应用点安全系数分析基坑边坡三维稳定性

复杂基坑边坡具有明显的三维效应,目前计算方法尚不便准确计算其三维稳定性,不便于确定其空间失稳范围。在三维数值计算结果的基础上,选用Bezier双三次曲面对通过节点的位移等值面进行拟合,以位移等值面作为基坑边坡局部破坏面,据此计算出垂直破坏面的正应力和滑动方向的剪应力,提出新的点安全系数定义为该点抗剪强度与滑动方向上剪应力的比值,整体安全系数为等值面上点安全系数对面积的加权平均值。分析了某师范大学基坑边坡的稳定性,结果表明,点安全系数在剖面分布上呈中部小,内、外高的分布特征,小于1.06的区域从坡脚延伸至坡顶,揭示了滑动面的位置,最危险滑动面为15 mm的位移等值面。通过与刚体极限平衡法比较,验证了特定剖面上二者计算结果的一致性     

基于GIS的边坡稳定性计算方法研究

结合GIS（地理信息系统）的空间分析能力和滑动面正应力分布假定模型,建立了基于栅格单元的三维边坡极限平衡模型,提出了基于GIS的边坡稳定性计算方法。该方法首先建立了基于栅格柱体单元的三维边坡稳定性分析模型,给出了模型参数在GIS中的空间表达式;其次,在极限平衡条件下,推导出滑体在GIS中的3个力平衡方程式和1个力矩平衡方程式,形成了用于求解三维安全系数的方程组;最后,基于摩尔-库仑强度准则,以及滑动面正应力分布的假定,求解三维安全系数。同时利用COM（组件对象模型）技术开发出一个基于GIS的三维边坡稳定性分析扩展模块,该模块可实现复杂的算法计算以及多种组合荷载下的稳定性计算,并通过算例验证了该模块的正确性和便利性。     

基于GIS的边坡稳定性计算方法研究

结合GIS(Geographic Information Systems,地理信息系统)的空间分析能力和滑动面正应力分布假定模型,建立了基于栅格单元的三维边坡极限平衡模型,提出了基于GIS的边坡稳定性计算方法。该方法首先建立了基于栅格柱体单元的三维边坡稳定性分析模型,给出了模型参数在GIS中的空间表达式;其次,在极限平衡条件下,推导出滑体在GIS中的3个力平衡方程式和1个力矩平衡方程式,形成了用于求解三维安全系数的方程组;最后,基于摩尔-库伦强度准则,以及滑动面正应力分布的假定,从而求解三维安全系数。同时利用COM(Component Object Model)技术开发出一个基于GIS的三维边坡稳定性分析扩展模块,该模块可实现复杂的算法计算以及多种组合荷载下的稳定性计算,并通过算例验证了该模块的正确性和便利性。     

基于GIS的边坡稳定性计算方法研究

结合GIS(Geographic Information Systems,地理信息系统)的空间分析能力和滑动面正应力分布假定模型,建立了基于栅格单元的三维边坡极限平衡模型,提出了基于GIS的边坡稳定性计算方法。该方法首先建立了基于栅格柱体单元的三维边坡稳定性分析模型,给出了模型参数在GIS中的空间表达式;其次,在极限平衡条件下,推导出滑体在GIS中的3个力平衡方程式和1个力矩平衡方程式,形成了用于求解三维安全系数的方程组;最后,基于摩尔-库伦强度准则,以及滑动面正应力分布的假定,从而求解三维安全系数。同时利用COM(Component Object Model)技术开发出一个基于GIS的三维边坡稳定性分析扩展模块,该模块可实现复杂的算法计算以及多种组合荷载下的稳定性计算,并通过算例验证了该模块的正确性和便利性。     

基于等效塑性应变的三维边坡滑面搜索

边坡三维临界滑面的定位问题是边坡稳定性分析中尚未得以很好解决的一个重要问题。注意到临界滑面是由沿深部方向上的等效塑性应变的极大点所组成这一现象,在利用强度折减法将边坡带入临界平衡状态后,通过在水平面上设置一系列的垂直直线,并找出每条直线上的等效塑性应变最大值的位置,就得到了三维边坡滑面上离散点的分布。最后,采用被称为薄板光顺样条（thin-plate smoothing spline）函数的插值方法对滑面上的离散点进行了插值光顺处理,在不指定边坡滑动模式和滑面形状的前提下就可以得到三维边坡的临界滑面。通过在三维凸型边坡中的应用,体现了该方法在确定三维边坡临界滑面上的优越性。     

