一种融合刚体极限平衡法和有限元法的地下洞室块体稳定分析方法与流程

1.本发明涉及地下洞室围岩块体稳定分析领域，具体涉及一种融合刚体极限平衡法和有限元法的地下洞室块体稳定分析方法。


背景技术：

2.刚体极限平衡法是根据块体的力学平衡原理分析块体在各种破坏模式下的受力状态，以及块体滑面上的抗滑力和下滑力之间的大小关系来评价块体的稳定性。刚体极限平衡法是块体稳定性分析计算的主要方法，也是工程实践中应用最多的一种方法。
3.刚体极限平衡法虽然在工程中应用的很广泛，但它不能计算失稳前岩体的真实应力情况，更不能得出岩体的变形，即不能反映出岩体内真实的应力-应变关系，只是用此公式来推求岩体稳定性系数，而且对滑面上的应力作了与实际不相符的平均分布假定，所求稳定性系数相当于是滑动面上的一个平均值，而不是精确解。所以，它无法分析岩体从变形到破坏的发展过程，也无法考虑岩体渐进性破坏的具体影响。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种融合刚体极限平衡法和有限元法的地下洞室块体稳定分析方法，极大地提高了对地下洞室块体稳定分析的准确性。
5.本发明采取如下技术方案实现上述目的，一种融合刚体极限平衡法和有限元法的地下洞室块体稳定分析方法，包括：
6.步骤1、建立块体三维几何模型，根据块体几何参数、材料参数、力学参数，采用刚体极限平衡法计算块体的安全系数，获得第一安全系数；
7.步骤2、建立块体三维有限元模型，根据块体的稳定状态和软弱结构面类型，获得块体滑面上节点和单元的应力位移结果；
8.步骤3、在块体三维有限元模型上，考虑块体滑面的黏聚力和摩擦系数，以及重力、预应力合支护力、非预应力合支护力、地下水以及地震力，对各滑面上的单元节点的应力，计算该节点处的法向力和切向力；
9.步骤4、根据块体滑面上节点和单元的应力位移结果以及节点处的法向力和切向力计算和显示块体的力系图，再根据刚体极限平衡法计算块体安全系数，获得第二安全系数；
10.步骤5、比较第一安全系数与第二安全系数的大小，取较小值作为块体稳定安全系数。
11.进一步的是，步骤2中，根据块体的稳定状态和软弱结构面类型，获得块体滑面上节点和单元的应力位移结果的具体方法包括：
12.对块体的稳定状态和软弱结构面类型进行判断，若块体处于稳定状态，则无需建立滑面单元，滑面两侧的实体单元边界共用滑面上的节点，进行计算分析，获得滑面上节点
和单元的应力位移结果；
13.若块体处于不稳定状态且软弱夹层厚度小于等于阈值厚度，则不考虑结构面变形，在各滑面建立接触对单元，进行计算分析，获得滑面上节点和单元的应力位移结果；
14.若块体处于不稳定状态且软弱夹层厚度大于阈值厚度，则需考虑结构面变形，在各滑面建立实体单元，进行计算分析，获得滑面上节点和单元的应力位移结果。
15.进一步的是，块体滑面上的接触对单元在闭合状态下传递剪力时，考虑了块体软弱结构面类型，并根据软弱结构面的类型，采用不同单元模拟滑面。
16.进一步的是，块体滑面上的接触对单元在闭合状态下传递剪力时，考虑了块体滑面黏聚力。
17.进一步的是，对块体滑面上单元的接触状态判断，判断的具体方法包括：在每一个增量步开始之前检查块体结构面上所有接触对相互作用状态，以判断从属节点为脱开还是闭合，若从属节点为脱开，则释放节点约束；若从属节点为闭合，则施加节点约束；然后进行迭代计算，直至平衡收敛或达到最大迭代次数。
18.进一步的是，在检查平衡收敛之前，先检查从属节点上接触状态的变化，若从属节点在迭代后存在节点侵入情况，并且节点侵入距离＞0，则它的状态由脱开变为闭合，然后施加节点约束，重新迭代计算；若从属节点在迭代后的节点压力＜0，则它的状态则由闭合变为脱开，然后释放节点约束，重新迭代计算。
19.进一步的是，步骤4中，获得第二安全系数时，考虑了预应力支护和非预应力支护的相互作用机制，相互作用机制具体包括：先判断块体是否处于稳定状态，若块体处于稳定状态，则在块体未发生滑移时，将非预应力支护作为安全储备，不计入安全系数公式；当块体处于不稳定状态或发生滑移时，非预应力支护才发生作用，才将非预应力支护计入块体安全系数计算公式，作为块体极限安全分析，并评估加强支护措施。
