持续降雨作用下折线型滑裂面堆积体滑坡稳定性分析

青藏高原边缘地带堆积体滑坡的发生与降雨密切相关,其中不少滑坡的滑裂面为折线型。为研究折线型滑裂面堆积体边坡在持续降雨作用下的稳定性,首先,基于传统降雨入渗Green-Ampt(G-A)模型,同时考虑边坡倾角、饱和区渗流和非饱和区渗透系数变化的影响建立适用于有限长边坡的降雨入渗模型;其次,结合不平衡推力法和降雨入渗模型,推导折线型滑裂面堆积体边坡在持续降雨作用下稳定性动态变化的计算公式;最后,对比现场入渗试验结果验证所提出入渗模型的合理性,并基于舟曲江顶崖堆积体滑坡与传统入渗模型下稳定性算法进行对比。研究结果表明：(1)降雨强度、边坡坡面倾角、渗透系数等都影响着坡体饱和层的形成快慢以及湿润层厚度的扩展速度;(2)降雨入渗开始阶段,三种模型得到的湿润层扩展速率相同,随着降雨的持续,本文模型计算的湿润层扩展速率大于G-A模型而小于分层假定入渗模型;(3)江顶崖堆积体滑坡的稳定性随着降雨的持续逐渐减小,降雨初期,滑坡稳定性下降较快,降雨后期,稳定性下降速率逐渐放缓;提出的稳定性计算方法得到的边坡滑动时间要早于传统入渗模型下稳定性计算结果。研究成果可供持续降雨作用下堆积体边坡稳定性分析参考。     

膨胀土边坡渗流数值模拟及稳定性分析

采用有限元软件(Seep/W和Slope/W)开展一系列瞬态渗流和极限平衡分析,研究不同降雨强度与历时对膨胀土边坡渗流场的影响,分析降雨强度及历时、不同坡比和坡高等因素对边坡稳定性的影响,分析其浅层破坏的原因。结果表明:必须考虑风化裂隙导致浅表层土体渗透系数增大对膨胀土边坡渗流场的影响;降雨强度及历时对边坡土体孔隙水压力分布影响显著,相同降雨强度条件下,历时越长,影响深度越深、范围越大,孔隙水压力变化越大;相同历时条件下,持续降雨强度越小,影响深度越浅、范围越小,孔隙水压力变化越小;安全系数随降雨强度的增大,其下降速率越快,达到破坏所需的时间越短;边坡浅层达到饱和时,坡高及设置平台对边坡安全系数影响不大,均发生浅层破坏;安全系数随坡率的增大而增大,但对某些膨胀土边坡而言,采用放缓坡率的做法并不可取。     

降雨条件下边坡稳定性研究

针对降雨条件变化对边坡失稳的影响,建立了降雨型边坡稳定性的渗流有限元分析模型,进行了滑坡稳定性计算,得出了边坡安全系数与降雨强度、降雨历时、降雨类型等的影响关系。     

基于三场耦合的膨胀土边坡浅层坍滑数值分析

为研究膨胀土边坡浅层坍滑的原因,利用有限差分软件FLAC^2D,借鉴已有多场耦合数值计算思路,通过二相流与热模块模拟了降雨条件下坡体内的非饱和渗流过程及膨胀土的吸湿膨胀;并依据膨胀土饱和度与温度及热膨胀系数的转换关系,利用FISH软件编制了程序调用两模块的信息,实时模拟了土的吸湿膨胀效应,实现了考虑地下水位和渗透系数变化、强度衰减三因素下的膨胀土坡渗流场-位移场-应力场的三场耦合。并基于此,建立了考虑和未考虑膨胀变形的数值模型,分别模拟了降雨条件下计及和未计吸湿膨胀的边坡非饱和渗流过程及其稳定性,对比分析同降雨强度但不同历时、是否计及吸湿膨胀边坡的渗流场及稳定性的差异,揭示膨胀土吸湿膨胀是引起边坡浅层坍滑的重要原因;据此进一步研究不同降雨强度、降雨历时下膨胀土边坡的稳定性,同时对比分析边坡渗流场和应力场的变化及其分布规律,得到不同降雨条件对边坡浅层坍滑的影响。     

