分步开挖卸荷作用下软硬岩互层边坡的稳定性分析

以沪蓉高速公路某软硬互层边坡为例,基于开挖卸荷理论,采用FLAC3D软件进行数值模拟,研究分步开挖卸荷作用对软硬互层边坡稳定性的影响规律。结果表明:最大不平衡力、最大水平位移值、剪应变最大值随开挖步数的增加累积增大,最大值出现在开挖卸荷面软弱夹层剪出口位置,与开挖量呈正相关关系;每步开挖后瞬间会产生最大不平衡力"尖点",然后逐渐减小接近于零,边坡平衡;塑性区主要分布在软弱夹层位置,拉应力区分布于开挖卸荷面附近以及整体边坡的坡顶面附近20 m以内,且总体拉应力不大,低于灰岩卸荷后的抗拉强度;基于卸荷理论计算得到每步开挖后边坡的稳定性系数比不考虑卸荷对边坡岩体劣化作用的稳定性系数分别降低了0.07、0.08、0.102、0.106。综合分析得出软硬岩互层边坡稳定性的关键问题是开挖卸荷对软弱夹层力学性能的影响以及边坡面附近的拉应力区,开挖卸荷作用对岩体物理力学性能的劣化程度直接决定着边坡的稳定性。     

基于连续介质的裂隙岩体流固耦合数值分析

基于库区水位涨落或暴雨入渗,经过演变易造成滑坡,研究渗透压作用下裂隙损伤效应对渗透张量的影响,通过理论推导,提出裂隙岩体渗流场与损伤场耦合的分析模型;以湖北潘口水电站进水口边坡为研究对象,建立基于连续介质的裂隙岩体流固耦合渗流数值计算分析方法。研究结果表明:边坡在开挖过程中变形以卸荷回弹变形为主,回弹变形范围随开挖逐级增大,各级边坡开挖对邻级边坡变形的影响最显著,对较远坡段的影响逐步减弱;边坡开挖面基本处于小拉应力状态,边坡浅表层拉应力区分布范围及量值均很小;边坡全部开挖完成后,边坡的塑性区主要沿近坝的开挖马道外缘分布,分布范围小,在表层岩体内;裂隙岩体流固耦合模型的三维数值计算能够较真实地模拟边坡开挖过程位移场、应力场、塑性区、拉应力区的分布规律。     

高地应力深切河谷形变应力场及线路问题初探

为研究高地应力作用下河谷深切卸荷、岩体强风化的地质环境对拟建川藏铁路的影响,利用ABAQUS对高地应力背景场由河流深切卸荷下的河谷形变—应力场特征进行数值模拟研究;考虑到岩体的宏观力学性能受到卸荷回弹变形的影响而急剧减小,利用场变量实现力学参数随卸荷动态变化,对比分析河谷形变—应力场特征;针对印度板块挤压欧亚大陆板块使河谷两岸地应力值存在差异的情况,模拟主、被动盘的差异卸荷。结果表明:自重应力与40 MPa构造应力同时作用下的卸荷回弹值可达仅计自重应力场的3～6倍,出现由陡、缓倾面构成的"X"状共轭结构面,工程开挖下边坡岩体容易沿陡倾面崩塌,沿缓倾面滑移。将卸荷前后岩体偏应力比值k作为评价岩体受到卸荷影响程度的标准,高地应力作用下谷坡水平深度方向的k值介于1.5～2.5,地应力的量值对岩体卸荷程度有很大影响;较之不考虑岩体力学性质劣化情况,岩体塑性区范围将扩展,裂隙向谷坡上部延伸,坡体稳定性进一步下降;高地应力作用的河谷主动岸,坡面塑性区明显存在"X"状潜在滑移面,而被动岸仅有单向缓倾滑移面,主动岸对开挖扰动的抵抗力更低。据此提出相应的灾害预防措施的建议,为拟建进藏道路的区域工程地质选线提供参考。     

三峡船闸高边坡及中隔墩变形影响因素分析

通过数值模拟计算,分析了初始地应力、岩体卸荷弱化效应、锚索加固和地下水等因素对三峡永久船闸高边坡变形的影响及中隔墩异常变形机理.研究表明:初始地应力是影响两侧高边坡变形的控制性因素,岩体卸荷弱化效应对边坡变形也有重要影响,锚索对节理裂隙面变形有较大的限制作用,地下水对变形的影响不明显;中隔墩三面临空,卸荷充分,节理裂隙扩展引起的各向异性变形以及初始地应力引起的不对称变形是中隔墩整体向北变形的主要原因,而开挖次序不是其主要原因.     

