基于分项系数法的重力坝深层抗滑稳定分析

针对基于有限元法的重力坝深层抗滑稳定分析问题,根据工程实际中软弱结构面上的抗剪断摩擦系数和凝聚力变异性不同的特点,在计算中引入滑动面上抗剪断强度参数的分项系数,提出了一种新的应用于重力坝抗滑稳定的有限元计算方法--分项系数有限元法。该方法基于可靠度思想,以达到用极限承载状态时的强度储备系数或超载系数来表征大坝安全度。在已有研究成果的基础上,从坝基渐进破坏过程和破坏机理的角度进一步探讨了非线性有限元法应用于深层抗滑分析应注意的几个关键问题,以及基于分项系数法的深层抗滑稳定分析的安全系数控制标准。研究结果表明,滑动面上的应力分布性态和坝基岩体变形特性对抗滑稳定安全系数有重要影响。与常规刚体极限平衡方法的控制标准相比,分项系数有限元方法可以采用偏低一点的安全系数标准。     

基于离散元的重力坝多滑面深层抗滑稳定分析

重力坝的深层抗滑稳定分析多采用刚体极限平衡法和非线性有限元法,但刚体极限平衡法不能反映坝基岩体渐进失稳过程和破坏的力学机制,非线性有限元法模拟岩体不连续效率低,且还未有统一的失稳判据。基于离散块体边界应力计算结果,提出重力坝坝基多滑面抗滑稳定安全系数计算公式,并探讨了以坝体-坝基系统能量突变作为坝基失稳判据的物理意义。通过与非线性有限单元法、刚体极限平衡法计算结果的比较,验证了所提方法及判据的可靠性及合理性。结合向家坝水电站重力坝泄12#坝段进行计算分析,结果表明：基于离散元强度储备系数法搜索的坝基失稳通道由坝基岩体屈服区和结构面滑移带组成,所提计算方法与判据适用于实际工程的坝基深层抗滑稳定计算分析,且计算结果偏安全。     

用强度折减方法分析重力坝深层抗滑稳定性

目前,对重力坝深层抗滑稳定的分析方法尚无统一和明确的规定。强度折减方法在求解安全系数方面具有不用指定滑面、自动搜索滑裂面等优点。本文基于FLAC软件,采用强度折减方法对分属三种典型地质条件的多个算例进行分析。分析结果表明,无论采用相关联还是非相关联流动法则,采用强度折减方法得到的安全系数与Morgenstern-Price方法求解的安全系数都相差较小,误差小于5%,且采用相关联流动法则时得到的安全系数误差更是小于3.5%。根据在破坏时坝基塑性区的分布,提出了确定滑裂面的方法,该方法确定的滑裂面与M-P方法搜索到的滑裂面有很好的一致性。本文通过多个算例的分析证明基于FLAC软件的强度折减方法是一种可靠、有效的方法,可以应用于分析重力坝深层抗滑稳定性。通过对向家坝水电站泄12坝段的深层抗滑稳定分析表明该方法可以应用到重力坝深层抗滑稳定的工程分析中。     

基于界面元法的向家坝重力坝深层抗滑稳定分析

重力坝的深层抗滑稳定分析多采用刚体极限平衡分析方法和非线性有限元法,但通常的刚体极限平衡法不能反映坝基岩体渐近失稳过程和破坏的力学机制,非线性有限元法则难以解决坝基中软弱结构面位移不连续问题。结合向家坝工程,建立了泄④坝段的计算模型,采用界面元法进行了大坝深层抗滑稳定分析,给出了坝基中破坏区的范围和分布,以及坝基的渐进破坏过程和可能滑体的抗滑稳定安全系数等成果,为坝基处理措施提供了重要的技术参考依据。研究结果表明,所建立的分析方法可以自然描述坝基岩体各种介质的错动、张开和滑移等不连续变形的特征,可用于重力坝坝基的深层抗滑稳定 分析。     

