基于振动台试验的水平层状边坡共振响应分析

共振现象已经多次在汶川震害调查中被发现,其在结构工程中已经得到了广泛的研究,但在边坡工程中尚未开展深入的研究。采用振动台模型试验开展水平层状边坡的固有振动特性及其共振响应研究。首先分别通过白噪声激振、正弦波扫频和天然波激振获取边坡的固有频率,讨论不同方法在获取边坡固有频率方面的优劣性。其次,通过输入不同频率、不同幅值的正弦波激励,研究边坡的动力响应特征,重点关注边坡在共振频率处的加速度和位移响应特征。结果表明:白噪声激振和扫频试验分析结果较为接近,且白噪声激振对于边坡固有频率的变化识别更为敏感,天然波谱比曲线由于出现多个峰值,导致固有频率的确定较为模糊。边坡在其固有频率处存在共振响应现象,表现为边坡加速度峰值放大系数和位移响应峰值在共振频率段会出现峰值集聚,且相较于高程效应,共振对边坡响应的放大效应具有主导作用,会加剧边坡在振动作用下的变形破坏。研究有助于从边坡共振的角度揭示边坡的地震响应特征,也可以为边坡的抗减震研究提供思路。

考虑随机横向节理的反倾层状边坡倾倒破坏分析

实际边坡工程中,横向节理极其发育,且节理位置分布随机,节理长度也各不相同,随机横向节理对反倾向层状边坡倾倒破坏的影响规律尚不清楚。为此,通过计算机随机生成了横向节理的位置系数和长度系数来表征横向节理的随机特性,建立随机横向节理反倾向层状边坡模型。应用该模型探讨边坡发生倾倒破坏的启动条件和破坏机理,并基于极限平衡理论确定岩层的破坏模式和破坏位置。以皖南山区的典型反倾向层状板岩边坡为研究对象,分析横向节理位置和横向节理长度对边坡倾倒破坏的影响规律。结果表明:无论横向节理如何分布,岩层(从坡脚至坡顶)发生破坏所需的层间力总是先增大后减小;当横向节理位置或者横向节理长度发生改变时,潜在破坏岩层的层间力也随之发生改变,且其数值随横向节理长度的增加而明显减小;当横向节理位置和横向节理长度都随机改变时,层间作用力曲线形状变化较大,个别岩层发生破坏时所需的层间力差值较大。研究结论对反倾层状边坡倾倒破坏机理的认识与地质灾害防治有参考价值。

研山铁矿顺倾层状边坡渗流特征分析

研山铁矿东帮边坡临近新河,受地下水影响较大,揭示其渗流规律对分析边坡稳定性至关重要。应用边坡岩体各向异性渗流-应力耦合模型,对研山铁矿顺倾层状边坡的各向异性渗流规律进行模拟分析。结果表明:采用各向异性岩体渗流-应力耦合模型,并考虑层状岩体岩层倾角范围,可获取较为准确的地下水位范围;层状结构面的高渗透性导致顺倾边坡渗流场表现出显著的结构面控渗特征,较各向同性岩体沿着地下水入渗方向的等效渗透系数更高;当岩层倾角大于45°后,随角度增加,边坡沿着地下水入渗方向的等效渗透系数降低;顺倾层状边坡更利于导通河流与深部边坡,随着开采深度的增加,容易在深部形成局部承压水,需加深注浆帷幕或者地下连续墙截排水;深部边坡需要加强疏干排水,采用堵排相结合的方式来减小地下水对顺倾层状边坡的危害。

强降雨条件下基岩型层状边坡入渗模型及稳定性研究

强降雨作用下基岩型层状边坡易发生失稳破坏,给人们生命财产造成重大损失。为探索基岩型层状边坡的降雨入渗过程,以Green-Ampt入渗模型为基础,考虑了边坡几何特征及饱和带渗流作用,得到了边坡不同入渗阶段入渗率和湿润峰深度的计算式,建立了适用于基岩型层状边坡的降雨入渗计算模型;在分析基岩型层状边坡稳定性时,考虑了饱和带的渗流作用,联合降雨入渗模型与极限平衡法,分析了基岩面与湿润峰面稳定性的变化规律,得到了计算基岩型层状边坡安全系数的解析表达式;结果表明,该模型的计算与试验结果具有一致性。利用该计算模型与传统计算方法对张家湾滑坡进行了强度为30 mm/h的降雨入渗与稳定性分析,得到了不同计算方法下张家湾滑坡湿润峰深度及安全系数随降雨历时增加而发生的变化规律,结果表明该计算模型在分析基岩型层状边坡稳定性时优于传统分析方法。

