土石坝拟静力抗震稳定性分析与坝坡地震滑移量估算

单独采用拟静力抗震稳定性安全系数,并不能准确地评价土石坝的动力稳定性, Newmark等采用刚塑体滑移量或永久变形评价土石坝地震稳定性的建议得到了逐步认同,但土石坝地震永久变形或滑移量的估算尚缺乏合理方法。为此,将土石坝地震动力响应分析和拟静力极限平衡分析相结合,提出了合理地估算坝坡上潜在滑坡体地震滑移量的数值计算方法。首先,根据土石坝地震动力响应分析,针对圆弧滑动面和非圆弧光滑渐变曲面形式滑动面,分别采用简化Bishop法及改进的简化Bishop法计算坝坡上潜在滑动体的各个时刻拟静力安全系数。随后,对其中安全系数小于1的瞬时超载阶段,通过时间积分确定潜在滑动体的滑移量。最后,结合算例并通过具体数值计算与分析探讨了竖向地震动分量、滑坡体竖向地震响应、振动孔隙水压力等各种因素对土石坝地震位移及抗震性能的影响。     

基于超载法的拱坝坝肩地震动力稳定性方法研究

拱坝坝肩地震动力稳定性一直是工程界关注的一大热点,然而对坝肩动力稳定性的评判方法和标准的研究还不成熟。为完善坝肩动力稳定分析方法,将有限元法与刚体极限平衡法的优势相结合,提出了地震动力超载方法以及极限累积位移评判标准。首先,基于有限元法开展实时动力分析,对坝肩可能的滑移块体采用多重网格应力插值求任意时刻的阻滑力和下滑力,确定其主滑方向,而后采用刚体极限平衡法计算每个滑块的动安全系数;同时,对瞬时动安全系数小于1.0的时段,进行加速度积分,求出滑块累积失稳位移。结合滑块尺寸及滑动面强度参数提出极限累积位移计算公式作为失稳判据,通过比较累积位移与极限累积位移判定滑块的稳定性。基于以上思路开发了一套坝肩动力稳定分析系统SAFEDAM。以沙牌拱坝经受反映5.12地震的人工波为例,开展了沙牌拱坝坝肩动力超载稳定分析,验证了极限累积位移判据的合理性。研究表明,沙牌左岸坝肩超载稳定安全倍数Kp0 =3.2,右岸坝肩超载稳定安全倍数Kp0 =4.2。工程实例计算表明,该方法计算坝肩动力稳定性使用较为方便可靠,具有较大的工程实用价值,为坝肩动力稳定性分析和评价提供了一条新路径。     

一种基于拟动力法和剩余推力法的地震边坡稳定性分析新方法

由于常用的拟静力法存在诸多局限性,将更合理的拟动力法与边坡极限平衡分析法相结合对地震边坡稳定性分析具有重要的理论和实际意义。基于拟动力法与边坡极限平衡分析中的剩余推力法,推导了考虑振动放大效应的边坡地震力求解公式及地震边坡剩余推力计算公式。在此基础上,借助MATLAB软件编写了计算地震边坡剩余推力和安全系数的程序,得到了一种拟动力地震边坡稳定性分析新方法。应用已开发的程序,通过算例分析,讨论了地震动特性、坡体材料特性、坡体几何形状、地形放大效应对地震边坡稳定性的影响。研究表明：地震边坡安全系数随输入地震动的初始相位呈周期性波动变化,且土体放大系数不会改变其波动周期;地震边坡安全系数随地震系数、土体放大系数、地震动波长与坡高比值的增大而减小;当不考虑振动放大效应时,λ/H等于2是拟动力安全系数由急剧减小到趋于稳定的转折点,λ/H值越小,拟动力安全系数与静力安全系数越接近,λ/H值越大,拟动力安全系数与拟静力安全系数越接近;当考虑振动放大效应时,拟动力安全系数可能小于拟静力安全系数,因此,无论从安全还是经济的角度出发,拟动力法都比现行的拟静力法更合理,应该是地震边坡稳定性分析的首选方法。     

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.     

地震作用下预应力锚索加固顺层岩坡极限分析

针对地震作用下预应力锚索加固顺层岩坡典型模型,提出了一种地震作用下预应力锚索加固顺层岩坡的极限分析改进方法,该方法考虑了边坡极限状态时锚索的受力变化。基于岩体刚性假设并考虑滑移过程锚索受力变化,结合极限平衡法推导出边坡加固预应力锚索的受力变化公式;地震作用仅考虑地震波传播至滑动面时产生的透射波对边坡稳定性的影响,从功率的角度出发,结合极限分析上限法与强度折减法,考虑预应力锚索受力变化,推导出地震作用下预应力锚索加固顺层岩坡的动安全系数计算理论公式;结合算例,采用考虑与不考虑滑移过程锚索受力变化两种计算方法,分析了在不同入射波波幅、入射角度及滑动面黏聚力、内摩擦角条件下两种方法计算结果的差异。算例结果表明：考虑与不考虑滑移过程锚索受力变化计算方法,计算得出的动安全系数变化规律一致,但考虑滑移过程锚索受力变化的改进计算方法得出的动安全系数动态变化幅度明显更小,反映了锚索的抗震作用效果,可为地震作用下该类型岩坡的预应力锚索加固设计分析提供参考。     

