层状边坡各向异性岩体渗流-应力耦合模型及工程应用

岩体渗流-应力耦合作用的研究是国内岩体渗流领域研究的热点问题,该问题在层状边坡工程中尤为常见。考虑到层状边坡岩体普遍存在的各向异性特征及渗流-应力耦合问题,基于等效连续介质模型和Louis经验公式,建立了层状边坡各向异性岩体渗流-应力耦合模型,应用COMSOL多物理场耦合软件对模型进行了数值计算。结果表明：该模型能够反映层状边坡岩体的各向异性变形及地下水渗流的非均匀性和各向异性特征。依托抚顺西露天矿南帮工程实例,通过采用不同的模型进行对比分析,研究了该边坡E800剖面地下水渗流情况。结果表明：采用该模型计算的潜水面与实际情况吻合较好,显示了该模型在层状边坡工程中良好的应用前景。     

基于DDA的裂隙岩体非饱和渗流应力耦合模型研究

岩体饱和–非饱和渗流、应力耦合作用对工程岩体的强度和稳定性有十分重要的影响。目前对于裂隙岩体饱和渗流应力耦合的研究取得了一些进展,但在很多工程领域不能简单地采用饱和渗流分析。根据DDA力学计算和非饱和渗流计算原理,提出了新的基于DDA方法的非饱和渗流应力耦合模型。并给出了在库水位骤降工况下的边坡水力耦合算例,其计算结果显示在库水位骤降情况下：考虑水力耦合且库水位下降较快时的安全系数要小于库水位下降慢时的安全系数;考虑水力耦合的边坡稳定安全系数要小于不考虑耦合时的安全系数。仿真实验和工程应用表明其计算成果是符合实践规律的。     

裂隙岩体渗流-应力耦合等效渗流阻模型

针对含区域主干裂隙岩体在应力作用下的渗透特性进行了研究。运用单裂隙平行板渗流理论、弹性力学方法,结合模拟电路知识,提出等效渗流阻的概念。在分析裂隙岩体区域中主干裂隙系统几何构造的基础上,建立了基于等效渗流阻的- 渗流-应力耦合模型,得到了裂隙岩体等效渗流阻、渗透率与应力之间的关系,从而为研究含区域主干裂隙岩体的应力-渗流耦合规律提供了方便。结合一个基于等效渗流阻模型的算例,考察了含“人”字形组合裂隙试样的渗透特性。经进一步细化后,该模型可用于分析地应力作用下的含区域主干裂隙岩体渗流演化规律。     

渗流井合理竖井降深确定

通过采用单位面积河流在单位水头差作用下的渗漏量来表征河流渗漏能力,建立渗流井取水理想模型,分别计算了在不同河流渗漏能力和含水层渗透性能条件下,竖井降深对渗流井出水量的影响。建立渗流井取水非稳定流模型,计算了在前期稳定竖井降深不同条件下,河流断流后渗流井出水量衰减过程及竖井降深发展过程。提出渗流井合理竖井降深应根据河流与地下水是否脱节以及含水层渗透性能,在岸边渗流井中部及一侧各布设一个观测孔,根据观测孔水位进行确定。对于含水层渗透性能较强地区,渗流井竖井降深应使得渗流井范围内地下水位与河流脱节,但高于辐射孔顶面;对于含水层渗透性能较差地区,渗流井竖井降深应使得侧部观测孔水位接近河床底面或刚出现脱节。     

顺层岩质边坡稳定性影响因素分析

层状岩体抗剪强度具有各向异性的特点,在分析顺层岩质边坡的稳定性与剪切滑动面方向上需要考虑 值方向性变化的影响。首先提出层状岩体 值的表达式,然后在此基础上选用一顺层边坡作为实例,分别计算分析了坡高、岩层面倾角、坡顶堆载特别是强度参数 值各向异性对边坡稳定以及剪切面方向的影响。     

层状岩质边坡破坏模式及稳定性的数值分析

运用FLAC3D模拟层状岩质边坡的破坏模式,并采用强度折减法分析结构面倾角与稳定性之间的关系。结果表明:①水平层状边坡坡顶变形破坏早于坡面和坡脚,形成拉破坏区。当结构面倾角较小时,顺倾向层状边坡主要发生滑移破坏;当结构面倾角较大时,发生弯折-溃曲破坏。直立层状边坡主要发生弯曲-板间拉裂-塌落破坏。逆倾向层状边坡的破坏形式为对于小倾角为滑移破坏,对于陡倾角为倾倒破坏。②对于顺倾向边坡,整体安全系数随结构面倾角先减小后增大,呈现两头高、中间低的形态,在倾角为30°时安全系数最小;对于逆倾向边坡,曲线呈现增大-减小-增大的态势,并且大部分高于顺倾向边坡曲线,符合实际情况。③所采用的低强度弹塑性单元能够比较真实地模拟软弱结构面的变形。     

