基于巖體結(jié)構(gòu)面網(wǎng)絡(luò)的邊坡穩(wěn)定性分析

基于巖體結(jié)構(gòu)面網(wǎng)絡(luò)的邊坡穩(wěn)定性分析

在漫長(zhǎng)的地質(zhì)歷史進(jìn)化過(guò)程中，巖體形成并形成。其起源和結(jié)構(gòu)復(fù)雜，巖石多樣，包括結(jié)構(gòu)面和結(jié)構(gòu)體這兩個(gè)基本結(jié)構(gòu)單元。就一般巖石而言,邊坡穩(wěn)定性的最主要的影響因素并非巖石的性質(zhì),結(jié)構(gòu)面對(duì)于巖體和邊坡的失穩(wěn)破壞起著主要的控制作用,并在巖體工程的設(shè)計(jì)與施工中占有重要的地位。對(duì)于無(wú)明顯滑面巖質(zhì)邊坡,基于巖體結(jié)構(gòu)面網(wǎng)絡(luò),運(yùn)用數(shù)值分析方法,定量研究無(wú)明顯滑面巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性,能為此類巖質(zhì)邊坡的加固設(shè)計(jì)與施工提供科學(xué)依據(jù)和指導(dǎo)。1初始基準(zhǔn)結(jié)構(gòu)面的搜索和確定基于巖體結(jié)構(gòu)面網(wǎng)絡(luò)和邊界條件,在靠近巖體結(jié)構(gòu)邊坡表面附近選擇滿足一定條件的一條結(jié)構(gòu)面作為初始基準(zhǔn)結(jié)構(gòu)面,由此基準(zhǔn)結(jié)構(gòu)面端點(diǎn)確定一個(gè)搜索區(qū)域,一般為1/4的直角扇形區(qū)域,在搜索區(qū)域內(nèi)搜索所有包含其內(nèi)的巖體結(jié)構(gòu)面,從中選擇滿足特定條件的一結(jié)構(gòu)面作為新的基準(zhǔn)結(jié)構(gòu)面,繼續(xù)搜索循環(huán),直至邊界,最后按照搜索循環(huán)步驟首尾連接所有這些搜索到的基準(zhǔn)結(jié)構(gòu)面,對(duì)于該初始基準(zhǔn)結(jié)構(gòu)面可搜索到一系列的滑移路徑,形成一樹(shù)枝形結(jié)構(gòu)。按上述搜索基本思想,對(duì)靠近邊坡每條滿足條件的初始基準(zhǔn)結(jié)構(gòu)面進(jìn)行循環(huán)搜索,從而可確定無(wú)明顯滑面巖質(zhì)邊坡所有可能的滑移路徑。在計(jì)算區(qū)域內(nèi)搜索滑移路徑時(shí),必須先確定初始的基準(zhǔn)結(jié)構(gòu)面,將以此作為初始步,初始基準(zhǔn)結(jié)構(gòu)面應(yīng)滿足3個(gè)假設(shè)條件:①結(jié)構(gòu)面必須位于計(jì)算區(qū)域內(nèi);②結(jié)構(gòu)面端點(diǎn)距邊界的距離不大于平均跡長(zhǎng);③結(jié)構(gòu)面的視傾角0≤θ≤90°。根據(jù)這些條件對(duì)計(jì)算區(qū)域內(nèi)的所有結(jié)構(gòu)面進(jìn)行篩選,可確定所有滿足上述條件的初始基準(zhǔn)結(jié)構(gòu)面,其可能有多條,如圖1所示。假設(shè)AB為搜索到的某一條基準(zhǔn)結(jié)構(gòu)面,在結(jié)構(gòu)面端點(diǎn)B點(diǎn),以平均跡長(zhǎng)的一半為半徑,即r=0.5Lˉˉˉr=0.5Lˉ,其中,r為搜索半徑;LˉˉˉLˉ為平均跡長(zhǎng)長(zhǎng)度。作1/4的直角扇形區(qū)域,如圖1中BCD區(qū)域所示,則此扇形即為所要確定的搜索區(qū)域。在搜索區(qū)域內(nèi)確定所有滿足下述條件的結(jié)構(gòu)面:①結(jié)構(gòu)面至少有一端點(diǎn)位于搜索區(qū)域內(nèi);②結(jié)構(gòu)面任一端點(diǎn)和B點(diǎn)的連線與水平方向的夾角滿足0≤θ≤90°的條件;③結(jié)構(gòu)面的視傾角滿足0≤θ≤90°;④與基準(zhǔn)結(jié)構(gòu)面相交以及重疊不相交的特殊結(jié)構(gòu)面,也得考慮將它作為一待選基準(zhǔn)結(jié)構(gòu)面?