边坡大变形弹塑性有限元分析（I）：理论

本文采用以物理坐标变量的Ｕｐｄａｔｅｄ－Ｌａｇｒａｎｇｉａｎ描述方法,在考虑边坡非线性变形破坏的基础上,建立了边坡大变形破坏的弹塑性有限元模型,详细推导了有限元单元方程和数值分析公式,并考虑了边坡的初始应力和超孔隙不压力。     

考虑参数旋转各向异性空间变异性的边坡大变形概率分析

为揭示土体参数旋转各向异性空间变异性对边坡大变形特征的影响规律,将土体不排水抗剪强度参数模拟为旋转各向异性随机场,提出采用多重响应面法对随机场样本进行边坡稳定性安全系数高效求解和升序排列,进而使用随机物质点法按序模拟随机场样本的边坡大变形过程.以一饱和不排水粘土边坡为例,研究了旋转各向异性随机场的旋转角度β和弱主方向自相关长度θ₂对边坡大变形特征和破坏模式的影响.结果表明：提出的基于多重响应面的随机物质点方法可以高效开展边坡大变形概率分析;β和θ₂对边坡大变形特征和破坏模式均有显著影响;边坡大变形破坏的影响距离、滑动距离和滑动体积的平均值与标准差均随θ₂的增加而增加;边坡大变形过程中可能产生4种破坏模式,其中深层滑动和渐进式滑动为该边坡模型的主要概率失稳模式.因此,提出的方法为边坡大变形概率分析提供了一条有效途径,考虑参数旋转各向异性空间变异性的边坡大变形概率分析对准确评估边坡失稳风险具有一定的理论参考意义.     

西南大渡河某水电站溢洪道陡槽段雾化边坡稳定性分析

泄洪雨雾入渗导致边坡变形进而影响边坡稳定性的问题已成水电建设的重要工程问题之一。针对西南某水电站溢洪道陡槽段边坡挤压错动带发育、节理裂隙和控制性结构面发育等结构特点,分析该边坡开挖支护后泄洪雾化条件下潜在失稳的边界条件及变形破坏模式。根据边坡所处的地质环境条件,从泄洪雾化对边坡岩体的作用机制入手,得到了雨雾对该边坡稳定性的影响主要为雨雾沿着顺倾坡外拉裂面入渗,影响结构面力学特性,从而影响边坡稳定性。并按结构面类型取不同软化系数,采用数值模拟方法分析了泄洪雨雾入渗后边坡的变形破坏趋势。分析结果表明:在考虑不同的软化系数时,溢0+555.00下游侧边坡岩体稳定性有较大的差别,若以中间值0.75考虑,溢洪道陡槽段边坡的稳定性稍差,可能产生一定规模的剪切蠕动变形或块体失稳,必须加强一定的支护措施保证该处边坡在施工期安全和运营期间的长期稳定性。     

基于有限差分法的露采高边坡稳定性研究

以某露天采场高边坡为例,根据边坡岩组的划分建立准三维计算模型,在MohrCoulomb本构模型上,采用有限差分法,应用FLAC^3D程序,模拟了该边坡在天然工程概况下的局部稳定性及其变形特征,以及考虑了优势节理J3、J5后的整体稳定性及其变形特征,获得了边坡变形机制,验证了边坡破坏模式和主要影响因素。     

近水平红层开挖边坡变形破坏特征

通过对四川盆地近水平红层公路建设中路堑边坡开挖病害的调查分析,归纳出近水平红层边坡开挖引起的主要变形破坏型式是堆积层滑坡、顺层座滑型滑坡、边坡拉裂变形、边坡岩体倾倒破坏,总结了近水平红层边坡的主要工程地质特征,提出边坡变形破坏的过程一般经历开挖卸荷变形、陡倾节理发展扩大、变形破坏形成三个阶段,并结合工程实例分析了其形成机理。     

边坡变形破坏过程的大变形有限元分析

在用有限元法分析边坡稳定性时,引入计算大变形问题的更新的拉格朗日方法,推导了边坡大变形弹塑性有限元分析的方程式。采用边坡某一幅值的等效塑性剪应变区,从坡脚到坡顶贯通前的折减系数作为边坡安全系数。在此基础上,采用弹塑性大变形有限元分析软件计算了均质土坡不同坡角的安全系数,将其与小变形分析的结果进行了对比分析,结果表明：用弹塑性大变形有限元分析边坡失稳破坏的过程中,既考虑了岩土材料的非线性,又考虑了边坡的几何非线性,使计算结果更趋合理。并结合东深供水改造工程BIII2边坡进行了大变形有限元分析,计算结果与勘查到的实际边坡的滑动面分布位置比较接近。研究表明：该方法尤其适宜于软土类边坡或基坑的稳定性分析。     

