坡脚岩体劣化条件下库区软硬互层反倾岩质边坡的破坏机制和稳定性

大型水电工程库区内的软硬互层反倾岩质边坡,坡脚岩体位于消落带范围内时其物理力学性质在周期性水-岩作用下可能劣化,威胁边坡的整体稳定性。基于三峡库区典型岩石和结构面在干湿循环作用下的物理力学性质劣化研究成果,选取砂岩和砂质泥岩为硬岩和软岩原型,建立软硬岩层等厚的互层反倾边坡数值模型,使用GDEM软件模拟坡脚岩体劣化条件下的边坡变形破坏过程,揭示其破坏机制并明确稳定性演化规律。研究表明:坡脚岩体劣化条件下软硬互层反倾岩质边坡的破坏存在诱发型和触发型两种机制。诱发型机制下坡脚岩体劣化后的变形导致边坡破裂面出现,随着劣化程度增加破裂面不断向上延伸,最终边坡失稳或形成倾倒趋势。触发型机制下坡脚岩体劣化打破了边坡沿已存在的非贯通破裂面的力学平衡,导致边坡失稳破坏。诱发型机制下,边坡破裂面多为上陡下缓的折线,转折点位于劣化区与非劣化区的区域分界,岩层倾角α和坡角β是决定该折线形态的主要因素。坡脚岩体劣化条件下边坡安全系数初期下降幅度较大,后期下降幅度趋缓,安全系数的下降幅度与岩层倾角α之间存在明显的正相关关系。

缓倾软硬岩互层边坡变形破坏机制模型试验研究

以宜巴高速公路沿途彭家湾软硬岩互层边坡为工程依托,依据地质分析及相似理论建立缓倾软硬岩互层边坡室内模型,采用开挖试验及和注水软化试验来模拟实际中的工程开挖(或河谷下切)和雨水浸润软化过程,研究缓倾软硬岩互层边坡的变形破坏机制。结果表明:在开挖及雨水软化两种工况下,该类软硬岩互层边坡的变形模式都是前期的滑移拉裂变形和后期的整体蠕滑变形,破坏模式是以深部软层为滑动面的整体滑移;硬岩层与软岩层的变形情况略有不同,硬岩层以整体蠕滑变形为主,而软岩层以滑移拉裂变形为主;深部软岩层的状态变化对边坡的整体稳定性影响非常关键;工程开挖(河谷下切)及雨水入渗都会对该类缓倾软硬岩互层边坡的稳定性有重要影响,开挖导致的临空面及微裂隙是滑坡发生的基础,水是滑坡发生的条件和诱因。

急倾斜软硬互层巷道变形破坏机制及支护技术研究

针对急倾斜软硬互层巷道围岩大变形控制难题,采用现场试验、理论分析和数值仿真等多种手段,研究急倾斜巷道围岩变形破坏机制,研究结果表明:急倾斜软硬互层巷道的变形与破坏具有非对称性,偏压作用明显,呈现顶板下滑,底板臌起的相互错动变形特征,底臌严重且易片帮冒顶。巷道断面与岩层倾斜方向的钝角部位受侧向约束小,因而剪切滑移变形较大,是产生非对称变形破坏的关键部位;下帮围岩变形破坏较上帮更为严重。基于急倾斜巷道的变形破坏特点,提出在锚-网-索耦合支护的基础上利用锚索、底角锚杆等对产生差异变形破坏的关键部位进行加强支护的方法,巷道大变形得到了有效控制。

三峡库区软硬互层岩质滑坡变形机制分析——以云阳向城小学滑坡为例

三峡库区云阳县向城小学滑坡自2011年来一直持续变形,其稳定性及变形发展趋势密切关系到坡体上居民的生命财产和长江航道的安全。基于现场调查和工程地质勘察,详细介绍了滑坡发育特征;采用X射线衍射和电镜扫描分析了泥岩软弱夹层的矿物组分和微观结构,并结合室内试验探究其膨胀性和崩解性;从岩体建造特征、构造影响以及外动力作用等方面分析了滑坡的变形失稳机制。研究表明:向城小学滑坡为软硬互层结构的岩质滑坡,其稳定性主要受泥岩演化而成的软弱夹层控制,其变形破坏模式为蠕滑-拉裂-剪断式;软弱夹层主要粘土矿物为伊利石和伊利石-蒙脱石混层矿物,具较好的亲水性和一定的不稳定性,崩解性较好,微观结构以片状结构为主,部分呈层状定向排列;构造作用和岩体的建造特征对滑坡的形成演化起到控制性作用,降雨和库水位升降变化的耦合作用对滑坡变形发展起到促进作用。

