强震作用下陡倾顺层岩质边坡动力响应与破坏模式研究

以陡倾顺层岩质边坡为研究对象,采用振动台模型试验与FLAC3D数值模拟方法,对强震作用下陡倾顺层岩质边坡的动力响应规律和变形破坏模式进行了研究。研究结果表明:陡倾顺层岩质边坡在坡表及坡内竖直方向的加速度响应均表现出高程放大效应,而水平方向上的加速度响应则表现为趋表效应;输入波类型对边坡模型加速度响应有显著影响,正弦波作用下的加速度响应明显强于天然地震波;加速度放大系数随地震波振幅的增大,呈现先增大后减小的变化规律;地震波加载持续时间对陡倾顺层岩质边坡加速度响应的影响较小。对模型试验和数值模拟中边坡变形破坏特征的分析,得到陡倾顺层岩质边坡在强震作用下的破坏模式为:地震诱发-坡表岩层出露处岩块松弛张裂-坡肩岩层处拉裂张开-坡面中部出现剪切裂缝-裂缝逐渐贯通-发生多级高位滑坡。

高地应力陡倾顺层围岩隧道锚杆支护优化设计研究

我国西南地区铁路沿线地形高差大、地质构造复杂,其隧道工程具有埋深大、构造应力强、围岩条件复杂等特点,给设计及施工带来巨大挑战。依托某板岩隧道的地质工程背景,针对高地应力陡倾层状围岩,首先分析锚杆的支护作用,后通过离散元数值模拟的手段研究锚杆在隧道中的支护效果,并对其进行优化设计。结果表明:陡倾顺层板岩隧道在垂直结构面处将发生结构弯曲变形和岩石变形,在平行结构面处以岩石变形为主;高地应力下陡倾层状板岩隧道随着锚杆长度的边墙收敛有所减少,竖向变形影响不大,可当隧道锚杆长度达到一定长度时对隧道结构稳定性增加效果不佳;针对陡倾层状围岩变形机理,边墙处采用长锚杆、仰拱拱顶处采用短锚杆(锚杆的非等参)设置即可控制隧道收敛变形,在其他方向的变形及围岩塑性区大小也可达到全环锚杆相同的效果。

陡倾顺层岩质斜坡倾倒变形破坏特征研究

顺层岩质斜坡是常见的斜坡结构类型之一,对该类斜坡的变形破坏特征以及形成机制研究已较深入,一般认为顺层岩质斜坡的变形破坏以滑移–拉裂、滑移–弯曲(或溃曲)模式为特征。通过系统的文献收集及大量现场调查发现,陡倾顺层岩质斜坡还存在一种典型的变形破坏形式,即倾倒变形。结合具体的陡倾顺层岩质斜坡倾倒变形破坏的实例,详细分析、总结该类斜坡发育的地质环境条件及变形破坏特征,在此基础上结合典型斜坡分析陡倾顺层岩质斜坡倾倒变形是在河谷演化、成坡过程中,岩层在平行坡面的最大主应力作用下由坡脚开始从下至上作悬臂梁弯曲,最终导致岩层根部折断,形成倾倒体;当坡体内折断带的剪应力超过其抗剪强度时,坡体将发生滑动形成滑坡。

强震作用下陡倾顺层斜坡倾倒变形机制离心振动台试验

陡倾顺层斜坡在静力条件下的稳定性一般较好,但是在"5.12"汶川地震中该类型斜坡却发生了大量的失稳破坏现象,通过现场调查在陡倾软硬相间顺层斜坡中发现了一类特殊的动力变形破坏模式——倾倒变形。在已有认识基础上,以四川汶川县水磨沟陡倾软硬相间顺层斜坡在强震作用下的失稳案例为基础,通过离心振动台试验研究该类型斜坡在强震作用下的倾倒变形机制和动力响应规律特性。研究表明:在斜坡表面,随着高程的增加,加速度放大系数总体表现出先增大、后减小、再增大的节律性变化,在坡高1/3处和坡肩部位动力响应呈现两个峰值。在同一水平高度下,越靠近坡表,加速度放大系数越大,即斜坡岩土体临空面效应较为显著。通过试验揭示该类斜坡失稳机制为:在强震荷载反复作用下,软岩和硬岩产生差异剪切破坏,岩土体沿优势层面下滑受阻,坡脚附近岩土体弯曲隆起,斜坡深层潜在滑面未完全贯通,坡肩震裂松弛岩体在地震的巨大水平惯性力下,向临空面作悬臂梁弯曲倾倒,整个斜坡发生拉裂滑移-下部弯曲-上部倾倒式失稳破坏。

