文摘
的关节岩体岩石边坡的稳定性至关重要,和斜率的扰动破坏往往是直接关系到关节。在这项研究中,为了揭示岩石边坡的失稳过程和机制从微尺度的角度来看,DEM模拟岩石斜坡的K88 + 400∼K88 + 540段中凯高速公路进行考虑关节的影响。基于现场的发现连接结构表面,岩石边坡模型包含两组间歇关节构造,和线性平行债券模型和平滑的联合模型用于描述岩体和关节,分别。微裂缝的发展,接触力链,和粒子位移进行了分析探索边坡不稳定的微观结构。最后,三重锚索的加固方案提出了框架和草种植。研究结果可以提供一个参考类似岩石边坡的稳定性分析和加固工程。
1。介绍
岩土材料的变形和破坏一直是一个关键的主题(1- - - - - -6]。特别是裂隙岩石边坡的变形和破坏通常是由于节理裂隙的发展和结构的破坏岩石的表面。风化和侵蚀的影响下很长一段时间,固有的物理和机械性能边坡岩石弱层和结构表面恶化;特别是,岩石强度指数将显示明显的衰减随时间;和岩石内部的微观结构进行损伤和积累,导致宏观时间变形的岩石边坡软弱结构面,最后不稳定破坏的斜率。因此,它是特别重要的研究岩体的结构面和关节岩石边坡的稳定性分析。
郑,赵7采用折减强度有限元法在岩石边坡的稳定性分析和获得岩石边坡的滑动面与稳定系数,为解决滑动面设置一个先例,有节的岩石边坡的安全系数。吴et al。8]分析了密集裂隙岩石边坡的稳定使用强度降低方法基于ubiquitous-joint模型,结果表明,潜在破坏面发生第一次软弱岩体沿节理面或在同一时间。钟和苗族(9]研究了边坡安全系数和滑动模式之间的关系和软弱夹层的封存在斜率使用极限平衡方法。基于弹塑性本构模型考虑复杂的应力状态,边坡的稳定渗流分析使用FLAC (10]。根据现场调查和谷歌地球图片,胡锦涛et al。(11]分析了裂缝延伸过程下的斜坡上地下开采,然后研究了边坡的破坏机理的数值RFPA3D软件。在露天矿的开挖过程为背景,王et al。12]分析了边坡稳定性因素的斜坡上使用强度降低的方法,这表明,垂直应力和稳定因子减少开挖的过程中,虽然最初水平应力增加,然后降低。王等人。13]提出了displacement-statistics-based离散单元法,然后研究了裂隙岩石边坡的稳定性通过加入抗剪强度降低的方法提出的建模方法。孟et al。14折减强度)提出了一个层次化的多尺度法耦合的有限元方法和DEM方法探讨混合土壤和岩石边坡的稳定性。他们的研究表明,多尺度模拟方法可作为一种新颖的数值工具用于边坡稳定性的分析。周et al。15]研究了不连续接头长度的影响,倾角、摩擦角、和凝聚力在边坡稳定性理论力学模型的基础上尖端灾难为断续裂隙岩石边坡不稳定。江et al。16]研究了裂隙岩石边坡的不稳定和崩溃过程通过一个有凝聚力的接触模型,并揭示了失效机理在宏观层面的斜率。目前,Donze17]研究了裂隙岩石边坡的破坏机理,发现启动弱边坡不稳定是由其内部表面裂缝。基于位移的离散单元建模方法王等人提出的统计数据。18)可以结合强度还原法来分析裂隙岩石边坡的稳定性。赵et al。19)使用颗粒流方法模拟岩石边坡的失稳破坏过程和探索的影响分布深度和软弱结构面倾角对边坡的破坏形式预先调整软弱结构面具有不同的分布形式。维克多和Tedius20.)建立了一个数值模型考虑关节等主要地质特征和结构的飞机模拟裂隙岩石边坡的稳定性受到楔形破坏机制的影响。李等人。21]分析了裂隙岩石边坡的稳定性在转化失败和推翻通过结合静态方法,multidegree自由的刚性块元素离散化技术、数学规划方法和塑性极限分析方法。歌和太阳22)测量了岩石结构面参数通过各种方法和寻找连接结构表面用最小剪切强度所谓潜在滑动面,基于depth-learning搜索算法。沈et al。23]Sarma法结合优化方法用于分析down-layer滑动的稳定性和cut-layer滑动方法对于大型水平层状岩石边坡在三峡库区影响软的结合水平,关节,边坡的岩性。
总之,尽管许多研究都已经进行有节的岩石山坡上,有失败的微观结构的研究相对较少的交叉断续裂隙岩石边坡。摘要横断面断续裂隙岩体的模型和岩石斜坡构造基于离散单元法,和断裂的演化规律和边坡破坏的微观结构研究在微尺度层面,可以改善岩体的破坏机理的理解和斜坡。
2。微裂缝,岩石节理面
