一种基于位移场分析的临界滑动面确定方法研究

安全系数的计算和临界滑动面的确定是边坡稳定性分析的两个组成部分,强度折减法可以得到合理的安全系数,但却不能准确刻画临界滑动面的位置。基于对滑动现象的认识,提出了一种基于位移场分析的临界滑动面确定方法,认为当边坡处于临界状态时,其潜在滑动面附近的位移等值线最为密集,潜在滑动面上的点往往是在深度方向上沿垂直滑面的位移变化率达到最大值的位置。将本文方法与Spencer法、岩质边坡模型试验进行了对比,验证了该方法在曲线和折线滑动面搜索方面的适用性和可靠性。同时,探讨了单元形状、疏密程度、离散点间距等因素对滑动面的影响。     

基于整体稳定性分析法的边坡临界滑动面搜索

临界滑动面搜索是边坡稳定分析中很重要的内容,针对现有方法的不足,提出了一种新的搜索方法。基于边坡稳定性的整体分析法,建立了确定临界滑面的非线性优化模型。该模型将滑面离散点的纵坐标和安全系数都视为独立变量,目标函数取为安全系数本身,约束条件是平衡方程组和滑面凸性。由于目标函数是线性函数,约束条件至多是二次多项式,非线性程度较低,可采用经典优化算法和常见的非线性优化工具求解,比如Matlab。通过实例分析并与传统的滑面搜索方法进行对比表明,所建议的方法在数值稳定性及收敛性方面均具有优势。     

降雨过程中边坡临界滑动场

降雨入渗过程中孔隙水压力的升高与基质吸力的降低引起边坡稳定性的下降,是导致边坡滑塌的主要诱导因素。利用饱和-非饱和渗流有限元计算得到的孔隙水压力场,基于Fredlund提出的非饱和土抗剪强度理论,对边坡临界滑动场进行改进,提出可以考虑降雨过程的边坡临界滑动场数值模拟方法,能够方便、快速地计算出边坡局部、整体安全系数和相对应的临界滑动面在降雨过程中的变化历程。将该法用于一个典型均质边坡和一个非均质边坡在降雨过程中的稳定性计算,分析降雨持续时间、降雨强度和非饱和强度参数取值等因素对边坡稳定性的影响,并将计算结果与其他方法进行比较,结果表明临界滑动场方法能搜索任意形状最危险滑面,计算的安全系数合理。     

An improved search strategy for the critical slip surface using finite element stress fields

The finite element method can be used to advantage in slope stability problems. This paper proposes a technique to search for the critical slip surface as well as to define and calculate the factor of safety for the slope, when the finite element method is used to model its formation. First, stresses are estimated at each Gaussian point from the finite element analysis. Then, the global stress smoothing method is applied to get a continuous stress field. Based on this stress field, the factor of safety is calculated for a specified slip surface by a stress integration scheme. An improved search strategy is proposed for a noncircular critical surface which starts with a search method for a circular critical surface. During the search process, points defining a trial slip surface can freely move in the finite element mesh subject to some kinematical constraints. This method can be applied to both the limit equilibrium method and the finite element method. Effects of the slope stress history and soil parameters on the resulting critical surface are investigated.     

Determination of the critical slip surface in slope stability computations

The analysis of the stability of slopes using limiting equilibrium considerations necessitates the determination of the critical slip surface which yields the minimal factor of safety. The numerous methods currently available for slope stability analysis provide a procedure for assigning a factor of safety to a given slip surface, but do not consider the problem of identifying the critical conditions. This paper presents an effective minimization procedure based on dynamic programming by which the minimal factor of safety, and the corresponding surface, are determined simultaneously. This procedure SSDP (Slope Stability by Dynamic Programming), couples the minimization scheme with Spencer's method of slope stability analysis. It may be applied to slopes of any geometry, layering, pore pressure and external load distributions. No arbitrary restrictions are placed on the shape of the slip surfaces, and the analysis satisfies all equilibrium equations. Application of the procedure to slope stability problems reported in the literature shows that for a given slip surface the procedure yields factors of safety which are almost identical to those reported, but in every case a more critical slip surface, with a lower factor of safety, may be found.     

