使用BLOCK算法搜索边坡的最小滑动面
1. 引言
与土体边坡不一样, 岩体边坡破坏主要受岩体中节理分布的控制, 因此岩体边坡的破坏面大多数情况下不是圆弧面, 而是锯齿状或阶梯状的破坏面. 在<UDEC: 岩体边坡阶梯状节理模拟---一个操作指导>一文中, 使用UDEC在原岩内通过虚拟的'构造节理(construction joints)'模拟了岩体的断续破坏,也就是岩体的阶梯路径(Step-Path)破坏. 从技术上来说, 我们可以通过编程或手工输入建立整个岩体的'真实节理'和'虚拟节理'来模拟岩体的断续破坏机理, 一种更高级的方法是使用离散断裂网格进行模拟, FLAC3D, UDEC, 3DEC, PFC 现在都已经包含了随机产生断续岩体的功能, 但是Itasca的软件是偏向学术型的, 除非大的研究型咨询项目, 一般的工程咨询项目不需要这样做. 本文使用极限平衡方法中的BLOCK算法搜索边坡的最小滑动面, 从而可以确定出岩体的破坏路径, 这种方法操作简单, 能够满足一般的工程需要.
2. BLOCK的工作原理
在实际的岩石工程中, 尽管可以完全沿着某个节理发生较小破坏，但岩石边坡的总破坏几乎总会通过节理和原岩的破坏形成一条完整的路径. 通过控制断续岩体的形状, 可以寻找到安全系数最小的破坏路径.
极限平衡方法,俗称条分法在工程实践中经常用来评价边坡的稳定性, 许多基于极限平衡方法计算安全系数的软件中都有BLOCK搜索方法, 例如工程咨询中广泛使用的Rocscience的SLIDE和Geostudio的SLOPE/W (这是两家总部均在加拿大的软件公司, Rocscience位于多伦多, Geostudio位于卡尔加里).
极限平衡方法的基本原理
BLOCK搜索方法通过定义一条折线或多个Box来设置边坡有可能的破坏面, 在实际工程中, 这种假定是通过对岩体的工程地质调查来确定的, 可以结合钻孔数据和岩石露头来确定边坡大致的破坏位置. 使用Box能够更多地搜索出最小滑动面, 从第一个Box任取一点连接到第二个Box的任意位置, 确定出一条面的位置, 然后在Box内的其它位置进行随机组合, 搜索可能的所有非圆弧型滑动面，最后能确定出最关键的组合。
3. 圆弧面与折线面的比较
在条件相同的情况下, 折线面得出的安全系数小于圆弧面得出的安全系数, 因此对岩体边坡使用折线面更接近于岩体实际发生破坏的情形. 参看下面这个简单的例子.
4. 使用Block-Box确定边坡的最小滑动面
假定有个花岗岩组成的边坡, 边坡形状如下所示, 材料参数为：密度=26KN/m³ ; 粘结力 = 30KPa, 内摩擦角= 30º, 使用摩尔-库伦强度准则.
使用不同数量的Box确定最小滑动面, 结果如下:
| Box 数量 | 最小安全系数 |
| 2 | 0.978 |
| 4 | 0.977 |
| 6 | 0.975 |
| 9 | 0.972 |
总的来说, BOX的位置越符合实际, BOX 搜索设置的数量越大, 得出的最小滑动面越精确.
5. 岩体内有相对的软弱夹层
假定在上面例子的基础上, 岩体内有一个相对软弱的夹层, 其材料参数为：密度=20KN/m³ ; 粘结力 = 26KPa, 内摩擦角 = 26 º, 使用6个 Box 计算, 得出安全系数FoS的值为0.808。显然, 岩体内存在相对软弱的夹层, 更容易沿着这个夹层面破坏.
6. 参数的敏感性分析
岩体的材料参数值随着取样深度,取样范围的不同而在一定范围内变化, 敏感性分析可以找出哪个参数对安全系数的影响最大. 对上面例子进行了敏感性分析,如下图所示. 可以看出内摩擦角对安全系数的敏感性最强, 这意味着我们要通过加大材料的内摩擦力来增加安全系数最有效。
7. 结束语
本文使用BLOCK搜索来寻找岩体边坡的最小滑动面, 与其它方法相比, 例如使用UDEC或DFN, 这种方法既经济又节省时间, 能够在工程咨询中直接使用.
特别感谢李彤同学做的插图 .
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