Анализ устойчивости откоса - Slope stability analysis

эта статья может быть слишком техническим для большинства читателей, чтобы понять. Пожалуйста помогите улучшить это к Сделайте это понятным для неспециалистов, не снимая технических деталей. (Декабрь 2012 г.) (Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения)

Анализ устойчивости откоса представляет собой статический или динамический, аналитический или эмпирический метод оценки устойчивости земляных и каменных дамб, насыпей, выемок откосов и естественных откосов в почве и скальных породах. Устойчивость склона относится к состоянию наклонного грунта или скальных склонов, которые выдерживают или подвергаются движение. Состояние устойчивости откосов является предметом изучения и исследования в механика грунта, геотехническая инженерия и инженерная геология. Анализы обычно нацелены на понимание причин произошедшего обрушения откоса или факторов, которые потенциально могут спровоцировать смещение откоса, приводящее к оползень, а также при предотвращении инициирования такого движения, его замедлении или остановке посредством смягчение контрмеры.

Стабильность склона в основном определяется соотношением доступных прочность на сдвиг и актерское мастерство напряжение сдвига, который можно выразить через коэффициент безопасности если эти величины интегрированы по потенциальной (или фактической) поверхности скольжения. Уклон 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 местных коэффициентов безопасности, близкие к 1 (обычно составляющие от 1 до 1,3, в зависимости от нормативных требований), указывают на незначительно стабильные уклоны, требующие внимания, мониторинга и / или инженерного вмешательства (стабилизация склона ) для увеличения запаса прочности и уменьшения вероятности 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 нарушение уклона, включают: гидрологический события (такие как интенсивные или продолжительные осадки, быстрое таяние снегов, прогрессирующее насыщение почвы, повышение давления воды на склоне), землетрясения (в том числе толчки ), внутренняя эрозия (трубопровод), эрозия поверхности или подошвы, искусственная нагрузка на откос (например, из-за строительства здания), срезание откоса (например, для освобождения места для проезжей части, железных дорог или зданий) или затопление склонов (например, заполнив искусственное озеро после плотина река).

Примеры

Рисунок 1: Простая секция 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.^[1] Основная трудность при анализе состоит в том, чтобы определить наиболее вероятную плоскость скольжения для любой данной ситуации.^[2] Многие оползни были проанализированы только постфактум. В последнее время радар устойчивости на склоне Технология использовалась, особенно в горнодобывающей промышленности, для сбора данных в режиме реального времени и помощи в определении вероятности обрушения откосов.

Рисунок 2: Реальный оползень на склоне

Реальные сбои в естественных отложениях смешанных грунтов не обязательно имеют круговую форму, но до появления компьютеров было гораздо 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, что снижает эффективную нормальный стресс и тем самым уменьшая сдерживающий трение по 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 улучшена за счет 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 на любом спуске по склону. овраг 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, будут превышать те, которые сопротивляются разрушению, и оползень разовьется, возможно, довольно внезапно.

Измерение угла естественного откоса

В угол естественного откоса определяется как самый крутой угол гранулированного неограниченного материала, измеренный от горизонтальной плоскости, на которой гранулированный материал может быть навален без разрушения, в диапазоне от 0 до 90 °.^[3] Для гранулированного материала угол естественного откоса является основным фактором, влияющим на устойчивость откоса в различных условиях с точки зрения сцепления /трение материала, размера зерна и формы частиц.^[4]

Теоретические измерения

Рисунок 3: Эта диаграмма свободного тела демонстрирует взаимосвязь между углом естественного откоса и материалом на склоне.

Просто диаграмма свободного тела можно использовать для понимания взаимосвязи между углом естественного откоса и стабильностью материала на наклон. Для разрушения сложенного материала силы трения должны быть эквивалентны горизонтальной составляющей сила гравитации ${ Displaystyle мг грех тета}$, где ${ displaystyle m}$ масса материала, ${ displaystyle g}$ - ускорение свободного падения и${ displaystyle theta}$ угол наклона:

${ Displaystyle мг грех тета = е}$

Сила трения ${ displaystyle f}$ эквивалентно произведению коэффициента трения покоя${ displaystyle mu}$ и нормальная сила ${ displaystyle N}$ или ${ displaystyle mgcos theta}$:

${ Displaystyle мг грех тета = Н му}$

${ Displaystyle мг грех тета = му мг соз тета}$

${ displaystyle left ({ frac { sin theta} {cos theta}} right) = mu}$

${ Displaystyle тета _ {R} = arctan ( mu)}$

куда ${ displaystyle theta _ {R}}$ - это угол естественного откоса или угол, при котором уклон выходит из строя в обычных условиях, и${ displaystyle mu}$ - коэффициент статического трения материала на склоне.

