边坡变形的分布式光纤监测试验研究及实践

布里渊光时域反射计(BOTDR)是一项新型光电传感仪器,可对沿光纤的轴向应变进行分布式监测。该技术采用光纤作为传感和传输介质,具有良好的抗干扰、长距离、可植入性和分布式监测等特点。本文总结了近几年来分布式光纤在边坡工程中监测的工程实践和试验研究结果。实践表明,将光纤传感器铺设在加固边坡的锚杆和框架梁中,在加固边坡的同时进行安全监测,可以取得良好的效果;而将光纤直接铺设在边坡浅层土体中进行监测,可以及时对边坡安全提供预警,但往往不利于长期监测。本文还介绍了将光纤传感器布设在用于加固边坡的土工织物中进行安全监测的室内试验研究。实验证明,不同的光纤类型、布设方法、土工织物性能等都会对监测结果产生影响。最后分析了分布式光纤监测在岩土工程监测中的应用前景,以及今后研究的关键技术问题。     

软弱基底排土场堆载过程中稳定性数值模拟*

针对软弱基底排土场普遍存在稳定性差的问题,在分析了排土场失稳的主要影响因素以及常见的5种失稳模式的基础上,结合胜利东二露天煤矿南排土场南帮边坡工程地质实际,基于强度折减理论,运用大型岩土数值模拟软件FLAC3D对排土场逐水平堆载过程中基底与边坡岩体变形破坏规律及稳定性进行了数值模拟分析,确定了南排土场南帮边坡的破坏模式以及最终排弃高度。结果表明:胜利东二露天矿南排土场边坡变形破坏主要受排弃物料重力影响,随着排弃高度的增加,基底内部第四系弱层最大位移呈线性增加,弱层以下岩土体变形量较小,其滑坡模式为沿基底内部弱层发生的剪切圆弧滑动,可在原设计基础之上继续排弃一个排土台阶高度,提高了排土场的空间利用率,并为类似排土场边坡设计提供借鉴。     

基于监测数据的边坡参数统计特征及可靠度更新∗

掌握详细的边坡岩土体参数信息是进行边坡加固与风险评估的重要前提。目前大多采用马尔可夫链蒙特卡洛模拟方法基于现场或室内试验数据进行不确定性参数统计信息及边坡可靠度更新。然而,该方法存在计算量大、计算结果不易收敛和难以解决高维边坡不确定性参数统计特征及可靠度更新等问题。本文基于粒子群优化反向传播神经网络算法建立边坡位移代理模型优化计算过程,提出了改进的基于子集模拟的贝叶斯更新方法,进而基于边坡变形监测数据进行参数统计特征及可靠度更新。最后,将提出方法应用到长春西客站深基坑边坡工程。 结果表明：提出方法能够融合有限的场地信息有效地更新边坡岩土体参数统计特征,推断其后验概率密度函数,进而更新边坡失效概率。利用更新的土体参数计算的边坡位移与实测数据吻合,验证了提出方法的适用性和有效性。另外融合监测数据进行贝叶斯更新之后,虽然土体参数的不确定性明显降低,但是边坡失效概率受外界气温、 监测点位置及数据量值的影响会增大。     

模拟降雨作用桩锚-加筋土组合结构加固边坡研究

桩锚—加筋土组合支挡结构在治理大型复杂滑坡中发挥越来越重要的角色。以某高填方山区机场滑坡为原型,进行降雨作用对桩锚—加筋土组合支挡结构加固边坡稳定性的模型试验研究。结果表明:①桩顶位移随注水时间产生三个阶段的变化:初期平缓发展阶段、突变增加阶段、再次平缓发展阶段。后排悬臂式桩桩顶位移变化量明显大于前排埋入式桩,因此,多排锚索抗滑桩加固边坡设计时,在后排桩悬臂情况下,宜考虑后排桩比前排桩截面尺寸大、锚索间距小来减小其桩顶位移,增强坡体稳定性;②填方边坡位移随注水时间变化,坡顶一级边坡位移量最大,随边坡级数增加,位移量减小,因此多级边坡加固可适当增加边坡锚索框架;③填方坡体沉降量随注水时间表现出后缘大、前缘小的趋势;④加筋土的变形与边坡坡体的变形一致,表明加筋土能够增强填方边坡的整体性;⑤各监测曲线最终均趋于平缓,表明桩、锚和加筋土组合支挡结构体系性能发挥良好。     

