考虑岩桥破坏的块体稳定性分析方法

经典块体理论在进行块体可移动性分析和稳定性计算时是分步独立进行的,默认不可移动块体是稳定的,对不可移动块体不再进行稳定性分析。实际工程中,某些阻碍岩石块体运动的“岩桥”可能发生破坏,使得不可移动块体发生滑动。当块体的规模比较大时,在重力作用下破坏局部岩桥的可能性会增高。文中提出一种考虑岩桥破坏的块体稳定性分析方法,不再默认不可移动块体绝对稳定,计算块体稳定系数时,将阻碍块体移动的岩桥的抗剪切力纳入到块体的抗滑力中。该方法首先找出块体所有可能的滑动面和裂隙交线,识别块体沿每一个方向运动时需要破坏的岩桥,基于摩尔-库仑强度准则计算出块体沿每个方向运动时的稳定系数,然后,选取最小的稳定系数作为块体的实际稳定系数,最小稳定系数对应的方向即为块体最有可能的运动方向。     

基于坐标投影法岩质边坡块体稳定性分析及其可视化研究

块体塌落或滑动是岩质边坡工程的重要破坏形式之一,因此块体稳定性分析是岩质边坡工程中一项极为重要的内容。以浙江仙居县神仙居岩质边坡为研究背景,对块体稳定性分析及可视化进行研究。基于线性回归法和非均匀有理B样条法提出拟合结构面和临空面的新方法。基于坐标投影法提出单滑面和双滑面型块体的稳定系数计算方法,将无人机与坐标投影法结合,并基于Matlab开发出适于岩质边坡工程中平面多面体块体和曲面块体稳定性分析的CPG程序。该程序可实现结构面、临空面及不稳定块体的空间表示及可视化。工程实践表明,该研究可高效、准确地处理落石、崩塌等工程地质灾害问题。程序计算结果与坐标投影块体理论计算结果基本一致,块体稳定性分析方法可靠,开发的CPG程序可行,可大幅提高块体稳定性分析效率,具有实际工程意义。     

基于块体单元法的岩石边坡安全系数研究

岩石边坡因其结构面数量众多、块体系统及其滑动方式复杂,给危险块体组合的搜索及其安全系数计算带来很大困难。基于块体单元法,对岩石边坡中的危险块体组合搜索及其安全系数的计算方法进行了研究。首先,在块体元强度折减计算的成果下,根据屈服面贯通理论提出搜索危险块体组合的新方法;然后,对安全系数计算方法进行研究,建议在位移突变判据下采用双线性交叉法计算安全系数;最后,进行了单面、双面和多面滑动以及复杂块体系统的算例分析,并与刚体极限平衡法计算结果进行了对比。结果表明,由于块体单元法考虑了力与力矩的平衡及结构面上应力的非均匀分布,其计算结果更准确。该方法有望广泛应用于复杂岩石边坡稳定分析。     

基于超载法的拱坝坝肩地震动力稳定性方法研究

拱坝坝肩地震动力稳定性一直是工程界关注的一大热点,然而对坝肩动力稳定性的评判方法和标准的研究还不成熟。为完善坝肩动力稳定分析方法,将有限元法与刚体极限平衡法的优势相结合,提出了地震动力超载方法以及极限累积位移评判标准。首先,基于有限元法开展实时动力分析,对坝肩可能的滑移块体采用多重网格应力插值求任意时刻的阻滑力和下滑力,确定其主滑方向,而后采用刚体极限平衡法计算每个滑块的动安全系数;同时,对瞬时动安全系数小于1.0的时段,进行加速度积分,求出滑块累积失稳位移。结合滑块尺寸及滑动面强度参数提出极限累积位移计算公式作为失稳判据,通过比较累积位移与极限累积位移判定滑块的稳定性。基于以上思路开发了一套坝肩动力稳定分析系统SAFEDAM。以沙牌拱坝经受反映5.12地震的人工波为例,开展了沙牌拱坝坝肩动力超载稳定分析,验证了极限累积位移判据的合理性。研究表明,沙牌左岸坝肩超载稳定安全倍数Kp0 =3.2,右岸坝肩超载稳定安全倍数Kp0 =4.2。工程实例计算表明,该方法计算坝肩动力稳定性使用较为方便可靠,具有较大的工程实用价值,为坝肩动力稳定性分析和评价提供了一条新路径。     

