CN108304637A - 岩质边坡失稳模式的识别方法 - Google Patents

岩质边坡失稳模式的识别方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种岩质边坡失稳模式的识别方法，过程简洁、效率高、结果准确可靠，包括：步骤1.建立岩质边坡的地质概化模型；步骤2.在有限元软件中建立岩质边坡的有限元模型：在有限元软件中，完成岩质边坡几何模型建立、岩体及软弱结构面的材料属性分配、网格划分、约束和荷载施加、求解设置步骤；步骤3.对岩质边坡的有限元模型进行模态分析，获取岩质边坡的低阶振型；步骤4.分析岩质边坡每一阶模态振型对应的边坡运动形式；步骤5.确定岩质边坡的潜在失稳模式：根据岩质边坡失稳的特点，结合岩质边坡每一阶模态振型对应的边坡运动形式，确定各阶模态振型叠加可能形成的失稳模式，识别边坡的潜在失稳模式及对其失稳贡献较大的模态振型。

Description

岩质边坡失稳模式的识别方法
技术领域
本发明属于岩质边坡工程领域，具体涉及一种适用于水利水电、矿山、道路等工程中的岩质边坡失稳模式的识别方法。
技术背景
随着我国西部大开发战略的实施，一批公路、铁路、大(巨)型水电工程等基础设施相继开工建设，而我国西部尤其是西南地区河谷深切狭窄，谷坡陡峻，地质结构复杂，天然岸坡稳定性较差，因此不可避免需要对高陡岩质边坡进行开挖。边坡失稳模式的识别是边坡稳定性分析评价与预测的基础，也是加固治理边坡变形失稳岩体的前提。因此研究岩质高边坡的稳定性及安全控制措施，首先要分析识别边坡的失稳模式。
岩质边坡的失稳模式有诸多不同的类型，从工程应用角度一般将岩质边坡失稳模式简化分成曲面滑动、平面滑动、楔形滑动和倾倒4类基本失稳模式。分析识别岩质边坡失稳模式的传统方法主要包括运动学分析法、模型试验法以及数值模拟法。运动学分析法以赤平极射投影图为分析工具，只能确定边坡失稳的几何可能性，无法确定其力学可行性；该方法仅能识别简单的基本失稳模式，无法识别曲面滑动及复合失稳模式。模型试验法可识别岩质边坡的基本及复合失稳模式，但是制作岩质边坡的物理模型需要专用的设备并且实验技术复杂，该方法成本较高，且试验模型可模拟的工况十分局限。随着计算机技术的飞速发展，数值模拟法应用广泛，该方法可识别岩质边坡复杂的失稳模式，但是建模过程中存在简化且计算结果存在随机性。
以上三种传统方法在识别岩质边坡的失稳模式上发挥了重要的作用，但三种方法均存在一定不足，无法同时达到过程简洁、效率高、成本低、识别结果准确可靠等要求，这一现状影响了对岩质边坡失稳模式的研究。
发明内容
本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种过程简洁、效率高、成本低、识别结果准确可靠的岩质边坡失稳模式的识别方法。
本发明为了实现上述目的，采用了以下方案：
本发明提供一种岩质边坡失稳模式的识别方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1.建立岩质边坡的地质概化模型：首先确定岩质边坡模型的尺寸，然后根据岩质边坡的工程地质条件，建立包含断层、裂隙、节理等软弱结构面的地质概化模型；步骤2.在有限元软件中建立岩质边坡的有限元模型：以岩质边坡的地质概化模型为基础，在有限元软件中，依次完成岩质边坡几何模型建立、岩体及软弱结构面的材料属性分配、网格划分、约束和荷载施加、求解设置等步骤，实现岩质边坡有限元模型的构建；步骤3.对岩质边坡的有限元模型进行模态分析，获取岩质边坡的低阶振型；步骤4.分析岩质边坡每一阶模态振型对应的边坡运动形式：在有限元软件后处理器中，以位移云图及位移矢量图的形式显示各阶模态振型，从而确定岩质边坡每一阶模态振型对应的边坡运动形式；步骤5.确定岩质边坡的潜在失稳模式：根据岩质边坡失稳的特点，结合岩质边坡每一阶模态振型对应的边坡运动形式，确定各阶模态振型叠加可能形成的失稳模式，从而识别边坡的潜在失稳模式及对其失稳贡献较大的模态振型。
本发明提供的岩质边坡失稳模式的识别方法，还可以具有以下特征：在步骤1中，岩质边坡模型各方向的尺寸选取为所研究部位对应方向尺寸的2～5倍。
本发明提供的岩质边坡失稳模式的识别方法，还可以具有以下特征：在步骤2中，岩质边坡有限元模型构建过程中施加的荷载为边坡岩体自重荷载，且以预应力的形式施加。
本发明提供的岩质边坡失稳模式的识别方法，还可以具有以下特征：边坡岩体自重荷载的施加方式为：在有限元软件中施加重力荷载后，进入求解器并打开预应力效应获取静力分析解，然后重新进入求解器并再次打开预应力效应。求解设置为模态分析求解即可。
本发明提供的岩质边坡失稳模式的识别方法，还可以具有以下特征：在步骤3中，是对岩质边坡的有限元模型进行模态分析求解，输出求解结果中岩质边坡的多阶低阶振型。
本发明提供的岩质边坡失稳模式的识别方法，还可以具有以下特征：在步骤3中，是输出岩质边坡的前6～12阶振型。
本发明提供的岩质边坡失稳模式的识别方法，还可以具有以下特征：在步骤4中，以位移云图显示各阶模态振型，分析岩质边坡各阶振型中位移最大的部位；以位移矢量图的形式显示各阶模态振型，分析岩质边坡各部位的运动方向。
本发明提供的岩质边坡失稳模式的识别方法，还可以具有以下特征：在步骤5中，一个n自由度线性系统的运动方程为：
式中，M、C、K分别为系统的质量、阻尼和刚度矩阵，u、F分别为系统位移、载荷向量；对于经典阻尼系统，方程(1)的解为：
式中，φi为对应第i阶模态振型向量，qi为模态振型的标量乘子。
