应变软化边坡渐进破坏及其稳定性初步研究

采用应变软化本构模型和矢量和法,提出了一种模拟应变软化边坡渐进性破坏过程的分析方法。该方法可得到应变软化边坡的坡体材料强度参数、滑面状态、稳定安全系数、边坡破坏状态的变化过程,据此可分析边坡的渐进破坏。采用所提方法对应变软化材料边坡算例进行了分析,并与3种极限平衡法进行了对比,结果表明:(1)滑面矢量和安全系数介于传统极限平衡法峰值安全系数与残余安全系数之间,滑面强度参数部分处于峰值状态、部分处于残余状态,弥补了传统极限平衡法不能得到真实的应变软化边坡安全系数的缺陷。(2)强度参数弱化的区域与边坡破坏区域位置一致,坡脚处滑面最先出现软化,随着塑性剪切破坏的发展,其由软化状态变为残余状态,邻近部分滑面开始出现新的软化,接着进入残余状态,边坡破坏由坡脚向坡顶发展,随着这个过程的持续进行,边坡的渐进性破坏不断发展,边坡安全系数不断降低,直至渐进性破坏过程结束。(3)随着残余软化参数的增加,滑面位置逐渐变浅,矢量和法安全系数逐渐增加。该方法能够较好地分析边坡的渐进性破坏过程,具有较好的应用前景。     

考虑张拉-剪切渐进破坏的边坡矢量和法研究

针对边坡渐进破坏过程中岩土体强度参数不断劣化现象,采用应变软化模型代替传统的理想塑性模型,提出一种考虑张拉?剪切渐进破坏的边坡矢量和分析方法。从安全系数表达式与最危险滑动面搜索两方面进行研究,首先基于滑动和力的矢量特性,改进矢量和法滑动趋势与安全系数表达式,进而基于改进自适应遗传算法搜索边坡最危险滑动面。算例表明,采用应变软化模型时的矢量和法安全系数与最危险滑动面形态具有动态变化与调整的特性。该基于张拉-剪切应变软化模型的计算方法进一步扩展了边坡矢量和分析法。     

基于应变软化的多阶边坡稳定分析

多阶边坡除了最危险滑面需要关注,每级台阶的潜在滑面及其他不满足规范要求的滑面亦需要得到重视。以双台阶边坡和复杂多台阶边坡为例,基于应变软化理论,利用FLAC3D软件分析边坡的剪应变发展规律,根据剪应变的集中带获取边坡的多个潜在滑面。分析滑面的剪入、剪出和滑面中部点的强度参数变化规律,并结合矢量和法分析滑面在应变软化过程中安全系数的演化规律。研究结果表明：采用该方法可获取边坡的最危险滑面及次级滑动面;随着软化的发展,滑面上点的强度参数从峰值强度逐渐降低至残余强度,然而演化的速度不同;随着应变软化过程的发展,所有滑面的安全系数均逐渐降低,最后趋于一个定值。     

基于岩土材料软化特性的滑坡多级滑动面分析方法研究

在实际工程中,滑坡经常呈现出多级破坏的特征,而一般计算和设计中仅关注最危险的滑动面及对应的最小安全系数,这往往遗留安全隐患。在考虑岩土材料软化特性的基础上,借助FLAC3D和Matlab软件平台构建了无需人工干预便可有效模拟与评价滑坡多级破坏的理论框架。以旬阳县党家坝廉租房小区滑坡为例,通过对塑性剪应变、塑性拉应变、剪切应变增量等特征变量的渐进发展规律分析发现：滑坡多级滑动面的形成,其时间和空间顺序并不一定相对应。各级滑动面在时间上按产生的先后顺序依次为第1级主滑面、第2级主滑面、次级滑面;而在空间上按照从前到后的顺序依次为第1级主滑面、次级滑面、第2级主滑面。从计算所得的滑坡最终破坏形态中发现,坡体内部出现的滑动面条数与现场采集的拉裂缝数基本保持一致;第1级主滑面的入口位置与滑坡前缘拉裂缝位置基本吻合;而第2级主滑面及次级滑面的位置与现场勘查到的拉裂缝位置出现偏差。从材料参数的渐进发展规律中发现,滑面上强度参数的分布及大小均随着滑面的产生、发展而逐渐变化,其变化区间为峰值强度到残余强度,这是此方法可以有效模拟多级滑动面形成过程与各级滑动面之间相互影响的核心所在。借助矢量和法成功地实现了基于滑面上强度参数渐进发展规律的安全系数演化过程的确定。通过对安全系数演化过程的分析发现,在滑坡多级滑动面的形成过程中安全系数大小顺序呈现出3种不同的状态,这很好地揭示了各级滑动面在形成过程中的主、被动关系。     

