反倾层状岩质边坡倾倒变形机理与影响因素的离散元模拟

为进一步研究层状反倾边坡的弯曲倾倒变形机制,以离心试验为原型,通过离散元数值模拟,研究了层状岩质反倾边坡的变形机理与影响因素。通过预置层内随机裂隙,实现了破裂面的形成和贯通。研究结果表明：模拟结果与试验吻合较好,边坡变形可分为起始蠕变、稳态变形和失稳破坏3个阶段;边坡破裂面在达到破坏荷载（G_f）后瞬间贯通,呈直线型,产状受岩层倾角控制,G_f值与坡角幂函数相关;反倾边坡的破坏需满足倾角和坡角启动条件,且变形破坏与岩层所受弯矩关系密切,当倾角为70°~80°、坡角大于60°时,最易破坏;典型破坏模式有倾倒-折断-块体式、倾倒-弯曲-折断式、倾倒-反折式3种,其受倾角、坡角组合控制;对材料参数的正交试验表明,各参数对G_f的敏感性从大到小依次为密度、层面内摩擦角、层厚、密度比、层面黏聚力,且G_f与层厚、层面内摩擦角及密度比具有良好的线性相关性;层面内摩擦角可影响破裂面产状,从而控制变形体规模,其他参数仅影响G_f的大小。     

反倾边坡倾倒变形演化过程的模型试验研究

以西藏扎拉水电站坝址右岸反倾边坡为工程依托,基于地质认识及相似理论建立边坡物理模型,采用分级开挖的方式模拟河谷下切作用,研究反倾岩质边坡倾倒变形的演化过程。模型开挖后变形破裂发展的过程表明:该类反倾边坡倾倒变形模式为初期卸荷回弹变形、长期重力弯曲（破裂）变形及后期蠕滑变形。通过对位移、变形速率和变形加速度变化规律的分析发现:反倾边坡倾倒变形的过程可以根据变形加速度a划分为3个演化阶段即倾倒启动阶段、稳态变形阶段和快速失稳阶段,各阶段分别对应衰减蠕变、稳态蠕变和加速蠕变的变形特征。在此基础上采用变形加速度a作为倾倒边坡稳定性判别指标,并尝试将变形加速度突破稳态蠕变上限值（a≥a₂）作为边坡失稳预警判据。     

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。     

层状反倾-顺倾边坡倾倒变形形成条件及发育规模特征

以往研究中倾倒变形研究在反倾边坡较多而在顺倾边坡中很少,对两种不同结构的边坡形成倾倒体的异同点更是存在较多空白。在总结大量倾倒体实例基础上,对层状反倾和顺倾边坡倾倒变形形成条件及发育规模特征进行了详细研究。结果表明,顺倾边坡若发生倾倒,通常表现为坡高 100 m,边坡坡角 35°,岩层倾角 60°,岩性为薄层或薄层与中层互层的软岩、软硬相间的岩石;反倾边坡当坡角 30°及岩层倾角 30°就可能发生倾倒,其岩性为薄层～中厚层状的软岩、硬岩及具有似层状结构的坚硬岩石均可;提出层状岩质边坡“倾倒临界倾角 ”的概念,对于顺倾边坡, 60°,当 时边坡将可能产生倾倒破坏,当 时边坡通常产生顺层面的“滑移-弯曲”或“滑移-拉裂”型破坏;反倾边坡 30°,当 时边坡才可能演化成明显倾倒变形,当 时边坡不会倾倒或倾倒不明显;对于地质条件基本相同而坡体结构不同的两种边坡,反倾边坡形成的倾倒体无论是发育分布面积还是倾倒深度通常是大于顺倾边坡的,而且一旦形成倾倒体,二者的规模通常是深层的、大型或特大型的;倾倒体的分布面积和倾倒深度均呈现一种随坡高的增加而增加的趋势,坡高 250 m时其分布面积和倾倒深度表现为陡然增加,并且反倾边坡增加幅度大于顺倾边坡。     

