基于无网格方法的节理岩体边坡稳定性分析研究

摘要

本文将无网格伽辽金法(EFG)应用到节理岩体边坡稳定性分析中，研究了节理裂隙的存在和分布对边坡整体稳定性的影响。 首先，对岩体边坡稳定性分析方法做了比较系统的总结，并指出各种方法存在的问题；对节理岩体的无网格分析理论和断裂力学算法进行了研究，并提出使用无网格-图论搜索法进行岩体边坡稳定评价。采用C++语言对本文内容进行了程序实现，并使用程序计算了含单一及多组节理、贯通及非贯通节理等不同节理组合的岩体边坡，讨论了节理裂隙的贯通率、组合和分布情况对岩体边坡失稳模式的影响。 使用无网格法分析节理岩体边坡可得到潜在滑移范围，但还不能直接提供工程界普遍接受的安全系数。使用无网格一图论搜索法评价边坡整体稳定性，一方面不仅可以检验本方法及程序的正确性(是否与无网格法位移场和应力场所得的滑动范围相符合)，另一方面可以得到工程界普遍接受和关心的整体安全系数。以往的工程界经验做法是直接选取岩体边坡主要控制结构面进行稳定性验算，一般在结构面分布较为单一的情况下能得到和实际相吻合的结果。但对于存在多组非贯通节理组合情况，单凭工程类比难以直接判断控制结构面组合情况，而使用折线滑动面搜索方法和图论搜索方法能够自动寻找到最危险滑动面组合。 最后，对岩体边坡稳定性分析中几个关键的问题进行了分析说明，并对进一步的工作进行了展望。 具体工作可归纳为如下几方面： 1．从解析方法、数值分析方法两大类归纳了现有岩体边坡稳定性分析方法。解析方法包括极限平衡法和塑性极限分析法两个子类，数值分析方法包括连续及非连续分析方法两个子类。总结并对比了各类方法的优缺点及解答的上、下限联系。 2．对现有节理岩体分析方法进展做了介绍，着重介绍了采用有限元法和无网格法模拟节理岩体的计算方法、节理裂隙的断裂力学模拟和节理面的闭合摩擦规律。 3．介绍了岩体边坡无网格分析方法及实现技术。讨论了节理结点布置方案及裂尖结点加密的算法及程序，采用可视准则的形函数计算，围线积分法计算复合型裂纹裂尖强度因子K<,Ⅰ> K<,Ⅱ>的算法。将圆弧、折线滑动接搜索法和图论搜索法引入到岩体边坡稳定性分析以期得出整体稳定性系数；结合无网格法特点对图论构图方法进行了说明。 4．计算分析了含单一及多组节理、贯通及非贯通节理不同组合时岩体边坡的失稳规律，论述了节理存在分布对岩体边坡稳定性的影响。 5．采用C++程序设计语言，编制使用无网格方法分析节理岩体边坡的程序。程序实现的关键技术和算法如下： (1)沿裂隙结点布置及裂尖结点加密的算法及程序。 (2)采用可视准则的形函数算计算程序。 (3)围线积分计算复合型裂纹裂尖强度因子K<,Ⅰ>、K<,Ⅱ>的算法及程序。 (4)圆弧搜索法、折线搜索法和无网格一图论搜索法的算法及程序。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：图表索引

声明

1.绪论

1.1论文研究的背景与意义

1.2论文课题的背景与研究目的

1.2.1课题项目简介

1.2.2课题研究目的

1.3国内外相关研究动态

1.3.1节理岩体破坏机理研究进展

1.3.2岩体边坡稳定性分析解析法

1.3.3岩体边坡稳定性分析数值方法

1.4论文研究思路

1.5论文研究的内容及创新点

2.岩体边坡稳定性分析方法

2.1引言

2.2岩体边坡整体稳定性判断方法

2.2.1边坡岩体结构分类

2.2.2岩质边失稳模式分类

2.2.3岩体边坡失稳模式判断

2.3岩体边坡稳定性分析解析法

2.3.1概述

2.3.2岩体边坡稳定性极限分析

2.3.3岩体边坡稳定性分析Sarma法

2.3.4单一平面滑动法

2.3.5折线滑动法

2.3.6三维楔形体法

2.3.7倾倒性边坡稳定性分析

2.3.8解析方法存在的问题讨论

2.4岩体边坡稳定性分析数值方法

2.4.1岩体边坡稳定性分析有限元法

2.4.2岩体边坡稳定性分析非连续法

2.5本章小结

3.岩体边坡稳定性分析无网格伽辽金法

3.1无网格方法研究现状

3.2无网格伽辽金法

3.2.1基本原理

3.2.2权函数的选择

3.3节理岩体的无网格模拟及实现

3.3.1节理的界面元模型

3.3.2节理的断裂力学模拟

3.3.3不连续问题权函数修正

3.3.4用围线积分法计算应力强度因子KⅠ与KⅡ

3.3.5应力插值方法

3.3.6节理线及节理尖端结点加密算法

3.4岩体边坡滑动面分析

3.4.1滑动面圆弧搜索法和折线搜索法

3.4.2无网格-图论搜索法

3.5本章小结

4.算例与验证

4.1受均布荷载作用的中心裂纹矩形板

4.2单一贯通节理岩体边坡

4.3单一非贯通节理岩体边坡

4.4多条非贯通节理岩体边坡

4.5本章小结

5.结论与展望

5.1主要研究结论

5.2尚待研究的问题

5.3岩体边坡稳定性分析展望

5.3.1岩体结构面计算模型的建立

5.3.2非连续介质力学的数值方法

附录一程序框架及主要类

参考文献

致谢

个人简历 在读期间发表的学术论文与研究成果