Экспериментальное измерение

Метод наклонной коробки

Этот метод особенно хорошо подходит для более мелкозернистого материала <10 мм с относительно низким сцеплением. Материал помещается в основание ящика, который постепенно наклоняется со скоростью 18 ° / мин. Затем измеряется угол естественного откоса - это угол, при котором материал начинает скользить.^[3]

Метод фиксированной воронки

В этом методе материал заливается воронка с определенной высоты в горизонтальное основание. Затем материалу дают возможность накапливаться, пока куча не достигнет заданной высоты и ширины. Затем измеряют угол естественного откоса, наблюдая за высотой и радиус конуса и применяя арктангенс правило.^[3]

Угол естественного откоса и устойчивость склона

Угол естественного откоса и устойчивость склона зависят от климатический и неклиматические факторы.

Содержание воды

вода содержание - важный параметр, который может изменить угол естественного откоса. По имеющимся данным, более высокое содержание воды может стабилизировать склон и увеличить угол естественного откоса.^[3] Однако водонасыщение может привести к снижению устойчивости откоса, так как он действует как смазка и создает отряд, где массовое истощение может случиться.^[5]

Растительность

Наличие растительность не влияет напрямую на угол естественного откоса, но действует как стабилизирующий фактор в склон холма, где корни дерева уходят глубже почва слои и образуют армированный волокнами композит почвы с более высоким сопротивлением сдвигу (механическое сцепление).^[6]

Круглость зерен

Форма зерна может влиять на угол естественного откоса и стабильность уклона. Чем более округлено зерно, тем меньше угол естественного откоса. Эта линейная зависимость между углом естественного откоса и округлостью зерна также может использоваться в качестве предиктора угла естественного откоса, если измеряется округлость зерна.^[3]

Применение угла естественного откоса в науке и технике

Угол естественного откоса зависит от прочности на сдвиг геологический материалы, что актуально в строительство и инженерное дело контексты.^[7] Для гранулированных материалов размер и форма зерен могут значительно повлиять на угол естественного откоса. По мере увеличения округлости материалов угол естественного откоса уменьшается, поскольку уменьшается трение между зернами почвы.^[8]

Когда угол естественного откоса превышен, истощение массы и камнепад может случиться. Для многих инженеров-строителей и инженеров-геологов важно знать угол естественного откоса, чтобы избежать структурных и Стихийные бедствия. В результате применение поддерживающие стены может помочь удержать почву, так что угол естественного откоса не будет превышен.^[3]

Стабилизация склона

Поскольку на устойчивость склона могут влиять внешние события, такие как атмосферные осадки, важная проблема в гражданском /геотехническая инженерия это стабилизация откосов.

Применение растительности

Применение растительности для повышения устойчивости откоса к эрозия и оползень это форма биоинженерия который широко используется на участках с небольшой глубиной оползней. Растительность увеличивает устойчивость склона механически, укрепляя почву корнями растений, которые стабилизируют верхнюю часть почвы. Растительность также стабилизирует склон за счет гидрологический процессы, уменьшая почву влажность содержание за счет перехвата осадков и испарение. В результате получается более сухая почва, которая менее подвержена массовому истощению.^[9]

Также устойчивость склонов можно улучшить за счет:

• Сглаживание склона приводит к снижению веса, что делает его более устойчивым.
• Стабилизация почвы
• Обеспечение боковых опор сваями или подпорными стенами
• Заливка или инъекция цемента в специальные места
• Уплотнение за счет 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, больше, чем силы, приводящие к движению, уклон считается стабильным. А коэффициент безопасности рассчитывается путем деления сил сопротивления движению на силы, движущие движением. 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 откоса выполняется для оценки безопасности конструкции искусственного или естественного склоны (например. набережные, дорожные разрезы, открытый карьер, раскопки, свалки и т. д.) и условий равновесия.^[10][11] Устойчивость склона сопротивление наклонной поверхности к неудача от скольжение или рушится.^[12] Основными задачами анализа устойчивости откосов являются обнаружение опасных участков, исследование потенциальных механизмов разрушения, определение чувствительности откоса к различным механизмам срабатывания, проектирование оптимальных уклонов с учетом безопасность, надежность и экономика, разработка возможных корректирующих мер, например барьеры и стабилизация.^[10][11]

