阶梯状平面破坏(Step-Path Plane Failure)

1 引言

岩体是由原岩和不连续面或体组成，阶梯路径边坡破坏是由断裂面上的滑动和这些断裂之间岩桥的拉伸破坏或剪切破坏共同形成的(岩桥和阶梯式破坏(Rock Bridge and Step-path failure development))。单一的平面剪切破坏(岩石边坡平面滑动(Planar Sliding)稳定性分析)在实际工程中很少遇到, 从二维角度来看，实践中最可能出现的情况是两组共轭断裂形成一个阶梯状的几何形状(Jaeger, 1971)。如果两组断裂的走向都与斜坡的走向平行或接近平行，那么滑动发生在倾角较小的一组断裂上。下图显示了典型的断裂的阶梯几何形状(Call and Nicholas, 1978)。

(a) 连续性阶梯状路径(Continuous step path)

(b) 不连续阶梯状路径(discontinuous step path with intact rock bridges)

阶梯路径破坏(Step-Path Failure)分析对于深部露天矿边坡的稳定性具有非常重要的意义，由于坡脚的高原位应力可能导致完整岩桥逐渐破坏，从而导致阶梯状的破坏面发展, 因此必须仔细评估更深层的多台阶破坏而不是单台阶破坏(露天采矿台阶稳定性分析方法(Bench Scale Stability Analysis); 露天采矿台阶设计(Bench Design)方法)。

2 岩桥比例

阶梯路径破坏的几何形状通常比类似规模的平面剪切几何形状的稳定性概率低, 其差别主要在于对岩桥的处理。岩桥百分比计算是研究工程岩体脆性断裂的一个基本步骤. 不过岩桥的比例一直是一个难以界定的属性。过去的研究一直是基于纯粹几何假设的, 例如Call & Nicholas(1978)，Einstein等人(1983)和Baczynski(2000). 岩桥在平面剪切模型中被认为是绝对不破坏的，但在平面阶梯路径模型中却被检查是否破坏。经验表明，对于在抗拉强度为500至2000吨/平方米的结晶岩中切割的12至20m高的台阶，当完整岩石的比例超过约8%时，滑动的概率几乎为零。因此，当岩桥占总长度小于等于8%时，阶梯路径发生破坏的概率比平面剪切路径发生的概率更高。当破坏面上的岩桥长度比例接近8%时，破坏的可能性越来越小。如果岩桥比例超过8%，就不可能发生破坏。应该注意: 这些方法在很大程度上依赖于高度理想化的断裂模式，而这些断裂模式并不完全基于潜在的断裂网络属性.

Dershowitz等人(2017) 引入了一种新的破坏路径搜索算法来估计岩桥，该算法通过二维离散断裂网络断面模型识别潜在的破坏途径，从而确定最低 "成本 "的路径。该方法利用了一种基于规则的算法，允许用户定义的权重在距离和方向上同时分配给断裂和岩桥，并通过优化函数找到权重最低的路径，从而确定通过这些网络的岩桥百分比。该方法对断裂方向、长度尺度或间距变化没有限制，还能区分剪切力下破坏的岩桥和拉力下破坏的岩桥。该模型更真实地表示了断裂的空间形态，具有真实的断裂尺寸、强度变化和方向。可以对多个坡面进行分析，提供岩桥百分比和边坡稳定性的概率评估。

3 计算软件

根据文献可知, 目前可得到的阶梯状平面破坏分析软件主要有: Stepsim4, Bstepp, FracMan 以及Geo5中的Rock Stability. 此外, UDEC和3DEC提供了这种分析更高级的能力(UDEC: 岩体边坡阶梯状节理模拟)