基于矢量和分析方法的边坡滑面搜索

基于力是矢量这个基本概念,给出了边坡矢量和法安全系数的矢量表达式。在边坡荷载已知的情况下,运用有限元法计算得到边坡真实的应力分布状态,使用矢量和法安全系数并采用优化算法中的直接法搜索边坡的临界滑面。计算结果表明,使用矢量和分析法搜索得到的临界滑面位置与极限平衡法得到的滑面位置基本吻合,且安全系数相对误差最大为2.09 %,验证了该方法在边坡稳定分析中的合理性与可靠性。矢量和分析方法与基于强度储备安全系数的分析方法不同,具有明确的物理和力学意义,且不需引入过多假设,公式简洁,易于进行三维边坡稳定分析,不需进行迭代计算,可在工程实际中得到广泛的运用。     

简化Bishop法的扩展及其在非圆弧滑面中的应用

在众多边坡稳定分析方法中，经典简化Bishop法的应用最为广泛，但此法只能求解圆弧滑面的安全系数。笔者提出了扩展简化Bishop法，它不仅保留了经典简化Bishop法精度高、易使用等优点，且能够计算非圆弧滑面的安全系数，是较为实用的边坡稳定分析方法。     

基于数值应力场的边坡临界滑动场

数值分析方法（有限元、有限差分等）可计算边坡应力、变形和破坏,但直接计算边坡安全系数比较困难;而极限平衡法需对边坡体内力作出假设,计算精度受到限制。利用数值分析方法计算得到的应力场,重新定义推力最大原理中推力的含义,将常规边坡临界滑动场数值模拟方法作进一步的改进,提出基于数值应力场的边坡临界滑动场方法。该方法可充分发挥两大方法的优势,能够准确、方便地搜索出边坡临界滑动面位置,并给出更合理的边坡安全系数。通过两个算例的稳定性分析,并与其他方法进行比较,验证了该方法的准确性和合理性。     

基于局部强度折减法的边坡多滑面分析方法及应用研究

边坡最危险滑动面的搜索方法一直是研究的热点,但边坡内部次级滑动面也可能不满足安全设计要求,因此,考虑边坡多条滑动面的分析方法亦应得到关注。在传统强度折减法中,对边坡整个区域的抗剪强度参数进行折减,此方法仅可得到一个临界滑动面和最小安全系数。提出了一种基于局部强度折减法的多滑面分析方法,即首先定义单元安全系数的概念,并且计算边坡每个单元的安全系数,然后自动搜索出单元安全系数处于不同范围内的单元集合,对各个单元集合的强度参数进行折减计算,即可得到不同安全系数对应的滑动面。通过单台阶和双台阶边坡算例验证了该方法的可行性,结果表明,随着安全系数的增大,潜在滑面的深度和潜在滑动区域亦增大。最后把该方法应用到某隧道进口仰坡的稳定性评价中, 通过该方法得到的多级滑动面与现场监测数据吻合较好。     

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。     

基于最小势能法的三维临界滑裂面搜索方法

为了得到三维边坡的临界滑裂面,提出了6个参数控制的三维滑裂面构造方法,基于边坡三维最小势能稳定性分析方法建立目标函数,采用遗传算法实现了临界滑裂面的搜索,并开发了相应的搜索程序。为检验文中搜索方法的合理性,将其与其他方法得到的临界滑裂面以及最小安全系数进行比较,并且将室内模型试验得到的临界滑面与理论搜索的结果进行对比。研究表明：搜索方法可实现稳步收敛;针对算例进行多变量同时变化的搜索验算,得到了与极限平衡法较为接近的结果,表明提出的搜索方法是合理的;理论计算结果与室内模型试验坡面加载得到的边坡临界滑面较为接近,再次验证三维边坡临界滑面搜索方法是可行的。     

强降雨条件下具有张裂缝边坡临界滑动场

降雨持时较长且雨强较大时,雨水的入渗不仅会增大孔隙水压力,且易使张裂缝充水形成静水压力,对边坡稳定不利。结合降雨条件下饱和-非饱和渗流分析,考虑降雨过程中的瞬态孔隙水压力场与瞬态强度场,并同时考虑张裂缝充水时的静水压力,对边坡临界滑动场法进行改进,提出降雨条件下具有张裂缝边坡临界滑动场数值模拟方法,且对其进行了验证。将该方法用于一个典型均质黏土边坡算例,结果表明,（1）文中方法可考虑张裂缝具体位置、深度及其充水状态下对边坡稳定性的影响,并能搜索出任意形状危险滑面,计算结果合理可靠;（2）降雨条件下张裂缝中静水压力对边坡稳定性及滑面形状有较大影响;（3）降雨条件下张裂缝位置对边坡稳定有较大影响,距坡肩越近,张裂缝对边坡稳定性影响越大;（4）张裂缝处在最不利位置且充水时存在一个最不利深度。     

水位变化过程中边坡临界滑动场

库水位升降过程中,会引起边坡体内孔隙水压力分布的变化,对边坡的稳定性产生影响。对边坡临界滑动场进行改进,提出了可以考虑水位变化过程的边坡临界滑动场数值模拟方法,方便、快速地计算出边坡局部、整体安全系数在水位变化过程中的变化历程。通过对一个典型边坡在水位上升和下降过程中的稳定性分析,并和其他方法进行比较分析,结果表明,临界滑动场方法能搜索任意形状的最危险滑面,计算的安全系数是合理的。     

