基于M-C准则的强度折减法分析边坡稳定性研究

在对基于M-C准则的有限元强度折减法分析边坡稳定性理论研究的基础上,编写了相应的有限单元法分析程序。通过对相关考题和算例的分析表明,其分析成果与极限平衡法的分析成果是一致的,这表明基于M-C准则的有限元强度折减法在边坡稳定性分析中是可行的,其分析成果是可靠的。     

一种基于有限元应力场的边坡滑动面搜索方法

如何将有限单元法计算得到的结果是应力场、应变场和位移场等计算成果应用于边坡稳定安全系数及滑裂面位置的确定,是有限单元法边坡稳定分析中的一个重要研究课题.提出一种基于有限元应力场的最危险滑裂面的搜索方法,编制了搜索程序,采用澳大利亚边坡稳定分析程序的考核题进行对比验算,验证了该方法的正确性及程序的可行性.     

复合地基加固路堤的稳定性分析

通过对复合地基加固路堤稳定性的极限平衡法和有限单元法的计算结果进行对比分析,揭示出当路堤的稳定性由复合地基决定时,极限平衡法和有限单元法的计算结果存在较大差异。应用岩土有限元软件Plaxis中的强度折减法可得到合理的路堤稳定性分析结果。对复合地基中桩体破坏模式的分析认为,桩体发生非剪断破坏之外的弯曲、转动、拉伸等破坏模式是极限平衡法与有限单元法计算结果产生差异的根本原因。由此进一步指出,当处理存在土与结构物相互作用的边坡稳定问题时,极限平衡法的分析结果可能会高估了边坡的稳定性,应慎重判别其合理性。     

基于强度折减和重度增加的边坡破坏判据研究

通过分析鸡鸣寺滑坡等典型滑坡变形监测数据,总结了典型滑坡的变形破坏规律,作为边坡破坏的判别标准,并应用到基于强度折减和重度增加法的边坡稳定分析中。通过典型算例分析,建议以变形变化趋势为边坡破坏判别标准,并研究了强度折减法和重度增加法分析边坡稳定的可行性;较全面地分析了影响计算精度的各种因素。结果表明,采用的边坡破坏判别标准概念清晰、物理意义明确,界定清晰。相比较而言,强度折减法的可靠性和稳定性相对较好,适用范围较广。     

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。     

边坡稳定临界破坏状态的动力学评判方法

针对目前用有限单元法分析边坡稳定时,对临界状态判别存在的一些问题和不足,提出了边坡稳定临界破坏状态的动力学评判方法。该方法以加速度是否为零作为边坡是否稳定的判据,同静力方法相比,具有物理意义明确,计算易收敛等优点。在分析滑动本质的基础上,提出通过搜索剪应变最大的点以确定临界滑裂面的方法。算例证明了临界状态动力学评判方法的可靠性。     

小山水电站厂房高边坡岩体稳定性研究

本文采用块体极限平衡Sarma法和非线有限单元分析法对小山水电站厂房边坡岩体稳定性进行了分析研究。综合两种方法的计算成果分析, 厂房边坡岩体在自然状态下是基本稳定的, 整体安全系数均大于1.30, 但在边坡岩体内存在部分张应力区和塑性区。若考虑Ⅵ度地震, 厂房边坡岩体Sarma法和有限元计算的安全系数分别为1.18和1.16, 处于极限平衡状态。考虑到长期稳定边坡安全系数大于1.30的规范要求, 需进行一定的加固处理, 保障厂房安全运行。     

水库边坡稳定的可靠度分析

根据水库边坡的勘察资料,确定了边坡稳定性分析的力学模型,推导了滑面面积的计算公式,采用不平衡推力传递法进行了边坡稳定的定值法分析和可靠度分析。可靠度分析中,分别讨论了滑面强度参数及几何参数的变异性对边坡稳定性的影响。计算结果表明,不考虑参数变异性的定值法分析结果所得边坡的安全系数过高,偏于危险。水库边坡的可靠度分析结果表明：滑面几何参数的变异性对边坡稳定的可靠指标或失效概率影响很大。因此,对于岩质边坡的稳定性分析,不仅要重视研究滑面强度参数的变异性,也要重视研究滑面几何参数的变异性。     

