滑带土抗剪强度参数的三维反分析

以滑面正应力修正模式的三维边坡稳定性分析方法为基础,建立了确定滑带土抗剪强度参数的三维反分析模型。先对滑坡体的稳定性进行调查评估,确定滑坡的安全系数与三维滑面的几何尺寸;然后,通过对滑面正应力进行合理假定与修正,建立了平衡方程,以强度参数为未知数,利用数学方法并结合试验、经验等手段求解出抗剪强度参数。该模型克服了二维反分析将会高估滑带土的抗剪强度参数的缺陷,而且计算过程简单,易于编程实现。两个简单算例表明,三维反分析模型可以考虑三维滑体的空间效应,得到的抗剪强度参数更真实、更符合实际情况,为滑坡治理提供参考。     

Three-dimensional reliability analysis of earth slopes

Reliability of cohesive soil slopes is assessed using a three-dimensional (3D) probabilistic stability analysis algorithm. Spatial variability of soil properties is represented by an anisotropic random field. Parametric studies are performed for a typical earth structure. The influence of the model parameters, including expected value, variance and correlation distance of soil shear strength, on the reliability associated to particular failure mechanisms is evaluated. The effect on reliability of the dimensions and shape of potential slip surfaces for a given random field is also assessed. It is shown that the mechanisms that contribute most significantly to global probability of failure of the slope may be quite different from those identified as critical by standard deterministic evaluations assuming soil homogeneity. Some practical implications of this fact are discussed.     

极限蓄水位下洞坪水库大沟湾滑坡稳定性预测

滑坡灾害具有很强的空间变异性和随机性,应作非线性动态系统考虑。利用传递系数法,反演出极限蓄水位时大沟湾滑坡在不同安全系数下临界状态的剪切强度参数关系,对试验得到的剪切强度参数进行分析,结合工程地质类比法,由统计方法得到滑带土剪切强度参数的分布规律,并生成随机剪切参数。假设Mohr-Coulomb准则在滑坡体自重应力范围内服从线性分布,由试验参数在? -? 坐标内的分布曲线,结合天然状况下滑坡体正应力范围得到c-? 包络多边形,由此考虑剪切参数相关性,筛选出有效的随机剪切参数。通过Monte Carlo模拟,统计有效样本与反演得到的不同安全系数条件下极限平衡c-? 关系曲线的位置分布关系,得到不同安全系数滑坡的破坏概率。对极限蓄水位条件洞坪水库大沟湾滑坡稳定状况进行预测,结果表明,滑坡届时处于极高风险状态,稳定性很差。结合蓄水过程中两次对滑坡体实地考察得到的滑坡体变形特征表明,研究结果吻合。     

基于桩土界面摩擦特性和桩周土体应力状态的基桩极限侧阻力分析

结合基桩承载过程中的桩周土体应力状态分析和桩土界面摩擦特性分析,推导出基于土体应力状态的沿桩土界面的土体抗剪强度计算模型和基于界面摩擦特性的界面抗剪强度计算模型。通过对比土体抗剪强度和界面抗剪强度,推导出受该两种强度耦合作用影响的极限侧阻力计算模型,并用上海某工程算例验证该模型的合理性和可行性,同时利用该模型分析不同类型的土的极限侧阻力随埋深的分布规律。结果显示：因内摩擦角和侧压力系数之间的不同关系,极限侧阻力随埋深表现出不同的分布特点,在特定关系下,存在一个临界深度,超过该深度极限侧阻力维持在一个稳定值甚至不断减小直至为零。     

Evaluation of stress strain non-uniformities in the laboratory direct simple shear test specimens using 3D discrete element analysis