四川凉山州某水库右岸趾板边坡的变形特征及机制研究

为探究边坡开挖过程中,坡体内应力、应变的变化,进而分析边坡的变形机理,本文以四川凉山州某水库右岸趾板边坡为研究对象,通过现场调查、勘探,查明了边坡的基本地质条件、变形破坏特征等,结合地质历史分析方法及FLAC3D数值模拟对边坡的变形机制进行了详细研究.结果表明:该边坡经过人工开挖后,前缘临空条件变好,在施工、降雨等众多因素影响下,边坡变形模式为开挖卸荷、回弹,局部拉裂—蠕滑阶段、前缘局部滑塌解体阶段、后缘拉裂变形阶段;随着开挖的进行,最大剪应变增量逐渐增加,且集中于边坡开挖前缘部位,最大剪应变在剖面上随着向边坡内部呈圆弧形逐渐减小.坡体位移也随着开挖的进行逐渐增加,最大至48.37cm,与现场监测资料边坡趋于蠕滑变形时的位移量基本吻合.     

岩体微震能量演化规律及渗透系数评估

基于大岗山水电站右岸边坡开挖过程中的微震监测数据,分析卸荷引起微震能量释放的时空规律,研究渗透系数增量的空间分布。结果表明:微震能量逐月累积等值线空间分布图可初步定量地识别和圈定边坡深部岩体损伤的区域及程度,微震能量沿软弱结构面易形成积聚带,并遵循能量的累积、释放和转移的规律。岩体因损伤而释放的微震能量与岩体渗透系数变化的趋势具有一致性。两卸荷裂隙带和断层外侧附近渗透系数改变量约为0.03~0.05 cm/s,而两卸荷裂隙带和断层之间的岩体的渗透系数约为0.04~0.097 cm/s。渗透系数的改变在软弱结构面交界处附近最为显著,表明在卸荷条件下,岩体的渗透特性受结构面的影响极大。利用开挖过程中岩体释放的微震能量,并结合开挖前边坡不同岩体的渗透系数,可对开挖后岩体的渗透系数进行评估。     

大冶铁矿深凹露天开采最终边坡稳定性分析

针对大冶铁矿东露天最终边坡的工程地质条件,结合实际的开挖步骤与顺序,采用极限平衡理论和有限差分数值模拟两种方法,从分析开挖卸荷引起的边坡岩体应力、位移和塑性区变化规律入手,对最终边坡的整体稳定性进行计算分析.结果表明,边坡安全系数大于1.25,基本处于稳定状态.三个计算剖面上,由开挖引起的应力、位移和塑性区的分布和变化规律基本一致.回填体不仅提高了边坡的稳定性,还为转入地下开采提供了所需的安全覆盖层厚度.     

脆弹粘性岩体高边坡稳定的损伤断裂力学机制研究

边坡工程岩体的力学性态与其所处的应力环境、物理环境以及开挖施工卸荷坡邦岩体变形的时空效应等许多因素密切相关．因而，似本文研讨的闪云斜长花岗岩这类脆弹粘性岩体高边坡工程坡邦卸荷带岩体的稳定问题，从损伤、断裂力学的观点言，本质上反映了三方面的力学机制，即：（１）边坡分部开挖引起坡邦岩体的卸荷损伤、断裂效应；（２）二次应力场作用下坡邦岩体产生的损伤、断裂时效变形与蠕变扩容；以及（３）在高地应力区，脆弹粘性岩体因开挖导致与其应变能骤然急剧释放有关的地动力作用．本文结合长江三峡高边坡船闸工程的岩体稳定问题，拟就上述的前两个方面的研究工作进展作一简要论述．     

注浆加固对顺层边坡力学特征的影响

利用FLAC3D数值计算软件建立顺层边坡的计算模型,分析注浆加固前后岩土体应力、变形响应.研究结果表明:当坡体结构面注浆后,边坡中的位移和应力云图变得较均匀,在边坡中无明显的位移或者应力突变现象,有利于边坡的稳定,但是,由于注浆加固区域的有限性,导致边坡的整体位移仍较大；计算观察点动态位移能够表征注浆加固前后边坡各部位在开挖过程中的变形响应,以及潜在滑移面剪出口位置；通过注浆加固后,边坡的拉剪塑性区明显减少,注浆能够较好改善岩体自身性能,提高其承担拉伸和剪切应力的能力.     