降雨渗流及干湿循环作用下红砂岩顺层边坡稳定性分析

针对红砂岩顺层岩质边坡稳定性问题,建立顺层岩质边坡力学模型,对降雨渗流条件下边坡受到的力学作用进行了计算;选取典型结构面,通过室内干湿循环试验,分析了结构面强度参数衰减规律;综合考虑降雨渗流及结构面强度弱化,对降雨渗流及干湿循环综合影响下红砂岩顺层岩质边坡稳定性进行了分析,获得了边坡稳定性衰减变化规律;通过炎汝高速公路边坡稳定性监测对理论计算结果进行了验证。结果表明,边坡受到的水力作用与后缘张拉裂隙充水高度呈正比;干湿循环作用下,结构面黏聚力呈幂指数形式衰减,内摩擦角呈二次函数衰减;边坡稳定性与后缘张拉裂隙充水高度呈线性关系,而与干湿循环呈指数关系,且干湿循环对边坡稳定性影响比后缘裂隙充水高度大;在降雨渗流及干湿循环综合作用下,边坡稳定性系数降低了约66%,较考虑单一影响因素有了大幅度降低;边坡稳定性监测结果与理论计算结果吻合较好,进一步证明了理论计算结果的正确性。     

裂隙岩体渗流模型研究现状与展望

裂隙岩体渗流对于边坡、地下工程及基础岩土体的承载能力有显著的制约作用。本文简要地介绍了多种裂隙岩体渗流模型研究现状,评述了几类比较有代表性的渗流模型特点以及存在的不足,为选取合理的数学模型用于求解具体的裂隙岩体渗流问题提供了参考依据,并在上述基础上提出了一些需要进一步研究的问题。指出就目前应用最为广泛的等效连续介质模型而言,裂隙岩体几何参数、有效孔隙度以及等效渗透张量的确定仍有待于更深入的研究,而从细观力学结构入手研究渗流耦合模型将具有重大的理论意义和实用价值。     

岩体裂隙系统渗流场与应力场耦合模型

岩体系统具有复杂的结构。一般认为，岩体系统是非均质各向异性不连续的多相介质体系。当岩体以裂隙为主，且其分布较密集时，可将岩体系统看作等效连续多相介质体系。本文运用等效连续介质理论，提出了两种岩体裂隙系统渗流场与应力场耦合模型：一是以渗透水压力与隙变形关系、应力与渗透系统数关系为基础，建立渗透系数张量计算公式，进而建立等效效连续介质渗流为数学模型。以裂隙岩体应变张量分析为基础，建立裂隙岩体效应力张量     

渗透系数的各向异性对裂隙水渗流潜水面的影响

天然岩体是多相的不连续介质，在其中分布有大量的节理裂隙，这些裂隙的渗透能力要比岩石高几个数量级，构成了地下水流的主要通道，并控制着地下水渗流的运动规律．由于裂隙分布的方向性，导致裂隙岩体的渗流具有明显的各向异性．本文便在规则裂隙岩体模型的基础上，改变每组裂隙的渗透系数，利用有限元计算出裂隙水渗流的潜水面，分析了裂隙岩体渗透系数的各向异性对裂隙水渗流潜水面的影响．     

