[重点]岩石边坡工程课程---边坡工程分析与设计(C4)

1 引言

对于任何工程学科来说, 分析和设计是一个互逆的过程, 使用的基本原理和步骤相同. 但露天采矿边坡与土木工程边坡的不同之处在于采矿工程的边坡是动态的, 在采矿运行过程中需要根据实际状况调整边坡角和台阶高度, 例如针对矿区内不同的岩体结构设计不同的边坡角,或者把原设计的多个台阶合并成一个台阶等等, 因此分析和设计几乎是同步进行的. 这个笔记简要总结了C4的核心内容, 着重描述边坡工程分析普遍的步骤和方法, 不涉及太多技术细节, 通过这节课, 能够让学生在头脑中形成一个"big picture".

2 边坡稳定性分析步骤

简言之, 边坡稳定性分析的基本步骤简述如下:

(1) 尽最大可能获得项目信息, 例如图纸, 载荷, 高程等;

(2) 室内文献回顾, 查看邻近场地是否做过类似的工程, 包括研究邻近场地的岩土工程勘察报告以及地图(Google Earth)和照片解释[ 航空照片解释].  

(3) 现场考察, 岩土工程术语称为踏勘, 如果情况允许,最好与甲方人员一起踏勘,有问题能够及时让甲方知道和解决. 查看现场地貌, 查看钻机进入场地的可能性, 地下管线,空中线路,人工回填等, 填写踏勘检查表(Field Visit Checklist). 如果有无人机可以拍些全局照片为将来分析使用. 

(4) 结合现场考察情况和项目预算制定现场勘察计划和实验室试验计划, 如果在有限的资金情况下无法取样和试验, 那只能充分发挥岩土工程师的技术才能, 对场地进行详细的工程地质调查, 然后利用受教育的猜想(Educated Guess)和工程判断力[ Terzaghi和Peck的科学哲学思想]获得岩体物理力学参数和对边坡是否稳定整体的把握. 对于有经验的岩土工程师, 在大多数情况下不需要分析计算就能粗略地判断出一个边坡是否稳定.  

(5) 分析计算. 在上述获得资料和数据的基础之上, 联合使用不同方法对边坡稳定性进行分析, 这是本节课程核心讲解的内容, 将在下面的部分中进行详细讨论.

(6) 给出结论或建议

从实践的角度来看, 边坡稳定性分析最难的部分并不是步骤(5),而是步骤(3)和(4), 它能够检验出一个岩土工程师是否具备解决真实世界问题的能力, 并且直接导致了最后给出的结论和建议.  

3 边坡稳定判别准则

在这个子模块中, 讨论了边坡稳定的判别准则. 实践的边坡工程应用最多的判别准则是安全系数, 安全系数是建立在静力平衡的基本假设上得出的. 不同规模,不同用途的边坡安全系数取值不同, 对于采矿工程边坡, 我们不要求边坡永久稳定, 一般稳定概率在80%左右即可, 相对应的安全系数大致是1.3左右. 也就是说, 如果计算出来的安全系数大于1.3, 我们就假定这个边坡是稳定的. 

判别边坡稳定的另一个准则是位移, 我们将在本课程的最后一部分讲授边坡的监测技术. 绝对位移和位移速率在大多数情况下能够判别出边坡在一定时期内是否稳定.  在理论研究中, 我们也使用最大剪应变形成的应变剪切带来判别边坡是否稳定, 但这已经超出了本课程的范围. 

4 边坡稳定性分析方法

这个子模块是本节课的重点内容, 但由于内容太多, 不能详细讨论技术细节, 仅扼要介绍了分析方法的基本框架. 下面介绍主要的边坡稳定分析方法.

4.1 工程类比法

在上面边坡稳定性分析步骤的讨论中, 第(2)步文献回顾的其中一个目的就是通过工程类比来判断研究的边坡是否稳定. 这种方法的最新变化形式是我们目前正在研究发展的新一代岩土工程专家系统, 其框架不是基于规则(rule)而是基于深度学习(Deep Learning). 发展众多子数据集的目的之一就是为了构建这样的专家系统.

4.2 稳定性图法

在个人计算机和计算工具还没有普及(30至40年前吧)之前, 研究者们把自己的研究公式通过改变参数值(边坡角, 边坡高度等)来显示在不同情形下得出的安全系数, 这样的图称为边坡稳定性图(slope stability charts), 它能够帮助岩土工程师快速做出判断. 随着计算机技术的发展, 现在基本上不再需要这样的稳定性图, 不过,在某些情况下使用这些图还是很方便的, 因此在近期发布的一些工程手册或规范中偶尔还能看到经典的边坡稳定性图. 