降雨入渗条件下抗滑桩加固边坡稳定性分析

采用有限差分软件FLAC~(3D)内置FISH语言编制相关程序,将边坡非饱和区渗透系数和基质吸力随饱和度的变化关系嵌入到数值计算中,实现了降雨入渗条件下边坡非饱和渗流过程的模拟,结合基于Fredlund双应力状态变量理论的强度折减法,进一步实现了非饱和边坡的稳定性分析。基于某典型抗滑桩加固边坡算例建立数值计算模型,研究了降雨入渗对边坡孔隙水压力分布及边坡稳定性的影响,并对降雨强度、基质吸力及桩顶约束形式对边坡稳定性的影响进行了参数分析。研究结果表明:降雨入渗条件下,随降雨历时增加,湿润锋线不断向坡体内部推进,基质吸力明显减小,边坡安全系数显著降低;边坡安全系数随降雨强度增大而减小,当降雨强度超过土体饱和渗透系数后,边坡安全系数随降雨强度变化不大,并趋于稳定;基质吸力对边坡稳定影响显著,考虑基质吸力时边坡安全系数明显提高;在桩顶设置预应力锚索可使桩身位移明显减小,边坡安全系数提高。     

降雨和开挖对滑坡力学性能影响的试验分析

为了揭示触发因素对滑坡成灾机制和运动规律的影响,在相同地质条件下,开展降雨和开挖导致滑坡的现场试验,分别对比了降雨型滑坡和开挖型滑坡的滑面形态与土体强度指标,以及二者的变形破坏情况。结果表明:1在相同正应力情况下,降雨型滑坡试块的剪切强度小于人工开挖型滑坡试块的剪切强度,说明降雨对于边坡岩土体性质的劣化影响要大于开挖扰动的影响;2降雨对于土体的内摩擦角的影响较大,而开挖对于土体的粘结力的影响较大;3降雨导致其边坡土体的强度降低较为明显,土体的稳定性降低程度较大,从而降雨型滑坡的变形速率大于开挖型滑坡的变形速率。开挖型滑坡启动较快,突发性强,危害性大,降雨型滑坡启动较慢。     

