高海拔寒区岩质边坡变形破坏机制研究现状及趋势

高海拔寒区矿山岩质边坡变形破坏机制研究已取得一定的研究成果,但基于现行理论与技术还难以全面解决未来高寒边坡失稳机理和灾害防控的所有问题,至今尚未建立起完善的高寒边坡开采研究体系和边坡稳定性判别标准.本文对高寒岩质边坡变形破坏的室内岩石力学试验、边坡物理相似模拟、多场多相耦合数值模拟、变形破坏原位监测、高海拔寒区岩质边坡失稳机理五个方面开展了大量的文献调研,总结高寒岩体变形破坏有关的研究成果,继而对存在的问题进行探讨并分析当前研究的不足,总结出高寒岩质边坡变形破坏研究领域亟待解决的关键问题:一是开采扰动条件下高海拔寒区矿山边坡岩体结构损伤劣化机制,二是冻融循环条件下流-固-气多相多场耦合边坡失稳时效特征与评价方法;并就未来高寒边坡变形和破坏研究方向及发展趋势予以分析,指出开展不同应力路径冻融循环耦合作用下岩体结构损伤劣化机理研究,开展爆破采动条件下高海拔寒区岩质边坡结构面致溃机制及边坡失稳破坏研究,开展地震荷载作用下高海拔寒区节理岩质边坡地震动力响应及致灾规律研究,研究多场多相耦合条件下节理岩体损伤劣化机理,开展高海拔寒区矿山边坡抗寒多参量实时安全监测及失稳预警技术研究五个方面是未来研究的趋势.     

顺层岩质边坡地震动力响应及地震动参数影响研究

 利用FLAC2D建立顺层岩质边坡模型,分析其在地震作用下的动力响应规律,研究地震动参数对其动力响应的影响。结果表明：顺层岩质边坡在地震作用下失稳主要由结构面控制,位移主要发生在潜在滑移面上部岩体中;对地震波存在垂直向和临空面放大作用,其滤波作用没有土质边坡明显,不同岩层会对某一频率的波产生明显的放大效应;当振幅、卓越频率增加时,坡肩下方的加速度放大系数呈递减趋势,且在强度相对较低的岩体内较明显,但随着振幅增加,边坡动力响应增强;各处加速度放大系数受地震动持时影响较小,剪应变增量受其影响较大。当振幅、持时增加时,边坡位移呈增大趋势;当卓越频率增大时,边坡位移减小。同时,证实了地震边坡破坏由上部拉破坏与下部剪切破坏组成,研究结果有助于进一步揭示边坡在地震作用下的失稳机制。     

考虑残余变形的台阶式岩质边坡震裂累积效应

高烈度地震区的岩质边坡内部节理裂隙较为发育,且分布随机性大。多期强震作用造成岩体结构进一步的破坏,形成震裂岩体边坡并继续发生变形破坏。因此,研究台阶式岩质边坡在多次强震作用下的震裂累积效应对于分析边坡的地震稳定性具有重要意义。通过大型振动台模型试验分析台阶式岩质边坡的动力位移响应状态,重点研究台阶式岩质边坡的震裂累积效应。通过基线偏移量表征边坡的残余变形,坡表发生的最终破坏是残余变形与激振动力变形共同作用的结果。提出用残余变形率分析台阶式岩质边坡的震裂累积效应,并利用阿里亚斯强度放大率验证残余变形率在分析强震造成岩质边坡出现震裂累积效应的适用性。结果表明：残余变形率充分考虑了持续的残余变形和地震动力的共同影响,能够更清楚地辨识边坡不同的地震动力破坏阶段、分析边坡的震裂累积效应。台阶式岩质边坡在地震动力作用下的变形破坏从局部开始,特别是台阶平台的内部折线处以及坡顶,均是最易萌生初始裂缝的部位。基于残余变形率和阿里亚斯强度能量的分析,边坡的震裂累积过程包含缓慢变形、加速变形和失稳破坏3个阶段。2种分析方法可以交互使用,实现更精准的边坡动态变形预测,为边坡的抗震设防方案提供可靠的依据。     