Успешно дизайн склона требует геологический информация и характеристики сайта, например свойства почва /Скала масса, уклон геометрия, грунтовые воды условия, чередование материалов по сбой, совместный или прерывность системы, движения и напряжение в суставах, сейсмической активности и т. д.^[13][14] Присутствие воды отрицательно сказывается на устойчивости склонов. Давление воды, действующее в поровых пространствах, трещинах или других неоднородностях в материалах, составляющих откос карьера, снижает прочность этих материалов.^[15]Выбор правильной методики анализа зависит как от условий на площадке, так и от потенциального режима отказа, при этом особое внимание уделяется различным условиям. сильные стороны, недостатки и ограничения, присущие каждому методология.^[16]

Перед компьютерный век Анализ устойчивости проводился графически или с помощью портативного калькулятора. сегодня инженеры есть много возможностей использовать анализ программного обеспечения, варьируется от простого предельное равновесие методы вплоть до подходов к анализу вычислительных пределов (например, Анализ предела конечных элементов, Оптимизация компоновки разрывов ) сложным и изощренным численные решения (конечный- /отчетливый -элементные коды).^[10] Инженер должен полностью понимать ограничения каждой техники. Например, наиболее часто используется предельное равновесие и простой метод решения, но он может стать неадекватным, если наклон не работает из-за сложных механизмов (например, внутренних деформация и хрупкое разрушение, прогрессивный ползать, разжижение более слабых слоев почвы и др.). В этих случаях более сложные численное моделирование следует использовать методы. 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, использование оценка рисков концепция увеличивается сегодня. Оценка риска касается как последствий обрушения откосов, так и вероятность отказа (оба требуют понимания механизма отказа).^[17][18]

За последнее десятилетие (2003 г.) Радар устойчивости на склоне был разработан для удаленного 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.

Традиционные методы анализа устойчивости откосов можно разделить на три группы: кинематический анализ, анализ предельного равновесия и Скала падать тренажеры.^[17]Анализ устойчивости откосов компьютерные программы основаны на концепции предельного равновесия для два- или трехмерный модель.^[19][20] Двумерные сечения анализируются в предположении плоская деформация условия. 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 сила тяжести. Поступательное или вращательное движение рассматривается на предполагаемой или известной поверхности потенциального скольжения под почвой или Скала масса.^[21] При проектировании откосов горных пород методы могут иметь большое значение для простого разрушения блока вдоль четко выраженных неоднородностей.^[17] Все эти методы основаны на сравнении силы, моменты, или подчеркивает сопротивление движению массы теми, кто может вызвать неустойчивый движение (возмущающие силы). Результатом анализа является коэффициент безопасности, определяемый как соотношение прочности на сдвиг (или, альтернативно, эквивалентная мера 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 на сдвиг материалов вдоль поверхности потенциального разрушения регулируются линейными (Мор-Кулон ) или нелинейные зависимости между прочностью на сдвиг и нормальным напряжением на поверхности разрушения.^[21] Наиболее часто используемый вариант - Теория Терзаги прочности на сдвиг, в котором говорится, что

${ displaystyle tau = sigma ' tan phi' + c '}$

где ${ Displaystyle тау}$ сопротивление сдвигу границы раздела, ${ displaystyle sigma '= sigma -u}$ эффективное напряжение (${ displaystyle sigma}$ - полное напряжение по нормали к границе раздела и ${ displaystyle u}$ - давление поровой воды на границе раздела), ${ displaystyle phi '}$ - эффективный угол трения, а ${ displaystyle c '}$ это эффективная сплоченность.

