岩质边坡稳定性的离散元分析及其应用

发布时间：2017-03-31 01:20

  本文关键词：岩质边坡稳定性的离散元分析及其应用，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：摘要：Particle Flow Code (PFC)作为一种知名的离散元计算方法在岩体的动态、非线性过程的数值计算方面较传统的连续元有独特的优势和进步。目前使用PFC进行岩质边坡稳定性的分析的研究才刚起步不久,也不具备成熟的建模方法和分析理论。该方法还需要考虑细观参数的标定、边坡模型的形成、节理的模型等复杂的过程。本文基于岩质边坡稳定性的颗粒流模型特点和分析方法,进行了岩质边坡稳定性分析。结合城门山露采边坡的Z1剖面,建立了PFC边坡模型并进行了应用性的研究,主要内容和结论如下： (1)在PFC基本思想和计算方法的基础上,研究了PFC建模的一般步骤。使用PFC2D先后进行了单轴压缩数值试验、双轴数值试验、直剪数值试验、巴西劈裂数值试验和平台巴西劈裂数值试验,通过试错法标定了PFC模型所需的细观参数。 (2)利用平台巴西劈裂试验测定岩石抗拉强度,可以改善加载处的应力状态。通过平台圆盘巴西劈裂的数值试验,对不同平台中心角的巴西劈裂进行了分析。推荐平台中心角为20°的平台圆盘进行巴西平台劈裂试验；经过计算得到平台中心角20°的平台巴西劈裂抗拉强度修正系数k=0.9315。 (3)建立了8组不同节理倾角下的PFC岩质边坡模型(节理倾角α分别为：0°,15°,30°,40°,50°,60°,75°,90°),分析了不同节理倾角对边坡的破坏模式的影响,发现节理倾角对边坡稳定性和破坏模式有重要作用。当节理倾角为0°或者90°时,边坡稳定性主要受到完整岩石的强度的控制。当节理的倾角为30°至60°时,节理对边坡破坏模式和稳定性起决定性作用。 (4)综合PFC和极限平衡法进行了边坡稳定性分析。该方法不需要其他假设条件和搜索算法,利用PFC自动确定边坡的临界滑动面。通过自编FISH程序得到边坡的滑动面数据,再把滑动面数据输入到Spencer程序中,计算得到极限平衡法得到边坡安全系数。 使用重力增加法使边坡处于临界破坏状态,该边坡模型采用的临界重力加速度对于确定滑动面和计算安全系数至关重要。因为随着试验重力加速度的增加,边坡破坏程度变得也大,计算得到的边坡安全系数也在增加。 (5)建立了城门山露采边坡Z1剖面的PFC边坡模型,分析得到边坡的破坏模式。坡脚处的节理引导了滑动面的形成；而软弱岩层弱化了边坡的整体稳定性,促使边坡整体滑动面向边坡内部的发展。 根据该边坡的自身特点,提出了具有针对性的加固措施。对于坡脚处的节理建议采取的锚固的加固方式,而为提高坡体中的软弱岩层强度,建议通过注浆的方式进行加固。最后为了对可能出现的滑坡事故进行预先的辨识,对边坡破坏滑动过程中边坡内各部分的位移、速度进行了追踪和分析。
【关键词】：岩质边坡稳定性 颗粒流 离散元 岩石力学 安全系数 滑坡
【学位授予单位】：中南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TD854.6
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-8
• 目录8-11
• 1 绪论11-17
• 1.1 研究背景和意义11-12
• 1.2 岩质边坡稳定性研究现状12-13
• 1.2.1 极限平衡法12
• 1.2.2 数值分析法-连续元12
• 1.2.3 数值分析法-离散元12-13
• 1.3 颗粒流的基本思想及其发展13-15
• 1.3.1 颗粒流基本思想及其假设13
• 1.3.2 PFC国内外研究概况13-15
• 1.4 本文的研究内容和思路15-17
• 2 离散元数值计算原理17-27
• 2.1 离散元计算过程17-20
• 2.1.1 力和位移定律17-19
• 2.1.2 运动定律19-20
• 2.2 离散元细观接触本构模型20-22
• 2.2.1 线性刚度模型20
• 2.2.2 滑动模型20
• 2.2.3 平行粘结模型20-21
• 2.2.4 伯格斯模型21-22
• 2.3 离散元初始模型的建模过程22-26
• 2.3.1 初始几何模型22-23
• 2.3.2 初始内部应力模型23
• 2.3.3 去除漂浮粒子23
• 2.3.4 细观参数赋值23-26
• 2.4 本章小结26-27
• 3 颗粒流的细观参数及节理岩质边坡模型27-42
• 3.1 细观参数标定研究现状27-28
• 3.2 数值仿真试验与细观参数反演28-37
• 3.2.1 单轴压缩试验28-29
• 3.2.2 双轴压缩试验29
• 3.2.3 直接剪切试验29-30
• 3.2.4 巴西劈裂与平台巴西劈裂试验30-37
• 3.3 节理岩质边坡模型及破坏模式分析37-41
• 3.3.1 节理岩质边坡模型37-39
• 3.3.2 不同节理倾角对边坡稳定性的影响分析39
• 3.3.3 边坡破坏过程分析39-41
• 3.4 本章小结41-42
• 4 基于颗粒流和极限平衡法的边坡稳定性分析42-55
• 4.1 PFC边坡模型建模42-43
• 4.2 重力增加法43-46
• 4.2.1 两种破坏方式43-44
• 4.2.2 边坡滑动面44-46
• 4.3 边坡安全系数46-47
• 4.4 重力加速度分析47-48
• 4.5 边坡渐进破坏分析48-50
• 4.6 例证50-53
• 4.7 本章小结53-55
• 5 城门山露采边坡稳定性分析及动态破坏过程55-80
• 5.1 研究目的与矿区概况55
• 5.2 工程地质与水文地质条件55-62
• 5.2.1 矿区工程地层55-60
• 5.2.2 水文地质条件60-61
• 5.2.3 工程地质分区61-62
• 5.3 边坡岩土体物理力学性质试验及工程折减62-68
• 5.3.1 试验设备、试样取样及处理62-65
• 5.3.2 岩石和湖泥的物理力学测试65-67
• 5.3.3 岩土体力学参数的工程处理67-68
• 5.4 简化的边坡PFC模型68-73
• 5.4.1 城门山边坡原型68-69
• 5.4.2 PFC边坡模型假定条件69-70
• 5.4.3 边坡PFC模型建模过程70-72
• 5.4.4 设置边坡监测点72-73
• 5.5 计算结果观测与分析73-79
• 5.5.1 边坡失稳机制与加固73-76
• 5.5.2 动态破坏过程的观测分析76-79
• 5.6 本章小结79-80
• 6 结论与建议80-83
• 6.1 结论80-81
• 6.2 建议81-83
• 参考文献83-88
• 攻读硕士学位期间发表的论文88-89
• 致谢89

【参考文献】

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