Midas-GTS(SRM)在边坡二维稳定性分析中的运用

Midas-GTS(SRM)是基于有限元强度折减原理对边坡进行稳定性分析的,它考虑了岩土体的非线性本构关系,其计算结果不仅能以云图的形式直观反映失稳边坡滑动面的位置,还能以动画的形式反映滑动面的形成、发展、贯通情况;并且还能得到边坡岩土体加固处理后结构的内力和变形。主要结合某边坡实例,运用Midas-GTS(SRM)对边坡进行二维数值模拟分析。通过对比边坡在无支护和有支护情况下的整体位移及最大剪切应变云图,对边坡整体稳定及支护效果做出了较为准确的分析及评价,在一定程度上,可以为今后类似工程提供理论参考和工程措施,具有一定的实用意义。     

地震作用下土石混合体边坡稳定性分析研究∗

目前对边坡进行的动力分析多是针对土质边坡或岩质边坡,忽略了土石混合体边坡这一特殊岩土体边坡,而少有的研究中都是将土石混合体边坡简化为等效均质土坡,忽略了块石的存在。利用数字图像处理技术,建立某一实际土石混合体边坡的细观结构模型,利用有限差分软件 FLAC3D 的动力分析模块分析对比了等效均质土坡与土石混合体边坡在地震荷载作用下的变形及稳定性。结果表明：土石混合体边坡在地震作用下首先在坡脚处出现剪切破坏,随作用时间增加逐渐在顶部产生拉裂破坏,最终形成完整的破坏带;土石混合体边坡的滑面受石块位置制约,具有“绕石现象”;在相同地震荷载作用下,土石混合体边坡破坏区贯通比等效均质土坡慢,最终产生的永久位移比等效均质土坡产生的永久位移小,块石的存在增加了土石混合体边坡的抗剪强度,提高了其稳定性。     

岩质边坡开挖卸荷岩体参数特征分析∗

岩质边坡的开挖卸荷过程直接决定工程施工的安全性,边坡变形特征分析及有效数值模拟方法的选取至关重要。基于卸荷岩体力学理论与方法,开展红砂岩试件的室内常规三轴与三轴卸荷试验,分析其变形特征、卸荷量与变形模量之间的关系以及强度参数的变化规律,结合有限单元法构建考虑卸荷作用的算例模型,探究考虑边坡开挖卸荷作用所引起的应力释放后的岩体劣化分区问题,以及边坡动态开挖卸荷下的变形分析。研究结果表明：①当卸荷量达70% 和临近破坏时,其变形模量分别降低了10% 和50% 左右;②岩样卸荷力学状态下粘聚力有所降低,内摩擦角有所增高;③依据边坡初始应力场与开挖后应力场的对比分析从而确定强、弱卸荷影响区,算例模型表明考虑卸荷作用后水平位移净增量计算结果为不考虑卸荷作用计算结果的4 倍左右,且其分步开挖支护效果显著,计算结果更加符合工程实际。研究成果可对边坡岩体开挖卸荷数值计算提供一定的指导意义。     

提高节理面c和φ对岩坡开挖变形的影响

为了反映岩质边坡在节理面注浆后的变形效应,首先,通过室内试验,分析注浆前后岩体变形和破坏的全过程,以探讨其抗剪性能(粘结力c和内摩擦角φ)的变化;然后,基于理想弹塑性本构模型的Mohr-Cou-lomb准则,运用拉格朗日元数值方法(FLAC3D),对岩坡注浆前后变形效应(水平位移、垂直位移、剪应变增量)进行模拟。结果表明:注浆加固后,岩体的位移场变得均匀和连续,节理面处的较大位移受到抑制,边坡的整体性得到提高,有利于边坡的稳定性。     

提高节理面c和Ψ对岩坡开挖变形的影响

为了反映岩质边坡在节理面注浆后的变形效应,首先,通过室内试验,分析注浆前后岩体变形和破坏的全过程,以探讨其抗剪性能(粘结力c和内摩擦角Ψ)的变化;然后,基于理想弹塑性本构模型的Mohr-Coulomb准则,运用拉格朗日元数值方法(FLAC3D),对岩坡注浆前后变形效应(水平位移、垂直位移、剪应变增量)进行模拟.结果表明:注浆加固后,岩体的位移场变得均匀和连续,节理面处的较大位移受到抑制,边坡的整体性得到提高,有利于边坡的稳定性.     