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。     

三维复杂块体系统边坡深层加固条件下稳定性及破坏机制模型试验研究

白鹤滩水电站左岸为强卸荷岩体三维复杂块体系统高边坡,采用三维地质力学模型试验,进行了边坡变形特性、失稳破坏过程、破坏机制、边坡稳定性及加固处理效果研究。模型试验表明,边坡失稳模式为块体滑动破坏,破坏形态表现为底滑面的剪切破坏和后缘结构面的拉裂破坏以及块体沿底滑面和侧滑面的滑动。边坡破坏过程为模型结构面初裂、结构面组合块体边界贯通、最终至边坡整体失稳3个阶段。采用地质力学模型试验综合法获得了左岸块体系统边坡整体稳定安全系数,典型块体稳定安全系数与三维刚体法及块体单元法(BEM)计算成果对比基本一致,模型试验综合法安全系数相对较大。同时,针对层内错动带LS_(337)界面部位相对变位监测表明,深层混凝土置换洞加固有效地控制了底滑面的滑动变形,提高了相关结构面组合块体的稳定性,边坡加固效果较为明显。研究成果对白鹤滩工程左岸强卸荷区三维复杂块体系统边坡及类似工程边坡稳定性及加固处理具有重要的指导意义。     

江坪河水电站进水口顺层岩体边坡支护结构受力特性及稳定性研究

江坪河水电站进水口边坡断层、层间错动以及泥化夹层等软弱结构分布众多,构成了顺坡向的潜在滑动组合体。为确保边坡的安全稳定性,采用了预应力锚索和大截面抗滑桩对边坡进行加固处理。边坡施工过程中,部分预应力锚索轴力监测值出现超过设计吨位的现象。为分析边坡锚索和抗滑桩支护系统的可靠性,采用三维数值分析方法对锚索和抗滑桩等支护结构的受力性态进行了系统研究。三维数值分析结果表明顺层岩体结构边坡中支护结构部件空间受力特性存在较大的差异性:局部预应力锚索轴力长期超限失效可能引起支护系统其它构件内力增加,危及边坡稳定性;抗滑桩的内力分布与岩体层间错动和泥化夹层的空间展布密切相关。受岩体结构面影响,抗滑桩内力分布类似于连续梁受力分布特点。支护结构的空间受力特点表明支护系统设计时应该考虑边坡及支护结构的整体空间效应影响,以保证支护结构自身的安全性。     

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。     

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。     

绕顶转动模式下三维被动土压力的数值研究

已有的刚性挡土墙上三维被动土压力的研究主要基于挡土墙平移模式(T位移模式)下开展的，而对挡土墙绕顶转动模式(RT位移模式)下三维被动土压力的研究尚不充分。因此，该文采用数值方法系统地研究了RT位移模式下三维被动土压力及三维空间滑裂面性状。针对无黏性土体，得到了挡土墙宽度与深度比值、土体摩擦角大小和墙土接触面摩擦角比值对三维被动土压力系数及墙后土体滑裂面的影响，并与T位移模式下的三维被动土压力系数和墙后土体的空间滑裂面形态进行了定量的比较。研究结果表明:RT位移模式下的三维被动土压力系数和空间滑裂面形态均受土体内摩擦角及墙土接触面摩擦角比值的影响，且两者之间存在相互联系。RT位移模式下的三维被动土压力系数和空间滑裂面形态与T位移模式下有显著的区别；RT位移模式下的三维被动土压力系数及空间滑裂面相比于T位移模式下较小。研究成果可为RT位移模式下三维被动土压力的进一步研究和相关工程设计提供参考。     

