锚固岩石边坡地震稳定性拟动力分析

地震易发地区的锚固岩石边坡,需要研究其地震稳定性。对于锚固典型岩石边坡,在考虑水平与竖向地震力、张裂缝积水深度、坡顶超载、锚索倾角、锚索位置、锚索拉力及静水与动水压力等的条件下,运用拟静力和拟动力方法分别推导了不同工况条件下其抗滑和抗倾覆地震安全系数。分析表明,竖向向上地震力有利于锚固岩石边坡的抗滑稳定,而竖向下的地震力有利于锚固岩石边坡的抗倾覆稳定;在相同工况条件下,当岩体放大系数等于1.0时,拟动力与拟静力方法所得锚固岩石边坡地震安全系数相差无几,但是,当岩体放大系数逐渐增大时,拟动力方法所得地震安全系数越来越明显地小于拟静力方法所得地震安全系数。因此,在抗震设计当中适当的考虑岩体放大系数,将会有利于锚固岩石边坡的安全设计。     

岩质块体渐进破坏的稳定分析方法

岩桥的破裂贯通是一种非连续变形现象。强度折减技术虽然是渐进破坏过程模拟的主流技术,但其不具备描述非连续变形现象的能力。提出连通率折减法和刚度折减法来模拟含非贯通结构面岩块的渐进破坏过程,并建立考虑渐进破坏过程的块体稳定分析方法。首先,引入Goodman单元来描述共面非贯通结构面的岩桥部分和裂隙面部分,建立静力平衡方程来求解滑裂面内岩桥单元和裂隙面单元的应力。其次,岩桥单元采用Griffith准则来判别破坏,利用连通率折减法来描述其破裂;裂隙面单元采用MC准则来判别破坏,用刚度折减法来描述其屈服;通过循环迭代,模拟岩桥单元的破裂过程和裂隙面单元的应力调整过程,实现整个滑裂面的渐进破坏过程模拟。然后,定义考虑渐进破坏过程的滑裂面极限状态;通过自重超载方式将滑裂面推送至极限状态;基于极限状态设计的理论框架,计算度量块体稳定性的安全系数指标。工程实例分析结果表明,渐进破坏过程模拟结果与现场调查结果是一致的。渐进破坏过程的模拟实现,有助于岩质边坡变形破坏机制分析从定性分析阶段扩展至定量分析阶段。     

基于统一强度理论的岩质边坡稳定动安全系数计算

岩质边坡稳定性分析中常用的Mohr-Coulomb、Drucker-Prager屈服准则,其未考虑中间主应力效应或拉压不等效应,较难反映三维复杂边坡空间应力状态。统一强度理论包含了一系列破坏准则,通过调整参数b可反映中间主应力或中间主切应力的影响程度。利用ABAQUS开发了基于统一强度理论材料子程序(UMAT),首先以三维含结构面岩质边坡为例,采用强度折减法,分别计算 为0、0.25、0.5、0.75 与 1 共5种考虑中间主应力不同程度情况下三维含结构面岩质边坡动安全系数曲线。计算结果表明：不同 值情况下所得动安全系数数值不同,但曲线变化形状一样,最小安全系数均发生在相同时刻;另外,为更清晰地了解三维真实应力状态对安全系数的影响,从三维岩质边坡中抽取二维剖面进行了同样的计算。结果表明,在相同 值情况下,三维模型计算所得安全系数较二维模型大;随着 的增大,安全系数增大,说明不考虑中间主应力的二维计算结果低估了安全系数的大小,即三维真实应力状态下的边坡应具有更高的稳定性     

