邊坡破壞
關(guān)注創(chuàng)建者：匿名 創(chuàng)建時(shí)間：2021-09-13
邊坡破壞的實(shí)例教程
1 引言
在<巖石邊坡工程課程---邊坡破壞模式(C1,C2)>的基礎(chǔ)上, 這個(gè)筆記簡(jiǎn)要總結(jié)了C3的核心部分---邊坡破壞的原因, 即邊坡穩(wěn)定性的影響因素. 本質(zhì)上來說,這是一個(gè)非常寬廣和需要深入討論的話題, 但在有限的時(shí)間內(nèi)不能覆蓋所有內(nèi)容, 僅從與后面課程內(nèi)容銜接的角度講授了最重要的部分.
2 邊坡破壞的原因
影響邊坡穩(wěn)定性的因素有內(nèi)在因素與外在因素兩個(gè)方面。內(nèi)在因素包括組成邊坡巖體的性質(zhì)、地質(zhì)構(gòu)造、巖體結(jié)構(gòu)、地應(yīng)力(構(gòu)造應(yīng)力)等，這些因素常常起著控制和主導(dǎo)作用; 外在因素包括地表水和地下水的作用、地震、風(fēng)化作用、人工挖掘、爆破以及工程荷載等。此外, 邊坡外形既是內(nèi)因也是外因. 除了這些總的論述外, 本次課程把重點(diǎn)集中在節(jié)理巖體性質(zhì)和地應(yīng)力這兩個(gè)方面.
3 節(jié)理巖體的性質(zhì)
對(duì)于原巖應(yīng)力較小的淺層節(jié)理巖體，原巖本身破壞的可能性較小，主要的破壞模式是沿著不連續(xù)面發(fā)生滑動(dòng)，因此巖體結(jié)構(gòu)控制著邊坡穩(wěn)定性. 首先回顧了工程地質(zhì)學(xué)的基礎(chǔ)概念: 走向,傾向,傾角, 接著著重講解了節(jié)理間距, 節(jié)理長(zhǎng)度, 粗糙度以及節(jié)理內(nèi)的充填物等影響邊坡穩(wěn)定的關(guān)鍵因素. 一些擴(kuò)展討論參看下面的鏈接.
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邊坡、隧道、基坑可以說是巖土工程三大工程問題了。
其中隧道、基坑是施工才會(huì)出現(xiàn)的。
而邊坡卻是自然界中廣泛存在的，對(duì)每一個(gè)邊坡進(jìn)行維護(hù)明顯是不現(xiàn)實(shí)的。
所以判斷邊坡穩(wěn)定性，并且預(yù)測(cè)其破壞模式成為目前主要的研究對(duì)象。
而弄清楚破壞模式，也可以有針對(duì)性的對(duì)邊坡進(jìn)行維護(hù)。
這里用PFC對(duì)邊坡進(jìn)行建模。
建模方式為：
成樣、預(yù)壓、自重、加膠結(jié)、切坡、平衡。
如果這里平衡沒有破壞的話，就用降低強(qiáng)度的方法來誘導(dǎo)破壞。
這里給出邊坡剛開始的破壞圖
可以看到破壞是從坡腳開始額。并且向上延伸，而坡面的土體先發(fā)生傾倒。
我這里就不深入分析了，可以分析應(yīng)力應(yīng)變率什么的，甚至可以通過轉(zhuǎn)動(dòng)來分析滑裂面。
這里給出邊坡破壞的位移動(dòng)圖。
展開 0 引言
完整的巖塊一般強(qiáng)度比較大，天然的狀態(tài)不會(huì)使得巖質(zhì)邊坡發(fā)生破壞。而巖體和巖塊的概念是兩個(gè)，巖體指的是含有天然裂紋的巖塊。所以相對(duì)于巖塊，巖體在天然狀態(tài)下的強(qiáng)度會(huì)比完整的巖塊小很多。
往往巖質(zhì)邊坡發(fā)生破壞無非以下幾個(gè)因素：1、降雨使得巖石的裂紋充填物強(qiáng)度降低，發(fā)生破壞。2、工程使得原有的應(yīng)力發(fā)生重分布。3、地震荷載使得巖體中的裂紋發(fā)育貫通形成滑裂面。
本文邊坡誘導(dǎo)破壞使用的并不是上述幾個(gè)因素。重力放大法誘導(dǎo)破壞是有限元理論中經(jīng)常遇到的一個(gè)方法，這種情況在現(xiàn)實(shí)中基本不會(huì)發(fā)生。但是誘導(dǎo)邊坡破壞會(huì)強(qiáng)制性的產(chǎn)生滑裂面，對(duì)邊坡的漸變破壞分析可以提供一定的參考。
1 成樣
這里還是比較經(jīng)典的成樣，不去贅述。
展開 1 引言
傾倒破壞(Toppling Failure) 這個(gè)詞最初是由是Goodman and Bray在上世紀(jì)70年代提出, 意指一組平行節(jié)理的巖體朝著邊坡方向發(fā)生的傾倒破壞。按照Goodman and Bray(1976)的分類, 傾倒破壞可以分為三種形式: (a) 塊體傾倒(Block Toppling); (b) 屈曲傾倒(Flexural toppling); (c) 塊體屈曲傾倒(Block flexure toppling). 如下圖所示.