反倾软硬互层边坡倾倒变形影响因素及破坏机制研究

由于反倾软硬互层边坡集合了软岩和硬岩两种岩性特征,对其变形破坏过程和成因机制研究尚未十分明确.采用不连续体理论,利用离散元软件UDEC,通过室内外试验得到模拟所需参数,建立数值分析模型,研究影响软硬互层边坡倾倒变形的因素和成因机制.分析结果表明,边坡坡脚和岩层倾角在60°~70°范围内发生倾倒变形的可能性大,且边坡坡脚和岩层倾角之和大于120°为发生倾倒变形的一个重要条件;互层岩体层厚和岩体性质决定了倾倒变形的类型;软硬互层边坡的形成过程分为四个阶段:初始变形阶段;软岩弯曲、硬岩折断变形阶段;拉张剪切面贯通阶段;破坏阶段.

缓倾坡外软硬互层型高斜坡演化及失稳机理研究

基于对贵州省德江县香树坪斜坡工程地质条件分析及斜坡变形破坏特征分析,建立了缓倾坡外软硬互层型高斜坡演化概念模型,分析了斜坡演化机制,将斜坡形成及变形破坏过程分为河谷形成过程中的时效变形、滑移-逐级拉裂、滑移-弯曲-剪断3个阶段。并通过数值分析,再现了斜坡失稳机理及发生过程。基于软硬互层特性在斜坡演化过程中的作用量化分析表明,由于硬岩层限制软岩层的变形,导致坡体不易发生整体失稳。但软岩持续蠕变导致硬岩内能量积累增大,局部变形扩大,最终发生失稳破坏。

三峡库区软硬互层近水平地层高切坡崩塌研究

由泥、砂岩互层或厚层砂岩夹泥岩等形成的类似"夹心饼干"的软硬互层近水平层状结构边坡,是三峡库区分布较为广泛的一种结构类型边坡。由于泥、砂岩风化速度的不同而产生的崩塌灾害现象是三峡库区最为常见的一种地质灾害,首先,从地形地貌、地层岩性、结构面组合、降雨作用和风化作用等方面对软硬互层高切坡的崩塌形成原因进行研究,软硬岩的差异性风化而造成的软岩空腔和硬岩中的结构面组合是造成崩塌的主要原因;其次,基于野外调查的地质现象分析,得到了软硬互层高切坡崩塌主要有倾倒、滑移、塑流拉裂、悬臂拉裂、错断等破坏机制,并概化出了各类破坏示意图;通过离散元数值模拟,对泥砂岩软硬互层高切坡崩塌的形成破坏过程进行了再现和分析,其破坏过程为泥岩剥落-岩腔-砂岩裂隙张开-危岩体弯曲-倾倒崩塌-堆积坡脚;最后,在三峡库区高切坡各类破坏机制的基础上,提出了相应的处治对策。研究成果对三峡库区高切坡地质灾害的认识和防治有一定的意义。

溃曲软硬相间顺层斜坡滑移-弯曲破坏机制分析

以白龙江苗家坝水电站库区巨型滑移-弯曲破坏模式的何家滑坡为例,在野外调研的基础上,利用理论公式、数值计算等手段,从地形、地应力、岩性组成和临空条件等方面分析了软硬相间层状斜坡产生滑移-弯曲模式变形破坏的成因机制。结果表明,研究区高、陡的地形条件、最大主应力平行斜坡走向的地应力条件,以及深部厚层软弱岩带的存在,是厚层状坚硬凝灰岩夹板岩斜坡孕育、发生滑移-弯曲模式变形破坏的主控因素。

反倾软硬互层岩体边坡地震响应的数值模拟研究

反倾软硬岩体互层边坡是公路建设中经常遇到的一类边坡,在不利条件下有失稳破坏的可能,特别是在坡脚受到扰动、降雨、地震等作用时。以"5.12"地震期间都汶公路(都江堰—汶川)上一处边坡的地震响应为例,采用离散元UDEC软件对其进行模拟,系统研究了其地震响应的变形破坏机制。研究结果表明,地震作用下,软弱岩层挤压变形强烈,有向外剪出的趋势。同时,在地震波反复拉张作用下,软弱岩层位置容易开裂,成为坡体变形破坏的优势拉裂区域。地震波加速度、速度随高程变化放大显著,在坡体表部位移量随高程增高而逐渐增大。就整体而言,岩体内部的节理裂隙进一步张开,并产生了一些新的裂隙,弯曲倾倒有加剧的趋势;而坡表覆盖层普遍具有表部拉张开裂和掉块现象,特别是在地形几何形态突变处,破坏更为显著。