碎石土滑坡变形解体破坏机制及稳定性研究

为总结碎石土滑坡的一般发育规律,分析碎石土滑坡的稳定性,揭示碎石土滑坡变形解体破坏的机制、碎石土古滑坡复活破坏主要机制和其主要诱发因素,通过资料搜集整理和分析、现场工程地质调查与勘探、现场测试与监测和室内外的物理力学试验,以地貌学、系统工程学观点,采用数理统计分析法、不平衡推力法、大变形弹塑性有限元算法、弹塑性有限元接触算法,运用非线性科学的尖点突变理论和碎石土边坡地下水管网状排泄系统的理论,系统研究碎石土滑坡的发育规律,分析滑坡体位移与降雨量以及滑坡稳定性系数与滑体饱水面积比、滑面岩土体抗剪强度参数之间的相关关系,建立碎石土滑坡位移与降雨量的通用统计模型和强降雨作用下浅层滑坡的尖点突变模型,分析降雨对碎石土滑坡稳定性的影响,揭示碎石土滑坡变形解体破坏机制以及碎石土古滑坡复活破坏机制和诱发因素,并提出碎石土滑坡稳定性分析方法.研究取得以下主要成果:(1) 碎石土自然边坡地下水排泄的管网系统发育,地下水的渗流具有很大的不均匀性和集中渗流的特性;碎石土滑坡的变形破坏是一个缓慢的发展过程;降雨(特别是强降雨)是碎石土滑坡的主要触发因素.(2) 分别对典型浅层和中层松散土质滑坡坡体位移、降雨量进行指数模型和幂函数模型的非线性回归分析和比较,发现浅层和中层松散土质滑坡坡体位移与降雨量相关关系一般服从幂函数分布规律.研究表明,滑坡稳定性系数与滑体饱水面积比的关系服从线性分布,滑坡稳定性系数随滑体的饱水面积比增大而减小.影响碎石土滑坡稳定性主要因素的敏感性分析结果表明,各种因素按敏感度从大到小排列,依次为滑面岩土体内摩擦角、地形坡度、滑体饱水面积比和滑面岩土体的黏聚力.(3) 提出采用不分离接触弹塑性有限元强度折减法分析顺层滑坡的稳定性和计算滑坡稳定性系数的新方法.结合工程实例分析表明,采用该方法分析顺层滑坡的稳定性可以更加逼真地反映滑坡变形、解体和破坏的实际情况. (4) 采用大变形弹塑性有限元极限塑性应变分析法确定碎石土滑坡的滑动面,并根据极限状态下塑性应变值的大小确定滑面不同抗剪强度取值段,提出全面考虑滑面上岩土体抗剪强度不同发挥程度的不平衡推力法,并通过实例分析表明该方法能更加精确地计算碎石土滑坡的稳定性系数和分析滑坡的稳定性,并更加真实地反映滑坡所处的实际状态.(5) 采用三维弹塑性接触有限元强度折减法计算碎石土滑坡的整体稳定性系数和分析滑坡稳定性及其变形解体破坏过程,揭示碎石土滑坡变形解体破坏的机制.结果表明,采用该方法可以考虑滑坡体的空间效应,更好地反映碎石土滑坡所处的实际状态及滑坡的滑动过程.提出利用三维弹塑性接触有限元算法的计算结果计算三维斜坡中任意剖面对应的边坡稳定性系数的方法,并与不平衡推力法和二维接触弹塑性有限元强度折减法计算滑坡稳定性系数的结果进行比较表明,新方法更适合分析碎石土滑坡的稳定性.(6) 结合工程实践,对降雨作用下碎石土滑坡的变形解体破坏过程进行分析,揭示降雨作用下碎石土滑坡变形解体破坏的主要机制和一般的力学机制,同时研究结果表明强降雨和长时间一定强度的连续降雨或强降雨分别是浅层碎石土滑坡和中深层碎石土滑坡发生失稳的主要触发因素.另外,提出采用滑体饱水面积比的等效抗剪强度的二维或三维弹塑性接触有限元算法与不平衡推力法相结合模拟分析降雨对碎石土滑坡稳定性影响的方法.并对碎石土古滑坡复活破坏过程和稳定性进行分析,揭示降雨作用下碎石土古滑坡复活破坏的主要机制和长时间一定强度的连续降雨或强降雨是碎石土古滑坡失稳复活的主要触发因素.同时,研究结果表明采用三维大变形弹塑性接触有限元算法分析碎石土古滑坡的稳定性,可以考虑滑坡体的空间效应,使分析结果更加准确.(7) 根据已有坡体滑动位移与降雨量的相关数据,建立一个强降雨作用下浅层滑坡的尖点突变模型,揭示强降雨作用下浅层滑坡突发失稳的破坏机制和强降雨是浅层滑坡最关键的触发因素和影响浅层滑坡稳定性系数大小的最主要外部因素.同时,根据建立的尖点突变模型,揭示少数浅层滑坡在强降雨过后突发失稳的滞后原因.     