层状岩质边坡遍布节理模型的三维稳定性分析

采用遍布节理模型（ubiquitous-joint模型）描述层状岩体的各向异性特征,并探讨ubiquitous-joint准则中安全系数的计算方法,利用FLAC3D分析层理倾角、倾向与边坡稳定性之间的关系,结果表明：（1）对于顺层边坡,当岩层倾向与坡面倾向的夹角 较小时,边坡的安全系数随层理倾角 的增大呈现先减小后增大再减小的趋势; 20°～30°时,安全系数得到最小值, 60°时安全系数得到最大值;不同破坏型式导致安全系数变化规律之间的差异;当 较大时,曲线从先减小后增大的趋势转变为不断增大的趋势;根据 的大小将顺层边坡分为两类：当 45°时,为严格顺层边坡;当45° 90°时,为斜向层状边坡。（2）对于逆层边坡,当 45°时,曲线呈现先增大再减小然后又增大的趋势,各曲线随 的变化程度基本相同;但减小过程中,随着 的增大,曲线的斜率逐渐减小,边坡稳定性的各向异性程度减小;当 45°时,曲线随 的增大呈现非线性单调递增的趋势。（3）安全系数与 之间的关系表明,对于顺层坡,随着 的增大,边坡安全系数逐渐增大;对于逆层坡,当 较小时( 150°),边坡安全系数随 的增大而逐渐减小;随着 的增大( 120°),边坡安全系数与 呈现递增关系。     

基于结构面性状对岩体力学性质响应的模拟研究

为研究结构面性状对锦屏大奔流料场边坡岩体性质的影响,在对该边坡砂岩进行室内三轴压缩试验的基础上,开展含4组不同结构面性状岩体的力学模拟测试,最后对该边坡岩体的开挖进行数值模拟。试验结果表明,岩样破坏过程可以分为4个典型的阶段: 弹性变形阶段,屈服阶段,残余强度阶段及塑性流动阶段。随着围压的增大,岩石破坏所需偏应力逐渐增大,且岩石逐渐表现出延性特征。结构面性状模拟结果表明,含软弱充填结构面比不含者对岩体力学性质影响(弱化)大,有倾角结构面比无倾角结构面对岩体性质影响较大,大倾角结构面总体上比小倾角的影响大,软弱充填厚度对岩体内摩擦角影响较大。实例模拟结果表明,开挖卸荷使得边坡后缘岩体产生卸荷回弹变形,产生X向拉伸位移,煌斑岩脉的存在使得塑性区域沿此软弱带发展,开挖第8步时,塑性区贯通,边坡发生失稳。研究结果对陡高边坡岩体开挖的稳定性评价具有一定指导意义。     

低应力与覆水环境下单裂隙粉砂质泥岩渗流特性

为探究不同外部环境因素影响下浅层粉砂质泥岩边坡裂隙渗流特性,采用自主研发的岩体裂隙渗流试验装置,对含6种不同裂隙面粗糙度（JRC）的粉砂质泥岩裂隙试样进行渗流试验,研究了不同低围压和覆水深度下粉砂质泥岩裂隙渗流特性。结果表明：不同覆水深度及JRC下围压与粉砂质泥岩裂隙渗透系数均呈反相关,两者之间关系可用幂函数表征,且渗透系数的降低过程可分为快速降低（围压为0～30 kPa）和缓慢降低（围压为30～50 kPa）两个阶段,CT扫描结果验证了围压增大使得粉砂质泥岩裂隙开度减小是渗透系数随围压增大而减小的主要原因。随围压的增大或覆水深度的减小,不同JRC粉砂质泥岩裂隙渗透系数的离散程度逐渐减小。当围压增至最大,同时覆水深度最小时,JRC对裂隙渗透系数的影响将会被消除。不同围压下,粉砂质泥岩裂隙渗透系数与覆水深度呈正相关,且两者关系可用指数函数表征。推导出了粉砂质泥岩裂隙渗流非线性Izabsh模型,该模型能较好地反映低应力及低流速下粉砂质泥岩裂隙渗流量与压力梯度之间的非线性变化关系,但随围压的增大,该模型的相关性有一定程度的减小。     

裂隙岩质边坡地下水渗流数值模拟

本文从反倾向岩质高边坡的渗流特征和渗流普遍规律出发,根据渗流力学知识,建立数学模型,通过渗流数值模拟计算分析了渗透压力、水头变化规律以及对岩质边坡稳定性的影响.     

裂隙岩体渗透性影响因素的研究

采用UDEC离散单元法中关于裂隙岩体开挖模拟及水力全耦合分析模型,分析裂隙岩体洞室开挖后,因围岩应力与水力耦合作用导致裂隙隙宽变化及渗流变化的过程。为了更直观地了解耦合作用对裂隙岩体渗透特性的影响,以隧洞开挖为例,用开挖后隧洞内总涌水量来表征岩体的渗透特性。利用数值试验的方法,研究了块体边界大小、初始应力比、裂隙隙宽和裂隙夹角对开挖后隧洞内涌水量变化的影响,进而可以看出它们对裂隙岩体渗透性的影响。并得出如下结论：随着块体尺寸和初始应力比的增大,隧洞内总涌水量减少;随初始隙宽的增大涌水量增加并当达到某一固定值时保持不变;隧洞涌水量在θ2/θ1=3.5,其中θ1=30°,即两组节理的夹角为75°处达到最大。     

