边坡稳定分析的非线性有限元混合解法

在对有限元强度折减法和有限元迭代解法的优缺点分析的基础上,提出了边坡稳定分析的非线性有限元混合解法,该法将有限元强度折减法和有限元迭代解法联合运用于边坡稳定分析,充分利用了两种方法的优点。即由有限元强度折减法搜索边坡可能滑动面,将可能滑动面在网格中画出,由迭代解法逐步迭代求得其滑动面的安全系数。并以算例和工程实例说明了此种方法的正确性和合理性。     

边坡稳定分析刚体有限元上限法的锥规划模型

极限分析方法是土边坡稳定性分析的重要方法之一。刚体有限元上限法是其中的一类,此类方法仍旧存在一些关键问题需要完善。由于单元的刚性假设,系统的塑性变形内能耗散仅发生在单元间的界面上,故此类方法的性能主要取决于界面的布局,即采用非结构化三角形单元计算往往精度较差。为此,提出了基于滑动面摄动的刚体有限元上限法及临界滑动面的搜索方法。首先,在考虑刚体转动的基础上构造刚体有限元上限法的二阶锥规划模型,用于确定在给定试滑动面条件下的运动许可速度场。其次,将试滑动面的控制参数视为决策变量,建立搜索临界滑动面的非线性非凸优化问题模型,并采用非线性单纯形方法和粒子群方法求解此优化问题找出临界滑动面。通过经典边坡稳定问题的分析求解,验证了所提出的新方法,进一步证实了网格类型（即界面的布局）是影响刚体有限元上限法计算精度的主要因素。经过计算结果的对比发现,在刚体有限元上限法中考虑刚体转动是非常必要的,不仅可以提高刚体有限元上限法的计算精度,还可以克服此方法对界面布局的依赖性。     

基于多重网格法的边坡稳定分析

边坡稳定分析的刚体极限平衡法不能很好反映岩体中实际的应力分布,而基于有限元的边坡稳定分析方法很难得到一个明确的滑动安全系数.为了解决这些问题,采用多重网格法,分别建立用于有限元计算的结构网格和用于计算滑面稳定安全系数的滑面网格,可以方便地获得任意滑面或滑块的稳定安全系数,从而将非线性有限元方法和极限平衡分析结合起来,充分考虑了变形和岩体弹塑性应力调整对边坡稳定的影响.将该算法集成到三维非线性有限元程序TFINE中,在分析网格密度对结果精度的影响的基础上,应用于锦屏高边坡的稳定分析中.结果表明,该方法是一种有效的边坡稳定分析方法,更符合实际情况.     

基于GRASS GIS与TIN滑动面的边坡三维极限平衡方法研究

基于开源地理信息系统(GRASS GIS),建立三维极限平衡Hovland模型,研究了边坡稳定性计算方法。采用空间平面投影方法对椭球滑动面中各组成单元面积计算方法进行改进,提高了计算效率。考虑边坡主滑方向与各单元倾向之间的关系,给出了能反映正负变化的滑动面各单元安全系数表达式。通过引入约束Delaunay三角形剖分方法与网格优化算法来生成滑面不规则三角形格网(简称TIN)模型,弥补了Grid模型在滑动面边界准确表达方面的不足。相比Grid模型,在相同网格分辨率条件下,TIN滑动面获得的边坡整体安全系数更加接近正确解,能够有效提升计算精度。通过考题与工程实例,对所提方法与程序模块的正确性进行了验证。结果表明,通过分析滑动面上各单元的安全系数,可以进一步划分不稳定区域与阻滑区,能够为滑坡治理措施的制定提供重要参考。     

