降雨诱发边坡破坏数值模拟两个关键问题的解决方法

研究降雨因素对边坡稳定性的影响,最有效的方法是室内外试验和数值模拟方法,最为重要的是设置与实际情况接近的降雨入渗边界与动态流量边界下初始孔隙水压力分布问题。为有效地解决这两方面的问题,首先将现有的降雨数值边界施加方法所得模拟结果与室内试验结果进行了对比分析,指出了传统方法的不足之处,并在此基础上提出了新的降雨数值边界条件,即在土体表面施加一层很薄的"空气单元",表述的是一个动态的边界条件。降雨入渗边界施加在"空气单元"表面,而不直接施加在土体单元表面,应用该方法完成的入渗土柱数值模拟结果更加接近现场和试验测得的降雨入渗率,为有效模拟降雨诱发边坡破坏的边界条件提供准确、真实可行的方法。同时,由于相对渗透系数和负孔隙水压力均为饱和度的函数,通过设置流体的抗拉强度来赋予节点负孔隙水压力模拟基质吸力,在数值模拟中每一个计算步根据节点饱和度自动更新负孔隙水压力和相对渗透系数,可实现FLAC软件中非饱和土的有效渗流分析。此外,为解决非饱和区土体施加负孔隙水压力所带来的问题,提出数值模拟过程中施加动态的流量边界,通过模拟自然界中地下水的补给,很好地解决使用FLAC进行数值模拟时动态流量边界条件下初始孔隙水压力的分布问题。     

降雨诱发边坡破坏数值模拟两个关键问题的解决方法

研究降雨因素对边坡稳定性的影响,最有效的方法是室内外实验和数值模拟方法,最为重要的是设置与实际情况接近的降雨入渗边界与动态流量边界下初始孔隙水压力分布问题。为有效地解决这两方面的问题,首先将现有的降雨数值边界施加方法所得模拟结果与室内试验结果进行了对比分析,指出了传统方法的不足之处,并在此基础上提出了新的降雨数值边界条件,即在土体表面施加一层很薄的“空气单元”,表述的是一个动态的边界条件。降雨入渗边界施加在“空气单元”表面,而不直接施加在土体单元表面,应用该方法完成的入渗土柱数值模拟结果更加接近现场和试验测得的降雨入渗率,为有效模拟降雨诱发边坡破坏的边界条件提供准确、真实可行的方法。同时,由于相对渗透系数和负孔隙水压力均为饱和度的函数,通过设置流体的抗拉强度来赋予节点负孔隙水压力模拟基质吸力,在数值模拟中每一个计算步根据节点饱和度自动更新负孔隙水压力和相对渗透系数,可实现FLAC软件中非饱和土的有效渗流分析。此外,为解决非饱和区土体施加负孔隙水压力所带来的问题,本文提出数值模拟过程中施加动态的流量边界,通过模拟自然界中地下水的补给,很好地解决使用FLAC进行数值模拟时动态流量边界条件下初始孔隙水压力的分布问题。     

岩石边坡渗流破坏的数值流形方法模拟

通过对岩石边坡中的裂隙水对岩石边坡裂隙作用的力学原理进行分析的基础上,提出了数值流形方法中对裂隙水渗流作用的计算方法,并在原有考虑裂纹扩展的数值流形方法程序中加入了考虑裂隙渗流的子程序.最后利用综合考虑渗流与断裂的数值流形方法程序对含初始裂隙的岩石边坡在渗流作用下的破坏过程进行了模拟.模拟结果再现了原始裂隙在渗流作用下的扩展路径及所形成的切割块体在自重作用下的运动过程,与边坡的实际破坏模式基本一致.     

脆性岩石破坏数值模拟研究的两个问题

应用数值模拟方法,对脆性岩石单轴压缩情况下破坏规律进行了初步研究,主要讨论了脆性岩石的破坏机理、脆性岩石破坏数值模拟试验中的端部效应问题,并得出了一些初步的结论。在单轴压缩试验中,脆性岩石破坏过程主要以拉伸破坏为主。端部效应则是除了岩石试件本身所具有的材料非均匀性外影响岩石试件破坏形式的另一个重要因素。总体上存在这样的规律,即端部约束越大,岩石试件破坏型式越趋近于“X”型剪胀破坏,端部约束越小,则岩石试件破坏型式越趋近于张拉破坏。     

层状岩石边坡倾倒破坏过程的数值流形方法模拟

层状岩石边坡的倾倒破坏是岩石边坡失稳破坏的主要形式之一.本文利用数值流形方法对一层状岩石边坡的倾倒破坏过程进行了模拟.模拟结果表明:在不考虑块体间粘结力的情况下,块体间的摩擦角决定着岩石边坡的稳定性.随着摩擦角的增加,块体间的摩擦系数增大,岩石边坡的稳定性增强,并出现相应的滑动区、倾倒区和稳定区.模拟结果与相应的理论预测结果相吻合.     