岩层倾角影响顺层岩石边坡稳定性的模型试验研究

根据相似理论建立地质力学模型,介绍了模型试验的设计和过程。通过4组对比试验,研究了原型边坡的变形破坏机制以及改变边坡岩体的岩层倾角对边坡稳定性的影响。试验结果表明,顺层边坡的主要变形方式均为滑动变形,破坏模式为滑移-拉裂破坏,滑动过程为分级滑动,越往后拉裂面倾角越小。边坡的变形破坏首先发生在临空面靠近地表部位。层面强度越大,边坡越稳定;岩层倾角越小,边坡越稳定。     

库水位升降作用下大型堆积体边坡变形破坏预测

库岸边坡的变形破坏及稳定性研究是目前国内外研究的热点之一。基于水电站库区一大型堆积体边坡,通过现场原位直剪试验获取岩土体的力学参数,利用岩土数值分析FLAC3D软件,考虑了堆积体与基岩基覆接触带介质的应变软化特性,对水库蓄水和下降过程中边坡的变形破坏特征进行了分析预测。结果表明,在库水升降作用下变形主要发生在堆积体内部;根据堆积体的变形特征可分为3个区：前缘牵引变形区,变形量最大;中间过渡区,变形量最小;后缘被牵引变形区,变形量介于前缘和中间之间。模拟过程中,在坡体的不同位置设置位移监测点,得到了蓄水和水位下降过程中各监测点的位移时程曲线,监测结果显示,水位下降时堆积体前缘易形成局部失稳。通过剪应变增量判断堆积体边坡在库水作用下可形成2个潜在的滑动破坏面     

楞古水电站碎裂岩质边坡变形破坏模式研究

碎裂结构岩质边坡是地质工程中遇到的一种最不稳定边坡,其原岩松弛,结构面普遍张开,围岩自稳能力差,碎裂结构岩体出露不连续,空间分布存在差异,导致边坡破坏边界不明显,变形破坏机制很难确定。本文以雅砻江楞古水电站碎裂结构岩质边坡为例,在地质环境调查和平硐勘测的基础上,系统研究了碎裂岩体结构特征,分析了控制边坡变形破坏的边界条件和变形破坏模式,并运用UDEC离散元程序模拟验证。研究结果表明:碎裂岩质边坡的变形破坏主要受自身结构及内部相对长大结构面控制,变形演化过程依循应力调整、时效变形和局部失稳3个阶段,变形破坏模式分为断层主控底滑型和裂隙切割破坏型。目前针对碎裂结构岩质边坡研究相对较少,缺乏大型工程实例支撑,该研究成果为水利工程中这类边坡的研究提供了参考。     

考虑土体参数空间变异性的边坡大变形破坏模式研究

边坡失稳是涉及土体大变形的动态演化过程,该过程往往决定了滑坡失事后果。传统的边坡稳定分析方法如极限平衡方法与有限元方法难以模拟边坡失稳演化过程,尤其是失稳后的土体变形破坏过程。边坡失稳受到多重不确定性因素影响,其中一个重要因素是土体参数的空间分布不均匀性。在考虑土体参数的空间不均匀分布情况下,本文采用一种随机极限平衡-物质点法研究边坡不同破坏模式的动态演化过程,同时利用极限平衡方法简单、高效的优点和物质点方法模拟土体大变形破坏的能力。以一个两层不排水土坡算例为例,识别了4种不同的边坡破坏模式（即浅层、中层、深层和渐进）,研究了它们的演化过程与土体参数的空间分布之间的关系。结果表明边坡的破坏模式演化过程与土体参数的空间分布密切相关,强调了岩土工程勘察信息对充分表征土体参数空间变异性的重要作用。     

顺层岩质边坡溃屈变形机制及失稳判定方法

溃屈型破坏是一种常见的顺层岩质边坡破坏模式,溃屈变形发展机制及失稳破坏的定量研究对滑坡工程勘查和防治指导十分重要。本文根据边坡的地质环境和力学作用机制,建立了三维受压板简化模型,其能够考虑岩层自身重力、地震力、静水压力的共同作用和岩体材料塑性变形的影响。基于弹塑性受压板稳定理论,利用能量法推导得到了边坡溃屈变形破坏的临界方程。对于溃屈型边坡的结构失稳和滑动失稳分别提出了相应的稳定性判定方法,并针对不同状态的边坡提出了相应的防治措施建议。以四川省甘孜藏族自治州巴塘县下归哇边坡为例,对所提判定方法的正确性进行了验证。计算结果表明,边坡的临界溃屈长度（a1）为483.8 m,说明下归哇边坡能够发生溃屈变形;现场勘查得知边坡实际溃屈长度（a′）为530.0 m,a′＞a1,可知边坡是稳定的。这与实际情况相吻合,由此证明本文所提出的判定方法可行。     

