两种应变软化介质组成的边坡失稳研究

对一个平面滑动型边坡,考虑滑面介质由两种应变软化介质材料组成,对应变软化介质存在损伤软化与水致软化两种软化方式。用指数分布描述滑带介质的剪应力与应变关系,建立了边坡系统的尖点突变模型。通过分析发现,边坡失稳与刚度比和边坡的几何/力学参数有极大关联性,这里考虑刚度比是含水率的函数,随着含水率的增加,刚度比不断发生变化。在一定条件下,由于含水率的增加和刚度比的增大,导致边坡失稳的危险性增大,这是降雨情况下边坡容易失稳的根本原因。     

斜坡失稳的燕尾突变模型

文章对一个平面滑动型斜坡,考虑滑面介质有和上部岩体由不同力学性质的材料组成,上部岩体为弹性介质,滑带介质为应变软化介质。对应变软化介质,用W e ibu ll分布描述滑带介质的剪应力与应变关系,建立了斜坡系统的燕尾突变模型。通过分析,发现斜坡失稳与刚度比具有极大关联性。随着刚度比的增大,斜坡开始滑动时的0值降低不断降低,突跳时*值也随着降低。此时的临界值x*增大,突跳量x变小。当刚度比增加到一定程度后,会出现无突跳式的滑动。     

地下水作用下斜坡燕尾突模型研究

考虑滑面介质和上部岩体由不同力学性质的材料组成,上部岩体为弹性介质,滑带介质为应变软化介质。对应变软化介质,存在损伤软化与水致软化两种软化方式。用Weibull分布描述滑带介质的剪应力与应变关系,建立了斜坡系统的燕尾突变模型。通过分析,发现斜坡失稳与刚度比和滑带介质的含水率具有极大关联性。随着含水率的增加,斜坡开始滑动时的ξ0值不断降低,突跳时ξ*值也随着降低。此时的临界值x*增大,突跳量△x变小。同时含水率的不断增加,上部岩体和滑带介质的刚度比不断增大。刚度比的增大和含水率的增加引起的斜坡变形具有相似的规律。因此,正是由于含水率的增加和刚度比的增大,导致斜坡失稳的危险性增大,这也是降雨情况下斜坡容易失稳的根本原因所在。     

岩质边坡稳定性评价的尖点突变理论模型

考虑岩质边坡后缘张裂隙中的孔隙水压力及地下水对软弱结构面的物理化学作用,将软弱结构面分为应变硬化区和应变软化区,建立单平面滑动破坏的岩质边坡力学模型,引入尖点突变理论,建立尖点突变模型,推导岩质边坡突变失稳的充要力学条件判据,并重新推导极限平衡法的临界稳定系数。结果表明,分叉集方程等于0为岩质边坡突变失稳充要力学条件判据;由于滑面处含水量不同,稳定系数小于1,边坡不一定会发生失稳;稳定系数大于1,边坡也不一定稳定。     

岩体应力应变曲线转型的孔压效应与降雨滑坡的机制分析

从宏观与微观机制方面探讨了孔隙水压力对岩体脆－延性转变的影响。定义了一个峰后破坏割线模量Epost来表征孔隙水压力对岩体应力应变曲线转型的效应,并结合突变理论得到的斜坡失稳的刚度判据,进一步分析了孔隙水压力对应力应变曲线峰后斜率的影响,随孔隙水压力的增加,峰后曲线斜率变陡,峰后刚度增大,即材料的均匀性、脆性增大与刚度比k减小。因此在系统内部条件不变时,刚度比k=1时就存在一个临界孔隙水压力pwcritical,即降雨等涨落因素引起滑面介质中的孔隙水压力大于这个临界值时斜坡就易于发生突变失稳。从而深化认识了降雨等外部涨落因素对斜坡系统失稳的重要触发作用。     

岩体应力应变曲线的围压及孔压效应和降雨触发滑坡的机制分析

从宏观分析与微观机制方面探讨了围压、孔隙水压力对岩体应力应变曲线峰后特性即脆－延性转变的影响。定义了一个峰后破坏割线模量 来表征孔隙水压力对岩体应力应变曲线转型的影响,并结合斜坡失稳的刚度判据,进一步分析了孔隙水压力对应力应变曲线峰后斜率的影响,随孔隙水压力的增加,峰后曲线斜率变陡,峰后刚度增大,即材料的均匀性、脆性增大与刚度比k减小。因此在围压等外界环境因素及系统内部条件不变时,刚度比 时就存在一个临界孔隙水压力 ,也就是说降雨等涨落因素引起滑面介质中的孔隙水压力大于这个临界值时斜坡就易于发生突变失稳。从而进一步加深认识了降雨等外部涨落因素对斜坡系统失稳的重要触发作用。     