裂隙黄土边坡三维稳定性极限分析

黄土边坡中竖直裂隙的发育往往会对边坡稳定产生影响。相对于平面应变机制,建立三维破坏机制下边坡稳定性分析方法更能接近实际边坡失稳情况。基于塑性极限分析上限法,考虑预先存在竖直裂隙的三维黄土边坡不同破坏机制（坡面破坏、坡脚破坏和坡底破坏）,建立能量平衡方程及其无量纲临界高度值γH/c表达式,采用随机搜索法得到了临界高度的上限解。分析了约束宽度、边坡坡度、内摩擦角以及裂隙深度对三维竖直裂隙黄土边坡临界高度值的影响。结果表明：对于坡脚破坏机制,临界高度值随着裂隙深度的增加而减小,减小至临界裂隙深度 (δ /H)_min后,裂隙深度的增加不再影响临界高度值;临界裂隙深度随着坡度β 的增大而增大,随着内摩擦角φ 的增大而减小。当约束宽度B/H<0.8时,大多数破坏机制为坡面破坏。当约束宽度B/H=0.8、内摩擦角φ =10° 及约束宽度B/H=0.6、内摩擦角φ =15° 时,边坡的破坏从坡面破坏机制逐渐过渡到坡脚破坏机制。存在竖直裂隙的黄土边坡比完整边坡具有更小的临界高度,约束宽度及内摩擦角会对三维黄土边坡破坏机制产生影响。     

融雪入渗条件下边坡渗流计算及稳定性分析

本文利用饱和非饱和渗流有限元方法,参考积雪厚度、温度变化与融雪入渗关系统计资料,对积雪深度、气温变化以及坡度等不同条件进行了边坡融雪入渗渗流计算及稳定性分析。本文条件下计算结果表明:同一坡度下融雪入渗系数和坡面一定范围内的含水量及压力水头随积雪深度增加而增加,积雪深度达1.0m时,融雪入渗垂直影响范围为30.0m,边坡暂态饱和水位升高13m;相同积雪深度条件下,坡度越大,融雪入渗系数越小,坡内压力水头及含水量变化越小,30°边坡融雪入渗垂直影响范围最大为30.0m;同一积雪深度和坡度下,融雪入渗系数及坡面附近压力水头均与气温变化幅度呈正相关关系。根据极限平衡计算,边坡的稳定系数随着融雪过程的持续而降低,积雪深度、边坡坡度或温度变化越大,安全系数降低幅度越大;其中,坡度因子对边坡安全系数的影响最为显著,60°边坡受融雪影响安全系数降幅达9.7%。     

深埋顺层偏压隧道围岩破坏机理及规律研究——以郑万线某隧道为例

处于薄—中层倾斜层状岩体中的深埋隧道常会产生地质顺层偏压的问题,导致隧道局部塌方、偏压变形及支护结构破坏。本文以郑万线某隧道为例,采用理论分析、数值模拟方法对深埋顺层隧道的破坏机理及不同结构面参数下的破坏规律展开了研究。研究结果表明:（1）深埋顺层偏压隧道洞周围岩将根据其切向应力与结构面夹角的不同发生岩层拉裂破坏、结构面剪切破坏及岩体自身破坏,其中切向应力与结构面平行位置,即反倾侧拱腰及顺倾侧拱脚位置主要发生拉裂破坏,此处围岩塑性区范围最广,围岩位移最大,围岩处于极不稳定状态;（2）顺层偏压隧道的破坏规律与结构面强度参数有直接关系,围岩塑性区范围及围岩位移均随着结构面摩擦角的增大而降低,且降低趋势逐渐放缓,当结构面摩擦角达到岩体摩擦角后,结构面摩擦角继续增加对围岩稳定性影响较小;（3）围岩塑性区及围岩位移场偏压分布特征随结构面倾角的变化而整体旋转,且对于隧道底部而言,结构面最不利倾角为0°,此时隧底最大上鼓量大于其他倾角下的最大上鼓量;对于隧道拱部而言,最不利倾角为40°,此时洞周最大收敛值大于其他倾角下的最大收敛值,最不利位置位于反倾侧拱腰。