基于GIS的三维对称边坡滑面正应力分布逼近函数构造

基于栅格柱体单元构造出对称边坡滑面正应力分布的逼近函数,为在GIS(地理信息系统)中建立基于滑面正应力假定的极限平衡法提供了理论计算基础。结合GIS的强大空间数据分析能力,建立出一个基于栅格柱体单元的三维边坡稳定性分析极限平衡模型,且在无任何力的假设条件下,推导出基于栅格单元的滑面正应力分布构成。结合算例分析表明:在滑体滑动方向上,滑面正应力的分布一部分由滑体自重和外力构成,且对滑面正应力的贡献所占比例很大,为已知函数,另一部分由柱间作用力构成,所占比例很小,为未知函数,因此,柱间作用力分布可选用三阶拉格朗日多项式来近似逼近拟合;在垂直于滑体滑动方向上,滑面正应力分布采用抛物线近似逼近拟合;进而构造出对称边坡的基于栅格单元的滑面正应力分布逼近函数。并通过算例对该逼近函数的合理性进行了验证。     

三维滑体锚固力计算方法及工程应用

基于恰当的假设,构造了锚固边坡的三维滑面正应力分布,建立了一种三维滑体锚固力计算方法。首先通过类比经典土压力理论和Spencer的条间力假定,提出了条柱间作用力假设模型,并由典型条柱的平衡条件构造了滑面正应力的分布函数(含3个待定参数),再根据整个滑体的4个主要平衡条件,建立了关于3个待定参数及1个锚固力系数的线性方程组,可直接求解出预定安全系数下的锚固力系数。这种新的三维滑体锚固力计算方法的优点是计算过程简单,易于实现;满足4个主要平衡条件,精度较高。该方法已用于乌江银盘重力坝左岸边坡三维滑体的加固设计,取得了令人满意的效果,具有进一步推广应用的价值。     

边坡锚固力计算方法及工程应用

假定滑面正应力分布为含2个待定参数的拉格朗日插值函数,推导出含锚固力作用的滑体水平力、垂直力和力矩平衡方程,直接得到满足给定安全系数要求的锚固力系数解析解。这种锚固边坡计算方法克服了传统方法导致滑面正应力突变的缺点,且计算过程极为简便,并成功应用于实际边坡加固工程。     

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。     

求解边坡矢量和安全系数的条分法

矢量和安全系数物理、力学意义明确,通常采用有限元计算得到的应力场来求解。提出一种简便的求解方法,在通用条分法（GLE）的基础上,满足力和力矩平衡的严格条件,推导了基于条分法的矢量和安全系数。采用广义简约梯度法（GRG）搜索临界滑面,在极限抗滑合力矢方向上求解矢量和安全系数。整个计算过程都在电子表格软件Excel内实现,易于在工程实践中推广。对于圆弧滑面边坡,其计算结果表明：①矢量和安全系数与代数和安全系数非常接近,对应的滑面位置也相近。②不同的条间力函数假设（常数和半正弦函数）对边坡的矢量和安全系数影响很小。③极限抗滑合力矢方向? 小于边坡坡角,其值与假定条间力平行时的条间力方向非常一致。在极限平衡分析框架内,计算方法可进一步简化为：假设条间力平行,将条间力方向作为矢量和安全系数的计算方向。对于非圆弧滑面边坡,其计算结果表明：①均质边坡的矢量和安全系数与代数和安全系数相对误差小于3 %,滑面位置接近,而软弱层边坡两种方法的计算结果有一定差别。②不同的条间力函数假设对边坡的矢量和安全系数影响很小。     

边坡安全系数的多解性讨论

边坡安全系数计算结果直接影响边坡工程设计,而极限平衡法不能给出唯一的安全系数值,研究边坡安全系数的多解性,有助于对边坡稳定性计算结果有一个合理地判断与取舍。先假定滑面正应力的初始分布,然后采用含有3个待定参数的拉格朗日函数对其修正,保证滑体满足所有的力与力矩平衡条件;设定一系列安全系数分别求解平衡方程组,得到对应的待定参数值;最后根据滑面正应力分布的合理性判断边坡安全系数的合理范围。算例表明,圆弧滑面合理安全系数范围在5 %以内,而任意形状滑面安全系数最大取值范围可达15 %。     

锚固力在边坡加固中的工程应用

假定滑面正应力分布为含有待定参数的插值函数,利用力和力矩平衡方程推导出锚固力作用下边坡安全系数显式解和给定安全系数要求的锚固力系数解析解。并把这种方法用在边坡加固的实际工程中,发现在锚固力作用下,滑面上正应力分布比较连续,条间力分布也比较合理,而且其方法计算过程简单,易编程实现,便于工程应用,其计算精度也在严格极限平衡法限定范围内,同时克服了传统方法导致滑面正应力反常的缺点。另外,该方法与岩土边坡动力学方法相比较,结果是一致的,说明该方法是可行的。     

