高陡岩质边坡稳定性三维离散元分析

某高陡岩质边坡地质条件复杂、软弱结构面发育、开挖高度大、坡度陡、临空面多,为边坡变形提供了有利的空间,边坡多处出现失稳破坏迹象。通过对边坡工程地质条件调查,岩体结构特征和边坡开挖等影响因素的分析,认为边坡变形主要发生在强风化强卸荷岩体内,受软弱结构面的控制比较明显,表现为结构面组合控制的块体变形失稳破坏模式。采用3DEC数值模拟软件,模拟了边坡开挖后坡体变形特征,数值模拟结果表明,边坡浅表层块体以及控制性块体稳定性差,可能导致边坡产生整体失稳。     

山区平缓采动斜坡裂缝成因机制研究

西南山区采动斜坡多具有高陡临空地形、“上硬下软”坡体结构、岩层平缓、陡倾节理面发育、开采活动强烈等特点,往往发育与采空区边界对应的宽大裂缝,未见明显的移动盆地,形成机制复杂。本文以贵州都匀市接娘坪变形体为例,通过数值模拟分析了采动斜坡裂缝成因机制。研究结果表明,受坡体内煤层采空及高陡临空地形影响,斜坡覆岩沿陡倾节理开裂并一直向上延伸到地表,随着重复采动的进行,裂缝开裂程度增大,有向临空面倾倒破坏的趋势,斜坡未形成明显的沉陷盆地。斜坡裂缝形成演化过程包括开采扰动-坡顶拉裂-裂缝加剧等3个阶段,斜坡在多煤层重复采动条件下裂缝变形经历4个阶段,即初始变形阶段、缓慢变形阶段、急剧变形阶段、稳定变形阶段。     

四川王山-抓口寺滑坡成因机制及滑动过程分析

以王山-抓口寺大型岩质滑坡为例,在对滑坡变形破坏特征及周边工程地质条件现场调查和研究的基础上,通过地质分析手段获取区内滑坡体从缓慢变形到失稳破坏全过程的基本信息,提出滑坡演变概化地质模型,并结合非连续变形分析方法模拟真实时间和便于分析非连续大变形的特点,建立非连续变性分析(DDA)数值模型,对滑坡体稳定性和滑动全过程进行数值模拟,并对降雨弱化结构面强度参数影响滑坡滑距和速度进行分析。结果表明:王山-抓口寺滑坡主要诱发原因是汛期持续降雨使雨水沿裂隙大量渗入滑体导致滑坡体结构面强度参数降低;同时,滑坡前缘由于前期堰塞湖人工清理和河水自然侧蚀,临空面高达十数米,为滑坡的发生提供了有利条件,最终形成"强降雨-入渗-岩体软化-推拉"破坏模式,属典型的滑移-拉裂型岩质滑坡;参数影响性表明结构面内摩擦角φ对滑坡滑距和滑速影响显著,黏聚力c对滑坡位移和速度影响有限;模拟得到的滑坡最大滑移速度和后缘最大滑动距离与野外调查相符。     

采空塌陷区地表建筑物变形特征分析及破坏机理研究

采空区建筑物的变形特性研究,一直是采空塌陷灾害的一个重要方向。本文以北京市房山区史家营乡大村涧村采空塌陷为背景,在充分分析采空区上方建筑物砖墙上裂缝形态及分布规律的基础上,从建筑物受力方面探讨了裂缝产生的原因,并采用数值模拟方法对采矿影响下建筑物的变形破坏机理进行浅析,研究结果不仅可为建筑物加固和维修提供依据,还可为采空塌陷区治理提供参考。     

深井综放沿空掘巷实体煤帮变形破坏机制及控制技术

东滩煤矿1306轨道顺槽掘进期间,实体煤帮出现大变形破坏,挤压鼓出严重。采用离散元数值模拟分析了深井综放沿空掘巷掘进期间基本顶断裂位置的变化及围岩应力、位移的演化规律。揭示了实体煤帮大变形破坏机制:沿空掘巷诱发围岩大结构中关键块体的回转沉降,导致基本顶断裂线向实体煤侧转移。顶板结构的变化引起实体煤侧支承压力的显著升高并产生大范围的高应力挤压区,使实体煤侧表现出大变形与强流变的破坏特征。基于对实体煤帮变形破坏机制的分析,提出高强让压长锚索联合锚网的实体煤帮控制技术。数值模拟与现场试验表明,实体煤帮采用破断力为600 kN,让压点为260~300 kN的φ22 mm×6800 mm长锚索加强支护后,水平大变形得到有效控制,实体煤帮变形量控制在300 mm内,保证了巷道在掘进期间的稳定性。     