多剖面合力法分析滑坡稳定性

滑坡稳定性分析最重要的是精度。滑面和坡面是空间三维变化曲面,造成滑体厚度各处变化很大。滑坡稳定性分析通常选择中轴线或其附近的一个所谓“代表性纵断面”进行安全系数计算。由于采用单位宽度纵剖面计算,在多数情况下只能代表该纵剖面两侧不大范围宽度滑体的局部稳定性,而不能代表滑坡整体稳定性,因此提出多纵剖面合力法进行滑坡稳定性分析。为减少多剖面勘探成本的人财物力投入,把滑动面分成了简单滑面和复杂滑面两类。对简单滑面滑坡最少只打两个纵断面共2~4个钻孔,应用几种滑面曲线函数,绘制辅助横剖面,将所需要的多个计算纵剖面剖出。多剖面合力法是基于空间平行力系可移动原理,对各剖面划分条块,把每个剖面条块的剪应力与抗滑力分解成水平与垂直分力,然后计算每个剖面剪应力与抗滑力的垂直与水平分力各自的合力,再对各剖面的剪应力与抗滑力的水平与垂直分力求合力,计算出滑坡的抗滑力与下滑力,得到剪应比——滑坡的稳定系数。用简单滑面和复杂滑面两个滑坡实例进行了分析,验证方法的有效性。     

边坡滑面正应力构成及分布模式选择

通过假定滑面的正应力分布来计算边坡安全系数,这是近年来极限平衡理论研究的一个突破,讨论滑面正应力的组成及合理假设模式对获得可靠、可信的安全系数具有重要意义。根据土条的力平衡条件得到滑面正应力是由滑体体积力（含坡面外力）和土条间作用力这两部分所贡献的,通过算例分析了不同条间力假设模式下的滑面正应力及其两个贡献分量的分布。研究表明：滑体体积力（含坡面外力）贡献分量占主导地位,而土条间作用力的贡献分量较小。安全系数对滑面正应力分布不敏感。因此,在滑面正应力分布函数的构造上无需过分追求与真实分布之间的吻合度,可采用以占主导贡献地位的滑体体积力（含坡面外力）贡献分量为核心函数,选用含两个待定参数的修正函数来逼近土条间作用力贡献分量的分布。研究成果规范了滑面正应力的假设模式,具有一定的理论和应用价值。     

基于力平衡的三维边坡安全系数显式解及工程应用

将基于滑面正应力分布的二维极限平衡显式解法推广到三维边坡稳定性分析,提出适合一般形状空间滑面的三维边坡稳定性简便计算方法。首先,假设三维滑面正应力的初始分布,然后对其修正,使滑体满足所有力的平衡条件,导出关于安全系数的2次代数方程,最终得到三维边坡安全系数显式解。该方法克服了目前条柱法存在的一些难以解决的困难,不需要考虑条柱间作用力具体分布,满足主要平衡条件,计算过程简单。算例表明,该显式解与楔体三维极限平衡解析解完全一致,与对称三维边坡严格极限平衡解答接近。该方法已用于某重力坝坝肩三维滑体初步稳定性分析,计算结果有助于坝肩边坡的加固设计。     

LU Kun-lin,ZHU Da-yong,YANG Yang 均质边坡准三维安全系数实用计算曲线

针对三维极限平衡法计算边坡安全系数存在着分析过程繁琐、较难普及推广等诸多不足,建立了一套实用的三维边坡安全系数计算曲线。假设三维滑面为中间圆柱和两端为部分球面的组合滑面,采用基于滑面正应力修正的极限平衡分析方法,计算36 864个均质边坡,根据计算结果绘制该套曲线。依据该套曲线可以得到,（1）根据已知边坡体的相关指标快速获得三维安全系数,能够得到较二维分析方法更准确、更客观的稳定性评价;（2）根据实际坡体的稳定状况反分析获得滑面土体强度参数,有效地克服二维反分析得到滑面土体强度参数偏高的弊端。研究成果可为均质边坡三维稳定性初步评价提供简单、实用的参考依据。     

