一种双折减系数的强度折减法研究

传统的强度折减法采用相同的折减系数对黏聚力和内摩擦角进行折减,边坡达到临界状态时的折减系数就是边坡的安全系数,此单一折减系数的折减方法被定义为等比例折减。对于一个边坡几何构型和岩体重度确定的边坡而言,使边坡处于临界状态的黏聚力和摩擦系数组合并不惟一,等比例强度折减法所得到边坡临界状态的黏聚力和摩擦系数只是其中可能的一种潜在组合,因此,其只是众多寻找临界状态方法中的一种折减形式,并不一定就是最优的折减方式。基于以上认识,首先建立不同边坡形状、不同岩体重度条件下临界状态边坡的 - 曲线,假设岩体的黏聚力和内摩擦角在衰减破坏的过程中应沿着距离 - 临界曲线最短的路径折减,进而建立黏聚力和内摩擦角的配套折减原则,提出了一种双参数强度折减法。最后,通过3个算例比较了等比例强度折减法与双参数强度折减法的差异,结果表明,等比例强度折减法和双参数强度折减法得到的边坡临界状态并不相同,后者得到的临界滑动面范围要比前者得到的滑动面范围大。     

一种双折减法与经典强度折减法的关系

经典强度折减法的出发点是对强度值进行折减,进而导致对强度（准则）中的参数使用同一个折减系数。使边坡处于整体临界平衡状态的折减系数恰是边坡的强度储备安全系数。一些学者陆续提出了对黏聚力和内摩擦角采用不同折减系数的所谓双折减法,但尚无严格的理论依据。提出双折减法的出发点是对强度（准则）中的参数进行折减,或简称“强度参数折减”,这样可自然导致采用不同的折减系数,但此时已无法自动得到基于强度储备的安全系数。为此,提出了定义安全系数的新框架--基于参照边坡的安全系数定义,为双折减法建立了理论基础。将新提出的一种双折减法与经典强度折减法进行了比较,发现可以将经典强度折减法纳入该双折减法的计算过程,并从理论上证明了该双折减法的安全系数几乎总是小于经典强度折减法的安全系数,数值模拟实例也证实了这个结论。这表明,经典强度折减法有可能高估了边坡的安全性,建议的双折减法可作为边坡稳定分析的备选方法之一。     

基于场变量的边坡稳定分析有限元强度折减法?

有限元强度折减法在实施过程中往往要根据不同的折减系数手工修改输入文件,并不断进行试算,过程较繁琐。为了简化计算过程,提高计算效率,在有限元强度折减法的基础上,结合ABAQUS提供的场变量,提出一种适用于有限元强度折减计算的新方法--基于场变量的有限元强度折减法。通过在ABAQUS中设置岩土体黏聚力与内摩擦角为场变量的函数,场变量为增量步时间t的函数,从而通过控制增量步时间t实现黏聚力与内摩擦角的折减,通过一次计算即可求得边坡的安全系数,无需手工修改折减系数反复试算。结合有关文献对该方法用于边坡稳定分析的可行性进行了验证,并与二分法确定安全系数的计算效率进行了比较。结果表明：该方法求得的安全系数是有效可靠的,用于边坡稳定性的计算是可行的,简化了有限元强度折减法的计算过程,提高了计算效率。     

基于强度储备的边坡非等比例双安全系数研究

边坡的失稳过程是一个渐进性的累积破坏过程。在破坏过程中抗剪强度参数黏聚力c、内摩擦角?的发挥程度是不同的,对应的安全储备也就不同,那么基于强度储备的双安全系数确定及其基于双安全系数的边坡稳定性评价就值得深入探讨。首先从岩土材料的软化规律出发,在强度参数服从线性分布假定的基础上,推导了黏聚力折减系数和内摩擦角折减系数之间的数学关系;其次将此数学表达式引入到传统的Bishop条分法中,提出了非等比例双安全系数Bishop条分法;然后以强度参数对抗滑力的贡献为权重,提出了综合安全系数来评价边坡的稳定性;此方法不仅克服了传统双安全系数法确定双安全系数的盲目性,而且为双安全系数法应用于工程实践提供了新途径;最后结合算例通过与传统方法的计算结果进行对比分析,验证了该方法的合理性。     

