堆载诱发型土质滑坡运动特征物质点法模拟

坡顶堆载是人类工程活动诱发滑坡的主因之一。物质点法（MPM）属于一种无网格数值计算方法,它能够有效模拟滑坡大变形全过程物质行为与运动特征。文章基于线性形函数离散方法、MUSL求解格式及Drucker-Prager屈服准则,建立了可用于滑坡全过程模拟的单套单相物质点模型;通过对比干燥铝棒堆积物模拟砂堆失稳过程的基准试验结果,对模型有效性进行了验证。对堆载诱发型土质滑坡典型工况进行了物质点法全过程模拟,获得了滑坡全过程中典型时刻坡体形态、塑性应变分布以及控制点滑速演化趋势。结果表明:算例堆载诱发型土质滑坡属推移型滑坡,具有渐进性破坏特征,可分为坡顶压缩、局部蠕滑、加速滑动与减速滑动等四个阶段。参数分析结果亦表明,堆载诱发型土质滑坡前缘物质运动特征量均与堆载量间存在强正相关性、而与土体黏聚力及内摩擦角存在强负相关性。统计29种典型工况,分别建立了峰值滑动加速度、最大滑速、最大滑距及坡体最大动能等运动特征量与堆载量、土体黏聚力及内摩擦角之间的线性回归方程,可用于堆载诱发型土质滑坡致灾行为预测。     

基于物质点法的土体流动大变形过程数值模拟

土体滑坡作为一种自然地质灾害,受自然因素和人类活动的影响在我国时有发生,给周围居民的生命和财产安全带来了很大威胁,日益受到人们的广泛关注。滑坡防治也逐渐成为工程研究的热点之一。土体本质上是一种具有复杂组成结构的颗粒材料堆积体,通过对颗粒流动的模拟可以深入理解自然界中的土体流动现象,如滑坡、泥石流等,进而预测灾害破坏范围及改进相应工程防护措施。但由于土体流动是一个涉及大变形及大位移的复杂流动过程,传统的基于网格的有限元法（FEM）由于网格畸变,并不适合这类问题的研究。本文采用物质点法（MPM）模拟土体流动大变形问题。作为一种源于particle-in-cell（PIC）法的无网格法,兼具欧拉法和拉格朗日法的优点,因而,物质点法在处理大变形问题上具有独特的优势。目前,国内外利用物质点法模拟边坡滑动问题已有不少研究,但对相关参数进行敏感性分析的较少。本文基于物质点法模拟了黏性土体及无黏性土体流动大变形问题,并进行了参数敏感性分析,包括土体材料的内摩擦角、黏聚力、高宽比、底面坡度对土体滑动距离的影响规律。本文计算中采用Drucker-Prager（DP）弹塑性本构模型描述土的非线性特性。研究结果表明:（1）基于物质点法得到的土体的流动形态、滑动距离以及自然休止角等数值模拟结果均与文献中的实验结果基本吻合,验证了物质点法模拟土体大变形力学行为的精度及有效性;（2）随着内摩擦角、黏聚力的增大,滑动距离相应减小;（3）坡度对边坡稳定的影响是显著的,随着底面坡度的增大,滑动距离相应增大;（4）当土柱高宽比较小时,与滑动距离呈线性增长关系。其中,内摩擦角和黏聚力反映了土体的抗剪切性能,因此通过工程措施提高土体的抗剪能力可以降低土体滑坡带来的危害。研究结果为探索土体滑动破坏规律,降低滑动破坏范围提供了可靠的参考。     