The direct simple shear (DSS) device is one of the commonly used laboratory element testing tools to characterize the shear behaviour of soil. The interpretation of results from an element test requires understanding of the degree of stress and strain non-uniformities in a given test specimen. So far, studies on stress and strain non-uniformities in the DSS test have been conducted using direct boundary measurements of stresses in laboratory specimens supported by a continuum based analytical approach. Discrete element modelling now provides a means of modelling the soil behaviour in a realistic manner using a particulate approach. Accordingly, the performance of a DSS specimen was modelled using discrete element modelling with emphasis on assessing stress and strain non-uniformities in the specimen during shearing. The approach allowed for the numerical determination of stresses not only at the boundaries, but also within the DSS specimen. It was shown that mobilised stress ratio distribution throughout the shearing phase for the majority of specimen volume at locations near the central planes parallel and perpendicular to the direction of shearing is fairly uniform. Finally, it was noted that the potential for particle slippage at locations near the specimen centre can result in non-uniform shear strain distributions.     

滑坡稳定性分析的点安全系数法

建立滑坡数值计算的三维模型,将滑带离散为薄层8节点六面体单元,采用基于摩尔-库仑强度准则的理想弹塑性本构模型模拟滑带材料,通过数值计算,可获得滑带单元的三维应力状态和滑动方向。定义单元点安全系数为滑带单元抗剪强度与滑面上平行滑动方向的剪应力之比,定义滑坡整体安全系数为单元点安全系数对滑带面积的加权平均值。采用点安全系数分析滑坡的空间滑动机制,采用整体安全系数评价滑坡稳定性。算例分析表明,分析结果符合现场实际情况。     

横观各向同性土的简明破坏机制解释

由于沉积等作用使得天然土材料内部颗粒排列表现为各向异性。土材料的各向异性使得材料内各平面滑动的内摩擦角不同。因此,在分析各向异性土的破坏问题中,除了考虑来自外部的应力分布以外,还需考虑土材料内部的强度分布。以横观各向同性土为例,阐述了同时考虑材料外部应力分布与材料内部强度分布下各向异性土的破坏机制。为说明,文中假定横观各向同性土内部各平面的内摩擦角正切值随空间方向而线性分布。外部加载进行时,横观各向同性土材料内部各处的应力不断变化,当其内部某处首次出现的应力达到该处的强度时,土材料发生破坏。进一步通过类比得出：区别于金属,各向同性土不是在最大剪应力面而是在最大剪压比面发生破坏;区别于各向同性土,各向异性土不是在最大剪压比面而是在最大剪压强比面发生破坏。     

基于矢量和的滑面应力抗滑稳定分析方法

矢量和抗滑稳定分析方法根据真实应力状态定义求解安全系数,物理意义明确,一批学者对其进行了研究。但是当合法向力矢量投影与合剪力矢量投影的符号相反且其绝对值大于合剪力矢量投影时,矢量和法计算出的安全系数可能为负值;另外,目前潜在滑移面上每点极限抗滑剪应力矢量的方向是根据潘家铮最大、最小原理确定的,将其定义为潜在滑移体滑动趋势方向在该点切平面上投影方向的反方向,但是潘家铮最大、最小原理描述的是滑移体力学系统抗滑能力最大,按照矢量和法的定义式,抗滑能力包括抗剪力和法向抗力两部分。基于矢量和思想与以上关于矢量和法的思考,提出一种滑面应力抗滑稳定分析方法,将潜在滑移面视为薄滑移带,以薄滑移带作为对象进行微元受力分析,每个微元的极限抗滑剪应力矢量方向取为该微元剪应力矢量的反向,所有微元的极限抗滑剪力矢量和的反向定义为潜在滑移体滑动趋势方向,最终将极限合抗滑剪力矢量在滑动趋势反方向的投影与合滑动剪力矢量在滑动趋势方向的投影的比值定义为安全系数。较极限平衡法,方法自动满足静力平衡、力矩平衡和变形协调条件,无需受力模式假设;较强度折减法,新方法基于真实应力,物理意义更加明确,安全系数以显式表达,无需迭代;通过经典二维静态边坡考题,验证此方法的可行性;将新方法应用到三维工程实例中,分析潜在滑移体在边坡开挖过程中安全系数的动态演化规律,证明方法的实用性。     

