不同地形地质条件下岩质边坡的场地效应初步确定

为有效减轻变电站等输电设施震害,保障输电工程的安全,选定了具有代表性的4个岩质边坡作为本文的研究对象,开展了不同岩性、地形、地质的地震动传播特性研究,初步确定了不同地形地质条件下边坡放大系数,并与《建筑物抗震设计规范》进行了对比。得到以下结论：对均质和非均质成层类型边坡,其放大系数大小排序基本为：上软下硬>软岩>中硬岩>上中硬下硬>硬岩;对于覆盖土层岩质边坡,不同厚度的土层对放大系数影响很大,与均质边坡完全不同;软弱夹层岩质边坡的放大系数与均质岩质边坡基本一致,只是前者大于后者,差值都在0.1之内,说明当软弱夹层的厚度比较小时,软弱夹层对放大系数的影响与坡高、坡度、岩性无关;不同的夹层厚度对边坡的放大系数影响基本上呈半正弦形式;通过分析坡顶和坡脚的傅里叶谱,发现高边坡具有明显的放大效应,而低边坡却不明显;软岩的傅里叶幅值明显大于中硬岩和硬岩情况,而硬岩和中硬岩则基本相同,因此从频谱特性上也可以说明岩性不同,场地效应也不同,且坡高越大,这种区别就更加明显;在中低高度(80m以下),傅里叶幅值几乎随坡度保持不变,且在此高度范围缓倾边坡的最大幅值基本相同,而对于高边坡,则会有所不同,坡度越陡,幅值越大,基本成线性增大趋势;对于非均质成层的边坡,坡高不同,傅里叶谱不相同,主频段也不相同;软弱夹层岩质边坡的傅里叶谱基本与相对应的均质边坡的傅里叶谱相同,无关坡高的影响,不同夹层厚度的傅里叶谱基本一致,说明夹层厚度对傅里叶谱的影响不大。与规范的放大系数相比,软岩类型均质边坡基本与其相同,而对于中硬岩、硬岩和上中硬下硬等类型边坡则都小于规范值,随着坡高及坡度的增加,计算值与规范值的差距则在逐渐增加,表明规范对坡高和坡度的规定限制得比较小,应扩大对坡高、坡度的规定。该研究可以为变电站工程设计提供技术支持。     

一种高切坡超前支护桩的作用机制

高切坡超前支护桩能有效地抑制边坡的变形,确保开挖边坡的稳定性。但常规钢筋混凝土超前支护桩的刚度大,导致施加在桩体上的土压力较大,为解决这一问题,提出在超前支护桩体靠山侧设置一层EPS垫层材料以降低超前支护桩与变形坡体之间的作用力。采用数值分析方法,研究了EPS垫层材料类型、厚度、刚度对超前支护桩土压力、桩身变形以及桩身内力的影响,揭示了EPS垫层材料对超前支护桩作用机制的影响。研究结果表明：EPS垫层的厚度和密度对超前支护桩桩土共同作用有显著影响。超前支护桩后布置的EPS垫层厚度越大,超前支护桩上的土压力越小,桩身位移越小,桩身内力越小;超前支护桩后布置的EPS垫层密度越小,超前支护桩上的土压力越小,桩身位移越小,桩身内力越小。     

一种高切坡超前支护桩的作用机制

高切坡超前支护桩能有效地抑制边坡的变形,确保开挖边坡的稳定性。但常规钢筋混凝土超前支护桩的刚度大,导致施加在桩体上的土压力较大,为解决这一问题,提出在超前支护桩体靠山侧设置一层EPS垫层材料以降低超前支护桩与变形坡体之间的作用力。采用数值分析方法,研究了EPS垫层材料类型、厚度、刚度对超前支护桩土压力、桩身变形以及桩身内力的影响,揭示了EPS垫层材料对超前支护桩作用机制的影响。研究结果表明:EPS垫层的厚度和密度对超前支护桩桩土共同作用有显著影响。超前支护桩后布置的EPS垫层厚度越大,超前支护桩上的土压力越小,桩身位移越小,桩身内力越小;超前支护桩后布置的EPS垫层密度越小,超前支护桩上的土压力越小,桩身位移越小,桩身内力越小。     

