关于强度折减有限元方法中边坡失稳判据的讨论

在边坡稳定性分析中采用强度折减弹塑性有限元方法时,所得到的总体安全系数在一定程度上依赖于所采用的失稳评判标准,通常以数值计算的收敛性作为边坡失稳判据。而有限元计算的数值收敛性受多种因素的影响,因而由此所得到的安全系数的合理性及其唯一性受到了质疑。为了考查目前各种失稳判据的合理性及其适用性,分别依据计算的收敛性、特征部位位移的突变性和塑性区的贯通性等3个失稳判据,针对某一典型边坡算例,采用强度折减弹塑性有限元方法进行稳定性分析,并与Spencer极限平衡法所得到的总体安全系数进行了对比。对比分析表明,以有限元数值计算的收敛性作为失稳判据在某些情况下所得到的安全系数可能误差较大,而采用特征部位位移的突变性或塑性区的贯通性作为失稳判据所得到的边坡安全系数与Spencer极限平衡法的计算结果比较接近,考虑到实用性与简便性,建议在边坡稳定性分析的强度折减有限元方法中联合采用特征部位位移的突变性和塑性区的贯通性作为边坡的失稳判据。     

三类边坡失稳判据的统一性

将热力学理论中材料破坏的能量机制引入边坡工程中,推导了强度折减过程中边坡的能量方程,利用FLAC3D二次开发了能量的计算程序,并应用于某经典边坡算例中。通过与Spencer法的计算结果对比发现：强度折减法中边坡的稳定性与能量变化关系紧密,由此提出了4种新的失稳判据--能量突变失稳判据,且4种能量突变失稳判据理论上是统一的。通过对比发现：动能突变判据与数值计算收敛性判据、重力势能降突变判据与特征点垂直位移突变判据、耗散能增量突变判据与塑性区贯通判据分别存在对应关系,证明了常见的3类失稳判据也是统一的。通过算例试算发现,3类判据判定结果不相等主要是由收敛标准和网格精度等人为因素造成的,本质上是因为数值计算是一种近似解。工程应用中,可通过3类失稳判据判定结果的一致性来自评安全系数的计算精度,一致性越好,精度越高。提高计算精度的根本办法是严格收敛标准和精细网格划分,但应同时兼顾数值计算的时长,从而实现计算效率最大化。     

有限元强度折减法中边坡失稳位移突变判据的改进

采用有限元强度折减法分析边坡稳定性时,计算所得安全系数依赖于所采用的失稳评判标准。目前边坡失稳判据的多样性及其不确定性,使得计算所得安全系数的合理性及其唯一性受到了质疑,因此如何选择或改进一种既能满足工程需要又易于操作的失稳判定准则显得尤为重要。针对某一典型边坡算例分别按计算收敛性、特征部位位移突变性和塑性区贯通性等3 个失稳判据考查判据的合理性及其适用性,对比研究三维与二维数值所得边坡稳定安全系数的差异,然后对位移突变失稳判据进行了一种改进,通过绘制位移突变倍率(当前分析步位移与上一分析步位移之比)跟折减系数的关系曲线来确定边坡安全系数,并通过简化的实例模型证明了其适用性。     

物质点强度折减法边坡失稳判据选择方法

用物质点强度折减法求解边坡安全系数时,需要选择一定的失稳判据,而采用不同的失稳判据获得的安全系数通常存在一定差异.为此,采用物质点强度折减法对两个边坡算例进行了稳定性分析,对比研究了文献中常用的4种边坡失稳判据(计算不收敛、特征点位移突变、塑性应变贯通及界限值判据)在计算边坡安全系数时的合理性及适用性.同时,将Spen...     

