地震作用前后极限平衡法和强度折减法的边坡稳定分析对比

分别运用极限平衡法和ANSYS强度折减法对国内某边坡地震作用前后稳定性进行了分析,考虑地震作用时采用了拟静力法施加水平和垂直两个方向的地震力.根据地震作用前后两种方法得到的边坡稳定系数、滑动面、滑动体的对比分析发现,两种方法得出的安全系数、滑动面相差不大,说明了强度折减法运用到边坡稳定分析中是合理的.强度折减法得出安全系数均比极限平衡法略大,这是由于强度折减法考虑了土体的应力-应变关系,使得计算结果更符合实际.通过地震作用前后边坡的水平位移图的对比,总结了一些规律,为地震区边坡的锚固提出相应的建议.     

基坑土钉支护边坡有限元稳定性分析方法探讨

针对基坑土钉支护开挖边坡的稳定性,讨论了极限平衡方法的局限性,指出应用有限元方法分析评价基坑土体结构稳定性是近年来研究的新趋势。采用滑面应力分析法和强度折减法两种有限元方法对基坑边坡的稳定性进行了研究。对于无支护的基坑边坡,两种有限元方法得到的安全系数和滑动面结果一致,且滑动面形状随基坑土体强度的降低保持不变。对于采用土钉支护的基坑边坡,两种有限元方法得到的安全系数结果一致,不同阶段下滑动面形状和位置不同,这主要是由于在强度折减时,仅仅对土体强度参数进行折减,而未考虑土钉自身强度的降低。最后指出,在应用强度折减法时,是否考虑土钉自身强度的折减有待进一步研究。     

用有限元极限平衡法分析边坡的稳定性

用有限元分析为基础的极限平衡法计算了边坡安全系数,并将结果与摩尔-库仑屈服准则、外接圆D-P屈服准则强度折减法得到的结果、以及Spencer（极限平衡）法的结果进行了比较,结果表明,有限元极限平衡法计算的边坡安全系数与摩尔-库仑屈服准则强度折减法和Spencer法的结果很一致,而D-P准则强度折减法得到的结果偏差较大。叙述了存在已知滑动面和不存在滑动面时有限元极限平衡法的计算方法。用大型通用有限元软件,如ANSYS等,可方便地进行这种方法的边坡安全系数的计算,并有足够的精度。     

一种基于强度折减法的次级滑动面分析方法研究

传统强度折减法通常对整个边坡区域进行折减,因而只能得到最小安全系数及对应的最危险临界滑动面。但在工程实践中,边坡的治理范围不能局限于最危险滑动面所包围的区域,不满足规范要求的次级滑动面范围内的坡体亦应得到治理。为了克服传统强度折减法在搜索次级滑动面方面的缺陷,提出了一种新的强度折减法。一般而言,边坡的屈服区域主要集中在滑动面两侧附近,形成一个沿滑动面分布的剪切破坏带,因此,在用强度折减法进行边坡稳定性分析时,只需对剪切破坏带范围内的局部坡体进行折减,则可得到该滑动面的安全系数和滑动面。基于以上认识,假设剪切破坏带沿对数螺旋曲线分布,不断调整对数螺旋曲线的形状以得到不同范围的剪切破坏带,对各种不同的剪切破坏带范围内的坡体进行局部折减计算,即可得到不同的安全系数及对应的滑动面。通过两个边坡算例（单台阶、双台阶）验证了该方法的可行性,并最后讨论了剪切破坏带的宽度对结果的影响。两个算例的计算结果表明,该方法不仅可以得到最危险临界滑动面,亦可得到任意安全系数对应的滑动面。     

有限差分强度折减法与边坡安全系数和滑动面研究

确定安全系数和潜在滑动面是边坡稳定性分析的两项重要内容,对其的研究主要有极限平衡法和强度折减法。极限平衡法由于能方便快捷搜索计算出所有潜在滑动面的安全系数而得到广泛应用;而基于强度折减法的数值模拟却能展现出边坡在应力、应变、塑性区等方面更多信息,也越来越受到重视而进行了大量相关研究。基于有限差分强度折减法是确定边坡安全系数和滑动面的一种新方法。通过简单均质边坡算例和实际复杂成层露天矿边坡实例计算、对比验证,该法是科学合理且可行的,可以作为类似工作的参考。     

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。     

黏性土地基中竖向圆孔的极限稳定深度研究

工程中经常遇到打设竖向圆孔的问题,在黏性土地基中打设竖向圆孔,需要知道无护壁措施条件下竖向圆孔的极限稳定深度。首先进行坡面竖直边坡的极限平衡分析,假设破坏面为过坡趾的平面滑动面,建立滑动体极限平衡方程,得出边坡的极限稳定高度,结果与Taylor圆弧滑动面分析方法的结果比较吻合;然后将平面滑动面扩展到轴对称的含圆柱体竖向孔地基极限平衡分析,假定破坏面为通过圆柱体竖向孔底边缘的倒圆台侧表面,建立滑动体的极限平衡状态方程,得到和土坡极限平衡解答统一的cu /?h（cu为土体不排水抗剪强度,γ为重度,h为竖向孔深度）和h/r（r为竖向孔半径）关系,利用该关系可以分析地基中竖向圆孔的稳定,为地基中竖向孔的设计提供依据;通过数值方法建立竖向孔不同几何参数的数值模型,计算含竖向孔地基能够维持稳定的cu /?h下限值,和倒圆台滑动体极限平衡解答符合较好,进一步验证了所提极限平衡分析方法的合理性。     