结构面强度参数对层状边坡稳定性影响的三维分析

利用FLAC3D数值计算软件建立层状岩体边坡三维计算模型,分析结构面黏结力和内摩擦角变化时边坡安全系数和滑动面的变化规律。研究结果表明:在不同结构面情况下,随着结构黏结力的增大,边坡整体安全系数不断增大,并且两者符合线性关系,此时,边坡滑动面逐渐从临坡面向坡内移动,滑动模式由浅层滑动转换为深层滑动;随着内摩擦角的增大,边坡的安全系数逐渐增大,并且两者符合线性关系,变化滑动面从深部往浅部移动。

含断层露天矿逆倾层状边坡稳定性数值模拟

平庄西露天矿西北帮为逆倾层状边坡,受坡体内F3断层及弱层的影响,开采过程中存在滑动风险。为保障采剥作业安全,开展了西北帮边坡稳定性研究工作。选取西北帮断层区的典型工程地质剖面作为研究对象,应用有限差分软件FLAC3D,基于强度折减理论,将D-P准则作为岩体破坏准则,以塑性区贯通作为边坡失稳判据,对平庄西露天矿西北帮F3断层区逆倾层状边坡稳定性进行了数值模拟研究。通过分析断层与边坡空间位置不同以及不含断层条件下西北帮边坡失稳破坏特征,揭示了F3断层对西北帮边坡滑移模式与稳定性的影响。研究结果表明,F3断层的存在及其位置控制了平庄西露天矿西北帮断层区边坡的潜在滑坡模式,进而影响了边坡的稳定性;滑坡的力学成因为岩体在自身重力作用下顺F3断层面滑移,进而挤压下部岩体沿MD弱层向临空面滑移,形成推动式滑坡;断层的存在会加速滑坡的进程,且断层距离边坡面越近,这种作用越明显。

强降雨条件下考虑饱和渗透系数变异性的基岩型层状边坡可靠度分析

边坡土体因其自身的不均匀性及试验监测的不准确性,饱和渗透系数表现出一定的变异性。为探索强降雨条件下基岩型层状边坡的稳定性及失稳破坏概率,以笔者前期对基岩型层状边坡降雨入渗及其稳定性模型的研究为基础,结合Monte Carlo法,建立了考虑饱和渗透系数变异性的基岩型层状边坡稳定性可靠度计算模型,并基于MATLAB将这一计算过程程序化。最后,利用建立的基岩型层状边坡可靠度计算模型,得到了张家湾滑坡在不同饱和渗透系数变异系数及降雨强度下的失稳破坏概率,分析了饱和渗透系数变异系数及降雨强度对滑坡失稳破坏概率及安全系数均值的影响。计算结果表明在一定降雨条件下,当失稳破坏概率小于50%时,变异系数越大、滑坡发生失稳破坏的概率越大;当失稳破坏概率大于50%时,变异系数越小、滑坡发生失稳破坏的概率越大。

露天矿高陡逆倾层状边坡滑移模式与稳定性

为解决露天矿高陡逆倾层状边坡的稳定性与破坏机理等极为复杂问题,采用以平庄西露天煤矿顶帮边坡为研究对象,以Mohr-Coulomb准则作为边坡失稳判据,应用有限差分软件FLAC3D对露天矿高陡逆倾层状边坡破坏模式与稳定性进行了数值模拟研究,通过分析边坡的应力分布特征、位移分布及其演化过程,确定了边坡的破坏模式与失稳演化机理的方法.研究结果表明:平庄西露天矿顶帮边坡处于稳定状态;滑坡是在拉-剪复合作用下形成的,潜在滑坡模式为以弱层A为底界面的切层-顺层滑动;弱层A附近产生的应力集中是边坡发生剪切破坏的外在因素;沿弱层发生的隆起现象可作为露天矿高陡逆倾层状边坡失稳预警的宏观判据.