利用贡献率分析法研究河道型水库两岸滑坡发育规律

通过实地调查发现金沙江向家坝段大多数滑坡发育于坝址-新市镇侏罗系地层,且为顺层滑坡,顺层滑坡在水库蓄水后容易复活且顺层岸坡在水库蓄水后容易发生新的滑坡.通过实地调查并借助勘察资料建立该段滑坡数据库,研究坝址-新市镇段不同岩层倾角、不同岸坡结构类型、不同河流弯曲类型对滑坡发育的影响,并且定量统计这3种因数的各种类型分别对滑坡的贡献率.结果表明:层面倾角为10°～ 19°的岸坡,对滑坡贡献率最高,层面倾角为30°～34°的岸坡对滑坡贡献率最低;缓倾外顺向层状岸坡对滑坡贡献率最高,中倾外顺向层状岸坡对滑坡贡献率最低;河流的凹岸对滑坡贡献率最高,凸岸贡献率最低.所得研究结果与实际情况较为吻合,为水库岸坡危险评价提供量化标准,同时为库区以后的规划建设提供选址依据.     

含硬性贯通结构面的岩质边坡稳定性研究

选取典型的具有硬性贯通结构面的岩质边坡模型,采用有限元强度折减法并应用岩土数值模拟软件对其进行详细的数值模拟,得到边坡在不同位置结构面、坡角及倾角下的安全系数和潜在滑移面。这说明将含贯通结构面的岩体总体特征予以反映并使之模型化是可行的。结果表明,随着结构面与坡脚距离的增大,安全系数也逐渐提高;边坡坡度越大,剪应力向坡脚集中,继而易发生破坏;坡角一定时,安全系数随倾角呈U形抛物线变化;潜在滑移面不一定沿着结构面发生破坏,也可能在岩体内滑动。上述各项岩土参数对岩质边坡稳定性的影响规律,可用于指导工程实践,有一定的推广价值。     

反向次生成层结构边坡稳定性影响因素的定量分析

岩体结构类型直接影响边坡的失稳机制,而不同类型结构对坡体稳定性的影响也表现出不同的特点,因此,基于岩体结构特点进行的边坡稳定性影响因素分析便成为了工程边坡设计及深入评价和预测边坡发展变化趋势的重要基础工作。针对工程边坡中出现的反向次生成层结构边坡,根据其特点和工程经验,选取影响这类边坡稳定性的６个重要因素,通过参数取值正交试验,并采用ＵＤＥＣ软件对其进行数值模拟,获得各影响因素对边坡变形破坏影响程度的量化结果。结果表明：６个因素对反向次生成层结构边坡不同稳定性指标影响的主次顺序各不相同,总体而言,岩石强度、坡高和坡角是影响整体稳定性的首要因素;边坡稳定性系数、次生成层最大张开程度及坡顶最大位移在单一因素变化下分别表现出不一样的响应特征。     

GFRP锚杆加固顺层岩质边坡的机制研究

由于传统钢筋锚杆存在易腐蚀、耐久性差等缺点,GFRP(玻璃纤维增强复合材料)锚杆得到了高度重视。然而,GFRP锚杆的弹性模量小且抗剪强度低,故其加固顺层岩质边坡的机制仍需进一步研究。考虑顺层岩质边坡的顺层滑移破坏模式,基于Winkler假定和锚杆荷载传递机理对边坡岩体与锚杆的相互作用机制进行理论分析,建立剪切位移作用下锚杆的力学模型,并对其进行验证。基于此,结合GFRP锚杆的物理力学参数(如弹性模量、抗剪强度等),考虑坡体剪切位移、锚杆与潜在滑面夹角及岩体无侧限抗压强度等影响因素,分析GFRP锚杆加固顺层岩质边坡的机制。结果表明:1)当锚杆与潜在滑面夹角为45°时,硬岩中坡体较小的剪切位移导致GFRP锚杆发生剪切屈服;软岩中坡体产生较大的剪切位移时,GFRP锚杆发生受拉屈服。2)当锚杆屈服时,GFRP锚杆在加固不同抗压强度的岩体时提供的抗力差异较大,加固软岩时抗力最大;随着岩体无侧限抗压强度增大,GFRP锚杆提供的抗力逐渐变小;相比而言,钢筋锚杆在加固不同抗压强度的岩体时提供的抗力大小基本接近。3)硬岩中,锚杆与潜在滑面夹角对GFRP锚杆抗力的影响较大,夹角越小,抗力越大;软岩中,锚杆与潜在滑面夹角对GFRP锚杆抗力的影响较小;当夹角为5°～60°时,GFRP锚杆均能提供较大抗力。研究结果为岩质边坡锚固研究及工程应用提供参考。     

