岩土力学 ›› 2023, Vol. 44 ›› Issue (7): 2115-2128.doi: 10.16285/j.rsm.2022.1498

• 岩土工程研究 • 上一篇    下一篇

考虑力学参数不确定性的岩质边坡开挖卸荷响应概率评价

刘国锋1,冯坤1,晏长根1,丰光亮2,徐鼎平2,周迟1   

  1. 1. 长安大学 公路学院,陕西 西安 7100641;2. 中国科学院武汉岩土力学研究所 岩土力学与工程国家重点实验室,湖北 武汉 430071
  • 收稿日期:2022-09-26 接受日期:2022-12-13 出版日期:2023-07-17 发布日期:2023-07-16
  • 通讯作者: 晏长根,男,1975年生,博士,教授,博士生导师,主要从事岩土工程和工程地质方面的研究工作。E-mail: yanchanggen@163.com E-mail:gfliu@chd.edu.cn
  • 作者简介:刘国锋,男,1989年生,博士,讲师,主要从事岩土工程灾害机制、预测及防控方面的研究。
  • 基金资助:
    国家自然科学基金资助项目(No.52209120,No.42077265);甘肃省科技计划资助项目(No.21YF5FA002);陕西省自然科学基础研究计划项目(No.2022JM-191)

Probabilistic evaluation of excavation unloading response of rock slope considering the uncertainty of mechanical parameters

LIU Guo-feng1, FENG Kun1, YAN Chang-gen1, FENG Guang-liang2, XU Ding-ping2, ZHOU Chi1   

  1. 1. School of Highway, Chang’an University, Xi’an, Shaanxi 710064, China; 2. State Key Laboratory of Geomechanics and Geotechnical Engineering, Institute of Rock and Soil Mechanics, Chinese Academy of Sciences, Wuhan, Hubei 430071, China
  • Received:2022-09-26 Accepted:2022-12-13 Online:2023-07-17 Published:2023-07-16
  • Supported by:
    This work was supported by the National Natural Science Foundation of China (52209120, 42077265), the Science and Technology Project of Gansu Province (21YF5FA002) and the Shaanxi Provincial Natural Science Basic Research Program (2022JM-191).

摘要: 鉴于目前关于节理岩体力学参数空间变异性表征及存在潜在滑移面边坡的可靠性问题研究较多,但对于岩质边坡力学参数空间变异性影响及开挖卸荷响应(变形与塑性区)不确定性分析的研究较为有限。提出考虑力学参数不确定性的岩质边坡开挖卸荷响应概率评价方法,该方法以室内岩石力学试验及现场地质勘察测绘数据为基础,利用Hoek-Brown经验准则与Monte Carlo分析手段,构建了以岩石单轴抗压强度(uniaxial compressive strength,简称UCS)、地质强度指标(geological strength index,简称GSI)和节理工程参数为输入的边坡岩体力学参数概率统计模型,并采用卡方检验进行模型的吻合度检验;基于点估计原理构建岩体力学参数组合方案,并结合数值模拟开展边坡开挖过程的仿真分析,获得边坡开挖后整体安全系数及位移及塑性区的概率分布。利用该方法对在建京秦高速沿线某路堑边坡岩体力学参数及开挖卸荷响应进行分析,得到了岩体强度、弹性模量、黏聚力与内摩擦角的取值及不确定性分布,采用点估计与FLAC3D模拟分析,得到了边坡安全系数及典型观测点的位移与塑性区分布结果,并与实测值进行对比,结果表明该方法的适用性较高。该研究为岩质挖方边坡的力学参数估计及稳定性分析评价提供了一种有效途径,能够为实际工程施工决策提供重要参考依据。

关键词: 岩质边坡, 力学参数, 卸荷响应, Hoek-Brown准则, Monte Carlo模拟, 概率分析

Abstract: There are many studies on the spatial variability of mechanical parameters of jointed rock masses and the reliability of slopes with potential slip surface, but the research on the spatial variability of mechanical parameters of rock slopes and the uncertainty analysis of excavation unloading response (deformation and plastic zone) is limited. A probabilistic evaluation method for excavation unloading response of rock slopes considering the uncertainty of mechanical parameters is proposed. Based on laboratory rock mechanical tests and geological survey mapping data, the probabilistic statistical models of rock mass mechanical parameters of slopes are constructed by using Hoek-Brown empirical criterion and Monte Carlo analysis method, in which the uniaxial compressive strength (UCS) of rocks, the geological strength index (GSI) and the parameters of rock mass joints are input, and these probabilistic models are checked by the chi-square test. Based on the point estimation principle, the combination scheme of rock mass mechanical parameters is constructed, and the simulation analysis of slope excavation process is carried out by the numerical method to obtain the probability distributions of the slope safety factor as well as the displacement and plastic zone of rock masses after excavation. This method is used to analyze the rock mass mechanical parameters and excavation unloading response of a cutting slope along the Beijing-Qinhuangdao expressway under construction. The values and uncertainty distributions of rock strength, elastic modulus, cohesion and internal friction angle are obtained. By using the point estimation and FLAC3D simulation method, the distributions of the slope safety factor as well as the displacement and plastic zone distributions of typical observation points are obtained. The comparison between the simulation results and the measured values shows the applicability of the proposed method. This study provides an effective way for the mechanical parameter estimation and stability evaluation of the rock cutting slope, and can provide a valuable reference for the decision-making process in practical engineering construction.