20.进一步的是，所述块体包括双滑块体，所述双滑块体沿双滑面i和j滑动时，安全系数可按下列公式计算：
21.(1)双滑块体基本组合
22.安全系数k的计算公式为：
[0023][0024]
当合支护力分量ph方向指向滑面i时:
[0025][0026]
当合支护力分量ph方向指向滑面j时:
[0027]
[0028]
(2)双滑块体偶然组合
[0029]
安全系数k的计算公式为：
[0030][0031]
当合支护力分量ph方向指向滑面i时:
[0032][0033]
当合支护力分量ph方向指向滑面j时:
[0034][0035]
式中，ui为滑面i上的地下水扬压力，uj为滑面j上的地下水扬压力；为滑面i的内摩擦角，为滑面j的内摩擦角；p
δ
指向滑面i的合支护力p在通过滑面i和j交线的铅垂平面内的分力，且与水平面夹角为δ；γ为滑面i和j交线的倾角，δ合支护力在铅垂平面内的分力p
δ
与水平面的夹角，俯角为正；ci为滑面i的黏聚力，cj滑面j的黏聚力；ai为滑面i的面积，aj为滑面j的面积；uc为地下水产生的扬压力在沿滑面i和j交线方向的合力；ph为指向滑面i的合支护力p在与滑面i和j交线垂直的平面内水平方向的分力；βi为滑面i与通过滑面i和j交线的铅垂辅助面的夹角，βj为滑面j与通过滑面i和j交线的铅垂辅助面的夹角。
[0036]
进一步的是，步骤4中，计算和显示块体力系图具体方法包括：计算和显示块体的空间力系的分解图，三维空间向量方式表示块体的空间受力情况，并在块体三维有限元模型上显示空间力系的方向、大小以及滑动方向信息。
[0037]
本发明对复杂地质条件下的块体，引入有限元接触力学分析方法，并考虑岩体和块体变形、采用刚体极限平衡法处理有限元计算结果，计算和评估块体稳定安全系数，并将次安全系数和在三维几何模型下采用刚体极限平衡法得出的安全系数进行比较，根据比价结果选择相应安全系数作为块体稳定的安全系数，极大地提高了对地下洞室块体稳定分析的准确性。
附图说明
[0038]
图1是本发明的块体滑面接触分析流程图。
[0039]
图2是本发明双滑块体沿双滑面i和j滑动时受力分析示意图。
[0040]
附图中，1为滑面i，2为滑面j，3为水平参考面，4为通过滑面i和j交线的铅垂辅助面，5为与滑面i和j交线垂直的辅助面，6为其他张裂面k。
具体实施方式
[0041]
本发明一种融合刚体极限平衡法和有限元法的地下洞室块体稳定分析方法，包括：
[0042]
步骤1、建立块体三维几何模型，根据块体几何参数、材料参数、力学参数，采用刚体极限平衡法计算块体的安全系数，获得第一安全系数；
[0043]
步骤2、建立块体三维有限元模型，根据块体的稳定状态和软弱结构面类型，获得块体滑面上节点和单元的应力位移结果；
[0044]
步骤3、在块体三维有限元模型上，考虑块体滑面的黏聚力和摩擦系数，以及重力、预应力合支护力、非预应力合支护力、地下水以及地震力，对各滑面上的单元节点的应力，计算该节点处的法向力和切向力；
[0045]
步骤4、根据块体滑面上节点和单元的应力位移结果以及节点处的法向力和切向力计算和显示块体的力系图，再根据刚体极限平衡法计算块体安全系数，获得第二安全系数；
[0046]
步骤5、比较第一安全系数与第二安全系数的大小，取较小值作为块体稳定安全系数。
[0047]
步骤2中，根据块体的稳定状态和软弱结构面类型，获得块体滑面上节点和单元的应力位移结果的具体方法包括：
[0048]
对块体的稳定状态和软弱结构面类型进行判断，若块体处于稳定状态，则无需建立滑面单元，滑面两侧的实体单元边界共用滑面上的节点，进行计算分析，获得滑面上节点和单元的应力位移结果；
[0049]
若块体处于不稳定状态且软弱夹层厚度小于等于阈值厚度，则不考虑结构面变形，在各滑面建立接触对单元，进行计算分析，获得滑面上节点和单元的应力位移结果；
[0050]