有许多随机裂隙岩体的裂纹尖端是容易引起高压力集中在加载。当裂纹尖端附近的最大应力达到材料强度值,裂缝将扩大使不稳定,导致岩体的脆性断裂。在岩体裂缝生成负载可以主要分为翼裂纹和二次裂纹。翼裂纹出现的主要关节负荷下,逐步扩大。它被Lajtai24和Bobet和爱因斯坦25]是一种拉伸裂纹开始从裂纹尖端和扩展方向的最大负载。二次裂纹,另一方面,是剪切裂缝,大约是共面裂纹。次生裂缝通常传播剪切裂缝在同一个平面上,也出现的裂缝,岩石破坏的主要贡献者。
岩体通常是由结构面和完整的岩石,通常表现出各向异性、不均匀性和不连续性,由于复杂的地质过程。结构表面弱面岩体容易损坏。最近,除了实验方法(26,27),连续本构模型和离散单元法正越来越多地用于模拟岩土材料的变形和破坏(28- - - - - -37]。离散单元法在模拟裂缝和大变形有显著的优势。它只需要考虑颗粒之间的接触特性,不需要定义整个复杂的本构关系(38- - - - - -40]。在引力的作用下岩石边坡的不稳定模型包含关节由合成岩体模拟在PFC 6.0,如图1。合成岩体是由粘性颗粒模型和离散裂缝网络。粒子通过胶粘剂债券连接在一起,使每个粒子粘成一个整体,并在负载下,胶粘剂债券都折断了。更强的岩石材料的线性平行粘结模型经常被选为保税粒子的模型。线性平行粘结模型可以连接两个粒子,粒子以及飞机。平行粘结可以提供机械性能存储在两个接触部分之间,和并行连接部分类似于线性部分,建立弹性相互作用。平行存在的债券允许接触的两部分相互转移力和力矩。后发生的相对运动创建一个平行的债券导致的创造力量,时刻在保税材料。如果这些最大力量或时刻超过相应的键的强度,并行债券将打破。众多不同方向的关节和跟踪长度离散裂缝网络形式,然后嵌入粒子模型形成一个合成的岩体,如图2。线性平行键模型通常使用在岩石,矿物颗粒之间和光滑的关节模型用于粒子和裂缝网络的十字路口。
3所示。颗粒流模型对岩石边坡
岩石边坡模型的宽度120米和76米的高度和挖掘成立8阶段,如图3。模型中粒子的最小半径选为0.15米,和最大和最小粒径的比值等于2。孔隙度为0.1。
根据现场调查中凯高速公路,中等风化花岗岩的弹性模量作为11 GPa,和单轴抗压和抗拉强度是28.3 MPa和4.5 MPa,分别。试错法是用来校准中等风化花岗岩的微尺度参数用于DEM、和粒子模型的主要参数如表所示1。
从结构表面的统计结果(见图4和5),结构面和坡面紧密的趋势一致,有两组的主要结构面倾角72°和8°,分别。
根据边坡的现场调查,下面的关节主要发达阶段5。因此,两组间歇关节,命名组I和II,插入下面的面积第五阶段的斜率。两组关节的倾斜角度72°和8°,分别都是8米的长度,如图6和7。根据现场的条件关节,关节的参数可以得到如表所示2。
4所示。微机械的分析边坡的不稳定
4.1。时空演化的微裂缝裂隙岩石边坡
裂隙岩石边坡的破坏机制的过程中不稳定从微观力学的角度分析了在这一节中。图8显示发展的失败过程中裂隙的岩石山坡上由两组控制层不连续的关节。微裂缝是造成骨折,颗粒间的接触应力超过其粘接强度。它可以根据不同的断裂模式分为两类,即拉伸断裂(用红色表示在图8)和剪切断裂(用绿色表示在图8)。
(一)
(b)
(c)
(d)
(e)
(f)
从图可以看出8顺利的联系骨折关节模型可以观察到当计算达到1000次的步骤。然后裂隙主要源于紧张失败结束时生成联合在5000时间步长计算的状态,逐步扩展到周围的关节沿岩桥。如图8,人们可以观察到岩桥的破坏和渗透,如岩石上端之间的桥梁我第一联合集团的第三层和第二个关节的左端第二层组II,低端之间的第二个关节在第六层组我和右端第二第三联合层组二世和上端之间的第二个关节在第五层组我和右端第二个关节在第四层组II。此外,微裂缝的发展由内而外根据空间位置。在10000时间步的状态,裂纹发生在表面的斜率,和内部裂纹继续发展。的第二个关节在第三层组我优惠和连接两个关节,这是第一个关节的右端组第二和第四层的左端第一个关节在第五层,分别和破裂块斜坡表面形成的。岩石之间的桥梁的上端的三个关节和右端第一个关节在第六层组二世被打破,连接,和岩石之间的桥梁的右端第二第三联合集团第三层的左端第二第三第四层组的联合和连接。