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。     

双参数强度折减法研究中存在的问题分析

针对目前双参数强度折减法研究中的问题,在分析传统强度折减法原理的基础上,总结双参数强度折减法存在的问题。通过对强度折减本质的讨论,分析目前双参数强度折减法研究中折减路径、综合稳定性系数、结果验证三方面的问题。分析表明:基于强度储备的强度折减法,强度折减法的本质是对抗剪强度τf进行折减;双参数强度折减法对折减路径的选择上不具有普遍适用性,且改变了边坡原有抗剪强度参数;综合稳定性系数的确定缺乏理论证明,无明确的物理意义,且其结果不适用于非均质边坡;双参数强度折减法的计算偏离了边坡稳定性分析的实质,使得数值计算的结果失真。     

边坡稳定性分析双折减法的几个问题

在强度参数坐标系中,借助强度储备面积的概念,推导出双折减法的边坡安全系数表达式,其具有理论支持,且与已有的关系式相比未产生较大的偏差,意义更明确。在基于折减比K实现的双强度折减法中,相同的K值,采用不同的数学表达式,将产生不同的折减起步方式,由此出现了不同的虚拟初始点。严格意义上讲,两种方式折减路径确有不同,但结果表明,虚拟初始点的不同所导致的2种折减路径,本质上具有统一性,不会对结果产生影响,建议选取较短的路径,可以减少折减次数;双折减法由于在路径上与传统折减法有所区别,而仅与传统强度折减法计算结果进行偏差分析,难免出现结果失真。围绕强度弱化的本质,提出2个判断标准,一是应满足数值精度的要求,另一个则是必须符合客观事实,即强度折减必须体表现出强度弱化的概念。     

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。     

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。     

强度折减法在某核电站泵房边坡分析中的应用

对边坡稳定性分别采用按极限平衡法、有限元强度折减法进行二维分析,通过对比计算结果来验证强度折减法分析的准确性与可行性。针对边坡开挖与加固及隧洞开挖的三维效应,采用三维弹塑性有限元强度折减法分析计算边坡的稳定性,计算分析了开挖完成、支护完成条件下边坡安全系数、位移分布、主应力分布、等效塑性应变区和潜在滑动面。结果表明,支护加固可较大提高边坡的稳定安全系数,三维强度折减法分析在岩土工程领域具有明显优势。     

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。     

基于边坡稳定性计算方法比较分析

将强度折减法应用于边坡稳定性分析中,折减土体强度,代入有限元程序进行计算,直至计算不收敛,此时的折减系数即为安全系数。结合工程实例,将强度折减法应用于边坡稳定性的分析,利用瑞典圆弧法,结合岩土工程设计类软件天汉以及有限元分析软件ABAQUS分析边坡稳定性,并对安全系数进行对比,3种计算方法得出的安全系数差别不大,安全系数精度都能满足工程要求。     

基于SLFT的边坡强度折减法失稳判据

强度折减法在评价边坡稳定性时不需要假设和搜索临界滑裂面，相对于其它方法具有一定优势，但失稳判据尚无明 确标准。滑移线场理论（SLFT） 可以计算得到的极限状态下的边坡坡面曲线（简称极限坡面曲线），已有研究表明极限坡 面曲线与边坡坡面的相对位置关系可以判断边坡稳定性。基于该结论提出一种边坡强度折减法失稳判据：不同折减系数计 算得到不同的强度参数，因此滑移线场理论计算得到的极限坡面曲线将发生变化，当极限坡面曲线与边坡坡面在坡底相离 时，判断边坡为稳定状态；当极限坡面曲线与边坡坡面相交于坡脚时，判断边坡为极限平衡状态；当极限坡面曲线与边坡 坡面相交时，判断边坡为失稳状态。对标准边坡考题的计算结果表明：提出的失稳判据收敛性较好，安全系数计算结果与 标准答案和已有失稳判据分析结论相差较小；传统失稳判据收敛指标的确定没有明确标准，当位移突变曲线光滑时很难找 到突变点，很难准确计算对应的安全系数，更重要的是传统失稳判据判断边坡极限状态受到人为主观因素的影响，而提出 的失稳判据可以实现失稳判据的客观标准化；确定的临界滑裂面形状以及在边坡中的位置都与标准答案基本一致，提出的 失稳判据适用于强度折减法。     

基于SLFT的边坡强度折减法失稳判据

强度折减法在评价边坡稳定性时不需要假设和搜索临界滑裂面,相对于其它方法具有一定优势,但失稳判据尚无明 确标准。滑移线场理论（SLFT） 可以计算得到的极限状态下的边坡坡面曲线（简称极限坡面曲线）,已有研究表明极限坡 面曲线与边坡坡面的相对位置关系可以判断边坡稳定性。基于该结论提出一种边坡强度折减法失稳判据：不同折减系数计 算得到不同的强度参数,因此滑移线场理论计算得到的极限坡面曲线将发生变化,当极限坡面曲线与边坡坡面在坡底相离 时,判断边坡为稳定状态;当极限坡面曲线与边坡坡面相交于坡脚时,判断边坡为极限平衡状态;当极限坡面曲线与边坡 坡面相交时,判断边坡为失稳状态。对标准边坡考题的计算结果表明：提出的失稳判据收敛性较好,安全系数计算结果与 标准答案和已有失稳判据分析结论相差较小;传统失稳判据收敛指标的确定没有明确标准,当位移突变曲线光滑时很难找 到突变点,很难准确计算对应的安全系数,更重要的是传统失稳判据判断边坡极限状态受到人为主观因素的影响,而提出 的失稳判据可以实现失稳判据的客观标准化;确定的临界滑裂面形状以及在边坡中的位置都与标准答案基本一致,提出的 失稳判据适用于强度折减法。     

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。     

应用离散元强度折减对复杂边坡进行稳定性分析

介绍了离散元（DEM）及强度折减法基本原理,利用3DEC软件结合强度折减法对某水电站高边坡进行稳定性分析。对岩体强度参数进行折减,以关键点位移与时间关系曲线发散时的折减系数作为边坡安全系数,根据位移矢量图确定滑面和破坏形态。通过与Dijkstra极限平衡有限元法及Sarma法的计算结果对比,验证该方法的可靠性。在二维计算基础上建立并简化三维模型,模拟边坡三维应力场。结合工程关注区域的应力及位移趋势,采用3DEC中的辅助节理截取典型坡段单宽模型,在已有的三维应力场的基础上对其进行强度折减,弥补了二维强度折减未考虑三维应力场对边坡稳定性影响的不足,把握了工程重点及力学特性,为类似工程提供了一种合理高效的稳定性分析手段。     

Slope stability analysis by SRM-based rock failure process analysis (RFPA)

The fundamental principles of the strength reduction method (SRM) are incorporated into the rock failure process analysis (RFPA) code to produce an RFPA–SRM method for analysing the failure process and stability of rock and soil slopes. The RFPA–SRM method not only satisfies the global equilibrium, strain-consistent, and non-linear constitutive relationship of rock and soil materials but also takes into account the heterogeneous characteristics of materials on the micro- and macro-scales. When the proposed method is used for slope stability analysis, both the critical failure surface and the safety factor can be obtained directly without any assumptions regarding the shape and location of the failure surface. The numerical results agree well with those obtained using conventional limit equilibrium and other FEM strength reduction methods. The proposed technique is applied to a number of more complex cases, including slopes in mixed rock–soil formations, rock layer formations, and highly jointed rock masses. It is shown that the RFPA–SRM method can describe the mechanism of failure of slopes and has potential applications in a large range of geoengineering problems.