文摘

根据实际工程地质调查,机械响应机制和夹层边坡的滑动面特征包含六层的软、硬岩在暴雨条件下开挖数值模拟研究,和复合滑动面稳定算法的分层建立边坡采用罚函数。研究表明,开挖期间,压力的分布特征,应变、塑性区,沿层理面水平位移是显而易见的;压力集中在坚硬的岩石层;然而,应变和塑性区集中在软岩层。当最大垂直位移的比值的最大水平位移小于1.85,边坡滑动。根据软岩的相对位置层和斜率的脚趾,滑动表面的软、硬岩夹层之间的斜率可以分为两种类型,即circular-straight滑动面和circular-straight-circular滑动面。验证表明,复合滑动面算法客观地反映了顺层滑动边坡的破坏和可以合理地评估安全的软、硬岩夹层之间的斜率。

1。介绍

地质结构和机械性能的软、硬岩夹层之间的斜率是非常复杂的,在开挖稳定性问题突出。为了防止这种不稳定的边坡开挖机械响应法和稳定计算方法在开挖过程中应该掌握的。近年来,学者们越来越多的关注分层的斜坡。在顺层边坡稳定性方面,曹等人发现各种人为因素的影响在三维软岩斜坡稳定性较差的床上用品在开挖过程中(1]。Xue-chi等人研究了顺层岩石边坡的变形规律和稳定性在二次开挖(2]。李等人发现控制双软弱夹层对边坡稳定性的影响(3]。张等人研究了顺层软岩斜坡的变形机理和稳定性(4]。刘等人提出,岩石边坡的稳定性可以通过分析飞机性能的评估原位床上用品(5]。顺层边坡变形与破坏的,风扇等人提出,顺层边坡的破坏模式主要是垂直张力裂缝后边缘的斜坡,顺层滑动的岩层层间,和岩石崩落块顶部的斜率(6]。张等人分析了顺层边坡的变形和破坏机理与缓倾斜角度(7]。习等人研究了顺层岩石边坡破坏特征的基础上与多个软弱夹层(8]。周和唐研究顺层斜坡的突然滑动破坏机理基于能量原理(9]。李和程研究了顺层滑坡的蠕变特征(10]。顺层边坡的滑动面,周等人发现,强风化软、硬岩夹层之间的斜坡形成折线潜在滑动面关节,裂缝,和岩层,有多个潜在滑动面(11]。丁等人研究了典型的床上用品矿业斜坡的变形和破坏过程和演化规律的滑动表面的岩石和土壤属性(12]。刘等人使用了一种新的方法来预测顺层岩石边坡的破坏面(13]。此外,一些学者研究了基岩滑坡的破坏模式,如毛泽东等人发现,顺层岩石边坡软弱结构中起着重要作用在边坡的稳定性14]。马和张提议sliding-bending-pull-crack复合顺层滑坡的变形模型,并指出坡显然是由软弱夹层和岩体结构控制(15]。王等人提出了滑动failure-shear层failure-tensile软弱夹层边坡的破坏模式(16]。赖昌星等人提出了一种滑动和traction-slip复合滑模(17]。

目前,大多数的相关研究集中在稳定、变形和破坏模式,动态测试中,剪切强度结构的飞机、边坡加固顺层斜坡。机械响应机制和顺层边坡开挖的稳定性算法需要进一步的研究。为了探索在开挖过程中力学响应和稳定算法的软、硬岩夹层之间的斜率,数值模拟的实际项目进行的这项研究研究压力、应变、塑性区、位移等力学在暴雨条件下的开挖。根据边坡的滑动面分层的特点,建立了边坡稳定性的算法,算法通过一个例子来验证。

