节理岩石边坡的抗冲击分析

节理岩石边坡的抗冲击分析
1概述
天然岩体在漫长的地质历史作用过程中，形成了大小不等、方向各异的节理或结构面。

由于岩体承受了这些不同时期、不同性质的节理裂隙的切割，使得岩体成为非均质体，其展现出来的力学特性应该是各向异性的。

工程实际中，由于岩体各向异性特性认识的复杂性，加之我们对岩体力学的研究还不够深入，一般是按均质体来考虑的，基本没有考虑到岩体的各向异性力学特性，但是，在实际的岩石边坡中，节理岩石随处可见，节理对边坡稳定性的研究非常有必要，而且由于节理的发育，经常会发生崩塌落石，这些落石对边坡的冲击荷载作用，在室内很难研究，因此，本文主要采用有限元的模拟方法，来分析节理岩石在落石作用下的稳定性问题
2 ANSYS/LS - DYNA的原理
LS-DYNA 是以显式为主、隐式为辅的通用非线性动力分析有限元程序，适合求解各种二维、三维非线性结构的高速碰撞、爆炸问题。

它以Lagrange 算法为主，兼有ALE 和Euler 算法；以显式求解为主，兼有隐式求解功能；以结构分析为主，兼有热分析、流体-结构耦合；以非线力分析为主，兼有静力分析。

有限元碰撞过程中运动方程可以表示为：
（1）
式中：[M]为质量矩阵；[C]为阻尼矩阵；[K]为高度矩阵；{a}为加速度向量；{v}为速度向量；{F}为包括碰撞力在内的外力向量。

崩塌落石的受力机理可以描述为：崩塌岩石与地面碰撞，产生冲击应力，当岩石撞击地面时，撞击产生的应力波为一维应力波，做这样的简化便于分析时，不考虑落石形状对崩塌体本身势能和动能的影响。

波动方程为：
式中：—岩石x方向的位移；—岩石的密度；E—岩石的弹性模
量。

应力波传播速度C 为：
由于节理岩体的岩体结构、赋存环境和作用因素的多样性，在节理岩石的边坡力学特性就显得十分复杂，在采用有限元模拟时，需要更多的裂隙模拟单元。

另外，考虑到已有崩塌土体，主要是落石的滚动运动对边坡的影响，岩体边坡在开挖条件下的安全防护问题也至为重要，以及在开挖时保证卸荷对节理岩体的影响最小化，同时考虑结果面的各向异性问题。

因此，需要掌握这些节理岩体边坡在开挖卸荷条件下，同时预防崩塌滑落的影响进行分析，尤其是节理岩体边坡的卸荷各向异性非线性力学特性的有限元模拟，困难较大，这里主要采用材料本身的非线性特点进行模拟研究，为岩体边坡的开挖和落石冲击下岩体稳定性研究提供更多的参考价值，也是解决工程实际问题的有效途径。

3节理边坡冲击模型
本模型运用ANSYS有限元的LS-DYNA模块进行非线性结构冲击动力学三维仿真分析，节理岩石坡体在表1的力学参数下分析结果如下图（图1～图2）所示，数据提取结果如表2所示。

结语
通过本文可知，对于节理岩体，尤其是节理岩体边坡在发生崩塌落石的情况下，边坡的稳定性将会受到影响，在边坡的岩石物理参数不变假定条件下，边坡的应力及位移的变化随落石的体积和重量以及加速度决定。

要有效的防止落石对路基的破坏作用，可以采取绿化，种草，加强多种植被，另外，探讨节理岩体各向异性力学模型，是一个很有价值的研究方向。