缓倾软硬岩互层边坡变形破坏机制模型试验研究

以宜巴高速公路沿途彭家湾软硬岩互层边坡为工程依托,依据地质分析及相似理论建立缓倾软硬岩互层边坡室内模型,采用开挖试验及和注水软化试验来模拟实际中的工程开挖（或河谷下切）和雨水浸润软化过程,研究缓倾软硬岩互层边坡的变形破坏机制。结果表明：在开挖及雨水软化两种工况下,该类软硬岩互层边坡的变形模式都是前期的滑移拉裂变形和后期的整体蠕滑变形,破坏模式是以深部软层为滑动面的整体滑移;硬岩层与软岩层的变形情况略有不同,硬岩层以整体蠕滑变形为主,而软岩层以滑移拉裂变形为主;深部软岩层的状态变化对边坡的整体稳定性影响非常关键;工程开挖（河谷下切）及雨水入渗都会对该类缓倾软硬岩互层边坡的稳定性有重要影响,开挖导致的临空面及微裂隙是滑坡发生的基础,水是滑坡发生的条件和诱因。     

反倾层状岩质边坡倾倒破坏力学模型

在地质调查基础上,将反倾边坡的各岩块概化为受自重弯矩及外力作用的悬臂梁,利用弯曲-拉裂模型研究其破坏模式。通过力学分析,建立了反倾层状岩质边坡各条块的力学模型。基于最大拉应力理论,给出条块倾倒失稳判据,以此判定边坡的稳定性,并定量分析了反倾边坡倾倒破坏的影响因素。结果表明:反倾边坡倾倒破坏发生在每个条块的上边界处,条块所受拉应力大小与其容重呈线性关系,与高度呈二次幂函数关系,与其宽度呈-1次幂函数关系,即板梁容重越大、高度越大、宽度越小,其倾倒破坏越明显。而当条块底面倾角满足一定条件时,才会发生倾倒破坏,其范围边界值与条块的高度和宽度有关。     

反倾层状岩体斜坡弯曲-拉裂两种失稳破坏之判据探讨

对反倾层状岩体斜坡弯曲-拉裂的失稳破坏判据,已有研究分别基于两种力学模型进行推导,即竖直压杆弹性屈曲稳定和平直梁弯折破坏模型,但对层间错动阻力及挠度产生附加弯矩等因素未加以考虑,不尽合理。在反倾斜坡岩层受力分析基础上,建立考虑了板侧层间错动阻力的下端嵌固、上端自由的斜置等厚弹性悬臂板梁模型,统一地通过瑞利-里兹能量方法,推导了弹性屈曲临界条件和嵌固端弯折破坏临界条件。实例计算及讨论表明,弹性屈曲判据适用于陡立岩层;而中-陡反倾岩层应主要为弯折破坏,但层间的力学性质对弯折临界判据值具有较大影响。     

黄河上游某倾倒体的时效变形研究

黄河上游某巨型倾倒体主要由反倾层状砂岩和板岩相间分布构成,砂岩层以倾倒拉裂为主,板岩层以弯曲变形为主,两种不同的时效变形组合导致整个倾倒体的演化具有长期性、累进性和阶段性的特征。基于岩体组合模式和变形破坏表现形式,研究两种岩层的时效变形空间分布特征,总结整个坡体的时空演化规律,并探究其成因机理,论述岩体组合模式、岩体结构、卸荷裂隙以及地形地貌等因素对倾倒体演化的影响。     

基于突变理论的反倾层状岩石边坡稳定性研究

针对反倾层状岩石边坡的岩体结构特点,以弯曲-拉裂(倾倒)变形的地质模型为基础,基于突变理论建立反倾层状岩石边坡尖点突变模型.从理论上分析了边坡失稳的突变条件,并提出临界失稳深度,在此基础上建立了反倾层状岩石边坡的稳定性评价方法.对工程实例的分析表明,对于反倾层状岩石边坡,该稳定性评价方法是成功有效的.     