Key words: rock slope, mechanical parameter, unloading response, Hoek-Brown criterion, Monte Carlo simulation, probability analysis

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[1] 罗国立, 张科, 齐飞飞, 朱辉, 张凯, 刘享华, . 基于3D打印的裂隙岩体力学特性尺寸效应及各向异性初探[J]. 岩土力学, 2023, 44(增刊): 107-116.
[2] 申辉, 刘亚群, 刘博, 李海波, . 地震波斜入射下岩质边坡放大效应的数值模拟研究[J]. 岩土力学, 2023, 44(7): 2129-2142.
[3] 许明, 余小越, 赵元平, 胡家驹, 张潇婷, . 顺倾层状碎裂结构岩质边坡地震动力响应及破坏模式分析[J]. 岩土力学, 2023, 44(2): 362-372.
[4] 贾宝新, 陈国栋, 刘丰溥, . 高温下岩石损伤本构模型及其验证[J]. 岩土力学, 2022, 43(S2): 63-73.
[5] 张文莲, 孙晓云, 陈勇, 金申熠, . 基于岩体抗压强度折减的边坡稳定性分析方法[J]. 岩土力学, 2022, 43(S2): 607-615.
[6] 杨肖锋, 鲁祖德, 陈从新, 孙朝燚, 刘轩廷, . 板裂结构顺层岩质边坡滑移−弯曲破坏 机制的力学模型研究[J]. 岩土力学, 2022, 43(S1): 258-266.
[7] 高丙丽, 李铎, 李朗, 陈立成, 杨志法, . 基于坐标投影法岩质边坡块体稳定性 分析及其可视化研究[J]. 岩土力学, 2022, 43(1): 181-194.
[8] 蒋水华, 欧阳苏, 冯泽文, 康青, 黄劲松, 杨志刚, . 基于结构面参数概率分布更新的 节理岩质边坡可靠性分析[J]. 岩土力学, 2021, 42(9): 2589-2599.
[9] 苗胜军, 王辉, 杨鹏锦, 王亚欣, . 近疲劳强度循环荷载对泥质石英粉砂岩 力学特性影响研究[J]. 岩土力学, 2021, 42(8): 2109-2119.
[10] 仉文岗, 王琦, 陈福勇, 陈龙龙, 王鲁琦, 王林, 张艳梅, 王玉琦, 朱星, . 考虑岩体空间变异性的边坡可靠度分析 及抗滑桩随机响应研究[J]. 岩土力学, 2021, 42(11): 3157-3168.
[11] 宋义敏, 凌小康, 张敬宗, 朱晨利, 任何, 苑德顺. 基于数字散斑相关方法和有限元法的岩土 材料力学参数反演[J]. 岩土力学, 2021, 42(10): 2855-2864.
[12] 王川, 冷先伦, 李海轮, 李刚, . 节理分布空间变异的地下洞室稳定性概率分析[J]. 岩土力学, 2021, 42(1): 224-232.
[13] 安彩龙, 梁 烨, 王亮清, 邓 姗, 孙自豪, 范斌强, 郑罗斌. 岩质边坡楔形体锚索加固方向角三维优化设计[J]. 岩土力学, 2020, 41(8): 2765-2772.
[14] 高玮, 胡承杰, 贺天阳, 陈新, 周聪, 崔爽, . 基于统计强度理论的破裂岩体本构模型研究[J]. 岩土力学, 2020, 41(7): 2179-2188.
[15] 姚玉文, 刘方成, 补国斌, 景立平, . 橡胶砂弹性动力学参数的弯曲-伸缩元试验研究[J]. 岩土力学, 2020, 41(7): 2369-2379.
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[1] 姚仰平,侯 伟. 土的基本力学特性及其弹塑性描述[J]. , 2009, 30(10): 2881 -2902 .
[2] 徐金明,羌培,张鹏飞. 粉质黏土图像的纹理特征分析[J]. , 2009, 30(10): 2903 -2907 .
[3] 向天兵,冯夏庭,陈炳瑞,江 权,张传庆. 三向应力状态下单结构面岩石试样破坏机制与真三轴试验研究[J]. , 2009, 30(10): 2908 -2916 .
[4] 石玉玲,门玉明,彭建兵,黄强兵,刘洪佳. 地裂缝对不同结构形式桥梁桥面的破坏试验研究[J]. , 2009, 30(10): 2917 -2922 .
[5] 夏栋舟,何益斌,刘建华. 土-结构动力相互作用体系阻尼及地震反应分析[J]. , 2009, 30(10): 2923 -2928 .
[6] 徐速超,冯夏庭,陈炳瑞. 矽卡岩单轴循环加卸载试验及声发射特性研究[J]. , 2009, 30(10): 2929 -2934 .
[7] 张力霆,齐清兰,魏静,霍倩,周国斌. 淤填黏土固结过程中孔隙比的变化规律[J]. , 2009, 30(10): 2935 -2939 .
[8] 张其一. 复合加载模式下地基失效机制研究[J]. , 2009, 30(10): 2940 -2944 .
[9] 易 俊,姜永东,鲜学福,罗 云,张 瑜. 声场促进煤层气渗流的应力-温度-渗流压力场的流固动态耦合模型[J]. , 2009, 30(10): 2945 -2949 .
[10] 陶干强,杨仕教,任凤玉. 崩落矿岩散粒体流动性能试验研究[J]. , 2009, 30(10): 2950 -2954 .