露井联采逆倾边坡破坏模式及稳定性评价方法研究

首先分析了单一露天开采逆倾边坡的变形破坏模式、地下开采覆岩变形破坏机理和露井联采逆倾边坡的变形机理,在此基础上,对露井联采逆倾边坡的破坏模式及稳定性定量评价方法进行了研究。研究表明,露井联采逆倾边坡的破坏模式可分为3种类型：滑移型破坏、塌陷型破坏和滑移-塌陷复合型破坏,地下开采的空间位置对边坡的破坏模式及稳定性影响显著,其影响程度受进入塌陷范围内的边坡潜在滑面长度和岩体强度参数弱化程度的控制,据此提出了露井联采逆倾边坡稳定性的极限平衡法,并结合工程实例进行了数值模拟验证。     

基于透明相似模型试验的主控裂隙边坡变形破坏演化机制研究

岩质边坡灾害孕育期的变形破坏发展过程通常受其内部长大裂隙（主控裂隙）控制,揭示主控裂隙边坡变形破坏演化机制对滑坡灾害防治具有重要意义。基于透明相似模型试验技术,选取2种典型主控裂隙（后缘陡倾角裂隙和前缘缓倾角裂隙）边坡为研究对象,在自研设备上开展了主控裂隙边坡内部变形破坏演化过程的模型试验研究;分别以位移速率和应变速率作为边坡变形和裂隙扩展的表征量,以无裂隙边坡变形破坏演化规律为参照,对比分析了后缘和前缘主控裂隙影响下边坡内部变形破坏的时空演化机制。结果表明：（1）通过模拟无裂隙边坡内部变形累积以及破裂萌生、扩展与贯通的渐进过程,验证了所采用的试验方法在研究边坡内部变形破坏演化过程方面的可靠性;（2）主控裂隙边坡内部变形破坏过程与无裂隙边坡相似,可分为变形累积、破裂带萌生/初始裂隙起裂、破裂带/裂隙扩展调整、破裂带/裂隙快速扩展贯通等4个阶段;（3）在初始主控裂隙滑移变形的作用下,后缘陡倾角裂隙尖端因受推移作用而发生拉张-剪切混合型起裂并向下扩展,前缘缓倾角裂隙尖端因受牵引作用而发生拉张型起裂并向上扩展,裂隙扩展速率随扩展长度的增加而呈指数型增长;（4）裂隙扩展类型随边坡变形与裂隙扩展...     

长大顺层边坡渐进滑移失稳演化机理研究

目前对长大顺层边坡在开挖过程中的变形与渐进破坏过程研究较少。因此,深入进行长大顺层边坡变形破坏机理的研究,能为边坡稳定性分析和治理提供重要依据。首先对长大顺层边坡进行定义,随后通过对长大顺层边坡进行数值分析,得到了长大顺层边坡滑面应力的基本特征,在此基础上分析得到了长大顺层边坡的渐进失稳演化机理。鉴于模型实验研究方法具有直观性的优点,研究中引入模型实验,并通过试验现象和675组试验数据分析,发现这类边坡的主要变形方式均为滑动变形,破坏模式为滑移—拉裂破坏,滑动过程为分级滑动。模型试验和数值分析均表明长大顺层边坡的破坏模式为渐进多次滑移拉裂失稳模式。     

坡面形态对边坡动力变形破坏影响的模型试验研究

采用自主制作的单向振动试验台,对不同坡面形态土质边坡进行了失稳破坏过程的模型试验研究。试验设计了凹面坡、凸面坡和凹凸面组合型3类边坡共8个模型,通过单向振动试验台施加初始位移,触发模型边坡失稳破坏,利用摄像机对模型边坡破坏过程进行跟踪记录,并对变形破坏特征进行分析。试验表明：凹面坡主要由坡面上形成的横向裂隙带动整个坡体发生破坏,而凸面坡则是由于坡顶上形成的横向裂隙带动整个坡体发生变形破坏,凹凸面组合型边坡的破坏则是受坡面凸起部位所控制;进一步研究发现,凹凸程度越强的边坡越容易发生变形破坏,其变形破坏的程度越大。研究成果有助于了解不同形态坡面边坡的破坏特征,为工程边坡设计提供借鉴意义。     