块体理论在潜在崩塌体稳定性分析中的应用

随着国民经济的快速发展,公路、铁路、水利水电、矿山等工程建设的高陡岩质边坡越来越多,崩塌的问题就越来越突出。由于崩塌地质灾害给公路、铁路工程建设和运营安全造成严重的威胁,为了有效防止崩塌地质灾害的发生,保护人民生命财产的安全,文章提出在边坡工程地质调查基础上,采用块体理论,预测边坡潜在的崩塌范围。而块体理论是近年来发展和完善的一种适合于岩体稳定性分析的行之有效的工程分析方法。文章采用块体理论中的矢量分析法与赤平投影相结合的方法,用Matlab软件开发了相应的计算机程序,将其应用于潜在崩塌岩体的稳定性分析,可自动找出可动块体,为崩塌地质灾害的监测预报以及治理等提供了依据。     

Comparative study of Sarma's method and the discontinuous deformation analysis for rock slope stability analysis

This paper presents a comparative study of two methods, Sarma's method and the discontinuous deformation analysis (DDA), for rock slope stability analysis. The comparison concerns the stability analysis of two classic rock slopes. The study shows that the DDA, which accounts for the block kinematics, provides a very different factor of safety as compared with Sarma's method. More realistic reaction forces around each rock block can be obtained by the DDA, including the thrust forces between rock blocks and the forces between the base and the blocks. The DDA's result shows two possible directions for the relative movement between two contiguous blocks at the initiation of slope failure. It also indicates that the limit equilibrium condition may not occur along the interfaces of rock blocks at the initiation of slope failure. The determination of realistic interaction forces around each block will be very important in rock slope stability analysis if nonlinear failure criteria are considered.     

节理岩体关键块体稳定的概率分析

基于地下岩体受节理面的控制,节理面的几何和力学参数随机分布,从而导致岩体系统具有高度不确定性,提出以关键块体理论为基础,考虑节理几何和力学参数随机性的岩体开挖可靠度分析方法,并给出了块体稳定的总失效概率评价模型。以澳大利亚阿德莱德地区一铜矿地质条件为例,以节理面倾角、倾向、摩擦系数和黏聚力为随机变量,通过Monte Carlo模拟和概率图方法,进行了岩体可靠度和失效概率的计算。最后,采用条件概率的分析方法,计算了单面滑动块体的总失效概率。计算结果表明,块体沿单面滑动并且出现的概率为11.0%,总的失效概率为3.85%,超过一般岩体工程可允许的风险水平,认为该方法可以作为评价块体可靠性的依据。     

Seismic stability analysis of a layered rock slope

In general, the determination of the factor of safety and the location of the critical slip surface are two major challenges in seismic slope stability analysis. In this paper, a new approach for determining the factor of safety and the corresponding critical slip surface of a layered rock slope subjected to seismic excitations is presented, through a case study based on the combination of the shear strength reduction technique and distinct element method. According to this proposed method, the seismic factor of safety and the critical slip surface of the slope are estimated and compared with those obtained by the pseudo-static approach, combined with the limit equilibrium method. It is found that the factor of safety obtained from the proposed method is slightly greater than that computed by the pseudo-static analysis, with a difference of 4.2%, and that the critical slip surface obtained from the two methods is identical, which confirms the reasonability and feasibility of the proposed method.     

基于结构面抗剪强度演化的块体动力稳定性分析

传统块体理论仅针对块体的静力稳定性分析,而未涉及到动力稳定分析。因此,借用Newmark法累积滑移量的概念,基于块体理论对定位块体在地震历时作用下的动力稳定性进行了研究,提出了以块体累积滑动位移和动安全系数两个指标共同评价块体动力稳定性。提出一种接触面识别及面积计算算法,它考虑了接触面积变化对块体稳定的不利影响,也可用于块体滑动的大变形分析,考虑了块体滑动过程中结构面抗剪强度的演化,可对复杂的凸形块体及凹形块体进行静、动力稳定性分析。将其应用于三峡升船机乘船箱左侧边坡的块体稳定分析中,结果显示块体在强震作用下发生了一段距离的滑动,但震后仍可保持稳定     