不同滑坡形式下埋地管的纵向受力分析

滑坡变形带中的埋地排水管一旦开裂破坏,管道中的水将直接渗入坡体中,使坡体变形加速而破坏,因此,在进行滑坡变形带中埋地管的设计时必须考虑坡体变形对管道的影响。本文讨论牵引式滑坡和推移式滑坡两种不同形式下埋地管的纵向受力和变形特性,在一定的假设条件下,推导得出两种形式滑坡中管道的弯矩、剪力、位移以及最大应力。工程实例验证表明:由于推移式滑坡中的管道有被动土压力作支撑,在相同外力作用下,推移式滑坡中的管道应力明显高于牵引式滑坡中的管道;如果在滑坡变形带中采用PVC管,因其纵向伸长率较大,变形控制条件比较容易得到满足,需将强度指标作为设计考虑的主要因素,对最大应力超过管道许用应力的可采取更换强度较高的管材或增加管道壁厚的方法来达到强度要求。     

开挖及降雨作用下滑坡变形破坏分析

在工程建设中经常会遇到边坡开挖,研究坡体在不同开挖角度及不同降雨工况下的变形破坏规律,可以有助于我们选择最合适的开挖角度,完善方案。本文以孝感市某滑坡为例,研究该滑坡在不同开挖角度及不同降雨强度下滑坡的变形破坏规律。结果表明:随着开挖角度的减小,塑性变形有逐渐向滑坡后缘发展的趋势;滑体沿滑面相对位移随着开挖角度的减小而逐渐增大,且同一开挖角度下降雨强度的不同对滑坡位移的影响较大,成正相关变化;随着开挖角度的减小,降雨强度对滑坡稳定系数的影响逐渐变小,即开挖角度越大,滑坡受降雨影响越小。     

滑坡不同变形阶段演化规律与变形速率预警判据研究

 预测预警是国际滑坡灾害研究的热点与难点,目前滑坡不同变形阶段历时与变形速率临界值方面的研究存在不足。为深入探索滑坡不同变形阶段演化规律与变形速率预警判据,将滑坡变形演化过程划分为初始变形、匀速变形、加速变形和急剧变形4个阶段,基于滑坡数据库信息,采用统计分析方法研究滑坡不同变形阶段历时特征及其与不同影响因素的相关性、总结不同变形阶段裂缝发展及宏观特征、分析不同变形阶段滑坡位移速率预警判据。通过研究发现：(1) 滑坡加速变形阶段历时18 ～1 080 d,接近一半的滑坡加速阶段历时位于区间30～90 d;绝大部分滑坡急剧变形阶段历时小于30 d。(2) 滑坡破坏模式、滑体方量、滑面类型与滑坡变形阶段历时相关,其中滑面类型与变形阶段历时的关系最为密切,滑面为硬性结构时滑坡加速与急剧变形阶段历时较短,滑面为软弱层面时加速与急剧变形阶段历时较长。(3) 滑坡进入加速变形阶段时裂缝最大宽度为1～50 cm,进入急剧变形阶段时最大裂缝宽度为4～126 cm,其中土质滑坡与堆积体滑坡临界裂缝宽度较大,岩质滑坡临界裂缝宽度相对较小。(4) 滑坡进入急剧变形阶段位移临界速率一般不超过50 mm/d,倾倒型滑坡速率临界值相对较大,软弱滑动面滑坡该位移速率临界值较硬性滑动面滑坡大。(5) 各种滑坡进入加速变形阶段的位移速率均不大,此速率值与破坏模式关系密切。破坏模式为滑动破坏的滑坡该位移速率阈值基本都不超过4 mm/d,倾倒破坏或崩塌破坏的滑坡该阈值稍大,一般大于4 mm/d。     

深基坑开挖对邻近地埋管线影响分析

 为建立深基坑开挖对邻近地埋管线影响的评估方法,采用FLAC3D分析基坑开挖对邻近不同管径管线的影响。计算结果表明,管径大小对管、土相互作用影响很大;当管径约小于400 mm时,管线基本与土体具有相同的位移;管径大于400 mm时,应考虑管–土相互作用;此外,管线最大曲率、转角、最大应力和弯矩均发生在基坑端角部20%开挖长度的范围内。在数值分析的基础上,给出小管径管线变形受力计算的简化分析方法。     

