基于PFC离散元的多层岩质陡坡危岩崩落序列研究

以三峡库区重庆万州青草背后山多层危岩边坡为研究对象,结合离散元仿真技术建立PFC3D颗粒流多层岩质陡坡危岩崩落的过程,并根据区域颗粒岩块位移、速度、荷载指标进行对比分析,分析了多层岩质陡坡危岩崩落序列规律及层间荷载变化规律。结果表明：该方法能合理呈现危岩陡坡的崩落规律,从曲线可以得到岩体峰值运动速度会随崩落时间逐渐衰减,崩落速度受力链断裂的影响较大,第1层力链影响速度峰值最大可达2.5m/s,下部危岩体对上部的回弹作用导致力链断裂速度由500st/p加快至167st/p。力链在每个崩落的峰值强度时刻都有明显的衰减,且随崩落时间推移衰减逐渐增大。该方法模拟的危岩崩落过程更加简便直观,为以后研究岩质陡坡危岩的破坏预测提供了重要手段。     

坠落式危岩剧动式崩落与激振效应

针对坠落式危岩,考虑自重和裂隙水压力影响因素作用下,建立危岩崩落激振效应物理模型。联合断裂力学和波动理论从能量角度量化危岩体之间的相互作用,获取崩塌体崩落瞬间的启程速度计算式,根据危岩崩落激振波在岩体内的传播机理,构建了激振波作用下岩体介质质点位移速度计算方法。通过实例分析,建立的坠落式危岩剧动式崩落与激振效应分析结论和实际情况基本一致,对进一步实施危岩破坏及演化机制研究提供了科学依据。     

三峡库区公路缓倾角岩层边坡崩塌机理及警报系统

危岩崩塌是我国山区公路主要病害类型,具有分布广泛、前兆不明、突变失稳、致灾严重等特征,防治难度大.以发生在2007年11月20日湖北巴东高阳寨国道318线K1405并导致1辆客车被掩埋和31人死亡的特大型崩塌灾害为背景,分析了三峡库区公路边坡崩塌灾害安全问题,揭示了缓倾角层状岩体边坡危岩群发性机理.研究发现群发性危岩一般由多层危岩体叠置而成,当顶部危岩体断裂失稳后,通常作为荷载直接施加在下部危岩体上,加速了下部危岩体的破坏过程;国道318线K1405崩塌源存在9个危岩块,按照3层叠置,其破坏过程符合危岩群发性破坏机理,已经崩落的第3层危岩顶部第4层危岩体目前已处于欠稳定状态;初步构建了公路边坡崩塌灾害警报系统,包括4个部分,即监测仪、预警仪、警示牌、无线传输和信号解译.最后分析了在公路建设及养护过程中高度重视地质安全的必要性.     

爆破荷载下混凝土构件尺寸对其作用的影响规律

为确定混凝土构件尺寸和边界条件对其在爆破荷载作用下作用效应的影响规律,分析新浇混凝土在爆破动荷载作用下的安全阈值和设计室内外模拟试验方案.采用ANSYS/LS-DYNA软件,分析了上覆在岩体表面的混凝土构件在爆破荷载作用下的单元有效应力峰值和节点振动速度峰值在水平和竖直方向的变化规律,不同水平尺寸和厚度的混凝土构件对岩体中的节点振动速度峰值衰减规律的影响,水平尺寸和厚度对混凝土构件内同一区域内单元有效应力峰值影响规律.研究结果表明:混凝土构件对岩体节点振动速度峰值衰减规律有一定的影响,单元有效应力峰值随水平尺寸的增加先减小后增大,而后趋于稳定,随厚度的增加而增加,最后趋于缓和.对于研究爆破对新浇混凝土的损伤分析具有一定的借鉴作用.     

地震荷载作用下倾倒式危岩体动力失稳机理研究

目的研究地震作用下倾倒式危岩体的动力响应规律及稳定性.方法以金沙江下游溪洛渡水电站14岩流层内1#危岩体为例,利用离散单元法对倾倒式危岩体进行全时程动力分析.结果倾倒式危岩体在地震荷载作用下发生破坏后,落石的主要运动可分为三个阶段,即启动准备阶段、倾倒、翻滚阶段和减速滞留阶段.结论揭示了地震荷载作用下危岩体的失稳规律,为危岩防灾减灾提供了理论依据,可以为类似工程提供参考和借鉴.     