直埋式光纤传感钻孔注浆耦合材料配合比试验研究

采用钻孔埋设传感光纤是岩土体分布式光纤传感直埋技术的一种,为使传感光纤与周围土体变形协调,通常在钻孔内注浆,使传感光纤与周围岩土介质凝固为一体。根据对浆液凝固时间无特定要求和有特定要求的2种情况,通过试验研究了钻孔注浆耦合材料、配合比及其凝固后强度。结果表明:通过调整水泥与膨润土的比例以及水固比可以控制凝固体的无侧限抗压强度,使其强度与原位岩土体的近似相同;添加适量的水玻璃可以加快浆液的凝固速度。针对石家庄某隧道原位土体的力学参数,得到了满足现场施工要求的最优配合比,使浆液凝固后的力学指标与原位土体的近似相同。     

土钉支护抗震性能的振动台试验研究

为研究土钉支护结构体系的抗震性能,设计并完成了土钉支护边坡1:12比尺的振动台试验,研究了土钉支护边坡的动力反应特征和规律。结果表明:土钉支护边坡坡面的最大变形主要发生在边坡坡腹处,坡顶与坡趾的变形相对较小;增大土钉倾角会增大边坡的侧向位移,增加土钉长度以及减小土钉间距则会减小边坡侧向位移;土钉支护最大作用带基本位于土钉支护区的中前部,呈折线形,与计算假设的圆弧形不同,而且该作用带与滑裂面的位置并不相同;边坡土体中部和下部的加速度放大系数较小而且比较接近,边坡上部土体的加速度放大系数则较大。     

水位下降对某悬索桥桥基边坡稳定性影响分析

悬索桥桥基边坡由锚碇和桥墩构成复杂的的结构体系,其变形特点与天然边坡有很大区别。为深入研究水位下降对桥基边坡稳定性的影响,以某拟建悬索桥桥基边坡为例,采用有限元强度折减法计算了锚碇与桥墩耦合作用下水位下降不同高度边坡的位移、塑性点和安全系数变化规律。结果表明:随着河道水位逐渐下降,边坡发生主要水平位移的部位也随之下移,锚碇附近岩体位移受降水前期影响大;坡体内部塑性点主要分布在锚碇附近,分布范围随水位降低先增加后减少并最终趋于稳定;边坡安全系数随水位的下降先减小后增加,水位下降40 m后安全系数稳定在1.28;通过分析桥基边坡潜在滑裂面,确定了锚碇受拉是桥基边坡稳定性大小的控制性因素。计算成果可为大桥修建过程中边坡的稳定性评估提供参考。     

边坡开挖卸荷条件下稳定性研究

在原始和卸荷两种不同的力学状态下，分析了边坡的稳定性。岩石边坡开挖为卸荷力学条件，采用卸荷岩体力学的方法分析边坡的位移变形比较符合实际。     

基于偏应力增量的边坡开挖松动区的确定方法

对于开挖卸荷效应导致的边坡破坏现象,传统的极限平衡法无法给出合理的稳定性评价结果。以松动区作为开挖破坏型边坡的稳定性分析对象,选取偏应力增量为主要评判指标,归纳了通过数值分析法确定边坡开挖松动区范围的方法。首先将松动区定义为连续分布且对稳定性存在不利影响的弹性松弛区和塑性流动区的总和,认为开挖后偏应力场的调整是边坡变形破坏的主要原因。基于FILAC~(3D)软件平台编制了偏应力及其增量的计算程序。以某顺倾层状路堑边坡为案例,计算了开挖卸荷作用下偏应力场与位移场的动态发展过程。结果表明:岩土体偏应力与变形演化具有较敏感的相关关系,在松动区形成过程中偏应力增量等值线会相应地出现局部凸起、正负分区等异常现象。不同等值线凸起顶点的顺次连线即为偏应力变化异常与否的分界线,可作为松动区的内边界。所述方法可为堑坡稳定性分析、预加固设计等工作提供一定参考。     

软岩地区喷射混凝土边坡变形分析——温度场与应力场的耦合效应

由于混凝土材料与岩土材料的热传导系数、比热容与热膨胀系数的差异,使得喷射混凝土边坡在温度的循环变化下,容易在喷层与岩土层的结合面处产生应力集中而开裂.提出考虑地应力与温度应力耦合作用的有限元分析方法,分析了不同边界温度作用下,边坡喷层面水平位移、垂直位移的规律;指出在温度应力与地应力的共同作用下,喷射混凝土边坡的坡顶与坡脚都是容易发生破坏的部位,通常坡顶的破坏形式为拉张破坏而坡脚则为剪切破坏.当温度变化剧烈时,边坡的防护必须考虑温度应力的影响.     