三峡工程地下厂房围岩块体变形特征及稳定性分析

基于现场地质调查及块体理论分析,确定了只考虑重力作用条件下三峡电站地下主厂房块体的典型失稳模式。通过三维数值模拟及变形监测分析,探索了不同部位、不同自然应力场条件下块体的二次应力场及变形特征,揭示了块体变形局部化特征及围岩应力对其稳定性的影响规律,并提出了相应的变形演化机制模型。利用强度折减法和极限平衡法分别对块体的安全系数进行计算,指出了采用极限平衡方法进行块体稳定性分析的误差特征。     

围岩动态演化与块体稳定性分析

以黄河上游拉西瓦水电站地下厂房为例,基于围岩动态演化和围岩应力的动态变化,运用块体理论分析了不同应力场状态下围岩块体的稳定性。研究结果表明,围岩块体稳定性、可能运动方式、滑动面（或滑面组合）以及滑动方向均显著地依赖于围岩应力场状态。在围岩动态演化过程中,拱项块体的稳定性随着垂直应力σv增大和水平应力σh降低而减小,而边墙块体的稳定性逐渐增加,但当σv〉σh则有所降低,反之亦然。应力状态的变化不仅影响块体稳定性,而且也使块体的滑动方式、滑动面、滑动方向发生变化。不同形态块体对应力状态的上述响应特征不同,短粗状块体反应更为明显。     

顺层岩质边坡稳定性极限分析上限法

基于极限分析上限法理论,运用体积力增量法,考虑单层滑动面极限分析模型的缺陷,建立考虑含结构面的多岩层错动的任意块体模型,利用岩块体在外荷载作用下达到极限破坏时,外荷载做的功与岩体消耗的功相等为基础建立等式方程,由此推导得到此类边坡稳定系数的计算公式。在分析典型边坡算例的基础上,对比离散元数值模拟结果,验证了该方法的可行性和适用性。对云南省普宣高速公路某顺层岩质边坡进行计算,其稳定系数接近离散元数值模拟结果,数值稍有偏大,边坡稳定。其研究结果为此类边坡稳定性评价提供了一种新的计算方法。     

G 109国道拉萨—羊八井段喀努纳危岩体变形破坏模式及稳定性分析

喀努纳危岩体发育于青藏铁路、G109国道和京藏高速公路的交汇路段,对交通工程施工建设和安全运营造成极大威胁。为了评价喀努纳危岩体的稳定程度,同时查明潜在崩塌的失稳条件和主控因素,深入系统地分析了危岩体的地质背景、发育特征及潜在变形破坏机理。利用块体理论和离散元方法,分别研究了自重条件和地震荷载作用下危岩体的稳定性及动力响应。研究表明,危岩体纵向上可以分为上部坡顶整体崩塌源、中部基岩裂隙带和下部块石堆积区,出露有4组优势结构面。通过计算得出,在自重条件下,危岩块体处于基本稳定状态;在地震荷载作用下,危岩体将会以剪切滑动、断裂坠落方式失稳;短时强震加剧了喀努纳危岩体内部损伤的累积。最后,文章给出了针对性防治和监测预警的建议。     

裂隙岩体抗滑稳定分析的概率方法

本文应用概率论和数理统计理论,探讨了裂隙岩体抗滑稳定分析方法。根据裂隙产状服从半球法线分布的假设,求得裂隙组集中产状的均值、方差和均值的可信区间。根据剪断试验资料,尝试用两点法确定抗剪参数的分布。采用极限平衡理论,应用蒙特卡洛法,计算坝肩岩体中可能滑动的块体的安全特征β和块体的稳定安全可靠度Pr,以此来评价该块体的稳定性。为了研究单个参数对稳定性的影响,在稳定性可靠度分析的程序中考虑了参数的灵敏度分析。最后给出了块体失稳的破坏概率Pf和安全系统Kc之间的关系,以便与常规的确定性分析加以比较。     

