基于强度折减概念的滑坡稳定性三维分析方法(I)：滑带土抗剪强度参数反演分析

滑带土抗剪强度是滑坡稳定性分析和防治工程设计中十分重要而又难于确定的参数之一。因此,基于临界状态假定的二维反分析方法得到了广泛应用。但是,自然界发生的滑坡基本上呈三维形态,其主滑方向有时变化也较大,使得有必要研究一种滑带土抗剪强度的三维反分析方法和滑坡稳定性的三维评价方法。笔者建议了一种基于强度折减概念的滑带土抗剪强度反分析方法,即通过逐步折减滑动面的强度参数,使滑动面的塑性区完全贯通,此时,塌滑体处于极限状态,所用强度参数即为滑带土的平均抗剪强度参数。从洪家渡水电站1#塌滑体计算成果来看,反演的滑带土摩擦角较二维反演值低4.1?,反映了滑坡体的三维效应,验证了所建议方法的可行性。     

基于FLAC3D强度折减法滑坡三维稳定性研究——以三峡库区白果树古滑坡群为例

利用FLAC3D的内置fish语言基于强度折剪法对其进行了二次开发,编制了滑坡体安全系数计算程序。结合工程实例,将这种方法应用于已知滑动面条件下的滑坡稳定性分析中,得到滑坡体天然状况下的二维、三维安全系数,同时对内摩擦角和粘聚力参数进行了敏感性分析,对比并分析了传统极限平衡法和FLAC3D强度折减法的计算结果,得出以下结论:①利用二维FLAC3D强度折减法计算的滑坡安全系数略高于传统极限平衡法;②利用三维FLAC3D强度折减法所得滑坡安全系数略高于二维FLAC3D的计算结果;③滑坡安全系数都是随着内摩擦角和粘聚力的增大而增大,其中内摩擦角和粘聚力的变化对三维FLAC3D强度折减法比二维求解安全系数影响更大一些。然后模拟了滑体在天然条件下处于极限平衡状态的滑动方向,并得出天然状况下滑坡整体基本稳定,仅滑坡后缘可能出现局部失稳的分析结果。同时探讨了三维FLAC3D模型建立过程中滑坡外围不动体及滑带以下基岩所取范围大小、网格剖分粗细程度对计算安全系数的影响。     

滑坡稳定性分析的点安全系数法

建立滑坡数值计算的三维模型,将滑带离散为薄层8节点六面体单元,采用基于摩尔-库仑强度准则的理想弹塑性本构模型模拟滑带材料,通过数值计算,可获得滑带单元的三维应力状态和滑动方向。定义单元点安全系数为滑带单元抗剪强度与滑面上平行滑动方向的剪应力之比,定义滑坡整体安全系数为单元点安全系数对滑带面积的加权平均值。采用点安全系数分析滑坡的空间滑动机制,采用整体安全系数评价滑坡稳定性。算例分析表明,分析结果符合现场实际情况。     

用点接触模拟滑面的滑坡稳定性分析方法

结合有限元强度折减法,用点接触模拟滑面,提出了适用于已知滑裂面的滑坡稳定性分析及滑坡推力计算的数值计算方法。以滑坡体为分析对象,用切向和法向两组弹簧的弹簧力来模拟滑裂面上的剪切力和法向力;结合强度折减法和摩尔-库仑强度准则对滑面弹簧刚度进行迭代计算,求解得到了满足静力平衡的数值解。该方法避免了极限平衡条分法求解边坡稳定性时需对条间力进行诸多假设的局限,也避免了有限元强度折减法求滑坡推力时需加桩计算的不便及收敛困难等问题。新方法能计算出极限状态下滑坡体上的应力、滑裂面上的边界力和稳定性系数以及给定安全系数下滑坡体上任意截面的滑坡推力大小、作用方向和位置,具有较严格的理论基础,可为实际工程中滑坡的治理提供一定的参考。     

三维边坡整体主滑方向的确定

边坡主滑方向直接关系到边坡整体稳定性及边坡加固中的下滑推力计算,目前边(滑)坡主滑方向主要根据经验半经验的方法确定,如坡体内监测点位移整体矢量方向、平行于坡体底滑面或依据坡体滑动失稳机制进行相应的假设等,对于复杂边坡体则很难给出准确的主滑方向。基于最小势能原理,在坡体当前应力的基础上推导出二维和三维边坡主滑方向的理论公式,简单滑块算例和三维边坡算例验证了文中方法的合理性。除计算坡体主滑方向外,该公式还可计算沿滑移路径的主滑方向曲线,为坡体稳定性分析及剩余下滑推力计算提供更为准确的理论支持。     