边坡稳定性分析的条块稳定系数法

鉴于传统条分法对边坡安全系数定义和使用的局限性,引入了条块稳定系数的概念。分析了条间力推力线高度的影响因素,假定条间力传递时都具有相同的条间力稳定系数 ,并考虑了条块重力偏心矩的影响。根据条块的力和力矩平衡关系以及条间力假定,建立了求解条块稳定系数的四元方程组。在此基础上,求得条块稳定系数随滑动面的分布状况。根据条块稳定系数随滑动面的分布规律划分了滑体的主滑段、抗滑段和牵引段,大致判断滑坡的滑动模式。根据滑面上抗滑力和下滑力之比的定义,求解边坡整体稳定系数。采用传统条分法和所建立的条块分析法分别以圆弧滑动和折线形滑动的两个实例进行了验算,说明了条块分析法的优越性和可靠性。     

滑带土抗剪强度参数的三维反分析

以滑面正应力修正模式的三维边坡稳定性分析方法为基础,建立了确定滑带土抗剪强度参数的三维反分析模型。先对滑坡体的稳定性进行调查评估,确定滑坡的安全系数与三维滑面的几何尺寸;然后,通过对滑面正应力进行合理假定与修正,建立了平衡方程,以强度参数为未知数,利用数学方法并结合试验、经验等手段求解出抗剪强度参数。该模型克服了二维反分析将会高估滑带土的抗剪强度参数的缺陷,而且计算过程简单,易于编程实现。两个简单算例表明,三维反分析模型可以考虑三维滑体的空间效应,得到的抗剪强度参数更真实、更符合实际情况,为滑坡治理提供参考。     

某反倾页岩边坡破坏面确定及其稳定性分析

破坏面确定是边坡稳定性分析的基础,存在各级滑动面。不同结构类型边坡,其确定方法也随之不同。对于反倾软岩边坡,不能通过不连续面空间展布分析确定其破坏面。联合FLAC3D和极限平衡方法分析具有节理块体切割破坏模式的某反倾页岩边坡稳定性。在野外调查基础上分析边坡的变形破坏机制,应用FLAC3D研究其应力、应变等值线及相应增量等值线图确定边坡潜在最危险滑动面和次级滑动面,计算其稳定性系数。在防护设计中考虑次级滑动面,针对边坡危险区域分析其防护效果。应用强度折减计算两危险区域稳定性系数,表明防护后边坡整体稳定性较好。该方法对反倾软岩边坡的稳定性分析有一定的借鉴价值,在防护设计中考虑次级滑动面的影响具有一定的实际指导意义。     

锚固力作用下的边坡临界滑动场法研究与应用

极限平衡方法计算锚固力作用下边坡稳定性时,通常将锚固力作为集中力处理,得到的滑面正应力和条间力分布曲线极不合理。除此之外,若按常规方法处理锚固力的作用,采用临界滑动场法分析锚固边坡稳定性时,搜索的滑动面会产生突变。为克服以上固有缺点,将半无限体受法向力作用的弹性力学解答近似作为锚固力在边坡体内产生的附加应力等效模型,并在此基础上建立了锚固力作用下的边坡临界滑动场计算方法,且通过算例分析表明了这种集中力近似等效处理方式的合理性,进一步丰富了锚固边坡稳定性分析方法。算例分析与工程应用表明,锚固力的作用会改变边坡临界滑动面位置,该方法能够搜索到锚固力作用下的合理临界滑动面,且滑面正应力和条间力分布曲线也较合理,相应的安全系数也较可靠。同时,该法能够全面评价边坡的整体和局部稳定性,可为实际边坡工程提供欠稳定区域的空间分布情况,使其得到有效的治理。     

圆弧滑动边坡改进条分法的数值分析

结合传统极限平衡方法和现代极限平衡方法,对圆弧滑动边坡进行垂直条分,将条块间的作用力一般化,提出了基于圆弧滑动的改进条分法。建立了圆弧滑动边坡的力学计算式,确定了一般化的条间力影响系数和边坡安全系数的关系式。运用数值计算和迭代程序,得出滑体分别在力平衡和力矩平衡下的安全系数随条间力影响系数变化情况,从而定量地描述了边坡稳定状态。结果表明,圆弧滑动垂直条分改进方法反映了滑动面和垂直面相互影响情况,数值计算简便,而且精度较高。