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。     

岩石边坡稳定的块体单元极限分析上限法

将块体单元法与极限分析上限法相结合,提出了岩石边坡稳定的块体单元极限分析上限法。借助于块体单元法离散计算区域,通过块体系统速度场在结构面上满足Mohr-Coulomb屈服条件、关联流动法则、速度边界条件以及块体系统虚功原理,构成求解边坡强度储备安全系数上限解的非线性规划模型,模型的求解采用复合形法。最后研究了一个岩质楔形体边坡算例和小湾水电站进水口边坡实例,通过将块体单元法上限分析计算结果与刚体极限平衡法相比较,验证了该方法的正确性。     

大型地下厂房块体稳定性简便分析方法

块体是结构控制型岩体中常见的潜在危险源之一。利用极限平衡法及强度折减法两种方法计算了某在建特大型水电站地下厂房开挖揭露的部分块体的安全系数,并根据计算结果提出一种利用块体几何及力学参数判断其稳定性的简便图解方法,经现场监测数据验证计算结果可靠性可满足工程要求。研究表明,对同一块体而言,极限平衡法和强度折减法得到的安全系数以及对其稳定性的总体判别结果并不一致。强度折减法受软件算法及网格尺寸影响,结果偏于保守。简单块体的安全系数计算应以极限平衡法为主,而复杂形态块体的安全系数用强度折减法计算较为方便。利用垂向地应力、块体体积、最大角点深度及结构面等效强度等4个指标并结合块体稳定性判别分区图,可满足快速判断块体稳定性的需要。对于判别为不稳定的块体,应及时支护并考虑加强支护。研究成果可用于类似工程块体稳定性的快速分析。     

地震动作用下滑坡稳定性分析

应用地震危险性分析理论和地震动人工合成技术,给出Newmark法中所需的地震动时程.通过滑坡实例计算,得出了坡体中地震动峰值加速度与深度存在负指数关系;坡体对地震动放大倍数与坡体厚度近似呈线性关系.通过对Newmark法中不同地震动时程作用位置的计算对比,发现使用地面地震动时程得到的结果虽有些偏于安全,但基本是合理的.     

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。     

裂隙岩体一般块体理论初步

本文在前人工作的基础上提出了一种通用方法解决任意大小裂隙、任意形状工程岩体的岩石块体识别及稳定性计算问题.在这一方法中裂隙既可以是实测裂隙也可以是通过随机模拟方法生成的随机裂隙,工程岩体可以是任意由多面体组合成的形状,如复杂边坡或地下洞室,而且岩体和裂隙面可以是非均质的.这一通用过程被称为一般块体理论.它克服了关键块体理论(或楔形体法)中存在的弱点:即把裂隙假设为无限大的不连续面,因此无法预测岩石块体的数量和位置,而且一般只能识别出简单形状的凸形体.它在块体识别的同时将复杂的块体分解为几个简单的凸形块体,从而使复杂块体的几何描述、体积及重力计算、力学分析、可视化表示等一系列问题大大简化.在对一公路边坡的裂隙进行了详细观测之后,利用本文的方法进行了块体识别和稳定性分析,对本文的研究进行初步的验证.     

Boundary settings for the seismic dynamic response analysis of rock masses using the numerical manifold method

Aiming to accurately simulate seismic dynamic response of rock masses using the numerical manifold method (NMM), boundary settings must be treated carefully. In this paper, 4 issues in boundary settings are investigated to improve the performance of NMM: (1) Nonreflecting boundaries including the viscous boundary and viscoelastic boundary are considered; (2) A free‐field boundary is incorporated into NMM to accurately simulate external source wave motion; (3) A seismic input boundary is considered, and the force input method is introduced; and (4) A static‐dynamic unified boundary is incorporated for the convenience of transforming displacement boundary into other types of boundaries, such as nonreflecting boundaries and seismic input boundary. Several benchmark problems are solved to validate the improved NMM. Simulation results agree well with analytical ones, indicating that the improved NMM is able to simulate seismic dynamic response of rock masses reliably and correctly.     