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。     

滑带土抗剪强度参数的三维反分析

以滑面正应力修正模式的三维边坡稳定性分析方法为基础,建立了确定滑带土抗剪强度参数的三维反分析模型。先对滑坡体的稳定性进行调查评估,确定滑坡的安全系数与三维滑面的几何尺寸;然后,通过对滑面正应力进行合理假定与修正,建立了平衡方程,以强度参数为未知数,利用数学方法并结合试验、经验等手段求解出抗剪强度参数。该模型克服了二维反分析将会高估滑带土的抗剪强度参数的缺陷,而且计算过程简单,易于编程实现。两个简单算例表明,三维反分析模型可以考虑三维滑体的空间效应,得到的抗剪强度参数更真实、更符合实际情况,为滑坡治理提供参考。     

三维弹塑性接触有限元滑坡稳定性分析

为了准确评价碎石土滑坡的稳定性,通过资料搜集整理和分析、现场工程地质调查与勘探和室内外的物理力学试验,采用三维弹塑性接触有限元算法计算碎石土滑坡的整体稳定性系数和分析滑坡的稳定性。研究结果表明,采用三维弹塑性接触有限元强度折减法计算碎石土滑坡的稳定性系数,可以考虑滑坡体的空间效应,使计算结果更加精确;在碎石土滑坡变形解体破坏过程中,在空间上滑体塑性应变和滑面上岩土体抗剪强度的发挥程度是不一致的;根据三维弹塑性接触有限元算法计算的滑面接触摩擦应力计算二维剖面碎石土滑坡稳定性系数的方法比较适宜于该类型滑坡稳定性的分析评价,能够比较客观、准确地反映滑坡所处的实际状态。      

大型滑坡堆积体稳定性的三维数值分析

古水水电站争岗特大型滑坡堆积体方量高达4 750×104 m3,存在多处厚度超过50 m的超深层滑坡。稳定性直接关系到大坝的建设与运营。工程地质勘测、2008年降雨产生的变形资料表明,该滑坡体是一个多期次复合型滑坡,主要由基岩、滑带土和松散堆积物组成,地表已出现大量拉张和剪切裂缝,天然工况下整体处于沿贯通底滑面发生蠕滑变形的状态,各种工况下均存在滑塌的可能性,必须进行开挖加固治理。针对二维平面方法无法考虑计算断面的侧向约束和底滑面在空间上的曲率效应,运用三维极限平衡方法和大变形拉格朗日有限差分法,根据实际地质信息建立了多个三维计算模型,通过对治理前后滑坡体应力、变形、塑性区和安全系数变化对比分析,定性、定量对其稳定性进行了评价,并引入有限元点和面安全系数法对加固后稳定性进行了校核。结果真实反映了滑坡体的稳定性现状与规律,与现场勘查成果相吻合。开挖加固后,滑坡体局部和整体稳定性均有显著提高,结合排水措施,将更有利于保持其稳定性。研究成果可为类似工程问题提供有意义的参考。     

抗滑短桩加固滑坡体模型试验三维数值模拟分析

为解决抗滑短桩加固滑坡体理论研究不满足工程应用需要的现状,本文采用基于快速拉格朗日算法的FLAC3D软件,对桩长变化的抗滑短桩加固碎石土滑坡全过程进行三维有限元模拟,通过分析滑体位移、应力、抗滑短桩位移和桩身弯矩的变化规律,研究抗滑短桩的受力变形特性及桩土相互作用机理。研究表明:经抗滑短桩加固后的滑坡,稳定性显著提高;随着桩长增加,桩后应力分布越均匀,抗滑短桩与桩周土体的整体性越好,滑体最大位移逐渐减小,有效抑制滑体位移;当桩长小于60 cm时,滑体出现"越顶"现象,在楔形体前缘顶部形成了贯通滑动面,且发生较小范围的失稳破坏;当桩体自由段与滑体厚度比值为0.52~0.59时,加固效果最理想。研究结果对抗滑短桩加固滑坡体的抗滑机理予以补充。     

预应力锚索加固高陡边坡机制探讨

预应力锚索加固边坡是提高边坡稳定性的重要手段。弄清预应力锚索加固边坡的机理对于指导边坡加固设计有重要的理论意义。通过建立高陡边坡计算模型,不断提高边坡岩土体强度折减系数,得到了边坡坡脚位移及预应力锚索内力变化规律,并结合预应力锚索加固岩体应力分布规律,得到了有益的结论:(1)边坡岩土体强度折减系数超过边坡安全系数后,预应力锚索内力开始迅速增加,越靠近坡脚的预应力锚索,内力增加越明显,可以监测坡脚处锚索内力变化,评价边坡稳定状态;(2)对于高陡边坡,绝大部分预应力锚索并不能提高潜在滑动面上的压应力,不能提高滑动面的抗剪强度;(3)预应力锚索加固高陡边坡的主要机理在于限制边坡潜在滑动体的位移。     