2。开挖力学响应分析

2.1。工程概述和数值模型

高速公路深挖路堑边坡的贵州,中国,是一个典型的软、硬岩夹层之间的斜率。斜率有6个软、硬岩层倾角的大约15°。挖掘分为7个等级,最大开挖深度为53.6米。开挖区域的地质条件复杂,沿着床和边坡滑动的趋势是显而易见的。这个地区属于低山和丘陵的地形构造侵蚀,和路堑边坡开挖坐落在山坡上。当地的降雨量丰富,总降雨量600 - 700毫米在夏天,和洪水经常发生。该地区地层从上到下由工程地质调查和钻探发现如下:①粉质粘土(Q_{4 dl +埃尔}):它属于二级普通土壤,钻井所暴露出的最大厚度为5.93米②强风化砂岩(J_1-2zl):它属于第四年级软石,钻井所暴露出的最大厚度是13.32米③中等风化砂岩(J_1-2zl):它属于V subhard石头,钻井所暴露出的最大厚度是7.98米④强风化泥岩(J_1-2zl第三):它属于硬土,和钻井暴露的最大厚度是8.6米⑤Medium-weathered砂岩(J_1-2zl):它属于V subhard石头,钻井所暴露出的最大厚度是6.65米⑥强风化泥岩(J_1-2zl):它属于三级硬土,和钻井暴露的最大厚度是8.45米⑦Medium-weathered砂岩(J_1-2zl):它属于ⅴsubhard石头,和最大厚度9.07米了钻井(不接触)

主要不利的地质区域是包含强风化岩层层理坡,这是容易产生顺层滑动下开挖扰动。这个地区属于以下地区地震烈度六世,地面运动加速度的峰值为0.05 g,和普通的地面运动特征反应是0.35秒。基于前面的背景分析,可以看出,在开挖过程中边坡的稳定性很容易受到大雨的天气和发生和岩层的岩性和地震影响较小的因素,所以大雨条件主要考虑在本研究的数值模拟。根据野外地质勘探数据和实验数据,选中的暴雨条件下模拟岩土参数如表所示1。

根据边坡的实际大小,150×70建立数值模型,如图1,CPE4元素类型用于网格划分。有限元分析是用于数值模拟,在暴雨条件下的岩土参数表1输入到模型中,开挖边坡在暴雨条件下的数据通过数值模拟,和力学响应分析是在此基础上进行。

2.2。压力反应分析

从图可以看出2剪切应力分布的各级边坡开挖后的剪切应力总是处于不断的调整,及其分布密切相关,各岩层的位置和岩体的强度,主要是集中在相对高强度中等风化砂岩层。因此,剪切应力有明显的带沿岩层分布特征;后期的开挖,附近的剪切应力集中的脚趾斜率两边逐渐严重。

在有限元分析中,年代_xy和年代_yx剪切应力的吗XY飞机指向Y设在和X分别设在方向的Y设在方向作为一个积极的单元,kPa。图3显示了最大剪应力在坡体开挖边坡的水平。比较年代_xy和年代_yx曲线,发现平均剪切应力年代_xy的约1.85倍吗年代_yx各级斜坡开挖期间,和前平均是95 kPa大于后者。在开挖过程中,绝对的值的总和年代_xy和年代_yx在一个增加的趋势在一级开挖之前,累计增长了51.31%。第二级开挖后,一个实现增长了31.53%,达到最大值463 kPa各级开挖。然而,一级开挖后,剪切应力急剧下跌了22.03%,这表明,硬石层的剪切破坏坡体发生在这个时候,和大多数的剪切应力突然释放。

2.3。应变和塑性区分析

从图可以看出4最大应变的云各级开挖后边坡在开挖过程中,应变主要分布在软岩层强度较低,形成一个“应变区”沿软岩分布层,和最大值出现在软岩层。两个相邻的“应变区”倾向于连接上下,和两个“应变区”是完全集成到一个接一个一级开挖。“应变区”在相邻表面的斜率逐渐延长斜向下沿软岩层和扩展后的边坡表面的第一阶段开挖第四。

同时,塑性区分布的数值模拟得到的应变的分布基本上是一样的;各级开挖后边坡的塑性区和最大应变区主要分布在软岩层。如图5最大应变值显示,一个u型的变化趋势;开挖后的前三个水平,过去的四层,它首先降低,然后增加;尤其是第一级开挖后,单个增加率高达216.20%。前三个水平的最大应变值斜率逐渐减少了,因为有一个粉质粘土层的上部坡上,和应变大开挖的早期阶段,然后,增强卸载应变逐渐减少。四级斜率最大应变值的最后一步一步增加,因为在当地软岩层应变逐渐积累的共同作用下结构变化、卸货、压力再分配。第一级开挖后,边坡的脚趾是位于强风化泥岩层;的共同作用下,坡体的重量,自由表面和软岩层,应变迅速积累和最大应变值增加216.20%,表明塑料失败是发展迅速、边坡稳定性有严重的问题。

2.4。位移响应分析

它可以看到从云(图6)的水平和垂直位移分布,水平位移主要表现为运动的分层坡斜率沿着外面的自由端,和坡脚水平位移之间的交集区域和软岩层是最严重的进步开挖并形成一个分层滑动区域的脚趾边坡滑动的前端。