考虑突变理论的顺层岩质边坡失稳研究

应用突变理论,以顺层岩质边坡为例,考虑地下水对滑面带介质的应变和水致弱化性质,以及地下水对边坡后缘张裂缝的水力效应,构建了边坡的尖点突变模型,分析了顺层岩质边坡失稳的力学机制：边坡失稳过程主要是内部因素和外部因素共同作用的结果,内部因素主要是地下水通过物理化学作用软化了滑面带岩体,使滑面带岩体刚度比降低,在边坡失稳的过程中起主导的定性作用;外部因素主要是指边坡后缘张裂隙的静水压力,不仅使得边坡的滑动势能增加,还对边坡造成一种扰动的作用,加速滑坡的启动。在突变分析的基础上,推导了边坡后缘张裂缝临界充水高度和临界降水强度的关系式,建立了边坡滑移破坏的水力判据;给出了边坡岩体在渐进软化过程中的位移变化规律,剪切位移并非均匀增长,而是呈现出阶梯状跳跃式上升。同时,进行了室内物理模型试验（当刚度比 ）,在一定程度上验证了考虑突变理论来分析顺层岩质边坡失稳的力学机制和边坡岩体在渐进软化过程中位移变化规律的合理性。并提出了此种类型边坡的处治技术与优化方法建议。     

基于离散元的重力坝多滑面深层抗滑稳定分析

重力坝的深层抗滑稳定分析多采用刚体极限平衡法和非线性有限元法,但刚体极限平衡法不能反映坝基岩体渐进失稳过程和破坏的力学机制,非线性有限元法模拟岩体不连续效率低,且还未有统一的失稳判据。基于离散块体边界应力计算结果,提出重力坝坝基多滑面抗滑稳定安全系数计算公式,并探讨了以坝体-坝基系统能量突变作为坝基失稳判据的物理意义。通过与非线性有限单元法、刚体极限平衡法计算结果的比较,验证了所提方法及判据的可靠性及合理性。结合向家坝水电站重力坝泄12#坝段进行计算分析,结果表明：基于离散元强度储备系数法搜索的坝基失稳通道由坝基岩体屈服区和结构面滑移带组成,所提计算方法与判据适用于实际工程的坝基深层抗滑稳定计算分析,且计算结果偏安全。     

高混凝土重力坝复杂坝基稳定安全度及极限承载能力研究

采用各向异性强化-软化的有厚度薄层单元模拟了坝基软弱夹层的力学变形特性,采用无厚度接触摩擦单元模拟坝基岩体节理裂隙,对高混凝土重力坝复杂坝基抗滑稳定采用三维非线性有限元分析,利用强度储备系数法模拟坝体坝基系统的渐进破坏过程、可能失稳模式,提出了塑性屈服区贯通的强度分析方法、典型特征点位移突变的变形体分析方法以及能量法联合判定坝体坝基系统极限承载力的研究方案,得出了坝体坝基系统的极限承载力。最后针对建设中的向家坝水电站高重力坝的深层抗滑问题进行了三维非线性有限元分析,计算结果表明,系统的极限承载能力由夹泥层的强度控制,极限状态的强度储备系数为2.7。     

煤柱-顶板系统协同作用的脆性失稳与非线性演化机制

把坚硬顶板视为弹性梁,把煤柱视为应变软化介质并采用W e ibu ll分布描述它的损伤本构模型,本文对坚硬顶板和煤柱组成的力学系统,用突变理论方法研究了它的演化失稳过程。通过对建立的尖点突变模型的分析发现,系统失稳主要取决于系统的刚度比k与材料的均匀性或脆性指标m值,并给出了失稳的充要条件力学判据和失稳突跳量的表达式。考虑煤柱介质的粘性或蠕变性,建立了系统演化的非线性动力学模型物理预报模型,并给出了根据顶板沉降观测数据反演非线性动力学模型的方法和稳定性判别准则。对木城涧矿根据观测序列进行了动力学模型的反演分析,一个重要发现是:D值在临近失稳时陡增出现峰值而后急剧下降。根据材料损伤与声发射累计计数的对应关系,建立了系统演化过程中声发射率的动力学模型,并进行了声发射模拟分析和分维分析,发现m值与系统的演化路径对系统演化的声发射活动规律及分维特征有重要影响,单纯根据声发射监测和降维现象预报冲击地压是不可靠的。     

Nonlinear Evolutionary Mechanisms of Instability of Plane-Shear Slope: Catastrophe, Bifurcation, Chaos and Physical Prediction