循环荷载下节理岩体边坡动力响应的试验研究

 在振动荷载的长期循环作用下,岩质边坡中的原生结构面可能扩大并产生新的破裂面,直接影响到岩质边坡的稳定性。以某节理岩体边坡为原型,根据相似理论制作模型框架并在其内建造室内节理岩体边坡模型,利用振动台对边坡模型进行振动加载,研究在振幅分别为1.0,1.25,1.5 mm的振动荷载作用下节理岩体边坡的动力响应规律,对比水平方向和竖直方向振幅都为1.5 mm时边坡模型的变形差异。循环加载试验表明,在振动荷载作用下,边坡变形随振动荷载振幅、振动时间的增大而增大;边坡模型对于竖向的振动荷载更加敏感;边坡模型在受到振动荷载作用时,顶部的变形大于底部的变形;长期的振动荷载作用会导致原生裂隙延伸、扩张、贯通,引起边坡变形增大;根据变形情况提出边坡在振动荷载作用下的变形过程及变形导致的整体性滑坡和局部滑塌2种可能的破坏模式。研究结果对节理岩体边坡在循环荷载作用下的动力响应、疲劳劣化机制和边坡工程的长期安全性等理论研究和工程应用具有参考意义。     

地震作用下边坡岩体动力稳定性数值模拟

 以金沙江龙蟠边坡变形岩体为例,采用人工合成地震动为输入条件,并考虑超静孔隙水压力的作用,运用离散单元法进行边坡岩体的全时程动力分析,探讨地震作用下边坡岩体的动力响应规律及稳定性。数值模拟结果表明：地震惯性力的作用引起剪应力的积聚效应;岩体结构面对岩质边坡的地震动力响应起控制性作用;边坡最危险状态是地震刚刚开始时由静态到动态所发生的巨大系统改变之时;地震作用导致岩体变形破坏的主要机制是剪应力积聚和超静孔隙水压力累积效应的耦合作用。同时,计算结果还表明,龙蟠边坡变形岩体在遭受地震时不会发生整体性的远程滑动,这一结论对金沙江宽谷坝址的抉择具有重要的工程应用价值。     

唐家山滑坡变形运动机制的离散元模拟

 地震是滑坡灾害的一个重要触发因素,而这类形式的滑坡通常危害较大。以汶川地震触发的唐家山滑坡为例,在野外现场调查基础上,采用离散元数值模拟技术,对滑坡由变形累积到破坏滑动的全过程进行模拟,以研究地震作用下顺层岩质滑坡的变形破坏过程。结果表明：在地震力及滑体重力作用下,坡顶首先形成应力集中,滑体沿中后部的软弱面产生蠕变变形,随着持续的地震动力输入,应力不断向中前部的锁固段集中,使得变形沿接触面不断向坡脚方向扩展,最终从坡脚剪出,破裂面贯通形成滑带;通过滑动过程模拟表明,唐家山滑坡运动模式为：启动→高速滑动→碰撞停积→自稳过程,滑坡滑动过程中,斜坡表层部分块体在地震水平力作用下发生临空抛射现象,表层岩体在滑动过程中,受地震竖向作用力而发生垂直抛落现象;地震力作用下坡体中质点加速度、速度具有高程放大效应,表现为水平加速度放大系数大于竖向加速度放大系数、水平速度放大系数大于竖向速度放大系数,对比结构面监测点和基岩监测点加速度、速度放大系数,表明滑坡启动时具有较大的加速度,也说明不连续结构面对岩质边坡的动力反应起着控制性作用。     

水平厚层状岩质边坡地震动力破坏过程颗粒流模拟

 基于二维颗粒流软件(PFC2D)的人工合成岩体技术,研究岩桥长度和节理间距不同组合形式下的含水平断续节理厚层状岩质边坡在地震作用下的破坏模式、动力响应规律以及岩桥段应力演化特征。研究结果显示：地震动作用下,含水平断续节理厚层状岩质边坡主要发生溃散型破坏、拉裂–滑移–块体倾倒混合破坏和拉裂–水平滑移混合破坏;水平断续节理是控制边坡动力稳定性的关键因素。节理间距对边坡破坏模式起控制性作用：当节理间距较小时,易发生溃散型破坏;当节理间距较大时,易发生拉裂–滑移–块体倾倒破坏和拉裂–水平滑移混合破坏。岩桥长度和节理间距共同控制着边坡岩体破碎程度,从而控制着边坡失稳破坏时滑动面的个数,当节理间距很小或者节理间距较大、岩桥长度较小时,发生单滑动面破坏;当节理间距和岩桥长度均较大时,发生双滑动面破坏。在地震动力作用下,岩桥段首先发生破坏,随后各节理间也产生破坏并贯通。岩桥长度和节理间距对边坡动力响应均产生一定影响,随着节理间距减小、岩桥长度增大,峰值位移、峰值速度增大,对加速度PGA放大系数的影响区域集中在边坡坡表、坡脚等部位。地震作用下,含水平断续节理厚层状岩质边坡岩桥段应力演化、裂纹萌生与输入的地震波加速度具有良好的一致性。     

