基于土体中结构面的岩土工程问题探讨

土体中也存在结构面，并且结构面的存在与很多的岩土问题有关。为使土体中的结构面受到足够的重视，本文就其中的几个主要岩土工程问题进行了探讨，它们是：结构面对土体力学性质的影响、土体结构面对土体破坏的控制作用、有时可尝试用离散元等模型分析土体变形、土体中结构面上水的渗流和污染物的运移、结构面上土体力学参数问题、土坡稳定性问题、土与结构物的相互作用问题、土体中结构面与环境岩土工程问题等。     

机会约束规划在岩土工程中的应用

采用极限平衡理论分析土坡稳定性, 搜索确定其潜在的滑动面与确立可靠度分析模型是理论研究与应用的两个重要方面。应用确定的方法, 构筑由随机变量决定的约束条件, 根据机会约束规模理论, 分析土坡的稳定性与可靠性。并用土坡实例进行计算。     

基于统一滑移线场的均质土质边坡稳定性评价方法

结合统一强度理论根据数值法推导了土质边坡统一极限坡面曲线,在此基础上提出了一种利用统一极限坡面曲线与原坡面线间的位置关系定义土质边坡稳定性系数的新方法。对于均质土坡,利用极限坡面曲线法可以快速且精确的得到其统一极限坡面曲线和边坡安全系数。应用统一极限坡面曲线法对均质土坡算例进行稳定性系数计算,得到的结果与已被验证方法的计算结果相吻合,表明本文方法计算结果是可靠的。此外,对多个均质土坡样本安全状态进行了判断,研究表明统一极限坡面曲线法计算得到的结果和已被验证的其它方法的计算结果吻合度较高,表明本文方法能够准确地判断均质土坡边坡所处的状态,而且吻合率优于其他方法,显示出统一极限坡面曲线法在判断边坡稳定状态方面的优势。同时分析了中间主应力对边坡稳定的影响,结果表明中间主应力对边坡稳定有较大影响。     

基于优势结构面理论的高陡岩质边坡稳定性分析

对优势结构面理论及其重要性进行阐述,并将其用于某一高陡岩质边坡的稳定分析工作中。在充分分析相关工程地质资料的基础上,确定在评测指标上占据优势的结构面。利用赤平投影图分析各组优势结构面对边坡稳定性的影响程度,得到边坡剖面相应的控稳优势面组合,并将该组合考虑到岩体稳定性计算分析模型中。利用极限平衡分析软件slide综合评价该边坡在优势结构面影响下的稳定性,并以优势结构面为关键因素,提出相应的治理措施建议。     

地下工程中岩土结构面的影响分析

研究已表明岩土体中都存在结构面,工程岩土体的变形破坏一般受结构面控制。本文依据结构面 (断层 )优势指标综合值 (Ri)的量化比较,可得出各结构面 (断层 )对隧道稳定影响程度的大小,从而针对各结构面 (断层 )采取不同的工程措施。本文分析还表明,结构面和地下工程中的水害、瓦斯突出、岩体质量好坏等也有密切关系。     

含结构面岩体试样单轴强度与变形特征

结构面是岩体区别于岩石材料的一大特征,其产状、迹长、密度等参数对岩体的力学性质有着重要影响。本文利用FLAC3D对含结构面岩体试样的单轴压缩特性进行了较为系统的数值模拟研究。文中建立了含不同组贯通性结构面的岩体试样模型和含不同倾角及迹长的非贯通结构面岩体试样模型,对每个试样进行单轴压缩试验的数值模拟,结构体和结构面均采用Mohr-Coulomb剪切和拉伸破坏准则。模拟中用编制的伺服控制程序通过调节加载速度,控制试样内最大不平衡力,研究含结构面试样单轴压缩情况下的变形、强度及破坏方式等特征。模拟结果显示,含1-3组贯通性结构面试样呈现各向异性特征,而含4组贯通性结构面试件呈现各向同性特征。随着贯通性结构面数量的增多,同尺寸试件的变形强度参数劣化。含单组非贯通性结构面试件,其单轴压缩模拟试验的应力-应变曲线峰值后出现应力降。基于Mohr-Coulomb抗剪强度准则和损伤理论所得的解析解与数值模拟结果所得的非贯通性结构面试件的单轴压缩强度不符,说明用抗剪强度准则与损伤理论刻画非贯通结构面试样的强度并不合理。随着非贯通性结构面贯通率的增大,试件的变形、强度参数劣化。含单组结构面试件的破坏方式可分为结构面控制破坏,结构面部分控制破坏和结构面不控制破坏3种类型,而随着结构面组数的增多,结构面控制试样破坏的概率增加。     