基坑开挖对地下管线工作性状影响的数值分析

为研究基坑开挖对于地下管线工作性状的影响,进而为管道安全评估与防护提供参考依据,利用Plaxis 3D Tunnel 建立基坑开挖中的土体与地下管线相互作用的有限元模拟模型。对土体采用Hardening-Soil 模型,对管线及基坑支护结构与土之间均采用接触面单元,对不同管道数量和位置以及施工步骤、基坑尺寸对地下管线水平位移、竖向位移和内力的影响进行了大量的参数分析。结果表明在基坑支护结构、管线与土体相互作用下,墙背管线位移随基坑尺寸增大而增大,但其分布形态不变;管道距离地下连续墙越近,管道的位移则越大,而地面位移越小;管道数量越多,管道位移与墙背土体位移均越小;管线内力与变形与基坑开挖特性参数之间的关系是非线性的。     

降雨冲刷护管截水墙安全性模糊综合评判研究

截水墙是一种有效的油气管道水工保护结构,其受降雨冲刷毁坏将对油气管道安全稳定产生较大影响。根据西气东输沿线护管截水挡墙结构形式及其受降雨冲刷作用毁坏特征,综合考虑截水挡墙5种可能失效模式,利用模糊数学理论,建立了降雨冲刷护管截水挡墙安全稳定分析的变权模糊综合评判模型,结合工程实例验证了评判模型的可靠性,并对不同降雨强度下截水墙的安全性进行了分析。研究表明:降雨对截水墙的冲刷作用随着降雨强度的增加而增大,相应的安全性呈下降趋势,并且在一定的降雨强度范围内,截水墙的安全系数关于降雨强度呈二次函数关系;文中研究方法及结果对类似油气管道防护结构稳定安全性评判均有一定的参考价值。     

海底滑坡对管线冲击力的数值分析

输送原油和天然气的海底管线常处于复杂的海洋地质环境,在海底滑坡的冲击下可能发生失稳破坏。以往研究成果多集中讨论海底滑坡对悬跨管线的冲击力,但对置于海床表面的管线受不同角度海底滑坡的冲击作用讨论较少,也未深入讨论悬跨高度对管线受海底滑坡冲击力的影响。基于Herschel–Bulkley模型,采用计算流体动力学CFD法模拟了不同冲击角度下海底滑坡对置于海床表面管线的作用力,对比已有模型试验成果提出了管线纵向和轴向阻力系数的计算公式。按照土力学方法对CFD数值计算结果重新整理,指出土力学和流体力学方法在计算管线受海底滑坡冲击力方面的实质对应关系,并给出管线破坏包络线的解析表达式。随后讨论了悬跨高度对管线受力的影响,最后提出了综合考虑冲击角度和悬跨高度影响的海底滑坡对管线作用力的计算公式。研究成果对海底路由选址和海底管线设计具有一定的应用价值。     

有接头埋管在地震行波作用下的弹塑性分析

针对具有柔性接头的地下埋管在地震波作用下的反应分析问题,基于反应位移法,将管体和接头进行等效均匀化处理建立简化的弹塑形管单元模型,推导了由这样的简化管单元模型构成的直管段在地震位移波作用下的位移计算公式。在求得等效管模型位移的基础上,再对每个管段和接头进行精细分析,求得管体及其接头的真实内力和变形。利用该方法对PVC管和铸铁管两种类型埋管进行了地震波作用下的反应分析,并与基于有限元分析的结果进行对比验证了方法具有充分的计算精度,可在地下埋管抗震设计中应用。     

隧道开挖对邻近非连续接口地埋管线的影响分析

隧道开挖引起的地面沉降会引起邻近区域地埋管线的附加受力和变形，甚至会引起管线的开裂破坏。将隧道开挖引起的地面沉降效应作为外界条件施加于地埋管线上，基于改进的Winkler地基模型，并采用虚拟节点以考虑管线接口处的力学特性，提出了刚度非连续接口管线在隧道开挖条件下响应的简化理论分析方法。通过与弹性理论法、离心机试验和实际工程对比，验证了该方法的合理性。并通过与层状弹性理论解的对比，得到了该方法在非均质地基中的适用性。参数分析认为忽略管线接口存在的连续管线假设在分析接口地埋管线有不合理处。     