浅埋隧道覆岩变形沉降的分布式光纤监测与分析

针对在浅埋隧道下穿既有设施的施工过程中上覆层变形难以实现分布式监测这一问题,基于脉冲预泵浦光时域分析(PPP-BOTDA)分布式光纤传感技术,以云南某浅埋隧道连续下穿二级公路和钢筋加工车间场地为例,提出分布式光纤的布设方案,对隧道上覆层沉降变形进行监测,分析上覆层的变形特征。结果表明:上覆层中光纤应变的时空演化过程与岩土体物理力学性质、掌子面推进过程、初衬支护作用以及水文地质条件有关;掌子面前方和后方上覆层分别处于拉应力和压应力控制区,掌子面的位置对应着拉—压应变过渡带。同时,将分布式光纤和地表水准仪沉降监测进行比较,两种方法测得沉降结果趋势一致,验证了分布式光纤在隧道施工过程中对上覆岩土体纵向沉降监测的可行性。分布式光纤监测由于能够获取覆岩的整体变形时空演化特征,具有较明显的优势。     

不同含水率下考虑筋土界面刚度软化的加筋边坡地震响应∗

加筋土结构具有较好的整体变形协调能力以及抗震性能，被广泛应用于边坡工程中。基于不同含水率下残积土及筋土界面室内直剪试验数据，在有限差分软件中考虑不同含水率下土体和筋土界面抗剪强度参数，并通过 FISH 语言编程在数值计算中实现筋土界面剪切刚度动态变化过程，分析加筋边坡在不同含水率、筋材长度、筋材间距及地震峰值加速度工况下的位移、应力、加速度响应。模型计算结果表明：相比不考虑筋土界面刚度软化情况，考虑筋土界面剪切刚度软化情况下含水率对加筋边坡水平位移和加速度放大系数的影响较大；坡面侧向位移、 坡顶沉降和筋材拉应力与回填土含水率呈正相关，加速度放大系数与含水率呈负相关；在一定范围内增加筋材长度能够有效降低加筋边坡坡面的水平位移；筋材间距对含水率越低的加筋边坡坡面侧向位移影响越大；地震峰值加速度越大，含水率对坡面水平位移影响越大。     

浅层滑坡中的乔木根系阻滑效应及变形特性试验研究

为探索乔木根系在浅层潜在滑坡中的阻滑效应及变形情况,课题组自行研制了大型根土复合体直剪仪,可模拟不同深度的浅层滑动面。结果表明:根系的存在有助于提高土体的抗剪强度,延缓土体破坏的能力;随着剪切面的下移,根系对土体的强化作用逐渐提高;根系在土中的分布情况会影响到根系对土体的强化作用,根系所在平面与作用力方向垂直时根系的阻滑能力最强;平行根与前后根在土中的变形范围基本相同,变形位移主要集中当前剪切面相邻的剪切面之间;平行根中左右根系在各剪切面处的变形情况基本一致,在当前剪切面处根系的变形位移最大,且当前剪切面之上的根系变形位移要大于下部根系位移;前后根中前根在当前剪切面上的变形位移小于后根,在当前剪切面及其下前根的变形位移要大于后根。该研究成果为拓展乔木根系对浅层边坡的治理提供了试验依据,对乔木的固土护坡作用研究具有积极意义。     

FLAC基本原理及其在边坡稳定性分析中的应用

FLAC是岩土工程中广泛应用的软件，介绍了其基本原理，如有限差分网格和有限差分方程的建立等，并应用其中的Mohr—Coulomb本构模型对一均质土边坡进行了边坡稳定性分析。     

地震边坡超低摩擦效应启滑机理分析

为研究地震作用下含结构面边坡的超低摩擦效应及启滑机制,将含单一结构面边坡简化为等效质量-粘弹性模型,采用理论分析与数值模拟相结合,以结构面法向应力状态及滑体与基岩的相对法向速度和位移为研究对象,得到了地震作用下基岩-滑体相对法向速度和位移以及结构面法向应力变化规律,揭示了含单一结构面边坡系统超低摩擦效应的实质。结果表明:地震载荷的波动造成滑体与基岩法向相对位移正负交替,结构面法向动应力正负变换,当结构面法向动应力为负时,系统出现超低摩擦效应,坡体发生累进性变形破坏。