似层状岩质边坡倾倒变形破坏过程数值模拟

在构造裂隙组合切割下形成的反倾向"似层状"结构边坡在工程中普遍存在。文章以浙江某梯级电站厂房后边坡为例,通过运用二维离散元和三维有限差分法,对"似层状"岩质边坡倾倒变形特征及破坏演化历程进行模拟,结果表明这类边坡变形破坏主要经历三个时期:初期为块体间的相互剪切错动和局部缓倾节理的剪切蠕变;中期岩体加剧倾倒后推动坡体前缘滑动,在坡体表面形成倾倒台阶后地表拉裂;后期倾倒变形剪切错动向坡体内部扩展,剪切带相互连通并逐步追踪缓倾结构面或强弱风化分界面,在空间形态上形成具有"台梯状分布"的滑动带,为深层蠕滑创造条件。     

基于离心试验的反倾层状岩质边坡内非贯通性裂缝变形特性分析

坡体内不同部位结构面间岩桥断裂扩展导致了反倾层状岩坡的破坏。为研究坡体内非贯通性裂缝断裂扩展对坡体演化的控制作用,以苗尾水电站右坝肩倾倒变形体为地质原型,开展含多组非贯通性裂缝的反倾层状岩质边坡离心模型试验,分析反倾层状岩质边坡内非贯通性裂缝变形特性。结果表明：（1）坡体内含非贯通性裂缝的岩层断裂最终呈现为裂缝间岩桥贯通、缓倾裂缝与上岩层贯通、陡倾裂缝与下岩层贯通、陡倾裂缝与缓倾裂缝端口处贯通及非裂缝处岩层发生断裂等5类裂缝断裂模式,并以裂缝间岩桥贯通为主要断裂模式;（2）基于断裂力学并结合裂缝断裂叠加原理,主折断面处岩层的不稳定系数在坡高1/3处最小,并向坡脚和坡顶两侧逐渐变大,而应力强度因子由坡高1/3处向坡脚和坡顶处逐渐变小;（3）裂缝的断裂扩展控制着坡体演化,并受裂纹率及裂缝周围的尖端应力场影响较大。在坡体演化初期,以坡体后缘压缩沉降和局部岩层裂缝压剪破坏为主,岩层倾角发生较大变化,呈现由坡体上部往下逐级变大的趋势;演化中期,坡体后缘裂缝扩展形成主折断面,坡体中上部岩层角度变化较大,裂缝断裂数目的继续增加;演化末期,裂缝断裂数目保持平稳,主要以断裂岩层的位置重分布为主要变形特征,次级折断面形成,破碎岩层之间进一步被压缩,坡体进一步发生失稳破坏。     

平缓反倾红砂岩高陡切坡的稳定性分析

以沪渝高速公路湖北段平缓反倾红砂岩为研究对象,在平缓反倾红砂岩高陡边坡中岩体易软化崩解。自然冲侵蚀形成的高陡山体卸荷变形可达几十毫米至近百毫米,卸荷变形破裂方向与构造节理重叠,使节理裂隙变宽,贯通性提高,为高陡坡体提供了顺坡向陡直破裂面。加之公路切坡卸荷变形和坡体软化变形,岩体软化后的变形模量下降约80%,卸荷变形和软化变形各有数毫米的变形量,与自然坡体卸荷重叠,使坡体变形进一步加大,使红砂岩坡体潜在不稳定性增大。同时地下水作用使卸荷裂隙充填一定高度的静水压力,还使岩体产生软化,岩块软化系数一般在0.3~0.7,导致岩体强度显著下降,30～40 m高的静水压力可使边坡的稳定性系数从开挖前的5.56降至1.96,开挖后从2.77降至1.07,这两方面的作用可使切坡后较稳定的反倾坡体变化到极限平衡状态,甚至失稳状态。因此,施工中要特别注意切坡后的即时加固,并采取措施防止卸荷裂隙中地下水聚积,减少地下水对坡体的软化。     

反倾边坡影响倾倒稳定的几种因素探讨

倾倒破坏是岩石边坡主要的失稳类型之一,而分析岩石边坡倾倒破坏的极限平衡方法主要还是Goodman和Bray提出的G-B方法,尽管该方法采用的是一个比较理想化的模型,但其计算结果能够较好的反映出倾倒破坏的基本规律。本文主要讨论岩层倾角、厚度以及切坡角度对倾倒体稳定的影响。     