В методы нарезки это самый популярный метод предельного равновесия. При таком подходе почвенная масса разбивается на вертикальные срезы.^[20][22] Используются несколько вариантов метода. Эти вариации могут давать разные результаты (коэффициент безопасности) из-за разных предположения и межслоевые граничные условия.^[21][23]

Расположение интерфейса обычно неизвестно, но его можно найти с помощью методов численной оптимизации.^[24] Например, функциональная наклонная конструкция считает критический Поверхность скольжения - это место, в котором коэффициент запаса прочности будет наименьшим из ряда возможных поверхностей. Широкий спектр программного обеспечения для обеспечения устойчивости откосов использует концепцию предельного равновесия с автоматическим определением критической поверхности скольжения.

Стандартное программное обеспечение для определения устойчивости откосов может анализировать устойчивость обычно слоистых грунтовых откосов, насыпей, выемок земли и закрепленных листов. структуры. Последствия землетрясения, внешние загрузка, состояние грунтовых вод, стабилизация силы (например, якоря, геоусиление и т. д.) также могут быть включены.

Аналитические методы: метод срезов

Схема метода срезов, показывающая центр вращения.

Многие инструменты анализа устойчивости откосов используют различные версии методов срезов, такие как Епископ упрощенный, Обычный способ нарезки (Метод шведского круга / Петтерсон / Феллениус), Спенсер, Сарма и т.п. Сарма и Спенсер называются строгими методами, потому что они удовлетворяют всем трем условиям равновесия: равновесию сил в горизонтальном и вертикальном направлениях и условию равновесия момента. Строгие методы могут дать больше точный результаты, чем нестрогие методы. Епископ упрощенный или Феллениус являются нестрогими методами, удовлетворяющими лишь некоторым условиям равновесия и делающими некоторые упрощающие предположения.^[22][23] Некоторые из этих подходов обсуждаются ниже.

Шведский метод анализа скользящих кругов

Шведский метод скользящего круга предполагает, что угол трения грунта или породы равен нулю, т. Е. ${ Displaystyle тау = с '}$. 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 наличие круговой границы 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.^[25]

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. Нормальный (${ displaystyle E_ {r}, E_ {l}}$) и сдвиг (${ displaystyle S_ {r}, S_ {l}}$) силы между соседними срезами ограничивают каждый срез и создают проблему статически неопределенный когда они включены в расчет.

Силовое равновесие для среза в методе срезов. Предполагается, что блок имеет толщину ${ displaystyle b}$. Срезы слева и справа действуют нормально. ${ displaystyle E_ {l}, E_ {r}}$ и поперечные силы ${ displaystyle S_ {l}, s_ {r}}$, вес ломтика вызывает силу ${ displaystyle W}$. Эти силы уравновешиваются поровым давлением и реакциями основания. ${ displaystyle N, T}$.

Для обычного метода разрезания результирующие вертикальные и горизонтальные силы равны

${ Displaystyle { begin {align} sum F_ {v} = 0 & = WN cos alpha -T sin alpha sum F_ {h} = 0 & = kW + N sin alpha -T соз альфа конец {выровнено}}}$

где ${ displaystyle k}$ представляет собой линейный коэффициент, определяющий увеличение горизонтальной силы с увеличением глубины среза. Решение для ${ displaystyle N}$ дает

${ Displaystyle N = W соз альфа -kW грех альфа ,.}$

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

${ displaystyle sum M = 0 = sum _ {j} (W_ {j} x_ {j} -T_ {j} R_ {j} -N_ {j} f_ {j} -kW_ {j} e_ {j })}$

где ${ displaystyle j}$ это индекс среза, ${ displaystyle x_ {j}, R_ {j}, f_ {j}, e_ {j}}$ - моментные рычаги, а нагрузки на поверхности не учитывались. Уравнение момента можно использовать для решения касательных сил на границе раздела после подстановки выражения для нормальной силы:

${ displaystyle sum _ {j} T_ {j} R_ {j} = sum _ {j} [W_ {j} x_ {j} - (W_ {j} cos alpha _ {j} -kW_ { j} sin alpha _ {j}) f_ {j} -kW_ {j} e_ {j}]}$

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

${ displaystyle sum _ {j} tau l_ {j} R_ {j} = l_ {j} R_ {j} sigma _ {j} ' tan phi' + l_ {j} R_ {j} c '= R_ {j} (N_ {j} -u_ {j} l_ {j}) tan phi' + l_ {j} R_ {j} c '}$