坡体的强烈的卸荷作用下,垂直位移分为下行解决斜率向上隆起的顶部和底部的斜率。垂直位移的影响区域很广,几乎,整个边坡在不同程度向上或向下移动。

与各级开挖沉降面积逐渐集中到山顶附近的斜坡的身体,和隆起区逐渐集中到路基坡脚。水平位移的分布沿岩层是显而易见的,逐步减少脚趾的斜率的斜率,而垂直位移主要是与岩体的深度和开挖的进步。

U₁和U₂分别代表水平位移和垂直位移的最大值在mm模型。它可以看到曲线的最大位移值每一层开挖后边坡如图7最大位移值在水平和垂直方向都逐步减少开挖之前第五水平和增加开挖之后第五级别。一步一步挖掘增加;尤其是一级开挖后,增加的U₁和U₂分别达到130.34%和45.41%;前者是后者的2.87倍,表明,一级开挖后,在水平方向的位移量迅速增加。

比较U₁和U₂曲线在图7可以看到,两个方向的最大位移曲线几乎是平行的,表明两个位移变化不是孤立的,固有的协调。水平位移的增加是垂直位移的6.30倍,但垂直位移是5.29毫米高于平均水平位移,表明边坡的位移的增加主要是水平位移、垂直位移和位移值主要是。的比例U₂/U₁是抛物线,U₂/U₁与开挖的第五阶段逐渐减少,从最高5.99至1.85,表明两个方向的位移值是加速和接近,和合并后的位移也必须加速增加,预测边坡滑动。

总之,分层边坡的位移增加主要水平位移、水平位移有明显的沿岩层分布特征,与位移值主要是垂直位移;垂直位移和水平位移的变化曲线几乎是平行的。当的比率U₂/U₁小于1.85,边坡滑动的风险较高。

2.5。滑动面特征分析

以来造成的干扰和顺层滑动趋势挖掘的第一层到第四层斜坡软摇滚明显比其他的水平,因此,第一级的滑动面特征第四层斜坡进行了主要分析。

当各级斜坡的强度降低到极限状态,滑动表面有明显的弧形滑顺层滑动。当坡脚软岩层之上,滑动表面之间会形成一个弧形滑动面底部层软岩的层和坡脚,如图8(一)-8(d)。当坡脚经过或在软岩层下,坡体直接滑出底部层软岩的层,如图8(b)和8(c)。

从这可以看出,顺层边坡的滑动面之间的软、硬岩石是复杂的。根据软岩的相对位置层和斜率的脚趾,滑动表面的软、硬岩夹层之间的斜率可以分为两种类型:arc-shaped-bedding滑动面和arc-shaped-bedding-arc-shaped滑动面。如果滑动面为曲面,它不是与实际情况一致。

2.6。机械强度还原过程的响应分析

从图可以看出9,在各级边坡强度减少的过程中,的反应应力、应变和位移表现出一定的规律性。

最大剪切应力,年代_xy通常是大于年代_yx,年代_xy先上升,然后下降。可以看出,最大剪切应力年代_xy有一个明显的积累和释放的过程,和剪切应力不断从软岩层转移到硬层。当坚硬的岩石的剪切应力层积累其抗剪强度,发生剪切破坏,导致剪切应力的释放。

最大应变的变化曲线E和最大位移U₁和U₂基本上是相同的;早期的减少,他们基本上保持不变或略有增加,突然迅速增加,当接近的最终价值减少。应变和位移的突然加速发展表明,大型机械坡体内发生了变化。结合变形云的数值软件,地图可以看出,斜率是迫在眉睫的滑动。同时,比较最大剪应力的突然释放和减少最大应变和位移突变的时间点,可以看出,前者通常发生早于后者,所以突然释放的最大剪应力并不表明,边坡处于稳定状态的极限,而加速最大应变和位移的变化显示,斜率是失败。

3所示。稳定的算法研究

3.1。传统弧形滑动面边坡稳定算法

当斜率只熊重力,其应力场可以通过使用弹性楔的弹性的解决方案。如果没有特殊的地质构造斜坡,其滑动面通常是弧形的。

如图10,如果有一个滑动面年代_AB通过一个指向的脚趾斜率的高度h,我们把坐标系统xoy上的投影年代_AB平面上的坐标系统xoy是l_AB。我们的表达l_AB是y=f(x),斜率的岩石和土壤参数c,φ,γ,分别。体力组件X= 0,Y=γ,坡面之间的夹角x设在是θ的坐标,斜率的脚趾一个( ,h),滑动面之间的交点的坐标和斜坡的顶端B(x_b,0) ,h,θ已知数量。