基于强度储备的边坡非等比例双安全系数研究

边坡的失稳过程是一个渐进性的累积破坏过程。在破坏过程中抗剪强度参数黏聚力c、内摩擦角?的发挥程度是不同的,对应的安全储备也就不同,那么基于强度储备的双安全系数确定及其基于双安全系数的边坡稳定性评价就值得深入探讨。首先从岩土材料的软化规律出发,在强度参数服从线性分布假定的基础上,推导了黏聚力折减系数和内摩擦角折减系数之间的数学关系;其次将此数学表达式引入到传统的Bishop条分法中,提出了非等比例双安全系数Bishop条分法;然后以强度参数对抗滑力的贡献为权重,提出了综合安全系数来评价边坡的稳定性;此方法不仅克服了传统双安全系数法确定双安全系数的盲目性,而且为双安全系数法应用于工程实践提供了新途径;最后结合算例通过与传统方法的计算结果进行对比分析,验证了该方法的合理性。     

黄土完全软化强度与残余强度的对比试验研究

为了解决复活蠕滑型黄土滑坡强度参数的取值问题,开展完全软化强度与残余强度的对比试验研究。以山西地区典型黄土为研究对象,采用预压固结法制备饱和重塑试样,并进行反复直剪强度试验获取完全软化强度和残余强度参数。试验结果表明:黄土的完全软化强度以黏聚力为零、颗粒未发生定向排列为主要特征。完全软化强度与二次固结应力和黏粒含量有关。试样在二次固结应力小于300kPa时的应力-应变曲线呈应变软化型,完全软化强度大于残余强度,黏粒含量高的试样应变软化更显著; 试样在二次固结应力大于等于300kPa时的应力应变曲线呈理想塑性型,完全软化强度近似等于残余强度。完全软化内摩擦角与残余内摩擦角的差值和预压固结应力、二次固结应力及黏粒含量有关。完全软化内摩擦角与残余内摩擦角的差值随二次固结应力的增大而减小,最终趋于0。当预压固结应力小于300kPa时,内摩擦角差值及黏粒含量对内摩擦角差值的影响随着预压固结应力的减小呈乘幂性增大; 当预压固结应力大于等于300kPa时,完全软化强度近似等于残余强度,可用完全软化强度近似代替残余强度。研究结论为复活蠕滑型黄土滑坡稳定性分析时强度参数的取值提供了一定的参考。     

边坡局部和整体稳定性评价方法的辩证统一

边坡稳定性评价方法有局部和整体两类,两者之间存在差异有其历史的局限性和存在的合理性。以极限平衡法和有限元强度折减法为例,分析了典型整体与局部稳定性评价方法在滑面搜索、平衡条件、安全系数的定义、材料参数和失稳等5个方面存在的异同。利用PFC算例揭示了真实边坡带有强烈空间和时间特征的渐进破坏特性,发现边坡失稳是自然地形的重塑、再造和稳定的过程,也是一个动势能转换和耗散的过程。针对边坡稳定问题及其特点,提出了基于广义软化的边坡稳定矢量和法的理论构架和技术路线,并进行了程序实现,克服了传统强度折减脱离实际材料劣化特征的不足,安全系数求解仅与应力状态相关,假设条件少,可以实现局部与整体稳定评价的辩证统一,可以反映边坡失稳的渐进特性和参数演化的时空效应。与传统极限平衡法(LEM)和强度折减法(SRM)在滑面和安全系数方面的综合对比发现,局部稳定揭示的滑面更稳定,获取的安全系数是全周期的,文中方法所得安全系数比整体方法的结果稍高,差异是整体方法的假设条件造成的。     

