楔形体稳定性分析

楔形体稳定性分析

岩体的性质主要受节理裂缝的控制，赤平极射投影是对节理的重要分析方法之一。赤平极射投影,特别是其中的节理等密图等图件,做图较复杂,功效很低,严重影响了赤平极射投影分析法的推广应用。岩质边坡的稳定性主要受节理面控制,边坡的破坏主要是由节理面切割形成的楔形体失稳造成的。楔形体的稳定性,通常采用赤平极射投影进行分析,但只能获得定性结论。楔形体作为一个空间问题,其计算较平面问题复杂得多,手工计算只能对规则的楔形体进行计算,对不规则的楔形体,进行稳定分析计算十分复杂。基于以上分析,编制了赤平极射投影分析计算程序,可绘制赤平投影图、玫瑰花图、极点图和等密图,可对楔形体的稳定性进行计算。其中楔形体稳定计算部分采用了严密的数学推导,对任意两组坡面和两组节理面可确定其是否组成楔形体,进而在各种力的综合作用下,判断该楔形体的最危险滑动面和滑动方向,并计算其稳定系数,为岩石边坡的设计施工提供充分的理论依据和快速手段。1+语言及档案—程序基本结构赤平极射投影分析作为一种分析方法,其应用多种多样,因此,清晰的程序结构设计非常重要。经研究,采用VisualC++语言及文档—视图的程序结构编程。用文档类存储和管理各类节理面产状数据,用视图类实现数据的输入和图形的显示。视图切分技术将窗体切分为两部分。左侧为产状数据录入表,右侧为各种图形实时显示窗口。采用视图替换的方法,可通过菜单在不同的视图间切换。这样不仅操作界面分工清晰,在编程上也可以通过添加新的视图类,方便地实现功能扩充。程序的基本结构如图1所示。2主要功能2.1显示与否和显示颜色在表中输入节理面产状(倾向、倾角),并指定该节理在各投影图中显示与否和显示颜色。产状数据表具备编辑、滚动、拖拉、插入及删除等功能,操作直观方便。如图2所示,界面左侧数据表中数据为输入节理面产状,右侧不同颜色的弧线,表示根据需要显示的不同产状节理。2.2利用自动形成线上的电弧点如图3所示,平面ANBS在赤平面上的投影为SCN,SCN是通过球心的大弧线。线段OA投影到赤平面上为C点。因此赤平面上的弧线表示不同产状的平面,赤平面上的点表示不同产状的线。这是赤平极射投影的基础。由程序自动形成的赤平极射投影图上两弧线的交点表示两节理面的交线。将鼠标移动到该点,其产状可动态地显示在状态条上,也可双击鼠标弹出对话框的后续操作。在此投影图的基础上,可进行各种分析。2.3原生节理面的特征在岩体中,节理面往往依照它们的生成关系,构成一定的组合,呈有规律的分布。其中构造等原生节理面既有成组发育(产状基本一致)的特点,又有一定的分散性,在经受过多次构造运动作用的岩体中,节理面更呈现出既有规律又极其复杂的分布状态。通常采用手工绘制玫瑰花图的方法来分析节理面的分布特征。本程序可自动绘制玫瑰花图(如图4所示)。2.4绘制极限等密图节理面是一个空间概念,单一的因子(如倾向或倾角等)不能确定节理面的产状,节理玫瑰花图对节理分布特征的表述不充分,以此进行工程地质评价存在局限性。节理面的法线经过投影变换,表现为吴氏网上的1个点。反过来,吴氏网上的每1个点,代表了一种产状的法线,进而代表了1个节理平面。因此,可以用极点图来准确、充分地表示岩体中的大量节理。很明显,极点图中某处的产状极点愈密,说明与该产状相近的节理面愈多,反之则愈少。可以用各点处的节理密度来定量描述节理的分布特征,做出等密度图。极点图和等密度图充分反映了节理的分布特征,可对节理进行多种分析。手工绘制等密图需要大量的时间,采用程序自动生成等密图(如图5所示),可大大提高工作效率和做图精度。因为投影造成的变形关系存在两种投影网,一种是等面积投影网(施密特网),另一种是等角度投影网(吴氏网)。本程序中采用吴氏网,网中各点的节理密度值通过计算求得。应用几何拓扑关系,对这些密度点进行自动连接,形成三角网,再通过内插的方法绘制极点等密图。极点等密图可直观准确地反应节理的分布规律。2.5工作原理及计算方法在极点图和等密度图的基础上,对节理进行分期配套。对分期配套后的各组节理两两组合,分析其楔形体稳定性。一般情况下,对楔形体的稳定分析是通过实体比例投影来实现的。实体比例投影以赤平极射投影为基础,做图方法十分复杂。而且,该法只能定性判断其稳定性,不能定量计算出具体的稳定系数,更不能考虑外加荷载的影响。该程序进行楔形体稳定分析及计算时,考虑了外部加固力和地震力的作用,首次以空间向量的形式,经过严格的公式推导,包含了楔形体滑动的各种可能方式。对任意两节理面和任意两组边坡面,能自动判断左右节理面,并判断楔形体的形状、滑动可能性以及滑动方向,计算其稳定系数。在稳定分析计算中,还可根据指定的锚固位置和方位,计算锚固自由段的最小长度(如图6所示)。楔形体稳定计算部分只需要相关的产状资料和力学指标,不需要通过其他赤平投影分析,即可自动进行各种分析计算,给出相关结论,实现了“智能化”分析,应用十分方便。图7是一个楔形体计算的例子。3在等密图分析过程中的应用该程序软件功能齐全,包含了赤平极射投影分析方法的主要功能及楔形体的稳定性计算,能满足工作中的多种应用要求,在我院勘察设计项目中得到了充分的应用。等密图中采用的三角网自动剖分、内插生成等值线,充分反应了节理的分布特征,为节理的统计分析、分期配套提供了很好的手段。楔形体稳定计算中,首次采用向量