水平应力与裂隙密度对顶板安全厚度的影响

将地下空区顶板视为梁模型,采用结构稳定理论,建立水平应力与地下空区项板安全厚度之间的关系;以裂隙张量为基础,将岩体中的裂隙看作初始损伤,对含随机分布裂隙的顶板岩体进行分析,推求裂隙岩体的等效变形模量和等效泊松比,从而建立地下空区项板厚度与岩体裂隙密度之间的关系,并探讨水平应力与岩体裂隙密度对地下空区顶板厚度的影响.研究结果表明:地下空区顶板厚度与水平应力及岩体裂隙密度具有较大的相关性,最小安全厚度随着水平应力的增大而增大,当水平应力由0 MPa增加到15 MPa时,对安全厚度的影响较大;当水平应力大于15 MPa时,随着水平应力的增大,安全厚度的增加幅度较小;最小安全厚度随着岩体裂隙密度的增大而增大,安全厚度与裂隙密度近似呈直线关系.     

层状岩体边坡锚杆加固效应的数值分析

利用数值计算软件FLAC3D建立层状岩体边坡的稳定性分析模型,采用锚杆单元对岩体边坡进行加固模拟,得到加固后岩体的变形情况以及锚杆的受力情况.研究结果表明:边坡的破坏形式为明显的直线型滑动破坏,滑块的位移从上到下逐渐增大,水平位移最大处位于剪出口位置;层状边坡锚杆加固后,沿节理面发生一定的变形;各监测点位移沿自然坡倾向位置逐渐减小,越往岩体内部受到的开挖扰动越小;由于节理的存在,全长黏结式锚杆的轴力分布为多峰值曲线,峰值均出现在节理面位置;锚杆轴力最大位置可表征滑动面位置.     

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．     

浅埋隧道大管幕施工台阶法几何参数优化

研究了浅埋隧道下穿高速公路大管幕施工的台阶法几何参数优化问题.以重庆新白杨湾隧道工程为依托,采用数值模拟方法分析不同台阶参数对初支受力、围岩变形、开挖面稳定性以及对现场施工的影响规律.研究结果表明:拱顶沉降和水平收敛随着台阶长度增大而增大,应适当减小台阶长度;拱顶沉降和水平收敛随着台阶高度增大而减小,但应控制在合理范围;开挖面纵向位移随着台阶高度增大而增大,开挖面主应力随着台阶高度增大而减小.结合对现场施工便利性和施工效率的影响,最终确定台阶高度和长度分别取值在5.9 m和20 m左右时为最优参数方案.     

某水库溢洪道边坡变形破坏特征及治理对策研究

通过对边坡变形特征的分析,研究了由粉砂质泥岩、泥质粉砂岩、炭质页岩互层组成的斜向坡高边坡的变形破坏模式,基于模式分析提出了有针对性的治理措施.在工程地质条件分析的基础上,通过不同部位裂缝、岩体松弛及层间错动现象的分析,认为边坡的变形受层间错动带及陡倾坡外卸荷裂隙控制作用明显,边坡中上部沿层间错动带产生拉应力及剪应力集中,边坡下部软岩产生压缩变形,引起块体向坡外及岩层倾向方向的变形,并通过层面和卸荷裂隙向上传递变形,其变形破坏模式表现为阶梯状蠕滑-拉裂变形.由于边坡下游侧为强风化强卸荷带碎裂结构岩体,存在多条软弱夹层,可产生多处潜在剪出口,因此边坡的治理以削方减载为主,并通过预应力锚索框架控制层间软弱夹层的变形.     