预应力钢-混凝土连续组合梁的变形分析

对预应力钢-混凝土连续组合梁在正常使用极限状态下的变形计算进行分析。分析考虑钢与混凝土之间的滑移效应,建立简化计算模型,并在此基础上,提出混凝土支座开裂区长度以及预应力筋内力增量的计算公式,给出两跨预应力连续组合梁跨中挠度的计算图表。分析结果表明,两跨预应力连续组合梁变形计算公式计算正常使用极限状态预应力筋的内力值精度较高,不考虑预应力筋内力增量的变形计算值较试验值偏大,考虑预应力筋内力增量的变形计算值精度有明显提高,与试验结果吻合较好,可供工程设计参考。最后在两跨预应力连续组合梁变形计算公式的基础上提出预应力连续组合梁变形计算的通用方法。     

高铁连续梁桥横向变形与轨面几何形态变化的映射关系研究

为研究高速铁路桥梁结构横向变形与轨面变形间的映射关系,在考虑高速铁路桥梁-路基-无砟轨道系统层间相互作用的基础上,基于势能驻值原理,推导出连续梁桥横向变形与轨面变形的微分方程及边界条件,提出连续梁桥横向变形与轨面变形的映射解析模型。利用所提的解析方法及有限元方法分别求解连续梁桥横向变形下的钢轨变形,并研究横向变形幅值不确定性对轨面变形的影响。结果表明：两种方法求解结果吻合良好,验证了所提的解析模型的正确性;桥梁结构变形与轨面变形的映射系数随桥梁结构变形幅值的增加而非线性增大;钢轨变形具有明显的“跟随性”;钢轨变形及层间扣件内力随连续梁桥变形幅值的增大而增大;列车运行速度越快,钢轨变形引起的激励频率越大。     

富水地层盾构下穿施工引起的管线变形分析

隧道开挖导致的地层的沉降变形会通过外荷载的形式作用于邻近地下管线,使其受力性状发生变化,管线弯曲变形达到一定程度时,刚性管线可能出现裂缝甚至发生断裂。针对这一工程问题,文中以杭州地铁8号线浙江工商大学站-桥头堡站为工程背景,通过控制变量法,分析了盾构下穿埋深为1~6m的Q235钢管、铸铁管、C30混凝土管以及PVC管等多种工况下的管线引起的管线沉降变形规律,并根据分析结果对现有的通过地表沉降曲线最大斜率直接估算管线沉降变形情况及其安全性这一方法对各类管线的适用性进行了评价。然后,通过统计分析,提出了上述四种不同材质管线的管线最大沉降斜率与地表最大沉降斜率比值r随埋深h变化的线性拟合关系式,可以为通过观测地表最大沉降斜率估算地下管线最大沉降斜率提供参考。     

考虑相关性的地下管网系统抗震可靠度分析方法

城市供水、供气、供热等地下管网是重要的生命线工程系统,由于管网中不同管线的结构属性、场地环境、地震动荷载等参数的相关性,管线结构抗震失效事件存在相关性。文章建立相关失效管网系统抗震可靠度问题的解析模型,给出随机变量相关系数在管线可靠度至管网系统可靠度的传递关系。利用基于Nataf变换和正交变换的一次二阶矩法,建立含相关随机变量的管线结构抗震可靠度解析模型;基于结构体系可靠度理论,求解管线结构失效相关系数;采用网络可靠度算法,计算相关失效管网系统节点连通可靠度。同时,给出基于相关随机变量抽样的Monte Carlo随机模拟解法。算例分析结果表明,在管段结构功能函数起控制作用的随机变量的强相关性,对管网系统可靠度影响较大;与传统的管线失效独立假定相比,管线失效事件的强相关性可使并联管网系统可靠度减小15%以上;管网系统拓扑结构的并联冗余性越高,管线失效相关性对系统可靠度的影响越大。