不同安全系数对应的边坡滑动面位置分析

为了探讨强度折减计算边坡稳定性过程中安全系数和滑动面之间的关系,针对一均质边坡算例,通过理论分析和FLAC3D强度折减法数值计算,分析当黏聚力 和内摩擦角 变化时,边坡安全系数和滑动面位置的响应情况,结果表明：(1) 边坡的安全系数受到黏聚力或内摩擦角中任一值的影响,而滑动面位置受到两者组成的函数 （ ）的影响;(2) 当 为定值时,改变抗剪强度参数 和 并不能引起滑动面位置的变化;当 增大时,边坡破坏模式由浅层破坏转变为深层破坏,滑动面越来越缓,其上缘逐渐远离坡顶,滑体的体积增大。     

一种考虑变形参数和强度参数协调折减的强度折减法研究

对于一种确定的岩体材料而言,岩体的变形参数与强度参数存在一种必然的内在联系。从材料性质来看,强度折减法的本质就是在当前边坡构型和岩体重度条件下,寻找另一种合适的岩体材料使边坡恰好达到临界状态。显然,若只对黏聚力和内摩擦角进行折减而其他参数保持不变,折减后的材料参数则可能违背岩体强度与变形参数之间存在的必然联系,即新找到的岩体材料客观上不存在。因此,在对黏聚力和内摩擦角进行折减时,有必要对岩体的其他力学参数进行调整。基于以上认识,提出了一种考虑变形与强度参数协调折减的强度折减法,探讨了变形参数（弹性模量和泊松比）、抗拉强度对安全系数、塑性区的影响,结果表明,同时考虑变形参数与强度参数协调折减的方案所得的安全系数最小,与极限平衡法的计算结果最为接近,且该方案所得的剪切塑性区主要集中在临空面附近,边坡模型中下部的剪切塑性区范围较小,同时,在边坡顶部区域出现张拉屈服区,此种塑性区分布范围最接近边坡实际破坏状态。     

双强度折减法的量化分析

双强度折减法（DRM）采用黏聚力和内摩擦角的非等比例的折减策略,更加符合真实情况,但对于该方法本身的研究仍然缺乏定量的分析与合理的阐述;通过安全系数的定义、折减路径以及临界状态这几个概念,在强度参数坐标系中,对双折减法和传统强度折减法（SRM）进行量化分析与对比,两种方法具有统一性,表现为DRM相当于从虚拟初始强度点开始折减的SRM.边坡失稳的渐进过程本质上为强度衰减的过程,其中c、tan φ遵循正比例函数关系;同时,强度储备的意义反映为初始强度面积S向临界强度面积S'逐步地逼近的过程,从而得到安全系数表达式;强度折减法的研究应围绕强度来进行,对于强度参数的折减只是强度弱化的实现形式,通过安全系数定义的分析以及算例结果数据的回归分析,表明临界状态是边坡的固有属性,一旦边坡的几何尺寸给定,它将是一个与初始强度参数无关的量.SRM和DRM的结果的异同分析对比,实际上是对临界点的分析.     

基于灰色关联度法和强度折减法的边坡稳定性影响因素敏感性分析

针对强度折减法采用单一折减系数的不足,前人给出了双强度折减法的概念,但c、φ值以及其他参数在具体边坡失稳过程中发挥的作用还不得而知。为了研究不同土体本构参数对强度折减法的影响,本文基于灰色关联分析方法,对土体内摩擦角φ、黏聚力c、弹性模量E、泊松比μ、剪胀角Ф的影响程度进行分析。运用传统强度折减法模拟,分析影响因素与边坡稳定性系数之间的相关程度,剖析有限元中边坡稳定性的敏感要素,为双强度折减法提供参考并提出建议。结果表明,影响因素的敏感性大小按从大到小排列依次是:φ、c、μ、Ф、E;通过不同参数下的边坡滑动面对比,μ、Ф对于边坡的临界状态有较大影响,在强度折减时需要考虑这两者的影响。     

