离心模型试验与数值模拟相结合研究采空边坡渐进破坏特性

以贵州六盘水地区煤层开采为工程背景,采用离心模型试验与数值模拟相结合的方法研究了采空条件下边坡的渐进破坏过程及破坏模式。基于离心模型试验得到了开采过程中边坡的位移场,并采用FLAC~(3D)对离心模型试验过程进行了数值模拟,数值与试验结果得出的边坡位移时程曲线吻合程度较高,塑性区分布与试验点对分析得到的滑裂面破坏过程与路径基本一致。通过对比、融合离心模型试验观测与数值模拟结果,表明贯通坡脚与采空区的滑裂面由下向上形成,且总体发生剪切错动破坏,贯通坡肩与采空区的滑裂面由上至下发生复杂的破坏过程,初始阶段滑裂面发生张拉破坏,中间阶段同时发生张拉与剪切破坏,末尾阶段发生剧烈的剪切滑移破坏。     

用离心模型试验研究花岗岩残积土边坡的破坏特性

推导了边坡坡体及锚固体的离心相似模型,得出了相关参数的相似比尺。通过试验得出了花岗岩风化残积土边坡可能以平面形式失稳也可能产生圆弧滑动,分析了含水量对破坏形式的影响。通过试验得出无控制性结构面的边坡的极限稳定高度与坡角的关系大致满足马斯洛夫方程。     

边坡开挖破坏过程的离心模型试验研究

边坡开挖是工程中经常遇到的问题。在清华大学土工离心机上,开发了一种离心机运转过程中的边坡开挖模拟技术。进行了土坡开挖的离心模型试验,测量了开挖过程中边坡的位移场变化。结果表明,边坡的破坏过程是从坡体下部开始的剪切带逐渐向上发展贯通的过程,并经历了滑裂面贯通前的平缓变形和贯通后变形迅速增大两个阶段。坡顶裂缝最初均是由受拉引起的,但随着剪切带的不断向上发展,裂缝的扩展是由拉伸和剪切两种作用综合引起的。     

路堑边坡施工过程离心模型试验及数值模拟研究

以粤北山区高速公路某路堑边坡为研究对象,通过离心模型试验及有限元模拟其施工过程,揭示开挖卸荷过程中的变形特性及稳定机制,探讨锚杆在边坡稳定中发挥的作用。结果表明,开挖卸荷引起松弛变形,变形量从坡顶向坡脚逐渐增大,从开挖临空面向坡体内部逐渐减小,最大值出现在坡脚,且在坡脚形成塑性区;锚杆支护后提高了加固部分土体的强度,减小了下级开挖引起的松弛变形,限制坡脚塑性区的发展。锚杆轴力沿杆体不均匀分布,其规律与锚杆长度有关,且一般下层锚杆轴力较上层大。锚杆支护不仅提高施工期的稳定,还可有效减弱应变软化对边坡长期稳定的不利影响,提高安全储备。研究成果对高速公路路堑边坡的设计及施工具有指导意义。     

国外离心模型试验技术在边坡工程中的应用现状与展望

首先简单介绍了国外离心模型试验技术的发展状况 ,然后探讨了其在边坡工程中的应用 ,特别是在暴雨、水库蓄水对边坡稳定性影响中的应用 ,最后提出了边坡工程中离心模型试验存在的问题以及今后发展的方向。     

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。     

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。     

隧洞拱冠砂土位移与破坏的离心模型试验研究

通过离心模型试验,对隧洞拱冠以上地层位移与隧洞内支护压力的关系及临界支护压力进行了研究。结果表明：在砂土中开挖隧洞,由于砂土抗剪强度的发挥,隧洞拱冠以上砂土在远小于原位上覆土压力的支护压力下仅发生一定的位移而不致塌落;因此,若允许地表面发生少许沉降,隧洞内支护压力可以比原位上覆土压力有较大程度的降低。     

边坡失稳过程模型试验研究

采用一个1 m×2 m×4 m（高×宽×长）的模型槽,对素土和加筋土边坡的失稳破坏过程进行了详细的试验研究。试验设计了30°、45°和60°共3种坡度,坡面考虑了平面和凸面两种形式。通过倾斜模型槽,触发模型边坡失稳破坏,利用数码摄像机采集边坡破坏的发生、发展过程和最终形态,并对裂缝的开展、滑坡体形态以及模型槽倾斜角度进行了归纳总结。结果表明：边坡破坏呈现三维形态,坡度和坡面形状对滑体形态影响较大;同一坡度下,凸坡较平坡容易失稳,二者裂缝位置基本一致;加筋后,提高了边坡稳定性,破坏形态也发生改变。研究成果有助于更深入了解边坡失稳破坏过程及破坏形态,为边坡治理提供科学依据。     