裂隙岩质边坡渗流与非连续变形耦合过程分析

 裂隙岩体中的渗流–应力耦合作用是岩质边坡失稳的重要因素之一。离散裂隙网络(DFN)模型用于研究裂隙岩体渗流,具有概念简单、效率高、适用性强的优点,是研究裂隙岩体渗流问题最为有效的手段之一。非连续变形分析(DDA)方法是专门针对裂隙岩体的非连续特性提出的一种变形场求解方法,能够更加真实地刻画工程岩体。将DFN模拟和DDA方法结合起来,提出基于DDA-DFN的渗流–应力耦合模型,给出考虑裂隙渗流情况下岩体块体系统的瞬时平衡方程,用于研究裂隙岩体变形对渗流的影响和渗流–应力耦合作用下裂隙岩体的变形破坏特征。利用该耦合模型,对一大型水利水电工程边坡稳定性进行分析。结果表明,水库蓄水后,地下水大幅度抬升,渗流–应力耦合作用加剧,导致边坡裂隙岩体中的关键部位发生大变形甚至破坏,进而触发边坡的进一步失稳。实例分析验证了这种方法用于边坡稳定性分析的有效性。     

风干堆积体边坡地震响应的动力离心模型试验

 堆积体边坡在我国西南地区广泛分布,为深入研究其地震响应规律,设计完成了1∶50比尺的概化边坡离心振动台模型试验,分析4级不同强度地震连续作用下,风干堆积体边坡的加速度响应、边坡变形及其失稳模式。试验结果表明,堆积体边坡水平向PGA放大系数表现出了典型的高程放大效应与趋表放大效应。沿堆积体边坡高程方向,输入地震波频谱特性发生了明显改变,各测点加速度傅里叶谱的卓越频率随PGA增大而降低。考虑竖直向加速度放大效应的影响后,发现合放大系数与水平向夹角随高程有减小的趋势,反映了坡面处发生的波场分裂与波型转换现象。随地震波幅值的增大,水平向与竖直向PGA放大系数均先减小后增大。试验过程中观察发现在地震波加速度峰值达到0.216 g时堆积体边坡开始失稳,坡顶沉降明显,失稳模式以浅层崩滑为主。     

岩质边坡在地震荷载作用下的动力响应分析

在动力有限元理论的基础上,运用ANSYS软件对石家庄至武汉铁路客运专线岩质边坡进行地震荷载作用下的动力响应分析。获得了位移、加速度和锚杆(索)轴向力放大系数及其变化规律,结果表明:边坡对地震加速度存在放大作用,坡顶水平向峰值加速度为5.13 m·s^-2,约为输入地震峰值加速度的1.6倍,锚杆(索)框架梁支护能有效地提高岩质边坡的动力稳定性,具有良好的抗震效果。研究结果对岩质边坡的抗震设计具有一定的借鉴意义。     

Shaking table test to assess seismic response differences between steep bedding and toppling rock slopes

In order to investigate the seismic response of steep bedding and toppling rock slopes, a large-scale shaking table test was performed taking into consideration a variety of factors such as slope type and input seismic excitation. Diverse seismic responses, including acceleration and earth pressure at several locations, were analyzed in terms of the test results. It was found that the slope type has a significant impact on the failure mechanism and response norm of different kinds of rock slopes. Firstly, the slide surface of the steep bedding rock slope is basically parallel to the slope surface, while that of toppling rock slope skews the rock layer under seismic load. The failure zone area of the toppling rock slope is smaller than that of the bedding rock slope, which is mainly because it consumes plenty of seismic energy to break through the rock layer of the toppling rock slope. In addition, for acceleration along the vertical direction, an abrupt amplifying effect exists at the top slope when the peak input motion acceleration (PIMA) exceeds a certain value: 0.6 g for a bedding rock slope and 0.4 g for a toppling rock slope. Meanwhile, for acceleration along the horizontal direction, the acceleration amplifying factors of toppling rock slopes are larger at the slope surface but smaller at the inner slope portion than that of bedding rock slopes. Furthermore, the acceleration amplifying factor is larger than the earth pressure amplifying factor at the slope surface. The earth pressure amplifying factor at the top surface for a toppling rock slope is close to that of a bedding rock slope with an increase in PIMA. This novel experiment reveals the different failure mechanisms between steep bedding and toppling rock slopes, as well as being of help to the conduct of further study on seismic hazard early warnings.