陡倾顺层斜坡动力失稳机理分析

针对汶川地震中边坡的破坏形式与坡体结构密切相关的问题,以"5·12"汶川地震中安县高川乡大竹坪滑坡和干磨房滑坡失稳工点为原型,在充分分析滑坡地区工程地质条件及其动力变形特征的基础上,提出采用3维离散元数值模拟技术进行失稳机理对比分析的思路。结果表明:陡倾顺层硬岩斜坡的动力破坏形式以崩滑为主,陡倾顺层软硬互层斜坡的动力破坏形式以滑移弯曲为主;在相同地震作用下,峰值地面加速度(peak ground acceleration,PGA)放大系数与坡体高程总体成正相关,斜坡同一高度处的PGA放大系数由坡表向坡内总体呈现先增大后减小的趋势;陡倾顺层硬岩斜坡的PGA放大系数总体小于陡倾顺层软硬互层斜坡,硬岩斜坡的PGA放大系数范围在2～3,最大值在坡表的3/4处;软硬互层斜坡的PGA放大系数范围在2.5～4.0,最大值在斜坡顶部。此外,陡倾顺层硬岩斜坡的破坏机制为4个阶段:层面部分贯通滑移—锁固段震荡松弛—上部抛射—底部滑面贯通并失稳,而软硬互层斜坡的失稳机理则为:层面错动-部分贯通滑移—下部局部抛出-局部弯曲—高位横向扩展滑移—下部弯曲折断-整体失稳。研究成果可为西南地区高陡顺层岩质斜坡失稳评价及机理分析提供相应的技术支持。

基于离散元技术的陡倾顺层岩质斜坡动力响应FFT特征研究

以汶川地震中失稳的干磨房滑坡为例,经充分分析工点的地质情况,结合FFT变换和3DEC离散元技术,提出一种新的陡倾斜坡动力失稳响应和失稳模式的识别方法。结果表明:在相同地震荷载作用下,陡倾顺层硬岩斜坡坡体中上部出现显著破坏面,坡脚无明显破坏;陡倾顺层软硬互层斜坡坡体中上部及坡脚均出现显著破坏面,破坏程度更严重;两类斜坡在同一水平高度处,由坡表向坡内一定范围内均出现显著破坏。研究成果有利于西南地区岩质斜坡失稳评价及机理分析。

离心场中陡倾顺层岩质边坡振动试验关键技术研究

为解决离心场中陡倾顺层岩质边坡振动试验的关键技术问题,设计了陡倾顺层斜坡的离心振动台模型,通过试验探讨了试验仪器设备的关键技术参数、动力相似关系、相似材料比选以及传感器的安装布置等内容,并确定了地震波的加载方案。同时为了得到可靠的试验结果,分析了离心力场中的误差、传感器的安装与误差问题和边界效应问题,结合以往经验对误差方法进行比选,并提出了相应的减小误差的方法。研究结果表明:离心振动台模型试验要进行合理的设计;离心力场中的系统误差可通过设计模型尺寸大小和选择模拟模型和原型应力保持一致的高度来减小;传感器测量误差可采用在传感器周围填充满砂土来减小;多层剪切层铝合金框架模型箱能够最大程度减小边界效应的影响。

水力作用下陡倾顺层岩质斜坡的倾倒破坏

陡倾顺层岩质斜坡的倾倒变形破坏与水力因素密切相关。将陡倾顺层斜坡的岩层概化为受自重及水力作用的悬臂梁。通过建立陡倾顺层岩质斜坡不同阶段水力作用下倾倒变形破坏的力学模型,揭示了陡倾顺层岩质斜坡的倾倒变形破坏过程。通过定量分析滑移面中产生的静水压力及后缘拉裂缝中的充水高度对坡体稳定性的影响,得出坡体稳定性系数及临界充水高度的表达式。结果表明:水力作用产生的倾倒力矩是引起该类斜坡发生倾倒变形与破坏的重要原因,坡体的稳定性系数降低亦是由水力作用引起的,排水是防治该类斜坡倾倒变形破坏的首要措施。