過去的公眾號(hào)文章中多次討論過傾倒破壞, 參看如下的鏈接.
屈曲傾倒破壞(flexural toppling failure)
邊坡工程---巖體邊坡的破壞模式
巖土邊坡的破壞類型(C3)(Failure types of slope)
Chuquicamata(丘基卡馬塔)露天礦巖石力學(xué)研究
除了上面所述的三種傾倒模式外, Wyllie and Mah(2004)也討論過另一種傾倒模式,稱之為次傾倒模型(Secondary toppling modes). 這種破壞模式主要由巖石風(fēng)化以及人類活動(dòng)引起. 最典型的情形是坡腳開挖引起邊坡上部巖體發(fā)生傾倒破壞, 如下圖(d)所示.
展開 1 引言
在先前的筆記中，我們討論了四種破壞形式的分析方法，這四種破壞形式基本上都算是局部破壞(local failure)。
巖石邊坡工程課程---平面滑動(dòng)(Planar Sliding/Wedge)穩(wěn)定性分析(C7)
巖石邊坡工程課程---楔形滑動(dòng)(Wedge Sliding)分析(C8)
巖石邊坡工程課程---傾倒破壞(Toppling Failure)分析(C9)
巖石邊坡工程課程---巖石崩落分析(Rockfall Analysis) (C10)
邊坡的整體破壞(global failure)分析需要使用數(shù)值方法，最典型的有三大類方法：極限平衡法，極限分析法和各種各樣的數(shù)值模擬法，極限分析法和數(shù)值模擬法(FEM,BEM，DEM等)超出了本課程的范圍，在此我們只討論極限平衡法(Limit Equilibrium Method, LEM)。
2 LEM的特點(diǎn)
歷史上，極限平衡法與圓形破壞緊密地聯(lián)系在一起，這是由于極限平衡法最初是在土力學(xué)領(lǐng)域提出的，而土邊坡的破壞形式大部分近似于圓形破壞，如下面視頻所示的土壩破壞。
從巖土工程視角看本周美國(guó)水壩的損壞
不過這不意味著破壞面是個(gè)真正的圓弧。隨著計(jì)算理論的不斷發(fā)展和改進(jìn)，現(xiàn)在極限平衡法能夠處理折線形的破壞面，因而為分析巖石邊坡穩(wěn)定性提供了新的途徑，例如【使用BLOCK算法搜索邊坡的最小滑動(dòng)面。】極限平衡法的優(yōu)點(diǎn)是計(jì)算速度快，操作簡(jiǎn)單，結(jié)果直觀，因而深受實(shí)踐的巖土工程師的喜愛。極限平衡法的缺點(diǎn)是預(yù)設(shè)了破壞面，不考慮巖土體的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，因而只能求出安全系數(shù)，不能得到位移。
全面回顧極限平衡法的歷史不是本筆記和本課程的目的，主要原因是：(1) 學(xué)時(shí)所限(僅2個(gè)學(xué)時(shí)); (2) 工程應(yīng)用。
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邊坡破壞的最新內(nèi)容
當(dāng)降雨強(qiáng)度大于邊坡土體速度時(shí), 一方面淺層土體迅速達(dá)到暫態(tài)飽和，坡面形成地表徑流，對(duì)坡面造成沖刷；另一方面雨水滲透到內(nèi)部，土體的含水量不斷增大，引起邊坡滲流場(chǎng)的變化，并產(chǎn)生一定的滲流力，同時(shí)作用在土體上的動(dòng)水荷載和靜水荷載也增大，土體抗剪強(qiáng)度降低，使邊坡的穩(wěn)定性降低，甚至導(dǎo)致邊坡產(chǎn)生滑動(dòng)破壞。
實(shí)際工程中，邊坡一般為非飽和土體邊坡。
趙衡等[5]利用FLAC3D軟件對(duì)某路塹邊坡進(jìn)行數(shù)值模擬分析，得出邊坡破壞方式為對(duì)稱破壞，并提出斜坡穩(wěn)定性極限平衡計(jì)算方法。喬翔等[6]針對(duì)某公路邊坡的剖面模型，采用極限平衡法對(duì)坡體不同部位進(jìn)行穩(wěn)定性分析，并根據(jù)受力分析提出合理的邊坡加固方案。