多年冻土区缓倾角土层斜坡的地震反应

进行垂直和水平动荷载下的大型振动台模型试验,研究地震作用下多年冻土缓倾角土层斜坡的地震响应、诱发滑坡破坏的主要影响因素及滑坡破坏的演化过程。结果表明,在土层坡度为8°缓斜坡振动台模型试验条件下,斜坡模型破坏后其水平方向自振频率降低较明显,而垂直方向无明显变化;坡体滑动是整体沿着冰-土界面软弱层进行的失稳滑动,沿斜面滑下的斜坡土体内部没有发生破坏;模型斜坡的峰值加速度(PGA)放大系数随着坡体高程增加而增大,破坏前坡面PGA放大系数无明显变化,破坏时和破坏后变化较明显,斜坡土体对水平方向地震波的加速度动力放大响应大于垂直方向,冰-土界面软弱层的加速度放大系数明显小于上部土体和下部冰体,在加速度达到一定数值时,冰-土界面的孔隙水压力会升高。斜坡冰-土软弱界面和超孔隙水压力升高是地震荷载下多年冻土区缓倾角土层斜坡滑动的主要内因。     

赣南边坡变形破坏模式与防治对策

赣南地质环境复杂,沉积岩、岩浆岩与变质岩交叉并存;岩浆岩广泛分布,岩体破碎;褶皱、断裂构造发育;风化作用强烈,边坡稳定性差。研究这一地区的变形破坏模式,可以科学有效地对边坡进行防治。大量的野外调研显示,赣南边坡常见的类型主要有土质边坡、类土质边坡、岩质边坡和岩土二元结构边坡4类;赣南边坡常见的变形破坏模式主要有:沿原有结构面滑动、沿顶部拉裂-滑动、土体拉裂-崩塌、圆弧形滑动、坡面冲刷5类。沿原有结构面滑动破坏多见于岩质边坡、类土质边坡中;其余破坏模式多发生于土质边坡、类土质边坡、岩土二元结构边坡的土体部分。根据赣南边坡不同的变形破坏模式,分别提出了科学的防治对策;并针对赣南地区降雨量大、降雨持时长等特点,强调了在边坡的施工过程中应及时修建边坡排水系统,及时进行坡面防护。     

间歇型降雨对堆积层斜坡变形破坏的物理模拟研究

为研究间歇型降雨作用下缓倾堆积层斜坡的变形破坏特征,以樱桃沟滑坡为例,进行了降雨作用下斜坡变形破坏的物理模拟研究。试验结果表明：前期降雨作用下坡体变形特征表现为前缘滑移沉陷、中部滑移、后缘沉陷、坡体裂缝生成,且前缘裂缝扩张明显,后期降雨作用下坡脚区域首先发生滑塌,然后依次向后缘传递发生逐阶滑塌破坏;降雨入渗易在基岩面上储存,形成暂态地下水位、高孔隙水压力区域和坡向渗流场,基岩面附近土体饱水时间长,软化程度高,抗剪强度弱化显著,边坡易沿基覆界面土层发生滑坡;坡体滑动易发生在降雨间歇期,触发特征表现为雨后坡体暂态饱和区水分和坡表积水持续下渗,导致地下水位上升滞后于降雨,造成坡体内浮托力、渗透力和孔隙水压力增大,有效应力降低,诱发滑坡。     

基于颗粒元模拟的含软弱夹层类土质边坡变形破坏过程分析

采用基于离散单元法的颗粒元程序,引用平行连接模型,通过数值试验,确定土体细观参数与宏观力学性质的关系,并据此建立含软弱夹层的类土质边坡模型。通过路堑开挖卸荷过程模拟,再现了大变形条件下坡体渐进性破坏的完整过程,并对裂隙的发展演化过程进行实时监测。模拟结果显示,含软弱夹层类土质边坡的破坏过程历经裂隙的形成、扩大、发展直至贯通,最终发生大规模滑移破坏;裂隙从滑坡体前缘和软弱层面开始,范围逐步扩大,呈现典型的类土质边坡的渐进性破坏形式;滑坡发生后,土体结构破坏严重,承载能力大幅下降。边坡滑移过程模拟和最终滑移结果与现场滑坡状况完全吻合,表明该方法适用于类土质边坡变形破坏过程分析及其机理研究。     

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260×104 m3万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。     