中巴公路陡崖块状危岩群体崩塌前兆特征

为把握中巴公路边常见的陡崖块状危岩群体特征,通过对原有的振动台进行适当的改装,开展了地震作用下陡崖块状危岩破坏模型试验研究,以模型试验重点研究陡崖块状危岩节理倾角、危岩块度、危岩群体高度及地震强度等因素对破坏的影响。结果表明:节理倾角越大,危岩体越不稳,90°特殊垂直节理倾角表现得非常脆弱不稳,崩塌一般发生在危岩体1/3高度之上,之下几乎不发生崩塌;节理倾倒角从90°减到70°时使群体破坏模式从群体崩塌转为群体滑动破坏模式,更像是岩质边坡滑动加滚动破坏。可见以上因素对该区域危岩体崩塌起决定性作用并且具有一定的规律性前兆。     

西南山区大型危岩体灾害地震稳定性数值模拟分析

危岩体灾害在我国西南山区分布广泛,开展地震作用下危岩体的稳定性研究是进行灾害风险评价和工程治理措施的前提,具有重要的意义。本文以重庆市武隆县庆口危岩为研究对象,在对危岩体地质环境和变形破坏特征野外详细调查的基础上,运用GeoStuido数值模拟软件,分析了危岩体在自然工况和不同地震动(小震、中震和大震)作用下危岩体的稳定性变化。结果表明:在自然工况下,庆口危岩处于欠稳定状态,在地震工况下,随着输入地震动峰值加速度的增大,危岩体稳定性逐渐降低。在小震作用下,庆口危岩降低至不稳定状态;在中震和大震作用,危岩体稳定性则会明显下降,安全系数最大降低幅度可达33%,危岩体可能会产生剧烈滑动。     

缓倾角层状岩体边坡链式演化规律

砂岩-泥岩及灰岩-泥岩等软硬相间的缓倾角层状岩体边坡呈现多台阶倒梯形特征.运用地貌学方法揭示了缓倾角层状岩体边坡链式演化规律,包括危岩块从坡脚向坡顶逐渐形成、崩落演化的微观链和从边坡临空面逐渐向山体内部阶段性后退的宏观链,可分为仅有一个宏观链的简单模式和多个宏观链同时存在的复合嵌套模式.泥岩和砂岩、灰岩等软硬岩石之间的差异风化孕发了陡崖底部的岩腔,内部泥岩的应力风化加速了岩腔发育.岩腔是链式演化规律的源动力,将边坡链式演化机制分为岩腔形成机制、基座压裂破坏机制和危岩坠落机制.基于极限平衡理论建立了第一个微观链危岩体后部主控结构面顶端开裂与岩腔深度之间的量化关系.     

回转窑截面物料运动及力链结构的数值试验

采用离散单元法从颗粒尺度建立回转窑内物料的运动模型,以球形沙粒为例,通过数值计算,研究回转窑截面上物料的运动模式和力链结构。以Froude数、物料填充角、窑壁摩擦因数为变量,模拟物料的滑移、塌落、滚落、泻落、抛落和离心6种运动模式,模拟结果与实验观测结果相符。研究结果表明:回转窑内物料力链由表层弱力链区域(约占料层厚度10%)和底层强力链区域组成;滑移、塌落、滚落和泻落4种模式中,底层强力链结构稳定,颗粒之间相对静止,表层弱力链断裂和重组频繁,具体运动模式由窑转速和表层力链断裂重组的速度决定;实际转速中,泻落模式的物料颗粒碰撞最强烈。     

压剪滑动型危岩失稳破坏准则研究

根据危岩的受力特点,建立了压剪滑动型危岩力学模型;分别求出了作用于危岩体上的重力、裂隙水压力（天然工况和暴雨工况）和地震荷载计算表达式。将作用在危岩上的荷载沿主控结构面法线和切线方向分解,得到法向力和切向力计算式;采用D-P破坏准则,建立了用主控结构面法向力和切向力表达的压剪滑动型危岩的失稳破坏准则。工程实例验证表明该准则具有一定合理性。
     

