation of failure probability. In probabilistic rock slope stability analysis, the influence of ignoring or simply assuming the correlation of the rock strength parameters(i.e., c and φ) on the reliability of rock slopes has not been fully investigated. In this study, a Bayesian approach is developed to characterize the correlation between c and φ, and an expanded reliability-based design(RBD) approach is developed to assess the influence of correlation between c and φ on reliability of a rock slope. The Bayesian approach characterizes the sitespecific joint probability distribution of c and φ, and quantifies the correlation between c and φ using available limited data pairs of c and φ from a rock project. The expanded RBD approach uses the joint probability distribution of c and φ obtained through the Bayesian approach as inputs, to determine the reliability of a rock slope. The approach gives insight into the propagation of the correlation between c and φ through their joint probability into the reliability analysis, and their influence on the calculated reliability of the rock slope. The approaches may be applied in practice with little additional effort from a conventional analysis. The proposed approaches are illustrated using real c and φ data pairs obtained from laboratory tests of fractured rock at Forsmark, Sweden.     

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。     

岩质边坡预应力锚索加固的优化设计方法

预应力锚固是改善岩质边坡稳定性的主要手段,尤其在水利水电工程建设中,通常采用预应力锚索(杆)来加固不稳定的边坡。然而,至今为止,用于确定预应力锚索长度、间距、锚孔直径及单束锚索荷载等参数的设计方法仍然是没有很好解决的问题,所用方法大多过于保守。在分析锚固系统失效模式的基础上,应用优化与决策分析的理论,提出了确定岩锚设计参数的优化方法,并分别对锚固间距、锚固角、锚索荷载及内锚段长度进行了优化分析。实践证明了该方法的经济性及可行性。     

某高陡边坡崩塌落石运动特征分析及其防治

长白山天池观光长廊段边坡于1998年8月1日发生崩塌,导致重大的伤亡事故,天池地区旅游业遭到重创。为对其治理,以该段边坡为例,对其地质条件进行了详细分析,阐述了边坡岩体特征、边坡形态、岩石物理力学特性以及雨水、风化等内外营力的综合影响是崩塌产生的原因。根据崩塌落石运动与边坡高程相关的特征,对其运动速度和运动轨迹进行了分析,在此基础上提出了"缓坡段拦截"和"陡坡段遮挡"的防治措施。     

Confidence level-based robust design of cantilever retaining walls in sand

Reliability-based geotechnical design entails accurate sample statistics (i.e., mean and standard deviation or coefficient of variation, denoted herein as cov) of soil parameters. However, the cov values of soil parameters are difficult to determine with confidence due to the limited availability of high-quality data and inherent spatial variability. As a result, estimated cov values of soil parameters can vary within a wide range, which can result in overdesign or underdesign. In this paper, a confidence level (CL)-based method is proposed to address the problem of geotechnical design in the face of uncertainty. Here, CL is a measure of confidence that the target reliability index will be satisfied in the face of uncertainty in the estimated cov. The proposed method is demonstrated through the design of a cantilever retaining wall in sand. To ensure the practicality of the proposed method, a simplified approach was developed, which requires little extra effort over that required for traditional reliability-based design. To develop the CL-based method further, a metric called the “true reliability index” is proposed, which is the actual reliability index in the face of the uncertainty in the estimated parameter statistics (mainly cov).     

节理分量式剪切本构模型及岩质边坡双安全系数研究

在法向荷载和切向荷载的作用下岩体节理的剪切应力由抗剪断效应、剪胀效应和摩擦效应所引起的三部分应力构成,但三个组成部分在节理的剪切过程中并不是同时发挥其最大作用。在详细分析边坡岩体节理工程地质特性的基础上,提出一种节理分量式剪切本构模型,主要特征为（1）体现了剪胀与剪切之间的耦合效应;（2）采用分量式表达,物理意义更明确;（3）每一分量采用简单函数,避免了总量式分段构造函数的不足。在节理分量式本构模型基础上,提出应用于岩质节理边坡的双安全系数的概念和求解原则,双安全系数能够较好地反映岩体节理剪切破坏直至残余强度的物理过程。最后,通过双安全系数算例明确了各个分量对于边坡稳定性的贡献。     

预制节理岩体试件强度及破坏模式的试验研究

采用相似材料模型试验对不同节理倾角、节理贯通度、节理组数、载荷应变率、试件长径比、节理充填物厚度及类型等7种工况下的预制节理岩体在单轴压缩下的峰值强度及破坏模式进行了研究。结果表明：节理岩体的破坏模式及峰值强度与节理构造形态密切相关。贯通节理岩体将产生沿节理面的剪切破坏或穿切节理面破坏,且与第1种破坏模式对应的岩体峰值强度更低。非贯通节理岩体的强度介于完整岩体和贯通节理岩体之间。随着平行节理组数的增加,岩体峰值强度逐渐下降。随着载荷应变率的增加,岩体峰值强度逐渐增大,相应地试件的破坏模式也变得更加复杂。试件长径比基本没有改变其破坏模式,完整试件仍主要是以张拉破坏为主,而节理试件仍以剪切破坏为主。随着长径比增加,试件峰值强度逐渐增大。随着节理充填物厚度增加,试件峰值强度降低。不同节理填充物对试件峰值强度也有一定影响。     

