Анализ устойчивости откоса - Slope stability analysis

  (Перенаправлен из Slope Stability )

Анализ устойчивости откосов - это статический или динамический, аналитический или эмпирический метод оценки устойчивости грунтовых и каменных дамб, насыпей, выемок откосов и естественных откосов в грунте и скальных породах. Устойчивость склона относится к состоянию наклонной почвы или скальных склонов, которые могут выдерживать или подвергаться движению . Состояние устойчивости откосов является предметом изучения и исследования в механике грунтов , инженерно-геологической и инженерной геологии . Анализы , как правило , направлены на понимание причин Произошла недостаточность наклона, или факторы , которые потенциально могут вызвать движение наклона, в результате оползней , а также на предотвращение инициации такого движения, замедляя его или остановку его через смягчения контрмер .

Стабильность уклона в основном контролируется соотношением между имеющейся прочностью на сдвиг и действующим напряжением сдвига , которое может быть выражено в терминах коэффициента безопасности, если эти величины интегрированы по потенциальной (или фактической) поверхности скольжения. Склон может быть глобально стабильным, если коэффициент безопасности, вычисленный вдоль любой потенциальной поверхности скольжения, идущей от вершины склона до его носка, всегда больше 1. Наименьшее значение коэффициента безопасности будет приниматься как представляющее условие глобальной устойчивости. склона. Точно так же уклон может быть локально стабильным, если коэффициент безопасности больше 1 вычисляется вдоль любой потенциальной поверхности скольжения, проходящей через ограниченную часть уклона (например, только в пределах его носка). Значения глобальных или локальных коэффициентов безопасности, близкие к 1 (обычно составляющие от 1 до 1,3, в зависимости от нормативных требований), указывают на предельно стабильные уклоны, требующие внимания, мониторинга и / или инженерного вмешательства ( стабилизации уклона ) для увеличения коэффициента безопасности и уменьшения вероятность движения по склону.

На ранее стабильный уклон может повлиять ряд предрасполагающих факторов или процессов, которые снижают коэффициент безопасности - либо за счет увеличения напряжения сдвига, либо за счет уменьшения прочности на сдвиг - и в конечном итоге могут привести к разрушению откоса. Факторы, которые могут вызвать обрушение склона, включают гидрологические явления (такие как интенсивные или продолжительные осадки, быстрое таяние снега, прогрессирующее насыщение почвы, повышение давления воды на склоне), землетрясения (включая афтершоки ), внутреннюю эрозию (трубопроводов), поверхностную эрозию или эрозию пальцев ног, искусственная загрузка откосов (например, из-за строительства здания), срезка откосов (например, для освобождения места для проезжей части, железных дорог или зданий) или затопление склонов (например, путем заполнения искусственного озера после перекрытия реки плотиной ).

Примеры

Рисунок 1: Простой участок скольжения на склоне

Как видно на Рисунке 1, земляные склоны могут образовывать слабые участки в виде сферической врезки. Вероятность этого можно рассчитать заранее, используя простой пакет двумерного кругового анализа. Основная трудность при анализе состоит в том, чтобы определить наиболее вероятную плоскость скольжения для любой данной ситуации. Многие оползни были проанализированы только постфактум. В последнее время технология радаров стабилизации откосов была использована, особенно в горнодобывающей промышленности, для сбора данных в реальном времени и помощи в определении вероятности обрушения откосов.

Рисунок 2: Реальный оползень на склоне

Реальные сбои в естественно отложенных смешанных грунтах не обязательно являются круговыми, но до компьютеров было намного проще анализировать такую ​​упрощенную геометрию. Тем не менее, провалы в «чистой» глине могут быть довольно близкими к круговым. Такие скольжения часто возникают после периода сильного дождя, когда давление поровой воды на поверхности скольжения увеличивается, уменьшая эффективное нормальное напряжение и, таким образом, уменьшая сдерживающее трение вдоль линии скольжения. Это сочетается с увеличением веса почвы за счет добавления грунтовых вод. «Усадочная» трещина (образовавшаяся в предшествующую сухую погоду) в верхней части скольжения также может заполняться дождевой водой, выталкивая ее вперед. С другой стороны, оползни в форме плит на склонах холмов могут удалить слой почвы с верхней части подстилающей коренной породы. Опять же, это обычно происходит из-за сильного дождя, иногда в сочетании с повышенной нагрузкой от новых зданий или удалением опоры на носке (в результате расширения дороги или других строительных работ). Таким образом, устойчивость может быть значительно повышена путем установки дренажных каналов для уменьшения дестабилизирующих сил. Однако после того, как произошло скольжение, остается слабость вдоль круга скольжения, которая затем может повториться в следующий сезон дождей.

Проблемы со стабильностью склона можно увидеть практически при любой прогулке по ущелью в городских условиях. Пример показан на рисунке 3, где река размывает основание склона, а рядом с вершиной склона есть бассейн. Если палец зацепится слишком далеко или бассейн начнет протекать, силы, приводящие к провалу склона, превысят силы сопротивления разрушению, и разовьется оползень , возможно, довольно внезапно.