基于强度折减弹塑性有限元法的抗滑桩加固边坡稳定性分析

以大型通用有限元分析软件ABAQUS作为平台,以迭代不收敛联合坡面特征点位移陡增作为抗滑桩加固边坡失稳判据,通过二次开发建立了能够自动搜索安全系数的抗滑桩加固边坡稳定性强度折减弹塑性有限元分析模型,结合典型算例的对比分析验证了这一判据的有效性。在此基础上,针对一实例边坡进行了稳定性数值分析。研究表明,对于抗滑桩加固边坡,以强度折减有限元法所确定的潜在滑动面,一般地比极限平衡法、极限分析上限方法要浅。     

物质点强度折减法及其在边坡中的应用

物质点法适用于模拟连续介质大变形,如边坡失稳全过程。在物质点法中应用强度折减法,用于边坡稳定性评价。与极限平衡法相比,二者安全系数计算值、滑动面位置结果基本一致;与有限元强度折减法相比,物质点法失稳评价标准的物理意义明确。利用物质点法大变形计算优势,评价边坡失稳后的破坏后果,通过算例说明其评价不同安全系数下的滑坡堆积形态及滑移距离的能力,尤其是评价滑坡对临近建筑物的影响程度的能力。物质点强度折减法可用于边坡稳定性评价及边坡破坏后果评价。     

Soil nailed slope by strength reduction and limit equilibrium methods

A detailed study of nailed slopes under different conditions is reported in this paper. No major difference is found in terms of safety and slip surfaces between the strength reduction method (SRM) and the limit equilibrium method (LEM) in general cases. Appreciable differences between the SRM and LEM appear, however, if the nail load is controlled by the overburden stress. Some special slip surfaces from the SRM obtained by using a very fine mesh are discussed. Field tests demonstrated that the nail head is important in determining the failure mode and the factor of safety of a nailed slope, while the effect of the nail elastic modulus is more noticeable only when the slope is very steep. The optimum layout of the soil nail was found to be longer at bottom and shorter at the top, which is contrary to some engineers’ guidelines for soil nail design during top-down construction. The distribution of tensional force along the soil nail is influenced by the state of the slope (service state, limit state) and the failure modes (external failure, internal failure). In general, the line of maximum tension may not correspond to the critical slip surface as commonly believed, except for the case where the failure mode is an internal tensile failure.     

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。     

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.     

东南沿海残积土地区降雨诱发型滑坡预报雨强-历时曲线的影响因素分析

东南沿海山地丘陵地区每年雨季期间有大量土质滑坡发生,如何对由降雨诱发的滑坡进行预报一直都是一个热点研究课题,雨强-历时曲线（简称I-D曲线）是目前国内外常用的降雨型滑坡预报的降雨量临界值曲线。针对东南沿海地区的浅层残积土滑坡,根据相关勘察数据及资料,概化得到了该类型边坡的地质剖面及岩土层性质,然后应用Geo-Studio软件分析了边坡初始湿润条件、土体抗剪强度、饱和渗透系数、边坡坡角、残坡积土层厚度及雨型等参数对I-D曲线的影响规律。分析结果表明：残坡积土抗剪强度参数、饱和渗透系数、边坡坡角、雨型等因素对I-D曲线的影响显著,边坡安全系数降至临界值所需降雨历时随抗剪强度参数值降低、表层残积土渗透系数增加或坡角增大而减少;当雨强较小时,初始湿润条件对I-D曲线的影响显著;当雨强大于残坡积土层饱和渗透系数时,入渗量主要由渗透系数控制,边坡安全系数降至临界值所需降雨历时不随雨强增大而变化。该研究结果为I-D曲线在东南沿海残积土地区降雨诱发滑坡预警预报中的应用奠定了基础。     

膨胀变形对膨胀土边坡稳定性的影响

当采用合理的强度参数时,根据常规极限平衡或极限分析方法的计算结果,很难解释一些膨胀土边坡会在极缓的坡度下发生失稳破坏的原因。事实上,由于膨胀土遇水后会发生显著的变形,在饱和区与非饱和区交界面附近会出现很大的剪应力。因此,在膨胀土边坡的稳定分析中,需要考虑这种因素的影响。根据塑性力学的上限定理,严格地导出了考虑膨胀应力作功的功能平衡方程。根据强度储备定义的安全系数即隐含在这一方程中,它可以通过迭代方法求解。边坡稳定的上限分析在数值上是利用了单元集成法来完成的。这不仅能方便地利用应力分析的成果,而且能进行滑裂面的优化,从而找到最小的安全系数。对一个坡度为1:4的膨胀土边坡的稳定计算结果表明,膨胀变形会使边坡的安全系数显著减小。当考虑膨胀时,优化得到的破坏模式是在浅层出现一个局部的滑动,它会牵动其上部的土体也相继出现局部滑动,这正好符合膨胀土滑坡时所常见的牵引性的特征。     