兴山县龙王嘴边坡稳定性分析与加固设计

龙王嘴边坡系坡高达70 m、坡角达70 °的高陡岩质边坡。分析了宜-秭公路石峡段龙王嘴高边坡变形的地质条件,在定量评价龙王嘴高边坡稳定性的基础上,进行了该高边坡的施工图加固设计。根据其特点将350 m长的坡段分为A,B,C三个区,分别采取预应力锚索与锚杆加固、挂网喷射混凝土支护和喷射混凝土支护等措施,实践证明,工程治理效果良好。     

岩石边坡滑移失稳的地球物理响应特征

根据边坡滑移失稳的地球物理模型,研究了岩石边坡失稳的电阻率、瑞利面波基阶模的相速度、波数等响应特征,揭示了边坡从稳定→失稳演化过程的电阻率、瑞利面波基阶模频散特征变化规律,从而实现了边坡失稳的电阻率、瑞利面波基阶模相速度、波数响应特征的提取。这些特征信息的获得为利用电法勘探方法、瑞利面波法探测岩石边坡失稳的滑动面或结构面位置提供了依据,同时为实时观测,预测预报岩石边坡失稳提供了理论支撑。     

基于岩体质量的红层软岩边坡坡度设计公式研究

在前人研究基础上,对四川、重庆及云南等西南地区221个红层软岩边坡现场调查研究,通过统计分析建立基于岩体质量评价方法的软岩边坡坡度设计公式,分析了不同软岩边坡坡度设计公式之间的差异。将建立的坡度设计公式运用在工程实例,结果表明,其建立的坡度公式是合理可行的,可供红层软岩边坡设计参用。     

碎裂岩石路堑边坡稳定性评价与安全防护设计

以湖北省209省道宣恩段东门关隧道进口段的典型碎裂结构路堑岩质边坡为例,针对该边坡工程地质、水文地质、岩体结构特征以及前期变形破坏迹象,判断出边坡的变形破坏模式。在此基础上,通过现行规范推荐的不平衡推力法,对边坡的稳定性进行评价,并进行了安全防护设计。在设计过程中,针对常规技术容易出现的冒顶剪出、桩间土挤出和锚索预应力损失衰减等问题,提出避开使用此类技术,而采用削坡、锚杆、格构以及挡墙等措施,试图为解决碎裂结构岩石路堑边坡的分析与防护难题提出一种新的思路。     

节理岩体动态破坏的SHPB相似材料试验研究

采用相似材料模型试验对不同节理倾角、节理贯通度、节理条数、载荷应变率、节理充填物厚度、节理充填物类型及试件长径比等7种工况下的节理岩体动态强度及破坏模式进行了分离式Hopkinson压杆(SHPB)试验研究。结果表明：节理岩体动态破坏模式及强度与节理构造形态密切相关。对于单节理岩体,其强度及破坏特征在很大程度上受节理倾角控制,节理倾角0°、90°试件动强度分别为完整试件的90%和71%,且其破坏形式均为张拉破坏;倾角60°试件动强度几乎为0;倾角30°、45°试件的动强度分别为完整试件的50%和18%,且其破坏以剪切破坏为主,兼有张拉破坏。中心1/4、1/2、4/5及全贯通节理试件的峰值强度分别为完整试件的95%、74% 、28%和17%,即随节理贯通度增加,试件动强度逐渐降低。含1~3条节理的试件动强度分别为完整试件的54%、23%和10%,即随节理条数增加,试件动强度随之有较大幅度降低,但节理条数的增加并没有改变其破坏模式。随着节理充填物厚度增加及节理充填物强度降低,试件强度依次递减,但破坏模式并没有改变。完整试件和节理试件的动强度均随着载荷应变率的增加而变大,且前者对载荷应变率的敏感性要远远高于后者,相应地试件的破坏模式也变得更加复杂。两类试件的动强度均随着试件长径比的增加先增大后减小,即存在一个最佳长径比。     

Robust design in geotechnical engineering – an update

This paper presents an update for the robust geotechnical design (RGD) methodology, which seeks an optimal design with respect to design robustness and cost efficiency, while satisfying the safety requirements. In general, the design robustness is achieved if the system response is insensitive to the variation in the uncertain input parameters (called “noise factors”). In other words, a design is considered robust if the system response exhibits little variation, even though there is high variation in the input parameters. Robust design achieves this desirable outcome by carefully adjusting ‘design parameters’ (i.e., the parameters that can be controlled by the designer, such as the geometry and dimensions) without reducing the uncertainty in the noise factors. In this paper, the existing RGD methodology is updated with a gradient-based robustness measure and a simplified procedure for seeking the knee point. The RGD methodology and its simplified version (with new updates) are illustrated with three design examples. The results presented in this paper show that the RGD methodology and its simplified version are effective design tools that considers safety, cost and design robustness simultaneously. The advantages of the simplified RGD approach are discussed.     

