锚杆作用下边坡稳定分析中改进最小势能法研究

为分析锚杆作用下边坡的稳定性,基于最小势能原理,通过单元体虚位移方向的静力平衡方程确定滑面剪应力分布的解析解,构建剪切势能计算模型。在建立边坡支护系统的势能函数时考虑锚杆储存的线应变能以及弯曲应变能,提出改进的最小势能锚杆支护边坡稳定性分析方法。通过算例将其与传统算法进行对比,分析了锚杆参数对边坡安全系数的影响。研究表明,文中的计算方法可行且合理,锚杆的弯曲应变能对边坡的安全系数计算结果的影响可忽略不计;锚杆的竖向间距、长度、锚固角、锚固力以及第一排锚杆距离地面的距离对边坡的安全系数影响较为显著,锚杆的刚度对边坡安全系数的影响水平较低;随着锚杆长度的增加,边坡的安全系数曲线呈现先递增后趋于稳定的变化规律;锚固角度为?22左右时边坡的安全系数存在最优值。     

基于最小势能法的三维临界滑裂面搜索方法

为了得到三维边坡的临界滑裂面,提出了6个参数控制的三维滑裂面构造方法,基于边坡三维最小势能稳定性分析方法建立目标函数,采用遗传算法实现了临界滑裂面的搜索,并开发了相应的搜索程序。为检验文中搜索方法的合理性,将其与其他方法得到的临界滑裂面以及最小安全系数进行比较,并且将室内模型试验得到的临界滑面与理论搜索的结果进行对比。研究表明：搜索方法可实现稳步收敛;针对算例进行多变量同时变化的搜索验算,得到了与极限平衡法较为接近的结果,表明提出的搜索方法是合理的;理论计算结果与室内模型试验坡面加载得到的边坡临界滑面较为接近,再次验证三维边坡临界滑面搜索方法是可行的。     

最小势能方法在二维边坡稳定分析中的应用

提出了一种新的边坡稳定性评价方法。依据平衡体系势能变化最小的原理，从整个边坡的势能变化求得一个满足势能的最小位移，并直接求出滑面上的法向力分布。均质边坡直接用此分布即可求出合理的安全系数；具有多种土层边坡在保持法向力代数和不变的前提下，按自重应力因子重新分布，也可以求得合理的安全系数。     

基于多重网格法的边坡稳定分析

边坡稳定分析的刚体极限平衡法不能很好反映岩体中实际的应力分布,而基于有限元的边坡稳定分析方法很难得到一个明确的滑动安全系数.为了解决这些问题,采用多重网格法,分别建立用于有限元计算的结构网格和用于计算滑面稳定安全系数的滑面网格,可以方便地获得任意滑面或滑块的稳定安全系数,从而将非线性有限元方法和极限平衡分析结合起来,充分考虑了变形和岩体弹塑性应力调整对边坡稳定的影响.将该算法集成到三维非线性有限元程序TFINE中,在分析网格密度对结果精度的影响的基础上,应用于锦屏高边坡的稳定分析中.结果表明,该方法是一种有效的边坡稳定分析方法,更符合实际情况.     

考虑滑坡渐进破坏的改进简布条分法

为考虑位移因素对于滑坡渐进性发育的影响,基于简布条分法基本原理,提出一个新的能够考虑滑带土抗剪能力与剪切位移关系的滑坡稳定性简化评价方法。该方法从以下两个方面对简布条分法进行了改进：（1）将滑动面剪应力-剪切位移本构模型与沿滑动面的剪切位移模型相结合,以考虑滑坡随着变形发展渐进破坏的过程;（2）提出局部安全系数的概念并对整体安全系数进行重新定义,物理意义更加明确。推导了该方法的计算公式,给出了其迭代计算思路,并编制Matlab计算程序。通过计算实例表明,应变软化边坡的安全系数不仅取决于土的抗剪强度指标,还与其剪应力-剪切位移关系密切相关,基于峰值强度的极限平衡条分法应用于实际工程是偏于危险的。同时该方法还可以有效地模拟边坡从开始破坏到最终滑动面贯通的发育过程,实现了坡体位移与安全系数之间一一对应的定量关系,进而实现边坡的稳定性的预测预报。     

