基于颗粒流方法的滑坡破坏机理与强度分析

滑坡变形破坏机理与强度研究是滑坡风险评估的一项关键内容。针对颗粒流方法在滑坡变形破坏力学机理分析及滑坡强度定量化研究中存在的问题,以府谷县新府山滑坡为研究对象,采用野外调查、勘察、室内实验等方法,对新府山滑坡的工程地质特征进行了分析,在此基础上基于PFC2D数值方法构建了滑坡颗粒流数值模型,模拟了滑坡从变形失稳到运动终止的动态过程,从变形特征和力学特征2方面分别论述了滑坡的变形破坏机理,并选择速度、动能、冲击力指标对滑坡冲击破坏强度的变化特征进行了分析。结果表明,新府山滑坡的变形破坏机理表现为坡脚挤压—坡中牵引—坡顶拉张的力学过程;滑坡运动特征表现为破坏的突发性与堆积的缓慢性;以速度、动能指标为表征的滑坡强度在其破坏的初始阶段最高,然后逐渐变小;以冲击力指标为表征的滑坡强度随坡脚距的增加而呈指数衰减特征。研究结果与滑坡变形破坏实际特征基本吻合,研究结论可为新府山滑坡防治提供参考,研究方法可为单体滑坡冲击破坏强度定量及对承灾体易损性定量评价研究提供借鉴。     

基于颗粒流的土质边坡失稳机理

为研究降雨工况下诱发土质边坡失稳过程及破坏机理,以泸州市古蔺县竹林沟滑坡为依托,通过PFC2D双轴压缩试验对滑坡体饱和状态下的强度参数进行标定,确定滑坡细观参数与宏观参数的内在联系,并引入接触黏结模型,对其破坏过程特征进行模拟研究,并对滑坡关键位置处的速度、孔隙率以及位移进行实时监测.计算结果表明:滑坡破坏的过程为:初期整体蠕滑变形,随着变形的发展,滑坡体向坡前临空方向发生剪切蠕变,后缘产生由坡面向深部发展的张拉裂缝,随着潜在滑面贯通,滑坡失稳破坏;通过监测不同位置的速度发现,0～10 s为加速阶段,坡体最大速度达到约14 m/s,最大颗粒速度达到约20 m/s,15～25 s坡体速度开始下降,滑坡最大位移约600 m,整体位移约450 m,并于25 s左右坡体停止滑动.通过对竹林沟滑坡的数值模拟,采用离散元颗粒流的方法去研究滑坡的运动过程有较好的应用性,也能为同类型滑坡的防灾减灾提供较好的参考意义.     

采坑型滑坡涌浪参数计算——以贵州小坝滑坡为例

采坑型滑坡高速入水激起的涌浪能量巨大,涌浪运动的初始速度极快,运动距离长。本文采用美国土木工程学会建议的推算法计算最大初始涌浪值,运动学公式计算涌浪向前的最大运动速度和最大传播距离,并结合泥石流防治规范计算运动过程中的冲击能量。以贵州小坝滑坡为例对涌浪的初始浪高和传播距离以及传播过程中所产生的冲击能量进行计算。得出涌浪的初始浪高为33.8 m,涌浪最大初始水平运动速度为60 m/s,涌浪最大运动距离为180 m,在运动过程中产生的能量对距涌浪发生点160 m内的建筑物均造成破坏。该计算结果可为采坑型滑坡涌浪预测及其风险评价提供参考。     

黄土填方边坡物理模拟过程中微结构变形破坏特征研究

在黑方台地区,常年发生大量的黄土滑坡,对黄土滑坡破坏特征的研究有利于黄土滑坡的预测预报。通过物理模拟实验再现了这类滑坡的破坏过程,利用电镜扫描并借助图像处理软件分析了坡体破坏过程中的土体微结构变化特征,并结合直剪试验研究了土体强度变化特征。得到了以下结论,破坏前黄土颗粒的孔隙率在20%-22%之间,破坏后的黄土颗粒孔隙率13%左右。破坏后的黄土强度低于破坏前,内聚力C、内摩擦角Φ均降低。黄土破坏时,颗粒结构重新排列,颗粒间胶结物肢解分散,是孔隙率降低的主要原因。黄土破坏时颗粒结构的改变导致孔隙水压力突增,与宏观变形破坏特征具有一致性,这说明微结构变形破坏特征具有突发性。     

