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基于块体理论的多结构面控制下岩质边坡关键块体研究.pdf
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1、 年 卷第 期(总第 期)贵 州 地 质 ()收稿日期 修回日期基金项目贵州省第二批 个县(市、区)地质灾害详细调查及风险评价项目()作者简介龚芯磊()男工程师硕士研究生主要从事地质灾害防治及生态修复方面工作:基于块体理论的多结构面控制下岩质边坡关键块体研究龚芯磊(贵州省地质矿产勘查开发局 地质大队贵州 遵义)摘 要岩质边坡具有不连续性、多变性及各向异性的特点其稳定性很大程度上受边坡内部发育的多结构面的影响表现为块体的不稳定性因此寻求对边坡稳定性造成不良影响的关键可动块体是一项重要课题 通过块体理论全空间赤平投影与矢量计算的方法捕获关键块体并通过矢量计算确定块体的运动方式计算其稳定系数证明了全
2、空间赤平投影在确定可动块体上的简便性其直观的图示能避免矢量法较为繁琐的计算步骤而在可动块体运动形式的判别上两者必须相辅相成 通过应用块体理论确定的关键块体相较于传统方法应用于岩坡稳定性分析时强调的“整体性”而更加侧重于边坡内部块体的“个体性”与“精准性”突破了岩质边坡稳定性分析的模糊性问题也使边坡防治更精准更具针对性关键词块体理论岩质边坡可动块体关键块体全空间赤平投影中图分类号 文献标识码 文章编号()引言 世 纪 年 代 起 法、法、法等改进后的极限平衡方法不断提出(贺传仁蔡美峰等赵法锁)随后人类工程活动形成的边坡规模逐渐扩大学者在应用传统极限平衡法时不能准确的模拟边坡岩体内部应力应变的关系
3、极限平衡法缺点逐渐显现(王超)有限元法()等数值计算方法开始应用于岩质边坡稳定性分析中(刘传正穆超越)世纪 年代起离散元法()、有 限 差 分 法()、边 界 单 元 法()、非连续变形分析法()等一批数值分析方法得以飞速发展(张倬元等郑颖人等)由于考虑了岩体的弹塑性、非线性及非连续性等特点且借助了计算机技术模型化求解这一批数值方法使得岩质边坡稳定性分析结果更加符合实际后逐渐成为主要技术手段(刘佑荣等王超)但他们依旧将岩质边坡看作一个整体本质仍是基于极限平衡法的分析方法但实际上岩质边坡的结构面以各种组合形式切割边坡岩体致使其具有不连续、多变及各向异性的特点其稳定性更多受内部发育的各种节理裂隙等
4、结构面影响(黄润秋)因此不能简单的将岩质边坡看作一个整体(王衍汇)因此寻求对边坡稳定性产生不利影响的关键(可动)块体是岩质边坡稳定性分析的重要环节也是后续边坡精准防治的重要前提而块体理论能很好的解决该问题块体理论在上世纪 年代由石根华(石根华)先生提出并在与 教授合作过程中逐渐完善其基本原理基于拓扑学与集合论 与其他的连续或非连续的数值分析法比较块体理论对介质的变形与应力分布问题不做研究(易菊香)同时也有别于极限平衡法块体理论不从力的平衡及应力应变关系出发而是根据结构面及边坡面产状等要素确定关键块体在不知道结构面的具体出露位置时也能判断出对边坡岩体稳定性存在不利影响的块体(张昱辉等)针对多结构
5、面控制下岩质边坡的特殊性通过应用块体理论的全空间赤平投影及矢量法确定边坡关键块体及运动形式并求解其稳定系数证明了利用块体理论及其方法获取边坡中的关键块体和评价边坡稳定性的可行性该方法突破了岩质边坡稳定性分析的模糊性问题可为岩质边坡破坏形式判别及稳定性评价作参考 研究边坡特征及研究方法 研究边坡特征边坡位于贵州省铜仁市石阡县五德镇东面的五德河沟谷内 通过工程地质测绘边坡坡底标高 坡顶标高 坡高 宽 边坡坡向 坡度 坡顶面坡度 边坡所属地层岩性主要为奥陶系上中统宝塔组()灰紫色中厚层状泥质灰岩测得岩层产状主要为 坡顶岩体裂隙较发育部分岩体被切割呈块状坡体主要发育两组节理裂隙实测产状分别为、块体的基
6、本类型块体包括有限块体和无限块体而其中仅因结构面切割形成的块体叫作裂隙块体 任意类型的块体皆可看作是由结构面及临空面所形成的半空间特定组合的交集 如存在 组结构面则 组非平行结构面之间存在 个独立的半空间交集也即存在着 个块体 而实际上对于岩体稳定性起控制作用的只有少数可动块体 而块体理论则能够在众多块体中找出这些少数类型的块体即关键块体(高正)块体理论的基本思路建立在几何分析与运动学分析的基础上首先通过几何分析将不可动块体及无限块体排除然后通过运动学分析进一步将所有可能失稳的块体找出最后根据滑移面的物理与力学特性将所有的关键块体判断出来(孙琪皓等)锥域及相关定理 锥域棱锥:平移空间中的临空面
7、及结构面使其通过原点此时相应的空间平面将以坐标原点为顶点而构成各种棱锥(郭建峰等)棱锥的类型如表 所示若岩体中存在 个临空面及 个结构面每一个平面 将空间划分为上半空间与下半空间两个半空间则一个凸形块体即为该 个特定半空间的交集 若把块体中 个临空面及 个结构面的指向块体的法向矢量表示为各平面包含矢量的半空间表示为()则表 中各锥域可分别由式()()中相应的平面空间的交集表示表 棱锥类型 类型定义符号裂隙锥仅以结构面为界的岩体半空间构成的棱锥开挖锥仅以临空面为界的岩体半空间构成的棱锥空间锥除开挖锥以外的所有空间椎体块体锥若干结构面与一个以上的临空面为界的岩体半空间构成的棱锥 ()()()()(
8、)()()其中式()表示空间锥为开挖锥的补集式()则表示块体锥为裂隙锥与开挖锥的交集 块体的标注方法在矢量运算中为了直观的了解块体的空间域需要根据不同的情形对块体进行标注块体的标注方法通常有三种形式:数字编号:将 四个数字表示各结构面和临空面与块体的空间关系“”表示块体处于平面的上半空间“”表示块体处于平面的下半空间“”表示该平面非块体界面“”表示该平面为与块体相互平行的界面(费文平等)贵 州 地 质 年 卷 直观标注:表示平面 的上半空间则表示平面 的下半空间符号编号:“”代表上半空间“”则代表下半空间“”表示该平面为与块体相互平行的界面“”表示该平面非块体界面 有限性定理假定 个半空间的交
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