岩质边坡稳定性分析的探讨
第24卷增刊岩
土
力学
V01.24
Supp.
2003年10月
RockandSolIMechanics
Oct.2003
文章编号l1000--7598--(2003)增2—0307—03
岩质边坡稳定性分析的探讨
张飞,
池秀文
(武汉理3-大学资环学院.
湖北武汉430070)
摘要:通过最大剪应力等值线来确定边坡的滑动面,并与其结构面抗剪强度相比较,给出了确定边坡的稳定系数的方法。关键词:抗剪强度;安全系数;
结构面
中图分类号:TU457
文献标识码:A
Thediscussion
on
stabilityanalysisofrockslopes
ZHANGFei,CHIXiu-wen
(Wuhanuniversityoftechnology,Wuhan
Huibei,430070)
Abstract:Themaximumequivalencelineofshears-stressisanalyzedforascertainingtheslipplaneofsideslope,andcomparedwiththe
shearstressstren6吐hofengineering-geologicaloftheslipplane.Aideaaboutresearchingthestabilityfactorofsideslopeisputforward.
Keywords:shearstressstrength;safetyfactor
1
引言
稳定性分析的新思路,以供大家讨论。边坡是人类生活和进行工程活动最为普通的2
岩体的破坏机理
地质环境。边坡岩土体的崩塌、滑坡、泥石流等失岩体是一种不连续、非均质体。对岩体的宏观
稳破坏形式会给人民生命和财产造成了巨大的损破坏机理,前人做了很多研究工作,近来,不少学失。为了最大限度地减少由此带来的损失,国内外者开始了岩体的微观破坏机理的研究,发现岩体中许多的学者和工程人员对各类边坡进行了大量的广泛存在着裂隙,当应力(尤其是拉伸应力和剪应力)研究,在对边坡灾害的预报和防护治理方面做出了在裂隙尖端发生应力集中时,岩体中的裂隙会发生大量令人瞩目的成果。而边坡的稳定分析方法研究扩展和贯通,最终会导致岩体破坏。由Gri伍th假一直是边坡稳定性问题的重要研究内容,也是边坡定,破裂是由微小的格里菲斯裂缝尖端的应力集中稳定性研究的基础川。
引起的,而这些微小裂缝在材料中是普遍存在的,传统的稳定性分析通常采用条分法、剩余推力当方向最有利的裂缝尖端附近的最大应力达到材法、以及极限平衡法等方法,这些经典的方法经过料的特征值时,破裂开始发生。
不断的完善,变得相当有效实用,在边坡工程的研究中的作用是有目共睹的。然而,无论是条分法还边坡预滑面的分析
是极限平衡法,在进行稳定性分析时,都要事先假想滑动面。而在确定滑动面时,很大程度上是通过岩体中广泛存在着结构面,诸如裂纹、节理、工程地质经验,把最具影响的几条结构面进行勾连夹层、断层等,所有这些都会对岩体的强度造成很来确定岩体的滑动面,这样做的人为因素很突出,大的影响。具有这些性质的该类边坡变形破坏的主而且也不能真实的反应岩体破坏的机理。本文试图要影响因素是控制性结构面的产状、地形、空间分通过最大剪应力等值线来确定预滑面,提出了一种
布范围、结构面组合关系和结构面的抗剪强度【21。
收稿日期:2003-06.30
作者简介:张飞,男,1980每生・现为武汉理工大学硕士研究生.
308岩土力学
2003年
对于结构面特征非常明显的边坡,利用结构面的勾
连所确定的滑动面进行稳定性分析,基本上可以反映实际情况。然而,对一些结构面特征并不很明显的岩质边坡,.这样做实际上并不合理。
首先,其结构面特征并不是很明显,可能不足以形成边坡破坏的主要控制因素,这时单从地质条件和经验上去确定滑动面是不是可行,有待商榷;
㈤=古』挚y
式中
()表示平均值。
对于一个具有N条边的多边形,上式可写成对
Ⅳ条边求和的形式:
其次,结构面处的应力若没超过其强度,一般情况下是不会产生破坏的。
相反,岩体中的次要结构面(裂纹、节理等)由于应力的集中,从岩体的微观破坏机理看,也可能发生破坏。
由此可知,对于结构面特征不明显的岩质边坡,确定滑动面时显然不能通过勾连结构面的方法来实现。如前所述,剪应力实际上对岩体的破坏作用相当明显,有时甚至起到控制性的作用。可以通过综合考虑岩体结构面和地质条件来描绘岩体的最大剪应力等值线,并把最大剪应力等值线作为其滑动面,通过分析滑动面处岩体结构面的抗剪强度来确定岩体的稳定系数,并对边坡的稳定进行评价。
3.1剪应力等值线的描绘
・剪应力等值线地描绘采用近年来快速发展起来的一种分析方法一FLAC(Fast
LagrangianAnalysis
ofContinua快速拉格朗日差分分析方法)获得,该方法同时将有限元和离散元法有机地统一起来,可以有效计算岩体的应力场和变形场。
3.1.1
FLAC的基本原理
与有限元的原理相似,FLAC采用差分方法求
解,把研究对象离散为许多小块,通过数值分析方法计算互相联系的结点处的应力与应变。因此,采用FLAC首先要生成网格,将物理网格映射在数学网格上,这样数学网格上的某个编号为(,,,)的结点就与物理网格上相应的结点的坐标O,力相对应,然后通过数值方法求解各结点处的应力、应变。
FLAC基本原理用数值方法pJ简述为:假定某一时刻各个节点的速度为以知,则根据高斯定理可求得单元的应变率,进而根据材料的本构定律可求得单元的新的应力。
对于函数F有
口j.Fnfis=謦y
口
v¨j
式中
V为函数求解域(或单元)的体积;曰是V的
边界:%是V的单位外法线矢量。定义梯度aF/ex,的平均值为
倦)=古莓劢蝎
∽
式中蝇为多边形的边长;E为F在蝇上的平
均值。
假定以速度厅,代替式(3)中的E,且五,取边两
端的节点(即差分网格的角点)口和b的速度平均值,
则
(考>=专∑眙。4“6k,ASl]≈考㈣
对于三角形单元:
㈤=拙1)+彰2’h衅)+(妒Ⅵ)).