Измерение

Стабилизация склона

Устойчивость склонов можно улучшить:

  • Сглаживание склона приводит к снижению веса, что делает его более устойчивым.
  • Стабилизация почвы
  • Обеспечение боковых опор сваями или подпорными стенами
  • Затирка или инъекция цемента в специальные места
  • Уплотнение путем перезарядки или электроосмоса увеличивает устойчивость уклона.
Рисунок 1: Разрушение откоса при вращении на круговой поверхности скольжения

Методы анализа

Рисунок 3: Склон с размывающейся рекой и бассейном
Рисунок 4: Метод срезов

Если силы, доступные для сопротивления движению, превышают силы, приводящие к движению, уклон считается стабильным. Коэффициент безопасности рассчитывается путем деления сил сопротивления движению со стороны движущих сил движение. В сейсмоопасных районах анализ обычно выполняется для статических и псевдостатических условий, когда предполагается, что сейсмические силы от землетрясения добавляют статические нагрузки к анализу.

Анализ устойчивости склона выполняется для оценки безопасной конструкции техногенных или природных склонов (например , набережных , дорожные сокращения , открытых горных работ , раскопок, свалки и т.д.) , а также условия равновесия. Устойчивость склона - это сопротивление наклонной поверхности разрушению в результате скольжения или обрушения. Основными задачами анализа устойчивости откосов являются обнаружение уязвимых зон, исследование потенциальных механизмов разрушения, определение чувствительности откоса к различным пусковым механизмам, проектирование оптимальных откосов с точки зрения безопасности , надежности и экономики , разработка возможных восстановительных мер, например, барьеров и стабилизации. .

Успешное проектирование откоса требует геологической информации и характеристик площадки, например свойств грунта / горного массива, геометрии откоса , состояния грунтовых вод , чередования материалов в результате разломов , систем соединений или разрывов , перемещений и напряжений в стыках, землетрясений и т. Д. вода отрицательно сказывается на устойчивости склонов. Давление воды, действующее в поровых пространствах, трещинах или других неоднородностях в материалах, составляющих откос карьера, снижает прочность этих материалов. Выбор правильной методики анализа зависит как от условий на объекте, так и от потенциального режима отказа, при этом особое внимание уделяется различным сильным и слабым сторонам и ограничениям, присущим каждой методологии .

Перед компьютерным возрастом анализ стабильности проводился графически или с помощью портативного калькулятора. Сегодня инженеры имеют много возможностей использовать анализ программного обеспечение , варьируется от простых предельного равновесия методов через вычислительный предельный анализ подходов (например , конечный предел элементного анализ , прерывистость оптимизация компоновки ) до сложных и сложных численных решений ( конечномерного / различных -элементных коды) . Инженер должен полностью понимать ограничения каждой техники. Например, предельное равновесие является наиболее часто используемым и простым методом решения, но оно может стать неадекватным, если склон выходит из строя по сложным механизмам (например, внутренняя деформация и хрупкое разрушение , прогрессирующая ползучесть , разжижение более слабых слоев почвы и т. Д.). В этих случаях следует использовать более сложные методы численного моделирования . Кроме того, даже для очень простых уклонов результаты, полученные с помощью типичных методов предельного равновесия, используемых в настоящее время (Бишоп, Спенсер и т. Д.), Могут значительно отличаться. Кроме того, сегодня все шире используется концепция оценки рисков . Оценка риска касается как последствий разрушения склона, так и вероятности отказа (и то и другое требует понимания механизма отказа).

В течение последнего десятилетия (2003 г.) был разработан радар стабилизации откосов для дистанционного сканирования откосов горных пород с целью отслеживания пространственной деформации забоя. Небольшие движения шероховатой стены можно обнаружить с точностью до миллиметра с помощью методов интерферометрии.

Анализ предельного равновесия

Типичное поперечное сечение откоса, используемое в двумерном анализе.

Обычные методы анализа устойчивости склонов можно разделить на три группы: кинематический анализ, анализ предельного равновесия, и рок падения тренажеров. Большинство компьютерных программ анализа устойчивости откосов основаны на концепции предельного равновесия для двух- или трехмерной модели. Двумерные сечения анализируются в условиях плоской деформации . Анализ устойчивости двумерной геометрии откосов с использованием простых аналитических подходов может дать важную информацию о первоначальном проектировании и оценке рисков откосов.

Методы предельного равновесия исследуют равновесие грунтовой массы, имеющей тенденцию скользить вниз под действием силы тяжести . Поступательное или вращательное движение рассматривается на предполагаемой или известной поверхности потенциального скольжения под грунтом или горным массивом. При проектировании откосов горных пород методы могут иметь большое значение для простого разрушения блоков вдоль четких разрывов. Все эти методы основаны на сравнении сил , моментов или напряжений, сопротивляющихся движению массы, с теми, которые могут вызвать неустойчивое движение (возмущающие силы). Результатом анализа является коэффициент запаса прочности , определяемый как отношение прочности на сдвиг (или, альтернативно, эквивалентной меры сопротивления сдвигу или способности) к напряжению сдвига (или другой эквивалентной мере), требуемому для равновесия. Если значение запаса прочности меньше 1,0, наклон неустойчивый.

Все методы предельного равновесия предполагают, что прочность материалов на сдвиг вдоль поверхности потенциального разрушения определяется линейными ( Мора-Кулона ) или нелинейными отношениями между прочностью на сдвиг и нормальным напряжением на поверхности разрушения. Наиболее часто используемым вариантом является теория сопротивления сдвигу Терзаги, которая гласит, что

где - прочность на сдвиг границы раздела, - эффективное напряжение ( это полное напряжение, нормальное к границе раздела, - давление поровой воды на границе раздела), - эффективный угол трения и - эффективное сцепление.