基于矢量和的滑面应力抗滑稳定分析方法

矢量和抗滑稳定分析方法根据真实应力状态定义求解安全系数,物理意义明确,一批学者对其进行了研究。但是当合法向力矢量投影与合剪力矢量投影的符号相反且其绝对值大于合剪力矢量投影时,矢量和法计算出的安全系数可能为负值;另外,目前潜在滑移面上每点极限抗滑剪应力矢量的方向是根据潘家铮最大、最小原理确定的,将其定义为潜在滑移体滑动趋势方向在该点切平面上投影方向的反方向,但是潘家铮最大、最小原理描述的是滑移体力学系统抗滑能力最大,按照矢量和法的定义式,抗滑能力包括抗剪力和法向抗力两部分。基于矢量和思想与以上关于矢量和法的思考,提出一种滑面应力抗滑稳定分析方法,将潜在滑移面视为薄滑移带,以薄滑移带作为对象进行微元受力分析,每个微元的极限抗滑剪应力矢量方向取为该微元剪应力矢量的反向,所有微元的极限抗滑剪力矢量和的反向定义为潜在滑移体滑动趋势方向,最终将极限合抗滑剪力矢量在滑动趋势反方向的投影与合滑动剪力矢量在滑动趋势方向的投影的比值定义为安全系数。较极限平衡法,方法自动满足静力平衡、力矩平衡和变形协调条件,无需受力模式假设;较强度折减法,新方法基于真实应力,物理意义更加明确,安全系数以显式表达,无需迭代;通过经典二维静态边坡考题,验证此方法的可行性;将新方法应用到三维工程实例中,分析潜在滑移体在边坡开挖过程中安全系数的动态演化规律,证明方法的实用性。     

基于改进极限平衡法的多级均质黄土边坡稳定性分析

针对多级均质黄土边坡稳定性分析这一工程问题,给出了一种系统的分析方法。建立了多级黄土边坡整体破坏模式下与局部破坏模式下坡脚圆、中点圆等可能的破坏机构;基于改进极限平衡法,推导出各破坏机构对应的边坡安全系数解析式,进一步采用最优化方法来确定整体破坏模式下与局部破坏模式下各破坏机构所对应的边坡稳定安全系数极小值;给出了系统地进行多级黄土边坡稳定性分析的流程来确定边坡的最小安全系数及临界滑移面。通过算例验证表明:该方法边坡稳定性分析结果与传统条分法极为接近,两者最小安全系数相对偏差不超过-5%,确定的临界滑移面基本一致。该方法可广泛适用各类多级均质黄土边坡乃至单级边坡,可对边坡稳定性分析达到全面精准的效果提供一定的参考。     

基于统一强度理论的土石坝边坡稳定分析遗传算法

将非线性统一强度理论应用于土石坝边坡稳定分析中,考虑坝体各应力分量包括中间主应力对土质材料强度的影响,以区别于传统土石坝稳定分析中仅考虑剪切和拉伸极限强度的极限平衡法。提出了一个土石坝边坡稳定优化分析模型,并采用最优化遗传算法对土石坝边坡进行断裂面优化搜索。研究表明,统一强度理论中反映中间主应力效应系数值变化对坝体稳定安全系数有显著影响。利用遗传算法对土石坝边坡稳定进行分析时,不必事先假定滑裂面的形状,根据土石坝非线性统一强度理论的剪裂破坏准则进行滑裂面搜索。针对常规最优化方法容易陷入局部最优解的缺陷,基于MATLAB遗传算法工具箱对土石坝边坡稳定性进行分析,分析结果表明,统一强度理论结合遗传算法能克服常规最优化方法在寻优过程中一些缺陷,计算结果更自然合理。     

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。     

求解边坡矢量和安全系数的条分法

矢量和安全系数物理、力学意义明确,通常采用有限元计算得到的应力场来求解。提出一种简便的求解方法,在通用条分法（GLE）的基础上,满足力和力矩平衡的严格条件,推导了基于条分法的矢量和安全系数。采用广义简约梯度法（GRG）搜索临界滑面,在极限抗滑合力矢方向上求解矢量和安全系数。整个计算过程都在电子表格软件Excel内实现,易于在工程实践中推广。对于圆弧滑面边坡,其计算结果表明：①矢量和安全系数与代数和安全系数非常接近,对应的滑面位置也相近。②不同的条间力函数假设（常数和半正弦函数）对边坡的矢量和安全系数影响很小。③极限抗滑合力矢方向? 小于边坡坡角,其值与假定条间力平行时的条间力方向非常一致。在极限平衡分析框架内,计算方法可进一步简化为：假设条间力平行,将条间力方向作为矢量和安全系数的计算方向。对于非圆弧滑面边坡,其计算结果表明：①均质边坡的矢量和安全系数与代数和安全系数相对误差小于3 %,滑面位置接近,而软弱层边坡两种方法的计算结果有一定差别。②不同的条间力函数假设对边坡的矢量和安全系数影响很小。     

基于失稳状态耗能最小原理的预应力锚索加固边坡稳定性上限解析

基于岩土塑性极限分析上限理论的基本原理,考虑预应力锚索的加固效应,分析了单预应力锚索加固措施条件下边坡的稳定性特性,并由此探讨了多预应力锚索共同加固边坡的稳定性能量分析方法。结合强度折减技术,采用内点迭代方法和序列二次规划优化迭代法对锚固边坡安全系数目标函数进行了能量耗散最小化意义上的优化计算。典型算例的分析计算表明：锚索加固效应可以有效地提高边坡的稳定性,预应力锚索设置位置对边坡安全系数、临界滑裂面位置和锚索长度有显著影响。综合考虑锚索设置位置对边坡安全系数和锚索长度的影响,单锚索的最优设置位置应位于边坡中下部区域。采用多排锚索加固既可以保证边坡的安全储备,也可有效避免局部稳定性问题。     