考虑剩余剪应力的滑带土强度再生试验

用改造的直剪仪研究了滑带土再生强度与滑动面剩余剪应力比PRSS和强度再生时间的关系。结果表明,滑带土强度再生与上覆滑体压应力关系不大,但较高的剩余剪应力比PRSS妨碍滑带土强度再生,滑带土强度有效再生的界限PRSS在55%到70%之间。剩余剪应力比PRSS小于等于55%时,90 d时滑带土再生强度可达到慢剪强度的70%以上,PRSS大于等于70%时,90 d时滑带土再生强度不足慢剪强度的25%。滑带土强度再生过程中,黏聚力和内摩擦角增速不一致,PRSS小于等于55%时,黏聚力C在前30 d增速较快,30 d时增至慢剪强度[C]的44.6%,此后增速均明显放缓,90 d时其值为慢剪强度[C]的49%。内摩擦角φ在前90 d增速基本一致,90 d时其值占慢剪强度[φ]的90.4%。黏聚力和内摩擦角90 d以后均趋于稳定。     

土坡渐进破坏的可靠度

在考虑土的抗剪强度参数的变异性及相关性的基础上,以可靠度的方法研究土坡渐进破坏问题。将滑动面上的土体按等弧长划分为n个土条,假设每个土条的安全余量服从正态分布,相邻两个土条的安全余量则服从二元正态分布,根据土条破坏传播的概率,计算土坡渐进破坏的概率以及土坡中裂缝开展长度的期望值, 并对算例的结果进行了讨论。     

不同状态下黏性土剪切蠕变行为对比分析

低速滑坡的缓慢活动特征受其滑带岩土的蠕变行为控制。但是,新生型低速滑坡和复活型低速滑坡滑带岩土的蠕变行为显然分属于峰前状态和残余状态下的蠕变行为。两种状态下滑带岩土蠕变行为有何差异,国内外尚无明确认识。为此,本文以取自两个典型巨型低速滑坡——甘肃舟曲泄流坡滑坡和锁儿头滑坡滑带的含角砾黏性土为研究对象,分别采用直接剪切蠕变试验和直剪反复剪后的直剪蠕变试验方法,对比研究了峰前状态和残余状态下黏性土的剪切蠕变行为。研究发现,峰前状态和残余状态下,黏性土剪切蠕变均呈现阶段性,各阶段转换的临界剪应力均与正应力水平和角砾含量正相关。但是,峰前状态下黏性土蠕变具有明显的稳定蠕变阶段;残余状态下黏性土蠕变缺失这一阶段;前者加速蠕变临界剪应力大于后者、但小于峰值强度,后者加速蠕变临界剪应力略微大于残余强度。两种状态下,黏性土蠕变行为差异的根本原因在于土体内部的不同结构。     

倾斜基岩上的边坡破坏模式和稳定性分析

应用离心模型试验对工程中被颇为关注的带有与边坡走向一致的倾斜基岩面,且在该基岩面存在软弱夹层的边坡的稳定性和破坏模式进行了比较详细地研究,并用极限平衡分析方法对试验结果进行了计算分析。模型试验结果表明,该类边坡失稳时,紧贴岩面的软弱夹层就成为滑动破坏面,因而边坡整体沿基岩面向下滑动,且侧向水平位移各处基本一致,表现出典型的平移滑动破坏模式。将稳定安全系数的实测结果与按平移滑动破坏模式的极限平衡分析方法的计算结果相比较后发现,两者相当地吻合,证实了按平移滑动破坏模式所作的极限平衡分析,能良好地预测边坡平移滑动破坏情形下的稳定安全系数。     

Probabilistic analysis of reinforced slopes using RFEM and considering spatial variability of frictional soil properties due to compaction