Метод срезов - самый популярный метод предельного равновесия. При таком подходе почвенная масса разбивается на вертикальные срезы. Используются несколько вариантов метода. Эти изменения могут давать разные результаты (коэффициент безопасности) из-за разных допущений и межслоевых граничных условий.

Расположение интерфейса обычно неизвестно, но его можно найти с помощью методов численной оптимизации. Например, функциональный дизайн наклона учитывает критическую поверхность скольжения , чтобы быть на месте , где это имеет самое низкое значение коэффициента безопасности от диапазона возможных поверхностей. Широкий спектр программного обеспечения для обеспечения устойчивости откосов использует концепцию предельного равновесия с автоматическим определением критической поверхности скольжения.

Типичное программное обеспечение для определения устойчивости откосов может анализировать устойчивость обычно слоистых грунтовых откосов, насыпей, выемок земли и закрепленных листовых конструкций . Также могут быть включены эффекты землетрясения, внешняя нагрузка , состояние грунтовых вод, стабилизирующие силы (например, якоря, геоусиление и т. Д.).

Аналитические методы: метод срезов

Схема метода срезов, показывающая центр вращения.

Многие инструменты анализа устойчивости откосов используют различные версии методов срезов, таких как упрощенный Бишоп , Обычный метод срезов ( метод шведского круга / Петтерсон / Феллениус ), Спенсер , Сарма и т. Д. Сарма и Спенсер называются строгими методами, потому что они удовлетворяют всем трем условиям равновесия: равновесие сил в горизонтальном и вертикальном направлениях и состояние равновесия момента. Строгие методы могут дать более точные результаты, чем нестрогие методы. Упрощенный метод Бишопа или Феллениус - это нестрогие методы, удовлетворяющие только некоторым условиям равновесия и делающие некоторые упрощающие предположения. Некоторые из этих подходов обсуждаются ниже.

Шведский метод анализа скользящих кругов

Шведский скольжению Метод Круг предполагает , что угол трения почвы или породы равна нулю, то есть . Другими словами, когда угол трения считается равным нулю, член эффективного напряжения обращается в ноль, таким образом приравнивая прочность на сдвиг к параметру сцепления данного грунта. Шведский метод скользящей окружности предполагает круговую границу разрушения и анализирует параметры напряжения и прочности с использованием круговой геометрии и статики. Момент, вызванный внутренними движущими силами откоса, сравнивается с моментом, вызываемым силами, сопротивляющимися разрушению откоса. Если силы сопротивления больше движущих сил, уклон считается стабильным.

Обычный способ нарезки ломтиков

Деление откосной массы методом срезов.

В методе срезов, также называемом OMS или методом Феллениуса, скользящая масса над поверхностью разрушения делится на несколько срезов. Силы, действующие на каждый срез, рассчитываются с учетом механического (силового и моментного) равновесия срезов. Каждый срез рассматривается отдельно, а взаимодействиями между срезами пренебрегают, поскольку результирующие силы параллельны основанию каждого среза. Однако третий закон Ньютона не удовлетворяется этим методом, потому что, как правило, результирующие слева и справа от среза не имеют одинаковой величины и не коллинеарны.

Это позволяет выполнить простой расчет статического равновесия с учетом только веса грунта, а также касательных и нормальных напряжений вдоль плоскости разрушения. Для каждого среза можно учитывать как угол трения, так и сцепление. В общем случае метода срезов силы, действующие на срез, показаны на рисунке ниже. Нормальные ( ) и поперечные ( ) силы между соседними срезами ограничивают каждый срез и делают задачу статически неопределимой, когда они включаются в вычисления.

Силовое равновесие для среза в методе срезов. Предполагается, что блок имеет толщину . Срезы слева и справа проявляют нормальные силы и силы сдвига , вес среза вызывает силу . Эти силы уравновешиваются поровым давлением и реакциями основания .

Для обычного метода разрезания результирующие вертикальные и горизонтальные силы равны

где представляет собой линейный коэффициент, определяющий увеличение горизонтальной силы с глубиной среза. Решение для дает

Далее, метод предполагает, что каждый срез может вращаться вокруг центра вращения, и этот баланс моментов вокруг этой точки также необходим для равновесия. Баланс моментов для всех вместе взятых дает

где - индекс среза, - рычаги момента, и нагрузки на поверхность не учитывались. Уравнение момента можно использовать для решения касательных сил на границе раздела после подстановки выражения для нормальной силы:

Используя теорию прочности Терзаги и преобразовывая напряжения в моменты, мы имеем

где - поровое давление. Коэффициент запаса прочности - это отношение максимального момента из теории Терзаги к расчетному моменту,

Модифицированный метод анализа Бишопа

Модифицированный метод Бишопа немного отличается от обычного метода срезов в том, что нормальные силы взаимодействия между соседними срезами считаются коллинеарными, а результирующая сила сдвига между срезами равна нулю. Такой подход был предложен Аланом В. Бишопом из Имперского колледжа . Ограничение, создаваемое нормальными силами между срезами, делает задачу статически неопределимой. В результате для определения запаса прочности приходится использовать итерационные методы. Было показано, что этот метод дает значения коэффициента безопасности в пределах нескольких процентов от «правильных» значений.