陡倾顺层路堑高边坡变形破坏机制分析

目前岩土工程界对于自然状态下陡倾顺层岩质边坡稳定性及其变形破坏机理的研究较多,而对于开挖状态下的陡倾顺层路堑高边坡的稳定性及其变形破坏机制研究较少。因此,论文紧密结合工程实际,对陡倾顺层路堑高边坡病害的坡体结构特征及变形破坏机制进行了较为系统的研究。首先,总结了陡倾顺层路堑高边坡病害的变形破坏特征和坡体结构特征;分析了陡倾顺层路堑高边坡病害的稳定性影响因素、变形破坏模式、坡体的受力状态以及变形破坏的四阶段模式;在此基础上提出了陡倾顺层路堑高边坡病害的变形破坏机制。研究结果表明:陡倾顺层路堑高边坡病害的坡体结构决定了其变形破坏的发生发展机制,同时在路堑开挖卸荷和降雨作用等外部促发因素的作用下,导致边坡产生顺层滑移-压碎(溃)剪断式破坏。

陡倾片麻岩滑坡演化过程研究——以兰陵溪滑坡为例

弯曲-倾倒破坏是陡倾顺层岩质斜坡的一种变形模式,当其折断面贯通形成滑移面时,斜坡演化为滑坡。以三峡库区兰陵溪滑坡为例,引入反转应力法、梁板强度理论对滑坡变形模式与演化过程进行了研究。结果表明:①该岩质斜坡具有典型的陡倾顺层、岩体结构软硬相间的特点,为其发生弯曲-倾倒破坏提供了先天性条件。②差异性风化是兰陵溪滑坡发生弯曲-倾倒变形的主要原因,片状片麻岩抗弯强度变弱,促使片麻岩逐渐发生弯曲,最后产生弯曲折断-倾倒变形破坏。③兰陵溪滑坡演化过程历经差异性风化、岩层弯曲变形、岩层倾倒破坏、折断面贯通等4个阶段,所有折断面贯通形成潜在滑移面时,斜坡演化为滑坡。研究成果可为该滑坡工程治理提供理论依据,也可为同类型岩质斜坡治理提供思路。

库水位变化时陡倾软弱顺层岩质滑坡变形机制

研究库水位动态变化时陡倾软弱顺层岩质滑坡的变形机制,为库岸滑坡防治及库水调度提供帮助。以四川省大渡河某水电站开顶滑坡为例,通过野外调查资料、库水位及地面监测数据综合分析,研究滑坡结构及变形破坏特征;建立二维地质模型,利用离散元模拟蓄水前后陡倾顺层岩质滑坡变形响应过程,结合有限元进一步分析库水作用下岸坡稳定性变化规律。研究结果表明,岸坡特殊的地质构造和岩性是控制滑坡产生的主要因素,水库蓄水诱发了滑坡的变形,库水位变化进一步加速了变形进程。当库水位以4.8 m/d、3.84 m/d、1.92 m/d的速率上升时,坡体稳定性呈现先增后减的趋势;当以小于0.5 m/d的速率下降时,岸坡变形不明显,但稳定性急剧降低,极有可能增加变形速率,加剧变形,导致大范围失稳破坏。在水库调度过程中,为避免渗流作用对岸坡稳定性的影响,库水位变化应保持在较小的速率平稳运行。

顺层陡倾岩质边坡变形机理探究

顺层岩质边坡是指坡向与岩层倾向一致的边坡,自然界中广泛分布。在顺层陡倾岩质边坡中往往存在滑移-弯曲变形和倾倒变形两种变形破坏模式,它们的典型变形特征与变形演化过程截然不同。总结了顺层陡倾岩质边坡滑移-弯曲变形和倾倒变形的典型特征,开展了不同边坡坡角、岩层倾角组合下边坡的底摩擦模型试验,揭示了顺层陡倾岩质边坡的变形机理和影响因素。结果表明:(1)工程实例统计分析显示,倾倒变形往往发生于岩层倾角为70°~90°、边坡坡角为40°~60°、且边坡坡高大于300 m的顺层陡倾岩质边坡中,而滑移-弯曲变形往往发生于岩层倾角为50°~70°、边坡坡角为15°~60°、且边坡坡高在300 m左右的顺层陡倾岩质边坡中;(2)顺层陡倾岩质边坡倾倒变形的典型变形特征表现为中上部岩体呈现滑移-倾倒变形,中下部岩体呈现弯曲-倾倒变形,整个变形演化过程可以概括为卸荷回弹、滑移-倾倒和蠕变-滑移3个阶段;(3)数值模拟结果显示,岩层陡倾角是顺层陡倾岩质边坡发生滑移-弯曲-倾倒变形的必要条件,当边坡坡角大于60°且岩层倾角与边坡坡角之差小于15°时,顺层陡倾岩质边坡往往发生滑移-弯曲变形,而当边坡坡角大于60°且岩层倾角与边坡坡角之差大于15°时,则其发生滑移-弯曲-倾倒变形。