Probabilistic stability analyses of constructed wrapped-face reinforced slopes (or embankments) using frictional soils were carried out using the random finite element method (RFEM). Soil properties reported in the literature for unsaturated frictional fills compacted to different densities were used in the simulations. Bar elements were added to the RFEM code to simulate extensible geosynthetic reinforcement layers and the Davis approach was used to improve numerical stability for purely frictional soil slopes at collapse. The influence of isotropic and anisotropic spatially variable soil strength was investigated and shown to have a large influence on the variation of maximum mobilised tensile forces in reinforcement layers for the steep 5 m-high slopes in the study. The influence of fill placed at different layer thickness and compacted to different levels was simulated by adjusting the soil strength and unit weight, and the vertical strength correlation length in the anisotropic spatially variable strength field used in each slope realisation. Numerical results showed that vertical strength correlation lengths approaching the magnitude of fill lift heights can control the probability of failure for reinforced slopes constructed with weak fills placed in lift heights close to but less than the wrapped reinforcement spacing used in the study.     

水电站坝的砂层地基地震液化可靠度研究

对四川地区江河上数座水电站坝基砂层的26组动力三轴试验资料进行了统计分析,基于动剪应力比法的液化判别方法推导了的地震液化的极限状态方程,使用蒙特卡洛随机抽样的方法计算了砂层液化的失效概率,并对某水电站的厂房地基砂层的液化可靠度进行了计算分析。研究表明,统计按粉砂样总体和中细砂样总体划分较为合理;砂层的动剪应力比可采用正态分布;电站砂层地基地震液化的最危险工况为,闸坝盖重加稳定的向上渗流及遭遇Ⅶ度地震荷载,为高液化风险,其液化概率随埋深加大而增大,最危险部位为砂层底板,对坝基砂层应进行抗液化处理。     

典型红层滑坡滑带土自愈合效应试验研究

在滑坡稳定性分析和设计计算中往往选用滑带土的残余强度值,但许多研究发现滑带土在稳定期会有自愈合现象发生,表现为抗剪强度的提高。对于以蠕滑为主的红层滑坡,自愈合恢复值应该在滑坡稳定性评价中予以考虑。通过对典型红层滑坡滑带土样进行“剪切―保持―剪切”试验,研究处于残余状态下的剪切面在不同法向应力、不同保持时间下的愈合情况,并进行相应的分析与讨论。试验结果表明：（1）残余状态下的土样在保持一定时间后再次剪切出现明显峰值,证明了剪切面自愈合效应存在,但是继续剪切时恢复的强度随位移快速消失;（2）随着保持时间的增长,剪切面的强度恢复值越来越大;（3）剪切面的自愈合相比法向应力更依赖于保持时间。将得到的摩擦系数值运用断层强度恢复经验公式拟合,提出不同法向应力下常数A的取值,可在滑坡安全系数计算中参考。     

基于机器学习的岩体结构面剪切破坏区域预测研究

剪切破坏区域是岩体结构面上下盘相对运动的主要接触区域,对抗剪强度具有重要影响。鉴于结构面剪切破坏区域与形貌特征的高度非线性关系,本文在分析结构面表面形貌特征及剪切机制的基础上,以粗糙度参数倾向、倾角、曲率、高差和孔径分布来描述结构面表面形貌特征。对结构面试样开展法向应力为1.0MPa的直剪试验,通过图像分割技术提取剪切破坏区域,利用多种机器学习方法构建结构面剪切破坏区域预测模型,建立结构面粗糙度参数与破坏状态之间的非线性关系,并采用训练准确率和AUC（Area Under Curve）值等指标对模型预测性能进行评估。结果表明所建立的模型中集成装袋树预测性能最好,其次是K最近邻,其训练准确率最高分别可达98.02%和97.38%,AUC值最高分别可达0.78和0.74。通过敏感性分析发现孔径分布对剪切破坏区域的影响最大。本研究对有效分析结构面的剪切破坏机理和准确评价抗剪强度具有重要意义。     

