基于PFC离散元的多层岩质陡坡危岩崩落序列

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,第一层力链影响速度峰值最大可达2. 5 m/s,下部危岩体对上部的回弹作用导致力链断裂速度由500 st/p加快至167 st/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。     

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.     

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.     

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。     

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。     

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。
     

“采空区”控制型高斜坡变形破坏研究

煤矿开采导致的矿山地质灾害发生特征在贵州山区具有相似性。基于贵州省纳雍县中岭高斜坡的坡体特征及变形机制分析,建立了中岭高边坡演化机制概念模型,其演化过程分为2个阶段：即压缩倾倒变形阶段和采空区沉陷-倾倒-拉裂阶段。采用数值分析方法对中岭边坡煤矿上方的观察节点位移进行开采过程中的全过程模拟,节点运动规律对崩塌发生位置和范围能做出很好的解释。陡～极陡坡体下部矿层遭受回踩后,易形成采空区控制型崩塌。陡坡段存在软岩夹层时,坡面会因差异风化而出现凹岩腔,从而在坡面上出现局部倒悬坡,受采空区影响区岩体结构面向上贯通,造成倒悬体成为危岩体。     

基于Goodman单元的顺层边坡爆破动力响应数值模拟

为了研究爆炸荷载作用下顺层边坡岩体的动力响应,采用数值模拟的方法对边坡坡面及岩体内部质点振速、应力场的分布规律进行分析,采用Goodman单元模拟岩体内部软弱结构面.结果表明：边坡台阶处坡形的变化会导致质点振速和应力值波动明显,台阶突出部位"鞭梢效应"显著,但质点振速与应力并非在边坡坡面的同一位置达到峰值,因此将质点峰值振速或应力值作为评价边坡稳定性的单一指标并不合理;岩体内部质点的动力响应规律主要与介质阻尼、结构面以及边坡形状等因素有关,结构面的存在会造成爆炸应力波的反射叠加,质点振速和应力值在结构面之前也有一定程度的放大;边坡自由面对应力波的反射叠加效应不应忽视.     

桂林市某山危岩形成机制分析及稳定性评价

危岩是桂林市主要的地质灾害之一,区内降水丰沛,边坡坡度大,地形临空条件好,根劈作用较强,为危岩的发育提供了便利的条件。系统地研究了该区地层岩性、地形地貌、危岩特征、破坏模式及形成机理,最终对危岩的稳定性进行定性定量分析。结果表明:该区危岩欠稳定,有滑移和崩塌的可能。     

基于PFC3D和Rockfall的中武山危岩体数值模拟研究

基于颗粒流PFC~(3D)理论及方法,结合无人机高精度航拍影像数据,对中武山危岩体失稳过程进行数值模拟方法研究。通过PFC~(3D)构建三维地质模型进行崩塌模拟,计算得出危岩体的运动路径。在模拟的运动路径中选取6个运动剖面,采用Rockfall软件进行二维运动过程计算,得出腾跃高度、冲击能量、岩块速度等计算结果。中武山危岩体模拟结果表明,PFC~(3D)三维运动模型结合Rockfall软件的数值模拟方法,可较好地模拟危岩体的失稳运动过程。研究方法相比以往研究具有更好的可视化特性,研究得到的相关参数可为后续灾害防治工作提供参考,进而可提出有针对性的治理措施。研究结果对防灾减灾工程具有重要的现实意义。     

陡倾顺层边坡地下开挖失稳模式分析

为了探究陡倾顺层边坡在地下开挖工况下的失稳模式,进行陡倾顺层边坡的地下开挖相似模型试验,并通过离散元软件(universal distinct element code,UDEC)数值模拟分析与相似模型试验互相验证,以极限平衡法为理论基础提出该失稳模式的稳定性分析方法,并以相似模型试验验证方法的可行性。试验结果表明,陡倾顺层边坡开挖后,其开挖区上方岩体将沿岩层层面发生剪切滑动,并导致边坡坡面产生塌陷,可见其失稳模式为"滑塌"破坏。通过计算边坡模型潜在滑塌岩体的抗滑力和下滑力,定义安全系数为其比值,得其安全系数为0.66。该稳定性分析方法可为边坡安全性评价提供新思路。     

