考虑结构面强度动态折减的块体系统非连续变形分析

来源 :朱承金 | 被引量 : 0次 | 上传用户:chuanqi111
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非连续性是岩体固有的属性,岩石强度通常远大于结构面强度,所以对裂隙岩体的力学性质具有决定性作用的主要是结构面的力学性质,对裂隙岩体进行研究时,如果使用假设岩体为连续介质的研究方法,分析结果就会出现较大的偏差。非连续变形分析(DDA)在满足弹性理论基本方程的条件下能够反映出岩体变形的不连续性,既具有离散元法可计算块体大位移的特点,又具有有限元理论基础的严密性,能够很好地模拟并分析块体系统的非连续变形破坏过程。基于以上独特优势,非连续变形分析在岩体工程领域得到广泛应用,但在数量较多块体接触对时,存在较弱的计算稳定性和开闭迭代的收敛性,相应的接触状态不能快速准确地得到;其次在考虑内聚力时,内聚力会在一定情况下被不合理撤去,偏于保守;再者在块体系统多滑面分析中数值模型选取还存在一定问题。本研究以非连续变形分析为基本架构,构建结构面强度动态折减的块体系统非连续变形分析方法,主要开展了以下几个方面的研究工作:(1)DDA方法需在最小势能原理求解的基础上实现,据此推导得到块体系统势能函数的位移表达形式,实现在进行计算的过程中未知量只有块体的位移的目的。在接触嵌入判断方法的基础上,进行法向和切向嵌入距离的表征,同时借助阶跃函数实现相应的块体接触约束状态的模拟,但由于阶跃函数不连续的特征,则需采取双曲正切函数的形式将其进行光滑化处理。为实现各种接触状态下的通用势能函数表达形式,将拉格朗日插值在此基础上引入。借助改进改进改进变尺度法完成势能函数的计算,通过确定基本的迭代格式、梯度、最优步长以及变尺度矩阵,实现相应时步的块体系统位移及接触状态的求解。结合隧洞模型,分析接触状态求解方法的计算精度和计算速度,验证块体系统接触状态求解方法的鲁棒性。(2)通过经典算例“单一滑块沿块体滑动模型”,对DDA中的块体结构面内聚力这一参数进行了准确性评估,针对这一参数的不准确性进行解释。随着块体间相对位移变化而变化的块体结构面强度模型在DDA中被引入(即结构面强度动态折减模型)。本文提出的强度折减方法可以自动记录各块体间的相对滑动位移,折减各结构面强度也是根据增加的相对滑动位移来实现的。算例表明,在原DDA中,内聚力不准确的问题在改进的结构面强度动态折减模型被解决,系统的临界稳定可以在DDA中得到准确分析。(3)研究辽宁省本桓线公路边坡及抚顺西露天矿边坡稳定性,借助无人机摄影测量获取结构面产状,并导入改进DDA程序,实现公路边坡块体系统分析模型的建立,并对块体系统进行非连续变形分析,得到公路边坡危险滑面及建议剥离面。通过抚顺西露天矿边坡现场监测位移数据分析,得该边坡块体系统的位移带,并进行块体系统非连续变形分析。为确定抚顺西露天矿北帮边坡最危险滑落面及次级滑落面位置,利用改进DDA法进行多滑面稳定性分析确定。
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