     

黄土斜坡坡面位移和加速度响应特性的振动台试验研究

以平凉崆峒区黄土塬斜坡为原型,开展含裂隙黄土斜坡和不含裂隙黄土斜坡的对比振动台模型试验,研究地震荷载作用下黄土斜坡坡面位移和加速度响应规律。通过三维光学测量分析系统,高精度、实时获得斜坡表面的变形量。试验表明：随着输入地震荷载的增加,含裂隙黄土斜坡和不含裂隙黄土斜坡坡面PGD均呈现出随着坡高的增加逐渐增大的变化趋势;在相同地震波输入下,水平向加载作用下坡面峰值位移略大于垂直向加载,有裂隙斜坡坡肩处位移值约为无裂隙斜坡的1.5倍。通过对比坡面不同高度处的PGA放大系数,表明两类斜坡水平向的加速度放大效应大于垂直向放大效应,并在坡肩达到最大值,呈现出高程效应与趋表效应;有裂隙斜坡坡肩处的PGA放大系数明显大于无裂隙斜坡。     

斜坡加速度动力响应特性的大型振动台试验研究

以"5·12"汶川地震灾区典型斜坡为原型,采用水平层状上硬下软和上软下硬2种岩性组合概念模型,设计并完成比例1:100的大型振动台试验。在满足相似律的条件下,通过输入不同地震波类型、频率、激振方向和振幅,系统地研究模型斜坡的地震动力响应特性。以输入加速度峰值0.3g为例,分析不同岩性组合模型斜坡在单向天然地震波作用下的同向加速度动力响应规律,研究结果表明,加速度沿竖直和水平方向的响应都呈现明显的非线性特征;总体上,高程对地震波具有明显的放大效应。在水平向地震波作用下,斜坡的动力响应主要出现在斜坡的中上段,而在同等强度的激振力作用下,竖直向加速度最大放大倍数仅相当于水平向加速度最大放大倍数的1/2左右,且动力响应较强部位主要出现在斜坡的中下段。不同岩性组合结构对加速度响应规律的影响也因激振方向不同而异,在水平向地震波作用下,上硬下软组合斜坡总体上要比上软下硬组合斜坡对加速度的放大程度大,在竖直向地震波作用下则相反。通过对比坡面不同高程处的加速度傅里叶谱表明,在地震波从下往上传播过程中,上硬下软斜坡对起放大作用的频段具有明显的选择性,竖直向激振条件下对2种岩性组合斜坡加速度起放大作用的卓越频率比水平向激振条件下的卓越频率大得多。     

加筋土坡动态稳定性拟静力分析

 加筋土工结构被广泛采用的原因不仅是其具有良好的静力性能,且也在于出色的动力稳定性能,现有研究较少考虑竖向地震效应对加筋土坡动态稳定性的影响。基于塑性极限分析上限理论,假定不同的破坏面,同时考虑水平和竖向地震影响并结合不同加筋模式,采用拟静力分析方法推导一定加筋强度条件下的边坡临界高度和一定边坡高度条件下的临界加筋强度计算公式,并对所导公式采用序列二次规划法进行了优化计算,数值计算与分析表明：简单静态和动态条件下,该结果与现有研究成果有较好的一致性,可以证明该方法的正确性;水平和竖向地震、岩土材料强度特性、边坡倾斜度均对加筋土坡的动态稳定性有重要影响,特别当边坡较陡,岩土填筑材料质量较差和地震影响强度较大时,忽视竖向地震影响将会导致设计偏于不安全;最后针对工程实际,提出相应的工程建议。     

锚杆格构支护边坡振动台模型试验研究

 以锚杆格构支护的均值土坡为研究对象,设计并完成了几何相似常数为15的硅胶边坡模型振动台试验,研究了支护结构的动力地震响应特征。通过试验,得出如下结论：(1) 在同一正弦波激励下,格构同一测点的动应变值的变化范围是基本保持不变的,与正弦波激励的变化规律一致。但在破坏阶段,测点的动应变值表现为无规律的变化且应变值均较大。(2) 同一激励下,横、纵格构梁的受力水平是基本相平的;对于同一行格构,中间应变值较大;同一列格构,由上到下呈“大→小→大→小”的变化特征,说明边坡竖向变形变化很大且受锚杆约束的影响;格构梁的不同部位受力不同,需要对薄弱部位进行补强。(3) 相同频率下,格构测点的动应变值随着加速度的增大,整体上表现为递增趋势。(4) 低频正弦波的频率较接近边坡的自振频率,坡体加速的动力响应就明显,边坡的相对位移则越大,因此,格构的动应变相应增大。试验结果表明,试验采用的硅胶边坡模型可用于边坡支护结构的动力响应分析,且模型可以重复使用,极大地降低了试验成本。     