4.3 赤平极射投影法

赤平极射投影是工程地质学和岩石边坡工程最经典的图形分析方法. 去年曾经讲过, 参看下面的链接. 我们将在本课程的后半部分详细讨论这种方法.

构造地质的立体投影(Stereographic projection)方法

赤平极射投影的极点矢量和等值线图

4.4 工程岩体分类法

工程岩体分类法是实践边坡工程中最常使用的一种稳定性评价方法. 从RQD, Q-System, RMR到GSI, 以及最近发展的Q-Slope[ 边坡工程岩体分类系统Q-slope], 我们将在下一节C5的课程中讨论这些分类方法及其在边坡稳定性分析中的应用.

Deere's RQD---现代岩体工程分类方法的基石 (Part I)

Deere's RQD---现代岩体工程分类方法的基石 (Part II)

Q-System岩石块体尺寸的估算(RQD/Jn)

工程岩体分类的简要回顾

工程岩体分类RMS(Rock Mass Strength)

岩体变形模量的估算---Python实现

4.5 极限平衡法

极限平衡法是边坡稳定性最方便快捷的分析方法, 我们将在以后的课程中,以SLIDE软件为例,详细讨论极限平衡法的分析原理包括各种条分法的差异以及如何使用SLIDE来解决真实的边坡稳定性问题.

4.6 概率分析和敏感性分析

尽管理论上概率分析和敏感性分析可以在数值模拟中使用, 但是时间代价太大, 因此目前的概率分析和敏感性分析都在极限平衡法中使用, 从实践的角度来看, 这样的处理方法已经足够精确. 我们将在讲授极限平衡法时附带讨论这两种分析方法. 

岩石边坡稳定性概率分析

岩石破坏路径的搜索算法

岩石边坡平面滑动的概率分析

岩石边坡楔形体稳定性概率分析(Probabilistic Analysis)---Part 1

岩石边坡楔形体稳定性概率分析(Probabilistic Analysis)---Part 2

岩石边坡楔形体稳定性概率分析(3)---节理剪切强度的随机分布

使用BLOCK算法搜索边坡的最小滑动面

4.7 LRFD法

LRFD代表着Load And Resistance Factor Design, 荷载与阻力系数设计, 这是一种极限状态设计法, 起源于结构设计理论, 上学期的<钢筋混凝土结构设计原理>中, 曾经提及过这种方法. 

极限状态设计(Limit State Design)的基本概念

强度设计方法的历史背景(Strength Design Method)

[书] 预应力混凝土分析与设计: 基本原理by A.E. Naaman (2)

值得一提的是, LRFD是北美的叫法, 在欧洲,假如你看Eurocode, 它不叫LRFD, 类似是分项系数之类的称谓, 其实原理是一样的. 在本次课程中, 仅用浅显的语言向学生介绍了LRFD的工作机理以及为什么要使用这种方法, 设计过程远远超出本课程的范围.  

4.8 数值模拟

Last but not least, 数值模拟已经由纯学术研究逐渐应用到工业实践中, 最早应用于岩石工程的数值模拟方法是有限元法, 根据目前的文献回顾, 1970年代中期已经有研究者开始应用有限元解决岩石工程问题, 1980年代开始在岩石工程中使用有限差分法, 边界元法和离散元法以及DDA[ 石根华的Discontinuous Deformation Analysis (DDA)文献聚合], 进入21世纪, 岩石工程数值模拟技术得到了实质性的发展, 以Itasca为代表开发了基于DFN和PFC3D的新型模拟技术---合成岩体SRM[ 节理化岩石的合成岩体模型[A SRM Model for Jointed Rock]], 以及另一种模拟技术离散格点方法(LSM, Lattice-Spring-based Method)[ SRMTools---基于微观力学的岩石边坡3D模型]. 这些先进的数值模拟方法不在本课程的讲授范围内，如果有剩余课时的话, 计划用一节课简要概括一下数值模拟方法的演化过程，其目的仅为了扩展学生的思路。最后列出一些岩石边坡工程代表性的计算机软件:

(1) 极限平衡法(LEM)：SLIDE2, SLIDE3, SLOPE/W

(2) 有限元法（FEM)：RS2, RS3, SIGMA/W, PLAXIS, GTS, Abaqus

(3) 有限差分法(FDM)：FLAC, FLAC/Slope, FLAC3D

(4) 离散元法(DEM)：UDEC, 3DEC, PFC2D, PFC3D

(5) 边界元(BEM): Examine2D, Examine3D, MAP3D

(6) 特定类型(Special)：DIPS, RocFall, RocTopple, RocPlane, SWedge