若块体处于不稳定状态且软弱夹层厚度大于阈值厚度，则需考虑结构面变形，在各滑面建立实体单元，进行计算分析，获得滑面上节点和单元的应力位移结果。
[0051]
块体滑面上的接触对单元在闭合状态下传递剪力时，考虑了块体软弱结构面类型，并根据软弱结构面的类型，采用不同单元模拟滑面。
[0052]
块体滑面上的接触对单元在闭合状态下传递剪力时，考虑了块体滑面黏聚力。
[0053]
对块体滑面上单元的接触状态判断，判断的具体流程如图1所示：在每一个增量步开始之前检查块体结构面上所有接触对相互作用状态，以判断从属节点为脱开还是闭合，若从属节点为脱开，则释放节点约束；若从属节点为闭合(即接触)，则施加节点约束；然后进行迭代计算，直至平衡收敛或达到最大迭代次数；
[0054]
在检查平衡收敛之前，先检查从属节点上接触状态的变化，若从属节点在迭代后存在节点侵入情况，并且节点侵入距离h＞0，则它的状态由脱开变为闭合，然后施加节点约束，重新迭代计算；若从属节点在迭代后的节点压力p＜0，则它的状态则由闭合变为脱开，然后释放节点约束，重新迭代计算。
[0055]
步骤4中，获得第二安全系数时，考虑了预应力支护和非预应力支护的相互作用机制，相互作用机制具体包括：先判断块体是否处于稳定状态，若块体处于稳定状态，则在块体未发生滑移时，将非预应力支护作为安全储备，不计入安全系数公式；当块体处于不稳定状态或发生滑移时，非预应力支护才发生作用，才将非预应力支护计入块体安全系数计算
公式，作为块体极限安全分析，并评估加强支护措施。
[0056]
块体包括双滑块体，双滑块体沿双滑面i和j滑动时，其受力分析图如图2所示，安全系数可按下列公式计算：
[0057]
(1)双滑块体基本组合
[0058]
安全系数k的计算公式为：
[0059][0060]
当合支护力分量ph方向指向滑面i1时:
[0061][0062]
当合支护力分量ph方向指向滑面j2时:
[0063][0064]
(3)双滑块体偶然组合
[0065]
安全系数k的计算公式为：
[0066][0067]
当合支护力分量ph方向指向滑面i1时:
[0068][0069]
当合支护力分量ph方向指向滑面j2时:
[0070][0071]
式中，ui为滑面i1上的地下水扬压力，uj为滑面j2上的地下水扬压力(单位为kn)；为滑面i的内摩擦角，为滑面j的内摩擦角(单位
°
)；p
δ
指向滑面i的合支护力p在通过滑面i和j交线的铅垂平面内的分力(单位为kn)，且与水平面夹角为δ；γ为滑面i和j交线的倾角(单位
°
)，δ为合支护力在铅垂平面内的分力p
δ
与水平面的夹角(单位
°
)，俯角为正；δ'为
非合支护力在铅垂平面内的分力p'
δ
与水平面的夹角(单位
°
)，俯角为正；ci为滑面i的黏聚力(单位kpa)，cj滑面j的黏聚力(单位kpa)；ai为滑面i的面积(m2)，aj为滑面j的面积(m2)；uc为地下水产生的扬压力在沿滑面i和j交线方向的合力(单位为kn)；ph为指向滑面i的合支护力p在与滑面i和j交线垂直的平面内水平方向的分力(单位为kn)；βi为滑面i与通过滑面i和j交线的铅垂辅助面的夹角(单位
°
)，βj为滑面j与通过滑面i和j交线的铅垂辅助面的夹角(单位
°
)。
[0072]
其滑面i1以及滑面j2的位置参考水平面3，分析合支护力p在通过滑面i和j交线的铅垂平面内的分力时，可参考通过滑面i和j交线的铅垂辅助面4，在分析合支护力p在与滑面i和j交线垂直的平面内水平方向的分力时，可参考与滑面i和j交线垂直的辅助面5，以及在分析相关力时，可参考其他张裂面k6。
[0073]
步骤4中，计算和显示块体力系图具体方法包括：计算和显示块体的空间力系的分解图，三维空间向量方式表示块体的空间受力情况，并在块体三维有限元模型上显示空间力系的方向、大小以及滑动方向信息。
[0074]
本发明解决了刚体极限平衡法无法考虑不同滑面、不同区域的差异，尤其是双滑块体模式下的各结构面接触刚度差异、软弱结构面的黏聚力和变形影响等因素的适应性难题。
[0075]
综上所述，本发明极大地提高了对地下洞室块体稳定分析的准确性。