[发明专利]一种考虑转动效应的岩质边坡极限承载力分析下限法

说明书

本发明涉及一种同时考虑岩体平动和转动效应的承载力分析下限法，属于岩质边坡稳定性分析技术领域。本发明采用刚性块体单元将其离散为刚性岩块+结构面的几何系统，以结构面的法向力、剪力、弯矩为未知量，构建同时满足刚性块体单元考虑平动、转动效应的平衡方程、结构面剪切屈服条件、结构面拉伸屈服条件和结构面转动屈服条件以及静力边界条件的静力许可应力场，以超载系数为目标函数，建立下限法线性数学规划模型；采用内点算法对线性数学规划模型求解，同时采用迭代算法求解强度储备系数，获得节理岩质边坡的超载系数或强度储备系数的下限解和对应的屈服区。本发明概念明确、计算精度高，可应用于节理岩质边坡平动或转动破坏的承载力分析。

技术领域

本发明是一种同时考虑岩体平动和转动效应的节理岩质边坡极限承载力分析下限法，特别涉及一种同时考虑岩体结构面剪切破坏、拉伸破坏和转动破坏的承载力分析法。属于岩质边坡稳定性分析技术领域。

背景技术

节理岩质边坡的失稳是一种常见的地质灾害。在国内外公路、铁路、矿山和水利水电等工程中均碰到大量节理岩质边坡失稳破坏的灾难性事故，如国内天生桥二级水电站边坡倾倒破坏、金川露天矿边坡失稳破坏等等。节理岩质边坡的承载力和稳定性评价方法已成为了岩土工程界必须解决的重要技术问题。

节理岩质边坡由于内部存在着大量的节理、裂隙，使得其力学特性非常复杂。节理岩质边坡一般认为是由岩块和结构面组成的复杂系统，岩块的运动方式一般可分为平动和转动，结构面的破坏模式也呈现多样化。岩块平动滑移破坏问题相对简单，岩块转动倾倒破坏问题则比较复杂，一般岩块的转动倾倒破坏可分为块状倾倒、弯曲倾倒和块状弯曲倾倒等类型。自20世纪50年代以来，岩体平动破坏和转动破坏的研究就已经被重视。为了解决岩体平动、转动倾倒的稳定性分析问题，基于极限平衡原理的边坡稳定计算方法被提了出来，并且被广泛应用于工程中。这种方法一般对岩块变形失稳模式做一些假定，把岩质边坡的滑体分为稳定区、倾倒区或滑动区，但对一些特殊问题其合理性有待验证。其后，很多数值方法被提出来用于岩体平动、转动破坏失稳的分析计算，比如有限单元法、离散单元法、块体单元法、DDA等。同时，岩质边坡平动、转动的破坏物理模型试验也被广泛应用于工程实践。

就目前的研究成果来说，同时考虑平动、转动效应的节理岩质边坡的承载力分析领域还存在一些有待于进一步探讨的问题。具体不足表现在：

(1)很多分析方法不能同时考虑岩体的平动和转动效应，比如刚体极限平衡法、有限元法等一般只能考虑岩体的平动效应，但是工程实践表明岩体的转动效应是非常重要、不可或缺的，比如：对于顺层节理岩质边坡而言转动破坏是其主要破坏模式。

(2)节理岩质边坡中的结构面破坏的模式也非常多样，一般认为包括三种：滑移剪切破坏、拉伸破坏和转动破坏，但现有的分析方法很难同时考虑这三种破坏模式。

(3)在极限分析领域，特别是下限法分析领域，研究岩体同时考虑平动、转动效应的研究成果较少。

本发明基于国家自然科学基金项目(资助编号：51564026)的研究工作，将塑性极限分析下限法理论、刚性块体单元离散技术以及数学规划手段结合起来，提出一种同时考虑平动、转动效应的岩质边坡极限承载力分析的下限法。

发明内容

本发明的目的是提供一种同时考虑岩体平动和转动效应的节理岩质边坡极限承载力分析下限法，为节理岩质边坡稳定性分析提供一种新方法。