地震作用下金沙江某跨江桥梁岩质岸坡动力响应分析

由于地震波的随机性及地质构造的复杂性,导致岩质边坡的地震响应特征变得十分复杂。以金沙江地区某跨江桥梁岩质岸坡为例,采用有限元方法研究了地震波在岩质边坡内的传播特征,分析了不同类型结构面对边坡动力响应特征的影响;采用振动台模型试验验证了数值计算结果,探究了边坡的动力变形演化规律及其破坏机制。研究结果表明：软弱结构面对岩质边坡的波传播特征影响较大,在波传播过程中结构面使坡内出现局部的放大效应,相同条件下边坡的动力放大效应为：块状边坡>顺层边坡>反倾边坡。边坡高程、坡表微地貌及结构面对边坡的动力放大效应具有较大的影响,边坡动力放大系数随高程增加而增加,坡表微地貌变化使平台区域出现局部放大现象,块状边坡中放大效应主要集中于最上层顺向结构面以上的表层坡体。地震作用下块状边坡的动力放大效应随激震强度的增加而增加,边坡动力变形演化过程主要包括弹性变形、塑性变形和滑动破坏3个阶段。软弱结构面对块状边坡的地震破坏模式具有控制性作用,最上层顺向结构面为潜在滑面,其地震破坏模式为拉裂-滑移-倾覆式破坏。     

降雨诱发黄土边坡失稳室内试验研究

为研究降雨诱发滑坡失稳破坏机理和演化特征,开展了人工降雨条件下黄土滑坡室内研究,通过对土体的体积含水率、基质吸力及坡体变形破坏监测,分析降雨入渗对黄土边坡稳定性的影响.结果表明:在一定的降雨强度范围内,降雨强度越大,降雨入渗速度越快,越易发生滑坡;边坡坡度越缓,坡面降雨入渗速度越快;湿润锋移动在坡脚和坡顶较坡面更快,对滑坡的发生发展有较大影响;试验滑坡为多级后退式破坏模式.     

西藏扎拉水电站倾倒边坡工程地质特性研究

倾倒边坡是一种已发生变形的特殊边坡,最终可能会发展成滑坡、崩塌等严重地质灾害。倾倒边坡工程地质特性是进行边坡稳定性分析评价和处理方案设计的基础,目前国内相关研究工作尚不深入、不系统,难以满足新时代工程建设和地质灾害防治需要。扎拉水电站拟建于青藏高原西藏境内怒江一级支流玉曲河上,工程区边坡倾倒现象普遍发育,对工程选址和安全运行存在较大影响,区内软岩、硬岩种类多样,倾倒模式齐全,开展相关研究具有典型代表性。从初步调查、详细勘察到专题研究历时数年,详细论证了倾倒边坡岩体的工程地质特性。通过探索并成功运用多项创新技术,解决了倾倒边坡空间范围界定、工程地质分区、抗剪断强度参数取值等工程地质特性研究的难题。采用测绘、洞探、钻探、物探、测试和试验等准确界定了倾倒边坡范围,提出了针对性的适宜的综合勘察方法。以岩体结构、变形破坏类型作为依据,首次将边坡倾倒岩体分为层状弯曲、碎裂拉张、散体坠覆等三个区,并进一步分析了各区在岩层产状、风化特征、声波波速、透水性等方面的差异。根据倾倒边坡的独特性状,提出了倾倒岩体抗剪断强度可在试验值小值平均值～试验值大值平均值范围内进行取值的原则方法,对现行标准规定的取值上限进行了适当拓展。补充研究顺向坡倾倒过程,进一步完善了边坡倾倒变形破坏的力学机制。     

软弱围岩地段断层形态对大断面隧道的稳定性影响分析

依托三清高速西山营隧道，采用数值模拟与现场监测的方法，探究断层形态对隧道围岩变形及支护结构稳定性的影响，提出最佳加固方案。结果表明：拱顶沉降最大值随着断层厚度的增加呈"对数"曲线增长趋势，随着断层倾角增大呈"抛物线"曲线分布，当断层倾角达到90°时达到最大；最不利断层形态为倾角+厚度（83°+70 m）；进而建立优化加固对比数值模型，得到管棚注浆加固能够有效控制围岩变形，抑制塑性区发展。结合实测数据发现模拟值与实测值相差较小，验证数值模拟结果的正确性。     