土体含水率对边坡动力破坏模式及动力响应影响的振动台试验研究

正确认识地震作用下边坡的破坏模式及动力响应特征可以为边坡抗震设计提供理论指导。为了探讨边坡土体含水率的变化对边坡破坏模式及动力响应的影响,针对该问题展了室内振动台模型试验,分析了不同含水率边坡失稳破坏的物理过程,以及在地震荷载作用下边坡动力响应规律。试验结果表明土体含水率对边坡破坏模式有较大影响,含水率6.8%和10%的砂土边坡分别表现为震裂–溃滑型和震裂–溃散型滑坡破坏形式,含水率18.1%和24.6%的黏土边坡分别表现为震裂–溃散性和震裂–蠕滑型滑坡破坏形式;在参数考虑的范围内含水率较大的边坡比含水率较小的边坡更稳定;在水平动力载荷作用下,边坡表面的土体位移变化规律能够反应出边坡失稳破坏特征;对于该文讨论的砂土和黏土边坡而言,含水率大的边坡加速度放大效应弱于含水率小的边坡;从土体阻尼角度解释了含水率变化对边坡失稳影响的机理。     

Centrifuge model test and numerical interpretation of seismic responses of a partially submerged deposit slope

Partially submerged deposit slopes are o ften encountered in practical engineering applications.Howeve r,studies on evaluating their stability under seismic loading are still rare.In order to understand the seismic behavior of partially submerged deposit slopes,centrifuge shaking table model tests(50 g) were employed.The responses of horizontal accelerations,accumulated excess pore pressures,deformation mode,and failure mode of the partially submerged deposit slope model were analyzed.In dynamic centrifuge model tests,EQ5 shaking event was applied numerically.The results indicated that in the saturated zone of the deposit slope,liquefaction did not occur,and the measured horizontal accelerations near the water table were amplified as a layer-magnification effect.It was also shown that the liquefaction-resistance of the deposit slope increased under multiple sequential ground motions,and the deformation depth of the deposit slope induced by earthquake increased gradually with increasing dynamic Ioad amplitude.Except for the excessive crest settlement generated by strong shaking,an additional vertical permanent displacement was initiated at the slope crest due to the dissipation of excess pore pressure under seismic loading.The result of particle image velocimetry(PIV) analysis showed that an obvious internal arc-slip was generated around the water table of the partially submerged deposit slope under seismic loading.     

地震作用下岩质边坡块体倾倒破坏分析

 基于传递系数法的概念,在建立地震作用下岩质边坡倾倒破坏地质力学模型的基础上,提出考虑地震作用边坡倾倒破坏的解析分析方法,并进一步分析地震作用对边坡倾倒稳定性的影响。该方法采用边坡几何力学参数以及潜在倾倒岩块编号来表征边坡倾倒稳定性分析中变量,从而使每个倾倒岩块的计算变量具有统一的表达式,因此很容易采用Microsoft Excel进行程序化分析。分析结果表明,地震作用下边坡的破坏模式取决于地震影响系数与其临界值的关系,地震影响系数临界值的大小取决于地震力方向以及缓倾结构面的倾角和内摩擦角,当地震影响系数小于该临界值时,按倾倒破坏分析边坡稳定性,否则边坡发生滑动破坏;边坡倾倒稳定性受地震力作用方向和地震影响系数的影响,地震作用方向对边坡倾倒稳定性影响较小,而边坡倾倒稳定性随地震影响系数的增加而显著降低。     

Evaluating the effects of the magnitude and amplification of pseudo-static acceleration on reinforced soil slopes and walls using the limit equilibrium Horizontal Slices Method

The effects of horizontal and vertical pseudo-static forces on reinforced soil structures are investigated in the paper. In particular, the effects of the magnitude and amplification of the ground acceleration on the seismic stability of reinforced soil slopes and walls have been investigated using the Horizontal Slices Method (HSM). The HSM is a limit equilibrium method for the analysis of reinforced soil structures, which offers a number of benefits over conventional vertical slice methods. First, a parametric study using acceptable geotechnical, geometrical and design parameters was undertaken. The results of the parametric analysis are presented in dimensionless form relating to the force required to maintain stability of the slope (K) and the required length of the reinforcements (L_c/H). Different rotational and planar slip surfaces are shown for various slopes and walls with different geotechnical strength parameters. Second, the capability of the HSM to consider the effect of earthquake amplification on the stability analysis of reinforced soil structures was considered. It has been shown that the effect of horizontal seismic acceleration on the response of reinforced slopes and walls depends mainly on the geotechnical strength parameters. The effect of vertical seismic acceleration on the performance of reinforced slopes is not significant for low values of horizontal seismic acceleration. It has been concluded that ignoring the effect of the amplification phenomenon could result in an underestimated design.