指顾和汉族的方法18),假定应力函数的斜率ψ是一个纯粹的立方的表达吗x和y,即

从弹性力学,它可以知道应力分量的表达式在斜率是一个点

我们代入方程(1)方程(2)获得

应力分量满足以下边界上的边界条件

其中,没有压力水平边界(y= 0),即 ,外法线的方向余弦 ;同时,没有压力边界的斜率 ,也就是说, ,外法线的方向余弦 ,因此,它可以获得

我们的替代品(5)方程(3)获得 在哪里 , ,和法向应力和剪切应力在斜率的一个点,分别。

对于确定滑动面,不同的方法有不同的假设,和获得的滑动面形状也不同。例如,简化主教方法假定滑动面是弧形的表面。机械分析规则假定每个滑动面是一个二次多项式的表达。有限元法得到的临界滑动面通过连接故障点与当地稳定系数小于1也接近弧表面。

如图11,没有分层结构软、硬岩之间的斜率。在这个时候,曲线段l_AB可以完全视为一个圆弧段,正常的压力和切向剪切应力在任何时候l_AB可以表示为 的表达式l和米是

滑动面,和满足 ,代入方程(8), 在方程(7),并获得

莫尔−库仑本构模型是用于边坡岩体质量和边坡的稳定系数可以用下列方程表示: 在哪里和内聚力和内摩擦角的岩石和土壤,分别和分子和分母代表的总antisliding力和总滑力边坡滑动面年代_AB在极限平衡状态下,分别。

我们代入方程(9)到方程(10)和(11)获得以下:

我们代入方程(6)(11)获得

我们的替代品 到(12)获得

方程(13)是边坡稳定系数的计算公式与传统弧形滑动面,在那里 , ,和是已知的, 是获得。然后,可以获得相应的稳定系数。

3.2。稳定算法的软、硬岩夹层之间的斜率

基于滑动面在实际工程的分析,可以知道,软、硬岩夹层之间的边坡的滑动面不能简单地假设曲面。因此,结合工程实践,这种边坡的滑动面是假定为两种组合类型的arc-shaped-bedding滑动面(我)和arc-shaped-bedding-arc-shaped滑动面(II),如图11。滑动面之间的交点的坐标和岩石表面或坡面设置为 。为方便计算,设置点的坐标 ,和层面之间的边界点的坐标和弧形平面C 和D 。

软、硬岩夹层之间的斜率是异构的,和参数 , ,和在相邻岩层有很大的不同。因此,方程(13)需要解决根据岩性分层和积累。因此,变换后的方程(13),前两个组合类型的滑动表面(I, II)可以表示bywheren是软、硬岩层的数量在滑动区,n= 2,3,…, , ,和 ,和f(x)的表达复合滑动面。

方程(14)是稳定系数的计算公式软、硬岩夹层之间的斜率,并解决公式的关键在于的决心f(x)。如果一个表达式f(x),这样可以找到F_年代(x在方程()14)达到最小,最小值是边坡稳定系数,和f(x),在这种情况下,复合滑动面表达式。如果分段函数f(x)严格按照计算弧飞机或飞机,会很乏味。因此,f(x)大约是安装到多个连续函数表达式。

第一阶段的滑动面开挖后边坡为例,通过数值模拟的曲线滑动面装有第二,第三,第四,分别和5次多项式。通过观察图12,发现较高的拟合,曲线越接近于滑动面投影得到的数值模拟。拟合的顺序是4或以上时,可以实现一个相对理想的效果。然而,如果装配的顺序过高,不利于计算,所以本研究采用四阶多项式拟合。同时,可以看出当f(x)是一个二次多项式拟合曲线大大不同于滑动平面的投影,也证实了f(x)不能被假定为一个二次多项式。

基于前面的分析结果, 可以假定。问题的关键是获取一组(一个,b,c,d,e)f(x),这样的最小值F_年代(x)可以获得。事实上,它变成了一个约束优化问题,引入罚函数的方法来解决这个问题。