以』蝇‘6’+(西。(3)+tit(i))刀』AS,∽】
(5)
腿可求得(韵值。
由几何方程可求得单元的平均应变增量为
(刈5Ⅳtil她\l+(鼍)卜
㈣
由胡克定律,各向同性材料的本构方程为
%=2∥勺+旯a昂
(7)
式中
五,∥为拉梅常数:0=%=毛.+岛2+岛3;即体积应变,当i-W,岛=1:当i--j时,磊=0。
因此,单元的平均应力增量可表示成
(△%)=确(△目)+.vFvI.cY∥
(8)
若以应力表示应变,则本构关系为
(Aeg)=半(△%)+詈,l如
(9)
式中y为泊松比;E为弹性模量:‘为应力第一不变量。
通过上述式即可迭代求解各单元相应的应力
增刊张飞等:岩质边坡稳定性分析的探讨
与应变。
3.1.2
FLAC的基本操作步骤
(1)根据边坡的地质条件,选取一个具有代表
性且能基本控制全区的地质剖面作为计算依据,并抽象出一个计算模型;
(2)定义好所要研究的区域,利用FLAC程序自动划分好单元网格,并选取适当的边界条件:
(3)选取适当的本构模型,一般采用Motlr—Coulomb本构模型:
(4)根据不同岩体的不同力学性质,分别赋予不同的物理力学参数值,根据需要进行迭代,利用
上述计算原理可得到不同状态下单元的应力和应
变值。
这样,无论是在边坡开挖过程中还是在开挖后,都可根据FLAC确定边坡的应力场,任意取某状态的边坡进行研究,计算其应力场,通过剪应力等值线色谱图可以清楚的看到最大剪应力等值线。3.2预滑面的确定
对于结构面特征不明显的边坡,应力最大的部分其遭受破坏的可能性越大。因此,可以把边坡的最大剪应力等值线作为边坡预滑面进行研究,从其所处的应力状态入手,再综合考虑岩体的强度和性质等来分析边坡的稳定状况。
4滑动面处单元的宏观抗剪强度
由于岩石试验材料的尺寸以及所处的应力状态在试验条件下受到种种约束,不可能与岩体一致,岩石的试验抗剪强度的结果具有明显的空间离散性,文献【2】应用向量随机场分析的方法对岩体结构面的宏观强度特性进行了研究,通过用数值方法求解宏观材料上/下本体结构面特征单元抗剪强度的控制方程组,可以找到对应于某个结构面倾角的最小宏观抗剪强度值。f2J
5边坡的稳定性评价
一般的稳定性评价是通过分析边坡的安全系
数来进行的,尽管这种方法存在着很多的缺陷,然而作为经典的评价方法,通过安全系数来评价边坡的稳定性比较直观,而且如果安全系数的确定方法选取的合理,安全系数是能够客观地反映边坡的稳定状况的。
滑动面单元存在的结构面大大降低了自身的抗剪强度,从最软弱处开始破坏,逐渐形成滑坡或崩落等破坏。通过对模拟滑动面单元的结构面抗剪强度以与滑动面的剪应力r进行标量计算,可得边坡的安全系数。即:
E=∑
(10)
f
・
式中
E为安全系数;f。为滑动面单元的结构面
抗剪强度:f为滑动面的剪应力;E=1时,边坡处于极限平衡状态,以此作为判定边坡的稳定性标准。
6结语
、
本文以边坡在某应力状态下的最大剪应力等值线来确定预滑面,并通过综合考虑滑面单元的抗剪强度来评价边坡在该应力状态下的稳定性,在理论上是合理可行的,而且所确定的稳定系数偏于安全。本文研究结果还有待于在实际工程中进行验证。这是本文最大的遗憾,希望予以各同行指正。
参考文献
【1】刘立平等,边坡稳定性分析方法的最新进展【J】.重庆大
学学报(自然科学版),2000,23(3):321—325.
【2】包永兴.边坡稳定性分析中主要影响因素的判别.四
川水利,1998,19(3):315-3158.【3】
黄润秋等.地质灾害过程模拟和过程控制研究【M】.北京:科学出版社,2002.【4】
吴传清等.岩体结构面宏观抗剪强度的随机场分析【A】.中国岩石力学与工程学会第七次大会论文集【C】.
北京:科学技术出版社,2002:209—213.
岩质边坡稳定性分析的探讨
作者:作者单位:
张飞, 池秀文
武汉理工大学资环学院,湖北 武汉 430070
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