动荷载作用下隧道围岩块体稳定性分析及其应用

隧道围岩中的结构面将岩体切割成块体,块体在自然状态下的静力平衡因为隧道开挖而被打破,临空面的产生和动荷载的施加都可能导致块体的滑移,进而引起围岩失稳。以往应用块体理论寻找关键块体时,多只考虑纯重力的作用,而忽视了爆破振动、地震等动荷载对诱发失稳灾害的重要作用。将爆破振动荷载和地震荷载转化为等效静力,并通过数学计算求出使块体安全系数最低的动荷载方向,再利用关键块体理论矢量分析方法分析隧道围岩的稳定性。在长岗隧道中的应用表明,考虑动荷载作用下的块体安全系数明显小于只考虑重力作用时的安全系数,原本稳定的块体也可能在动荷载作用下变成关键块体导致围岩失稳,这与长岗隧道现场记录的破坏现象相符。     

小坡度海底土层地震液化诱发滑移分析方法

地震可使海底砂质、粉质土层液化并导致上部土层的滑移。基于有效应力有限元动力分析方法和Newmark刚性滑块理论,提出了一种计算海底小坡度（≤5o）土层地震液化引起侧向滑移的简化方法。该方法将波浪荷载简化为海底恒定的上覆压力和初始孔压,忽略了海水粘性对海底土层地震反应的影响,利用改进的Seed孔压模型进行动力分析和液化判别,用Newmark滑块理论计算了土层侧向滑移。通过算例和对比分析,研究了海水深度和土层坡度对侧向滑移的影响,表明该方法的有效性,可为近海工程场地地震地质灾害评价提供参考数据。     

复杂反倾岩质边坡的稳定性分析方法研究

以坡体内含有多组结构面的复杂反倾岩质边坡为研究对象,考虑结构面未将岩块与母岩彻底分离的情况,建立了复杂反倾岩质边坡的稳定性分析方法。首先,根据岩层的受荷状态和岩层间的接触关系,建立各岩层的挠度计算方法。然后,以岩层的挠度为关联变量建立方程组,通过求解方程组得到各岩层间的层间荷载,进而量化了边坡内各岩块后部结构面受到的荷载,并据此构建了各结构面的断裂力学模型。利用该模型并基于断裂力学建立了各岩块的稳定系数计算方法。最后,通过算例分析表明文中建立的复杂反倾岩质边坡稳定分析方法得到的结果与边坡实际破坏形态基本一致。     

考虑强度退化效应的堤坝抗震稳定性评价方法

考虑土的动强度随振动孔隙压力上升的衰减效应,将拟静力极限平衡分析和滑动体位移分析相结合,提出了堤坝抗震稳定性评价方法.首先,基于土工动力有限元分析,确定坝坡潜在滑动土体的平均加速度时程,进而,基于拟静力概念,采用极限平衡分析,确定坝坡的安全系数随时间的变化历程,其中当安全系数瞬时小于1时,表明坝坡在地震中处于瞬时超载状态,采用Newmark刚体滑块模型估算瞬时超载所产生的滑动位移,将各个超载阶段的滑动位移叠加,求得设计地震动作用下堤坝边坡的累积滑移量,根据这种方法所进行的数值计算与分析表明,考虑强度循环退化效应后所得到的坝坡滑移量更为合理.     

A rigorous solution for the stability of polyhedral rock blocks

Block theory has been widely applied to stability analysis of rock engineering due to its clear concept and elegant geometrical theory. For a general block with multiple discontinuity planes, it is assumed that contact is only maintained on a single plane (single-plane sliding) or two intersecting planes (double-plane sliding) in block theory analysis. Since the normal forces and shear resistances acting on the other discontinuity planes are omitted, it can cause unreasonable estimations of block failure modes and incorrect calculation of factors of safety. In this study, a new method is presented that permits to consider the contribution of the normal forces and shear resistances acting on each discontinuity plane to the block stability. The proposed method meets all of the force-equilibrium and moment-equilibrium conditions and provides a rigorous solution for stability of general blocks with any number of faces and any shape. Some typical polyhedral blocks in rock slopes are analyzed using block theory and the proposed method. The results indicate that the traditional block theory may give a misleading conclusion for the predictions of stability and sliding direction of rock blocks when contact occurs on more than two discontinuity planes.     