非均质土坡的有限元塑性极限分析

在评价现有边坡稳定分析方法的基础上,提出了边坡稳定的有限元塑性极限分析方法。借助有限单元思想和线性规划,建立了边坡稳定的数学规划模型,由此可以求出安全系数的上下限解,从而,界定了边坡的安全范围,同时,可以给出下限状态下的应力场和上限状态下的速度场。以一个经典非均质土坡的边坡稳定作为算例,比较了多种方法的分析结果,论证了本方法的正确性。     

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。     

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。     

基于强度折减法的韩城煤矿边坡稳定性分析

将有限元强度折减理论应用于边坡稳定性分析中,运用ANSYS大型有限元分析软件,基于Drucker-Prager（D-P）屈服准则,采用力和位移的收敛标准作为破坏判据,进行边坡的稳定性分析。当折减系数达到某一数值时,非线性有限元静力计算将不收敛,滑面上的位移将产生突变,边坡内一定幅值的广义剪应变自坡底向坡顶贯通,此时认为边坡已破坏,并定义此时的折减系数即为稳定系数。文中以韩城煤矿节理岩质边坡为例,运用该方法进行了稳定性分析并与并与传统的Bishop法、Janbu法等方法对比。计算结果表明,有限元强度折减法能更加真实地反映边坡的实际情况,求得的边坡稳定系数更接近边坡的实际稳定状态,显示出其在边坡稳定性分析中的一定优势。     

三维边坡稳定弹塑性有限元分析与评价

在边坡稳定分析有限元强度折减法的基础上,将二维分析推广到三维分析,研究了其安全系数的定义方式、屈服准则与失稳破坏标准等。算例分析表明,三维有限元分析比传统三维极限平衡方法和二维有限元分析更加符合实际,可以较好地模拟解决实际工程的计算问题。探讨了影响二维与三维分析结果的一些因素,通过分析得出结论：相同模型中选取Mohr内切圆屈服准则比选取外接圆屈服准则的计算结果偏于保守;三维边坡的侧向边界约束条件和长高比对计算结果影响较大,侧向边界全部约束时安全系数将大大增加,而安全系数随着长高比的增加逐渐减小。     

采用不同Drucker-Prager屈服准则得到的边坡安全系数的转换

研究了边坡稳定分析的有限元强度折减过程中（平面应变条件下）Drucker-Prager（简称D-P）屈服面的变化特点,从而提出了有限元强度折减法采用不同屈服准则计算得到的边坡安全系数之间的转换关系式。在利用有限元强度折减法计算边坡稳定安全系数时,ANSYS有限元软件采用的岩土材料屈服准则为Mohr-Coulomb（简称M-C）六边形外接圆D-P准则,可先求出外接圆D-P准则条件下的安全系数,然后利用所提出的安全系数转换公式就可直接计算出各D-P准则条件下的安全系数。因此,通过转换就可以在ANSYS程序中实现不同M-C准则,而不需要进行二次开发。采用ANSYS软件通过算例分析,比较了由转换关系式得到的安全系数与实际计算的结果,讨论了转算结果的误差。算例结果表明：通过转换关系式得到的安全系数与计算得到的结果非常接近,具有比较高的计算精度,同时也证明所提出的方法是可行的。     