采矿引起的将军崖岩画区倾倒变形机理及治理措施分析

针对连云港市锦屏山磷矿采空区引起的将军崖岩画区岩体开裂问题,通过现场调查,采用理论分析和数值模拟方法,分析了采空区周边岩体倾倒变形的发展历史及成因;利用UDEC软件模拟了采矿开挖过程对周边围岩变形的影响,结果表明:倾倒变形体的破坏模式为弯曲-倾倒-拉裂变形破坏,产生裂缝的上盘边界角为55°,岩画区总体水平位移0.3~0.4 m,竖向位移0.5~1.0 m,最大开裂宽度约5 cm,深度约10 m,模拟得到的结果与实际调查的结果基本一致。此外,采用数值模拟的手段预测采空塌陷区在地震等外力作用下将产生进一步沉降,可能引发岩画继续开裂。为控制岩画区的开裂,采用预应力锚索和灌浆的方法对岩画区变形岩体进行加固设计,并取得了良好效果。     

汶川地震震害特点及成因探讨

在对汶川、都江堰、彭州和北川等地地震灾害调查的基础上,结合大量文献资料,分析了震害特点并探讨了震害成因。认为汶川地震是在特殊的地质构造和地球动力学背景下产生的,地震震害有许多独特之处。地震产生的许多变形带是浅表层局部变形,与浅表层地质条件有关,不是地震断层,破坏性不严重。地貌在地震中有伸缩现象,其中山体部分伸展、河谷地带收缩、地貌伸缩与地震中应力释放和应变恢复过程产生的多层次滑脱有关。桥梁在地震中遭到了严重破坏,许多桥梁完全垮塌,显示架空结构建筑物对地震的抗击能力差,有的桥梁有中央断裂或垮塌一半的特点,可能是因为河流两岸地震波不连续或不同方向震动强度不同。地震中建筑物的破坏具有不均匀性,主要表现有滑坡和崩塌加重了建筑物的破坏、地基不均匀导致建筑群不均匀破坏、饱和砂土地震液化引起地基失效导致建筑群强烈破坏、斜坡带临空一侧建筑物破坏程度高、建筑物的破坏具有与地震波相关的方向性。汶川地震震害警示,在强烈地震区加强地质研究、地质灾害危险性评估、工程勘察和结合地震破坏特点的工程抗震设防的极端重要性。     

考虑软弱夹层厚度的岩体力学响应及破坏特征研究

作为一种典型的地质结构,软弱夹层与硬脆性岩体共同形成了围岩层状复合结构,进而显著影响着隧洞围岩的稳定。以往对含软弱夹层的复合岩石的研究多集中于单轴、双轴或常规三轴,对隧洞临空面处真三轴应力路径下的复合围岩力学性质和破坏特征缺乏分析讨论。通过制作的含不同厚度的软弱夹层复合岩样,探讨了软弱夹层厚度对隧洞临空面围岩力学响应和破坏特征的影响。研究表明：软弱夹层厚度显著影响着复合岩样峰值应力和应变,随着厚度的增大,软弱夹层上方岩块向临空面方向的滑移变形逐渐增大,软弱夹层压缩变形逐渐减小;复合岩样靠近临空面的岩石单元破坏模式随着软弱夹层厚度的增大逐渐由拉剪混合破坏转变为张拉破坏,且宏观裂隙数量和破坏范围均逐渐减小,而远离临空面的岩石单元则由剪切破坏逐渐转变为基本无损伤断裂;不同厚度的隧洞侧帮复合围岩的破坏区域均集中在软弱夹层及其上方围岩处,软弱夹层下方围岩则基本保持稳定;在应力分布方面,软弱夹层厚度越大,最大压应力越向深部软弱夹层处转移,而拉应力区分布范围越小,但拉应力区深度越大。     

软弱夹层顺层岩质滑坡形成机制及稳定性分析

以贵阳西二环"5·20"滑坡为实例,对滑坡区地质环境条件,滑坡发育特征和变形破坏特征的分析,在工程建设过程中,切脚开挖形成临空面是诱发软弱夹层岩质顺层滑坡,滑坡破坏模式为滑移-拉裂型;采用室内岩土试验、工程类比分析和参数反演等方法,综合确定了滑坡物理力学参数,应用极限平衡法和数值模拟对滑坡稳定性进行定量分析;分析表明,在天然和饱和两种工况条件下,稳定性系数均小于规范要求,在暴雨或外力作用下形成滑坡的结论,理论分析和实际情况一致。     