三峡库区危岩群发性机理与防治——以万州太自岩为例

以太白岩危岩为例,研究获得了群发性危岩的形成条件,即泥岩和砂岩交互成层组合、陡峻的地形及高强度的降雨;揭示了危岩群发性机理演绎过程,包括从陡崖底部逐渐向崖顶演化的微观链和从临空面向山体内部演化的宏观链,陡崖砂岩底部的岩腔是危岩群发性机理的起搏器,宏观链中位于陡崖顶部的危岩块受到裂隙水压力作用易于破坏;针对单个危岩体,提出了2种荷载组合,基于极限平衡理论建立了危岩稳定性分析方法;基于危岩群发性机理,研发了危岩支撑一锚固联合治理技术和锚钉一锚杆（索）联合治理技术两类核心技术。     

三峡库区危岩群发性机理与防治——以万州太白岩为例

以太白岩危岩为例,研究获得了群发性危岩的形成条件,即泥岩和砂岩交互成层组合、陡峻的地形及高强度的降雨;揭示了危岩群发性机理演绎过程,包括从陡崖底部逐渐向崖顶演化的微观链和从临空面向山体内部演化的宏观链,陡崖砂岩底部的岩腔是危岩群发性机理的起搏器,宏观链中位于陡崖顶部的危岩块受到裂隙水压力作用易于破坏;针对单个危岩体,提出了2种荷载组合,基于极限平衡理论建立了危岩稳定性分析方法;基于危岩群发性机理,研发了危岩支撑锚固联合治理技术和锚钉锚杆(索)联合治理技术两类核心技术.     

基于小型无人机的高位危岩快速调查与稳定性评价

危岩体多孕育于高陡岩质斜坡之上,具有明显的隐蔽性和突发性,其早期的快速识别与稳定性评价一直是地质灾害防治工作中重要的技术难题之一.以重庆万州狮子头为例,利用小型无人机合理规划航线获取高清影像,生成二三维模型.通过遥感信息提取技术与地质灾害分析相结合,为危岩体稳定性研究提供基础数据.运用图像识别技术识别危岩体结构面,并利用前期提取的坐标等基础数据计算出其产状.最后采用赤平投影的方法分析了典型危岩单体的稳定性.研究成果为高位危岩体的非接触式测量、精细地质信息获取及稳定性快速评价提供一种新的思路.     

离散元对加固尾砂在干湿循环作用下的细观力学分析

为探究加固尾砂在干湿循环作用影响下力学性能、力链和尾砂颗粒运动的变化,通过对加固尾砂进行三轴试验和离散元颗粒流(PFC2D)模拟试验,分析其力学性能变化趋势,并且探究尾砂颗粒间受力传力和颗粒运动的演变。试验结果表明:加固尾砂峰值应力随着干湿循环次数增加而逐渐递减,但是其峰值应力相较于原状尾砂至少提升2.13倍;在干湿循环作用下,加固尾砂内部力链逐渐加粗,网状粗力链区域增多,且网状粗力链区域发生位置变化;试样破坏碎片数量随循环次数增加而增加,碎片集中区随着循环进行,从试样下部向上部移动;干湿循环造成尾砂颗粒位移情况发生改变,颗粒不同位移区域增加,并在试样上端产生大量不同位移区域,造成试样上端更容易被破坏。     

三峡库区灰岩地区岩质边坡危岩座裂演化机制研究——以重庆市金佛山甄子岩为例

【目的】灰岩地区的危岩表现为危岩聚集体,具有类砌体结构特征;危岩座裂解体是灰岩地区危岩破坏的核心科学问题。【方法】以在三峡库区具有代表性的重庆市金佛山甄子岩为例,采用现场连续观测和地貌学方法,研究灰岩地区边坡的发育机制问题。【结果】危岩的形成与破坏是灰岩地区边坡演化的主要动力学机制,甄子岩危岩体下座过程中基座的碳质页岩表现出显著的压裂喷射现象,类砌体结构底部快速解体;甄子岩坡脚碳质页岩自然风化速度约 48mm · a-1 ,甄子岩危岩形成过程的地貌学解译可概化为 3 个阶段,每个过程边坡后退 35~40m ,所需时间在 600a 左右;灰岩地区岩质边坡演化在较短时间尺度(如甄子岩在 600a 左右)具有局部后退特征,但在较长时间尺度(如甄子岩在 1200a 以上)表现为平行后退。【结论】研究成果对于科学解译三峡库区边坡地貌演化规律、防治灰岩地区危岩崩塌灾害有积极意义。
     