某工程陡倾角顺层边坡破坏机制及稳定性分析

以长江沿岸某工程边坡为例,在野外调查的基础上,利用板梁弯曲理论、力学模型分析方法对陡倾顺层边坡的变形破坏型式、破坏机制进行分析论证,并对该边坡的溃屈破坏临界坡长和稳定性进行计算分析,认为该边坡目前处于非稳定的蠕动变形阶段,边坡破坏以溃屈、滑塌破坏为主。其变形破坏的程度、溃屈破坏的临界坡长与边坡岩层厚度、滑移面的粘聚力及内摩擦角、边坡坡角、岩体弹性模量以及抗弯刚度相关。针对边坡现状,提出降低坡高、锚固处理的综合工程防护措施建议。

500m级顺层陡倾特高人工边坡破坏模式分析与开挖支护设计

为研究锦屏一级水电站大奔流沟料场500 m级顺层陡倾特高人工边坡破坏模式、为边坡开挖与支护设计提供依据,应用工程地质分析和数值模拟方法,研究了浅层滑移剪出破坏、深层滑移剪出破坏、压剪溃屈破坏、压裂滑移剪出破坏和随机块体破坏几种可能存在的边坡破坏模式,并以边坡破坏模式为基础,提出了开挖及支护设计建议。结果表明:压剪溃屈破坏和压裂滑移剪出破坏模式是500 m级顺层陡倾特高人工边坡特有的破坏模式;基于边坡破坏模式的边坡开挖与支护设计是有效的,可以保证人工边坡的整体稳定性,实现边坡的长期安全运行。

顺层陡倾斜坡力学模型及变形破坏机制分析

以拟建于贵州省普安县与水城县的交界处的河洋拱桥南拱座斜坡岩体为研究对象,该拱桥南北横跨北盘江,南拱座通过扩大基础坐落于斜坡中厚层灰岩岩体中,该斜坡由顺层陡倾岩层组成,该区是明显的深切峡谷地貌。河洋拱桥南拱座所在的斜坡岩体受到不同期次地质构造作用,形成了多个小型褶皱构造,由河谷向内依次由背斜、向斜、背斜、向斜、背斜、向斜构成的复式褶皱基本形迹组成。岩质边坡作为一个工程地质系统,在漫长的历史过程中一直处于稳定状态,即系统处于平衡状态,但是当该系统的平衡被打乱,即可能发生边坡失稳。通过对野外地质现象的分析,总结归纳出该区斜坡的变形破坏模式属于一种顺层陡倾斜坡的倾倒变形破坏,采用数值模拟方法确定了其变形破坏的机制,从而为指导后期设计及施工,提供了一定的地质支撑。

基于离散元技术的软硬互层斜坡动力响应及失稳机理研究

为研究不同岩层倾角陡倾顺层软硬互层斜坡在地震作用下的动力响应及失稳机理,以汶川地震中干磨坊滑坡和水磨沟滑坡为原型,结合三维离散元技术开展两种软硬互层斜坡对比分析。动力响应分析结果表明:在相同地震荷载作用下,陡倾软硬互层60°斜坡模型的PGA(峰值地面加速度)放大系数随着高程的增加表现出非线性增长,在坡顶动力响应最为强烈;陡倾软硬互层80°斜坡模型PGA放大系数随着高程的增加表现出先增大后减小再增大的节律性变化,在坡高1/3处和坡肩部位动力响应最为强烈。失稳机理分析结果显示,在地震荷载作用下:陡倾软硬互层60°斜坡模型发生滑移-弯曲式溃滑,斜坡的破坏流程机制分为四个阶段,即①裂缝扩展-层间错动阶段、②坡脚岩体弯曲隆起阶段、③上部岩体横向滑移阶段、④弯曲剪断-整体失稳阶段;陡倾软硬互层80°斜坡模型发生滑移-下部弯曲-上部倾倒式破坏,斜坡的破坏流程机制分为四个阶段,即①微裂隙扩展阶段、②层间错动-局部裂隙贯通阶段、③下部岩体弯曲阶段、④上部岩体倾倒破坏阶段。