库水位波动条件下黄土坡临江1~#崩滑堆积体稳定性研究

水库蓄水是诱发三峡地区库岸滑坡的主要因素之一,开展库水位波动条件下滑坡稳定性研究意义重大。通过现场地质调查、原位监测、理论分析和数值模拟等手段,对三峡库区黄土坡临江1~#崩滑堆积体在库水位波动条件下的稳定性进行了研究。利用现场监测数据,分析了滑坡体地下水位与库区水位的关系、滑坡体深部不同高程处位移随时间的变化值以及库水位波动对滑坡体变形的影响。采用三维离散元程序"3DDEC",对临江1~#崩滑堆积体进行了数值模拟,分析了库水位波动条件下滑坡体内应力、应变的变化规律,并提出了考虑干湿循环作用的强度折减法,定义了安全系数的求解方法。研究结果表明,三维离散元法结合强度折减法研究水库滑坡是可行的;黄土坡临江1~#崩滑堆积体在目前的调水曲线作用下处于稳定状态;由2013年12月16日巴东地震前后滑坡堆积体的变形可现低烈度地震对滑坡体的稳定性影响不大。     

基于滑动机理分析的滑带强度参数反演

滑动机理分析一般采用定性的方法加以描述,尚缺乏合理的量化指标进行刻画。反演分析是确定滑带强度参数的重要手段,一般采用基于整体稳定性系数的刚体极限平衡方法,但这种反演方法无法建立滑动机理与强度参数间的直接联系。本文采用数值计算方法获得滑带单元的应力场和滑动方向,基于Mohr-Coulomb强度准则定义滑带点安全系数为该点抗剪强度与滑动方向剪应力的比值。通过点安全系数的分布判断滑坡的滑动机理,使滑动机理研究定量化,并以点安全系数对滑面面积的加权平均值作为滑坡的整体稳定性系数,建立起滑动机理与整体稳定性系数的联系。在滑带参数反演分析中,需要同时满足滑动机理和整体稳定性系数要求,相应的强度参数才是合理的结果。以万梁高速公路K49滑坡的室内大型地质力学试验模型为例,介绍了基于滑动机理分析的滑坡强度参数反演方法和步骤,论证了方法的合理性。     

强度折减法在高含水滑坡稳定性分析中的应用

文章依据滑坡体岩体破碎、地下水丰富、坡体含水量高、滑坡面积大、厚度小、稳定性差等特点,选取青海省麦秀山1^#滑坡为例。结合麦秀山地区的工程地质特点,利用FLAC-3D有限差分程序,基于强度折减法对该滑坡进行了稳定性分析。通过对滑体岩土体强度指标的折减,模拟地下水对岩土体的影响,当边坡的塑性区由坡脚贯通至坡顶、坡体上特征点的位移值产生突变,且无限制的增长时,认为边坡达到临界破坏状态,此时的强度折减系数即为滑坡的稳定系数,同时可得到滑坡失稳破坏的潜在滑动带,以揭示滑坡的失稳破坏机理。分析计算表明：强度折减法不仅能够模拟出滑坡渐进破坏的过程,而且所求得的稳定系数更符合滑坡的实际状态,在滑坡稳定性分析中具有明显的优势。     

古滑坡滑带土的力学特性与库水位变化对其稳定性影响及加固措施

与普通滑坡体相比,库岸古滑坡体不仅影响稳定的因素多,且受库水位变化影响明显,极易诱发地质灾害,对人类生命财产安全造成危害。以某水库古滑坡体工程为例,利用现场直剪试验、室内直剪试验及标准贯入试验手段,研究滑带土的力学特性,并对利用得到的参数计算分析水位变化对古滑坡体稳定性影响的规律,得到鹅公带古滑坡体的安全系数随库水位升高成U形的变化规律。采用文献[12]提出的利用应力场判断滑坡体的类型,在高应力水平位置采取加固措施降低应力水平后边坡安全系数就提高的方法,由计算出的应力场判断鹅公带古滑坡具有上部推移下部牵引的特征,属于混合破坏型滑坡,针对其上部和下部坡体进行加固处理。对比分析不同加固方案对滑坡体应力场的改变和比较抗滑桩在不同位置时安全系数与位移场和应力场之间的关系,表明对高应力水平区和位移大的区域进行加固的效果最好,该滑坡体下部也是高应力水平区,由于现场施工条件,考虑经济性,最后采用在滑坡体下部设置反压体加固,加固后3年的实践表明利用边坡应力场的应力水平确定加固位置合理可行。文中的研究方法和思路可为类似工程处理提供一个很好地分析问题和解决问题的思路和同类工程借鉴。     