恩施盆地红层边坡变形破坏模式研究

恩施盆地红层分布范围广,存在大量的斜坡或人工高陡边坡。由于红层岩体工程地质性质的特殊性,在自然地质作用和人类工程活动的影响下,边坡产生变形破坏,造成人员伤亡和财产损失,对城市市政工程和道路工程建设产生了较大的影响和制约。本文通过恩施盆地红层边坡的野外工程地质调查、钻探、现场试验（压水和渗水试验）、样品采集和室内岩体特性参数测试等工作,基本查清了红层的工程地质特性、水理特性和边坡变形特点。恩施盆地红层可分为“硬砂岩”和“软砂岩”,前者由胶结较好的粉砂岩和砂岩组成,强度较高,透水性差,属相对隔水层;后者由胶结较差的砂岩构成,强度低,透水较强,为含水层。边坡变形破坏规模较小,但点多、危害较大。本文从运动方式和影响因素两个方面对边坡变形破坏模式进行研究,依据斜坡岩土体运动方式,红层边坡变形破坏划分为:顺层岩质滑坡、坠落式崩塌、倾倒式崩塌3种;按变形破坏影响因素,边坡变形破坏划分为:软硬互层红砂岩差异风化、顺层结构面和切层结构面不利组合、人工开挖扰动3种,并分析了各类变形破坏模式的特点和变形破坏过程,对恩施盆地及同类型地区的红层边坡变形破坏的防治具有指导意义及参考价值。     

边坡变形破坏模式识别系统的实现

以岩体结构为最基本的控制因素,同时结合考虑岩性、结构面形态及边坡结构参数等因素实现了边坡变形破坏模式识别系统。系统将模式识别技术与专家系统有机结合,针对五种岩体类型边坡分别进行模式判断;具有与工程结合紧密、能获得定量结果、层次清晰及使用方便等优点。由本系统判断识别的破坏模式与实际破坏模式相符合,说明了系统的实用性和可行性。     

黄土填方高边坡变形破坏机制分析

本文依据西北某油田倒班基地黄土填方高陡边坡工程勘察, 研究了该边坡的变形破坏机制, 通过对边坡工程地质条件及变形破坏分析, 建立FLAC3D地质模型, 采用数值模拟方法研究了边坡变形破坏机制。研究结果表明, 主要变形区或破坏区为陡坎周围至其沿坡面向下20～25m 的范围之间, 其破坏深度底界为全新世填土层Q4与原状黄土Q3接触面, 但要重点控制沿坡面向下20～25m 的范围之间的变形。数值模拟结果表明, 该边坡目前整体稳定性较好, 不会发生整体变形破坏。     

对影响逆倾层状边坡稳定性因素的模型试验研究

在工程地质分析的基础上,根据相似理论建立了地质力学模型,研究了逆倾层状边坡岩体的变形破坏机制。介绍了模型试验的设计,并研究了逆倾边坡的稳定性以及岩层的倾角、厚度、结构面的强度对边坡稳定性的影响。结果表明,逆倾层状岩体的变形机制为倾倒变形,破坏模式为弯折破坏;破坏首先在坡顶产生,边坡变形加速的过程是在开挖结束一段时间后才出现;岩层倾角越小,变形加速所持续的时间越长;岩层的厚度和结构面的强度越大变形越小。     

基于强度折减的土质边坡破坏及稳定分析

边坡的破坏过程是由土体局部破坏向整体失稳发展的过程,其塑性区的开展及其水平位移增量的变化较完美地展现了这个过程。根据边坡的实际破坏和有限元数值模拟情况,提出了以特征点位移增量的突变及塑性区贯通作为边坡的失稳判断准则;并以此为判据,采用基于强度折减的大变形有限元方法分析了土质边坡的破坏及稳定性。研究表明,采用强度折减有限元法可有效分析边坡的破坏及其稳定性;此外还分析了带有软弱夹层黏土边坡的破坏性状及其稳定性,并比较了大、小变形有限元的计算结果,结果表明,带有软弱夹层黏土边坡的破坏性状随软弱夹层土体性质的变化而变化,由大小变形有限元分析得到的边坡稳定安全系数较为一致,但边坡的破坏机制随软弱夹层土体性质变化的转变点不同。