Запас прочности для моментного равновесия в методе Бишопа можно выразить как

где

где, как и раньше, - индекс среза, - эффективная когезия, - эффективный внутренний угол внутреннего трения , - ширина каждого среза, - вес каждого среза и - давление воды у основания каждого среза. Для решения необходимо использовать итерационный метод, потому что коэффициент запаса прочности появляется как в левой, так и в правой частях уравнения.

Метод Лоримера

Метод Лоримера - это метод оценки устойчивости откосов в связных грунтах. Он отличается от метода Бишопа тем, что в нем вместо круга используется клотоидная поверхность скольжения. Этот режим отказа был определен экспериментально, чтобы учесть эффекты цементации частиц. Этот метод был разработан в 1930-х годах Герхардтом Лоримером (20 декабря 1894-19 октября 1961), учеником пионера геотехники Карла фон Терцаги .

Метод Спенсера

Метод анализа Спенсера требует компьютерной программы, способной к циклическим алгоритмам, но упрощает анализ устойчивости откосов. Алгоритм Спенсера удовлетворяет всем состояниям равновесия (по горизонтали, вертикали и движущему моменту) на каждом срезе. Этот метод учитывает свободные плоскости скольжения и, следовательно, может определять коэффициент безопасности вдоль любой поверхности скольжения. Жесткое равновесие и неограниченная поверхность скольжения обеспечивают более точные коэффициенты безопасности, чем, например, метод Бишопа или обычный метод срезов.

Метод сармы

Метод Сарма , предложенный Сарадой К. Сарма из Имперского колледжа, представляет собой метод предельного равновесия , используемый для оценки устойчивости склонов в сейсмических условиях. Его также можно использовать для статических условий, если значение горизонтальной нагрузки принято равным нулю. Этот метод может анализировать широкий диапазон отказов на склоне, так как он может приспособиться к механизму разрушения с несколькими клиньями и, следовательно, не ограничивается плоскими или круглыми поверхностями разрушения. Он может предоставить информацию о коэффициенте безопасности или о критическом ускорении, необходимом для разрушения.

Сравнения

Допущения, сделанные с помощью ряда методов предельного равновесия, перечислены в таблице ниже.

Метод Предположение
Обычный метод ячеек Межсрезовые силы не учитываются
Епископское упрощенное / модифицированное Возникающие межсрезовые силы горизонтальны. Силы межсрезового сдвига отсутствуют.
Упрощенный Джанбу Возникающие межсрезовые силы горизонтальны. Эмпирический поправочный коэффициент используется для учета сил межсрезового сдвига.
Обобщенный Предполагаемая линия тяги используется для определения местоположения нормальной силы между срезами.
Спенсер Результирующие межсрезовые силы имеют постоянный наклон по всей скользящей массе. Линия тяги является степень свободы.
Chugh То же, что и метод Спенсера, но с постоянной силой ускорения на каждом срезе.
Моргенштерн-Прайс Направление результирующих межсрезовых сил определяется с помощью произвольной функции. Вычисляются доли значения функции, необходимые для баланса сил и момента.
Фредлунд-Кран (GLE) Подобно Morgenstern-Price.
Инженерный корпус Результирующая межслойная сила либо параллельна поверхности земли, либо равна среднему уклону от начала до конца поверхности скольжения.
Лоу и Карафиат Направление результирующей силы между срезами равно среднему значению поверхности земли и наклону основания каждого среза.
Сарма Критерий прочности на сдвиг применяется к ножницам по бокам и внизу каждого среза. Наклоны интерфейсов слоев меняются до тех пор, пока не будет достигнут критический критерий.

В таблице ниже показаны условия статического равновесия, которым удовлетворяют некоторые из популярных методов предельного равновесия.

Метод Баланс сил (вертикальный) Баланс сил (горизонтальный) Моментальный баланс
Обычный МС да Нет да
Епископское упрощенное да Нет да
Упрощенный Джанбу да да Нет
Обобщенный да да Используется для расчета сил межсрезового сдвига
Спенсер да да да
Chugh да да да
Моргенштерн-Прайс да да да
Фредлунд-Кран да да да
Инженерный корпус да да Нет
Лоу и Карафиат да да Нет
Сарма да да да

Анализ устойчивости скального откоса

При анализе устойчивости откосов горных пород, основанном на методах предельного равновесия, могут учитываться следующие виды отказов:

  • Плоское разрушение -> случай скольжения горного массива по единственной поверхности (частный случай разрушения общего клинового типа); двухмерный анализ может использоваться в соответствии с концепцией сопротивления блока на наклонной плоскости при предельном равновесии.
  • Полигональное разрушение -> скольжение природного камня обычно происходит по полигональным поверхностям; расчет основан на определенных допущениях (например, скольжение по многоугольной поверхности, состоящей из N частей, кинематически возможно только в случае развития хотя бы (N - 1) внутренних поверхностей сдвига; горная масса разделена на блоки внутренними поверхностями сдвига; блоки считаются жесткими, прочность на разрыв не допускается и т. д.)
  • Разрушение клина -> трехмерный анализ позволяет моделировать скольжение клина в двух плоскостях в направлении вдоль линии пересечения
  • Обрушение при опрокидывании -> длинные тонкие колонны горных пород, образованные круто падающими неоднородностями, могут вращаться вокруг точки поворота, расположенной в самом нижнем углу блока; сумма моментов, вызывающих опрокидывание блока (т. е. горизонтальная составляющая веса блока и сумма движущих сил от соседних блоков позади рассматриваемого блока) сравнивается с суммой моментов сопротивления опрокидыванию (т. е. вертикальная составляющая веса блок и сумма сил сопротивления от соседних блоков перед рассматриваемым блоком); падение происходит, если движущие моменты превышают моменты сопротивления

Предел анализ

Более строгий подход к анализу устойчивости откосов - это анализ пределов . В отличие от анализа предельного равновесия, который делает специальные, но часто разумные предположения, анализ пределов основан на строгой теории пластичности. Это позволяет, среди прочего, вычислить верхнюю и нижнюю границы истинного запаса прочности.