基于GIS与数值模拟软件耦合的三维边坡建模方法及其稳定性研究

基于地理信息系统(GIS)和数值模拟软件,提出了一套适用性强,运行流畅的三维边坡建模和模拟计算技术方案。此方案能充分利用复杂边坡的勘察历史资料,真正实现了从勘察数据处理-建立三维边坡模型-稳定性分析-结果反馈的边坡模拟全过程。为建立满足精度要求的模型,深入探讨了地表和土层的建模理论和方法,借助GRASS完成边坡的三维建模,并对已建模型进行详尽的误差分析,为量化建模质量提出了相应方法。用Python语言实现GIS和数值模拟软件的耦合,通过多个自主编写的程序和数据接口,完成不同平台间的数据传递和格式转换,避免了传输过程中数据的丢失或失真,还可深度挖掘已建模型的数据。借助杭口岭隧道工程实例,对此方案进行验证。分析结果表明,利用此方案建立的三维边坡模型,建模速度快,精度高,能准确地反映真实边坡的情况,并搜索到边坡潜在的最危险区域。     

考虑能量-时间分布的边坡动力可靠性分析新方法

提出一种考虑能量-时间分布的边坡动力可靠性分析方法。该方法将动态最危险滑动面及其稳定系数以时间序列加以刻画,并根据边坡动力反应的能量分布特征,提取持续时间统计窗,用于对上述时间序列的统计分析,以获取边坡动力模糊失效概率、边坡动力可靠度指标和基于保证率的边坡动力稳定系数。以澳大利亚计算机应用协会边坡稳定考核题为例,应用上述新方法考察其在芦山7.0级主震波形条件下的稳定性,研究了在不同统计窗下的边坡动力可靠性。案例分析表明： （1）新方法能够抓住影响边坡动力稳定的主要时间段,使分析结果更为凝练、可信。（2）通过引入边坡失效状态的模糊判别,使得可靠性评价中能够考虑模糊性,解决了以往常规方法区分度不够的问题。（3）基于保证率的边坡动力稳定系数具有很好的应用前景,它在内涵上体现了可靠性分析,在形式上与静力稳定系数的定义兼容,在数值上反映了边坡瞬时动力稳定系数的保守估计值,在实践上与现行规范的拟静力法具有良好的可比性,因而具有多方面的优势。（4）就本案例而言,动力条件下最危险滑动面的发育位置趋向于静力条件下的最危险滑动面,体现了依据静力和拟静力理论框架所进行的防护工程设计,在动力条件下仍然具有积极的意义。（5）新方法对定量研究现行边坡规范的抗震设计冗余提供了一条途径。提出的新方法为边坡抗震研究提供了新的思路、方法和可供参考的实例。     

层状岩石边坡倾倒破坏过程的数值流形方法模拟

层状岩石边坡的倾倒破坏是岩石边坡失稳破坏的主要形式之一.本文利用数值流形方法对一层状岩石边坡的倾倒破坏过程进行了模拟.模拟结果表明:在不考虑块体间粘结力的情况下,块体间的摩擦角决定着岩石边坡的稳定性.随着摩擦角的增加,块体间的摩擦系数增大,岩石边坡的稳定性增强,并出现相应的滑动区、倾倒区和稳定区.模拟结果与相应的理论预测结果相吻合.     

基于岩石长期稳定性的工程寿命预估研究

为了从岩石蠕变特性的角度对岩石工程的时效作用进行理论研究,通过对改进的西原蠕变模型进行理论分析,模拟微分方程数值曲线,从而得出与时间相关的蠕变加速度失稳判据;结合蠕变模型第三阶段的非线性特性,采用趋近系数对蠕变稳定阶段进行预测,对于非衰减蠕变破坏,通过破坏倾斜角进行预估。揭示了岩石第三阶段蠕变失稳的机理和规律,为预测岩石工程的失稳破坏及其寿命预估提供新的理论依据。     

岩质边坡动态开挖模拟的复合单元模型

复合单元法是一种具有高效建模能力的数值模拟方法,适合用于岩质边坡的动态设计,能够实现模型中结构面、加固措施和开挖面三部分的快速调整。目前复合单元法已经完成对结构面和加固措施的模拟,但还未实现对开挖面及开挖过程的模拟。针对该问题,借鉴复合单元法中结构面模拟的方法,同时结合新的开挖算法,建立了复合单元开挖模型,并使用FORTRAN语言编制了相应的程序。基于边坡开挖算例,与有限元结果的对比,验证新方法的可行性。     

Efficient system reliability analysis of rock slopes based on Subset simulation

How to efficiently assess the system reliability of rock slopes is still challenging. This is because when the probability of failure is low, a large number of deterministic slope stability analyses are required. Based on Subset simulation, this paper proposes an efficient approach for the system reliability analysis of rock slopes. The correlations among multiple potential failure modes are properly accounted for with the aid of the “max” and “min” functions. A benchmark rock slope and a real engineered rock slope with multiple correlated failure modes are used to demonstrate the effectiveness of the proposed approach.