拉剪型危岩发育过程的模型试验

拉张破坏和剪切破坏是拉剪型危岩发育的主要力学机理,基于平面应变假定,文通过室内模型试验对拉剪型危岩发育过程进行了试验研究,得到了该类危岩在荷载作用下的损伤断裂破坏是从陡崖脚部逐渐向陡崖顶部发育,危岩失稳破坏具有突发性,主控结构面在受荷初期表现为拉张破坏,当主控结构面端部扩展至距离危岩体底部一定距离后主控结构面的破坏型式表现为剪切破坏等结论,为深入进行危岩发育机理研究提供了重要的试验依据。     

锦屏一级水电站猴子坡危岩区稳定性研究

锦屏一级水电站枢纽区发育多处危岩,2012年7月22日猴子坡危岩区发生了约8 000 m3的局部崩塌,造成缆机平台破坏与一桥梁损毁,对工程的施工与永久运营构成重大威胁。因此在详细地质调查的基础上,分析了该区危岩体经主动网治理后以滑移-拉裂为主要变形特征的失稳破坏模式。运用极限平衡理论建立了快捷、有效的岩体稳定性判别公式;并在反演危岩体的失稳破坏过程中,针对滚石运动采用恢复系数法计算滚石速度,以及滚石击毁桥梁的最小等效半径。研究表明,主动网上滞留的岩块与降雨是诱发岩体失稳破坏的主导因素。当主动网上滞留岩块重力达到一定程度时(G2/G1=0.11),在暴雨工况下危岩体失稳破坏的概率将会急剧上升;反算出滚石运动到桥面的速度为48.05 m/s,从而推算出滚石击毁桥梁的最小等效半径为1.45 m,为后续防护提供借鉴参考。     

爆炸应力波在层状岩体中的传播与衰减

针对层状岩体的特征,研究爆炸应力波中的平面波在层状岩体界面上的透、反射关系以及球面波在各岩层中的衰减特性,分析爆炸应力波在层状岩体中的传播和衰减规律.研究表明,爆炸应力波在各层岩体中随传播距离的增加而衰减,衰减速度分别与各层岩体的衰减系数有关;爆炸应力波在经过不同岩层界面时的强度增减与层面两侧岩体的阻抗有关.在相同传播距离内,层数较多、软硬相间的层状岩体对爆炸应力波有更大的衰减.当爆炸应力波经层状岩体传播后作用于地下结构时,层状岩体能更好地保护其下方的结构.     

地铁列车速度对含加固区地层振动特性的影响

利用有限元方法对列车移动荷载作用下运营隧道-加固区-地层的系统动力响应展开研究,并分析了不同列车运行速度对结构-地层系统各部分加速度、动应力和动位移的影响规律。结果表明：因加固区刚度相对衬砌极小且有一定的厚度,加速度在加固区中得以显著衰减,动力传递介质的突变使应力在衬砌与加固区交界处骤降,位移的减弱主要发生在受列车荷载影响较小的深厚地层;当列车运行速度提高时,动荷载幅值增大,相应加速度峰值单调增大;位移同样随列车速度的增大而呈不同程度地提高;由于与列车静荷载相比,动荷载幅值的变化极小,故列车运行速度的改变对应力峰值的影响较小。     

三峡库区灰岩地区岩质边坡危岩座裂演化机制研究——以重庆市金佛山甄子岩为例

【目的】灰岩地区的危岩表现为危岩聚集体,具有类砌体结构特征;危岩座裂解体是灰岩地区危岩破坏的核心科学问题。【方法】以在三峡库区具有代表性的重庆市金佛山甄子岩为例,采用现场连续观测和地貌学方法,研究灰岩地区边坡的发育机制问题。【结果】危岩的形成与破坏是灰岩地区边坡演化的主要动力学机制,甄子岩危岩体下座过程中基座的碳质页岩表现出显著的压裂喷射现象,类砌体结构底部快速解体;甄子岩坡脚碳质页岩自然风化速度约48 mm·a-1,甄子岩危岩形成过程的地貌学解译可概化为3个阶段,每个过程边坡后退35~40m,所需时间在600a左右;灰岩地区岩质边坡演化在较短时间尺度(如甄子岩在600a左右)具有局部后退特征,但在较长时间尺度(如甄子岩在1 200a以上)表现为平行后退。【结论】研究成果对于科学解译三峡库区边坡地貌演化规律、防治灰岩地区危岩崩塌灾害有积极意义。