针对工程中危岩体失稳的物理分析与解决办法.pdf

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针对工程中危岩体失稳的物理分析与解决办法钟明生(安徽理工大学土木建筑学院,安徽淮南232000)摘要:讨论物理应力作用下危岩体发生大变形以及失稳的1危岩体崩塌运动过程模拟复杂力学行为,分析危岩体在循环荷载以及雨水条件作用下1．1离散单元法基本原理的动力损伤特性。通过对危岩体的在物理动力作用下(此处离散型单元法也和有限单元法一样,需要将研究区域划借用地震荷载作用)的运动过程模拟,对危岩体的崩塌与滚分为若干个单元。岩体中一般有若干不连续面贯穿,在离散石的防治对策进行研究。从危岩体崩塌与滚石的防护等级元单中,单元因受节理、断层等不连续面的控制影响,在运动出发,提出危岩体的崩塌与防治的常用方法。过程中,单元的节点可以分离开,即一个单元与邻近单元可关键词:危岩体;力学行为;循环荷载;崩塌;防治以接触也可以分开,单元之间的相互作用可以根据力和位移中图分类号:TU45７文献标志码:B的关系求出来,而个别单元的运动则完全可以根据单元所受文章编号:１6７2-40１１(20１７)0１-00７6-02的不平衡力以及不平衡力矩的大小按牛顿第二定律来确定。DOI:１0．3969/j．issn．１6７2-40１１．20１７．0１．0351．2几个基本假设采用Udec来对危岩体边坡的动力计算,有以假定:①所AccordingtotheAnalysisandSolutionofStability有块体单元在计算中其形状和大小保持不变,即视块体单元LossinEngineeringRockPhysics为准刚性的;②单元之间的接触关系可以视为边-边接触或ZHONGMingsheng者边-角接触,如图１所示;③变形发生在物块的表面;④接(AnhuiUniversityofScienceandTechnology,触点的切向接触力以及法向接触力,可以分别由代表结构面切向刚度和法向刚度的元件K、K给出,与刚度有关的黏性SchoolofCivilEngineeringangArchitecture,ns阻尼元件C、C在接触点吸收块体单元绝对运动的能量,与Huainan232000,China)ns质量和速度相关的黏性阻尼元件C吸收块体单元绝对运动Abstract:Discussthephysicsshouldforceundertheactionofm的能量。见图2。dangerousrockmassdeformationandinstabilityofthecomplexmechanicalbehaviorofrockundercyclicloadingandtheroleofrainfalldynamicdamagecharacteristics．Andthroughonthedan-gerousrockbodyinphysicalforce(hereborrowseismicload)movementofCountermeasuresofpreventionandtreatmentofdangerousrockcollapseandrockfallsimulationresearch．From图１单元之间的接触关系thelevelofprotectionofdangerousrockcollapseandrockfallandputsforwardthemethodsandpreventionofthedangerousrockcollapse．Keywords:dangerousrockmass;mechanicalbehavior;cyclic图2物块接触的力学模型loading;collapse;prevention5)挡块体在接触点发生切向滑移时,其力学响应式可以由摩尔-库伦元件进行施加阻尼,并解除切向阻尼元件C;s0前言当物块间有拉力存在时,解除接触点的切向力和法向力。1．3离散型单元体的基本方程近些年来,我国的水电工程得到了充分快速的发展,但是工程中危岩体的发育和形成机制、失稳模式以及演化过对于离散单元法,由于介质一开始就被假定为离散的块体集合,因此,块与块之间就没有变形协调的约束,但需要满程、运动特性和防治措施在水电工程边坡中还没有很好的解足平衡方程。决,且存在诸多问题,主要表现有:循环荷载以及雨水条件作１)物理方程。在离散单元法中,两个物块之间的法向和用下的动力损伤特性是什么?危岩体的发育失稳过程有其切向作用可以分别由具有一定法向和切向刚度的弹簧阻尼发生的物理力学机制,如何结合工程地质学从岩土力学的角系统来代表。假设块体间的相互作用力,相对位移成正比例度来研究这一问题?本文从危岩体物理动力研究以及离散关系,则在块体接触处,由块体相对位移量Δu和剪切量n单元体的角度去分析研究这类问题的解决办法,以及需要采Δu引起的力的法向增量ΔF、切向增量ΔF可以分别为:sns取的防治措施。ΔF=KΔu,ΔF=KΔu,式中的K、K为接触点处的法向nnnsssns和切向刚度)。如果已知t时刻的接触力,那么有F(t+Δt)n收稿日期:20１6-１2-05=F(t)+ΔF(t),F(t+Δt)=F(t)+ΔF(t),由于物块nnsss作者简介:钟明生(１988-),男,安徽芜湖人,在读硕士研究生,主要研究方向:土木建筑(岩土)。