边坡岩体滑动稳定的动力学分析

在地震或爆破等强烈振动影响下边坡岩体往往产生块体滑动。这种失稳的动力学特性迄今尚未获得应有的研究。 在大部分现有的文献中都采用惯性力原理,将动力问题化为静力问题解决。这种常规的准动态分析,只考虑最大振动加速度,使问题过于简化而偏于保守。少数文献中探讨了动力问题,但也未考虑动荷载的全波形,所以未能解决块体滑动的真正的动力学问题。     

爆破影响下岩质高边坡浅表层块体稳定性研究

摘要:岩质高边坡整体稳定性主要受软弱结构面及其组合控制,在组合有利的情况下,边坡主要发生浅表层块体失稳,开挖时的爆破振动作用是影响浅表层块体稳定的重要因素。本文以大渡河中游某岩质块状结构高边坡为例研究浅表层块体的稳定性,在总结浅表层块体失稳特征的基础上,实测爆破振动曲线,进行块体稳定性评价。研究结果表明,开挖后已失稳浅表层块体大多小于10m3,80%受软弱结构面控制,70%集中在马道下缘;实测的浅表层块体爆破振动加速度曲线显示,与邻近围岩相比,浅表层块体振动持续时间长,频率低,峰值小;等效静力法评价结果较爆破参数推算法更适用于临界失稳浅表层块体的稳定性评价。     

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。     

大型地下洞室群关键块体地震响应分析

基于块体理论,针对地下厂房围岩中的关键块体,采用Newmark法进行了地震响应特征和稳定性评价方法的研究,研究表明,三向地震荷载组合作用下,在块体上引起的数值较大、作用时间很短的惯性力是关键块体产生永久位移的根本原因。块体在不同烈度地震荷载作用下其响应特征不只发生量的变化,还有运动规律、模式方面的变化。研究还发现,关键块体地震响应特征与其几何特征存在一定的相关性,并由此建立了大型地下洞室群围岩地震稳定分析的多因素、多指标评判方法。最后考虑结构面的退化效应,研究了块体地震响应特征关于结构面强度参数的敏感性,获得了一些有益的结论。     

基于滑面正应力分布的爆炸震动荷载作用下边坡稳定性分析

假定滑面正应力分布为2个待定参数的拉格朗日函数,推导出爆炸震动作用下滑体的水平力、垂直力和力矩平衡方程。通过算例分析证实计算方法的可行性,说明爆炸振动拟静力系数与边坡安全系数的关系。研究结果表明,垂直向下、水平指向坡外的爆破振动荷载以及两者的联合爆破荷载对边坡稳定性安全系数有很大的影响;爆破荷载拟静力系数从0增加到0.3 ,每步增加 0.05,爆破振动水平指向坡外时,边坡安全系数减少6.65%～23.54%,爆破振动垂直向下时,边坡安全系数减少1.18%～2.52%, 联合爆破荷载的方向对边坡稳定性也有影响。     

地震作用下无衬砌黄土隧道围岩结构安全系数的计算探讨

为了得到无衬砌黄土隧道围岩结构在地震作用下的安全系数,借助有限元软件ANSYS,首先采用水平地震作用下的动力分析模型进行模态分析,得到质量阻尼系数和刚度阻尼系数;其次,输入地震波进行动力时程分析,得到模型顶点的最大水平位移;最后,采用静力分析模型,并考虑自重和左右边界上顶点水平位移最大时的侧向边界节点水平位移,通过不断折减围岩土体的抗剪强度参数,即黏聚力c和内摩擦角?,直到计算不收敛为止,从而得到无衬砌黄土隧道在地震作用下的安全系数。数值算例表明：所采用的方法是可行的,地震作用会使得围岩结构的安全系数降低,从而为以后黄土隧道围岩结构在地震作用下安全系数的计算及其工程应用提供了理论依据。     

隧道围岩结构地震动稳定性分析的动力有限元强度折减法

为了得到隧道围岩结构的地震动安全系数,借助通用有限元软件ANSYS,首先对水平地震作用下的模型进行模态分析,得到质量阻尼系数和刚度阻尼系数;其次由静力分析模型得到竖向边界上的水平向支座反力,然后将结构自重转化为温度边界条件,通过热分析得到模型各节点的温度,从而实现在动力分析中考虑重力的影响;最后采用悬臂梁动力分析模型,导入热分析获得的模型各节点的温度,并在竖向边界上施加水平向支座反力,通过不断折减围岩塑性区的凝聚力c和内摩擦角?,直到计算不收敛为止,从而得到隧道围岩结构的地震动安全系数。数值算例结果表明：采用的方法是可行的,将围岩结构自重转化为节点温度的措施解决了以往动力分析不能考虑结构自重的难点,进而为以后地震作用下隧道动力安全系数的计算及其工程应用提供了理论依据。     