基于三维非线性有限元的边坡稳定分析方法

刚体极限平衡法不能反映岩体中实际的应力分布,而基于有限元的强度折减系数法在判断收敛性方面存在一些问题。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和极限平衡分析结合起来。为了提高计算规模和计算精度,采用有限元并行计算程序TFINE.Pfem进行计算,分析了网格密度对计算结果精度的影响,并应用于锦屏高边坡的稳定分析中。与刚体极限平衡法结果的对比分析表明,由于考虑了计算过程中的非线性应力调整,该方法的计算结果比刚体极限平衡法偏大,而且更符合实际情况。     

基坑抗隆起稳定安全系数的算法对比分析

基坑隆起变形破坏是一种常见的基坑失稳形式。基坑隆起变形量监测存在一定困难,基坑坑底抗隆起稳定性分析主要是计算安全系数。目前基坑抗隆起稳定安全系数计算方法主要有极限平衡、极限分析和强度折减等方法。结合工程算例,采用上述3种算法进行基坑抗隆起稳定安全系数计算,对比分析了各种计算方法的适用性。结果表明,极限平衡传统算法忽略的工程因素较多,计算结果过于保守,通过修正可以提高适用性。极限分析与强度折减的计算结果较为准确,但极限分析的破坏模式和强度折减中基坑稳定临界状态容许隆起量仍需进一步研究。     

有限元强度折减系数法在北门沟坡滑坡稳定性评价中的应用

利用有限元强度折减系数法求得的滑坡安全稳定性系数进行北门沟滑坡稳定性评价。通过强度折减,当滑坡达到不稳定状态时,有限元计算不再收敛,此时的折减系数就是滑坡的安全稳定性系数。经计算,可以得到滑坡体破坏形式和破坏扩张趋势,有助于对滑体破坏机制的理解。计算表明,有限元强度折减法与传统刚体极限平衡法计算的稳定性系数很接近,这为滑坡稳定性评价提供了另一条途径。     

考虑非均质各向异性效应的阻滑桩加固土坡稳定性分析

基于极限分析上限定理与土的抗剪强度折减系数概念,考虑土的强度分布的非均质性与各向异性, 建立了土坡的极限平衡状态方程,由此确定土坡的稳定安全系数及其相应的潜在破坏模式。对于在给定的荷载条件下不能满足抗滑稳定性要求的土坡,考虑采用阻滑桩加固方式,根据桩侧有效土压力的合理分布模式确定桩体与滑动面相交的截面上等效抗滑力和抗滑力矩,考虑土的强度非均质性与各向异性的条件,利用极限分析上限定理建立阻滑桩加固土坡的极限平衡状态方程,将桩侧土压力作为目标函数,运用数学规划方法确定极限平衡状态时的临界桩侧有效土压力。通过大量的变动参数对比计算,探讨了土的强度的非均质性与各向异性等因素对阻滑桩桩侧极限抗力及最优加固位置的影响。     

应用变形分析研究重力坝深层抗滑稳定

坝基变形是引起坝基失稳的一个重要因素,但在研究坝基稳定性的过程中,坝基变形并未得到充分重视。关键点的合理选取是正确使用坝基变形特点研究坝基稳定性的前提,在对向家坝泄12坝段深层抗滑稳定进行非线性有限元分析时,对关键点的选取进行了有益的探索并提出了选取方法和关键部位的概念,即起主要抗滑作用的部位。通过研究各关键部位关键点的变形特点,根据关键部位在抗滑过程中的重要性并结合屈服区的发展,从不同的安全层面研究了重力坝深层抗滑稳定的安全度,并给出合理的处于极限状态的强度储备系数及其下限值,这种研究重力坝深层抗滑稳定的方法具有自己的特色。     

乌江沙陀水电站厂房坝段深层抗滑稳定分析

通过有限元强度折减法计算了乌江沙陀水电站厂房坝段的深层抗滑稳定安全系数,与基于遗传算法的最危险滑动面搜索方法进行了比较,结果表明,两种方法得到的安全系数是接近的,滑动面的位置也基本一致。     