基于模糊综合评判的路基易滑岩层优势结构面研究

优势结构面理论已逐渐在岩土工程中应用。首次将物元模糊耦合评价方法应用于岩体优势结构面的确定中,提出基于物元可拓法的模糊综合评判模型。该模型把易滑岩层的结构面状况作为物元的事物,以结构面的各项几何、物理参数指标及其相应的模糊量值构造复合模糊物元,通过关联度计算,实现对优势结构面的判定。该模型能很好地处理易滑岩层优势结构面计算过程中岩土体性质、规模、产状、分形优势指标及活动状况等不确定的模糊因素,为路基易滑岩层优势结构面的评判提供了一种新途径。此方法克服了传统方法确定优势结构面只考虑数量优势而忽略质量优势的缺点,使结构面评价更合理。通过介绍这种方法的基本理论和操作步骤,并在一工程实例中加以运用。可以看出,该模型有效地保证了工程优势结构面计算中评判的客观性和指标的相容性,大大提高了计算的精度与效率。     

样条函数模拟土坡滑动面的效率分析

土坡稳定分析中,二维滑动面通常由一系列点顺序连接产生,并且将点的坐标当作优化变量来搜索临界滑动面,当点的个数较多时会导致优化变量较多;只需给定少量的控制节点,即可利用三次样条函数得到光滑的曲线作为任意滑动面,该法对于含软弱夹层土坡,无需事先指定直线段。利用不平衡推力法计算给定滑动面的安全系数,采取和声搜索算法确定最小安全系数相应的临界滑动面。对3个土坡算例进行了比较分析,比较了常规策略与样条函数方法在模拟土坡滑动面时的效率。     

岩坡优势面分析理论与方法

优势面理论是工程地质问题或岩土工程问题的一种新的研究观点和模式。优势面理论认为优势面决定岩坡破坏模式及其边界条件,对稳定性问题起主要控制作用。本文对岩坡稳定性问题进行了优势面分析,提出了确定岩坡优势面之四项基本优势指标和研究模式或方法,包括系统工程分析法和优势面理论专家系统。     

坡顶加载时黏性土坡土钉加固前后的离心模型试验比较研究

为研究坡顶加载条件下黏性土坡的承载特性和变形规律,进行了素土坡和土钉加固土坡的加载离心模型试验。测量了土坡的承载和变形过程。通过对比两种土坡的承载特性和变性规律,土钉的加固作用体现在：限制了土坡向坡面方向的位移,使土坡的承载能力得到了明显提高;在加固土坡内形成的土钉影响区域改善了加载底板边缘处的薄弱程度;增大了土坡中上部土体的竖向压缩变形,减小了剪切变形,增强了土坡的稳定性。土坡上部土钉的加固效果随着坡顶荷载的增大而越明显;土坡中下部土与土钉的相互作用越靠近坡面越强     

优势面的水力学效应

本文运用优势面理论分析并确定了四川某库区边坡的变形破坏模型,重点考虑了优势面的水力学效应对边坡稳定系数的影响,分析得了滑坡发生的条件为ｈｗ〉ｈｗ０,从而为该类滑坡的预测,提供了一种简单有效的方法。     

岩土优势结构面的储运水效应

运用系统分析的方法和优势结构面理论,提出了岩土优势结构面的储运水效应的概念,并对它的几个应用方面进行了探讨,结果表明:①岩土体中存在各种类型的结构面,实际岩土工程中的稳定、渗透和突水问题一般是由优势结构面所引起;②在找出优势结构面即富水优势断裂的基础上,确定优势井位、优势井深,可确保缺水地区找水的成功;③地下突水与优势结构面关系密切,但只有具备了多种储运水优势指标的优势结构面才是富水的,才有可能导致突水事故;④在降水和其它地表水的作用下,水将优先向边坡中优势结构面发生渗漏,而水的浸入又加速了土体的软化及结构面的生成,水与结构面相互促进,形成了恶性循环,最后导致滑坡的产生;⑤堤、坝及其地基中的优势面和优势层的存在是内在因素,而水是外在因素。内外因素的联合作用下可能导致堤坝的渗透、变形和破坏。     

