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为正确评价断层对于岩石高边坡安全稳定性的影响,采用接触力学的求解方法-直接约束法模拟断层的滑移和脱开等不连续行为。重点分析了岩体中断层不同的接触性状(如考虑断层与岩体的滑移脱开)。应用弹塑性有限元方法对彭水水电站船闸高边坡分步开挖过程进行了数值仿真分析。通过不模拟滑移脱开与模拟滑移脱开的对比研究,模拟滑移脱开后断层的变形和塑性区显著增大,在断层处变形较大以致于有滑坡的可能。该项研究在岩石高边坡稳定分析中具有重要的意义。
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ISSN 1000-0054
CN
11-2223/N
清华大学学报 (自然科学版)
J T singhua U niv (Sci& T ech),
2005 年 第 45 卷 第 12 期
2005, V ol.45, N o.12
8/32
1613-1616
评价高边坡断层的直接约束方法
杜丽惠, 刘先行, 刘 宁
(清华大学 水利水电工程系, 北京 100084)
收稿日期: 2004-12-30
基金项目: 国家自然科学基金面上基金资助项目 (50279016)
作者简介: 杜丽惠 (1959-), 女 ( 汉), 天 津, 副教 授 。
E-mail:lhdu@ mail.tsinghua.edu.cn
摘 要: 为正确评价断层对于岩石高边坡安全稳定性的影
响,采用接触力学的求解方法——直接约束法模拟断层的滑
移和脱开等不连续行为。重点分析了岩体中断层不同的接触
性状(如考虑断层与岩体的滑移脱开)。应用弹塑性有限元方
法对彭水水电站船闸高边坡分步开挖过程进行了数值仿真
分析。通过不模拟滑移脱开与模拟滑移脱开的对比研究,模
拟滑移脱开后断层的变形和塑性区显著增大,在断层处变形
较大以致于有滑坡的可能。该项研究在岩石高边坡稳定分析
中具有重要的意义。
关键词: 水利枢纽; 高边坡; 断层; 接触; 直接约束法
中图分类号:TV 61 文献标识码:A
文章编号: 1000-0054(2005)12-1613-04
Dire ct c onstraint proc edure fo r
ev aluating faults on ste ep slopes
DU Lihui
,
LIU Xia nxing
,
LIU Ning
(
Department of Hydraul ic and Hydropower Engi ne ering
,
Tsinghua University
,
Beijing 100084
,
China
)
Abstract
: A direct con straint pro ced ure w as used to m odel th e
discontinuous m echanical behavior (such as sliding and disjointing)
of fau lts and w eak interlays in steep slopes to evaluate the safety of
such slopes. T he direct constraint p ro ced ure is the m ost robu st
procedure for contact m echanics. T he elasto -p la stic F E M w as used
to m odel th e con tact characteristics b etw een the faults and the rock
m ass to analyze th e excavation process for th e P engshui h ydrop ow er
station. T he results show that the m agnitude and distribution ofthe
deform ation, the stresses and the p lastic yield zo n es ar e all g rea tly
increased by the sliding and disjoinin g , w hich increase the
probability of landslides affecting th e slop e safety.
Key words
: h ydro-junction; steep slopes; faults; contact; direct
co n stra in t p ro ce d ure
在岩石高边坡开挖中,断层和软弱夹层的处理
是一个复杂的问题。由于断层和夹层在开挖过程中
可能出现滑移、脱开等不连续现象,因此它们是边坡
开挖中导致边坡失稳的主要因素。目前,对于断层的
模拟主要有接触面单元法和接触力学的方法。接触
面单元法在断层的位置设一无厚度单元或薄层单
元,当判断单元的法向应力为拉应力时,通过折减单
元的法向和切向刚度来模拟接触面的脱开。接触力
学的方法是将断层两侧的岩体看成独立的可变形
体,通过施加无穿透约束条件来保证两个变形体不
发生重叠。目前常用的接触模拟方法有 L agrange 乘
子法、罚函数法及直接约束法等
[1]
。其中,直接约束
法的稳定性较好,目前在水工建筑物有限元计算领
域已应用于施工缝的、面板缝的接触处理,已取得良
好的效果
[2, 3]
。
1
直接约束法原理
直接约束法的关键在于实时跟踪可能发生接触
的几何体,通过空间的几何构形来判断是否发生接
触,当接触发生时直接施加动态约束并传递相应的
自由度和节点力,而不必定义特殊的接触单元,也不
涉及复杂的接触条件变化; 在求解涉及大变形的接
触问题中有独到之处。该接触算法基本流程包括定
义接触体、探测接触、施加接触约束、模拟摩擦、修改
接触约束、检查约束的变化、判断分离和穿透等。该
方法不增加系统自由度数,只是由于接触关系的变
化而增加系统矩阵的带宽。
接触探测是在每个荷载增量步开始时,检查每
个可能接触的节点的空间位置是否位于某一接触段
上或在接触距离容限以内。当接触体间发生接触时,
就应当引入接触约束。在二维接触分析中,对接触点
施加多点约束的约束节点有 3 个,两个是作为接触
段的单元外边的两端点,另一个是被约束的接触节
点(见图 1)。
在局部坐标系下,可建立约束关系如下:
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