三维边坡稳定分析的有限元弹塑性迭代解法

针对已知滑动面的三维边坡稳定分析问题,在塑性力学上限定理的基础上,提出了求解安全系数的三维有限元弹塑性迭代解法。对于滑动面的非线性特性,采用常规的矩形（平面）或立方体（空间）单元来描述,应力则符合相关联流动法则的Mohr-Coulomb强度准则。通过对弹塑性增量理论中流动法则的分析,证明了当结构达到极限状态时,滑动面内切向应力的方向与滑体的主滑方向一致,说明最终以滑动面内的切向应力作为滑体滑动力的有效性。通过迭代的方式,逐步降低滑动面材料的抗剪参数,使边坡达到极限状态,不仅快速求得了滑动面的安全系数,且能够得到边坡在接近临界失稳状态时滑动面内切向应力的分布情况和边坡的变形规律,为边坡采取加固措施提供了参考依据。最后,以椭球面滑动和楔形滑动2个经典算例和工程实例,验证了该方法的有效性和正确性。     

边坡稳定强度折减有限元分析中的若干问题讨论

强度折减有限元法在边坡稳定性分析中得到了广泛应用,但仍存在一些问题未能很好地解决。首先探讨了不同单元类型对边坡稳定安全系数计算精度的影响,指出采用三角形二阶单元,能够较好地模拟土坡的渐近破坏过程,且相对网格大小控制在0.1～0.15之间时能获得较精确的解;其次讨论了边坡失稳的4个判据问题,指出在合理网格大小区间内,有限元强度折减至土坡破坏时,先后出现塑性区贯通、等效塑性应变带贯通、位移陡增与数值计算不收敛等4种表征,以此分别作为边坡失稳判据,所得到的安全系数具有较好的一致性;最后讨论了边坡破坏时滑动面深浅、滑出点位置与坡体材料的黏聚力、内摩擦角及坡角间的关系,指出黏聚力越大、内摩擦角越小或坡度越小,滑动面越深,且滑出点越远离坡脚。     

边坡稳定极限分析的单元集成法

提出的单元集成法为采用塑性力学上限定理分析边坡的稳定性提供了一种通用性较强的手段。它采用类似于有限元网格划分的方式离散边坡计算区域,并设定一个机动许可的滑动机构（包括滑裂面位置和速度场,它与网格划分方式无关）,在此滑动机构下可以很方便地计算每个单元贡献的外力功率和内能耗散率。把所有单元的能量相加就是滑坡体的总能量。然后,根据上限定理求得安全系数,并通过非线性数学规划方法找到最小值。对于直线滑裂面或对数螺旋滑裂面的单滑块机制,几个典型算例说明了该方法的有效性。     

填筑和开挖边坡的稳定性分析

在有限元应力应变分析的基础上,采用以剪应力定义的安全系数和模式搜索的方法确定边坡的安全系数及最危险滑动面。在平面应变条件下,对土层均质的填筑和开挖边坡的稳定性进行了较为全面的研究,并同天然边坡的安全系数和破坏面进行比较,计算结果表明,这3类边坡滑动面的形状基本一致,天然边坡安全系数要高于填筑和开挖边坡;同时比较了采用有限元稳定评价方法和采用极限平衡方法计算结果的差别;最后分析研究了计算参数变化对填筑和开挖边坡稳定性的影响。     

圆弧滑动有限元土坡稳定分析

提出一种基于有限元应力变形计算的边坡稳定分析方法,仍假定滑动面形状为圆弧形,有限元网格由一组同心圆作为纬线,一组竖向线为经线构成。对两相邻圆弧线所夹的弧形带分析滑动力和抗滑力,建立平衡方程,确定安全系数,其中小值安全系数对应的弧形带为可能的滑动带。变化圆心位置用优选方法寻找最小安全系数对应的圆心,从而得出真正的滑动面。算例分析表明,该方法计算所得安全系数与Bishop法接近,是合理的,其突出优点是由有限元计算直接得出滑面上的应力,而不须作近似的插值处理,因而应力更准确。该方法可以考虑土的非线性变形特性,也更符合土的实际情况。此外,用有限元计算得出位移,亦可将稳定分析和变形联系起来,为现场通过位移监测来估计边坡的稳定性提供了可能性,同时也为膨胀土边坡的稳定分析中考虑膨胀性的影响提供了可能性。     

