坡顶裂缝的有限元模拟 | 岩体不连续对岩石边坡稳定性的影响

1. 引言

拉伸裂缝对岩石边坡稳定性有着显著的影响，拉伸裂缝通常出现在坡顶附近，它们降低了抗滑移破坏的抗剪力，从而导致边坡失稳进而发生破坏【裂缝深度对岩石边坡稳定性的影响 (Tension Crack depth)】。

在极限平衡分析中，拉伸裂缝没有自身的物理力学性质，只有几何性质，即裂缝位置和裂缝深度，最终搜索的滑坡面会沿着裂缝通向地面；可以在裂缝中设置水的深度，通过静水压力来考虑水对边坡稳定性的影响。

在数值模拟中，拉伸裂缝通常被当作节理或不连续来处理，能够考虑裂缝的更复杂的物理力学性质，而且可以考虑节理与水的相互作用，这类分析最典型最全面的工具是UDEC和3DEC。本文考虑有限元分析中的裂缝模拟，仅考虑其最简单的强度和刚度属性。

2. 裂缝的强度和刚度估计

在有限元分析中，裂缝被看作是岩体的不连续，或者简单地看作是节理，节理的刚度属性是法向刚度kn和剪切刚度ks，这两个值可以通过三轴试验或直剪试验获得，不过目前文献中的可得到的试验值均为40年~50年前的作的试验，在实践中经常采用经验值，【节理的强度和刚度属性(Joint Properties)】和【有限元模拟岩石边坡阶梯式破坏(Step-Path Failure of Rock Slopes)】讨论了获得kn和ks的等效连续方法。节理强度值在各向同性岩体中可考虑取与岩体相同的参数值。

模拟结果显示，由于边坡顶部裂缝的存在，导致临近裂缝的位移值最大，最大滑动面穿过裂缝的底部。

本文简单地把裂缝作为节理元考虑，采用有限元分析了裂缝对边坡稳定性的影响。应该意识到，这是一种静态考虑裂缝的方法，尽管比极限平衡分析的裂缝分析方法进了一步，没有考虑裂缝的扩展过程，岩体的渐进破坏需要采用更先进的算法，例如BBM, BPM或者FDEM。

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