大型复杂堆积边坡稳定性的离散元分析

与一般高边坡相比,堆积边坡在物质组成、边界条件、力学特性上具有明显差异,其变形与破坏表现出明显的非连续介质特性,传统的边坡稳定分析方法难以反映其失稳方式与破坏过程,而离散元法在分析非连续介质的变形和破坏方面具有较好优越性。以某一大型复杂堆积边坡为依托,首先模拟边坡土体室内三轴试验过程,通过与试验结果对比确定边坡土体的细观力学参数,进而通过建立堆积边坡离散元模型研究其失稳机制,预测其失稳方式和变形过程。结果表明:未开挖前该边坡处于稳定状态,一期开挖完成后边坡上部存在2个潜在滑动体,且表现为沿下伏基岩面的深层滑动; 二期开挖完成后,下部存在一较明显滑动体,其失稳会进一步加剧上部两潜在滑动体的变形破坏; 整个堆积边坡的失稳表现为沿基岩的自下而上牵引式渐进破坏。     

硬土软岩滑坡近水平滑移的离心机模型试验研究

中国西北地区存在大量的新近纪硬土软岩滑坡灾害,为研究该类滑坡的变形特征,开展两组离心机模型试验模拟滑带劣化引起滑坡变形破坏的全过程,获取模型坡体土压及位移的实时变化曲线。研究表明,当软弱带强度降低时,硬土软岩滑坡的上部滑体呈块体状滑动,在快速运动滑动过程中,滑体呈现块状平移,不会彻底解体、液化;硬土软岩滑坡中前部出现水平应力集中,导致下伏滑带塑性流动变形,诱发其中前部上覆滑体的水平运动,并向滑坡后缘扩展,最终形成多级水平滑动。     

万州近水平地层区堆积层滑坡成因与变形破坏特征

近水平地层区堆积层滑坡作为一类典型的滑坡,有其特殊的成因与变形破坏特征。文章在研究万州近水平地层区堆积层滑坡的基础上,详细分析了其物质来源、结构成因、形成模式以及变形破坏特征。通过总结万州堆积层滑坡的滑体和滑床特征,得出了近水平地区堆积层滑坡的物质来源和结构成因为:崩塌堆积为主,冲、洪积为辅;形成模式为:后部陡壁形成,滑床形成,滑体底部物质形成,滑体土石混合体形成,滑体表层物质形成,滑动解体等6个阶段。变形破坏特征为:滑动多沿堆积层和基岩接触面滑动,同时也会沿软弱夹层发生滑动;滑体存在多层剪切带,并在不同位置的剪切带其变形速率和累计变形量差别较大,滑体存在着差异变形,对此文章结合实例进行了分析。     

物质点强度折减法及其在边坡中的应用

物质点法适用于模拟连续介质大变形,如边坡失稳全过程。在物质点法中应用强度折减法,用于边坡稳定性评价。与极限平衡法相比,二者安全系数计算值、滑动面位置结果基本一致;与有限元强度折减法相比,物质点法失稳评价标准的物理意义明确。利用物质点法大变形计算优势,评价边坡失稳后的破坏后果,通过算例说明其评价不同安全系数下的滑坡堆积形态及滑移距离的能力,尤其是评价滑坡对临近建筑物的影响程度的能力。物质点强度折减法可用于边坡稳定性评价及边坡破坏后果评价。     

大型岩质滑坡地震变形破坏过程物理试验与数值模拟研究

以汶川地震触发的大光包岩质滑坡为例,结合野外现场调查,以其地质结果为背景,建立起破坏前的物理模型和三维数值模型,利用振动试验台和数值计算方法对滑坡变形破坏过程进行了研究。物理试验与数值模拟方法相互验证,取得了较为一致的结果。研究结果表明: 该滑坡的破坏模式为坡体顶部与中部拉张贯穿破坏中部沿层面滑移前缘剪切破坏,中部拉裂缝与主滑面首先形成滑动边界,前缘首先滑出; 滑坡变形过程中的加速度与速度响应研究表明其放大效应明显。同时,通过对比基岩与滑带加速度与速度放大系数,显示了结构面对斜坡变形破坏过程的控制作用。     

