岩石边坡加固分析(2)---模拟断层

文摘   科技   2024-09-09 09:43   内蒙古  
1. 引言

如【岩石边坡加固分析(1)---建立岩石边坡模型】所述,我们使用“不连续(Discontinuity)单元”【有限元模拟岩石边坡阶梯式破坏(Step-Path Failure of Rock Slopes)】模拟断层。为了实现这个目的,需要定义断层的材料模型和断层位置。


2. 定义断层材料

使用"Discontinuties"单元模拟断层,目前仅支持Mohr-Coulomb准则,没有其它选择,其输入参数如下图所示。

_discontinuitymat "MaterialType" "Mohr-Coulomb" (Material model)

_set DiscontinuityMat_1.Identification "Fault"

_set Fault.Identification "Fault"

_set Fault.NormalStiffness 1000000 (kn, Normal stiffness, kN/m3)

_set Fault.ShearStiffness 100000 (ks, Shear stiffness, kN/m3)

_set Fault.cRef 8 (Cohesion, kN/m2)

_set Fault.phi 20 (Friction angle,°)

Drainage type = Drained

Strength method = Peak

Consider gap closure = True

如果_set Fault.StrengthMethod "Peak and Residual",那么需要输入残余强度因子_set Fault.ResidualStrengthFactor 1,默认值为1。


3. 定义断层位置
在Structures模式下,点击Create line>Create discontinuity激活命令,输入两点坐标定义断层位置:_discontinuity (8 15) (42 -13)
从图中选择建立的断层,右击选择Discontinuity>Set material>Fault,把断层材料设置于该断层线上:_set Line_1.Discontinuity.Material Fault
当产生出不连续元之后,通过选择模型中的不连续元,所有的材料参数值都可以在选择浏览器(Selection explorer)或在模型浏览器(model explorer)中直接修改。至此,产生的模型如下图所示。

4. 不连续元

不连续元代表着在连续介质中存在的断裂,其特征是没有抗拉强度或具有非常低的抗拉强度,如节理、软弱夹层、软弱片理、剪切区和断层等。Plaxis过去使用界面元 (Interface  Elements)模拟不连续,为了更有效地模拟不连续的行为,自从V22版本引入了不连续元(Discontinuity Elements),不连续元除了可以模拟沿着不连续方向的滑动外,也可以模拟不连续的张开或闭合(Consider gap closure = True)。


不连续元是在Structures模式下创建的,其几何形状在2D中是一条线,在3D中是一个面,作用机理是通过对网格中节点进行解耦,使不连续体的两个面之间产生相对位移。

用法向刚度kn和剪切刚度ks表示不连续性质, 界面之间只能产生小的相对位移,不能象FLAC3D/3DEC那样产生大变形,从而产生新的接触或块体完全分离。与界面元类似,当使用15节点的单元时,不连续由5对节点定义;当使用6节点的单元时,不连续由3对节点定义。值得注意的是,现实中的不连续具有一定厚度,但在有限元建立过程中,每个节点对的坐标值是相同的,因而不连续单元的厚度为0。

使用不连续元有如下限制条件:

(1) 不连续元中不能出现其他结构、载荷、位移和地下水的边界条件;

(2) 不连续元不能在活动边界上激活,例如不能把不连续作为开挖边界。


4.1 Material

目前不连续元只可以使用Mohr-Coulomb材料模型,排干类型有两种选择:Drained和Non-porous。不连续元可以是张开的,也可以是用某些多孔材料(例如石英、方解石或沙子)填充,如果是这种情形,则视为排水(Drained); 如果填充物是无孔的(例如为防渗使用的岩石灌浆),则不连续元是无孔的(Non-porous)。不连续元的力学属性包括刚度和强度,刚度使用法向刚度kn和剪切刚度ks表示,强度参数包括:

(1) 强度方法,可以只使用峰值强度,也可以同时使用峰值强度和残余强度;(2) 有效粘结力;(3) 有效内摩擦角;(4) 膨胀角;(5) 闭合还是张开?

在2D中能够进行不连续元的热传导模拟,热参数Thermal Resistance (热阻R)用于控制穿过不连续体的热传递。R是不连续的张开度d与不连续材料的热导率λ的比值。3D中目前没有这个功能。

4.2 Apply strength reduction

在安全系数分析中让不连续元的强度参数进行折减。

4.3 Active in flow

在处理不连续的水力条件时,特别是处理排水行为时,需要地下水参数。因此为了能够使用地下水水力参数,需要将材料的排水类型设置为排水。如果排水类型选择Drained,那么不连续元具有渗透性,纵向流动受透射(Transmissivity)参数支配;不选择Active in Flow选项时,沿不连纵向流动被阻断,即渗透率。

4.4 模拟性能

在Plaxis官方给出的一个文档中[A comparison between the newly introduced discrete discontinuity element and the Jointed Rock continuum model in PLAXIS 2D],比较了JR模型和不连续元在隧道稳定性模拟中的应用,结果发现在没有支护的情况下使用这两种方法得出的破坏模式没有显著差异,但在有支护的情况下计算结果有所不同

隧道开挖后的位移


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