Effects of dynamic shear strength and time-histories stress analysis on newmark sliding block analyses

A simplified procedure for evaluating aseismic stability of slope subjected to earthquake shaking, in which the effect of dynamic shear strength and time-history stress on the yielding angular acceleration of sliding block is taken into account, is presented. The fundamental feature of this procedure is the dynamic shear strength. The numerical computations are performed by using the proposed method. It is shown that the computed sliding displacement for a given core dam, with either method of dynamic shear strength properly considered, is more rational compared with the conventional computational results based on static shear strength.     

Seismic stability analysis of a rock block using the block theory and Newmark method

Seismic stability analysis of a rock block is an important issue in the field of rock mechanics and rock engineering. To solve this problem, the block theory and the Newmark method are combined, and a general method for seismic response of a rock block is introduced. First, the formation method of a three-dimensional rock block, which includes establishing a topological relationship among the block-polygon face-edge-vertex and dividing a complex block into convex subblocks, is presented, and the simplex integration method is employed to calculate the volume of a rock block and the areas of the polygonal faces. Second, the assumptions and algorithms of the general method for seismic response of a rock block are detailed. The dynamic analysis is carried out in time step. In each time step, the key technologies including analysis of the seismic force and motion mode, trial of the incremental displacement, check for the block entrance, and update of the motion parameters are performed in order. Last, two verification examples and three application examples including a wedge, a rock block of slope, and a combined rock block are used to analyze the correctness and practicality of the general method. The results show that, for a given ground motion record, the Newmark program can effectively simulate the dynamic response process of the motion mode, velocity, and safety factor of the rock block, and the permanent displacement under the earthquake action is obtained, which provides a quantitative parameter to evaluate the dynamic stability of a rock block.     

地震作用前后极限平衡法和强度折减法的边坡稳定分析对比

分别运用极限平衡法和ANSYS强度折减法对国内某边坡地震作用前后稳定性进行了分析,考虑地震作用时采用了拟静力法施加水平和垂直两个方向的地震力.根据地震作用前后两种方法得到的边坡稳定系数、滑动面、滑动体的对比分析发现,两种方法得出的安全系数、滑动面相差不大,说明了强度折减法运用到边坡稳定分析中是合理的.强度折减法得出安全系数均比极限平衡法略大,这是由于强度折减法考虑了土体的应力-应变关系,使得计算结果更符合实际.通过地震作用前后边坡的水平位移图的对比,总结了一些规律,为地震区边坡的锚固提出相应的建议.     

考虑时程竖向加速度的Newmark滑块位移法

利用改进的Newmark滑块位移法,采用时程竖向加速度计算屈服角加速度,运用拟静力极限平衡分析和地震动力反应分析计算土工结构地震永久变形。算例计算结果表明,屈服角加速度计算采用时程竖向加速度得到的滑动位移位于竖向加速度假定恒定向上或向下之间。适当改变筑坝土石料的动力刚度,研究了滑动体位移关于动力刚度的敏感性,为土工建筑物的抗震设计提供依据。     

Study on the Sliding Displacement of a Sliding Structure Subjected to Multi-directional Earthquake Excitation

The investigation of sliding isolation is mainlyfocused on the response of a structure subjected to asingle directional earthquake excitation. Fan andTang (2001) studied the slide limited friction (S LF)base isolation system, using a sequential exponentialfriction model. Zhang and Cheng (2001) studied theisolated effect of a sliding bearing as a friction damp er. Xiong and Yu (2002) studied the numerical meth od of sliding isolation system. But studying a singlecomponent of e…