Strength reduction FEM in stability analysis of soil slopes subjected to transient unsaturated seepage

The instability of soil slopes induced by the fluctuation of water level or rainfall has received much attention in the literature recently and the failure mechanism is closely related to the change of matric suction of unsaturated soils. Such a change is basically induced by unsaturated transient seepage. The traditional approach for estimating the stability of slopes subjected to unsaturated transient seepage is based on the limit equilibrium method (LEM). The limit equilibrium approach is limited by assumptions about analysis method and failure mechanism. In order to overcome those limitations, a finite element method with shear strength reduction technique (SSRFEM) has been successfully applied to the slope stability analysis in absence of seepage. The main objective of this paper is to extend the use of the strength reduction FEM to include the effects of unsaturated transient seepage and some primary numerical results concerning the stability of an earth dam under rapid drawdown are presented. Emphasis has been given to comparison of the safety factors obtained by LEM and SSRFEM. Topics for the further research in this area are also suggested.     

基于主动学习径向基函数的边坡系统可靠度分析

相较于极限平衡法,强度折减法在计算边坡稳定性系数上有许多优势,但更大的计算量在一定程度上限制了其在边坡可靠度分析中的应用。为了有效地减少可靠度分析中数值模型的计算次数,以减轻使用强度折减法所带来的计算压力,引入了基于主动学习径向基函数（ARBF）代理模型的高效分析方法：利用主动学习函数在极限状态面附近搜索训练样本更新代理模型,加快模型训练的收敛速度;采用线性核径向基插值函数简化模型参数优化过程,建立简洁、稳定的代理模型。此外,为了充分发挥主动学习代理模型的优势,提出针对土质边坡特性的初始采样策略。当得到稳定的代理模型后,结合蒙特卡罗模拟计算边坡的系统失稳概率。作为对比,基于两个典型边坡算例,测试了两种经典的可靠度方法：主动学习克里金模型（AK）和二次响应面法（QRSM）,论证了引入的主动学习径向基函数代理模型在计算效率上的高效性和计算模型上的稳定性。     

基于斜坡单元的滑坡风险识别

识别斜坡地质灾害风险已成为西南山区地质灾害防治的重要基础工作,通过GIS软件划分出孕灾斜坡单元,选取坡度、坡高、覆盖层厚度、滑体土类型、人类工程活动、日最大降雨量等6项指标作为评价因子,利用层次分析法开展山区大比例尺地质灾害危险性评价,初步评价出研究区危险性斜坡。以万山区1:1万地质灾害风险调查获取的斜坡剖面模型为基础,通过取样、试验,综合选取岩土体物理力学参数,利用有限元软件对暴雨状态下的高危险斜坡进行数值模拟,通过强度折减计算出安全系数均小于1.05,并存在不同程度的塑性贯通区。其分析结果与层次分析法评价结果一致,可作为西南山区浅层土质滑坡隐患识别的定量化评价方法。     

地震效应下非线性抗剪强度参数对裂缝边坡稳定性影响的上限解析

基于非线性Mohr-Coulomb破坏准则,结合极限分析上限法和拟静力分析法,建立功能方程,推导了地震效应下裂缝边坡的安全系数计算方程。采用数学规划方法,计算了不同参数组合条件下的边坡安全系数值,详细分析了非线性条件下一系列参数对边坡稳定性的影响。研究表明,边坡安全系数随非线性参数和地震效应的增大而减小。对比分析可知,在非线性破坏准则下,裂缝深度较大时,裂缝对边坡稳定性影响显著,且边坡越陡影响越大;当裂缝深度超过某个值后,临界破坏面起始端可能不穿过裂缝最底端,而是从裂缝中间某部位穿过。在地震效应作用下,非线性抗剪强度参数对安全系数影响显著。研究成果进一步完善了裂缝边坡稳定性分析内容,所列图表为边坡的设计与施工提供有益参考。     

多阶多层复杂边坡稳定性的通用上限方法

极限分析上限方法在边坡稳定性评价中受到了广泛关注,但当前所取得的解析成果尚不能直接应用于解决任意多土层分布、多台阶的广义复杂层状边坡。基于组合对数螺线的旋转破坏机制,推导了具有任意坡面几何特征、任意多土层（含非水平土/岩层）边坡的外功率统一积分表达式及相应的虚功率方程,提出了多阶多层复杂边坡稳定性的通用极限分析上限方法;为克服积分式的复杂解析计算,引入了数值积分技术。在此基础上,结合最优化方法和强度折减技术,优化求解了复杂边坡的全局稳定性安全系数及相应的临界滑动面。通过多个典型算例的验证与对比分析,表明该方法具有较高的精度和广泛适用性。最后,针对典型多阶多层边坡实例,开展了上限法的深度拓展与应用研究,其结果为广义复杂层状边坡的稳定性评价提供了新思路。