强降雨对库岸堆积体边坡稳定性影响的离心模型试验和数值模拟研究

堆积体广泛分布于我国西南大江大河的河谷地带,在降雨条件下其稳定性直接关系到大坝的安全稳定。设计了水库库岸堆积体边坡强降雨离心模型试验系统,开展了强降雨诱发库岸堆积体边坡失稳离心模型试验,对降雨作用下滑坡地质演化及灾变过程进行研究。基于试验结果,进一步开展数值模拟研究,分析了满库容不同降雨强度下强降雨对不同库水位及堆积体渗透性的边坡稳定性影响。结果表明:水库蓄水阶段堆积体边坡前缘在浮托力和泡水软化作用下造成抗滑力下降。但指向坡体内的渗透压力对坡体起到加固作用。两种竞争机制作用下产生的后缘细微裂缝对降雨阶段边坡变形发展产生重要影响。降雨主要造成坡表侵蚀及径流,少部分从裂缝入渗造成后缘浅层下沉。若不加处理,则边坡有可能发生推移式整体破坏。因此,库岸堆积体边坡后缘裂缝的处置是地质灾害防治的关键。

模型箱约束对大变形破坏离心模型试验影响初探

离心模型试验需要模型箱盛放模型,模型箱壁边界的摩擦和法向限位约束必然影响到模型的位移变形性状特别是大变形破坏性状。采用大型平面应变模型箱开展了离心模型试验,尝试再现某散货码头堆场地基的大变形推移破坏现象,先后两次模拟了试堆载过程,与第一次试验不同的是,第二次试验部分解除了模型箱端壁法向限位约束。两次试验测得的堆场地基极限承载力值很相近,但第一次试验中淤泥质黏土层最大位移是1 m量级,第二次试验中达5.5m量级,仍不及原型的20 m量级。前后两次试验位移量级的差异表明模型箱端部法向限位约束严重影响模型推移破坏程度,部分解除端部法向限位约束在一定程度上有助于模型产生大变形推移破坏。而大变形三维破坏问题被简化成二维平面问题模拟,宽度方向模拟范围有限隐藏着土体变形破坏过程中土料侧向补充严重不足,这进一步造成土体破坏整体推进的距离和严重程度不及原型,因此,进行大变形破坏离心模型试验和解读试验结果时,必须充分考虑模型箱箱壁摩擦和箱体长度与宽度有限三方面的约束影响。

散货码头堆场地基推移破坏离心模型试验研究

某散货码头堆场地基中有一软弱的淤泥质黏土层,堆场荷载区地基先采用真空联合堆载预压处理,再对两侧地基进行水泥搅拌桩加固处理,但在矿石试堆载过程中,淤泥质黏土层最厚处的堆场发生了严重的推移破坏。为研究推移破坏原因,通过开展大型离心模型试验,模拟矿石堆载体的填筑过程,测得矿石堆载体和堆场地基表面竖向和水平向位移;判断位移变形发展过程中的转折点,得到堆场地基的极限承载力;通过矿石堆载荷载作用下堆场地基剖面上发生的位移矢量场,分析再现堆场地基推移破坏现象和形成机制。分析结果表明:该堆场地基承载力由深厚软弱土层控制,承载力不足导致矿石堆载填筑过程中堆场地基出现严重下陷,下沉的浅表两层土体挤占下卧淤泥质黏土层空间,迫使其向阻力较小的南柳河一侧挤推,造成大范围的推移破坏。根据分析结果,提出了对堆场软土层进行改良或采用复合地基的修复加固途径。