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。

磷矿层状边坡变形失稳的灾变分析

以云南磷化集团有限公司尖山磷矿为工程背景,依据其陡倾层状斜坡变形失稳特征,采用尖点突模型分析了斜坡失稳的演化过程和内在控制因素,并结合层状岩体受力分析特点,对露天矿边坡开挖稳定性进行了研究。结果表明:1岩层厚度的增加可提高岩体的抗弯刚度,能有效控制边坡溃屈破坏的发生。采用岩土体锚固技术或分级顺层清方可降低该类边坡失稳的风险。2当斜坡岩层厚度一定时,斜坡的临界坡长随着岩层倾角的增大呈减小趋势,且岩层厚度越大,该递减的趋势越加显著;当岩层倾角一定时,斜坡的临界坡长随着岩层厚度的增加呈增大趋势,且岩层倾角的增大,该增大的幅度减小,同时,当岩层倾角大于40°时,随岩层厚度增加而致使斜坡临界坡长增大的幅度趋于一致。相关的研究成果可为该矿或类似条件下的露天采场运输工艺提供理论和技术上的指导和建议。

不同厚度层状边坡动力响应的模型试验研究

采用振动台物理模拟试验方法,以4种不同覆土厚度的层状边坡模型为研究对象,水平输入振幅逐渐增大的正弦波加速度,分析了结构面上覆不同厚度土层对动力作用下边坡的稳定影响。研究了在动力作用下边坡的破坏位置和性质、破坏形式及最危险覆土厚度,验证了坡面放大效应与高程的关系,采用MIDAS/GTS软件对模型试验进行振型分析,分析了模型边坡的自振频率与覆土厚度的变化关系。试验结果表明:①模型破坏时最先出现的裂缝在边坡的中上部,且6cm覆土厚度的模型对振动的响应最大,对应到实际工程中时12m厚度土层覆盖的边坡是最应该注意防护的。②不同厚度的土层破坏的形式不同:当土层厚度较薄时模型破坏较迅速,基本沿结构面发生整体滑动破坏,且滑动呈现一定的流体特性;当覆土较厚时裂缝先在模型中上部出现,随着振动的持续裂缝继续发展,最后发生整体性崩塌。③随着高程的增加峰值加速度总体呈放大趋势,但最大值出现在边坡中上部而非坡顶,说明不仅均质边坡有加速度的高程放大效应,层状边坡也具有加速度的高程放大效应。

层状边坡岩体滑动稳定的三维动力学分析

本文通过振动模拟试验探索了块体运动时滑面的摩擦特性，建立了块体运动的三维动力学方程，并探讨了层状边坡层间振动加速度在传递过程中加速度变化情况。从而可以计算出受振动影响时边坡各层间的稳定性。

基于潘家铮原理的反倾向层状边坡弯曲倾倒破坏基准面搜索算法

在进行反倾向层状边坡的弯曲倾倒分析时,需要对边坡破坏基准面的位置和形状作一种简单假定;目前常见的假定形式为直线型破坏面,并垂直于岩层层面。从野外观测来看,这种假定的破坏面与实际工程边坡破坏面并不吻合,为提高反倾向层状边坡弯曲倾倒计算的可靠性,提出一种搜索破坏基准面的算法。基于潘家铮最大最小原理,认为边坡破坏基准面(由各个岩层折断面组成)为使边坡发生整体破坏所需外力最小的破坏面。在破坏基准面的搜索过程中,根据岩层的受力分析确定其破坏模式(剪切破坏和弯曲拉裂破坏);然后,依据最后一块岩层发生倾倒破坏的条件确定岩层可能发生破坏的范围,并将可能发生破坏的岩层划分为多个组合,利用极限平衡方法,结合岩层的破坏模式,求出各组岩层发生整体破坏所需的最小外力F;最后,不断变化搜索角,得到一系列F,其中的最小值为边坡发生整体破坏所需的最小外力,对应的破坏面为边坡潜在破坏基准面,相对应的岩层组合为最危险的岩层组合。选用安徽皖南地区的某反倾向板岩边坡作为工程实例进行验证分析,结果表明本文算法所得到的破坏基准面能较好地与实际工程边坡破坏面、文献模拟结果相吻合,进一步说明了本文算法的有效性。