边坡稳定强度折减有限元分析中的若干问题讨论

强度折减有限元法在边坡稳定性分析中得到了广泛应用,但仍存在一些问题未能很好地解决。首先探讨了不同单元类型对边坡稳定安全系数计算精度的影响,指出采用三角形二阶单元,能够较好地模拟土坡的渐近破坏过程,且相对网格大小控制在0.1～0.15之间时能获得较精确的解;其次讨论了边坡失稳的4个判据问题,指出在合理网格大小区间内,有限元强度折减至土坡破坏时,先后出现塑性区贯通、等效塑性应变带贯通、位移陡增与数值计算不收敛等4种表征,以此分别作为边坡失稳判据,所得到的安全系数具有较好的一致性;最后讨论了边坡破坏时滑动面深浅、滑出点位置与坡体材料的黏聚力、内摩擦角及坡角间的关系,指出黏聚力越大、内摩擦角越小或坡度越小,滑动面越深,且滑出点越远离坡脚。     

修正有限元强度折减法与失稳判据在边坡稳定分析中的应用

现有的有限元强度折减法用于边坡稳定性分析,在土体变形特性的认识和失稳判据上有缺陷。基于土体的应力-应变曲线和邓肯-张非线性弹性模型进行有限元强度折减法计算分析,在现有方法仅对强度参数--黏聚力c和内摩擦角φ进行折减的基础上,提出了切线弹性模量Et的折减算法,更全面地体现折减的内涵;提出了以潜在滑动区域的能量积分变化作为判据,根据能量积分与折减系数关系曲线的特征,将其拟合成两段直线,以其交点所对应的折减系数作为边坡的安全系数。比较分析了修正Duncan有限元强度折减法、失稳判据与文献的计算结果,同时分析了边坡滑动区能量积分计算范围对结果的影响,并用于南水北调东线实际工程计算分析。结果表明：修正Duncan有限元强度折减法能较全面考虑土体的变形和强度特性,新的边坡滑动失稳判据可行且具有较好的计算稳定性,能保证工程建设的安全。     

边坡稳定有限元分析中的三个问题

对大型有限元软件ABAQUS进行二次开发,提出了自动搜索安全系数的边坡稳定有限元分析模型。在此基础上进行大量变动参数研究,探讨了迭代不收敛、塑性区贯通及等效塑性应变贯通等3种边坡失稳判据的内在联系与适用性,其中迭代不收敛判据易于自动搜索的编程实现,且较少依赖研究者的经验。大多数情况下单元阶次不影响安全系数的确定,但一阶单元有时可能高估安全系数,建议采用二阶单元。基于更新拉格朗日格式实施边坡稳定大变形有限元分析,结果表明迭代不收敛准则不适用于大变形分析。     

基于强度折减的土质边坡破坏及稳定分析

边坡的破坏过程是由土体局部破坏向整体失稳发展的过程,其塑性区的开展及其水平位移增量的变化较完美地展现了这个过程。根据边坡的实际破坏和有限元数值模拟情况,提出了以特征点位移增量的突变及塑性区贯通作为边坡的失稳判断准则;并以此为判据,采用基于强度折减的大变形有限元方法分析了土质边坡的破坏及稳定性。研究表明,采用强度折减有限元法可有效分析边坡的破坏及其稳定性;此外还分析了带有软弱夹层黏土边坡的破坏性状及其稳定性,并比较了大、小变形有限元的计算结果,结果表明,带有软弱夹层黏土边坡的破坏性状随软弱夹层土体性质的变化而变化,由大小变形有限元分析得到的边坡稳定安全系数较为一致,但边坡的破坏机制随软弱夹层土体性质变化的转变点不同。     

极限分析有限元法讲座--Ⅱ有限元强度折减法中边坡失稳的判据探讨

边坡失稳,滑体滑出,滑体由稳定静止状态变为运动状态,同时产生很大的且无限发展的位移,这就是边坡破坏的特征。有限元中通过强度折减使边坡达到极限破坏状态,滑动面上的位移和塑性应变将产生突变,且此位移和塑性应变的大小不再是一个定值,有限元程序无法从有限元方程组中找到一个既能满足静力平衡又能满足应力-应变关系和强度准则的解,此时,不管是从力的收敛标准,还是从位移的收敛标准来判断有限元计算都不收敛。塑性区从坡脚到坡顶贯通并不一定意味着边坡破坏,塑性区贯通是破坏的必要条件,但不是充分条件,还要看是否产生很大的且无限发展的塑性变形和位移,有限元计算中表现为塑性应变和位移产生突变。在突变前计算收敛,突变之后计算不收敛,表征滑面上土体无限流动,因此可把有限元静力平衡方程组是否有解,有限元计算是否收敛作为边坡破坏的依据。-     