где ${ displaystyle u_ {j}}$ - поровое давление, запас прочности - это отношение максимального момента по теории Терзаги к расчетному моменту,

${ displaystyle { text {Фактор безопасности}} = { frac { sum _ {j} tau l_ {j} R_ {j}} { sum _ {j} T_ {j} R_ {j}} } ,.}$

Модифицированный метод анализа Бишопа

Модифицированный метод епископа^[26] 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. Подход был предложен Алан В. Бишоп из Имперский колледж. Ограничение, создаваемое нормальными силами между срезами, делает задачу статически неопределенной. 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

${ Displaystyle F = { cfrac { sum _ {j} { cfrac { left [c'l_ {j} + (W_ {j} -u_ {j} l_ {j}) tan phi ' right]} { psi _ {j}}}} { sum _ {j} W_ {j} sin alpha _ {j}}}}$

где

${ displaystyle psi _ {j} = cos alpha _ {j} + { frac { sin alpha _ {j} tan phi '} {F}}}$

где, как и раньше, ${ displaystyle j}$ это индекс среза, ${ displaystyle c '}$ эффективное сцепление, ${ displaystyle phi '}$ эффективный внутренний угол внутреннего трения, ${ displaystyle l}$ ширина каждого среза, ${ displaystyle W}$вес каждого среза, и ${ displaystyle u}$ давление воды у основания каждого ломтика. Итерационный метод должен использоваться для решения ${ displaystyle F}$ 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 используется клотоид поверхность скольжения вместо круга. 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. Карл фон Терзаги.

Метод Спенсера

Метод анализа Спенсера^[27] требует компьютерной программы, способной к циклическим алгоритмам, но упрощает анализ устойчивости откосов. Алгоритм Спенсера удовлетворяет всем состояниям равновесия (горизонтальному, вертикальному 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.^[27]

Метод сармы

В Метод сармы,^[28] предложено Сарада К. Сарма из Имперский колледж это Предел равновесия методика оценки устойчивости откосов 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, поскольку он может учитывать механизм 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.^[29]

В таблице ниже показаны условия статического равновесия, которым удовлетворяют некоторые из популярных методов предельного равновесия.^[29]

Анализ устойчивости скального откоса

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

• Планарный отказ -> случай скольжения горного массива по одиночной поверхности (частный случай общего клин вид отказа); двухмерный анализ может использоваться в соответствии с концепцией сопротивления блока на наклонной плоскости при предельном равновесии.^[35][36]
• Полигональный провал -> скольжение естественной скалы обычно происходит по многоугольной формы поверхности; расчет основан на определенных допущениях (например, скольжение по многоугольной поверхности, состоящей из N деталей кинематически возможно только при развертке не менее (N - 1) внутренние поверхности сдвига; горная масса разделена на блоки внутренними поверхностями сдвига; блоки считаются жесткими; прочность на разрыв не допускается и т. д.)^[36]
• Разрыв клина -> трехмерный Анализ позволяет моделировать скольжение клина по двум плоскостям в направлении линии пересечения^[36][37]
• Падение неудачи -> 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 (то есть вертикальной составляющей веса блок и сумма сил сопротивления от соседних блоков перед рассматриваемым блоком); падение происходит, если движущие моменты превышают моменты сопротивления^[38][39]

Предел анализ

Более строгий подход к анализу устойчивости откосов: предельный анализ. 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 пределов, включают:

• OptumG2 (2014-) Программное обеспечение общего назначения для геотехнических приложений (также включает в себя упругопластичность, просачивание, консолидацию, поэтапное строительство, проходку туннелей и другие соответствующие типы геотехнического анализа).
• LimitState: GEO (2008-) Геотехническое программное обеспечение общего назначения на основе Оптимизация компоновки разрывов для задач плоской деформации, включая устойчивость склона.