软硬互层岩体力学及变形特性的离散元模拟

采用离散元软件PFC2D模拟软硬互层岩体渐进破裂过程,研究倾角、软硬层厚比和围压对其力学特性及变形特性的影响。研究结果表明:(1)软硬互层岩体抗压强度、黏聚力、内摩擦角和弹性模量随岩层倾角的增加先减小后增大,随围压的增加逐渐增大,随软层厚度的增加逐渐减小;(2)软硬互层岩体强度与其单结构面理论强度分布规律大致相同,但实际强度没有保持不变的倾角范围,且在最不利破坏倾角α=π/4+φ_(j)/2附近的变化幅度也没有单结构面理论强度明显;(3)硬层中生成贯穿层理面裂隙所需应变随软层厚度增大,增大岩体裂隙数量发展速度随岩体倾角的增加先增加后减小,在45°或60°时达到峰值,围压增大,岩体裂隙发展越充分;(4)软硬互层岩体在岩层倾角0°时为贯穿层理面的张剪破坏,在30°~60°时为沿层理面的剪切滑移破坏,90°时为沿层理面和局部贯穿层理面的复合张剪破坏;(5)围压的增大会诱发岩体发生剪切破坏,而软层厚度的增加可增强岩体破坏时的完整性。

软硬互层顺层岩质边坡破坏试验

软硬互层结构的顺层岩质边坡破坏类型复杂、难于防治,针对此类边坡地质灾害易发、多发的问题,从坡面角度、岩层倾向及组合形式、节理分布等方面进行了研究。边坡物理模型试验是揭示边坡变形破坏机理的重要手段,基于相似理论,以重庆市万州区孙家滑坡为工程依托,根据滑坡区地质勘探报告设计了室内边坡物理模型试验;试验通过顶升模型箱模拟重力加载来探究顺层岩质边坡发生破坏时,前缘坡角和软弱夹层倾角之间的关系;结合有限元分析软件Plaxis 2D对物理模型进行了多组数值模拟试验,以验证软硬互层顺层岩质边坡破坏机制。试验结果表明:对于顺层岩质边坡,当软弱夹层的倾角在22°左右,前缘开挖坡角58°左右时,顺层岩质边坡容易发生滑动,滑动面为后缘节理面和软弱夹层的贯通面。因此,顺层岩质边坡稳定性受层面和节理面密度的控制,当边坡含多层软弱层面时,易沿层面和后缘节理贯通面发生破坏,随着软弱面层数增加,边坡稳定系数逐渐降低。研究成果可以为公路开挖切坡导致的顺层岩质边坡失稳机理研究及其稳定性评价提供理论依据,为顺层岩质边坡失稳的预测预报提供支撑。

软硬岩互层反倾高边坡变形破坏过程物理模型试验研究

反倾高边坡是工程界一类易致灾性地质体,为揭示软硬岩组合条件下斜坡倾倒变形内在机理,本研究通过配制相似材料,采用底摩擦实验分析软硬岩不同组合条件下的边坡破坏模式,并使用PIVlab工具箱进行分析。结果表明:软硬岩边坡在变形破坏模式上有较大的差异性,软岩边坡多以变形为主,层间多发生倾倒弯曲,垂直层面的裂隙产生较少,不易形成贯通破裂面;硬岩边坡多以倾覆折断破坏为主,岩层内部拉张裂隙发育并连通,最后产生阶坎状贯通破坏面;软硬互层边坡在倾倒弯曲之后,发生倾覆破坏,直至形成贯通破裂面。在含有硬岩层的反倾边坡中,更易出现“悬臂梁”式结构,这表明硬岩层更易发生折断破坏,所以硬岩层比例较多的反倾边坡,更易发生整体破坏。PIVlab计算结果与试验现象过程吻合性好,计算能正确反映边坡的位移矢量特点,并划分出变形特征范围。

三峡库区软硬互层近水平地层高切坡崩塌研究

由泥、砂岩互层或厚层砂岩夹泥岩等形成的类似"夹心饼干"的软硬互层水平层状结构边坡,是三峡库区分布较为广泛的一种边坡结构类型,同时,由于泥、砂岩风化速度的不同而产生的崩塌灾害现象是三峡库区最为常见的一种地质灾害。文章首先从地形地貌、地层岩性、结构面组合、降雨作用和风化作用等方面对软硬互层高切坡的崩塌形成原因进行研究,软硬岩的差异性风化而造成的软岩空腔和硬岩中的结构面组合是造成崩塌的主要原因;其次,基于野外调查的地质现象分析,得到了软硬互层高切坡崩塌主要有倾倒、滑移、塑流拉裂、悬臂拉张、错断等破坏机制;最后,通过离散元数值模拟,对泥砂岩软硬互层高切坡崩塌的形成破坏过程进行了分析,其破坏过程为泥岩剥落-岩腔-砂岩裂隙张开-危岩体弯曲-倾倒崩塌-堆积坡脚。研究成果对三峡库区高切坡地质灾害的认识和防治有一定的意义。