基于三维多重网格法的抗滑稳定计算精度分析

在以有限元法来分析评价坝基、边坡的稳定安全度时,多重网格法将有限元分析网格和滑移块体的滑面网格作为独立的两套网格,滑面网格可随意切割有限元单元。这样一套有限元网格和一套应力成果就可以进行任意的滑块稳定分析。着重分析了多重网格法的精度。针对三维柱体和锦屏高边坡,研究两套网格如何匹配以提高计算精度进行处理,初步得出了一些有关多重网格法计算精度的知识。最后,应用基于多重网格法的第2类方法分析了锦屏左坝肩高边坡的稳定性问题。     

基于强度折减法的韩城煤矿边坡稳定性分析

将有限元强度折减理论应用于边坡稳定性分析中,运用ANSYS大型有限元分析软件,基于Drucker-Prager（D-P）屈服准则,采用力和位移的收敛标准作为破坏判据,进行边坡的稳定性分析。当折减系数达到某一数值时,非线性有限元静力计算将不收敛,滑面上的位移将产生突变,边坡内一定幅值的广义剪应变自坡底向坡顶贯通,此时认为边坡已破坏,并定义此时的折减系数即为稳定系数。文中以韩城煤矿节理岩质边坡为例,运用该方法进行了稳定性分析并与并与传统的Bishop法、Janbu法等方法对比。计算结果表明,有限元强度折减法能更加真实地反映边坡的实际情况,求得的边坡稳定系数更接近边坡的实际稳定状态,显示出其在边坡稳定性分析中的一定优势。     

边坡危险滑动面及稳定安全系数的力学解析方法

为了分析边坡的稳定性,提出了一种基于极限平衡理论的分析方法。假定坡体为只受重力作用的弹性体,通过弹性力学解析解求得应力分布,将滑动面用分段二次多项式函数表示,当分段间隔足够小时,这种表示方式可以描述任意曲面形状,根据坡体滑面所满足的Mohr-Coulomb准则,定义边坡稳定安全系数,其为多项式系数的函数。通过混和罚函数优化方法可以求出最危险滑动面对应的多项式系数,获得边坡的稳定安全系数,从而判定边坡的稳定性。所提出的方法与以往方法不同,不用将滑体划分成垂直条块,不用假定滑面上的法向应力分布形式,而直接利用已有的坡体弹性应力解。算例表明:本文方法所得到的结果与简化Bishop法和有限元强度折减法获得的结果非常接近,且基本介于有限元法和简化Bishop法之间。     

顺层路堑边坡锚杆支护稳定性的有限元模拟分析

基于理想弹塑性本构模型和Drucker-Prager准则,运用ANSYS软件和有限元数值模拟技术,建立了顺层岩体边坡的有限元分析模型。结合沪蓉国道主干线宜昌至恩施公路白氏坪-榔坪段顺层路堑高边坡工程实例,对顺层岩体路堑边坡布设锚杆支护前后的应力、变形和稳定性进行了模拟分析。分析比较表明,锚杆支护结构可以减小边坡临界状态下的最大位移、增大最危险接触面的摩擦力和提高边坡的稳定性系数,从而能有效地提高边坡的稳定性以防止顺层滑坡的发生。     