基于有限元强度折减法的单双面边坡稳定性分析

利用强度折减法和有限元分析软件ABAQUS，研究了单面和双面土体边坡的稳定性。首先，利用典型算例验证了所采用方法的可行性，然后通过模型数值模拟，分析了不同的坡体参数，如坡角、坡高、黏聚力和内摩擦角等情况下单面和双面边坡的稳定性。探讨了各参数对单面和双面边坡稳定安全系数的影响特征和规律，同时也展现了土体塑性应变区发生和扩展过程。结果表明:(1)坡角、坡高、黏聚力和内摩擦角等参数的单独变化对边坡安全性系数的影响规律基本一致、近似线性变化，对单面和双面边坡稳定性的影响规律相同；(2)双面边坡稳定性比单面边坡的有所降低，但边坡几何和物理参数取一定范围内的值时，两种趋于一致；(3)坡面顶部的位移拐点和坡体塑性应变区贯通之间并不是同时出现，土体边坡稳定性评价的不同判别准则之间存在差异。建议实际工程中边坡稳定性评价考虑采用双面边坡甚至更复杂边坡分析模型，同时需综合利用边坡稳定临界状态的不同判别准则。     

降雨干湿循环作用下的渣土边坡稳定性

降雨作用下边坡不同深度岩土体所经受的劣化作用强度差异显著,从而影响边坡的稳定性。以深圳典型渣土边坡为例,基于改进的Green-Ampt模型计算降雨作用下的浸润锋深度,通过干湿循环与直剪试验,获得了浸润锋内渣土抗剪强度参数的劣化规律,结合劣化规律并采用双强度折减法研究了不同降雨工况下渣土边坡的稳定性。研究结果表明:随着干湿循环次数的增加,渣土的黏聚力及内摩擦角均减小,且前期减小得快,后期缓慢,4次干湿循环后趋于稳定,符合指数函数的变化趋势,保持稳定不再衰减的渣土黏聚力为9.5kPa,内摩擦角为19°;综合降雨入渗的干湿循环以及双强度折减法得到的渣土边坡的稳定性系数较仅采用传统强度折减法得到的稳定性系数有大幅度的降低,最大减小了44.5%。该方法可以用于准确评价降雨作用下边坡稳定性。     

超前支护下隧道掌子面稳定性极限上限分析

软弱围岩隧道施工中,常采用超前支护确保隧道施工的安全。为了评价超前支护下隧道稳定性,建立了超前支护作用下截锥体、对数螺旋线共同破坏模型,基于极限分析上限法和综合强度折减法并考虑初期支护未支护段的影响,推导出了隧道稳定安全系数的目标函数,并利用Matlab编制程序求解该函数以此判断隧道稳定性。与模型试验结果和已有理论研究成果对比分析,验证了计算方法的合理性,同时分析了影响隧道稳定安全系数的各个因素。研究结果表明：围岩黏聚力、内摩擦角的增加,掌子面锚杆、拱部超前支护的施作对提高围岩稳定性有显著的作用,而初期支护未支护段长度、开挖高度的增加不利于围岩的稳定;在围岩内摩擦角较小时,分台阶开挖降低开挖高度提高隧道稳定性的效果更好;在围岩内摩擦角较大时,掌子面锚杆加固强度的增加对隧道稳定性提高的作用更显著。最后给出了超前支护的施工设计建议图,可为工程中初步确定超前支护参数和施工方法提供参考。     

基于离散元的强度折减法分析岩质边坡稳定性

将通用离散元UDEC与强度折减法结合,对含多结构面的岩质边坡的稳定性进行了分析。通过对节理岩质边坡的UDEC模型中的可变形块体和节理单元的强度参数进行折减,使模型不能再达到平衡状态,此时的折减系数就是边坡的安全系数,另外,由对应的边坡块体的速度矢量可以确定滑动面和边坡的破坏形态。通过与传统的条分法的结果比较,表明基于UDEC的强度折减法是一种可靠、有效的方法,为复杂节理岩质边坡的滑动面确定与安全系数计算开辟了新的途径。     

地震效应下三维非均质土坡稳定性极限分析

基于极限分析上限定理,采用拟动力法研究了地震效应下非均质土坡的三维稳定性,并通过重度加大法（GIM）推导出边坡安全系数的显式表达式。此外,采用遗传算法进行优化,将所得结果进行对比验证,详细分析了地震条件下相关参数对边坡稳定性的影响。分析结果表明：边坡高度一定时,宽高比、边坡倾角的增大以及土体内摩擦角、非均质系数的减小均会造成安全系数的降低;拟静力法获得的结果相比于拟动力法较大,两种方法结果的差值会随着水平地震系数、有效内摩擦角的增大而增大,随着边坡倾角的增大而减小;土体放大系数的增大会导致安全系数减小,而地震波周期及波速的变化几乎对安全系数没有影响;滑动面轨迹受水平地震系数的影响较大,而受非均质系数的影响相对较小。     