名山组泥岩顺层边坡原位直剪试验及开挖模拟

为研究川西名山组泥岩顺层边坡在坡脚开挖后的卸荷特征,通过原位直剪试验获取了名山组泥岩的岩体破坏及强度特征,并进一步采用有限元模拟分析了坡脚开挖后顺层边坡的卸荷松动特征。结果表明:名山组泥岩的剪切破坏可分为弹性受荷阶段、裂缝发展阶段和剪切面贯通后阶段;岩体结构面强度显著低于岩石,且强度曲线特征受上覆荷载影响较大;岩石的应变软化特征较结构面更为显著,剪切面贯通后强度急剧衰减,且降幅远高于结构面;坡脚开挖卸荷后,顺层边坡的卸荷松动区主要分布于基覆界面、风化界面和临空面附近的岩层层面处,卸荷深度与切层厚度线性正相关;设计采用的边坡防护方案能有效控制位移及应力,桩前土体开挖时需注意信息化施工。     

多台阶岩质边坡的稳定性分析及加固效应

为掌握多台阶岩质边坡在开挖过程中的动态变形特性及其稳定性,确定在不同施工顺序下预应力锚索对边坡的加固效应,以具体岩质边坡工程为例,基于强度折减理论,利用FLAC3D模拟分析其在开挖过程中及形成后的变形特征;对比分析不同开挖、支护顺序下预应力锚索对边坡的加固效应.研究结果表明:开挖容易使局部岩体发生破坏;预应力锚索的使用,使岩体的完整性得到提高,并能很好的约束岩体水平位移,有效改善边坡的稳定性.     

三峡工程永久船闸高边坡变形数值仿真分析

基于实际的开挖过程、锚固措施和地质条件建立了三峡永久船闸高边坡的二维和三维数值模型，按9种工况对边坡变形进行了数值仿真分析．计算成果表明，岩体开挖卸荷对边坡的变形有较大影响，正确地划分岩体卸荷带使计算结果更趋合理；锚固和地下水对边坡的整体变形影响较小；边坡岩体仅局部产生零星塑性屈服区，但在中隔墩顶部有拉应力区，可能引起岩体开裂；粘弹塑性模型计算成果显示，边坡开挖完成后变形将趋于稳定．     

皖南某高速公路四号边坡变形机理及稳定性分析

皖南某高速路高边坡地质条件复杂,从坡中部至坡顶处均出现明显的倾倒变形迹象,并在边坡左侧发生过垮塌.通过对该边坡的地层岩性、岩体结构和边坡开挖等因素的分析研究,阐述了其变形机理,揭示了其弯曲-倾倒和滑移复合的变形破坏模式.这一变形机理的产生是由于原始地形较陡和坡体强烈卸荷,在开挖的触发下引起上部陡倾岩体向坡外弯曲变形,沿顺坡向结构面滑移拉裂.采用二维有限元数值模拟,分析了这类边坡在开挖过程中的应力和变形的特征及其变化规律,以验证上述的破坏机理模型.     

基于XFEM的岩体卸荷过程裂纹起裂扩展规律研究

地下和边坡工程开挖常涉及岩体卸荷问题,采用ABAQUS软件中的扩展有限单元法(extended finite element method,XFEM)对开挖卸荷过程岩体内部裂纹的起裂扩展进行了模拟,通过计算裂纹尖端应力强度因子研究了其起裂特征,并探讨了起裂影响因素,通过记录裂纹扩展形态研究了其动态演化模式.结果表明,卸荷过程中卸荷速率越快,裂纹长度越长,倾角越大,其起裂越容易;并且裂纹面受到的正应力不断减小,剪应力不断增大,裂纹扩展主要由剪应力控制,这与理论分析结果一致.裂纹最终扩展演化形态也与物理试验相近,充分表明运用扩展有限单元法研究岩体裂纹问题的可靠性.     

炭质泥岩隧道施工方法优化

炭质泥岩是地下工程中常见的层状岩体之一,具有显著的各向异性特征,属于典型的复杂岩体。在炭质泥岩条件下隧道工程岩体开挖,围岩破坏严重且时间效应显著,变形控制是关键。依托兴源隧道工程对兴源隧道三台阶七部开挖过程进行数值模拟,对比分析不同台阶高度对围岩变形和支护应力的影响,优选出合理的台阶高度,为类似工程提供参考建议。