基于强度折减法的三维边坡失稳判据

为了寻求基于强度折减法的三维边坡稳定分析的合理判据,依托珍珠坝边坡采用FALC3D对位移突变判据及塑性区贯通判据进行分析,并与ANSYS计算结果和二维极限平衡结果进行比较。结果表明:在采用强度折减法对三维边坡稳定分析时,位移突变判据根据总位移增量和折减系数关系曲线较易识别突变点且特征点选在边坡坡顶滑体上较为合理;针对塑性区贯通判据的不足,提出了以贯通率增量和折减系数曲线上的突变点来判别边坡稳定性。因此,三维边坡失稳判据的合理选用应遵循以下原则:建议在滑带明确的情况下采用塑性区贯通率增量突变判据,在滑带未知的情况下采用位移增量突变判据。     

基于多元线性回归分析的土坡有限元失稳判据定量研究

塑性区连通程度是有限单元法判别土坡是否达到极限状态的重要依据,鉴于此判据目前尚未取得统一,本文着重对均质土坡失稳判据进行了定量研究。在主要考虑对土坡稳定性影响较大的三大参数(黏聚力c、内摩擦角φ、坡比λ)的前提下,通过经典条分法选取了多组处于极限平衡状态的土坡参数组合,对这些参数组合进行有限元程序计算,求得极限平衡状态下土坡剪切带等效塑性应变中值连通率,再采用多元线性统计回归方法,得出塑性区中值连通率与土坡参数的关系公式y=0.020702c+0.024417φ-0.67898λ+0.46799,从而为土坡有限元稳定性分析提供了定量失稳判据,并且使得有限单元法与经典条分法计算成果具有一定的可比性。算例分析表明,利用本文判据公式得到的安全系数与Bishop法计算成果相吻合,从而验证了失稳判据公式的正确性。     

水力作用下岩质斜坡破坏机制和稳定性分析研究现状

基于国内外研究现状和岩质滑坡案例,总结出岩质滑坡的水力致灾机制,归纳考虑水力作用下的岩质斜坡主要失稳破坏模式,评述了岩质斜坡稳定性分析方法。岩质滑坡的水力致灾机制主要由于水对滑体产生的静水压力（岩体侧面的推力、滑面的扬压力和岩体的浮力）和动水压力（向坡外的渗透力）作用。从渗流—应力耦合的角度可较全面评价水渗流对坡体稳定性的影响。斜坡的岩体结构决定了水力作用方式和坡体的失稳破坏形式,考虑水力作用下的岩质斜坡失稳破坏形式主要有:顺层滑动、平推式滑动、楔形体滑移和危岩的崩塌。对于水力作用下岩质斜坡的稳定性分析方法主要有极限平衡法、有限元强度折减法、基于断裂力学的危岩稳定性分析法和渗流—应力耦合模型分析法,其中前两种方法应用较为广泛。      

强度折减有限元法中的单元阶次影响分析

强度折减有限元法是当前较为有效的边坡稳定性评价方法,且应用越来越广泛。但影响强度折减有限元法的因素有很多,单元阶次是其中比较重要的一个。通过3个经典算例,这些算例分别是二维地基承载力问题、二维边坡和三维边坡问题,分析了单元阶次的选择对强度折减法的影响。计算结果表明：随着单元的增多,线性单元和二次单元都从大于真实解的一侧来逼近真解;相对于二次单元,由于线性单元过“刚”,因此,会过高地估计安全系数,对于实际工程会偏于危险,且误差大,二次单元的误差是线性单元误差的1/8左右。在采用系统最大位移收敛与否的评判标准的基础上,利用二次单元来进行强度折减分析,则可以弥补这种线性单元的不足,得到更加合理的安全系数。二次单元比线性单元更适合于强度折减有限元法。     