二维与三维边坡稳定性分析结果的比较与分析

二维与三维边坡稳定性分析得到的安全系数存在着差异,讨论这种差异与滑体几何尺寸及土体强度参数间的变化规律及其形成机制,可为合理地评价边坡稳定性分析提供理论依据。针对均质三维边坡,利用基于滑面正应力修正模式的极限平衡法分析程序,定性地讨论滑体形态、长高比、坡比、土体强度参数等指标对二维与三维安全系数计算结果差异(以F3/F2表示)的影响,总结F3/F2与影响指标间的变化规律,分析变化规律形成的内在机制。从工程应用的角度,给出需要考虑该差异影响的分界标准。研究表明,F3/F2随着长高比L/H、内摩擦角?及坡比m的增大逐渐减小,随着黏聚力c的增大逐渐增大;对于满足下列条件之一的边坡,宜采用三维安全系数来评价其稳定性,(1) L/H ≤ 5的滑坡体;(2) 5< L/H ≤ 10且 c > 25 kPa(或? < 15°,或m < 1.0) 的滑坡体。研究成果可为合理评价边坡稳定性分析方法提供参考。     

Stability design charts for homogeneous slopes under typical conditions based on the double shear strength reduction technique

Based on a brief review of the existing shear strength reduction (SSR) techniques, the objective function of the comprehensive safety factor for simple homogeneous slopes is established by combining the double SSR technique (considered the shortest pathway of the strength reduction) with the upper bound limit analysis theorem, leading to a strict upper bound on the safety factor. Combining nonlinear sequential quadratic programming (SQP) with the random walk method, the value of the comprehensive safety factor can be optimized, avoiding the trap of a local minimum. Compared with classical examples, the present method is a conservative and effective method for slope stability evaluation. A set of design charts for homogeneous slopes under simple and typical conditions, such as surcharge load, pore water pressure, and seismic loading are produced by the analysis of substantial data, which can eliminate the necessity for iterations when calculating the safety factor. These stability charts are presented in a convenient manner to determine the comprehensive safety factors and corresponding failure patterns under different typical conditions, which might be preferred by engineers for performing the preliminary evaluations of slope safety. Several examples are used to illustrate the application of these stability charts under different conditions.     

基于Hoek-Brown准则的非等比强度折减方法

针对节理岩质边坡稳定性分析问题,开展了基于Hoek-Brown破坏准则的强度折减法研究。边坡的失稳过程是一个渐进累积破坏过程,破坏过程中各强度参数的衰减程度不同,在强度折减法中对应的折减系数也不同,不同折减系数间关系的确定及其综合安全系数的定义值得深入探讨。首先从岩体材料软化（硬化）特性出发,根据岩体强度参数从峰值强度到残余强度的变化规律,推导了Hoek-Brown破坏准则中3个强度参数折减系数间的数学关系式,然后以折减前后滑面上抗滑力之比定义综合安全系数来评价边坡的稳定性,最后结合算例验证了该方法的合理性,可有效应用于节理岩体边坡的稳定性分析。     

基于Barton-Bandis准则的锚固边坡稳定性分析

结合岩石节理面非线性Barton-Bandis破坏准则,探讨了将Barton-Bandis破坏准则参数转化为线性Mohr-Coulomb破坏准则抗剪强度参数的两种常用方法,通过实例分析了各方法的优劣。推导了加锚单岩石节理面控制的平面滑动岩体边坡抗滑稳定性安全系数计算式,开展了锚固参数分析。研究表明：相对于采用等效线性拟合法或切线等效法获取Mohr-Coulomb抗剪强度参数而言,直接应用Barton-Bandis破坏准则计算节理面控制的岩石边坡稳定性更为直观和简便;随着结构面基本摩擦角、结构面粗糙度系数和结构面壁面有效抗压强度的增大,边坡安全系数逐步提高,且结构面基本摩擦角和粗糙度系数对边坡安全系数的影响程度更为显著;锚索锚固力越大,边坡抗滑稳定性越好,而锚索设置角度越大,边坡抗滑稳定性越低,锚索角度设置不当将明显减小锚固效应的有效性。