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 блокированию. нестабильность.^[40][41] Стереографический представление (стереосети ) плоскостей и линий.^[42] Стереосигналы полезны для анализа прерывистых горных блоков.^[43] Программа DIPS^[44] позволяет визуализировать структурные данные с помощью стереосетей, определять кинематическую выполнимость массива горных пород и статистический анализ свойств неоднородности.^[40][44]

Симуляторы камнепада

Анализ устойчивости скального откоса может предусматривать принятие защитных мер вблизи или вокруг конструкций, которым угрожает падение блоков. Камнепад симуляторы определяют пути и траектории движения неустойчивых блоков, отделенных от поверхности склона. Аналитическое решение метод, описанный Hungr & Evans^[45] принимает каменный блок как точку с массой и скорость движение по баллистической траектории с учетом потенциального контакта с поверхностью откоса. 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.^[46]

Программа РОКФАЛЛ^[47] обеспечивает статистический анализ траектории падающих блоков. Метод полагается на скорость меняется, как 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 корректирующих мер путем вычисления кинетическая энергия и место удара о преграду. Это может помочь определить мощность, размер и расположение барьеров.^[47]

Численные методы анализа

Методы численного моделирования обеспечивают приближенное решение проблем, которые иначе нельзя решить обычными методами, например сложная геометрия, материал анизотропия, нелинейное поведение, напряжения на месте. Численный анализ позволяет материал деформация и отказ, моделирование поровое давление, деформация ползучести, динамическая нагрузка, оценка влияния 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.^[48]

Континуумное моделирование

Рисунок 3: Сетка конечных элементов

Моделирование континуум подходит для анализа откосов грунта, массивных неповрежденных горных пород или сильно расчлененных горных массивов. Этот подход включает конечно-разностный и заключительный элемент методы, которые дискретизировать всю массу до конечного числа элементов с помощью сформированной сетки (рис. 3). В конечно-разностный метод (FDM) дифференциал уравнения равновесия (т.е. деформация-смещение и отношения напряжения и деформации ) решены. заключительный элемент метод (МКЭ) использует приближения к связности элементов, непрерывности смещения и напряжения между элементами. Большинство числовых кодов позволяет моделировать дискретные переломы, например плоскости подстилки, недостатки. Обычно доступно несколько конститутивных моделей, например эластичность, упругопластичность, деформационное смягчение, упруговязкопластичность и т.п.^[48]

Дисконтинуум моделирование

Дисконтинуумный подход полезен для откосов горных пород, контролируемых неоднородностью. Горная масса рассматривается как совокупность отдельных взаимодействующих блоков, подверженных внешним нагрузкам и, как предполагается, претерпевает движение со временем. Эта методология в совокупности называется дискретный элемент метод (ЦМР). Моделирование дисконтинуума позволяет скользить между блоками или частицами. ЦМР основана на решении динамического уравнения равновесия для каждого блока многократно до граничных условий и законов контакта и движение довольны. Моделирование дисконтинуума относится к наиболее часто применяемым численным подходам к анализу откосов горных пород, и существуют следующие варианты ЦМР:^[48]

• метод отдельных элементов
• анализ разрывных деформаций (DDA)
• коды потоков частиц

В отдельный элемент подход описывает механическое поведение как неоднородностей, так и твердого материала. Эта методология основана на законе силы-смещения (определяющем взаимодействие между деформируемыми каменными блоками) и закон движения (определение смещений, вызванных несбалансированными силами в блоках). Суставов рассматриваются как [граничные условия. Деформируемые блоки дискретизируются на внутренние элементы постоянной деформации.^[48]

Программа Discontinuum UDEC^[49] (Универсальный индивидуальный код элемента) подходит для скальных склонов с высокими сочленениями, подверженных статической или динамической нагрузке. Двумерный анализ механизма поступательного разрушения позволяет моделировать большие смещения, моделировать деформацию или деформацию материала.^[49] Трехмерный код дисконтинуума 3DEC^[50] содержит моделирование множественных пересекающихся неоднородностей и поэтому подходит для анализа неустойчивости клина или влияния опоры горной породы (например, анкеров, тросов).^[48]

В анализ прерывистой деформации (DDA) смещения неизвестны, и уравнения равновесия решаются аналогично заключительный элемент метод. Каждая единица заключительный элемент сетка типа представляет собой изолированный блок, ограниченный разрывами. Преимуществом этой методологии является возможность моделирования больших деформаций, движений твердого тела, состояний сцепления или разрушения между каменными блоками.^[48]

Прерывистый массив горных пород можно смоделировать с помощью отдельный элемент методология в виде поток частиц код, например программа PFC2D / 3D.^[51][52] 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. Поток частиц Методология позволяет моделировать поток сыпучих материалов, 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 склона породы, например моделирование рока^[48]