基于动态残余强度的不同含水率条件下滑坡稳定性研究

长时降雨会引起斜坡发生累进性破坏,在此过程中,滑带土将随含水率的变化达到不同含水状态下的残余强度。传统应变软化模型不能准确表达这一变化过程中滑带土残余强度的动态特征, 而引入动态残余强度的应变软化模型能更加真实地模拟含水率变化时滑坡稳定性的发展。基于此,文章对四川中江县垮梁子滑坡开展了野外调查工作,通过现场竖井获取滑带土,采用环剪试验研究了滑带土力学参数与含水率的关系,在此基础上建立了基于动态残余强度的应变软化模型,模拟了垮梁子滑坡在滑带土处于不同含水率阶段的发展情况。结果表明:含水率的增加使得滑带土抗剪性能显著衰减,峰值及残余抗剪强度呈近乎线性降低,残余强度参数则表现出三次函数型衰减特征。应用基于残余强度参数衰减规律建立的应变软化模型模拟了垮梁子滑坡的变形破坏过程,结果表明在滑带土含水率低于20%时,斜坡仅在前缘局部产生塑性区;当含水率达到22%时,斜坡中上部开始产生塑性区及未贯通滑动面;当含水率达到24%时,塑性区趋于贯通,滑坡进入加速变形状态,并于坡表产生张拉裂缝;当含水率达到26%时,滑坡处于失稳状态,坡表张拉塑性区及破坏面的发展与滑坡现状破坏特征高度吻合。该成果可为相关滑坡的稳定性研究提供一定的理论依据。     

不同环剪方式下滑带土残余强度试验研究

以三峡库区黄土坡滑坡滑带土为研究对象,利用环剪仪研究了黄土坡滑坡滑带土在单级剪、预剪以及多级剪3种环剪方式下的残余强度特征。试验结果表明：不同环剪试验下剪切带的形成与剪切位移相关;残余强度随有效法向应力的增大而增大,对于已经存在剪切带的滑带土,环剪时能很快达到残余强度状态;滑带土环剪轴向压缩分初始剪胀、颗粒运移压密和稳定压密3个阶段,且每个阶段剪应力变化趋势不同;预剪试验和多级剪切试验得到的残余强度偏大,应该首选单级剪切试验测试滑带土残余强度指标。     

硬土软岩滑坡近水平滑移的离心机模型试验研究

中国西北地区存在大量的新近纪硬土软岩滑坡灾害,为研究该类滑坡的变形特征,开展两组离心机模型试验模拟滑带劣化引起滑坡变形破坏的全过程,获取模型坡体土压及位移的实时变化曲线。研究表明,当软弱带强度降低时,硬土软岩滑坡的上部滑体呈块体状滑动,在快速运动滑动过程中,滑体呈现块状平移,不会彻底解体、液化;硬土软岩滑坡中前部出现水平应力集中,导致下伏滑带塑性流动变形,诱发其中前部上覆滑体的水平运动,并向滑坡后缘扩展,最终形成多级水平滑动。     

高应力状态下的黄土抗剪强度特性研究

土体抗剪强度包络线在一定的应力范围内可近似看做直线, 一般工程中直剪试验正应力和三轴试验围压常为0～400kPa, 试验可得出以黏聚力c和内摩擦角确定的强度。在黄土地区, 人工和自然边坡可超百米, 坡内应力自低到很高变化范围大, 对该类高边坡需考虑强度参数随应力状态的变化。本文先通过线弹性有限元模拟一黄土高边坡应力场。以潜在滑面上关键点的应力为固结应力进行三轴压缩试验(NCTC)。为了对比分析, 又进行了100kPa、200kPa、300kPa、400kPa围压下的三轴压缩试验(CTC)。结果表明, 考虑黄土高边坡应力状态时, 由总应力莫尔圆得到的强度包络线为曲线, 直线型莫尔-库伦强度准则不适用; 而有效应力莫尔圆的到的强度包络线可为直线, 其有效强度参数高于CTC试验。在-应力空间中, NCTC试验总强度包络线和有效包线均位于CTC试验强度包线之上, 抗剪强度高, 这同固结应力高且为偏压固结有关。