Программы, основанные на анализе лимитов, включают:

  • OptumG2 (2014-) Программное обеспечение общего назначения для геотехнических приложений (также включает упругопластичность, просачивание, консолидацию, поэтапное строительство, проходку туннелей и другие соответствующие типы геотехнического анализа).
  • LimitState: GEO (2008-) Геотехническое приложение общего назначения, основанное на оптимизации компоновки разрывов для решения задач плоской деформации, включая устойчивость откосов.

Стереографический и кинематический анализ

Кинематический анализ исследует, какие виды разрушения могут возникнуть в массиве горных пород. Анализ требует детальной оценки структуры массива горных пород и геометрии существующих разрывов, способствующих нестабильности блоков . Используется стереографическое изображение ( стереосети ) плоскостей и линий. Стереосигналы полезны для анализа прерывистых горных блоков. Программа DIPS позволяет визуализировать структурные данные с помощью стереосетей, определять кинематическую реализуемость массива горных пород и статистический анализ свойств несплошностей.

Симуляторы камнепада

Анализ устойчивости скального откоса может предусматривать принятие защитных мер вблизи или вокруг конструкций, которым угрожает падение блоков. Симуляторы камнепадов определяют пути и траектории движения неустойчивых блоков, отделенных от поверхности склона. Метод аналитического решения, описанный Hungr & Evans, предполагает каменный блок как точку с массой и скоростью, движущуюся по баллистической траектории с учетом потенциального контакта с поверхностью склона. Для расчета требуются два коэффициента восстановления, которые зависят от формы фрагмента, шероховатости поверхности склона, импульса и деформационных свойств, а также от вероятности определенных условий при данном ударе.

Программа ROCFALL обеспечивает статистический анализ траектории падающих блоков. Метод основан на изменении скорости, когда рок-блоки катятся, скользят или отскакивают от различных материалов. Энергия , скорость , высота отскока и расположение конечных точек породы определяются и могут быть проанализированы статистически. Программа может помочь в определении восстановительных мер путем вычисления кинетической энергии и местоположения удара о препятствие. Это может помочь определить мощность, размер и расположение барьеров.

Численные методы анализа

Методы численного моделирования обеспечивают приближенное решение проблем, которые иначе не могут быть решены обычными методами, например сложной геометрии, анизотропии материала , нелинейного поведения, напряжений на месте. Численный анализ позволяет проводить деформацию и разрушение материала, моделировать поровое давление , деформацию ползучести , динамическую нагрузку, оценивать влияние изменений параметров и т. Д. Однако численное моделирование ограничено некоторыми ограничениями. Например, входные параметры обычно не измеряются, и доступность этих данных, как правило, оставляет желать лучшего. Пользователь также должен знать о граничных эффектах, ошибках построения сетки, аппаратной памяти и временных ограничениях. Численные методы, используемые для анализа устойчивости откосов, можно разделить на три основные группы: континуум , дисконтинуум и гибридное моделирование.

Континуумное моделирование

Рисунок 3: Сетка конечных элементов

Моделирование континуума подходит для анализа откосов грунта, массивных неповрежденных горных пород или массивов горных пород с сильными трещинами. Этот подход включает методы конечных разностей и конечных элементов, которые дискретизируют всю массу до конечного числа элементов с помощью созданной сетки (рис. 3). В методе конечных разностей (FDM) решаются дифференциальные уравнения равновесия (т.е. соотношения деформация-перемещение и напряжение-деформация ). Метод конечных элементов (МКЭ) использует приближения к связности элементов, непрерывности перемещений и напряжений между элементами. Большинство численных кодов позволяет моделировать дискретные трещины , например плоскости напластования , разломы . Обычно доступно несколько основных моделей, например эластичность , упругопластичность, деформационное смягчение, упруговязкопластичность и т. Д.

Дисконтинуум моделирование

Дисконтинуумный подход полезен для откосов горных пород, контролируемых неоднородностью. Горная масса рассматривается как совокупность отдельных взаимодействующих блоков, подвергающихся внешним нагрузкам и, как предполагается, претерпевает движение со временем. Эта методология в совокупности называется методом дискретных элементов (DEM). Моделирование дисконтинуума позволяет скользить между блоками или частицами. ЦМР основана на многократном решении динамического уравнения равновесия для каждого блока до тех пор, пока не будут выполнены граничные условия и законы контакта и движения . Моделирование дисконтинуума относится к наиболее часто применяемым численным подходам к анализу откосов горных пород, и существуют следующие варианты ЦМР:

Отличие-элементный подход описывает механическое поведение обоих, разрывы и твердого материала. Эта методология основана на законе силы-смещения (определяющем взаимодействие между деформируемыми каменными блоками) и законе движения (определяющем смещения, вызванные в блоках несбалансированными силами). Стыки рассматриваются как [граничные условия. Деформируемые блоки дискретизируются на внутренние элементы постоянной деформации.