禁忌搜索在边坡稳定分析中的应用

在禁忌搜索和极限平衡分析的基础上,提出了全局确定边坡最小安全系数的禁忌搜索方法,并建立了响应的模型;该方法是一种启发式的全局搜索方法,可以搜索出全局最小安全系数,同时还能确定出与之对应的最危险滑动面。将该方法应用于不同几何形状和土层信息的边坡稳定分析中,结果表明,提出的方法能够避免局部最小解,并能搜索到全局最小安全系数。     

基于滑面段旋转的Monte Carlo搜索技术及改进(Ⅰ):转角大小随机

对Abdallah I．Husein等人提出的Monte Carlo搜索技术进行了改进；（1）增加了若干条几何合理性条件；（2）增加了防止节点重合的机制；（3）通过确定滑面段旋转角的上、下限，使其能够适用于上凸型滑面；（4）增加了节点数调整机制，以使搜索到的临界滑面更光滑。算例分析表明，改进后的算法不但保持了原方法的优点，而且更实用，临界滑面的自动搜索变得更为可靠与稳定，并将此算法纳入到自主研发的ZSlope边坡稳定分析软件中。     

A Simple Monte Carlo Method for Locating the Three-dimensional Critical Slip Surface of a Slope

Based on the assumption of the plain-strain problem, various optimization or random search methods have been developed for locating the critical slip surfaces in slope-stability analysis, but none of such methods is applicable to the 3D case. In this paper, a simple Monte Carlo random simulation method is proposed to identify the 3D critical slip surface. Assuming the initial slip to be the lower part of a slip ellipsoid, the 3D critical slip surface is located by means of a minimized 3D safety factor. A column-based 3D slope stability analysis model is used to calculate this factor. In this study, some practical cases of known minimum safety factors and critical slip surfaces in 2D analysis are extended to 3D slope problems to locate the critical slip surfaces. Compared with the 2D result, the resulting 3D critical slip surface has no apparent difference in terms of only cross section, but the associated 3D safety factor is definitely higher.     

基于聚类分析的边坡稳定性研究

在边坡稳定性分析中,滑面搜索方法对于得到边坡的稳定性系数至关重要。现今两种常用的边坡稳定性分析方法,极限平衡法以及强度折减法,可以得到极限应力状态下边坡的潜在滑面。而为了评价边坡在当前应力场下的稳定性,提出一种基于聚类分析概念的滑面搜索方法。这种方法综合考虑了边坡各点的位移以及点安全系数,采用K均值聚类法将具有相近性质的点进行分类,把边坡体分为潜在危险区以及稳定区。潜在危险区的边界即为边坡在当前应力状态下的潜在滑面,并运用矢量和方法计算得到其稳定性系数。采用上述方法对3个算例进行验算,并与极限平衡法以及强度折减法进行对比。结果表明：（1）基于聚类分析的边坡稳定性评价方法具有较好的合理性和可靠性;（2）当边坡处于临界状态附近,通过聚类分析得到的潜在滑面与其他两种方法得到的滑面基本一致;当边坡处于较稳定状态时,当前应力状态下的潜在滑面要比强度折减法得到的滑动带范围要更深更广,但求出的稳定性系数也较高;当存在软弱夹层时,矢量和计算出的滑面更为陡峻,稳定性系数比其他两种方法的结果要小。     

蚁群算法与遗传算法融合及其在边坡临界滑动面搜索中的应用

临界滑动面搜索是边坡稳定性分析中一项非常重要的内容。相对于圆弧滑动面的确定,只需要圆心和半径3个未知量,非圆弧滑面的确定则需要找出若干个控制点,是一个多维空间的优化问题。非圆弧滑动面优化搜索问题相当复杂,常规优化算法往往达不到要求。改进了蚁群算法,使其具备在连续空间的搜索能力,并与遗传算法融合,形成优势互补,克服了遗传算法的无反馈能力导致无用的冗余迭代、求解效率低以及蚁群算法初期信息素匮乏导致算法速度慢的不足。通过与商用软件GEO-SLOPE的算例求解结果对比,来说明本算法的有效性。     

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。     

Seismic stability analysis of a layered rock slope

In general, the determination of the factor of safety and the location of the critical slip surface are two major challenges in seismic slope stability analysis. In this paper, a new approach for determining the factor of safety and the corresponding critical slip surface of a layered rock slope subjected to seismic excitations is presented, through a case study based on the combination of the shear strength reduction technique and distinct element method. According to this proposed method, the seismic factor of safety and the critical slip surface of the slope are estimated and compared with those obtained by the pseudo-static approach, combined with the limit equilibrium method. It is found that the factor of safety obtained from the proposed method is slightly greater than that computed by the pseudo-static analysis, with a difference of 4.2%, and that the critical slip surface obtained from the two methods is identical, which confirms the reasonability and feasibility of the proposed method.