爆破地震波作用下既有圆形隧道衬砌动应力集中系数分析

将爆破地震波进行合理近似简化,采用波函数展开法,推导出无限岩石介质中爆破地震波作用下隧道围岩和衬砌动应力集中系数的表达式。结合具体算例,分析隧道不同位置上爆破地震波主频、隧道几何参数和隧道围岩和衬砌物理力学指标对动应力集中系数的影响。分析结果表明,爆破地震波主振频率对隧道围岩和衬砌中的动应力集中系数（DSCF）影响较大,隧道不同位置和不同方向应力的动应力集中系数随主振频率的变化趋势不同,低主振频率引起的动应力集中系数较大,不利于隧道的抗爆破振动;隧道几何参数对隧道围岩和衬砌内侧切向应力动应力集中系数影响趋势不同;隧道衬砌弹性模量对隧道结构动应力集中系数影响较大,泊松比次之;泊松比较大的隧道围岩具有一定的抗爆破振动作用,但效果有限。     

列车移动荷载对下穿公路隧道稳定性影响研究

将列车荷载模拟为单一的移动荷载,考虑围岩为黏弹性成层地基,利用分层法研究了移动荷载作用下围岩的动力响应,得到了围岩在动力荷载下的受影响范围,从而可评价列车荷载对下穿公路隧道稳定性的影响程度。最后将理论分析结果与现场量测结果（主要是上方列车荷载通过时量测下方公路隧道的振动响应）进行对比分析,二者吻合较好。     

爆破荷载作用下露天矿边坡稳定性的突变研究

基于二维斜坡平面滑动失稳力学模型,引入爆破荷载因素,建立了露天爆破荷载作用下岩质边坡失稳的尖点突变理论模型。根据建立的突变模型,探讨了爆破荷载幅值和爆破荷载频率对边坡稳定性的影响规律,导出了边坡的动态自稳临界高度,并提出了失稳的判据条件,结果表明：爆破荷载幅值越大,爆破荷载频率越小,后缘裂缝深度越大,边坡失稳的可能性越高;在爆破荷载作用下,边坡的稳定程度是动态变化的,且随着应力波入射角的增大,边坡失稳破坏的可能性不断提高。以大孤山露天矿内的两处边坡为例,计算了边坡的动安全系数及动态自稳临界高度,利用边坡当前实际的稳定情况验证了提出的边坡失稳判据的合理性,为预防露天矿爆破在开挖过程中边坡岩体的动力失稳提供了一定的理论支持。     

Design criteria for roadway supports to resist dynamic loads

Summary Conditions under which dynamic loads occur in mines are briefly described and the special vulnerability of roadways in coal mines to fail under dynamic load is considered. A method for assessment of shock load energy anticipated is proposed, based on the volume of rock and the velocity of rock particles induced by rapid rock failure and/or seismic tremors. Case examples from Upper Silesian coal mines are given and the safety factor of steel supports against the shock energy from rockbursts is discussed. The shock energy damping ability of various parts of steel supports and support systems is calculated as a basis for rational support design. Results of six mine experiments where various types of roadway support were installed and then loaded dynamically by blasting within surrounding rocks are discussed.     

基于小波能量的爆破震动巷道围岩稳定性判据

目前爆破震动荷载作用下地下围岩稳定性判别主要依靠单一强度因子的独立阈值稳定性判据,这类判据多为定性分析,没有同时考虑爆破震动三要素的综合作用效果,且未建立稳定性判据与巷道围岩破坏程度之间的定量关系,在实际工程应用中存在一定的缺陷和不足。通过建立爆破荷载作用下的不同类别巷道围岩有限元模型,提取巷道围岩的响应信号,基于小波变换理论建立时间能量密度函数分析巷道围岩响应信号的时、频域特征,进而将时间能量密度曲线与时间轴围成的面积TEDI作为评估爆破震动效应的判别指标,建立了TEDI与巷道围岩损伤程度的定量关系,为进一步完善基于小波能量理论的巷道围岩损伤预警体系奠定基础。     

隧洞开挖围岩动态卸载响应特征模拟研究

考虑隧洞瞬态开挖卸载并分析围岩的动态响应对研究其变形破坏机制非常重要。在静水压力圆形隧洞动态卸荷模型理论分析的基础上,采用FLAC3D的Fish语言开发了隧洞开挖动态卸载围岩响应模拟计算程序。验证算例模拟结果与理论结果对比,证明了程序的正确性,围岩的应力变化和体积应变增量均呈现由表及里的波浪型变化,能较好地模拟围岩的动态卸荷响应。根据Griffith强度准则计算得到的不同时刻围岩的损伤范围表明,考虑动态卸载时围岩的损伤区比采用静态分析要大。采用该程序分别模拟了不同卸载时间、卸载路径、隧洞形状、隧洞直径、地应力等条件下,隧洞动态卸载围岩的动态响应。结果表明,在卸载时间变短、先慢后快卸载路径、洞形为方形、洞径变大和地应力差值增大的条件下,隧道围岩内最大、最小主应力应力差也增大。深部隧洞采用瞬态卸载分析对于深入研究围岩变形破坏机制具有重要意义。     