延安市阳崖黄土边坡开挖破坏离心模拟试验研究

人工开挖是黄土地区滑坡形成的主要诱发因素之一,开挖导致斜坡一定范围内产生卸荷回弹和应力重分布,斜坡应力重新平衡的过程伴随着斜坡形变,甚至破坏。延安市宝塔区枣园镇阳崖滑坡为典型开挖诱发的黄土边坡,本文选取阳崖滑坡为地质原型,采用TLJ-500大型土工离心机对边坡坡脚开挖状态下变形破坏过程进行模拟试验,通过对模型控制点监测数据分析,研究边坡坡脚开挖前后坡体形变位移特征、坡体内部土压力响应特征以及边坡变形破坏机理。结果表明:坡脚开挖后临空面附近产生局部垮塌,其坡体位移、潜在滑移面以及拉张裂缝均由坡体前缘往后部渐进性变化发展。开挖后坡体内部产生明显的应力松弛,且越靠近开挖面卸荷效应越明显,开挖主要影响坡体的中前部分,对坡体后部影响较小甚至无影响,分析得知坡体变形破坏机理为典型的渐进后退式。     

离心场中土体图像采集与位移测量系统的研制与应用

以存储前移为主要思路,开发了离心场中高质量图像高速采集与位移非接触测量系统。该系统由图像采集、数据存储、通讯控制、分析处理和辅助制样5个子系统组成,能够克服高速旋转的离心场的干扰,在离心模型试验过程中高速采集高质量图像。该系统能够对多点同时进行测量,从而得到土体表面任意时刻、任意区域的位移场,并具有对土体无干扰、测量精度高、前期准备工作量小、自动化程度高等优点。使用该系统对土坡破坏离心模型试验中的土坡变形过程进行了测量,结果表明,土坡的破坏过程可分为均匀变形、应变局部化和破坏后变形3个阶段,加载过程中首先在坡顶和坡脚产生应变局部化。     

裂隙性粘土边坡渐进性破坏的FLAC模拟

裂隙性粘土是一种具有特殊性质的粘土,这种粘土边坡的破坏是渐进性的,传统的极限平衡法无法描述分析它的破坏过程和机理,也无法精确地判断它的长期稳定性。用FLAC程序对裂隙性粘土边坡的渐进性破坏过程进行了描述,算例表明在一定程度上用FLAC程序来模拟边坡渐进破坏和进行稳定性判断是可行的。     

饱和砂土地基上抗滑桩加固边坡的动力离心模型试验研究

动力离心模型试验是研究可液化地基上抗滑桩加固边坡地震动力响应的有效手段之一。使用铜质抗滑模型桩,采用黏度为50 cs的甲基硅油做为孔隙流体,通过抽真空法制作了饱和地基上的加固边坡模型。进行动力离心模型试验,研究了地震作用下饱和砂土地基中动孔压、边坡变形与土体加速度和抗滑桩弯矩的响应特征。试验结果表明,地震作用导致的动力附加弯矩相当于震前静力弯矩的87 %,说明地震作用与地基液化导致的附加弯矩不容忽视,该结论可为边坡进行抗震设计与稳定分析提供有意义的参考。     

应变软化土坡渐进破坏的可靠度分析

在考虑土性参数的不确定性和土体应变软化特性的基础上,以可靠度方法建立了边坡渐进破坏的极限状态方程。通过计算边坡局部破坏概率,确定边坡中最危险的土条,并推导出破坏起始于该土条,逐渐向两侧扩展的渐进破坏概率计算公式。该方法能很好地反映边坡局部破坏的产生、扩展及对边坡整体稳定性的影响,找到最贴近实际情况的破坏传播路径,为边坡稳定分析提供了理论依据。通过算例分析可知,滑动面上各个土条的局部破坏概率均不相等,破坏起始于中部第8土条,破坏先向上传递,后向下传递至坡脚,并非从坡脚向坡顶传递的牵引式破坏,或从坡顶向坡脚传递的推移式破坏。     

考虑张拉-剪切渐进破坏的边坡矢量和法研究

针对边坡渐进破坏过程中岩土体强度参数不断劣化现象,采用应变软化模型代替传统的理想塑性模型,提出一种考虑张拉?剪切渐进破坏的边坡矢量和分析方法。从安全系数表达式与最危险滑动面搜索两方面进行研究,首先基于滑动和力的矢量特性,改进矢量和法滑动趋势与安全系数表达式,进而基于改进自适应遗传算法搜索边坡最危险滑动面。算例表明,采用应变软化模型时的矢量和法安全系数与最危险滑动面形态具有动态变化与调整的特性。该基于张拉-剪切应变软化模型的计算方法进一步扩展了边坡矢量和分析法。     