古滑坡滑带土的力学特性与库水位变化对其稳定性影响及加固措施EI北大核心CSCD

与普通滑坡体相比,库岸古滑坡体不仅影响稳定的因素多,且受库水位变化影响明显,极易诱发地质灾害,对人类生命财产安全造成危害。以某水库古滑坡体工程为例,利用现场直剪试验、室内直剪试验及标准贯入试验手段,研究滑带土的力学特性,并对利用得到的参数计算分析水位变化对古滑坡体稳定性影响的规律,得到鹅公带古滑坡体的安全系数随库水位升高成U形的变化规律。采用文献[12]提出的利用应力场判断滑坡体的类型,在高应力水平位置采取加固措施降低应力水平后边坡安全系数就提高的方法,由计算出的应力场判断鹅公带古滑坡具有上部推移下部牵引的特征,属于混合破坏型滑坡,针对其上部和下部坡体进行加固处理。对比分析不同加固方案对滑坡体应力场的改变和比较抗滑桩在不同位置时安全系数与位移场和应力场之间的关系,表明对高应力水平区和位移大的区域进行加固的效果最好,该滑坡体下部也是高应力水平区,由于现场施工条件,考虑经济性,最后采用在滑坡体下部设置反压体加固,加固后3年的实践表明利用边坡应力场的应力水平确定加固位置合理可行。文中的研究方法和思路可为类似工程处理提供一个很好地分析问题和解决问题的思路和同类工程借鉴。     

基于离散元的边坡稳定性及治理措施分析

为分析矿山边坡的稳定性,通过选择最不利边坡剖面,选取合理的岩土力学参数,采用离散元软件建模分析,模拟边坡自重作用下的滑移破坏过程,基于强度折减法计算安全系数。主要得出以下结论：(1)滑坡体的最大速度约为1.442 mm/s;最大剪切位移约为0.54 m;整体位移最大值约为0.147 m;(2)边坡的安全系数仅为0.43,风化土体为不稳定的滑动体,结果表明,边坡处于不稳定状态;(3)可采用4种常用的治理措施：削坡、减重反压、设置抗滑挡墙或抗滑桩对该边坡进行加固,针对该工程边坡,建议采用削坡和抗滑桩加固的方式进行治理。结论可为类似地形地貌条件下的边坡工程稳定性分析提供参考。     

预应力锚索加固高陡边坡机制探讨

预应力锚索加固边坡是提高边坡稳定性的重要手段。弄清预应力锚索加固边坡的机制对于指导边坡加固设计具有重要的理论意义。通过建立高陡边坡计算模型,不断提高边坡岩土体强度折减系数,得到了边坡坡脚位移及预应力锚索内力变化规律,并结合预应力锚索加固岩体应力分布规律,得到了有益的结论：（1）边坡岩土体强度折减系数超过边坡安全系数后,预应力锚索内力开始迅速增加,越靠近坡脚的预应力锚索,内力增加越明显,可以监测坡脚处锚索内力变化,评价边坡稳定状态;（2）对于高陡边坡,绝大部分预应力锚索并不能提高潜在滑动面上的压应力,不能提高滑动面的抗剪强度;（3）预应力锚索加固高陡边坡的主要机制在于限制边坡潜在滑动体的位移。     

FLAC 3D 强度折减理论在边坡稳定分析中的应用

FLAC3D 是岩土工程中广泛应用的软件。本文主要介绍强度折减理论的基本原理,利用基于强度折减法的FLAC3D 软件,对某高速公路K377 + 230 ～ K377 + 520 段滑坡体进行数值模拟。计算边坡在自重作用达到初始化平衡状态时,边坡的横向与竖直方向的应力与位移,分析出边坡的破坏机制为牵引式滑坡,通过强度折减理论计算出边坡的稳定系数为0. 97,由剪切应变增量云图确定边坡的滑动面。     

陕西宝鸡地区塌山黄土滑坡三维稳定性分析

在前人研究的基础上．以宝鸡市千阳县城关镇塌山黄土滑坡为例．运用有限元法探索黄土滑坡的三维稳定性评价分析方法。针对黄土滑坡体结构构造的复杂性和滑体、滑带、滑床的显著差异性．运用有限元三维稳定性分析方法分别计算了滑体与滑带不同部位的安全系数。计算结果表明：塌山黄土滑坡现今处于基本稳定状态,滑体不同部位的稳定性系数与野外调查滑体现今的变形迹象基本一致．表明该评价分析方法具有一定的可行性．基本适用于黄土地区滑坡的三维稳定性分析。