顺倾边坡岩层滑移弯曲临界长度及其影响因素分析

基于顺倾边坡岩层滑移弯曲的弹性微分方程及其精确解,应用能量原理建立了岩层滑移弯曲失稳的临界长度计算式,归纳出主要影响因素,并应用优势分析法探讨了各影响因素的主次关系。分析结果表明：岩层单层厚度、滑移面力学性质、岩体弹性模量和坡角是影响顺倾边坡岩层滑移弯曲的主要因素,其影响程度由大到小依次为岩层单层厚度、滑移面的力学性质、岩层倾角和弹性模量。     

土坡地震稳定性影响因素分析

针对目前土质边坡地震稳定性评价还没有成熟可靠的标准,采用FLAC3D对土坡进行地震稳定性分析,得出：在土体强度参数中,摩擦角对土坡的稳定性影响最大。地震波传播方向平行于坡面时,比地震波传播方向与坡面相交时对土坡的危害要小得多。提出对土坡采用分级处理,多设置平台,更利于抗震。     

加筋均质边坡稳定影响因素的敏感性研究

采用正交分析表设计单指标多因素试验,通过荷兰法和瑞典法计算加筋边坡的稳定安全系数。结合20 m高土工格栅加筋边坡算例,分析了各因素对加筋边坡稳定影响的敏感性,按其大小依次为：粘聚力、内摩檫角、地震作用、重度、筋层数、筋材抗拉强度、坡比、筋层间距、地面超载和地下水位。重点讨论了加筋对边坡稳定的影响,并认为在边坡工程中,如果条件许可应优先采用粘聚力高、内摩檫角大的填料,需要加筋时,在总加筋力相等的前提下,铺设多层强度适中的格栅比少量高强度格栅的加筋效果好。     

顺层岩质路堑边坡稳定性的敏感性因素分析

运用弹塑性理论和有限元法,建立了顺层岩质路堑边坡稳定性的模拟分析模型。结合沪蓉国道主干线湖北宜昌至恩施高速公路的顺层岩质路堑高边坡工程,分析了结构面强度、岩层厚度、岩层倾角等各项因素对顺层岩质路堑边坡稳定性的影响,探讨了顺层岩质路堑边坡稳定性的规律。结果表明：软弱结构面的强度参数对顺层岩质路堑边坡稳定性起主要控制作用,岩层倾角对顺层岩质路堑边坡的稳定性也有明显的影响。在该工程的地质条件下,当岩层倾角为38°左右时,顺层路堑边坡的稳定性最差。     

强震作用下核安全级反倾层状软岩高陡边坡组合支挡结构抗震性能研究与加固效果评价

比较了不同行业抗震设计规范中边坡地震影响系数和动态放大系数的取值方法,综述国内核电厂高边坡案例的研究进展。以某工程核安全级反倾层状软岩高陡边坡为例,探讨应用多种方法综合分析其在不同地震作用下的动态放大效应、支挡结构抗震性能和加固效果的分析思路。首先,基于典型二维计算剖面,采用拟静力法进行边坡的初步加固设计;然后,基于大型振动台试验和数值计算,研究了不同地震作用下软岩高边坡加速度动力放大效应、支挡结构的抗震性能;最后,通过现场工程监测评价边坡的加固效果。研究结果表明,在强震作用下,核安全边坡按其他行业规范中的抗震参数取值方法进行设计是可行的,通过振动台和数值分析验证边坡整体是稳定的,支挡结构抗震性能良好,该研究思路和方法是合理可行的,并能节约大量工程投资。研究成果可丰富核安全级软岩高陡边坡研究理论与方法,并为核安全级软岩高陡边坡抗震安全评价和工程设计提供技术支持。     

Seismic stability analysis of a layered rock slope

In general, the determination of the factor of safety and the location of the critical slip surface are two major challenges in seismic slope stability analysis. In this paper, a new approach for determining the factor of safety and the corresponding critical slip surface of a layered rock slope subjected to seismic excitations is presented, through a case study based on the combination of the shear strength reduction technique and distinct element method. According to this proposed method, the seismic factor of safety and the critical slip surface of the slope are estimated and compared with those obtained by the pseudo-static approach, combined with the limit equilibrium method. It is found that the factor of safety obtained from the proposed method is slightly greater than that computed by the pseudo-static analysis, with a difference of 4.2%, and that the critical slip surface obtained from the two methods is identical, which confirms the reasonability and feasibility of the proposed method.