土坡渐进破坏的可靠度

在考虑土的抗剪强度参数的变异性及相关性的基础上,以可靠度的方法研究土坡渐进破坏问题。将滑动面上的土体按等弧长划分为n个土条,假设每个土条的安全余量服从正态分布,相邻两个土条的安全余量则服从二元正态分布,根据土条破坏传播的概率,计算土坡渐进破坏的概率以及土坡中裂缝开展长度的期望值, 并对算例的结果进行了讨论。     

基于边坡渐进破坏特征对传统极限平衡法几点假设的合理分析

边坡的渐进破坏特征一直以来是边坡计算仿真中的一个难点。实际边坡的破坏很少是一个整体达到极限状态,突然滑动的过程,往往是逐步发展由局部破坏到最终整体失稳,即临界状态小扰动导致的链式多米洛骨牌式失稳。利用颗粒流软件,设计了0.1 m粒径高10 m土坡的数值模型,粒间黏聚力为36 kPa,摩擦系数为0.36。初始模型在重力作用下不会发生破坏,通过单独折减粒间黏聚力到18 kPa使得边坡破坏,监测竖向颗粒组group的变化获取每20 000个时间步的边坡破坏形态,实现200 000个时间步内边坡的渐进破坏过程。边坡总是从局部开始破坏,坡体物质的运移造成次一级破坏,形成最终的近似弧形的滑动面,说明滑体不是整体下滑,不是刚体,不是整体达到极限状态;坡体内应力的变化也不是单调的,有涨有落,均区别于当前极限平衡法中有限条块的刚体假设;滑动面上同时达到极限状态假设,问题本身是静不定的,通过给出条间力的传递方式使之静定可解;整体分析不能考虑破坏的局部化和渐进特征。这说明边坡计算方法的未来在于能反映动力问题和材料破坏特征的离散元方法。     

边坡渐进破坏的动态强度折减法研究

边破的变形破坏是量变积累到质变的渐进发生过程,由坡体内部潜在滑动面的逐渐破损并扩展至整体滑面。基于强度折减法思想,提出模拟边坡渐进破坏的动态强度折减法。该方法利用屈服接近度指标YAI确定边坡的破损区域,将YAI<0.2的区域定为破损区,通过不断动态折减局部破损坡体的强度参数,使边坡潜在滑动面渐进演化至贯通,边坡达到极限平衡状态。算例计算表明,该方法可有效解决强度折减法中折减范围的问题,克服整体强度折减法破损区过大的缺陷,获得的位移变化趋势与破损区演化过程也具有良好的一致性。动态强度折减法真实再现了边坡渐进失稳过程,为强度折减法更有效地应用于边坡稳定性定量评价提供有效途径。     

极限分析有限元法讲座--Ⅱ有限元强度折减法中边坡失稳的判据探讨

边坡失稳,滑体滑出,滑体由稳定静止状态变为运动状态,同时产生很大的且无限发展的位移,这就是边坡破坏的特征。有限元中通过强度折减使边坡达到极限破坏状态,滑动面上的位移和塑性应变将产生突变,且此位移和塑性应变的大小不再是一个定值,有限元程序无法从有限元方程组中找到一个既能满足静力平衡又能满足应力-应变关系和强度准则的解,此时,不管是从力的收敛标准,还是从位移的收敛标准来判断有限元计算都不收敛。塑性区从坡脚到坡顶贯通并不一定意味着边坡破坏,塑性区贯通是破坏的必要条件,但不是充分条件,还要看是否产生很大的且无限发展的塑性变形和位移,有限元计算中表现为塑性应变和位移产生突变。在突变前计算收敛,突变之后计算不收敛,表征滑面上土体无限流动,因此可把有限元静力平衡方程组是否有解,有限元计算是否收敛作为边坡破坏的依据。-     

湖北赤壁东洲大道工程边坡渐进破坏机理分析

东洲大道工程边坡处于褶皱断裂复合部位,是典型降雨和工程施工扰动引起的渐进变形破坏。本文在剖析其特殊边坡工程地质结构基础上,并建立边坡计算水文地质模型,提出了牵引式边坡稳定分析的部分强度折减不平衡拉力法,其稳定性分析结果表明：首次破坏是由于边坡开挖,表层植被被剥落,水沿着断层进入滑体,从而产生了推移式破坏;二次破坏是在首次破坏产生的临空面基础上,致使滑体产生了牵引式的破坏模式;且部分强度折减不平衡拉力法计算结果与现场破坏形式一致。本文在牵引式边坡不平衡拉力法计算的基础上,建立了牵引式边坡破坏后以残余强度整体推移式控制力的计算法,并提出了相应的控制措施,多年的控制措施运行结果表明：该治理效果良好。