考虑饱和-非饱和渗流的土坡极限分析

给出了均质土坝的下游坝坡的安全系数的计算方法。均质土坝的下游坝坡有可能会通过滑裂面发生破坏。土坝中的土坡通常处于非饱和状态。非饱和土坡的安全系数计算需要考虑吸力对抗剪强度的贡献以及土坡中的非饱和渗流。给出处于饱和-非饱和渗流状态下的土坡的安全系数,有助于评价均质土坝的安全系数。下游坝坡的安全系数计算方法有：极限平衡法、上限解法和下限解法,该算法适用于非饱和土坡,且是在饱和土坡安全系数的计算方法上修正得到的。算例中非饱和土坡安全系数的计算考虑了吸力对抗剪强度的贡献。考虑非饱和渗流理论的土坡安全系数计算方法通常更加接近现场实际情况,并且对于同一坝坡,考虑非饱和渗流计算出的土坡安全系数要比饱和渗流理论计算出的安全系数大。     

Modeling uncertainty in stability analysis for design of embankment dams on difficult foundations

A probabilistic 3-D slope stability analysis model (PTDSSAM) is developed to evaluate the stability of embankment dams and their foundations under conditions of staged construction taking into consideration uncertainty, spatial variabilities and correlations of shear strength parameters, as well as the uncertainties in pore water pressure. The model has the following capabilities: (1) conducting undrained shear strength analysis (USA) and effective stress analysis (ESA) slope stability analysis of staged construction, (2) incorporation of field monitored data of pore water pressure, and (3) incorporation of increase of undrained shear strength with depth, effective stress, and pore water pressure dissipation. The PTDSSAM model is incorporated in a computer program that can analyze slopes located in multilayered deposits, considering the total slope width.

The main outputs of the program are the geometric parameters of the most critical sliding surface (i.e., center of rotation/radius of rotation and critical width of failure), mean 2-D safety factor, mean 3-D safety factor, squared coefficient of variation of resisting moment, and the probability of slope failure. The program is applied to a case study, Karameh dam in Jordan. Monitored data of induced pore water pressure in the dam embankment and soft foundation were gathered during dam construction.

The stability of Karameh dam embankment and foundation was evaluated during staged construction using deterministic and probabilistic analysis. Foundation stability was evaluated based on the monitored data of pore water pressure.

The study showed that the mean values of the corrective factors which account for the discrepancies between the in situ and laboratory-measured values of soil properties and for the modeling errors have significant influence on the 2-D safety factor, 3-D safety factor, slope probability of failure, and on the expected failure width.

The degree of spatial correlation associated with shear strength parameters within a soil deposit also influences the probability of slope failure and the expected failure width. This correlation is quantified by scale of fluctuation. It is found that a larger scale of fluctuation gives an increase in the probability of slope failure and a reduction in the critical failure width.     

有限元强度折减法中边坡失稳位移突变判据的改进

采用有限元强度折减法分析边坡稳定性时,计算所得安全系数依赖于所采用的失稳评判标准。目前边坡失稳判据的多样性及其不确定性,使得计算所得安全系数的合理性及其唯一性受到了质疑,因此如何选择或改进一种既能满足工程需要又易于操作的失稳判定准则显得尤为重要。针对某一典型边坡算例分别按计算收敛性、特征部位位移突变性和塑性区贯通性等3 个失稳判据考查判据的合理性及其适用性,对比研究三维与二维数值所得边坡稳定安全系数的差异,然后对位移突变失稳判据进行了一种改进,通过绘制位移突变倍率(当前分析步位移与上一分析步位移之比)跟折减系数的关系曲线来确定边坡安全系数,并通过简化的实例模型证明了其适用性。     

基于ABAQUS的边坡稳定性强度折减有限元分析

以大型通用有限元分析软件ABAQUS作为平台,以迭代不收敛作为边坡失稳判据,通过二次开发建立了能够自动搜索安全系数与相应失稳机构的边坡稳定性强度折减弹塑性有限元计算模型,针对成层黏性土边坡、多级边坡等复杂情况进行了稳定性分析。并论证ABAQUS中所采用的Mohr-Coulomb破坏准则与传统的Mohr-Coulomb破坏准则的一致性。     