基于离心模型试验的水动力型滑坡失稳机制研究

水动力型滑坡是中国西南高坝大库库区常见的滑坡类型,是影响库区安全的重要因素。为厘清库水位下降和降雨两种作用在水动力型滑坡变形中的主次关系,及此类滑坡变形失稳机理,以云南黄登水电站库区车邑坪滑坡为研究对象,设计了一套试验系统,利用大型土工离心机开展不同方案下大型滑坡离心模型试验,分析其变形失稳机制。结果表明:①库水位上升阶段,孔压的增长表现出一定的滞后性;库水位下降阶段,孔压消散速率小于库水位降落速率;降雨阶段,有裂缝的滑坡其孔压迅速增长。②库水位下降是导致车邑坪滑坡变形的主要因素,降雨为激发因素;库水位下降使滑坡产生指向坡体外的动水压力,致使滑坡失稳,产生裂缝;裂缝为降雨入渗提供了通道,加剧裂缝的发展。③车邑坪滑坡治理相对困难,建议对车邑坪小村进行搬迁处理,同时编制应急预案。

新型高聚物微型桩加固工程斜坡的抗滑性能模型试验研究

基于高聚物材料成型快、力学性能优异与微型桩施工非开挖、扰动小、场地适应性强的特点,提出一种用于工程斜坡突发滑坡灾害防治加固的新型高聚物微型桩技术。通过自主设计的工程斜坡加固模型试验装置,开展不同设计方案下高聚物微型桩加固效果试验,分析高聚物微型桩的抗滑性能、加固机理、桩体破坏形式与受力变形特征。研究结果表明:高聚物微型桩成型快,具有优异的强度性能,能够有效提高滑坡体的承载能力。在滑坡推力的作用下,桩身呈现出“S”型变形,变形区域主要集中在滑面附近,桩体会发生一定程度的偏转。不同埋深处桩体的剪力与弯矩沿滑面整体呈对称三角形分布,靠近滑面附近的剪力与弯矩最大。在无筋和加筋2种方案下,滑坡体所能承受的极限荷载分别为35 kPa和50 kPa,桩体偏转角度分别为2°和1°,加筋后,桩体承受的最大剪应力约为无筋桩体的1.55倍,其最大弯矩约为无筋桩体的2.75倍。

双锚杆受力机制分析及模型试验研究

为了研究锚杆间距对全长黏结锚杆之间相互作用产生的影响,推导出基于Mindlin解的双锚杆锚固段应力分布近似解,并结合单锚和双锚静载拉拔模型试验,得到了锚杆间距改变对双锚杆应力分布、极限承载力及最终破坏形态的影响规律。结果表明:间距减小使得锚杆的轴向应力和侧摩阻力呈现均匀化趋势,且轴向应力随间距减小而增大,锚固段中部增长幅度最大。当锚固系统进入破坏阶段,随着间距减小,锚固系统周边岩体破坏的位置深度增加,破坏锥形体的面积增大,并由单锚的倒锥状破坏转变为复合破坏模式。间距过小时,增加锚杆数量对承载力的提升十分有限,为起到锚固联合作用,锚杆间距应不小于10 D(D为锚杆直径),在软弱岩体中间距取值应加大。

多排微型桩框架结构加固边坡离心模型试验研究

多排微型桩框架结构是边坡治理的一种有效手段,其理论研究滞后于工程应用。为研究该结构在边坡加固中的变形、受力特征和加固机制,开展了多排微型桩框架结构加固土质边坡离心模型试验。研究表明:试验中边坡变形破坏模式为蠕滑-拉裂型推移式变形破坏,分为弹性变形、塑性变形、变形稳定3阶段;与未加固边坡相比,基于多排微型桩框架结构加固的边坡抗滑稳定性显著提高,边坡稳定性系数最高提升了156%;试验中影响边坡加固效果的因素重要性依次为锚固深度、桩数、桩间距;土压力作为滑坡向前推力,沿深度方向近似呈“上小下大”的三角形分布,作用于桩-土复合结构使桩身和框架梁弯矩曲线分别呈现反S形和反C形分布;框架横、纵梁弯矩分布受布桩方式影响显著,4排×4列的框架横、纵梁最大弯矩值相近,而4排×3列的纵梁最大弯矩值是横梁的3倍。研究成果可为该结构在工程应用上提供理论指导与设计依据。