在15000时间步,边坡表面裂缝进一步增加,和右边的两个关节在第六层组II与边坡表面破裂;低端之间的宏观破裂区出现第三联合在第七层小组我的右端第二第三第四层联合集团。在20000时间步,大量的断裂发生在年底我第一联合组在第二层和第四层的第一个关节组我和扩大关节周围的结束;岩石之间的桥梁的上端我第一联合第五层组的左端第三联合组II突破第二层;和第一个关节的上端第六层组我第三联合开发和贯穿中间第二层组II。 When the model calculates to 25,000 time steps, a large number of fissures developed in the joints at the bottom of the slope, especially at the upper end of the first joint in the second layer of group I and the left end of the third joint in the first layer of group II, and almost all of the joints have penetrating failures. Microfractures continued to occur in the fractured zones that had been penetrated in many places, and the macrofracture zones were thickened and the fractures were more obvious.
正如上面所讨论的,发现有两组分层间歇关节(坡角之间的两组联合倾斜角度)使用以下失败定律:滑坡主要归因于这样一个事实:间歇性的末端关节之间的裂缝穿透并形成一个封闭的身体分开的斜率与主关节;在不同的时间和空间条件下,裂隙主要是拉伸断裂与更多的纵向裂缝和横向裂缝却更差了;微裂隙生成优先在斜坡的底部的共同目的,逐渐扩散到表面,斜坡的上部。
4.2。时空的发展不稳定,连接块破裂岩石山坡上
图9显示骨折块的时空发展过程,不同的颜色代表不同的骨折块,骨折块是由颗粒状的身体,有块岩石与岩体由于分离mesofractures的生成和渗透。断块内的粒子仍绑在一起,将继续进入加载下几小块。当模型达到1000时间步,由于光滑的关节的破裂,破裂块出现在第一阶段的表面斜率和三级斜率,在关节配合块破裂的边缘,和他们的底部和顶部平坦,后缘是陡峭的。州5000时间步,分散的小块破裂出现在斜率,和小区域断裂块出现在的上部一级边坡,第三级坡,第五层中期的斜率。10000时间步长,分散小骨折块的数量继续增加;第三级坡上断裂块继续向上扩展到第四层坡的中间;和它的形状也有相对温和的底部和顶部的特点和陡峭的后缘。15000时间步,边坡内的散块大大增加,和一个不规则的楔形块破裂出现在中间的五年级坡上初中一年级的中间坡面;后缘陡峭,底部,结束是平的,但中间部分是一个四边形嵌入在底部。20000次的步骤,斜率的内部裂缝最终穿透,和一个大断裂块出现; the bottom of the large fractured block is irregular; and the trailing edge presents a steeply connected step shape. When calculation approaches 25,000 time steps, a large number of ruptured blocks appear inside, and on the surface of the slope, and the large inner ruptured blocks continue to rupture and divide into multiple blocks. There are ruptured blocks on the slope surface below the seventh-level slope, and most of them have the characteristics of gentle bottom and top and steep trailing edge.