陕西延安某老滑坡场地上建筑物破坏机理分析

陕北地区土地资源匮乏。随着城市人口数量增加及城镇化进程的加快,在老滑坡上修建各种建筑物与构筑物以求合理利用土地资源已成趋势,但此举导致的建筑物与构筑物的变形破坏现象,对人民生命与财产安全造成重大威胁。本文针对延安某处大型老滑坡体上民用建筑群墙面开裂及墙体前鼓病害,在现场调查基础上,开展建筑物变形破坏机理分析;采用FLAC3D数值模拟方法,分析了在建筑物附加荷载下老滑坡以及地基土体的应力应变发展规律,揭示了建筑加载下老滑坡稳定性的变化趋势和建筑物变形破坏机理。研究结果表明,修建建筑物后老滑坡基本处于稳定状态,并未发生整体复活现象;老滑坡场地上的不均匀地基在建筑物附加荷载下产生较大差异沉降是造成建筑物墙面出现裂缝的主要原因;老滑坡场地内第四级台阶的加载变形引起了临近台阶边缘建筑物的墙体前鼓。     

基于巨厚岩层-煤柱协同变形的煤柱稳定性

采前煤柱稳定性研究是工作面冲击危险性评估和开采方案设计的关键。以山东某矿深井巨厚砾岩条件工作面开采遗留煤柱为背景,采用案例调研、理论分析、数值模拟和工程实践等方法,对巨厚岩层-煤柱协同变形机制及其煤柱稳定性进行了研究,建立了巨厚岩层-煤柱协同变形的简化力学模型,探讨了引起煤柱变形的主要应力来源和变形形式,推导了在协同变形条件下煤柱的应力-应变关系。以此为基础,综合煤柱煤体应力、围岩稳定性和变形特征等条件,提出了煤柱整体失稳的力学判据。研究结果表明：巨厚岩层-煤柱失稳诱发冲击与煤柱的位置、尺寸和上覆岩层运动或变形关系密切,上覆岩层运动或变形是诱发煤柱失稳的动力因素;巨厚岩层-煤柱的变形主要包括受集中力F压迫的协同挠曲压缩变形和受集中力G作用的重力沉降变形,二者保持内在协调性;巨厚岩层下煤柱整体失稳的工程判据为煤柱煤体平均支承应力p超过其平均极限支承强度Rc（p≥Rc）;评估得到遗留的50 m煤柱具有强冲击危险性,并通过优化开采设计,取得了良好的效果。该研究成果对相似条件煤柱留设及其稳定性分析具有参考意义。     

矿井构造应力场的模拟研究———以鲍店煤矿为例

通过物理实验和数值模拟分析了岩体断裂变形过程和破坏的形态特征, 总结了岩体破坏过程的规律, 并推广到中小型构造变形, 认为地质体中的应力差达到或超过岩体强度极限时, 地质体首先从高应力差区域产生破裂, 破坏面走向近似平行于高应力差等值线。在矿井地质条件分析和岩组分析的基础上, 根据岩体破坏过程的规律, 以鲍店矿为例分析了燕山期矿井构造的外力作用方式和方向, 通过对比分析验证了矿井构造的序次, 揭示了矿井构造演化的过程。     

岩质块体渐进破坏的稳定分析方法

岩桥的破裂贯通是一种非连续变形现象。强度折减技术虽然是渐进破坏过程模拟的主流技术,但其不具备描述非连续变形现象的能力。提出连通率折减法和刚度折减法来模拟含非贯通结构面岩块的渐进破坏过程,并建立考虑渐进破坏过程的块体稳定分析方法。首先,引入Goodman单元来描述共面非贯通结构面的岩桥部分和裂隙面部分,建立静力平衡方程来求解滑裂面内岩桥单元和裂隙面单元的应力。其次,岩桥单元采用Griffith准则来判别破坏,利用连通率折减法来描述其破裂;裂隙面单元采用MC准则来判别破坏,用刚度折减法来描述其屈服;通过循环迭代,模拟岩桥单元的破裂过程和裂隙面单元的应力调整过程,实现整个滑裂面的渐进破坏过程模拟。然后,定义考虑渐进破坏过程的滑裂面极限状态;通过自重超载方式将滑裂面推送至极限状态;基于极限状态设计的理论框架,计算度量块体稳定性的安全系数指标。工程实例分析结果表明,渐进破坏过程模拟结果与现场调查结果是一致的。渐进破坏过程的模拟实现,有助于岩质边坡变形破坏机制分析从定性分析阶段扩展至定量分析阶段。     

盐岩地下储气库体积收敛失效概率分析与模型试验验证

盐岩地下储气库受盐岩蠕变特性影响会产生较大的体积收缩变形,影响储气库安全稳定运行。目前对地下储气库体积稳定性分析方法和评价准则各国没有统一标准,国内主要采用数值计算的方法来评价储气库体积稳定性。以江苏金坛盐矿地下储气库体积收敛数值分析为基础,借鉴国外盐岩地下储气库稳定性评价标准,建立盐岩地下储气库体积收敛失效风险评价矩阵,采用一次二阶矩法显示功能函数分析储气库体积收敛失效概率,分析得出：储气库在长期恒定内压工况下体积收敛失效概率随内压的增大而减小;在短期调峰低压工况下体积收敛失效概率随内压的减小而增大;最小内压应保持在4.2 MPa以上。通过交变气压条件下层状盐岩地下储气库大型三维地质力学模型试验得出:储气库体积收敛变形随内压的增大而减小;短期运行最小内压应大于4.0 MPa。模型试验结果与失效概率分析结论较为相似。因此,为避免盐岩地下储气库产生体积收敛破坏,应保证调峰短期最小内压在4.0 MPa以上。     