Программа Discontinuum UDEC (Универсальный код отдельных элементов) подходит для скальных склонов с высокими трещинами, подверженных статической или динамической нагрузке. Двумерный анализ механизма поступательного разрушения позволяет моделировать большие смещения, моделировать деформацию или деформацию материала. Трехмерный код разрыва 3DEC содержит моделирование множества пересекающихся неоднородностей, поэтому он подходит для анализа неустойчивости клина или влияния опоры горной породы (например, анкеров, тросов).

При анализе разрывной деформации (DDA) смещения неизвестны, и уравнения равновесия решаются аналогично методу конечных элементов . Каждая единица сетки типа конечных элементов представляет собой изолированный блок, ограниченный разрывами. Преимуществом этой методологии является возможность моделирования больших деформаций, движений твердых тел, состояний сцепления или разрушения между каменными блоками.

Прерывистая горная масса может быть смоделирована с помощью методологии отдельных элементов в виде кода потока частиц , например программы PFC2D / 3D . Сферические частицы взаимодействуют посредством фрикционных скользящих контактов. Моделирование соединенных блоков может быть реализовано с помощью заданной прочности сцепления. Закон движения многократно применяется к каждой частице, а закон силы-смещения - к каждому контакту. Методология потока частиц позволяет моделировать поток гранул, разрушение неповрежденной породы, движения переходных блоков, динамический отклик на взрыв или сейсмичность, деформацию между частицами, вызванную поперечными или растягивающими силами. Эти коды также позволяют моделировать последующие процессы разрушения скального откоса, например, моделирование горных пород.

Гибридное / парное моделирование

Гибридные коды предполагают объединение различных методологий для максимизации их ключевых преимуществ, например, анализ предельного равновесия в сочетании с анализом потока грунтовых вод методом конечных элементов и анализом напряжений; связанный поток частиц и конечно-разностный анализ. Гибридные методы позволяют исследовать разрушения откосов трубопроводов и влияние высокого давления грунтовых вод на разрушение слабых откосов горных пород. Связанные коды конечных / отдельных элементов обеспечивают моделирование как поведения неповрежденных пород, так и развития и поведения трещин.

Классификация горных пород

Существуют различные системы классификации горных массивов для проектирования откосов и оценки устойчивости откосов. Системы основаны на эмпирических соотношениях между параметрами массива горных пород и различными параметрами откоса, такими как высота и угол наклона откоса.

Метод Q-наклона для проектирования откосов горных пород и классификации горных массивов, разработанный Бартоном и Баром, выражает качество горного массива для оценки устойчивости откоса с использованием значения Q-наклона, из которого могут быть определены долгосрочные стабильные углы откоса без армирования. выведен.

Классификация вероятностей

Система классификации вероятности устойчивости откосов (SSPC) - это система классификации горных пород для проектирования откосов и оценки устойчивости откосов . Система представляет собой трехступенчатую классификацию: классификация горных массивов по «обнажению» , «эталону» и «склону» с коэффициентами пересчета между тремя ступенями в зависимости от существующего и будущего выветривания и ущерба из-за метода выемки грунта. Стабильность уклона выражается как вероятность различных механизмов отказа.

Горный массив классифицируется по стандартизированному набору критериев по одному или нескольким обнажениям ( классификация «обнажений» ). Эти значения преобразуются для каждого воздействия на «эталонную» горную массу путем компенсации степени выветривания в обнажении и метода выемки грунта, который использовался для проведения воздействия, то есть на «контрольные» значения горной массы не влияют местные воздействия. такие как выветривание и метод раскопок. Затем можно спроектировать новый откос в «эталонном» массиве горных пород с компенсацией ущерба из-за метода выемки грунта, который будет использоваться для создания нового откоса, и компенсации ухудшения горного массива из-за будущего выветривания ( «уклон» горная масса). Если оценивается устойчивость уже существующего откоса, значения «обнаженности» и «откоса» горной массы одинаковы.

Механизмы отказов разделены на ориентации зависимых и ориентации независимо . Механизмы разрушения, зависящие от ориентации, зависят от ориентации откоса по отношению к ориентации неоднородностей в массиве горных пород, то есть скольжения (скольжение по плоскости и клину) и разрушение при опрокидывании. Независимость от ориентации относится к возможности того, что откос разрушается независимо от его ориентации, например, круговое разрушение полностью из-за вновь образованных разрывов в неповрежденных каменных блоках или разрушение частично вследствие существующих разрывов и частично новых разрывов.

Кроме того, можно определить прочность на сдвиг вдоль неоднородности («критерий скольжения»), «сцепление горной массы» и «трение горной массы». Система использовалась напрямую или модифицировалась в различных геологических и климатических условиях по всему миру. Система была модифицирована для оценки устойчивости откосов при угледобыче открытым способом.