(一)
(b)
(c)
(d)
(e)
(f)
基于上面的分析,我们可以得出结论,有两组层不连续的关节(坡角之间的两组联合倾斜角度)岩石边坡失败时使用以下规则:骨折块首次出现在下部的斜率,然后向上发展,然后在斜率发生了;中间的破裂块更小和更低的地区,和上层和内部破裂块更大;大部分的破裂块不规则形状但通常显示的特点,相对温和的上下边缘和相对陡峭的落后和前缘。
4.3。接触力链和裂隙岩石边坡的位移
图10显示了接触力链的比较之前和之后的不稳定裂隙岩石边坡。如图10 (),边坡表面的接触力的方向是大致相同的斜率的表面。颗粒之间的接触力在斜率逐渐恢复到原来的状态在重力的作用下,主要分布在垂直方向和水平方向。如图10 (b)斜率的失败后,颗粒之间的接触力的不连续联合较大,这是符合裂纹尖端的应力集中现象。这种现象更明显的下部斜坡,但关节的上、下表面附近的接触力很小,并形成压力拱在连接的岩桥的关节,导致边坡沿微裂缝的关节。
(一)
(b)
图11显示粒子的位移场的计算。粒子的位移矢量图如图(11日)直接反映了粒子的移动方向。边坡表面的粒子沿着山坡滑下方向,和内部粒子大约垂直向下移动。粒子的位移大小如图11 (b)。边坡表面粒子的位移比较大,最多达到0.4脚下的斜率。然而,它随位置深入斜率。
(一)
(b)
5。斜率支持措施
在视图的底部的位移斜率大,微裂隙在阶段1到3的斜坡上容易被惊呆了,一个三重加固项目的锚索框架和草种植。预应力锚索是结合钢筋混凝土框架梁预应力锚索梁结构。为了充分发挥antisliding滑坡的能力,采用主动antisliding方法,传统的被动antisliding形式取代了预应力锚索框架梁。强化机制是将边坡的锚固力的身体通过之间的交互框架梁和预应力锚索,稳定边坡表面和内部,使边坡更稳定。
根据显微分析结果,与混凝土斜坡坡脚倒,和第三级边坡采用锚索框架加固措施。钢链锚钻孔安装的斜坡,和锚索的施工设计框架是如图12。三行和六束锚索的采用,锚索的最大长度是20 m,锚的长度是8米20°角与水平面和锚孔之间的距离是3×3 m。6个包的类型的锚索OVM15-6类型,600 kN的拉力强度。设置钢筋混凝土框架梁沿垂直和水平方向的锚洞的肋宽40厘米长度通过锚洞。框架梁护坡是主要的组成部分,也是支持点锚索张拉和锚定。因此,草地保护框架梁内,最终构成斜率的支持系统。
根据锚索应力监测方法,如图13,锚杆应力计放置在预应力锚索监测压力在危险的位置显示在介观分析(第三阶段的斜率)。“实时在线显示系统智能监控的高和陡峭的斜坡路裂痕”是独立开发收集监测数据。根据现场调查,六个应力监测点安排在第三阶段的斜率。压力的变化前后锚索张拉(见图14)表明,使用上面的强化措施加固边坡是稳定的,如图15。
6。结论
摘要DEM模型包含两组光滑打断了关节的岩石斜坡(坡角之间的两组关节的倾向)。分析了岩石的微观结构的不稳定斜坡点的微裂缝,骨折块,接触力链,和粒子位移。具体结论如下:(1)岩石边坡的不稳定是根本断裂造成的岩石颗粒间的附着力,和微裂缝主要是由于紧张失败。了裂隙首先发生在内部和底部接头的坡,然后逐渐扩展到斜坡的上部与大量的骨折在垂直方向和水平方向的裂缝的减少。(2)的过程中边坡不稳定,关节的接触力在很大,而接触力的上、下表面关节很小,岩桥应力拱”的现象。(3)破碎的粒子沿着山坡滑下方向,和损害主要位于山脚下。尽管大量的裂缝发生在斜率,没有大规模的滑坡,斜率是总体稳定。但是脚和第三阶段的斜率应加强和保护。
数据可用性
使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突。
作者的贡献
魏朱镕基进行数据分析和写的手稿;梁高建立了数值模型和分析结果;Yingai赵极大地推动了数据分析和手稿准备;朝阳和魏太阳审查和编辑的手稿;Pengqiang Yu的概念和方法论的研究。所有作者已阅读及同意发布版本的手稿。
确认
作者欣然承认提供的金融支持PowerChina Roadbridge集团有限公司有限公司(没有。LQKY2017-03)。