[发明专利]一种考虑转动效应的岩质边坡极限承载力分析上限法

说明书

本发明涉及一种同时考虑岩体平动和转动效应的岩质边坡极限承载力分析上限法，属于岩质边坡承载力分析技术领域。本发明基于塑性极限分析上限理论，采用多自由度刚性块体单元离散节理岩质边坡，以刚性块体单元形心的平动速度、转动速度为未知量，同时考虑岩块的平动、转动力学效应，以边坡的超载系数为目标函数，构建满足结构面剪切破坏、拉伸破坏、转动破坏的塑性流动条件；然后结合虚功原理和速度边界条件建立求解节理岩质边坡的极限承载力的线性数学规划模型，并采用单纯形法对线性数学规划模型进行求解，同时可以采用迭代法求解强度储备系数，最终获得节理岩质边坡极限承载力的上限解和对应的破坏机构。本发明概念明确、计算精度高。

技术领域

本发明是一种节理岩质边坡极限承载力分析的上限方法，特别涉及一种同时考虑岩体平动和转动效应的上限法，属于岩质边坡承载力分析技术领域。

背景技术

岩质边坡存在着大量的结构面，比如：节理、断层、岩层层面、剪切带、软弱夹层等，岩质边坡的强度及其稳定性取决于结构面的强度和破坏模式。一般认为节理岩质边坡由岩块和结构面两部分组成。节理岩质边坡具有以下特点：

(1)岩质边坡的断层、节理、裂隙互相切割，岩块极不规则，其岩体结构非常复杂；

(2)节理岩质边坡的失稳模式比较复杂，在外力作用下岩质边坡有可能发生平动失稳，也有可能发生转动倾倒失稳，或者两者同时发生；

(3)节理岩质边坡中的结构面的破坏模式也很多样化，一般常见的有剪切破坏、拉伸破坏和转动破坏。

近半个世纪以来，众多的学者和工程师对节理岩质边坡的极限承载能力进行了大量的研究工作，并取得了丰富的研究成果。比如刚体极限平衡法、塑性极限分析法、有限元法、有限差分法、离散单元法、块体单元法、DDA等。但在节理岩质边坡极限承载能力方面还存在一些不足，具体表现在：

(1)现有方法尽管已经被广泛应用于实际工程中，但或多或少都存在一些理论上的不足，比如刚体极限平衡法只能分析简单的节理岩质边坡问题、有限元法和有限差分法在模拟复杂的节理网络和本构关系方面存在困难等；

(2)对于节理岩质边坡的极限承载力分析领域，现有方法还未能完全同时考虑岩块的平动、转动效应以及结构面的剪切破坏、拉伸破坏、转动破坏；

(3)上限法理论是分析结构极限承载力的有效工具，但现阶段运用上限法建立同时考虑岩块的平动、转动效应的数学模型还存在很多难题需要解决，研究成果也较少。

本发明基于国家自然科学基金项目(资助号：51564026)的研究工作，将塑性极限分析上限法理论、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、旋转效应的岩质边坡极限承载力分析上限法。

发明内容

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

本发明的基本原理是：基于塑性极限分析上限理论，以节理岩质边坡为研究对象，采用多自由度刚性块体单元离散节理岩质边坡，以刚性块体单元形心的平动速度、转动速度为未知量，同时考虑岩块的平动、转动力学效应，以边坡的超载系数为目标函数，构建满足结构面剪切破坏、拉伸破坏、转动破坏的塑性流动条件；然后结合虚功原理和速度边界条件建立求解节理岩质边坡的极限承载力的线性数学规划模型，并采用单纯形法对线性数学规划模型进行求解，同时可以采用迭代法求解强度储备系数，最终获得节理岩质边坡极限承载力(超载系数或强度储备系数)的上限解和对应的破坏机构。

本发明的技术路线如图1所示。

本发明的节理岩质边坡极限承载力分析上限法的技术方案依次按以下步骤进行：

一、拟定节理岩质边坡的计算参数