不同含石率及基覆岩层倾角下土石混合体边坡稳定性分析

为准确地分析土石混合体边坡的稳定性，提出了一种可考虑不同块石含量、块石随机分布及基覆岩层倾角的边坡稳定性分析方法。该方法根据土石混合体边坡中的块石含量、级配以及基覆岩层倾角，随机生成了含石率从10%～60%、基覆岩层倾角从0°～20°的边坡模型，每种含石率及基覆岩层倾角均考虑8个不同的块石分布位置，最后将生成的模型导入到Optum G2中建立土石混合体边坡模型，采用有限元极限分析法对该类型边坡的稳定性进行了分析，并将计算结果与采用Kalender等效强度参数模型所得的结果进行了对比验证。研究结果表明，由于块石空间分布位置的不同，相同含石率及基覆岩层倾角下土石混合体边坡的最大、最小下、上限安全系数变化较大；相同含石率下，随着基覆岩层倾角的增加，边坡的下、上限安全系数的平均值变化相对较小；土石混合体边坡坡体中的剪切带呈现出“绕石”、“分流”以及“包含”这3种典型的扩展模式；通过将本文方法与Kalender等效强度参数模型所得的安全系数进行的对比分析，验证了作者所提方法的可行性。研究结果可为土石混合体边坡的设计及施工提供参考依据。     

不同大变形等级下层理角度对层状软岩隧道的影响

为探究不同大变形等级下层理角度对层状软岩隧道的影响,依托九绵高速全线软岩大变形隧道,通过岩石力学试验确定遍布节理模型参数,基于数值模拟,探究不同软岩大变形等级（轻微、中等、强烈）下层理角度对层状软岩大变形隧道围岩及支护体系受力变形的影响,并通过现场统计的层理角度与大变形情况对数值模拟结果进行验证。结果表明：1）层理小角度（0°、15°）与大角度（90°）围岩变形、支护结构受力变形较大,随着大变形等级的增大,层理角度引起的围岩支护变化效果越明显。2）随着层理角度的增大,围岩变形从拱底逐渐转移到右拱腰。围岩变形主要发生在隧道轮廓与层理面相切位置,其中拱底及左拱脚对层理角度变化较敏感。3）初支应力偏向及节理塑性区大致与层理弱面法向一致,随着层理角度的增大,节理的剪切塑性区由拱顶、拱底转移到左拱脚、右拱肩,最终偏移到左右拱腰上下位置;相比初支压应力,初支拉应力对层理角度更敏感,垂直节理增大了张拉剪切破坏塑性区贯通的风险,但剪切破坏塑性区半径反而有可能减小。4）现场的统计规律表现为小角度与大角度大变形等级较高,层理角度为60°以下时,岩层破坏发生在拱腰及拱肩处,随着层理角度的增大,有向拱肩发展的趋势,大角度层理时岩层破坏主要发生在拱腰处。     

异质软硬复合地层地铁车站穿越富水断层施工响应与控制

针对异质软硬复合地层地铁车站穿越断层施工变形控制难题,对断层影响下地铁车站开挖过程中围岩力学响应进行研究,探讨不同加固方案下车站围岩变形演化规律,为复杂条件下地铁车站穿越断层施工提供理论指导。以某地铁车站穿越富水断层破碎带为背景,通过室内实验确定特殊地层围岩物理力学性质及破坏特征,结合BQ围岩分级方法确定围岩等级;在此基础上采用有限差分数值模拟软件,对比研究有无地下水影响下地铁车站开挖后围岩应力及沉降变形分布特征,采用控制变量方法研究临时支撑与注浆加固对车站围岩整体稳定性的影响,进而确定合理的施工控制方案。研究结果表明：有无地下水对于异质软硬交叉地层的围岩物理力学特性影响明显,而侵入的辉绿岩尤甚,极易产生沿节理面的剪切滑移破坏;地下水影响下车站拱顶最大沉降值为6.5mm,较之无地下水条件下增大30%;辉绿岩部分（车站右部）最大拉应力为1.62MPa,远大于其极限抗拉强度1.25MPa,故无注浆加固条件下辉绿岩侧可能产生大范围破坏;全断面注浆降低了地下水对围岩变形的影响效果显著,以65°断层为界,断层倾角越小,全断面注浆宽度应越大;基于分析结果,提出全断面注浆+临时支撑+小进尺的过断层车站安全施工方案,监测结果表明应用效果良好。     

隧道围岩构造软岩大变形发生机理及分级方法

系统分析了国内外隧道围岩大变形案例,发现应力场、地质构造、地层岩性等因素是驱动隧道围岩大变形孕育发生的根本条件,并严格受构造控制,进而提出了构造软岩大变形的基本概念;根据大变形的构造控制理念与发生机理,对隧道构造软岩大变形分类进行了重新界定(断层型、碎裂型和小夹角型)。以岩石强度应力比为基础,突出构造运动影响,量化考虑地层时代、优势结构面产状、岩石强度、岩层厚度、岩体完整性5个影响因素,提出了适用于不同地质勘察阶段隧道围岩大变形分级新方法。利用垭口隧道、盐边隧道、新林隧道等18个隧道大变形案例,对本文提出的构造软岩大变形新分级方法进行了系统验证,结果表明本文提出的分级方法具有较好适用性。研究成果对围岩大变形发生机理认识、大变形灾害判识与控制均具有重要指导意义。     