露天矿顺倾层状边坡稳定性的断层效应

作为一种典型的露天矿山边坡,含断层顺倾层状边坡的变形破坏机理及稳定性等问题尤为复杂。结合元宝山露天矿东帮边坡工程实际,基于强度折减理论,同时考虑岩体剪切和拉伸两种破坏机制,应用RFPA软件模拟研究了断层处于不同位置及无断层条件下顺倾层状边坡的动态失稳过程,分析了断层对边坡滑移模式、稳定性以及滑坡力学成因机制的影响,阐明了断层效应。研究结果表明,元宝山露天矿东帮边坡的滑移模式及稳定性主要受F1断层和顺倾弱层控制,断层的存在与偏移导致的坡体内剪应力状态改变以及断层自身的抗剪强度是边坡滑移模式和稳定性发生变化的根本原因;边坡的滑坡力学成因类型与断层无关。研究结果可为露天矿合理滑坡防治措施的提出及剥采工程设计与施工提供参考。

层状边坡渐进破裂与失稳过程数值模拟探讨

运用岩石破裂与失稳过程分析RFPA2D系统 ,以含层理弱层边坡的渐进破裂与失稳分析为例 ,通过对边坡渐进破裂与失稳发生孕育机制及其锚固控制规律的数值模拟 ,数值模拟再现了含层理弱层和锚固边坡渐进破坏与失稳的发生、发展过程。模拟结果表明 。

反倾层状边坡变形破坏离散元数值模拟研究

针对工程实践中常见的反倾层状岩体边坡,在室内不同浸水时间三轴试验数据分析基础上分析了软化效应.然后运用离散元UDEC方法建立了反倾层状边坡数值模型,考虑水的劣化效应,研究不同坡高、坡角、结构面倾角、结构面强度对边坡稳定性的影响及变形破坏范围,探讨了反倾层状边坡水劣化作用下的变形破坏机理.结果表明:坡脚软化在许多情况下是最不利的因素;层面倾角超过50°时,边坡具备产生强烈倾倒变形条件,反之则以折断滑动为主;随着结构面摩擦力和粘聚力的减小,边坡的潜在破坏范围和深度呈现增大趋势.研究结果可为倾倒变形边坡的工程治理提供参考.

贵州某高速公路缓倾角层状边坡滑坡分析

以贵州某高速公路缓倾角层状边坡的滑坡破坏为例,在滑坡区岩土体结构、水文地质条件、滑坡形态特征等综合分析基础上,重点讨论了缓倾角层状边坡滑坡变形破坏的模式及产生的主要控制因素。为今后同类边坡研究提供研究资料。

缓倾角层状边坡变形破坏机制及整治措施研究

以国道108线广(元)南段公路缓倾层状边坡的变形和失稳破坏为典型,在对滑坡区岩体结构、水文地质条件、岩体水力学特征、滑坡形态特征、滑坡运动学特征等综合分析基础上,重点讨论了滑坡变形破坏的模式及产生的主要控制因素,并对滑坡进行了稳定性综合评价。在此基础上对不同整治措施的技术可行性及经济指标进行比较分析,提出了经济、合理、有效的治理方案,整治工程方案付诸实施取得了良好的效果。

长江科学院专家学者参加2016年“陈宗基讲座”暨层状边坡灾变理论及控稳技术专题研讨会

为纪念我国已故的岩石力学与工程学科奠基人，中国岩石力学与工程学会首任理事长，中国科学院院士宗基先生 ，引领学科向国际领先水平迈进，中国岩石力学与工程学会，《岩石力学与工程学报》设立了“陈宗基讲座”。

渗流应力耦合作用下顺倾向层状边坡各向异性渗流特征数值模拟

渗流场与应力场耦合作用下边坡渗流规律对研究边坡稳定性至关重要,应用基于等效连续介质模型和Louis经验公式建立的各向异性岩体渗流应力耦合模型,对顺倾向层状边坡的各向异性渗流规律进行了模拟分析。研究表明:顺倾向层状边坡中水位降深随结构面倾角θ的增大先升高、后降低,呈现两头低、中间高的形态,且越靠近溢出点,结构面倾角对水位降深影响越大;θ约为42°时水位降深最大,潜水面最低,同时渗透各向异性系数达到最大值;顺倾向边坡岩层产状一定时,随着埋深的增加,岩体渗透各向异性系数逐渐减小,裂隙控渗特征由显著到逐渐变弱,表现出向各向同性渗流过渡的趋势。