三峡库区巫峡剪刀峰顺层岩质岸坡破坏模式分析

剪刀峰岸坡位于三峡库区巫山县巫峡左岸,全长2.1 km。受北侧神女峰箱状背斜及南侧神女溪—官渡口向斜影响,岸坡为陡倾顺层岩质岸坡。岸坡坡度45°~89°,整体为陡坡与的陡崖复合地貌;岸坡出露的第四系地层主要为崩坡积碎块石土,出露的基岩含三叠系大冶组三段、四段及嘉陵江组一段至四段地层,地层多元化;岩组类别主要为大冶组及嘉陵江组碳酸盐溶岩组成的坚硬岩组及嘉陵江组二段岩溶角砾岩组成的较软岩组;岩体结构从极薄层至巨厚层状,岸坡地形、地层、岩组及结构复杂。岸坡上游至下游,2.1 km范围内,坡体结构变化大,岸坡变形破坏特征差异大,成因机制及破坏模差异大。根据岸坡不同的地质条件及特征,划分为6个大段、6个亚段。研究从岸坡宏观变形、破坏特征出发,将岸坡目前的变形、破坏总结为“构造切割及卸荷”“局部压裂、滑移”“地表溶蚀”“消落区岩体劣化”四个方面,并从岸坡成因机制上分析了各段的破坏模式。此外,本次研究还分析了库水位以上岸坡及库水位消落区的岩体劣化特征,从岩体劣化的角度提出了沿层面渐进式松脱滑移、沿软弱夹层溃屈滑移、沿“X型”节理滑移、沿层面倾倒溃屈四种岩体劣化及破坏类型。

顺层岩质边坡溃屈型破坏探讨

顺层边坡溃屈破坏是一种存在于岩质边坡的特殊破坏模式,首先对这种破坏模式的力学原理进行了探讨,得出了产生此破坏模式的前提条件,即:存在外倾结构面;结构面倾角较陡,大于或等于坡角;坡脚岩体强度较差。结合一典型的岩质边坡开挖工程实例,运用离散元数值分析方法,得到了边坡发生此破坏模式的变形、应力特征以及具体的破坏过程。结果表明:边坡坡脚的剪应力随着边坡开挖的深度增加而增大;当其剪应力未超过坡脚岩体的抗剪强度时,边坡变形主要以开挖的卸荷回弹为主,边坡处于稳定状态;当开挖深度使得坡脚剪应力超过坡脚岩体的抗剪强度时,坡脚岩体首先产生屈服变形,发生较大的位移,从而为坡体中上部岩体提供了沿结构面下滑的空间,边坡发生垮塌。数值分析结果与理论分析得到了很好的验证。

皂角沱崩塌形成机制数值模拟

以位于"5·12"汶川大地震震中区的皂角沱崩塌为研究对象,通过对崩塌所处的自然地理、工程地质环境进行野外调查,分析崩塌的发育特征;采用不连续变形分析软件DDA,对坡体失稳崩塌的全过程进行模拟研究。结果表明,斜坡地形放大效应在震中区是客观存在的,具倾向坡外的陡倾控制性结构面的高陡突出地形对地震波具有明显的放大作用。该坡体崩塌失稳模式为:峰值加速度放大→增加的振幅迫使岩体沿陡倾坡外的控制性结构面迅速拉裂→沿滑动面发生崩滑→高速脱离滑源区→巨大的势能和动能驱动块体做长距离运动。通过数值模拟可知,随着斜坡坡高的增大,地震加速度和速度无论是在水平向,还是在竖直向均存在放大效应,但是水平向的放大效应较竖直向更明显;结构面监测点的加速度和速度放大系数相比稳定的坡体要大得多,地震袭来,当遇到陡倾坡外的不连续结构面时,斜坡动力响应强烈,最终危岩体沿控制性结构面发生崩滑破坏。