降雨条件下北川斜坡破坏的数值模拟

本文采用FLAC的两相流模式和修正的Mohr—Coulomb模型,对北川地区震后土在降雨条件下的位移和速度矢量进行了数值模拟和分析,同时在室内进行了降雨条件下斜坡破坏的模型实验。分析结果表明：土体在沿坡面的最大水平位移发生在坡脚处,土体水平位移是衡量斜坡破坏的首要指标,可采用坡面特征点的位移突变作为斜坡破坏的判别标准;数值模拟得到的斜坡破坏与降雨历时关系与室内模型实验结果吻合较好。     

降雨诱发填方路堤边坡变形机制物理模拟研究

填方路堤变形失稳是西部山区工程建设的常见问题。重庆某高速公路边坡为典型的堆载条件下降雨诱发型滑坡,填方堆载后,填方边坡在连续降雨条件下,沿基岩之上的软弱面产生滑动破坏。定性分析认为,降雨在滑坡形成中起着关键作用,为了研究填方边坡在降雨条件下的变形破坏机制及孔隙水压力与变形之间的关系,采用物理模拟方法研究边坡变形失稳的全过程,分析孔隙水压力随降雨时间的变化规律及其与变形破坏的关系。研究结果表明：边坡后缘大方量堆载,改变了其应力条件,是滑坡产生的主要因素。场地施工改变了原有的地表水环境,连续强降雨致使大量下渗的雨水,不仅显著改变坡体应力条件,而且雨水沿着滑面运移软化滑带,是滑坡产生的重要诱发因素。孔隙水压力在坡体失稳过程中起着关键作用,填方体土碎屑、泥质含量大,下渗的雨水携带上部细小颗粒及滑带泥质成分至滑带附近,堵塞地下水消散通道,表现为坡体变形积累,孔隙水压力增加;边坡变形陡增,孔隙水压力降低。该滑坡破坏分为降雨下渗、滑带饱水软化、后缘产生裂缝、裂缝贯通-整体滑动4个阶段,为蠕滑-拉裂式滑坡。     

多层边坡破坏机制数值模拟研究

通过大量的多层边坡算例来分析FLAC3D强度折减法在不同强度、坡比和层厚的情况下所得安全系数与滑动面位置的变化规律,并与极限平衡法进行对比,探究强度折减法和极限平衡法所得结果产生差异的原因,揭示多层边坡的破坏机制。数值模拟计算结果表明:①对于上层土体强度较软的边坡,当上下层强度相差到一定程度,表现为上层破坏,强度折减法与极限平衡法的安全系数相对差值最大,达5%~7%;上层土体厚度h增加时,安全系数逐渐减小;上层土体位于地表以下时,滑动面通过坡趾,安全系数保持不变。②对于下层土体强度较软的边坡,当上下层强度相差到一定程度,强度折减法所得安全系数基本保持不变,但极限平衡法仍保持增长趋势,最大相对差值可达12%;上层土体厚度h增加时,安全系数也相应增大,h位于9~12 m,边坡表现为深层破坏;而h=12 m时,极限平衡法的滑动面却通过坡趾,但安全系数相差很小。当h的变化范围在3~5 m,两种方法的安全系数相对差值最大,达6%~10%。破坏区分布分析表明,边坡呈拉伸-剪切复合破坏,对于下层土体强度较软的边坡,复合破坏模式更显著,与单一剪切破坏模式相比,最大有10%左右的相对差值。     

数值模拟材料破坏中两个容易忽视的问题

材料的破坏模拟方法对计算结果的正确性有着非常大的影响。基于对破坏判据的分析认识,指出在破坏问题数值模拟过程中容易忽视的两个问题,包括计算过程中单元的侵蚀问题和单元侵蚀后的内部接触问题。以圆柱状试块受压破坏问题和岩石坑道震塌破坏试验问题为背景,考察这两个问题对材料破坏问题的影响。理论分析和算例分析表明,通过定义节点约束失效和内部单元接触条件,可以比较合理地模拟诸如岩石坑道的震塌破坏等材料和介质的破坏问题,常用的侵蚀算法对材料破坏问题的模拟存在很大的局限性。     