反倾层状岩质边坡倾倒破坏的离心模型试验研究

针对反倾层状岩质边坡倾倒破坏机理认识的不足,采用平板玻璃作为相似材料,开展不同边坡坡角及岩层反倾角组合条件下的多组离心模型试验;结合图像量测技术,综合分析坡体在离心加载条件下变形倾倒特征,提出反倾层状岩质边坡典型倾倒破坏模式和倾倒破裂面位置的确定方法。研究表明:坡体倾倒变形主要发生在破裂面以上,坡趾岩层起到抗倾倒作用,变形过程分为位移量稳定增长和位移量加速增长两个阶段;坡体倾倒破坏模式经历坡趾岩层断裂、近坡顶张拉裂缝产生、岩层折断渐进式延伸及裂缝贯通瞬间倾倒4个阶段;边坡坡角及岩层反倾角影响坡体破坏时的临界坡高与破裂面位置,可通过计算位移矢量方向确定破裂面位置。上述研究成果,为反倾层状岩质边坡的破坏理论发展、工程地质灾害评价及防灾减灾提供参考。

边坡破坏过程离心模型试验的应力位移场研究

提出了一种确定离心模型试验过程中边坡的应力和位移场及其变化过程的方法。基于物理测量与数值模拟相结合的思路,首先采用离心场非接触位移测量技术测量出边坡的位移场;然后通过数值模拟和反演分析等途径算出边坡的应力场。该方法已成功用于多个边坡离心模型试验中的应力位移场的确定,表明了该方法可以较好地得出离心模型试验过程中边坡的应力和位移场。边坡离心模型试验结果表明,边坡的破坏过程与应变局部化和应力集中的过程有着密切联系。

顶爆作用下锚杆破坏形式及破坏机制模型试验研究

利用抗爆模型试验,研究在洞室顶部爆炸作用下锚杆的破坏形式,并对锚杆的破坏机制进行分析。根据锚固洞室破坏模型试验,发现锚杆主要有4种破坏形态:锚杆被压弯、螺帽没脱落,锚杆被剪断,锚杆被压弯和拉断并螺帽脱落,锚杆的垫板被翻转。通过对洞室破坏形态分析,得出产生锚杆4种破坏形态主要是由于顶爆作用下,产生的压力分布不均匀,在洞室两侧拱脚部位产生一条或多条很深的剪切裂缝所致。最后,针对锚杆的破坏形态,从锚杆杆体、螺帽及垫板方面提出改进锚杆抗爆能力措施。

刚性桩复合地基支承路堤稳定破坏机理的离心模型试验

对上软下硬成层土地基中刚性桩复合地基支承路堤,进行了单排桩和群桩条件下路堤稳定破坏机理的离心模型试验,研究了不同桩体抗弯刚度和强度、不同桩体加固位置、不同桩间距和桩端嵌入硬土层深度条件下桩体的受力与变形性状、破坏模式以及路堤的失稳破坏机理。离心机试验结果表明,不论是在单排桩还是群桩条件下,桩身最大弯矩作用点均产生于软硬土层交界面附近;在群桩条件下,桩体越靠近路堤中心桩身弯矩越小;当桩身抗弯刚度与强度较高、桩距较大且桩下端嵌入较硬土层足够深度时,可产生桩间土体沿桩的绕流甚至因产生绕流而导致路堤失稳破坏;当桩身抗弯刚度与强度较低时,在单排桩条件下,桩体会首先在软硬土层交界面处发生弯曲破坏,并可在路堤失稳前在桩身上部发生第二次弯曲破坏,而在群桩条件下,坡脚附近部分桩体首先在软硬土层交界面附近发生弯曲破坏,并可能伴随桩体受拉破坏而使桩断为上下两段,最后由于部分桩体发生整体倾覆破坏或者再次发生弯曲破坏而导致路堤发生失稳破坏;针对路堤具体的破坏情况有针对性地增大桩身抗弯强度、减小桩间距或增加桩端嵌入硬土层深度均可提高路堤的稳定性。