黄土填方边坡物理模拟过程中微结构变形破坏特征

在黑方台地区,常年发生大量的黄土滑坡,对黄土滑坡破坏特征的研究有利于黄土滑坡的预测预报。通过物理模拟实验再现了这类滑坡的破坏过程,利用电镜扫描并借助图像处理软件分析了坡体破坏过程中的土体微结构变化特征,并结合直剪试验研究了土体强度变化特征。得到了以下结论,破坏前黄土颗粒的孔隙率在20%~22%之间,破坏后的黄土颗粒孔隙率13%左右。破坏后的黄土强度低于破坏前,内聚力C、内摩擦角φ均降低。黄土破坏时,颗粒结构重新排列,颗粒间胶结物肢解分散,是孔隙率降低的主要原因。黄土破坏时颗粒结构的改变导致孔隙水压力突增,与宏观变形破坏特征具有一致性,这说明微结构变形破坏特征具有突发性。     

滑坡灾害输电塔易损性评估模型

为保障电网的安全运行,从滑坡致灾强度和输电塔抗灾性能两方面分析了输电塔的易损性,致灾强度的核心要素是滑坡危险性及其活动强度,危险性由地质环境和降雨两大因素决定.基于改进AHP法对地质环境各指标进行权重计算,建立量化模型,求出地质环境危险性指数;根据日最大降雨量和降雨过程总降雨量,对降雨危险性进行分级;最后将两因素进行分级叠合,得到了滑坡的危险性.将致灾模式简化为致灾体对输电塔的冲击破坏,推导了滑坡冲击力计算公式,选取挠曲度来衡量输电塔的稳定程度,则输电塔易损性函数关系表示为滑坡冲击作用下输电塔的挠度与允许的最大挠度值的比值,并进行了工程实例分析.     

落锤冲击作用下钢筋混凝土梁的动态响应

为研究钢筋混凝土梁在不同冲击速度下的动态变形规律,利用落锤冲击试验装置和二维数字图像相关系统,对12根钢筋混凝土梁的冲击力时程、平均跨中位移变化过程、跨中钢筋的平均应变时程以及裂缝的形成与扩展过程进行分析,重点讨论了梁的变形破坏模式及动态响应过程。研究发现：不同于静态三点弯曲试验的弯曲型破坏,钢筋混凝土梁的动态破坏形态主要表现为弯剪型破坏;冲击力峰值明显大于静态加载的承载力峰值,在恒定冲击质量的条件下与冲击高度正相关;钢筋混凝土梁的位移响应过程明显滞后于冲击力的响应时程,挠曲变形所持续的时长约为冲击力作用时长的40~60倍,位移响应表现出明显的滞后性;钢筋是否进入屈服阶段以及维持时长显著影响梁的最大位移以及残余位移。     

冲击载荷下颗粒碰撞的SPH法数值模拟

颗粒高速碰撞问题是冲击动力学领域中的一个重要研究方向。本文利用SPH无网格方法,建立了三层10颗粒SPH质点模型,对冲击载荷作用下无氧铜颗粒高速碰撞过程进行了二维数值模拟,得到了四种不同冲击速度下的颗粒变形结果。对结果对比分析后发现,对于直径为1 mm的铜颗粒,只有当冲击速度达到300 m/s时颗粒碰撞才会形成射流及侵彻,射流速度约为1500 m/s。研究结果表明射流的形成是颗粒高速碰撞形成牢固结合的重要条件。     