Summary. A cusp catastrophe model is presented and the necessary and sufficient conditions leading to landslides are discussed. The sliding surface is assumed to be planar and is a combination of two media: medium 1 is elastic-brittle or strain-hardening and medium 2 is strain-softening. The shear stress-strain constitutive model for the strain-softening medium is described by the Weibull’s distribution law. This paper is a generalization and extension of the paper by Qin et al. (2001b), in which the shear stress-strain constitutive model for medium 2 was described by a negative exponent distribution; a special case of the Weibull’s distribution law. It is found that the instability of the slope relies mainly on both the stiffness ratio of the media and the homogeneity index and that a new role of water is to enlarge the material homogeneity or brittleness and hence to reduce the stiffness ratio. A nonlinear dynamic model (also called a physical forecasting model), which is derived by considering the time-dependent behavior of the strain-softening medium, is used to study the time prediction of landslides. An algorithm of inversion on the nonlinear dynamic model is suggested for seeking the precursory abnormality and abstracting mechanical parameters from the observed series of a landslide. A case study of the Jimingsi landslide is analysed and its nonlinear dynamic model is established from the observation series of this landslide using the suggested model and the algorithm of inversion. It is found that the catastrophic characteristic index |D| shows a quick rise till reaching an extremely high peak value after the slope evolves into the tertiary creep, and subsequently approaches a zero value prior to instability, which can be regarded as an important precursory abnormality index. By taking into account the evolutionary characteristic of the slope being in the secondary creep, a simplified nonlinear dynamic model is proposed for studying the properties of bifurcation and chaos. It is shown that the emergence of chaos depends on the mechanical parameters of the sliding-surface media.     

基于界面元法的向家坝重力坝深层抗滑稳定分析

重力坝的深层抗滑稳定分析多采用刚体极限平衡分析方法和非线性有限元法,但通常的刚体极限平衡法不能反映坝基岩体渐近失稳过程和破坏的力学机制,非线性有限元法则难以解决坝基中软弱结构面位移不连续问题。结合向家坝工程,建立了泄④坝段的计算模型,采用界面元法进行了大坝深层抗滑稳定分析,给出了坝基中破坏区的范围和分布,以及坝基的渐进破坏过程和可能滑体的抗滑稳定安全系数等成果,为坝基处理措施提供了重要的技术参考依据。研究结果表明,所建立的分析方法可以自然描述坝基岩体各种介质的错动、张开和滑移等不连续变形的特征,可用于重力坝坝基的深层抗滑稳定 分析。     

岩溶及水动力对鸡尾山滑坡影响作用研究

鸡尾山特大型滑坡是我国西南岩溶石山地区一种独特的大型岩质斜坡失稳模式,它得到工程地质等领域极大重视,从滑坡成因和机理、滑坡启动以及运动过程、堆积物分布、次生灾害等方面都开展了一系列研究,取得了众多成果;对于滑坡结构面和滑动面方面认为:垂直结构面由两组构成,水平滑动面则为软弱夹层。本文通过野外地质调查,样品测试、综合分析等方法,查明了滑坡区岩溶及裂隙发育特征、软弱夹层及其下伏瘤状灰岩分布特征、岩溶地下水补径排条件;发现了大量瘤状灰岩块石分布于滑坡堆积体中;深入讨论了岩溶与滑坡垂直结构面、水平滑动面的关系。主要结论:(1)存在3组垂直结构面,它们对应由3组构造裂隙经过长期溶蚀侵蚀作用后形成;(2)部分滑动面已经越过软弱夹层、进入或越过瘤状灰岩,因此,滑动面主要由顺层岩溶、岩层间弱胶结、软弱夹层等条件控制;(3)岩溶地下水对滑坡孕灾过程中垂直结构面、以及水平滑动面起到扩张作用,在滑坡启动期无水动力作用。本文研究对鸡尾山滑坡成因分析及研判有一定实际意义。     

重力坝层间抗滑稳定体系的动力可靠度分析方法

受明显的层状结构影响,加之材料参数和动荷载的双重随机性,动力条件下碾压混凝土重力坝的层间抗滑稳定可靠度问题值得关注。考虑地震波频谱特性、峰值加速度、坝体材料参数的随机性,统计概化出地震作用下坝体的潜在滑动失效路径;在特定地震动作用下,基于随机有限元分析结果,采用刚体极限状态判断准则和响应面法构建失效路径的动力抗滑稳定功能函数,进而求得其抗滑稳定可靠指标;接着考虑不同失效路径的相关性,用Ditlevsen窄界限公式估算体系的可靠度;最后,考虑地震动荷载的随机性,采用基于全概率公式的数值拟合积分方法求解大坝抗滑稳定体系的动力可靠度。研究结果表明,动力条件下,当水平地震系数大于0.2时,重力坝层间抗滑体系可靠度不再由建基面失效路径决定,而是由下游折坡处层面的失效路径决定。该方法数学意义明确,实用性强。     

Dynamic response of concrete gravity dams including dam–water–foundation interaction

In this paper, the gravity dam–water–foundation system including the physical and mechanical properties of the sediment at the reservoir bottom is modelled using a finite element and infinite element coupling model. The sediment at the reservoir bottom has been assumed to be a viscoelastic solid medium. The effects of thickness, elastic modulus, Poisson's ratio and material damping of the sediment on the response of the dam have been studied. The related numerical results from this study illustrated that the existence of the sediment at the bottom of the reservoir has significant effects on the response of concrete gravity dams since the soft layer of the sediment plays two main roles in the dam–water–foundation system, the energy dissipation of the system and the amplification of the incident wave on the water–sediment interface. It is the amplified acceleration on the water–sediment interface that results in different mechanisms of the effect of the sediment on the response of the dam. Therefore, apart from the incident wave, the thickness, the softness and the damping ratio of the sediment can also affect the response of the dam.