降雨条件下边坡角度对边坡稳定性影响的数值模拟研究

近年来,降雨所导致的边坡失稳越来越频繁,引起了越来越多专家的重视,因此对降雨条件下边坡角度对边坡稳定性的数值模拟研究无论在理论上还是在工程应用上都具有十分重要的意义。影响边坡稳定性的因素有很多,本文利用数值分析方法研究了降雨时间、边坡角度两个因素对边坡稳定性的影响,比较了降雨历时、边坡角度在降雨过程中对边坡稳定性安全系数的影响。模拟结果表明：相同的降雨强度,相同降雨时间、边坡角度越小,安全系数下降的越快,土中孔隙水压力变化越快。虽然其初始位移较小,但是随着降雨的持续,其位移将越来越大,边坡稳定性降低地越来越快; 坡内经历非稳定渗流、非稳定渗流与稳定渗流和稳定渗流3个过程。该研究结果有助于深入认识降雨引发滑坡的机制,可为治理此类滑坡提供科学依据。     

采动诱发岩体移动破坏过程数值模拟研究

本文基于岩石介质的宏观非线性主要是由非均质性和各向异性造成的, 应用新的数值计算软件RFPA(2D), 对采动引起岩体失稳破坏的全过程进了数值模拟研究。     

煤岩两体模型变形破坏数值模拟

采用拉格朗日元法,在弹性岩石与弹性-应变软化煤体所构成的平面应变两体模型的上、下端面上不存在水平方向摩擦力条件下,模拟了模型的破坏过程、岩石高度对模型及煤体全程应力-应变曲线、煤体变形速率、煤体破坏模式及剪切应变增量分布的影响。结果表明,当模型的全程应力-应变曲线达到峰值时煤体内部的剪切带图案已经十分明显,在模型的应变硬化阶段,煤体中的应变局部化可视为模型失稳破坏的前兆,随岩石高度的增加,模型应力-应变曲线的软化段变得陡峭,这与单轴压缩条件下的解析解在定性上是一致的;煤体应力-应变曲线的软化段变得平缓,煤体消耗能量的能力增强;弹性阶段煤体的变形速率降低;煤体内部的剪切应变增量增加。煤体应力-应变曲线的软化段的斜率、弹性阶段煤体的变形速率、煤体内部的剪切应变增量及塑性耗散能都受岩石高度的影响,说明了岩石几何尺寸对煤体的影响(煤岩相互作用)是不容忽视的。     

似层状岩质边坡倾倒变形破坏过程数值模拟

在构造裂隙组合切割下形成的反倾向"似层状"结构边坡在工程中普遍存在。文章以浙江某梯级电站厂房后边坡为例,通过运用二维离散元和三维有限差分法,对"似层状"岩质边坡倾倒变形特征及破坏演化历程进行模拟,结果表明这类边坡变形破坏主要经历三个时期:初期为块体间的相互剪切错动和局部缓倾节理的剪切蠕变;中期岩体加剧倾倒后推动坡体前缘滑动,在坡体表面形成倾倒台阶后地表拉裂;后期倾倒变形剪切错动向坡体内部扩展,剪切带相互连通并逐步追踪缓倾结构面或强弱风化分界面,在空间形态上形成具有"台梯状分布"的滑动带,为深层蠕滑创造条件。     

降雨诱发浅层滑坡渐进破坏分析研究

为分析降雨诱发浅层滑坡的演变过程。本文以湖南湘西古丈滑坡为例,基于Green-Ampt入渗模型,进行了降雨诱发浅层滑坡渐进破坏分析。研究结果表明:在强降雨作用下,滑坡的失稳破坏主要是由于前缘土体以及中前部土体的局部破坏,而逐渐发展为整体破坏。并且,受滑坡地形影响,地形平缓的区域虽然湿润锋下渗较快,土体抗剪强度较低,但由于土体饱和带的渗流作用较小,而重力提供垂直于滑面的分力较大,该部分稳定性较为良好,故湿润锋对于滑坡稳定性的影响还应该根据不同地形条件加以分析。渐进式滑坡破坏分析方法对滑坡的监测和防治具有重要的指导意义。     

降雨诱发浅层黄土滑坡变形破坏机制

由降雨引发的浅层黄土滑坡灾害具有致灾性强、范围广、影响面积大等特点,是黄土高原地区危害严重的地质灾害类型。经典算法采用安全系数描述坡体稳定性,难以对坡体变形破坏的起始位置和实际失效面加以识别,限制了滑坡变形过程的描述和滑坡有效预测。以非饱和土吸应力理论为指导,基于Hydrus中的Slope Cube模块,建立黄土斜坡水-力耦合模型,结合黄土地区易滑坡形态统计数据,针对凸型、凹型、直线型3种坡型与30°、40°、50°三种坡度组合,计算了不同降雨条件下的坡体稳定性响应。结果表明,不同坡型的黄土斜坡对降雨条件具有明显的响应。相同降雨量、相同坡度条件下直线型坡发生浅表层破坏的可能性最低,凹型坡次之、凸型坡的稳定性最差。与之相对应的,相同条件下凸型坡失稳时间最短、凹型坡次之、直线型坡最长。本研究可为浅层滑坡的早期识别和预报提供支撑。     