不同倾角节理岩体损伤演化特征分析

为研究节理倾角对岩体损伤的影响规律,运用损伤力学理论建立考虑节理与荷载共同作用的岩体损伤演化模型及损伤本构模型;通过单弱面理论对模型试验进行验证,同时探讨节理岩体损伤演化特征.结果表明:单弱面理论结果与试验结果较为吻合,模型试验能较好地表征含单一结构面的岩体在荷载作用下的力学特征及损伤演化规律;当节理倾角从0增大到90°过程中,初始节理损伤先增后减,在倾角为60°时至最大值,总体呈倒"U"型分布规律;不同倾角节理岩体总损伤演化规律基本一致,均呈"S"型分布规律,先缓慢增加,而后快速增加,最后再缓慢增加其值趋于1;节理倾角只影响总损伤率数值大小不影响其演化规律,总损伤率随应变增加呈正态分布;总损伤率受控于节理面分布规律,当节理倾角从0增大至90°的过程中,总损伤率先减小后增大.     

倾斜煤层区段煤柱变形破坏规律

煤层倾角是影响区段煤柱稳定性的关键因素之一.利用理论分析、相似模拟、数值模拟等方法研究了倾斜煤层开挖后倾向覆岩结构演化特征、煤柱变形及失稳破坏形式.研究结果表明,0~45°范围内随着煤层倾角增大,区段煤柱发生剪切失稳破坏的可能性增大;煤柱两侧覆岩结构呈现不对称分布,煤柱上侧砌体梁结构形成层位较低,煤柱下侧形成冒空区,砌体梁结构形成层位高于上侧;与水平煤层煤柱破坏以挤压变形为主不同,倾斜煤柱以沿着弱面剪切滑移破坏为主;不同倾角煤层煤柱围岩变形量呈不对称分布,煤柱下侧围岩变形量大于上侧,煤层倾角越大煤柱围岩变形量不对称分布趋势越明显.     

Rock burst mechanism analysis in an advanced segment of gob-side entry under different dip angles of the seam and prevention technology

In order to investigate the frequent occurrences of rock burst in gob-side entry during the mining process of the mining zone No. 7, the mechanical model of main roof of fully-mechanized caving mining before breaking was established by the Winkler foundation beam theory, and the stress evolution law of surrounding rock with different dip angles of the seam during the mining process was analyzed by using FLAC3 D. The results show that: with the dip angle changing from 45° to 0°, the solid-coal side of gobside entry begins to form an L-shaped stress concentration zone at a dip angle of 30°, and the stress concentration degree goes to higher and higher levels. However, the stress concentration degree of the coalpillar side goes to lower and lower levels; the influence range and peak stress of the abutment at the lateral strata of adjacent gob increase with dip angle decreasing and reach a maximum value at a dip angle of 0°, but the tailgate is not affected; the abutment pressure superposition of two adjacent gobs leads to stress concentration further enhancing in both sides of gob-side entry. With the influence of strong mining disturbance, rock burst is easily induced by dynamic and static combined load in the advanced segment of gob-side entry. To achieve stability control similar to that in the roadway, the key control strategy is to reinforce surrounding rock and unload both sides. Accordingly, the large-diameter drilling and high-pressure water injection combined unloading and reinforced support cooperative control technology was proposed and applied in field test. The results of Electromagnetic Emission(EME) and field observation showed that unloading and surrounding rock control effect was obvious.     

Investigation on fracture models and ground pressure distribution of thick hard rock strata including weak interlayer

Dynamic disasters, such as rock burst due to the breaking of large area stiff roof strata, are known to occur in the hard rock strata of coal mines. In this paper, mechanical models of the fracturing processes of thick hard rock strata were established based on the thick plate theory and numerical simulations. The results demonstrated that, based on the fracture characteristics of the thick hard rock strata, four fracture models could be analyzed in detail, and the corresponding theoretical failure criteria were determined in detail. In addition, the influence of weak interlayer position on the fracture models and ground pressure of rock strata is deeply analyzed, and six numerical simulation schemes have been implemented. The results showed that the working face pressure caused by the independent movement of the lower layer is relatively low. The different fracture type of the thick hard rock strata had different demands on the working resistance of the hydraulic powered supports. The working resistance of the hydraulic powered supports required by the stratified movements was lower than that of the non-stratified movements.