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。

承压水基坑突涌机制离心模型试验与数值模拟

软土地区的深基坑工程,在承压水作用下容易发生管涌、流土和隔水层整体顶升等形式的突涌破坏.结合紧邻地铁枢纽深大基坑工程,设计了基坑突涌离心模型试验,模拟不同承压水位作用下黏性土体隔水层突涌状态,并建立有限元数值模型,分析试验水位压力下坑底土体的应力应变机制.离心模型试验和数值模拟结果表明,在承压水压力作用下,坑底隔水层产生向上的隆起变形,并且基坑中间位置变形量大,随着水位的升高,土体变形曲率增大;基坑围护墙附近的隔水层土体剪切应变大于体积应变,而隔水层与承压含水层的界面处体积应变较大,产生水压楔裂作用并形成有效应力为零的区域;黏性土体隔水层在剪切效应与界面楔裂效应的共同作用下,发生整体顶升破坏.

深部厚顶煤巷道围岩变形破坏机制模型试验研究

为研究深部厚顶煤巷道围岩变形破坏特性及其机制,以赵楼煤矿千米深井厚顶煤巷道为工程背景,开展了大比尺地质力学模型试验,对让压型锚索箱梁支护系统作用下的巷道围岩位移、应力演化规律进行的研究表明:巷道顶底板围岩竖向应力释放较两帮剧烈,水平应力释放反之,巷道顶板中部围岩是顶板竖向应力释放的主要部位。通过与现场试验结果对比验证,总结出深部厚顶煤巷道围岩变形破坏的3个主要特征:顶板变形破坏较两帮和底板严重、顶板围岩变形破坏主要发生在煤岩交界面以下的煤体中、巷中是顶板变形破坏的关键部位,并进一步分析了相应机制:顶板煤岩松软破碎、自承能力差、顶板及其巷中竖向应力释放相对更为剧烈、矩形巷道顶板受力状态差等因素,导致顶煤所受径向应力低,碎胀变形剧烈,且弯曲变形、离层严重,顶板受力结构恶化,最终导致顶板控制困难。

预加固高填方边坡滑动破坏的离心模型试验研究

2009年10月3日,攀枝花机场260×104m3万方的高填方预加固边坡整体失稳,沿基覆界面下滑,并超覆于其下方的易家坪老滑坡之上,使易家坪老滑坡再次复活。这一填方边坡失稳事件最终导致机场停航两年。通过大型离心模型试验,再现了攀枝花机场预加固高填方边坡的滑动失稳过程,获得了边坡变形破裂的特征参量,阐明了边坡的滑动失稳机制。研究表明:天然工况下,边坡变形以坡顶沉降和沿基覆界面软弱层的蠕滑为主,坡体总体处于蠕滑变形状态;降雨和地下水工况下,坡体中后部拉张破裂和中前部挤压变形显著,具有塑性流动及推移式破坏特征,并最终产生溃滑失稳;预加固抗滑桩承受较大的边坡变形推力,且越靠近坡体后部的桩推力越大,最终从后向前逐排产生累进性剪断破坏,说明该填方边坡多排抗滑桩的平面布置和受力确定欠合理;降雨和地下水工况下,坡体的最大孔隙水压力是天然工况下的3.7倍,孔隙水压力对坡体失稳有重要作用;通过模型和原型的综合对比分析,该边坡的滑动失稳机制为推移式蠕滑-累进性折断-溃滑与超覆。

岩质边坡楔形体破坏的离心模型试验方法研究

叙述了岩质边坡楔形体破坏的离心模型试验,较详细地介绍了试验中模型材料选择和试块加工的过程,最后采用Hook方法和机动位移法对离心模型试验的结果进行了分析,得到了预期的试验成果。