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。     

Dynamic stability analysis of rock slope considering the strength vibration degradation of through-type rock discontinuitiesEI北大核心

考虑结构面抗剪强度震动退化效应对分析与评价岩质边坡动力稳定性具有重要意义。基于岩石动力试验获取了多因素影响的结构面强度震动退化系数方程,结合极限平衡理论和动态矢量法原理,以UDEC程序作为计算引擎,采用其内置Fish语言编程实时刷新结构面强度特性参数和捕获任意地震历时时刻边坡地震惯性力,并以最小平均安全系数法求解边坡最终动力稳定性评价指标值,从而提出了一种考虑结构面强度震动退化的边坡动力稳定性系数动态算法。研究表明:结构面强度震动退化系数是取决于岩块间循环剪切次数、循环剪切幅度及相对运动速度响应值的动态变量;将该算法应用于含贯通型平直状结构面边坡动力稳定性算例中,其分析结果表明,动力作用时程内考虑结构面强度震动退化的边坡动力稳定性系数较未考虑该效应时的系数衰减更为明显,即前者计算结果更符合一般性自然规律,亦即验证了该算法的可行性;结构面最小强度震动退化系数随动力激励时程变化近似呈负指数函数形式逐渐衰减,且当结构面初始黏聚力(内摩擦角)越大、而坡角(层面倾角)或动荷载幅值(频率)越小时,地震历时过程中边坡最小动力稳定性系数越大,此时边坡最终动力稳定性相对越强。     

深埋隧洞爆破开挖荷载诱发围岩损伤特性

深埋隧洞爆破开挖荷载构成复杂,对围岩损伤区的孕育发展具有重要影响。利用颗粒流程序（PFC）软件,讨论了不同初始地应力状态下爆炸荷载及地应力瞬态卸载所分别诱发围岩损伤的特性,并通过锦屏2级水电站引水隧洞爆破开挖损伤区检测数据对数值模拟的结果进行了验证。研究表明,爆炸荷载和地应力瞬态卸载所诱发的围岩损伤程度和范围均随地应力量级的提高而显著增大;爆炸荷载作用条件下损伤区的分布有随着侧压力系数的增大而向应力集中区发展的趋势,而地应力瞬态卸荷所产生的围岩破坏以受拉破坏为主,表层损伤区沿开挖呈轮廓均匀分布的趋势;在相同的初始地应力状态下,爆炸荷载和地应力瞬态卸荷所分别诱发的围岩损伤区深度均明显小于实测值,考虑二者的耦合效应后,计算值与实测值基本吻合。这说明这两种荷载是高应力条件下爆破开挖荷载的主要成分,但二者耦合作用对围岩的损伤大于它们单独作用效应的线性叠加。     

块系岩体滑移失稳中低摩擦效应的理论与试验研究

深部岩体具有块状层次结构,深部动载造成岩块发生相互间的振动脱离产生低摩擦效应,从而极易诱发原先处于平衡状态的岩体的动力变形破坏。在前人研究基础上,将块系岩体振动简化为等效质量-黏弹性模型,引入岩石摩擦滑移速率弱化模式,最终得到块系岩体滑移失稳计算模型。通过计算分析块系岩体自身特性及外荷载特性对岩块间低摩擦效应的影响。理论计算表明：水平静力及外扰动保持不变,增大岩块间弹性系数或者减小黏性系数,更容易引发岩体低摩擦滑移。随着冲击扰动、水平拉力幅值的增加,岩块的水平残余位移量值增加,当它们幅值超过一临界值时,岩块发生自持续滑移失稳运动。冲击扰动诱发岩块间不可逆位移、动力滑移失稳的临界能量与剪切力水平密切相关,在较大的剪切内力条件下,极其微弱的动力扰动即可诱发较大的岩块间不可逆位移甚至岩块的动力滑移失稳,随着剪切内力的减小,诱发岩块滑移失稳的能量阈值不断增大,当剪切内力低于岩块动摩擦强度时,单次冲击扰动只能诱发岩块间的不可逆位移。初步开展扰动诱发含初应力紫砂岩块体滑移试验,试验结果与理论计算基本符合,证明该模型的可行性。