之间不能出现拉力,所以Fn>0。·７6· 当法向压力逐渐减小至零时,物块节理张开,相邻物块到:t=-ρCv,t=-ρCv。npnsss就会发生分离,已有接触被破坏,从而建立新的接触。和法2d在此处计算时输入速度时程,由于Udec不允许在动力向力一样,剪切力也有一定的限制条件,它的稳定状态可以计算时直接给边界上施加速度边界条件,如果一定要在静力maxmax=F+c通过摩尔-库伦定律决定,即F≤F,Ftanφ,边界上输入动荷载,只能输入应力时程,因此需要将速度时sssnjjmax=2(ρC=2(ρC式中的φ、c是内摩擦角和凝聚力)。当F接近于F时,程换成应力时程,转换公式为:σ)v,σ)jjttnpnss就意味着两个物块即将发生滑动。物块之间的相互作用力v。P波和S波在块体介质中的传播速度可以分别用如下方s还包括黏性阻力,在接触点处,它的法向和切向分量D、DntK+4G/3程计算得出:C=,C=G/ρ。=C=Cpρs与接触点位移增量成正比,即DΔu,DΔu。C、nnnnssnC数值和刚度有关,可由阻尼参数β与弹性刚度K、K的至此,知道了计算所需的时间步、边界条件和动荷载便sns乘积得到,即C=βK,C=βK。可以和静力计算时一样,采用上述原理就可以进行动力计算nnss2)运动方程。根据物块的与邻近物块的关系及其集合了。下面我们利用上述的计算条件进行防治方法的研究。形状,可以利用上述原理计算出作用在某一特定岩块上的一2危岩体的防治对策研究组力,并根据牛顿第二运动定律确定物块质心的线加速度和角加速度,从而可以确定在不同Δt内的速度、角速度及位移危岩体综合防治的原则具体包括两个方面内容:危岩体和转动量。由牛顿第二定律可以确定物块的运动方程:的防治应能表现群体危岩体防治的宏观综合性以及单体危2dudun岩体防治的针对性。危岩体的防治工程既要应从宏观上确x+cx=∑i+Dim(F),2dtxxdti=１立群体危岩体防治措施,也需要针对单个具有代表性重点危2duduny+cy=∑i+Di岩体选择具体的防治措施。在危岩体防治工程中经常需要m(F)-mg,2dtyydti=１两种或者多种联合使用,见图3。危岩体防治工程可以采取d2θ-dθnI+c=∑M。主动治理和被动防护以及综合防治的措施。主动治理的措2dtidti=１施主要有支撑措施、锚固技术、灌浆技术等。整体阻尼c满足:c=2fKm(f为介于0．6和0．9之间K-K的常数),又c=am,故有a=2f地,c=aI=2If,求mm解方程即可得到块体在不同时刻的位移x、y以及旋转角θ。1．4相关动力计算１)动力计算中的时间步。在物块变形稳定计算所需的m１图3落石防治i时间步的近似值为:Δt=2min()2,k=∑(k+k),kkizijizii23结束语84bmax=(K+G)。式中的K、G为块体材料的体积模量33hmin危岩体防治需要考虑多种影响因素,防治措施的选择也和变形模量;b、h为单元最大边长和三角形单元的最小maxmin可以是多种多样的,但最终采取的防治措施应该是技术上可高度。行、安全上可靠、经济上合理、环境上适用的。本文将危岩体计算块体间相对位移所需要的极限时间步长可以表示视为离散型块体结合,考虑外力给它的法向和切向应力作M１min为:Δt=(frac)2()2,式中的M为系统中最小块体的用,运用弹塑性损伤以及物理运动学理论,导出危岩体的物bKminmax理运动以及受力分布规律,给出了危岩体稳定的理论解,计质量;K为接触的最大刚度;frac为估计某一块体可能接触max算出了危岩体在不同应力状态下,要维持危岩体稳定的方若干块体的系数,由此,我们在进行离散单元法分析时需要法。[ID:003７30]控制的时间步长可近似估计为Δt=min(Δt,Δt)。nb如果我们采用刚度比例阻尼,计算所需的时间步就需要参考文献:2折减,折减后的临界时间步Δtβ可由下式计算:Δtβ=()[１]宋胜武．汶川大地震工程震害调查分析与研究[M]．北京:科ωmax学出版社,2009．2-λ),式中的ω(１+λ为系统特征频率的最大值;λ为max[2]孙广忠．工程地质与地质工程[M]．北京:地震出版社,１993．该频率对应临界阻尼的折减系数。ω和λ可近似估计为:max[3]杨淑碧,董孝壁．重庆市中心区危岩稳定性研究[M]．成都:成20．4βεmin都科技大学出版社,１994．ω=,λ=,β=。式中的ε、ω为瑞利阻尼maxΔtΔtωminminddmin[4]胡厚田．崩塌与落石[M]．北京:中国铁道出版社,１989．的阻尼比和角频率;Δtd为采用刚度比例阻尼时动力计算所[5]郑智能,张永兴,董强,等．边坡落石灾害的颗粒流模拟方法需的时间步。[J]．中国地质灾害与防治学报,2008,１9(3):46-49．2d2)动力荷载和边界条件。Udec中运用的静力黏性边[6]陈明东．链子崖危岩体变形破坏机制及整治对策[J]．地质灾界条件解决了边界条件设置的难题,通过在系统模型的法向害与环境保护,１992,2(１):33-42．和切向边界分别设置阻尼器来达到吸收反射到模型边界动[７]卢黎．重庆洪崖洞危岩边坡破坏和加固机理研究[D]．重庆:重力波的目的,阻尼器提供的法向和切向粘性力可由下式得庆大学,2003．·７７·