不同拦挡距离对滑坡碎屑流冲击效应影响的离散元模拟

通过离散元模拟方法研究了不同拦挡距离对滑坡碎屑流冲击效应的影响。结果表明:不同拦挡距离对碎屑流运动平均速度的影响呈下降趋势,拦挡距离越近,平均速度下降越快,拦挡距离越远,平均速度下降越慢;颗粒开始接触挡板,挡板距离越近,曲线近似于抛物线下降,挡板距离越远,曲线近似于线性下降;不同拦挡距离影响颗粒之间的最大平均接触力,曲线依然呈现先增后减再增再减的趋势;颗粒对挡板的冲击力可近似分为线性增大、持力阶段、线性减小3个阶段,挡板距离增大,线性增大阶段时间和持力阶段时间都有所减少,其中,持力阶段时间减小比线性增大阶段快,说明当建筑物离滑坡距离较近时,建筑设计要考虑最大冲击力以及后续持力阶段的作用效应,当建筑物离滑坡距离较远时,建筑的设计主要考虑最大冲击力对建筑物的影响。     

边坡开挖诱发滑坡离散元模拟

为直观反映滑坡从形成到变形、破坏的全过程,以边坡开挖诱发的大黄公路1号滑坡为例,在现场调查的基础上,结合室内试验结果,以预测其形成机制和致灾范围。采用离散元模拟技术,根据滑坡工程地质特征建立原始边坡模型,并对边坡开挖前、后2个阶段进行离散元模拟。通过对滑坡及跟踪点运动过程、速度和加速度变化的分析,判断该滑坡目前处于蠕滑滑动阶段、稳定性差。研究结果表明:大黄公路1号滑坡是由边坡开挖引起的以水平方向运动为主的牵引式滑坡;滑坡的运动过程可分为低速蠕滑、高速滑移、减速缓动和自稳调整4个阶段;滑坡若失稳,将对公路来往车辆、行人造成威胁,最大威胁距离达41.3m,公路上的滑坡堆积体可达2.5×104 m3,将严重影响公路的正常运行。     

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。     

争岗滑坡堆积体滑坡灾害数值模拟预测分析

基于云南省古水水电站争岗滑坡堆积体地质调查,根据现状对滑坡体稳定性进行了初步判断,同时利用颗粒离散元方法进行宏观细观参数标定,建立了滑坡细观分析模型;在此基础上预测了滑坡过程、滑坡速度、滑坡堆积、冲出距离与滑面摩擦系数的内在关系,并根据堆积体天然含水量试验进行了滑坡灾害分析,将计算结果与现场勘查的拉裂隙分布进行了对比研究。在此基础上对滑坡体的稳定性及失稳破坏机理进行了探讨,提出了滑坡堆积体治理的基本思路。     

基于PFC2D岩质边坡稳定性分析的强度折减法

基于颗粒流离散单元法,将强度折减法引入到边坡稳定性研究中,可以解决应用连续变形分析方法研究存在的缺陷.取特定平均不平衡力比率作为边坡失稳与否判断准则,将颗粒间粘结强度及摩擦系数进行折减,以边坡岩体出现失稳破坏且断裂面贯通作为失稳判断准则,一方面能够对边坡局部危险区域予以定性预测,另一方面监测边坡变形到破坏的失稳过程,最终定量分析边坡稳定性.结合黑山铁矿现场边坡稳定研究实例,分别研究了边坡开挖扰动前后的边坡变形特征,得到开挖前后边坡安全系数分别为1.803和1.183,与预期结论一致.     

地震诱发滑坡形成机理与动态模型研究

根据福建某山区公路边坡滑坡情况,应用基于离散单元理论的颗粒流数值模拟程序,运用典型地震波,建立波在连续介质与离散介质中的传播等效关系,模拟地震作用下边坡离散介质的动力边界条件.通过分析地震过程中边坡内部颗粒的位移、速度、应力以及边坡细观组构变化,如孔隙率、接触数、滑动比时程分布情况,探求地震诱发滑坡的形成机理.     