降雨入渗非饱和黏土边坡稳定性的极限平衡条分法研究

考虑非饱和黏土边坡的基质吸力和渗流力,根据水位线位于滑面上、下的临界平衡状态,分别建立了滑体条块极限平衡状态下力和力矩平衡式,获得了降雨条件下非饱和黏土边坡稳定性的极限平衡条分法计算式。通过试验、参量变换以及作用力的位置关系可以确定相关参量,并采用数值计算求解临界平衡状态下滑体条块的相互作用力系数和非饱和边坡安全系数。案例结果表明：考虑渗流力时的非饱和黏土边坡安全系数比不考虑渗流力的安全系数降低约13.8%,且考虑渗流力作用的条间力作用系数变化率明显大于不考虑渗流力的结果;当降雨强度超过一定值时,坡面径流很快形成,边坡出现不稳定的时间基本相同。     

两种滑动面型式下边坡稳定性计算方法的研究

基于圆弧和任意曲线两种滑动面型式,对边坡稳定性计算方法中的瑞典法、简化Bishop法、简化Janbu法、严格Janbu法、Morgenster-Price法、Sarma法和不平衡推力法进行研究。对上述各种方法的研究成果进行了总结,并对Morgenster-Price法中的条间力函数 选择了4种形式（即 为常数0.1、0.5、1.0及半正弦函数）,对不平衡推力法中的公式进行了改进。通过算例对比,及当条分数不同、边坡坡角和坡高变化时,分析了这些方法的特点,由分析结果可知：（1）瑞典法和简化Janbu法计算得的安全系数最小,简化Bishop法和不平衡推力法与严格法得到的结果颇为接近;（2）任意曲线滑动面方法较圆弧滑动面方法计算得的安全系数稍小,且得到的临界滑动面与临界圆弧滑动面相接近,因而表明,圆弧滑动面作为一种近似的临界滑动面能够满足实际工程需要;（3）均质边坡采用较少条分数即可获得较高的安全系数计算精度,非均质边坡需一定数量的条分保证结果的可靠性;（4）Sarma法对土条侧面法向力和剪切的假设,使得其在均质边坡计算得的安全系数比其他方法要大,有偏于不安全的考虑,但Sarma法能够考虑边坡非均质对条分法的影响;（5）当边坡外形（如坡角、坡高）变化时,严格Janbu法在两种滑动面型式下计算得的安全系数相差很小,而其他方法稍大一些;（6）Morgenster- Price法中,条间力函数 对计算得到的结果影响很小。     

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。     

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。     

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。     

边坡稳定性分析条分法条间力合理性研究

论证表明,下列4项可作为条间力合理的条件：①土条分界面上的抗剪稳定系数大于边坡稳定系数;②条间有效法向力大于0;③滑面为折线形时,条间切向力不恒等于0,当土条底面倾角沿滑动方向逐渐减小时,各条间切向力大于0;反之小于0;④端部土条外侧有水压力时,端部条间力合力与条间法向力的夹角随土条分界面到土条外侧的距离趋近于0而趋近于0。检查结果显示,詹布法、沙尔玛法①及专用于圆弧形滑面的瑞典法条间力合理性较低;专用于圆弧形滑面的简化毕肖普法条间力合理性较高;简化詹布法、美国陆军工程师团法、罗厄-卡拉菲尔斯法和传递系数法的条间力合理范围较窄;方玉树法、沙尔玛法②及③、斯宾塞法、摩根斯坦-普赖斯法和科里亚法条间力合理范围较宽,其中沙尔玛法③、摩根斯坦-普赖斯法和科里亚法条间力合理范围又宽于沙尔玛法②和斯宾塞法,以方玉树法条间力合理范围最宽。     

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。     

基于严格平衡的安全系数统一求解格式

在边坡稳定性分析中宜采用严格极限平衡条分法,特别是对于任意形状滑动面。由于条间力假设的不同,产生了不同的边坡稳定安全系数求解格式,既造成计算及应用的不方便,又掩盖了各自方法的优劣。首次将现有严格极限平衡条分法对条间力的假定表示成统一形式,根据力和力矩的平衡,导出简单明了的条间力递推方程和条间力矩递推方程。根据这2个方程,通过Newton-Raphson法建立了传统意义下基于严格平衡的安全系数统一求解格式。所需有关导数均可用递推公式计算,其性质为解析解,因而计算格式具有良好的稳定性与收敛性。所有公式均为代数式,便于在工程中推广应用。     

基于滑面正应力分布的爆炸震动荷载作用下边坡稳定性分析

假定滑面正应力分布为2个待定参数的拉格朗日函数,推导出爆炸震动作用下滑体的水平力、垂直力和力矩平衡方程。通过算例分析证实计算方法的可行性,说明爆炸振动拟静力系数与边坡安全系数的关系。研究结果表明,垂直向下、水平指向坡外的爆破振动荷载以及两者的联合爆破荷载对边坡稳定性安全系数有很大的影响;爆破荷载拟静力系数从0增加到0.3 ,每步增加 0.05,爆破振动水平指向坡外时,边坡安全系数减少6.65%～23.54%,爆破振动垂直向下时,边坡安全系数减少1.18%～2.52%, 联合爆破荷载的方向对边坡稳定性也有影响。