全长黏结玻璃纤维增强聚合物锚杆破坏机制拉拔模型试验

玻璃纤维增强聚合物是一种由树脂基体和玻璃纤维复合而成的新材料,具有抗拉强度高、耐腐蚀、自重轻等优良特性,其取代钢筋用于岩土工程的趋势在逐年增长,玻璃纤维增强聚合物锚杆也是一种新的正在探索的应用形式。为研究玻璃纤维增强聚合物锚杆用于永久加固工程的可行性,需要在玻璃纤维增强聚合物筋材的抗拉、耐腐蚀、蠕变性能等方面进行系列试验,通过拉拔模型试验的方法研究全长黏结玻璃纤维增强聚合物锚杆结构的破坏机制。共设计制作3个锚杆结构模型,进行3次2个构件的并行破坏性试验,根据试验发生的现象和分析试验测试数据得到的结果,肯定玻璃纤维增强聚合物锚杆拉拔试验模型的合理性,说明砂浆体强度与锚杆的应力传递深度的关系,指出玻璃纤维增强聚合物螺纹锚杆剪应力的峰值特征和随荷载增加的变化趋势,结合砂浆体内的应力分布特征,充分论证玻璃纤维增强聚合物螺纹锚杆结构的可能的破坏形式和破坏机制,在砂浆体强度较高的情况下,可能发生锚杆的拉断破坏,也可能发生剪切破坏,轴向拉应力先达到锚杆的抗拉强度则会在自由段发生拉断破坏,最大剪应力先达到纤维丝的抗剪强度则会在锚固段内先发生剪切破坏。

黏性隔水层基坑突涌机制的离心模型试验

针对承压水作用下基坑底隔水层为黏性土体的情况,设计突涌离心模型试验,分析不同开挖深度和水位作用下围护墙的弯矩、水平位移与稳定性,观测坑底土体隆起和突涌破坏状态。试验结果表明:随着承压水头的升高或开挖深度的增加,土体隆起变形的曲率变大并在坑底中央逐渐产生裂隙破坏;墙体被动侧土体抗力逐渐减小,围护墙弯矩和水平位移逐渐变大;围护墙后土体内形成竖向裂纹,基坑发生踢脚破坏。考虑土体强度的基坑抗突涌稳定性分析,宜将土体黏聚力折减来反映土体与围护结构接触缺陷、隔水层裂隙发育以及受到地下水软化等不利因素的影响。

台风滑坡变形破坏机制模型试验研究

对温州市台风地质灾害分析,发现乔木类滑坡最为典型。以物理模型试验再现其演化过程,归纳总结变形破坏特征,分析台风引发裸坡和乔木类斜坡变形破坏现象的联系,再综合分析,初步得到台风滑坡的变形破坏机制。研究表明,坡体在强降雨作用软化后更易在台风与植被耦合下破坏。与一般类型斜坡变形破坏在诱发机制方面显著不同,台风对斜坡的作用主要包括暴雨的冲蚀、软化作用和大风的动力作用等。台风来袭时,当乔木根系在滑带之上则不利于斜坡的稳定,可能导致前缘小部分土体失稳。风振液化是以脉动风的反复循环荷载形式通过植被作用于根部土体,使土体液化,加剧植被的风倒和斜坡的变形破坏。将台风滑坡的变形破坏机制归纳为:暴雨冲蚀→土体软化→风的作用→植被摇曳→土体松动→裂缝发展→前缘土体失稳→滑坡形成。

基于离心模型试验的基坑突涌模式及机制研究

在软土地区,由承压水诱发的突涌是影响深基坑工程安全和稳定性的最重要因素,也是设计和施工亟待解决的关键技术问题。借助土工离心模型试验,就不同隔水土层、不同坑内桩基类型及平面布置对基坑突涌稳定及破坏模式的影响进行系统的试验研究。试验结果表明:软土地区承压水基坑突涌模式主要有3种:接触面涌水涌砂破坏、整体顶升破坏和隔水层表面砂沸破坏,与实际工程案例比较吻合。通过理论分析,认为基坑发生突涌的内在机制分别为:接触面涌水涌砂破坏是由于隔水层土体与地下结构接触面发生水力劈裂引起的;整体顶升破坏为地下结构与土体接触面或附近发生剪切破坏所致;表面砂沸破坏为隔水层在下部承压水作用下发生复合的拉剪破坏和剪切破坏的结果。