流固耦合作用下危岩体失稳机制的DDA分析

来源 :陈昱成 | 被引量 : 0次 | 上传用户:andyower_2009
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危岩体崩塌作为一种突发性地质灾害,具有分布范围广,发生后造成危害大等特点,严重影响了灾害多发区域的社会经济发展和人民财产生命安全。在现有的工程案例中,危岩体失稳往往与降雨有着密不可分的关系。为了揭示降雨对危岩体稳定性产生的影响,本文主要对DDA方法进行二次开发以实现降雨条件下危岩体稳定性分析。首先采用蒙特卡洛算法建立随机分布的二维裂隙并将其识别组合形成离散裂隙网格。根据裂隙岩体渗流理论对DDA进行二次开发,通过最小势能原理推导了水荷载矩阵并添加到DDA总体平衡方程中建立流固耦合计算模型。在此基础上将Richards方程离散化处理引入到DDA中,结合Van Genuchten模型实现瞬态非饱和渗流模拟。将改进后的DDA应用到重庆市巫山县三溪乡大梯子危岩体中,对自然工况和降雨工况的失稳机制进行数值模拟分析。本文的主要研究内容如下:(1)对DDA前处理进行研究。通过蒙特卡洛算法生成符合统计学规律的随机数用以对危岩体裂隙的产状进行模拟,使其更符合危岩体裂隙的真实分布情况。在此基础上对裂隙网络进行拆分,将较长的裂隙拆分成多个短裂隙拼接而成,使每条裂隙网络都能够被正确识别,避免长裂隙或凹多边形边界无法识别的问题。(2)对DDA稳态渗流计算方法进行研究。以岩体单裂隙稳定渗流模型为基础,考虑单裂隙渗流对离散裂隙网格模型节点的影响,进而得到二维稳定渗流条件下的离散裂隙网格渗透矩阵,根据DDA基本原理将其势能最小化处理作为水荷载加入到DDA总体平衡方程的荷载矩阵当中,建立了考虑水荷载的总体平衡方程,从而实现流固耦合并通过经典算例验证程序的正确性。(3)对DDA瞬态渗流计算方法进行研究。将二维Richards方程引入到DDA中,通过有限差分的形式将其进行离散化,建立符合DDA计算格式的瞬态整体渗流矩阵。对该矩阵求解得到裂隙网络节点上的体积含水量,再通过Van Genuchten模型计算体积含水量对应的孔隙水压力,从而实现DDA瞬态渗流状态下的流固耦合计算,并通过一维入渗和Vuaclin二维室内砂槽入渗试验这两个算例对程序的正确性进行验证。(4)将改进后的DDA方法应用到工程案例当中。在自然工况和降雨工况考虑流固耦合对危岩体稳定性的影响,研究危岩体处于不同工况下的失稳机制。得到结论如下:在自然工况下危岩体最大位移点出现在岩体底部,由于差异风化导致其底部存在凹岩腔,危岩体沿与后缘母岩间的裂隙发生滑动;在降雨工况下危岩体的最大位移出现在顶部临空块体,其主要的变形是岩体裂隙拉张,随着裂隙拉张块体也具有向下滑移的趋势,降雨类型主要对危岩体位移大小产生影响而对于危岩体失稳机制的影响则比较小。降雨对危岩体的影响主要体现在裂隙内孔隙水压力上升和岩体强度参数弱化这两个方面。只考虑孔隙水压力变化时,危岩体位移有所上升,整体变化趋势与自然工况类似;只考虑岩体强度参数弱化时,危岩体位移有较大上升,特别是危岩体顶部饱和区块体位移有明显增大,但仍小于同时考虑两种因素下危岩体的位移。因此岩体强度参数弱化对于危岩体稳定性有更大的影响,但裂隙内孔隙水压力变化也是不可忽视的因素。通过数值模拟对典型工程案例进行分析,揭示危岩体在降雨工况下的失稳机制,为危岩体崩塌灾害防治提供参考。
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