；趲r體結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性,在搜索區(qū)域內(nèi)可能會(huì)出現(xiàn)多條待選基準(zhǔn)結(jié)構(gòu)面。若搜索區(qū)域內(nèi)沒(méi)有待選基準(zhǔn)結(jié)構(gòu)面,則判斷是否已接近邊界,判斷依據(jù)為結(jié)構(gòu)面端點(diǎn)到計(jì)算區(qū)域邊界的距離小于搜索半徑,若判別條件成立,即接近邊界,則結(jié)束搜索;否則,加倍搜索半徑,繼續(xù)搜索,直至邊坡邊界。根據(jù)上述搜索原則,從計(jì)算區(qū)域內(nèi)的每一條初始基準(zhǔn)結(jié)構(gòu)面出發(fā),都可搜索出相應(yīng)的一系列的滑移路徑,形成樹(shù)枝形結(jié)構(gòu)形式,循環(huán)搜索從而可以確定計(jì)算區(qū)域內(nèi)所有可能的滑移路徑。2滑動(dòng)巖體滑動(dòng)巖體滑動(dòng)穩(wěn)定性分析針對(duì)任意可能滑移路徑,我們均可利用ANSYS計(jì)算出其對(duì)應(yīng)的安全系數(shù)F的大小,令∑R為下部巖體為阻止其上部巖體的相對(duì)滑動(dòng)在滑移路徑上所產(chǎn)生的最大抗滑力,∑T表示上部滑動(dòng)巖體相對(duì)于下部穩(wěn)定基巖在滑移路徑上所產(chǎn)生的實(shí)際剪力值,即下滑力,則邊坡安全系數(shù)F為∑R與∑T之比。由巖體結(jié)構(gòu)面網(wǎng)絡(luò)可知,任意條滑移路徑為一巖橋和結(jié)構(gòu)面首尾相接的多線段組成的不規(guī)則的折線圖形,因此抗滑力∑R和下滑力∑T分別由巖橋和結(jié)構(gòu)面所產(chǎn)生,故邊坡安全系數(shù)為F=∑R∑T=∑Ri+∑Rj∑Ti+∑TjF=∑R∑Τ=∑Ri+∑Rj∑Τi+∑Τj式中,∑Ri、∑Ti為滑移路徑上所有巖橋所產(chǎn)生的抗滑力和下滑力;∑Rj、∑Tj為滑移路徑上所有結(jié)構(gòu)面所產(chǎn)生的抗滑力和下滑力。2.1巖橋黏聚力計(jì)算的計(jì)算設(shè)α為剪切方向角,β為巖橋傾角,γ為產(chǎn)生拉裂紋的主應(yīng)力方向與水平方向的夾角,θ為拉裂紋與剪切方向的夾角,τxy、σx、σy均源自于有限元計(jì)算得到的應(yīng)力場(chǎng)數(shù)據(jù),根據(jù)Lajtai和Einstein研究理論,當(dāng)β<γ+0.5π,巖橋?qū)l(fā)生受剪破壞;當(dāng)β≥γ+0.5π,則巖橋?qū)l(fā)生受拉破壞。以下為巖橋在不同破壞形式下Ri、Ti的計(jì)算公式。(1)受剪破壞(β<γ+π2)(β<γ+π2)。d=Lcos(β?α)σni=0.5(σx+σy)+0.5(σx?σy)cos(π?2α)?τxysin(π?2α)τsi=0.5(σx?σy)sin(π?2α)+τxycos(π?2α)τri=0.5c2i?2ciσni?????????√,Ri=∫d0τrids,Ti=∫d0τsidsd=Lcos(β-α)σni=0.5(σx+σy)+0.5(σx-σy)cos(π-2α)-τxysin(π-2α)τsi=0.5(σx-σy)sin(π-2α)+τxycos(π-2α)τri=0.5ci2-2ciσni,Ri=∫0dτrids,Τi=∫0dτsids式中,ci為巖橋的黏聚力;σni為作用在巖橋上的法向應(yīng)力;τri為巖橋的抗剪應(yīng)力強(qiáng)度;τsi為作用在巖橋上的剪應(yīng)力。(2)受拉破壞(β≥γ+π2)(β≥γ+π2)。h=Lsin(β?α)σai=0.5(σx+σy)+0.5(σx?σy)cos2α+τxysin2αRi=σrh,Ti=∫h0σaidsh=Lsin(β-α)σai=0.5(σx+σy)+0.5(σx-σy)cos2α+τxysin2αRi=σrh,Τi=∫0hσaids式中,σr為巖體的抗拉強(qiáng)度;σai為作用在巖體上的拉應(yīng)力。