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。     

基于应变软化特征的含软弱层公路边坡稳定性研究

西部山区高速公路建设过程中经常由于边坡开挖而容易导致失稳事故。研究发现,大量公路边坡内的软弱夹层的岩体强度具有显著的应变软化特征。为了研究应变软化后对边坡稳定性的影响程度,以沪蓉西高速公路某典型含软弱夹层边坡为实例,对应变软化模型和理想弹塑性模型进行了对比研究。结果表明:①2种模型计算所得出的最大不平衡力、水平位移、塑性区和塑性剪应变的变化规律基本相同,每次开挖后均累计增大,但是采用应变软化模型计算的累计值和范围均大于理想弹塑性模型;②每次开挖的瞬间会产生最大不平衡力峰值,随后迅速减小,拉应力带主要分布于开挖卸荷面附近以及坡顶面附近10 m内;③软弱夹层的分布位置对边坡的稳定性影响很大,坡脚前缘软弱夹层易发生剪破坏,边坡后缘软弱夹层易发生拉破坏。应变软化模型的稳定系数比理想弹塑性模型的稳定性系数小,综合得出,影响含软弱夹层边坡稳定性的关键是开挖后软弱夹层的强度参数劣化程度,采用应变软化模型反映了这一渐进性的破坏过程,与实际情况相符,而理想弹塑性模型未反映出这一劣化特征,计算结果偏危险。     

两种应变软化介质组成的边坡失稳研究

对一个平面滑动型边坡,考虑滑面介质由两种应变软化介质材料组成,对应变软化介质存在损伤软化与水致软化两种软化方式。用指数分布描述滑带介质的剪应力与应变关系,建立了边坡系统的尖点突变模型。通过分析发现,边坡失稳与刚度比和边坡的几何/力学参数有极大关联性,这里考虑刚度比是含水率的函数,随着含水率的增加,刚度比不断发生变化。在一定条件下,由于含水率的增加和刚度比的增大,导致边坡失稳的危险性增大,这是降雨情况下边坡容易失稳的根本原因。     

基于动态残余强度的不同含水率条件下滑坡稳定性研究

长时降雨会引起斜坡发生累进性破坏,在此过程中,滑带土将随含水率的变化达到不同含水状态下的残余强度。传统应变软化模型不能准确表达这一变化过程中滑带土残余强度的动态特征, 而引入动态残余强度的应变软化模型能更加真实地模拟含水率变化时滑坡稳定性的发展。基于此,文章对四川中江县垮梁子滑坡开展了野外调查工作,通过现场竖井获取滑带土,采用环剪试验研究了滑带土力学参数与含水率的关系,在此基础上建立了基于动态残余强度的应变软化模型,模拟了垮梁子滑坡在滑带土处于不同含水率阶段的发展情况。结果表明:含水率的增加使得滑带土抗剪性能显著衰减,峰值及残余抗剪强度呈近乎线性降低,残余强度参数则表现出三次函数型衰减特征。应用基于残余强度参数衰减规律建立的应变软化模型模拟了垮梁子滑坡的变形破坏过程,结果表明在滑带土含水率低于20%时,斜坡仅在前缘局部产生塑性区;当含水率达到22%时,斜坡中上部开始产生塑性区及未贯通滑动面;当含水率达到24%时,塑性区趋于贯通,滑坡进入加速变形状态,并于坡表产生张拉裂缝;当含水率达到26%时,滑坡处于失稳状态,坡表张拉塑性区及破坏面的发展与滑坡现状破坏特征高度吻合。该成果可为相关滑坡的稳定性研究提供一定的理论依据。     

工程荷载作用下缓倾角反倾似层状岩质边坡变形稳定性分析

在反倾层状边坡的破坏机制和稳定性分析方面,由于其稳定性一般较好,系统深入地研究其破坏机制和稳定性的反而不多。以火山岩地层多次火山喷发旋回形成的缓倾角反倾似层状岩质边坡为研究对象,利用有限元分析其位移矢量图,揭示边坡的变形破坏机制和稳定性控制要素,利用极限平衡法、矢量和法,评价其稳定性,利用强度折减法分析塑性区的扩展规律,揭示滑动面发展的时间空间规律,结果表明,（1）类似层状反倾岩质边坡的潜在破坏模式为剪切–张拉破坏,滑面形态表现为近似折线状：顺坡向穿过凝灰岩夹层和强风化岩体,后缘通过陡倾结构面;（2）极限平衡法、矢量和法的边坡稳定性综合评价表明边坡浅层稳定性不满足工程稳定性要求,深层稳定性满足工程稳定性要求,且三维矢量和安全系数大于二维结果,是三维效应造成;（3）塑性区扩展揭示滑面的空间发展序列为滑面4、5、3。文中的技术路线和分析方案可用于缓倾角反倾层状岩质边坡稳定性评价。     