采空区稳定性评价及处治对策

根据煤层开采后影响上覆岩层及地表而产生移动和变形的时间的变化关系定性分析采空区稳定性,而且采用FLAC3D模拟了在施加地面建筑载荷后地表变形情况,确定了采空区需要处理的范围;依据建筑物荷载集度及其重要程度,采用了不同注浆处治对策.通过对采空区上覆岩体的沉降和建筑物沉降监测数据的统计分析,评估了处治效果.     

黎家洞滑坡变形机制研究

通常认为顺层岩质斜坡的变形破坏以滑移-拉裂、滑移-弯曲模式为特征,但野外调查中,在陡倾顺层岩质边坡还发现一类特殊的变形破坏方式,即倾倒变形。以黎家洞滑坡为例,在阐明区内地质环境条件、滑坡的基本特征的基础上,应用数值模拟手段对该滑坡的倾倒变形机制进行了分析。研究成果为该类滑坡除险加固提供了参考依据。     

地铁隧道盾构施工侧穿建筑物独立基础的动态响应分析

隧道施工引起隧道周围地表发生变形并可能危及周围地面建筑设施安全,因此,施工前需要了解隧道施工对周围建筑物的影响。本文以北京地铁10号线2期盾构隧道穿越某大厦为典型实例,用FLAC3D 程序进行了数值模拟研究。首先根据测量的数据对建筑物的现状进行了分析,研究了由于盾构施工所引起的土体位移场的变化趋势,模拟了在盾构隧道开挖的不同阶段,建筑物基础的动态响应,预测了独立基础的不均匀沉降。并且对在建筑物与隧道间施打隔离桩加固的施工方案进行了分析,提出了盾构隧道穿越独立基础建筑物的安全评价方法。当考虑盾构隧道施工对建筑物地基基础影响的问题时,应综合考虑建筑物地基基础现有的变形和由于盾构施工诱发的基础附加变形,在两者的共同作用下,保证基础的变形在规范规定的限值以内,才能保证建筑物在隧道施工的过程以及使用过程中的正常使用。为日后有关盾构隧道穿越建筑物问题提供了参考。     

岩溶区隧道围岩--支护体系稳定性研究

岩溶是地下水地质作用的过程和结果，是隧道建设面临的不良地质现象之一。正在建设中的某高速公路隧道出口段岩溶地质作用强烈，溶隙、孔洞发育，且受构造变形及后期淋滤溶蚀作用强烈，力学强度低，岩性复杂。其角砾状粘土岩和水云母粘土岩多已泥化成粘土，遇水易膨胀。岩溶区隧道围岩——支护体系的稳定性是该隧道建设面临的主要问题。文章结合隧道施工过程中的围岩变形监控量测和三维弹塑性有限元数值仿真模拟对隧道围岩——支护体系的稳定性进行了研究。围岩水平收敛和拱顶下沉位移及速率变化特性表明，在监测时段内隧道围岩无趋于稳定的迹象。施工动态力学数值仿真模拟表明，在初期支护条件下，围岩出现了较大范围的塑性破坏区，两隧道之间(间距45．0m)围岩破坏接近度达到0．70，最大竖向位移达到3．0mm，表明隧道全断面施工时，两隧道相互作用影响程度较大。为确保隧道围岩——支护体系的稳定，选择合理的施工方法，制定切实可行的支护方案提供了信息。     

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。     

腊寨水电站坝址右岸边坡三维数值模拟分析

边坡变形破坏是水利水电工程中多发的地质灾害之一,通过三维数值模拟开展边坡稳定性评价对防灾减灾及滑坡预报具有重要的意义和价值。本文对云南腊寨水电站坝址右岸边坡进行了数值计算。经过调查边坡工程地质条件,本文试图通过分析边坡岩体结构类型、结构面与坡面的产状关系以及诱导因素研究边坡变形成因机制,在此基础上,利用FLAC3D 三维数值模拟分析方法,分别计算了原始边坡、开挖未支护和支护后的边坡应力场、位移场和塑性区分布,结合工程地质条件分析,对其变形机制进行了深入探讨。研究结果表明,边坡处于压致拉裂的初始阶段,边坡变形受开挖作用影响明显。根据边坡变形研究结果提出相应的支护方法,包括预应力锚索、网格梁和挂网喷锚等方法,使边坡变形得到有效控制。