地下水与开挖作用下堆积层滑坡体滑动机制分析

川东红层地区修建的巴中达州万州高速公路在穿越第四系堆积层时,堆积层滑坡灾害频繁发生,这类滑坡滑动面为平缓的岩土界面。地下水渗流分布影响下的坡体非饱和强度特征和开挖卸荷是引发这类滑坡灾害的主要因素。在室内非饱和直剪试验提取土体力学参数基础上,结合非饱和土渗流分析软件和岩土应力变形分析软件对滑坡机制进行深入分析。分析表明:地下水的渗流分布孕育了岩土界面附近的滑带土,为边坡的滑动失稳提供潜在可能性。堆积层渗流场特征决定着坡体基质吸力的分布,基质吸力的分布特征导致了堆积层土体由顶部往底部的非饱和抗剪强度的逐层弱化,最终形成沿平缓岩土界面分布的抗剪强度最低的一层软弱土体。在路堑边坡开挖致使的不平衡力影响下,岩土界面附近的软弱土体表现出最为显著的屈服和变形,堆积层坡体中部沿着岩土界面的软弱土体发生剪切蠕滑,滑体后缘出现张拉破坏,形成拉裂缝和拉裂槽,并于滑体前缘发生剪切挤压,随着滑体的蠕滑发展,滑体内地下水逐渐消散并在开挖面处渗出。     

土质滑坡格构锚杆抗滑机制及受力试验研究

通过滑坡防治格构锚固大型物理模型试验,分析了土质滑坡格构锚杆体系在坡顶荷载下的变形和位移,揭示了格构锚杆的抗滑机制,探讨了锚固力与坡体位移及锚杆变形的关系,提出了极限锚固力的计算方法。结果表明：滑坡滑动时,格构梁与坡体整体发生旋转滑移,锚杆在滑面处发生了弯曲变形,处于弯曲和轴向拉伸组合变形状态;格构锚杆的抗滑作用表现为锚杆在滑面处的抗剪抗滑和锚杆格构梁的挡土阻滑;格构锚杆的极限锚固力由初始预应力、锚杆弯曲变形引起锚拉力、坡体位移引起锚拉力三部分组成,可通过公式 计算。该研究结果可为格构锚固体系的优化设计提供一定的参考。     

灌溉作用下浅表层黄土滑坡变形破坏机理实验研究

为有效减少泾阳地区大面积灌溉活动诱发黄土滑坡对社会和经济带来的巨大损失,开展灌溉型滑坡室内实验研究,研究坡度在灌溉条件下对黄土滑坡变形破坏过程影响,具有重大的现实意义。本次实验设计了可用于坡顶和坡面的灌溉装置,同时进行了45°斜坡和60°斜坡的两组室内灌溉模型实验,且每组斜坡内埋设体积含水率传感器、基质吸力传感器和孔隙水压力传感器三种传感器记录其内部变化。通过对两组实验过程及结果进行对比分析,进而得出灌溉条件下浅表层黄土滑坡的变形破坏规律,总结出该类滑坡的破坏模式及其诱发机理。实验结果表明,实验前期随着体积含水率不断增大,基质吸力逐渐减小至基本稳定,土体强度随之减小;实验后期上部土体饱和,斜坡产生的变形和土体排水不畅产生了超孔隙水压力,有效应力随之减小,土体强度减小至最小,导致滑坡产生。同时,坡度越大,滑坡越易发生,滑面深度和滑动距离越小。     

削坡作用土质边坡变形分布式光纤监测试验研究

采用高空间分辨率的PPP-BOTDA光纤感测技术,研发出一种适合于土体变形监测的特种感测光缆。通过水平向和垂直向感测光缆植入,对边坡模型在坡顶局部加载和削坡过程土体内部变形场进行了分布式监测,获得了荷载和削坡作用下坡体变形场的分布规律,并对边坡模型进行了有限元数值分析和计算评价。分布式光纤感测技术监测结果表明:在坡顶局部加载作用下土体水平向拉张变形最大值发生在坡体中部,这与数值模拟结果一致;但在削坡作用下,坡体水平向拉张变形最大值发生在坡体上部,表明削坡作用改变了边坡模型的变形规律,上层土体在坡顶局部荷载作用下易发生倾倒变形。研究结果也表明,作者研制的特种感测光缆具有良好的感测性能,可以对土体变形场进行准确有效监测。     