土质边坡失稳的电阻率响应特征

利用边界积分方程法对土质边坡失稳地球物理模型的视电阻率进行了系统数值计算，研究了土质边坡失稳的电阻率响应特征，揭示了边坡从稳定一失稳演化过程的电阻率变化规律，从而实现了边坡失稳的电阻率响应特征的提取。这些特征信息的获得为利用电法勘探方法探测土质边坡失稳的滑动面或结构面位置提供了依据，同时为实时观测，预测预报土质边坡失稳提供了理论支撑。     

The System Analysis and Reliability Evaluation of Rock Slopes

The principal of preferred plane analysis is a new research view and model of rock slope engineering geology. It advocates that the rock slope stability, boundary conditions and failure model are controlled by preferred planes. Therefore, the problem of slope stability evaluation can be converted into the search for preferred planes and determination of preferred separating bodies. The organic combination of the deterministic model and the indeterministic model can be realized by applying the systems engineering principle and the research model and method of reliability analysis in the quantitative evaluation and prediction of rock slope stability. Finally, the paper presents the case studies of slopes of the Yangtze Gorge Project and the Ma'anshan openpit mine.     

基于罚函数偶应力理论的土体应变局部化研究

与 Cosserat 理论相比,偶应力理论在一定程度上可以降低数值框架的复杂度,已逐渐应用于岩土体应变局部化分析中。然而,一般的偶应力有限元法需要满足 C¹连续性,即单元内部和单元交界面上的应变都需要具有连续性。为了避免开发较为复杂的C¹型偶应力单元,在 Cosserat 连续体理论框架下,通过借助罚函数方法对 C¹连续性进行松弛来获得偶应力理论的逼近解,建立了基于罚函数的偶应力有限元方法 PCS-FEM。通过平面应变条件下的弹性圆孔应力集中问题对 PCS-FEM 方法的有效性进行了验证,并应用于土体应变局部化分析中。通过对Ottawa砂的平面应变试验进行数值模拟,发现 PCS-FEM 方法获得的应力−应变曲线及剪切带破坏形态与试验结果基本一致,且能够克服经典连续体理论病态的网格敏感性问题,保证应变局部化问题的适定性;通过对承受偏心荷载作用下的土坡应变局部化经典算例进行分析,发现 PCS-FEM 方法同样可以克服土坡应变软化阶段的网格敏感性问题,展现土体的渐进破坏过程。     

The System Analysis and Reliability Evaluation of Rock Slopes1

Abstract The principal of preferred plane analysis is a new research view and model of rock slope engineering geology. It advocates that the rock slope stability, boundary conditions and failure model are controlled by preferred planes. Therefore, the problem of slope stability evaluation can be converted into the search for preferred planes and determination of preferred separating bodies. The organic combination of the deterministic model and the indeterministic model can be realized by applying the systems engineering principle and the research model and method of reliability analysis in the quantitative evaluation and prediction of rock slope stability. Finally, the paper presents the case studies of slopes of the Yangtze Gorge Project and the Ma'anshan openpit mine.     

弹塑性土质边坡的ALE方法有限元分析

有限元法被广泛用于解决几何和材料非线性的问题,但标准的有限元方法难以有效解决某些材料的大变形问题和计算中的网格扭曲问题。任意拉格朗日-欧拉法（ALE法）吸取了拉格朗日和欧拉法的优点,并克服了两者的缺点,可用于解决仅用拉格朗日或欧拉有限元法所难以解决的问题。基于ALE有限元方法和弹塑性大变形基本原理,研究了岩土工程中土质边坡在自重作用下的稳定问题;计算结果不仅能直观地显示失稳时的大变形状态,并能确定较符合实际的临界滑移面形状;同时分析了含软弱夹层复杂土质边坡的稳定性。结果表明,ALE方法能有效分析土质边坡的稳定性问题,适用于岩土工程的弹塑性分析。     

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。     

平面应变状态下边坡安全系数的近似求解

Mohr—Coulomb屈服准则不考虑中间主应力对材料强度的贡献,是一个保守的强度屈服准则,在近似平面应变状态下,匹配于Mohr-Coulomb屈服准则的Drucker-Prager屈服准则能给出边坡安全系数偏保守一些的估计;相对而言,Matsuoka—Nakai和Lade-Duncan屈服准则均考虑了中间主应力对土体强度的影响,在近似平面应变状态下,匹配于Matsuoka-Nakai和Lade-Duncan屈服准则的Drucker-Prager屈服准则能给出岩土类材料较为合理的破坏强度预测,土体的抗剪强度能被更有效地发挥出来,因而借助这些转化的Drucker-Prager屈服准则能给出平面应变状态下土坡安全系数较为合理和真实的预测。文中的边坡稳定算例证实了这些观点。