基于3DEC的楔形体滑移过程分析 ——以兰成渝管线伴行边坡 K0526+300边坡为例

岩质斜坡楔形体滑移速度变化与路径曲线,对防治工程的布置有重要意义。为了研究岩质斜坡楔形体失稳滑移的速度变化及路径曲线,分析滑移运动过程与防护工程布置的关系,以兰成渝管线伴行道路岩质边坡——上缓下陡反倾边坡的楔形体为研究对象,定性分析楔形体的稳定性及滑移过程,使用3DEC模拟滑移过程并监测该过程速度位移变化。得到楔形体滑移运动分为匀加速直线、转动滑移变速和匀加速直线3个阶段,楔形体绝对速度的3个极小值存在于转动滑移阶段。针对以上楔形体滑移运动特征,提出在转动滑移变速阶段进行楔形体滑移灾害防治的建议,为防治工程的布置提供了依据。     

顺倾岩质高边坡开挖变形机理及计算

为了进一步分析顺倾岩质高边坡开挖变形机理及变形计算方法,以卸荷岩体力学及弹性力学理论为基础,对顺层岩质边坡开挖前后边坡岩体的力学状态进行了分析,对边坡变形机理及变形计算方法进行了研究．研究结果表明,顺倾岩质边坡在开挖过程中岩体受力状态发生改变,岩体力学参数劣化,造成边坡发生较大变形;顺层岩质边坡变形主要由浅表松弛变形、卸荷回弹变形及顺层滑移变形组成．并以弹性力学为基础提出了边坡卸荷回弹变形的计算方法,依据能量守恒定律推导了顺层滑移变形的计算方法．     

隧洞爆破开挖对岩质高边坡产生的振动效应研究

针对金佛山水利工程中水工隧洞爆破对左岸岩质高边坡的不利影响,采用有限元数值模拟手段,研究了隧洞爆破对边坡的振动效应,探讨了振动波的传播及分布规律,查明了边坡内部裂隙对振动波传播的影响,根据应力和振速之间的相关性,提出了该边坡的爆破振速的参考安全阀值。结果表明：金佛山水工隧洞爆破开挖对左岸岩质高边坡的振动影响较小,振速峰值未超过规范所规定阀值;由于隧洞爆破和边坡开挖爆破对边坡的坡面振动效应以及传播方向不同,导致爆破振动波通过边坡内部裂隙的传播规律也不同;根据边坡平台内外侧质点的速度分布,借鉴小湾水电站边坡工程,选取平台内侧岩体作为监测部位,根据应力和振速之间的统计规律,得到了左岸岩质高边坡的爆破振速参考安全阀值。     

急倾斜煤层采空区输气管道变形模拟

为了探究急倾斜煤层开采形成的采空区对其上覆输气管道安全运行的影响,基于快速拉格朗日法对某煤层采空区进行数值模拟,探究了实际煤矿采空区的地质沉降和管道位移特征,研究了不同倾角、不同开采深度的急倾斜煤层对上覆输气管道变形的影响。结果表明:某煤矿区五个急倾斜煤层在开采100 m后,在煤层坡面上方形成最大深度1.54 m的塌陷,塌陷区内的土壤和岩石主要向煤层方向水平移动和垂直向下移动;靠近煤层采空区的管道,垂直方向位移大于水平方向位移,而远离煤层采空区管道,则水平位移较大;随着急倾斜煤层倾角减小和开采深度增大,管道向下的沉降量增大,并且发生最大沉降的位置逐渐向煤层方向靠近。     

朱昌河特大桥4#主墩基础边坡岩体稳定性的数值模拟分析

利用岩土工程软件FLAC-3D对朱昌河特大桥4#主墩基础边坡岩体在自然条件下,桩及承台施工过程、锚杆(索)加固过程以及施加设计荷载状态下的变形及稳定性进行了三维数值模拟分析。结果表明:在上述条件下,4#主墩基础边坡岩体是稳定的,水平位移量和垂直位移量均在设计范围以内。从长远来看,为确保大桥的安全运行,对4#主墩基础边坡进行加固是必要的。