降雨诱发直线型黄土填方边坡失稳模型试验

近年来,随着“治沟造地”和“固沟保塬”等工程在黄土高原的陆续开展,出现了许多直线型黄土填方边坡。降雨是诱发边坡失稳的重要因素,但对降雨诱发直线型黄土填方边坡变形演化特征和破坏模式的研究较少。以直线型黄土填方边坡为研究对象,通过传感器监测、三维激光扫描和人工降雨,开展室内降雨模型试验,记录了降雨入渗下边坡内部水文响应特征和边坡失稳破坏过程,并对湿润锋、土颗粒运移、坡体内部变形响应、裂缝演化特征及破坏模式进行了分析。试验结果表明：随着降雨入渗,湿润锋达到后,体积含水率增加,并在峰值后保持稳定,而基质吸力则减小,到达最低点后保持稳定。冲沟对填方边坡的影响较大,它的发育改变了坡体内含水率特征,同时也是控制边坡整体滑动的边界;边坡变形响应区域主要是以填方边坡前缘堆积区和后缘滑塌区为主;裂缝演化方向由边坡前缘向后缘发展,它的发育为雨水入渗提供优势通道,同时也加剧边坡的变形破坏;降雨形成的水动力驱使坡体中细颗粒从填方边坡后缘向前缘流失,减弱了土体颗粒之间的胶结能力,使其抗剪强度降低,进而使边坡失稳破坏。因此,在降雨入渗下,直线型黄土填方边坡的变形破坏模式为：坡顶冲沟破坏、坡脚软化→局部牵引坍塌、整体失稳→块体分割、流滑破坏。研究结果可为直线型黄土填方边坡的工程建设和滑坡灾害防治提供理论参考。     

岩爆及采矿诱发岩体失稳破坏过程数值模拟新方法

岩石介质的宏观非线性主要是由非均质性和各向异性造成的,应用新的数值计算软件RFPA(2D)——基于岩石宏观非线性行为可能是由具弹脆性特征的细观微元体不断破裂造成的,造成微元体不断破裂(并非某一时刻同时破裂)的原因是微元体材料性质(微元体强度、弹性模量和泊松比等参数)的非均匀性,是一个数学上相对简单但能充分考虑岩石介质复杂性的方法,对采动引起岩体失稳破坏的全过程进行了数值模拟研究,表明应用RFPA(2D)是切实可行的。      

顺层岩质边坡失稳破坏临界长度的数值模拟分析

含有多层软弱夹层的顺层岩质边坡开挖时,边坡失稳破坏范围常常为一有限范围,即存在一个失稳破坏临界长度,该长度对边坡稳定性评价和支挡工程设计有着决定性的影响,而如何确定失稳破坏临界长度,目前在工程实践中尚无较为成熟的解决方案,常凭工程人员的经验确定。笔者在对淮口镇西环线K3+115～K3+215段顺层边坡进行详细调查研究基础上,通过数值模拟,对该含多层软弱夹层的顺层边坡的变形破坏过程、变形破坏范围进行了分析,并与已有变形特征进行了对比,证明采用数值模拟分析其变形破坏过程和失稳破坏临界长度是可行的。失稳破坏临界长度的确定为边坡后续的稳定性计算和支挡工程设计提供了依据,达到了预期目的。因此,笔者的分析方法对具有类似特点的顺层边坡具有借鉴价值。     

降雨入渗条件下非饱和路堤变形与边坡的稳定数值模拟

对于常常处于非饱和状态的路堤在降雨入渗条件下变形问题的数值模拟研究,由于涉及到非饱和土力学,一直是个热点和难点。现有的强度折减有限元法一般仅对强度指标进行折减,但折减后得到的路堤变形场与实际变形场存在一定差异。论文分析认为,在降雨入渗影响下非饱和路堤不仅强度参数会降低,而且变形参数也会随着应力水平和强度参数的变化而变化。采用基于变模量的弹塑性强度折减法,对不同降雨入渗深度下路堤的变形规律进行数值模拟,并与室内模型试验结果进行比较;同时采用强度折减法和极限平衡法中的Bishop法,分析了不同降雨入渗深度对非饱和路堤稳定性和滑弧变化特征的影响规律。