2.2結(jié)構(gòu)面摩擦角和黏聚力在結(jié)構(gòu)面上,計(jì)算Rj、Tj比較簡(jiǎn)單,利用摩爾-庫(kù)侖強(qiáng)度準(zhǔn)則有σnj=0.5(σx+σy)+0.5(σx?σy)cos(π?2α)?τxysin(π?2α)τsj=0.5(σx?σy)sin(π?2α)+τxycos(π?2α)τrj=cj?σnjtanφj,Rj=∫L0τrjds,Tj=∫L0τsjdsσnj=0.5(σx+σy)+0.5(σx-σy)cos(π-2α)-τxysin(π-2α)τsj=0.5(σx-σy)sin(π-2α)+τxycos(π-2α)τrj=cj-σnjtanφj,Rj=∫0Lτrjds,Τj=∫0Lτsjds式中,φj、cj分別為結(jié)構(gòu)面上的內(nèi)摩擦角和黏聚力大小;σnj、τrj、τsj分別為作用在結(jié)構(gòu)面上的法向應(yīng)力、抗剪應(yīng)力強(qiáng)度以及剪應(yīng)力;L為結(jié)構(gòu)面的長(zhǎng)度。3案例分析3.1材料物理力學(xué)參數(shù)某巖質(zhì)邊坡的坡角β=65°,坡高H=60m,坡體被5條結(jié)構(gòu)面所分割,分別為J1、J2、J3、J4、J5;邊坡材料物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1;運(yùn)用大型有限元分析軟件ANSYS進(jìn)行分析計(jì)算,所確定的有限元計(jì)算區(qū)域:豎直方向邊坡坡高的2倍,即120m,水平方向取邊坡坡高的4倍,即240m,所取巖質(zhì)邊坡的分析剖面及結(jié)構(gòu)面在空間的布局情況如圖2所示。3.2巖體接觸對(duì)單元有限元模型根據(jù)邊坡空間實(shí)際情況,利用ANSYS計(jì)算和綜合研究,進(jìn)而可獲得邊坡的穩(wěn)定性。邊界條件:地表及坡面為自由邊界,底部邊界考慮豎直方向位移約束,左右邊界按水平位移約束考慮。邊坡巖體采用Plane42單元,結(jié)構(gòu)面用接觸對(duì)單元(contact172和targe169)來(lái)模擬,分析類型為平面應(yīng)變問(wèn)題,有限元模型如圖3所示?；诘刃ohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則參數(shù)轉(zhuǎn)換公式對(duì)其進(jìn)行分析計(jì)算,圖4給出了坡體各結(jié)構(gòu)面法向應(yīng)力σn及剪應(yīng)力τs。3.3索原理及可能滑移路徑根據(jù)巖體結(jié)構(gòu)面空間布局及滑移路徑搜索原理,該算例顯然存在3條可能滑移路徑:①A-B-C-D-E-F,②A-B-C-D-I,③A-B-G-I。3.4危險(xiǎn)滑移路徑下邊坡安全系數(shù)基于邊坡結(jié)構(gòu)面σn、τs有限元結(jié)果分析數(shù)據(jù)和ANSYS路徑工具功能,判斷巖橋破壞形態(tài),通過(guò)路徑積分獲得結(jié)構(gòu)面及巖橋抗滑力、下滑力及抗滑儲(chǔ)備大小(表2),從而確定不同滑移路徑對(duì)應(yīng)的邊坡安全系數(shù)(表3)。路徑③的安全系數(shù)最小,F=2.419,為該算例最危險(xiǎn)滑移路徑,而路徑②的總抗滑儲(chǔ)備最小,但其對(duì)應(yīng)的安全系數(shù)F=2.536,明顯大于路徑③安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果,由此可以推斷該路徑并不是安全系數(shù)最小的危險(xiǎn)滑移路徑。進(jìn)一步對(duì)該問(wèn)題用有限元強(qiáng)度折減法進(jìn)行分析計(jì)算,得該邊坡的安全系數(shù)F=2.437,與路徑③計(jì)算結(jié)果接近,說(shuō)明文獻(xiàn)以總抗滑儲(chǔ)備最小為危險(xiǎn)滑移路徑的算法存在弊端,有待改進(jìn)。4基于anasimb和mort-coolomb的邊坡熱性能(1)基于巖體結(jié)構(gòu)面網(wǎng)絡(luò)及其工程邊界條件,可搜索邊坡所有可能的滑移路徑。(