Гибридное / парное моделирование

Гибридные коды предполагают объединение различных методологий для максимизации их ключевых преимуществ, например предельное равновесие анализ в сочетании с заключительный элемент анализ подземных вод и напряжений; соединенный поток частиц и конечно-разностный анализы. Гибридные методы позволяют исследовать разрушения откосов трубопроводов и влияние высокого давления грунтовых вод на разрушение слабых откосов горных пород. В сочетании конечный-/отдельный элемент коды обеспечивают моделирование как поведения неповрежденных горных пород, так и развития и поведения трещин.^[48]

^[53]

Классификация горных пород

Различный классификация горных пород существуют системы 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.

В Q-наклон метод проектирования откосов и классификации горных пород, разработанный Бартоном и Баром^[54] выражает качество горного массива для оценки устойчивости откоса с использованием значения Q-наклона, из которого могут быть получены долгосрочные стабильные углы откоса без армирования.

Классификация вероятностей

В классификация вероятности устойчивости откоса (SSPC)^[55][56] система - это классификация горных пород система для проектирования склонов и устойчивость склона оценка. Система представляет собой трехступенчатую классификацию: 'воздействие', 'Справка', и «Наклон» классификация горных пород с коэффициентами пересчета между тремя ступенями в зависимости от существующего и будущего выветривания и повреждений, вызванных методом выемки. Стабильность уклона выражается как вероятность различных механизмов отказа.

Горный массив классифицируется согласно стандартизированному набору критериев в одном или нескольких обнажениях ('воздействие' классификация). Эти значения конвертируются за каждую экспозицию в 'Справка' горного массива за счет компенсации степени выветривания в обнажении и метода выемки грунта, который использовался для обнажения, т.е. 'Справка' На значения горного массива не влияют местные факторы, такие как выветривание и метод выемки грунта. Затем можно спроектировать новый уклон в 'Справка' горного массива с компенсацией ущерба из-за метода выемки грунта, который будет использоваться для создания нового откоса, и компенсацией ухудшения горного массива из-за будущего выветривания ( «Наклон» горная масса). Если оценивается устойчивость уже существующего откоса, 'воздействие' и «Наклон» значения горной массы такие же.

Механизмы отказа делятся на зависит от ориентации и ориентация независимая. Механизмы разрушения, зависящие от ориентации, зависят от ориентации откоса по отношению к ориентации разрывы в горном массиве, то есть скольжение (скольжение плоскости и клина) и разрушение при опрокидывании. Независимость от ориентации относится к возможности того, что откос разрушится независимо от его ориентации, например Круговое разрушение полностью из-за вновь образованных разрывов в неповрежденных блоках породы или частичное разрушение вследствие существующих разрывов и частично новых разрывов.

Кроме того, прочность на сдвиг по неоднородности («критерий скольжения»)^[55][56][57] и «сцепление горной массы» и «трение горной массы». Система использовалась напрямую или модифицировалась в различных геологических и климатических условиях по всему миру.^[58][59][60] Система была модифицирована для оценки устойчивости откосов при угледобыче открытым способом.^[61]

Смотрите также

• Рейтинг горной массы
• Классификация SMR
• Plaxis
• Угол естественного откоса
• Подпорная стена
• Анализ разрывной деформации
• Оптимизация компоновки разрывов
• Метод дискретных элементов
• Метод конечных разностей
• Анализ предела конечных элементов
• Метод конечных элементов
• Stereonet
• Q-наклон
• Оптимизация компоновки разрывов
• Теория Мора-Кулона
• Классификация SMR

использованная литература

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, H.R.G.K. (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. Дои: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. Дои:10.1016 / j.ijrmms.2008.06.003.
• Rupke, J .; Huisman, M .; Kruse, H.M.G. (2007). «Устойчивость искусственных склонов». Инженерная геология. 91 (1): 16–24. Дои:10.1016 / j.enggeo.2006.12.009.
• Singh, B .; Goel, R.K. (2002). Программное обеспечение для инженерного контроля опасностей оползней и туннелей. 1. Тейлор и Фрэнсис. п. 358. ISBN  978-90-5809-360-8.

внешние ссылки

• Геотехническое программное обеспечение в Керли