库水和降雨耦合作用下公路滑坡研究

以福建山区库岸公路滑坡为对象,采用室内模型试验和有限元数值模拟方法,研究库岸公路降雨滑坡形成机理,探讨库水位下降与降雨联合作用下导致临水边坡发生失稳的模式和原因。研究表明库水位变动与降雨的联合作用将改变沿坡体内的渗流场,降低滑坡土体的力学强度,使得滑坡前缘由于浮力减重和浸泡软化作用导致抗滑力减小,滑坡中后部下滑力增大,产生滑坡现象。     

基于DEM-FEM耦合的滑坡作用下输气管道动力响应分析

油气长输管道输送距离长,途径地形地貌复杂多样,沿途地质灾害频发对油气管道的安全输送造成严重威胁与破坏。本文以联络线输气管道横向滑坡为例,通过离散元与有限元单向耦合方式,对管道进行滑坡作用下的动力响应分析。首先通过EDEM离散元软件模拟滑坡过程中土体颗粒对管道的动态冲击过程,分析在滑坡过程中土体颗粒与管道的接触变化以及受力变化,然后将管道所受最大滑坡推力作为荷载导入ANSYS中,模拟得到在滑坡及内压协同作用下管道的应力和位移分布,最后将模拟结果与线上监测数据进行对比。结果表明：由离散元模拟得到滑坡作用下输气管道受力时程变化曲线,在第3秒管道受到的滑坡推力最大,将其导入有限元中模拟得到滑坡段管道等效应力、剪切应力与位移分布云图,将等效应力与实际监测数据进行对比,计算得到相对误差在7.30%以内,因此表明该模型具有一定的可靠性。     

吉牛水电站顺层岩质边坡变形体成因机制及防治效果分析

顺层岩质边坡往往在坡脚进行工程开挖后诱发滑坡等地质灾害,一般采用锚索、抗滑桩等进行防治,但其治理效果如何通常难以检验。本文以吉牛水电站开挖后的顺层岩质边坡为例,结合变形体的地质条件、变形破坏特征、监测数据等资料,采用离散元数值模拟计算方法,分析不同工况条件下的滑坡变形响应过程、基本破坏规律,确定其主要诱发因素及形成机制,并结合防治方案进一步检验治理后的防治效果。研究结果表明,该滑坡为一处主要由前缘开挖诱发的滑移-拉裂式滑坡,并根据其破坏模式和地形地质条件采用深层锚索、中层锚筋束、浅层锚杆、表层喷护等深浅层结合手段进行综合加固。数值模拟结果与实际监测数据均显示变形趋势得到有效控制,工程防治效果良好,对类似的其他工程具有一定指导意义。     

非均匀土体受压破坏数值模拟

根据土体颗粒大小的非均匀性，将颗粒之间的接触关系视为符合库仑条件，采用颗粒状离散元对恒速加载条件下土体的崩塌破坏过程及其力场、速度场的演化规律进行了模拟。结果表明，土体内因颗粒间分离而形成的宏观裂缝带是破坏坍塌的前兆，因此，在形成宏观裂缝区以前进行加固是保证土体稳定的基础，这对岩土工程的加固具有重要意义。     

顺层牵引式路堑滑坡综合整治方案

通过对粤北山区龙怀高速公路K167公路路堑滑坡成因机理进行分析,得出该滑坡是基于区域地质构造揉皱挤压、滑体岩体破碎、滑带土全风化炭质页岩泥化、滑床强-中风化炭质页岩隔水层、路堑开挖坡脚等因素造成的滑塌。分析滑坡现状、结合地质资料、参照深孔位移监测数据确定滑体最大厚度为20 m、滑坡形态呈近似弧形及滑面位置等。在此基础上,采用GEO-Studio边坡稳定性模块SLOPE/W极限平衡法进行稳定性计算;并采用适当卸载+抗滑桩+锚索框架梁辅以排水措施治理该滑坡。通过2个雨季的考验,变形趋稳,证明该处置措施可行有效。