水力和超载条件下锚固岩石边坡动态稳定性拟静力分析

基于极限平衡理论,综合考虑水力条件、坡顶超载、地震荷载效应和锚固效应对岩石边坡进行了全面的稳定性分析。计算给出了多影响因素条件下岩石边坡稳定性安全系数的表达式,并重点分析了几种相关参数组合对岩石边坡稳定性的影响。分析表明,坡顶张拉裂缝积水、地下水渗流作用、滑面出流缝被堵塞、地震影响效应不利于岩石边坡抗滑稳定性,而锚索锚固效应则对提高边坡抗滑稳定性有积极作用;坡顶张拉裂缝积水、滑面出流缝被堵塞、水平向地震影响效应都不利于岩石边坡抗倾覆稳定性,但锚索锚固效应、坡顶超载、与竖直方向地震效应则对提高边坡抗倾覆稳定性有益。最后针对工程实际,提出了相应的工程建议。     

三维极限平衡理论及其在块体稳定分析中的应用

岩体与土体失稳的滑稳面形状大多具有三维特征，用二维极限平衡理论难以得到与实际相应的分析结果。通过将滑动块体离散为一系列柱体，对每一条柱体，分析作用于条柱上的作用力和力矩平衡条件，提出块体稳定分析的三维极限平衡分析方法。该方法不需要对滑裂面作形状的假定，运用迭代解法，可以方便地求出可能滑动块体稳定系数。应用三维极限平衡分析方法对某电站坝基深层滑动块体的稳定性进行了分析，得到了一些有益的结论。     

Boundary setting method for the seismic dynamic response analysis of engineering rock mass structures using the discontinuous deformation analysis method

Large deformations and discontinuous problems can be calculated using the discontinuous deformation analysis (DDA) method by solving time steps, and this method is suitable for simulating the seismic dynamic response of engineering rock mass structures. However, the boundary setting must be carefully analyzed. In this paper, four boundary settings for the DDA method are investigated. First, the contributions to the DDA equations for nonreflecting boundaries (including the viscous boundary and the viscoelastic boundary) are deduced based on the Newmark method. Second, a free‐field boundary is introduced in the DDA method with boundary grid generation and coupling calculation algorithms to accurately simulate external source wave motion, such as earthquakes. Third, seismic input boundary treatments are intensively examined, and the force input method is introduced based on nonreflecting boundaries. Finally, the static‐dynamic unified boundary is implemented to ensure consistent boundary transformation. The boundary setting method in the DDA method is discussed, and the suggested treatments are used to analyze the seismic dynamic response of underground caverns. Copyright © 2015 John Wiley & Sons, Ltd.     

三维块体元塑性极限分析下限法

基于块体元离散思想,将三维边坡离散为块体-结构面组成的块体系统,假定块体为刚体,以结构面上的应力为未知量;从下限定理出发,构造满足平衡条件、边界条件和屈服条件的静力许可场,平衡方程严格满足3方向力平衡及绕3个主轴方向的力矩平衡条件,为避免非线性规划,对屈服条件进行线性化处理;最后,建立了下限法数学规划模型,通过线性及非线性规划获得边坡稳定严格的下限解。用几个典型算例验证了文中方法的正确性及可行性。     

边坡地震稳定性时程分析方法

考虑到在地震过程中,边坡的稳定安全系数最小值出现在某一瞬间,用这个值评价边坡在地震荷载作用下的抗滑稳定性不太合适,提出了用最小平均安全系数作为评价指标,并给出了相应的计算方法,即利用安全系数最大振幅的0.65倍作为平均振幅来反映安全系数随地震波动变化的过程。利用最小平均安全系数对某一堆石坝的动力抗滑稳定性进行了评价,并与拟静力法的结果进行了比较。