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ «Калькулятор устойчивости склона» . Проверено 14 декабря 2006 .
  2. ^ Чага, Ashok K. (2002). «Метод определения критических поверхностей скольжения в анализе устойчивости откосов: обсуждение» . Канадский геотехнический журнал . 39 (3): 765–770. DOI : 10.1139 / t02-042 .
  3. ^ a b c Эберхардт 2003 , стр. 4
  4. ^ а б Абрамсон 2002 , стр. 2
  5. ^ Kliche 1999 , стр. 2
  6. ^ USArmyCorps 2003 , стр. 1-2
  7. Перейти ↑ Abramson 2002 , p. 1
  8. ^ Бил, Джефф; Прочтите, Джон, ред. (2014). Руководство по оценке устойчивости откосов карьера . CSIRO Publishing. ISBN 9780643108356.
  9. ^ Stead 2001 , стр. 615
  10. ^ a b c Эберхардт 2003 , стр. 6
  11. ^ Карденас, IC (2019). «Об использовании байесовских сетей в качестве метода мета-моделирования для анализа неопределенностей при анализе устойчивости откосов». Georisk: Оценка и управление рисками для инженерных систем и геологических опасностей . 13 (1): 53–65. DOI : 10.1080 / 17499518.2018.1498524 .
  12. Перейти ↑ Abramson 2002 , p. 329
  13. ^ а б Абрамсон 2002 , стр. 363
  14. ^ a b c USArmyCorps 2003 , стр. 2
  15. ^ а б Чжу 2003 , стр. 377–395
  16. ^ a b Abramson 2002 , стр. 363–367
  17. ^ USArmyCorps 2003 , стр. 5
  18. ^ а б Фредлунд, Д.Г. Кран, J (1977), "Сравнение методов устойчивости склонов анализа", канадский Геотехнический журнал , 14 (3): 429-439, DOI : 10,1139 / t77-045
  19. ^ а б Бишоп, AW (1955). «Использование круга скольжения в анализе устойчивости откосов». Геотехника . 5 : 7–17. DOI : 10,1680 / geot.1955.5.1.7 .
  20. ^ a b c Спенсер, Э. (1967). «Метод анализа устойчивости насыпей с учетом параллельных межслоевых сил». Геотехника . 17 : 11–26. DOI : 10,1680 / geot.1967.17.1.11 .
  21. ^ а б Сарма, СК (1975). «Сейсмическая устойчивость земляных дамб и насыпей». Геотехника . 25 (4): 743–761. DOI : 10,1680 / geot.1975.25.4.743 .
  22. ^ a b Фредлунд, Д.Г. (1984), «Аналитические методы анализа устойчивости откосов» (PDF) , Труды Четвертого Международного симпозиума по оползням, Современное состояние : 229–250
  23. ^ a b Янбу, Нилмар (1973), Р. К. Хиршфельд; SJ Poulos (ред.), "Вычисления устойчивости откосов", In Embankment-dam Engineering , Jon Wiley and Sons Inc., Нью-Йорк: 40P
  24. ^ Чага, Ashok K (1982), "Анализ устойчивости склона для землетрясений", Международный журнал по Численные и аналитические методы в геомеханики , 6 (3): 307-322, Bibcode : 1982IJNAM ... 6..307C , DOI : 10.1002 /nag.1610060304
  25. ^ Morgenstern, NR; Цена, В. Ео (1965), "Анализ устойчивости поверхностей скольжения вообще", Geotechnique , 15 (1): 79-93, DOI : 10.1680 / geot.1965.15.1.79
  26. ^ "Устойчивость склона" (PDF) . Инженерный корпус армии США . Проверено 15 апреля 2015 года .
  27. ^ Лоу, Джон; Карафиат, Лесли (1960), «Устойчивость земляных плотин при просадке», In Proc. 1-й. Панамериканская конференция по механике грунтов и фундаментной инженерии, Мексика , 2 : 537–552.
  28. ^ Kliche 1999 , стр. 125-137
  29. ^ a b c Ковари 1978 , стр. 103–124
  30. ^ Kliche 1999 , стр. 153-169
  31. ^ Kliche 1999 , стр. 15
  32. ^ Kliche 1999 , стр. 139-152
  33. ^ a b Эберхардт 2003 , стр. 7
  34. ^ Kliche 1999 , стр. 111
  35. ^ Kliche 1999 , стр. 111-123
  36. ^ Kliche 1999 , стр. 43-65
  37. ^ a b «DIPS - Графический и статистический анализ данных ориентации» , Rocscience.com , Торонто, Канада: Rocscience , получено 21 июля 2009 г.
  38. ^ Hungr 1988 , стр. 685-690
  39. Перейти ↑ Eberhardt 2003 , pp. 15–17
  40. ^ a b «ROCFALL - Статистический анализ камнепадов» , Rocscience.com , Торонто, Канада: Rocscience , получено 21 июля 2009 г.
  41. ^ Б с д е е г ч Eberhardt 2003 , стр. 17-38
  42. ^ a b «UDEC - Universal Distinct Element Code» , Itascacg.com , Миннеаполис, США: Itasca , получено 27 июля 2009 г.
  43. ^ "3DEC - Трехмерный код отдельных элементов" , Itascacg.com , Миннеаполис, США: Itasca , получено 27 июля 2009 г.
  44. ^ "PFC2D - Код потока частиц в двух измерениях" , Itascacg.com , Миннеаполис, США: Itasca , получено 27 июля 2009 г.
  45. ^ "PFC3D - Код потока частиц в трех измерениях" , Itascacg.com , Миннеаполис, США: Itasca , получено 27 июля 2009 г.
  46. ^ Ван дер Meij, R. (25 мая 2010). «Генетический алгоритм для решения проблем устойчивости склона: от епископа к плоскости свободного скольжения» . Численные методы в геотехнике . 4 : 345–350. ISBN 9780203842362.
  47. ^ Бар, N .; Бартон, Н.Р. (2017). «Метод Q-уклона для проектирования откосов». Rock Mechanics & Rock Engineering , Vol 50, Springer, Vienna, https://doi.org/10.1007/s00603-017-1305-0 .
  48. ^ a b Hack, R. (1996 и 1998). Классификация вероятности устойчивости откосов (SSPC) (PDF) . Публикация ИТЦ 43. Делфтский технический университет и университет Твенте - Международный институт аэрокосмической съемки и наук о Земле ( ИТЦ Энсхеде ), Нидерланды. п. 258. ISBN 978-90-6164-154-4. Проверить значения даты в: |date=( помощь )
  49. ^ a b Hack, R .; Цена, Д .; Ренгерс, Н. (2003). «Новый подход к устойчивости откосов горных пород - вероятностная классификация (SSPC)». Вестник инженерной геологии и окружающей среды . 62 (2): 167–184. DOI : 10.1007 / s10064-002-0155-4 .
  50. ^ Андраде, PS; Сараива, AA (2008). «Оценка совместного коэффициента шероховатости разрывов, обнаруженных в метаморфических породах» (PDF) . Вестник инженерной геологии и окружающей среды . 67 (3, номер 3): 425–434. DOI : 10.1007 / s10064-008-0151-4 . hdl : 10316/7611 .
  51. ^ Filipello, A .; Джулиани, А .; Мандроне, Г. (2010). «Анализ предрасположенности к разрушению скальных склонов: от измерений дистанционного зондирования до растровых модулей географической информационной системы» . Американский журнал наук об окружающей среде . 6 (6): 489–494. DOI : 10,3844 / ajessp.2010.489.494 .
  52. ^ Hailemariam, GT; Шнайдер, Дж. Ф. (2–7 мая 2010 г.). «Классификация карстовых отложений в горных породах на склонах водохранилищ Текезской ГЭС» (PDF) . Генеральная ассамблея EGU 2010 . EGU2010-831, 2010. 12 . Вена, Австрия. п. 831.
  53. ^ Dhakal, S .; Упрети, Б.Н. Yoshida, M .; Bhattarai, TN; Рай, С.М.; Gajurel, AP; Улак, ПД; Дахал, РК (2005). «Применение системы SSPC на некоторых из выбранных склонов трекинг-маршрута от Джомсома до Кагбени, центрально-западный Непал». В Yoshida, M .; Упрети, Б.Н. Бхаттараи, Теннесси; Дхакал, С. (ред.). Смягчение последствий стихийных бедствий и вопросы передачи технологий в Южной и Юго-Восточной Азии; материалы Регионального семинара JICA . Катманду, Непал: Геологический факультет, кампус Три-Чандра, Трибхуванский университет , Катманду, Непал. С. 79–82.
  54. ^ Линдси, П .; Кэмпбеллк, РН; Fergussonc, DA; Gillarda, GR; Мур, Т.А. (2001). «Классификация вероятности устойчивости склонов, компания Waikato Coal Measures, Новая Зеландия». Международный журнал угольной геологии . 45 (2–3): 127–145. DOI : 10.1016 / S0166-5162 (00) 00028-8 .