rheological properties
[4] (2018) The Stava Valley Tailings Dams Disaster: A Reference Point for the Prevention of Severe Mine Incidents
2.4 Wachusett dam
Olson等人研究調(diào)查了1907年馬薩諸塞州沃楚塞特大壩(Wachusett Dam)上游邊坡的靜態(tài)液化破壞
為了體現(xiàn)邊坡的脆性破壞，同時(shí)考慮到細(xì)顆粒的黏性，本文采用了接觸粘結(jié)模型；并且項(xiàng)目組參考了顆粒組成相似的碎石土案例，將法向剛度和切向剛度分別設(shè)定為2.5×107，1.0×107 N/m。
大規(guī)模的邊坡巖、土體破壞能引起交通中斷，建筑物倒塌，江河堵塞，水庫(kù)淤填，給人民生命財(cái)產(chǎn)帶來巨大損失。研究邊坡穩(wěn)定性的目的，在于預(yù)測(cè)邊坡失穩(wěn)的破壞時(shí)間、規(guī)模，以及危害程度，事先采取防治措施，減輕地質(zhì)災(zāi)害，使人工邊坡的設(shè)計(jì)達(dá)到安全、經(jīng)濟(jì)的目的。評(píng)價(jià)邊坡穩(wěn)定性的常用方法有下列4類：
①定性分析法。
臨近邊坡的最后幾排鉆孔的藥量、抵抗線都要減少，稱之為“緩沖爆破”，可以減少鉆孔爆破對(duì)邊坡的破壞。
4、采裝與運(yùn)輸
采裝作業(yè)是使用裝載機(jī)械將礦巖直接從地下或爆堆中挖掘出來，并裝入運(yùn)輸機(jī)械的車廂內(nèi)或直接卸到指定的地點(diǎn)。它是露天開采過程的中心環(huán)節(jié)，其他生產(chǎn)工藝如穿爆、運(yùn)輸?shù)榷际菫椴裳b而服務(wù)的。
主要采裝設(shè)備：挖掘機(jī)、索斗鏟、液壓鏟和輪胎式前裝機(jī)。
本文邊坡誘導(dǎo)破壞使用的并不是上述幾個(gè)因素。重力放大法誘導(dǎo)破壞是有限元理論中經(jīng)常遇到的一個(gè)方法，這種情況在現(xiàn)實(shí)中基本不會(huì)發(fā)生。但是誘導(dǎo)邊坡破壞會(huì)強(qiáng)制性的產(chǎn)生滑裂面，對(duì)邊坡的漸變破壞分析可以提供一定的參考。
2.高邊坡病害：是對(duì)高邊坡中存在的不同類型失穩(wěn)破壞的統(tǒng)稱，如滑動(dòng)、崩塌、坍塌、傾倒和錯(cuò)落等；規(guī)模上可分為坡體變形、邊坡變形、坡面變形（復(fù)雜性）
3.高邊坡病害的空間預(yù)測(cè)方法：(1)坡體結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)法；(2)極限穩(wěn)定斜坡比擬法；
(3)開挖松動(dòng)區(qū)的數(shù)值分析法；
（二）坡體結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)高邊坡變形破壞類型
坡體結(jié)構(gòu)：控制了邊坡的破壞類型、部位、規(guī)模和破壞模式
1.坡體結(jié)構(gòu)
以山坡中各種結(jié)構(gòu)面(包括原生結(jié)構(gòu)面和次生結(jié)構(gòu)面
，也發(fā)生在多個(gè)臺(tái)階中，下面左圖所示的是一個(gè)邊坡破壞實(shí)例，右圖所示的是各項(xiàng)異性巖體模型。
比較上面得出的FOS=1.358，可見地震荷載破壞了邊坡的穩(wěn)定性，導(dǎo)致邊坡發(fā)生破壞。
3.3 臨界地震系數(shù)分析
臨界地震系數(shù)(Critical Seismic Coefficient)是安全系數(shù)FOS=1時(shí)對(duì)應(yīng)的地震系數(shù)。本項(xiàng)目計(jì)算出的臨界地震系數(shù)ky=0.14, 這意味著如果小于這個(gè)數(shù)值邊坡就會(huì)發(fā)生破壞。