强度折减有限元法在昆明新机场高填方边坡稳定分析中的应用

介绍了碎石桩、强夯置换两种工程常用的山区高填方地基的处理方式。为了解不同地基处理方式下,山区机场高填方边坡的稳定性,采用强度折减有限元法及对比研究的手段对昆明新机场79-79?工程地质剖面处边坡的稳定性进行分析,而且将强度折减有限元与简化Bishop方法的计算结果进行对比。另外,对土体强度参数未折减时,不同地基处理方式下的边坡位移及剪应变也进行比较。结果表明：用碎石桩或强夯置换处理坡脚内地基的相对软弱土层,不仅能有效提高边坡安全系数,还能大幅度减小边坡的最大剪应变与最大位移;当边坡的最危险滑移面接近圆弧形时,强度折减有限元法与简化Bishop法计算所得安全系数与最危险滑移面均接近,且强度折减有限元法计算的安全系数略偏小,偏于安全;当中风化基岩上方覆盖土层深度大于强夯置换的有效处理深度时,用碎石桩处理原地基效果更优     

基于岩体抗压强度折减的边坡稳定性分析方法

在岩体边坡稳定性分析方法中,基于非线性Hoek-Brown准则的强度折减法,存在折减方案不统一或计算太复杂等问题。针对这一问题,提出了一种基于岩体抗压强度的广义Hoek-Brown准则强度折减法,比直接折减材料参数,更能体现强度衰减的物理意义。方案以岩体单轴抗压强度作为折减依据,对岩石单轴抗压强度s_ci和反映岩体结构特征的参数组合s^a（s、a 均为模型参数）进行同比折减,分析该方案下抗剪切强度和抗拉强度的折减比例,并基于平均抗剪强度定义安全系数。应用该方案,对两个经典边坡算例进行稳定性分析,将所得安全系数、临界滑动面与局部线性化强度折减法、极限平衡法进行对比。结果表明,对于两算例,本方法所得安全系数与其他两种方法结果接近,相对误差低于2%;在算例1中,本方法得到的临界滑动面位置与其他两种方法结果一致性很高;在算例2中,本方案滑动面位置更接近于局部线性化法,且能同时反映剪切和拉伸破坏。以上结果验证了本强度折减方案和安全系数定义法的可靠性和合理性。     

DDA程序二次开发及工程应用

在石根华先生DDA程序的基础上,中国水利水电科学研究院作了二次程序开发,实现了Windows用户界面,丰富了前后处理的功能,计算中也可以模拟边坡的开挖过程。介绍了程序的新功能、新特点以及程序在向家坝重力坝抗滑稳定性研究中的应用。     

基于结构面网络模拟的节理岩质边坡可靠性分析

在节理岩质边坡的稳定性分析中,往往很少考虑结构面的随机分布特征。结构面网络模拟能较好地模拟结构面的随机分布,因此,本文将结构面网络模拟应用于节理岩质边坡的稳定性分析中。首先,运用岩体结构面网络模拟技术,建立岩质边坡的结构面网络模型。然后,将模拟的结果与有限元强度折减法相结合求取边坡的安全系数。最后,对边坡进行一定次数的结构面网络模拟并得到对应的安全系数,进而进行节理岩质边坡的可靠性分析。工程实例结果表明:(1)节理岩质边坡的稳定性主要受坡面附近结构面的数量及切割组合关系影响,结构面的数量越多,连通情况越好,则边坡稳定性安全系数越小; (2)该边坡的平均稳定性安全系数为3.06,失效概率为5%,表明该边坡有较高的可靠性,这与实际情况比较一致。本文的分析方法主要考虑了结构面的随机分布特征,能为节理岩质边坡的稳定性分析提供一条新的思路和方法。