由式(2)可知，岩质边坡的任意运动可表示为其各阶模态振型向量的展开，如图1所示。
发明的作用与效果
与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：
1、本方法无需复杂的模型制作，分析过程更为简洁，成本低；本方法力学概念清晰，其结果模态振型为其固有属性，不具有随机性、识别结果准确可靠。
2、本方法可用于归纳不同结构类型边坡的失稳模式。本方法分析的结果模态振型为体系的固有属性，岩质边坡的各阶模态振型中，几阶模态振型的叠加形成边坡可能的失稳模式，这几阶振型对可能的失稳模式贡献较大，在一定激励作用下边坡发生该可能失稳模式的可能性较大。空间结构不同的边坡，其振型叠加形成的可能失稳模式不同，因此本方法可归纳空间结构类似边坡的可能失稳模式，并针对不同结构的边坡提出系统的预防控制措施。
3、本方法可反馈修正岩质边坡的岩体参数以获取更为准确的识别结果。在对岩质边坡进行试验模态分析或工作模态分析得到其模态振型时，将识别得到的模态振型作为目标函数，从而可通过有限元分析修正岩质边坡的岩体参数，最终得到具有代表性的岩质边坡岩体的动力参数，为分析研究岩质边坡的动力稳定提供合理的岩体参数。
4、本方法可用于优化岩质边坡施工程序、指导边坡加固措施。本方法确定了岩质边坡可能的失稳模式和对其贡献较大的振型。根据可能的失稳模式，针对边坡可能失稳的薄弱部位可预先采取针对性的加固措施。对可能失稳模式贡献较大的振型，在边坡开挖施工如爆破施工时，要合理设计爆破网路参数，避开该振型以免引起谐振。
附图说明
图1为本发明中岩质边坡运动的模态振型展开示意图；
图2为本发明实施例中岩质边坡失稳模式的识别方法实现过程示意图；
图3为本发明实施例中某顺层岩质边坡的地质概化示意图；
图4为本发明实施例中某顺层岩质边坡的第2阶模态振型位移云图；
图5为本发明实施例中某顺层岩质边坡的第2阶模态振型位移矢量图；
图1中，虚线表示岩质边坡的原始轮廓线，实线表示岩质边坡运动变形后的轮廓线；图3中，1-边坡岩体，2-岩层间的软弱结构面。
具体实施方式
以下结合附图对本发明涉及的岩质边坡失稳模式的识别方法的具体实施方案进行详细地说明。
<实施例>
如图2所示，本实施例所提供的岩质边坡失稳模式的识别方法包括以下步骤：
步骤1.建立岩质边坡的地质概化模型
本实施例为某一顺层岩质边坡，该边坡岩层走向与坡面走向基本平行，地质条件在边坡走向方向无较大变化，因此简化为平面模型。边坡实际尺寸为：水平方向2～3km，坡高60m。该顺层岩质边坡岩层倾角小于边坡角，稳定性较差，因此整个坡高范围内的边坡均为重点研究部位。为了减少边界条件对计算结果的影响，边坡模型尺寸在竖直方向取为2倍坡高即120m，在水平方向上取为4～5倍坡高，约260m。该岩质边坡岩层间软弱结构面发育，是影响边坡失稳模式的重要因素，据此在模型中考虑了岩层间的软弱结构面，以约2m宽的条带近似代替。最终获得地质概化模型如图3所示。
步骤2.在有限元软件中建立岩质边坡的有限元模型
步骤2-1.以含层间软弱结构面的顺层岩质边坡的地质概化模型为基础，在有限元软件中，完成岩质边坡几何模型建立。
步骤2-2.边坡岩体的材料属性为：重度γ1＝25kN/m3，弹性模量E1＝16GPa，泊松比ν1＝0.21；边坡软弱结构面的材料属性为重度γ2＝20kN/m3，弹性模量E2＝2GPa，泊松比ν2＝0.30。为边坡岩体及软弱结构面分配其各自的材料属性，网格划分为三角形网格。
步骤2-3.边坡计算域两侧施加法向约束，底部采用固定铰支座，地表自由。
步骤2-4.以预应力的形式施加边坡岩体自重荷载，施加方法为：在有限元软件中施加重力荷载后，进入求解器并打开预应力效应获取静力分析解，然后重新进入求解器并再次打开预应力效应。
步骤2-5.求解设置为Block Lanczos模态分析求解。
步骤3.对岩质边坡进行模态分析，获取岩质边坡的低阶振型
完成岩质边坡有限元模型的模态分析求解，输出求解结果中岩质边坡的前6阶模态振型。
步骤4.分析岩质边坡每一阶模态振型对应的边坡运动形式。
如图4所示，以位移云图显示各阶模态振型，分析岩质边坡各阶振型中位移最大的部位；如图5所示，以位移矢量图的形式显示各阶模态振型，分析岩质边坡各部位的运动方向；最终确定岩质边坡每一阶模态振型对应的边坡运动形式为：
坡顶竖直向上运动(第1阶振型)，沿软弱结构面向下滑动(第2阶振型)，逆时针向坡内翻转(第3阶振型)，靠近破表顺时针转动、靠近坡内逆时针转动(第4阶振型)，坡脚竖直向上运动(第5阶振型)，坡脚顺势振转动(第6阶振型)。
步骤5.确定岩质边坡的潜在失稳模式。
根据岩质边坡失稳的特点，结合岩质边坡每一阶模态振型对应的边坡运动形式，确定含层间软弱结构面的顺层岩质边坡的失稳模式为沿软弱结构面向下滑动的模式，第2阶模态振型对次失稳模式贡献为主。
针对以上识别的岩质边坡的潜在失稳模式，可归纳含层间软弱结构面的顺层岩质边坡这一类边坡的失稳模式为沿软弱结构面向下滑动的模式。此外，在对边坡进行加固时，可采取置换软弱结构面或布置锚索等措施。在边坡爆破开始时，应避开第2阶模态振型对应的频率，避免引起岩质边坡谐振。
以上实施例仅仅是对本发明技术方案所做的举例说明。本发明所涉及的岩质边坡失稳模式的识别方法并不仅仅限定于在以上实施例中所描述的内容，而是以权利要求所限定的范围为准。本发明所属领域技术人员在该实施例的基础上所做的任何修改或补充或等效替换，都在本发明的权利要求所要求保护的范围内。