指Aizhong的实践和贾19),投影l_AB边坡的滑动面年代_AB同分异构地分为米沿着垂直方向段,如图13。假设每一个部分都是四次多项式的表达,曲线段l_AB可以表达一样一个_我,b_我,c_我,d_我,e_我(我= 1,2,… )是待定系数。

通过 ,

根据的连续性和平滑性f(x),可以获得以下:

根据方程(15)和(17),它可以得出结论

它可以从已知的数量在A和B点的坐标

结合方程(16),(18)和(19),我们可以获得以下:

为了确保边坡体内滑动面总是在优化过程中,约束条件被添加到我th分段点如下: 在哪里 ,x_我, 滑动面投影的横坐标值吗l_AB和边坡表面投影l_AO分别在同一段线。

根据前面的问题的类型和特点,惩罚函数,选择混合罚函数的优化,和稳定算法建立了基于复合滑动面搜索模型如下: 在哪里是目标函数,年代。t。是约束条件, 是混合增广目标函数,是惩罚参数, 。计算过程可以通过MATLAB编程实现。

4所示。实例验证算法的稳定性

4.1。稳定算法计算基于复合滑动面搜索模型

前面的复合滑动面模型算法用于专注于计算边坡的滑动面从第一阶段到第四阶段有明显的顺层滑动,结果如图所示14。的表情 和边坡开挖后的潜在滑动面计算得到的;结果如表所示2。

4.2。算法验证基于复合滑动面搜索模型

首先,我们计算边坡稳定系数的数值模拟结果,与此同时,我们计算边坡稳定系数,只考虑滑动面作为二次弧形表面下传统算法( 被认为是一个二阶多项式)测试的计算影响边坡稳定算法基于复合滑动面搜索模型。

折减强度有限元分析过程中,当应变计算不收敛,被迫停止,它表明,斜率是极大的畸形和不稳定;这时,强度降低系数是边坡稳定系数。

首先,在有限元分析计算的数据处理,在开挖和应变之间的关系,降低系数如图15。

这一比率K斜率的应变增量和相应降低系数增加t所示的计算强度减少以下方程: 在哪里和变量分别是应变和应变增量时间吗t和和分别是降低系数和降低系数增量时间吗t。在(23),假设最大值获得当 ,相应的换算系数是边坡稳定系数,即 在哪里边坡稳定系数。方程(24)是用来计算稳定系数曲线在图15,如图16。

在边坡稳定系数的计算弧形滑动面算法,表示在方程(13)。在图14,假设每个段都是一个二次多项式的表达;也就是说, 和 在方程(15)。二次弧形滑动面下的边坡稳定系数可以通过优化混合罚函数。三种方法的稳定性系数如表所示3。

从表可以看出3各级和边坡的稳定系数,弧形滑动面算法的结果是最大的,和最大偏差从数值模拟结果是14.42%。复合滑动面之间的最大偏差算法和数值模拟结果仅为4.49%。因此,复合滑动面算法更接近比弧形滑动面算法数值模拟的结果。

因为弧形滑动面算法只作为滑动表面二次电弧表面的层间滑动,而忽略了破坏斜率,边坡稳定系数的计算结果偏高,会高估其稳定性。然而,复合滑动面算法对边坡稳定性等级相对较低,很容易吸引人们的注意力,边坡的安全。总之,客观地反映了复合滑动面算法的层间滑动破坏的斜率和比弧形滑动面算法更合理的安全评价斜坡。

5。结论

(1)应力、应变、塑性区和水平位移的顺层边坡沿岩石表面有明显的分布特征。的应力、应变和塑性区主要集中在硬岩和软岩,分别。边坡位移主要是水平位移的增加,和更大的位移值主要是垂直位移。(2)顺层边坡将加速时的应变和位移斜率接近最终的稳定状态,和剪切应力突然释放通常发生早于最终的稳定状态。(3)根据软岩层的相对位置和坡脚,顺层边坡的滑动面可分为两种类型,即arc-shaped-bedding滑动面和arc-shaped-bedding-arc-shaped滑动面。(4)复合滑动面算法客观地反映了顺层滑动边坡的破坏和可以合理地评估安全的软、硬岩夹层之间的斜率。

数据可用性

数据用于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。

确认

这项研究得到了国家自然科学基金(拨款41472262和41472262),重庆大学的创新研究小组(格兰特CXQT19021),重庆市自然科学基金重点项目(批准cstc2020jcyj-zdxmX0012),和科学国家重点实验室的人员和技术人员山大桥和隧道工程、重庆交通大学、重庆。