工程荷载作用下缓倾角反倾似层状岩质边坡变形稳定性分析

在反倾层状边坡的破坏机制和稳定性分析方面,由于其稳定性一般较好,系统深入地研究其破坏机制和稳定性的反而不多。以火山岩地层多次火山喷发旋回形成的缓倾角反倾似层状岩质边坡为研究对象,利用有限元分析其位移矢量图,揭示边坡的变形破坏机制和稳定性控制要素,利用极限平衡法、矢量和法,评价其稳定性,利用强度折减法分析塑性区的扩展规律,揭示滑动面发展的时间空间规律,结果表明,（1）类似层状反倾岩质边坡的潜在破坏模式为剪切–张拉破坏,滑面形态表现为近似折线状：顺坡向穿过凝灰岩夹层和强风化岩体,后缘通过陡倾结构面;（2）极限平衡法、矢量和法的边坡稳定性综合评价表明边坡浅层稳定性不满足工程稳定性要求,深层稳定性满足工程稳定性要求,且三维矢量和安全系数大于二维结果,是三维效应造成;（3）塑性区扩展揭示滑面的空间发展序列为滑面4、5、3。文中的技术路线和分析方案可用于缓倾角反倾层状岩质边坡稳定性评价。     

基于强度折减法的三维边坡稳定性与破坏机制

基于强度折减技术的三维弹塑性有限元法是当前较为有效的边坡稳定性评价方法,但很少应用于复杂地质环境及负载条件下的三维边坡稳定性与破坏机制分析。拓展这一方法,利用典型算例,探讨了单元尺寸、边界条件、土体强度、局部超载和地震荷载等因素对三维边坡稳定性及潜在滑动面的影响;在此基础上,着重研究含软弱夹层及地下水的复杂三维边坡在负载条件（坡顶局部超载及地震荷载）下的破坏模式及滑动机制。结果表明：随着黏聚力的增加,潜在滑坡体的剪出位置远离坡脚,滑坡后沿远离坡肩,滑坡深度加深;坡顶超载强度较低时,边坡表现为整体破坏模式,而高超载强度下表现为局部地基破坏;考虑地下水后边坡的稳定性显著下降,且潜在滑动面加深,滑坡体体积有所增大。含软弱夹层的三维边坡,其潜在滑动面呈折线型,当受超载作用时,其破坏模式和滑动机制与地震荷载作用下不同:前者为竖向剪切和水平错动的联合作用,而后者为软弱夹层水平错动起主导作用。     

某边坡变形破坏机理的数值分析

某花岗岩矿岩土体主要有填土、粉质粘土、淤泥及淤泥质土、含泥中粗砂、粘土、残积砂质粘土,其下为花岗岩基岩。边坡最大高度75m,其中残积土层以上的土质边坡高度约50m。本文运用有限元强度折减法对该边坡的稳定性进行了研究,得出了潜在的破坏模式及各个滑动部分的安全系数。分析结果表明,本边坡存在3个潜在滑动面,其中两个为浅层滑动面,另一个为深层滑动面。两个浅层滑动面的稳定系数在1.13～1.17,处于临界状态。深层滑动面稳定性系数在1.29,目前尚处在相对稳定状态。根据分析结果,提出了如下加固措施:（1）对滑坡体进行削坡处理;（2）在其滑动面下方设置抗滑台阶;（3）采用预应力锚索框架梁结合肋柱进行加固处理。     

高边坡稳定性案例分析及支护结构优化设计

根据碾子沟煤矿土质高边坡再次失稳的情况,结合现场勘察资料,对滑坡失稳原因进行了分析。运用ABAQUS有限元分析软件并采用抗剪强度折减系数法进行了数值计算,得出了土体在饱和状态下的安全系数及滑动面等参数,并分析了滑坡潜在的破坏过程。根据相关规范规定,运用折线滑动面及传递系数法隐式解的概念对滑体下滑力进行了计算,为优化设计提供依据。通过优化支护结构设计,减少了降雨对边坡的不利影响,遏制了滑坡变形。     

边坡岩体滑动稳定的动力学分析

在地震或爆破等强烈振动影响下边坡岩体往往产生块体滑动。这种失稳的动力学特性迄今尚未获得应有的研究。 在大部分现有的文献中都采用惯性力原理,将动力问题化为静力问题解决。这种常规的准动态分析,只考虑最大振动加速度,使问题过于简化而偏于保守。少数文献中探讨了动力问题,但也未考虑动荷载的全波形,所以未能解决块体滑动的真正的动力学问题。