Claims (7)

1.一种岩质边坡失稳模式的识别方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1.建立岩质边坡的地质概化模型：首先确定岩质边坡模型的尺寸，然后根据岩质边坡的工程地质条件，建立包含断层、裂隙、节理这些软弱结构面的地质概化模型；
步骤2.在有限元软件中建立岩质边坡的有限元模型：以岩质边坡的地质概化模型为基础，在有限元软件中，完成岩质边坡几何模型建立、岩体及软弱结构面的材料属性分配、网格划分、约束和荷载施加、求解设置步骤，实现岩质边坡有限元模型的构建；
步骤3.对岩质边坡的有限元模型进行模态分析，获取岩质边坡的低阶振型；
步骤4.分析岩质边坡每一阶模态振型对应的边坡运动形式：在有限元软件后处理器中，以位移云图及位移矢量图的形式显示各阶模态振型，从而确定岩质边坡每一阶模态振型对应的边坡运动形式；
步骤5.确定岩质边坡的潜在失稳模式：根据岩质边坡失稳的特点，结合岩质边坡每一阶模态振型对应的边坡运动形式，确定各阶模态振型叠加可能形成的失稳模式，从而识别边坡的潜在失稳模式及对其失稳贡献较大的模态振型。
2.根据权利要求1所述的岩质边坡失稳模式的识别方法，其特征在于：
其中，在步骤1中，岩质边坡模型各方向的尺寸选取为所研究部位对应方向尺寸的2～5倍。
3.根据权利要求1所述的岩质边坡失稳模式的识别方法，其特征在于：
其中，在步骤2中，岩质边坡有限元模型构建过程中施加的荷载为边坡岩体自重荷载，且以预应力的形式施加。
4.根据权利要求3所述的岩质边坡失稳模式的识别方法，其特征在于：
其中，边坡岩体自重荷载的施加方式为：在有限元软件中施加重力荷载后，进入求解器并打开预应力效应获取静力分析解，然后重新进入求解器并再次打开预应力效应。
5.根据权利要求1所述的岩质边坡失稳模式的识别方法，其特征在于：
其中，在步骤3中，是对岩质边坡的有限元模型进行模态分析求解，输出求解结果中岩质边坡的多阶低阶振型。
6.根据权利要求5所述的岩质边坡失稳模式的识别方法，其特征在于：
其中，在步骤3中，是输出岩质边坡的前6～12阶振型。
7.根据权利要求1所述的岩质边坡失稳模式的识别方法，其特征在于：
其中，在步骤4中，以位移云图显示各阶模态振型，分析岩质边坡各阶振型中位移最大的部位；以位移矢量图的形式显示各阶模态振型，分析岩质边坡各部位的运动方向。
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