基于离散元的边坡矢量和稳定分析方法研究

基于离散元方法对获取的块体单元、节理的应力场处理后得到坡体整体应力场,结合矢量和法安全系数的定义提出了一种边坡稳定性分析方法即VSM-UDEC法。首先通过滑块试验验证了多种情况下UDEC接触应力计算和单元应力的精确性,结果表明,UDEC接触应力和块体单元应力的精确程度很高（接触应力相对误差基本低于0.2%）,能够满足矢量和安全系数计算要求。采用VSM-UDEC法分别对直线型滑面和圆弧型滑面算例进行了分析,并与相应的理论解和严格极限平衡法（Morgenstern-Price法）进行了对比。结果表明,对于直线型滑面VSM-UDEC法安全系数与理论解几乎相同,而对于圆弧型滑面该方法与极限平衡法结果基本一致。最后将VSM-UDEC法运用到锦屏I级水电站左岸边坡工程实例中,结果表明,假设块体为刚体时VSM-UDEC法安全系数与极限平衡法（Sarma法、Morgenstern-Price法）结果吻合较好,此外,VSM-UDEC法能够考虑坡体内结构面对稳定性的影响,较极限平衡法更能反映边坡的变形分布情况。鉴于UDEC在模拟边坡破坏方面优点较多且矢量和法安全系数物理意义明确,VSM-UDEC法有望在边坡稳定性分析中有较好的应用前景。     

船台滑道下含软弱层岸坡的空间稳定分析

芜湖江东船厂新建船台滑道位于有较厚软弱土层的岸坡上。本文采用三维有限元和刚体极限平衡理论结合的方法分析岸坡稳定, 对不同潜在滑动面进行探索, 求解最小安全系数及相应滑动面位置。分析结果已在施工实践中得到证实。     

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.     

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。     

框架预应力锚杆边坡支护结构稳定性分析

以极限平衡理论及框架预应力锚杆边坡支护结构的滑动面破坏模式为基础,采用毕肖普法,并考虑竖向条间剪力对滑移面抗剪强度的影响,建立了边坡最危险滑移面的搜索模型,并推导了稳定系数的求解公式。运用遗传算法对支护结构最危险滑移面进行动态搜索和确定,计算其稳定性系数。该方法避免了在优化设计中陷入局部最小值的缺点,更具有有效性和准确性。     

锚固力在边坡加固中的工程应用

假定滑面正应力分布为含有待定参数的插值函数,利用力和力矩平衡方程推导出锚固力作用下边坡安全系数显式解和给定安全系数要求的锚固力系数解析解。并把这种方法用在边坡加固的实际工程中,发现在锚固力作用下,滑面上正应力分布比较连续,条间力分布也比较合理,而且其方法计算过程简单,易编程实现,便于工程应用,其计算精度也在严格极限平衡法限定范围内,同时克服了传统方法导致滑面正应力反常的缺点。另外,该方法与岩土边坡动力学方法相比较,结果是一致的,说明该方法是可行的。     

基于最大最小原理的三维边坡稳定性探讨

最大最小原理在边坡稳定性分析中的应用,不仅可以检验所建模型的准确性,还可以进一步获得改进计算模型的相关条件。本文利用三维简化Sarma法,分析了滑面剪切力方向采用不同的分布形式引起的稳定系数的变化,计算结果表明,不管采用何种分布形式,当它发生变化时,对应的稳定系数总是存在一个极大值,这就证明了边坡稳定性最大原理在三维边坡稳定分析中的适用性;同时,本文还在一种严格的二维临界滑面搜索算法的基础上,建立了三维临界滑面搜索的算法,利用ZhangXing算例详细分析了目标函数中各变量对稳定系数的影响,结果表明,二维上寻找临界滑面是切实可行的,这也证明最小原理在二维边坡稳定分析中是满足的,三维上则由于三维极限平衡法未考虑三维边坡的边界条件,导致基于三维极限平衡法的三维临界滑面理论上不存在,三维边坡稳定分析结果与最小原理的要求有一定的差异。     

框架预应力锚杆边坡支护结构的稳定性分析方法及其 应用

以边坡极限平衡理论及框架预应力锚杆边坡支护结构的圆弧滑动破坏模式为基础,在考虑框架、锚杆对土体边坡稳定性影响的情况下,基于圆弧滑动条分法的思想利用积分法建立了内部稳定性安全系数计算模型和最危险滑移面搜索模型。确定滑移面圆心坐标为几何控制参数,推导了安全系数计算模型中各变量与滑移面圆心坐标之间的函数关系式,从而获得了滑移面几何控制参数与内部稳定性安全系数之间的函数关系。利用网格法对框架预应力锚杆支护结构最危险滑移面的圆心坐标进行动态搜索和求解。最后采用Matlab语言编制了框架预应力锚杆边坡支护结构的稳定性分析程序,并结合工程实例进行了验算,讨论了此种方法的适用条件,结果表明该方法简明适用,较传统的经验分析方法更加合理。