дальнейшее чтение

  • Devoto, S .; Кастелли, Э. (сентябрь 2007 г.). «Стабильность склона в старом известняковом карьере, заинтересованная туристическим проектом». 15-е заседание Ассоциации европейских геологических обществ: политика в области георесурсов, управление, окружающая среда . Таллинн.
  • Доу, В. (2009). Entwicklung einer Anordnung zur Nutzung von Massenschwerebewegungen beim Quarzitabbau im Rheinischen Schiefergebirge . Хаккенхайм, Германия: ConchBooks. п. 358. ISBN 978-3-939767-10-7.
  • Хак, HRGK (25–28 ноября 2002 г.). «Оценка классификации устойчивости откосов. Основная лекция». In Dinis da Gama, C .; Ribeira e Sousa, L. (ред.). Proc. ISRM EUROCK'2002 . Фуншал, Мадейра, Португалия: Sociedade Portuguesa de Geotecnia, Лиссабон, Португалия. С. 3–32. ISBN 972-98781-2-9.
  • Liu, Y.-C .; Чен, К.-С. (2005). «Новый подход к применению классификации горных массивов при оценке устойчивости откосов». Инженерная геология . 89 (1–2): 129–143. DOI : 10.1016 / j.enggeo.2006.09.017 .
  • Пантелидис, Л. (2009). «Оценка устойчивости горных склонов с помощью систем классификации горных массивов». Международный журнал механики горных пород и горных наук . 46 (2, номер 2): 315–325. DOI : 10.1016 / j.ijrmms.2008.06.003 .
  • Rupke, J .; Huisman, M .; Круз, HMG (2007). «Устойчивость искусственных склонов». Инженерная геология . 91 (1): 16–24. DOI : 10.1016 / j.enggeo.2006.12.009 .
  • Singh, B .; Гоэль, РК (2002). Программное обеспечение для инженерного контроля опасностей оползней и туннелей . 1 . Тейлор и Фрэнсис . п. 358. ISBN 978-90-5809-360-8.

внешние ссылки