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。     

基于有限元强度折减法的边坡动力稳定性可靠性分析

传统有限元强度折减法在边坡稳定性数值分析中取得了一定的成功,但由于未考虑岩土体材料参数的变异性等不确定性因素,尚不能直接应用于边坡稳定性特别是动力稳定性可靠性分析问题。为此提出了基于有限元强度折减法的地震边坡动力稳定性可靠性分析方法。将有限元极限分析法、动力分析法和可靠性分析法三者耦合,分析求解边坡在地震作用下的动力稳定性可靠性问题,并将这一过程在数值计算程序中得以实现。在计算分析过程中,克服了原方法需不断人工试算才能得到边坡安全系数而无法量化处理问题,并对边坡动力失效准则进行了适用于程序化的改进,使其计算过程完全实现自主运行。结合典型算例分析结果表明,该方法显著的特点是能较全面地反映岩土体的动力特性和边坡岩土体材料强度参数的变异性及相关性,所得结果相对更加合理且更符合工程实际。该方法既是对有限元强度折减法的应用范围的有益推广,也为边坡动力稳定性可靠性问题研究提供了一条新的有效途径。     

基于静动力有限元的边坡抗震稳定分析方法

由人工截断边界输入地震波,通过时程积分法确定地震荷载作用下边坡的应力和变形,在人工截断边界上采用黏-弹性人工边界条件模拟地基辐射阻尼的影响。采用有限元强度折减法求解边坡稳定安全系数,以塑性区贯通时刻特征点的位移突变作为边坡失稳的评判标准。非线性有限元和黏-弹性人工边界条件结合运用,建立了基于静动力有限元的边坡抗震稳定分析方法。该方法在稳定安全系数的定义上和传统的刚体极限平衡法是一致的。以十里铺水电站为工程实例,分析了库区边坡的抗震稳定性,得出了边坡动力位移时程和动力稳定安全系数,计算结果合理评价了实际工程在地震荷载下的稳定性。     

Numerical analysis of slope stability based on the gravity increase method

A micromechanical model is proposed for studying the stability and failure process of slopes based on the gravity increase method (GIM). In this numerical model the heterogeneity of rock at a mesoscopic level is considered by assuming that the material properties conform to the Weibull distribution. Elastic damage mechanics is a method used for describing the constitutive law of the meso-level element, the finite element method (FEM) is employed as the basic stress analysis tool, and the maximum tensile strain criterion and the Mohr–Coulomb criterion are utilised as the damage threshold. The numerical model is implemented into the Realistic Failure Process Analysis (RFPA) code using finite element programming, and an extended version of RFPA, i.e., RFPA-GIM, is developed to analyse the failure process and stability of slopes. In the numerical modelling with RFPA-GIM, the critical failure surface of slopes is obtained by increasing the gravity gradually but keeping material properties constant. The acoustic emission (AE) event rate is employed as the criterion for slope failure. The salient feature of the RFPA-GIM in stability analysis of slopes is that the critical failure surface as well as the safety factor can be obtained without any presumption for the shape and location of the failure surface. Several numerical tests have been conducted to demonstrate the feasibility of RFPA-GIM. Numerical results agree well with experimental results and those predicted using the FEM strength reduction method and conventional limit equilibrium analysis. Furthermore it is shown that selection of the AE rate as the criterion for slope failure is reasonable and effective. Finally, the RFPA-GIM is applied to several more complex cases, including slopes in jointed rock masses and layered rock formations. The results indicate that the RFPA-GIM is capable of capturing the mechanism of slope failure and has the potential for application in a larger range of geo-engineering.     

Upper bound finite element analysis of slope stability using a nonlinear failure criterion

In this study, upper bound finite element (FE) limit analysis is applied to stability problems of slopes using a nonlinear criterion. After formulating the upper bound analysis as the dual form of a second-order cone programming (SOCP) problem, the stress field and corresponding shear strength parameters can be determined iteratively. Thus, the nonlinear failure criterion is represented by the shear strength parameters associated with stress so that the analysis of slope stability using a nonlinear failure criterion can be transformed into the traditional upper bound method with a linear Mohr–Coulomb failure criterion. Comparison with published solutions illustrates the accuracy and feasibility of the proposed method for a simple homogeneous slope stability problem. The proposed approach is also applied to a seismic stability problem for a rockfill dam to study the influence of different failure criterions on the upper bound solutions. The results show that the seismic stability coefficients obtained using two different nonlinear failure criteria are similar but that the convergence differs significantly.