土体结构性对突发性边坡失稳的控制作用

云南、广西等地部分边坡在变形与破坏过程中常表现出一定的突发性。经分析,土体的高结构性强度有可能是导致该类现象产生的原因之一,但尚未得到验证。传统的边坡稳定分析方法诸如有限元强度折减法、极限平衡法均着重于边坡安全系数的求解,强调稳定到不稳定状态的突变,对不同土质边坡在滑坡过程中坡体变形程度的强弱很难加以分析。针对以上问题,通过离散元软件PFC2D模拟土体的结构性,分析结构性土质边坡的失稳变形规律。结果表明:边坡潜在滑面上土体结构性的损伤是导致结构性土坡失稳的主要原因之一。土体的初始结构性强度越高,边坡失稳的突发性越强,灾前位移变形越小。     

下伏软弱层黄土边坡变形机制分析及治理对策研究

本文研究了陕北某电厂夹断层破碎带上覆黄土的泥岩、砂岩互层反倾边坡的变形机制,并研究治理对策及其治理效果。通过边坡工程地质条件及变形破坏特征分析,建立FLAC3D地质模型,采用数值模拟方法研究了边坡变形破坏机制,在此基础上提出削方减载、锚筋桩、锚杆及坡面防护的综合治理措施。研究结果表明,边坡的变形受开挖坡形的影响,坡体浅表层特别是断层带及坡顶黄土部位出现大范围拉应力集中,断层带出现向坡外的挤出变形,带动上部黄土的牵引式变形,引起沿黄土和基岩基覆界面的剪切变形,在黄土中出现大量拉裂缝,在一定条件下潜在滑移面逐渐贯通,坡体将产生整体失稳。边坡的治理应通过削方减载改善坡体应力环境,并重点控制断层带及黄土与基岩基覆界面的变形,数值模拟结果表明,治理后边坡稳定性较好,满足设计要求。     

红黏土斜坡平推式滑动物理模拟研究

平推式滑坡大多发生在岩质斜坡中,土质滑坡由于渗透性较高、低密度和高孔隙比的物理性质,很少发生平推式滑动。然而工程实践表明,具有特殊地层结构及水文地质特性的红黏土斜坡,由于其低渗透性、胀缩性和裂隙性,也可能发生平推式滑动。基于凤冈滑坡为地质原型进行物理模拟试验,分析承压水作用下红黏土斜坡在不同坡比、不同密度条件下平推式滑动的特征。结果表明:强降雨入渗等因素导致的地下水水位上升,渗透到达土-岩接触面,在坡体内部形成承压水,坡体产生拉裂,当地下水水头达到临界水头,斜坡发生平推式滑动;坡体承压水的分布主要受到地下水水位、后缘水头高度、土体密实度、坡比及上层土体渗透性的影响。这为该类土质斜坡的判释提供了一个新的方向。     

强度折减法在高含水滑坡稳定性分析中的应用

文章依据滑坡体岩体破碎、地下水丰富、坡体含水量高、滑坡面积大、厚度小、稳定性差等特点,选取青海省麦秀山1^#滑坡为例。结合麦秀山地区的工程地质特点,利用FLAC-3D有限差分程序,基于强度折减法对该滑坡进行了稳定性分析。通过对滑体岩土体强度指标的折减,模拟地下水对岩土体的影响,当边坡的塑性区由坡脚贯通至坡顶、坡体上特征点的位移值产生突变,且无限制的增长时,认为边坡达到临界破坏状态,此时的强度折减系数即为滑坡的稳定系数,同时可得到滑坡失稳破坏的潜在滑动带,以揭示滑坡的失稳破坏机理。分析计算表明：强度折减法不仅能够模拟出滑坡渐进破坏的过程,而且所求得的稳定系数更符合滑坡的实际状态,在滑坡稳定性分析中具有明显的优势。