青岛崂山路拓宽工程边坡加固稳定性研究

针对青岛崂山路拓宽工程中高陡岩质边坡加固问题,选择典型（C区）坡体,建立数值分析模型,基于强度折减法采用三维快速拉格朗日法（FLAC3D）对该边坡加固前后的稳定性进行了数值模拟。通过对计算边坡稳定性的3种失稳判据进行比较分析,选取特征点位移突变为失稳判据,确定了边坡加固前后安全系数的变化。基于现场实际监测数据,对加固后边坡的稳定状态和加固效果进行评价。对该边坡的数值分析及监测结果分析表明,边坡处于安全状态,加固工程取得了明显的效果。      

锦屏一级水电站左岸坝肩边坡施工期稳定分析

锦屏一级水电站左岸坝肩高陡边坡地质条件复杂、主要发育有f5、f8、f42-9断层,煌斑岩脉X,顺坡卸荷裂隙及深部裂缝等结构面,其中断层f42-9、煌斑岩脉X和深部裂缝SL44-1组合形成的左岸坝头拉裂变形体,在边坡施工期的稳定性问题突出,特别是当边坡开挖至1 780 m高程时拉裂变形体前沿剪出口阻滑岩体被完全挖除,f42-9断层在开挖坡面出露,拉裂变形体稳定条件恶化,稳定性急剧下降。采用考虑开挖过程的有限元强度折减法分析开挖边坡在施工期的稳定性,并提出了一种新的边坡失稳判据：通过滑体内关键部位测点水平位移随折减系数的变化率,即水平位移增量与强度折减系数增量之比值 和强度折减系数 关系曲线的突变点来确定边坡的临界失稳状态。通过与其他边坡失稳判据相比较,验证了该判据的合理性和实用性,同时基于该判据计算了边坡开挖加固至不同高程下的稳定安全系数,合理评价左坝肩边坡施工期的整体稳定与安全性。     

边坡稳定的非线性有限元分析

基于有限元强度折减法,进行了边坡的弹塑性材料非线性及大变形几何非线性分析,并考虑了边坡的三维变形情况。在有限元分析中采用的是莫尔-库仑理想弹塑性模型,大变形分析采用的是更新的拉格朗日法。均质边坡的算例分析表明,有限元法与简化的毕肖普法的安全系数计算结果具有相同的规律,即安全系数都随着黏聚力及内摩擦角的增加而增加,随着重度的增加而减小,但是,各种有限元法的计算结果都比相应的毕肖普法的解要大,亦即毕肖普法偏于安全。各种方法对应的安全系数由大到小的顺序依次是：三维小变形有限元分析、二维大变形有限元分析、二维小变形有限元分析,简化的毕肖普法,前二者能更好地反映实际的边坡变形情况,二者的安全系数值也十分接近,因而是较好的方法。     

滑坡稳定性分析与安全系数取值研究

在地质灾害中,滑坡灾害分布最广、发生频率最高、危害最大,是我国地质灾害防治的主要对象。滑坡研究的主要任务之一是稳定性分析。论文针对三板溪水电站进水口滑坡和水布垭水电站大岩淌滑坡,分别采用刚体极限平衡法、块体单元法、有限单元法对稳定安全系数和条间推力分布曲线进行分析和比较,研究各种方法的差异和计算精度,以及各种方法稳定安全系数的取值标准,希望为水利水电工程边坡设计规范有关有限单元法、块体单元法条目的编写和相应的允许安全系数取值标准的制定提供一定的参考。研究结果表明:①块体单元法计算的安全系数与刚体极限平衡法计算的安全系数可以采用相同的取值标准,而有限单元法计算的安全系数取值标准可适当降低;②块体单元法计算的条间水平推力、条间剪切力与刚体极限平衡法(尤其是Sarma法)计算的条间水平推力、条间剪切力非常相近,有限单元法计算的条间水平推力、条间剪切力较小;③分析方法、力学模型与参数取值应与安全系数取值标准相匹配。