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。     

膨胀土边坡非饱和渗流及渐进性破坏耦合分析

膨胀土边坡受降雨影响产生膨胀变形,是典型的非饱和土多场耦合问题。为探究降雨入渗对其渐进性破坏的失稳过程,基于饱和-非饱和渗流理论、膨胀土弹塑性本构关系和应变软化理论,利用应变软化模型、FLAC3D二次开发平台和内置FISH语言,提出了一种综合考虑非饱和渗流、膨胀变形和应变软化的多场耦合数值分析法。结合工程实例,通过该方法探讨了降雨入渗条件下膨胀土边坡非饱和渗流、位移响应及渐进性破坏的变化规律。结果表明:膨胀变形和应变软化受控于非饱和渗流的时空分布,对边坡位移响应过程影响显著,也易导致饱和-非饱和分界带形成剪应力集中区。膨胀土边坡渐进性破坏由局部破坏转变为整体性失稳,其塑性破坏区首先随悬挂型暂态饱和区的变化向坡内扩展,雨后逐渐形成第二条由坡脚向坡顶扩展的滑动带,呈现出多重滑动性和后退牵引式的破坏特征。     

简化Bishop法的剩余下滑推力计算方法研究

简化Bishop法是评价圆弧形滑动面滑坡稳定性的"严格"方法,计算方法简便、精确,已有相关学者研究了其严格性,但却没有与之相适应的滑坡剩余下滑推力解析法,给滑坡（边坡）的综合治理带来了一定困难。本文从简化Bishop法计算原理出发,考虑坡体自重、外力、水平地震力、滑动面处的孔隙水压力等,利用力多边形法则,得到了两类简化Bishop法剩余下滑推力分析模型,即:Ⅰ型（T_i ≥ 0）和Ⅱ型（T_i < 0）;针对两类模型推导出了第i-1条块的下滑推力,然后,使F_i-1参与到第i条块的力多边形受力模型中,从上往下逐条块计算下滑推力,进而推导出条块i的剩余下滑推力解析计算公式。该解析法与传递系数法隐式解所计算的剩余下滑推力进行比较,总体上呈现出简化Bishop法剩余下滑推力高于传递系数法隐式解,两者的剩余下滑推力差值随着安全储备的增大而减小,且该解析法适用于安全储备要求较高的滑坡（边坡）,该解析法为圆弧形滑动面滑坡（边坡）治理设计提供了一定的理论依据。     

Computation of the safety factor for slope stability using discontinuous deformation analysis and the vector sum method

This study introduces the vector sum method into discontinuum-based methods by considering the sliding vector and the stress state of the discrete block system. The sliding direction computation and force projection in the new approach are detailed, and the safety factor is solved by explicit equations. The vector sum method is implemented in the discontinuous deformation analysis (DDA) program and is used to compute the safety factors for two numerical examples. A comparison of the solutions obtained with the theoretical analysis and limit equilibrium analysis demonstrates that the new method is suitable for calculating the safety factor of a slope.     

Finite element analysis of progressive failure in long slopes

Progressive failure in long natural clay slopes with an underlying weak shear zone is studied. The clay slope is assumed to be elastic–perfectly plastic, whereas the shear zone may have an elastic–plastic strain softening behaviour. The failure will occur due to the development of large shear deformations in the weak zone. The general behaviour, including the possibility of progressive failure, can be studied by the use of a one-dimensional finite element model. Other interesting matters which can be studied are critical load, critical disturbance and critical length of the slope. Numerical examples show the overall behaviour due to different residual shear strengths of the weak layer, end disturbance or change of pore pressure in the weak layer. Although simple, the proposed finite element model provides a practically applicable tool for the prediction of whether progressive failure will occur and in which manner the local failure will propagate.