基于有限元极限平衡法的尾矿坝坝体稳定分析

在平面应变条件下,采用基于弹塑性应力应变分析的有限元极限平衡法对尾矿坝坝体的稳定性进行研究。该方法可较好地结合极限平衡分析方法和有限元应力分析方法的特点。通过弹塑性有限元分析,合理准确地考虑结构整体应力场的影响,进而结合Hooke-Jeeves法优化搜索最危险滑动面的位置及其对应的最小安全系数。以某尾矿坝实际工程为例,比较分析了考虑正常、洪水以及特殊工况运行下有限元极限平衡法与极限平衡条分法和有限元强度折减法在安全系数大小及滑动面形状和位置的差异,重点运用有限元极限平衡法对尾矿坝坝体的稳定性进行验算并作出安全评价,为尾矿坝的安全设计施工提供可靠依据和技术支撑。     

黄土高边坡的三维动力稳定性分析——以固原九龙山边坡为例

针对高烈度区九龙山黄土高边坡的动力稳定性问题,调查分析了该边坡的工程地质条件和场地所在区域构造活动与分布特征。在考察动荷载循环、往复作用下黄土反应敏感性及动强度参数,以及沿坡高确定地震惯性力反应地震作用大小的基础上,将强度参数折减与有限差分方法结合,从而形成了边坡的拟静力强度折减有限差分分析方法。通过九龙山土边坡拟静力强度折减三维有限差分法计算分析,得到了强度折减条件下边坡的位移场和应力场,边坡关键点位移与折减系数之间的关系,以及黄土高边坡的动力稳定性安全系数。其分析结果与传统的二维极限平衡分析方法确定的结果基本一致,验证了边坡拟静力强度折减有限差分方法的合理性。     

地震作用下华丽高速公路金沙江桥华坪岸顺层边坡动力稳定性评价

以华丽金沙江桥华坪岸顺层边坡地震稳定问题为研究对象,在slide下利用Janbu-simplified法计算了其最不利滑动面和安全系数,为模型试验确定了宽900 m×高450 m的试验范围。采用拟静力法,在Phase 2D下利用有限元强度折减法模拟模型边坡,计算了0.00g、0.10g、0.15g、0.20g、0.25g、0.30g、0.35g等7个地震工况的安全系数和位移。对比不同工况下的安全系数、位移与水平地震加速度曲线,结果表明,（1）极限平衡法与强度折减法所得安全系数在1.0附近安全系数离散性最小,远离1.0则安全系数的离散性增大,差异是两类方法极限状态定义的不同造成的。基于安全系数确定的临界水平地震加速度为0.20g;（2）剪应变揭示的边坡破坏模式为桥墩位置拉剪破坏、T2凝灰岩主滑和前缘近于水平剪出破坏,坡体内部的变形响应敏感性为水平位移＞竖向位移＞剪应变。基于变形演化规律确定的临界值为0.15g～0.20g,相应水平位移预警值为10.2 mm,室内模型试验验证了上述分析的合理性;（3）综合确定华坪岸顺层边坡临界水平地震加速度为0.2g,50年超越概率为10%和100年超越概率为2%对应的安全系数分别约为1.2和1.1,华坪岸边坡在现行抗震设防标准下是安全的。当前选择安全系数作为边坡稳定性评价指标,而安全监控实践中一般选择可操作性和预警性强的变形值作为控制指标,所以边坡稳定性评价需要采取安全系数与临界位移相结合的方法。     

基于极限平衡有限元的岩质高边坡安全系数长期预测分析

引入基于Dijkstra算法的极限平衡有限元方法到岩质边坡长期稳定性研究中,得到边坡长期安全系数,并将该方法应用于糯扎渡工程坝肩高边坡,在弹塑性下比较刚体极限平衡和基于Dijkstra极限平衡有限元方法计算结果,认为该算法可信。基于糯扎渡水电站坝肩高边坡有限元流变分析中各时步应力场结果,采用基于Dijkstra极限平衡有限元方法得到各时步潜在滑动面和安全系数。由此判定该边坡长期稳定性,并给出安全系数随时间变化趋势和长期安全系数。     

水位骤降时的非饱和坝坡稳定分析

从非饱和土抗剪强度理论出发,应用极限平衡法和以有限元应力计算为基础的极限平衡法,分别对库水位骤降时的坝坡稳定进行了计算。分析中采用非饱和-非稳定渗流理论,模拟了孔隙水压力的消散过程,并考虑基质吸力对土体抗剪强度的影响,将每个渗流分析结果调入稳定分析模块计算其稳定性。最后将两类极限平衡法稳定分析结果进行了比较,结果表明,库水位的骤降,易引起坝坡的滑动,随着超静孔隙水压力的消散,坝坡稳定性逐渐提高;随着孔压消散,基质吸力对抗剪强度的贡献增大。     

考虑时程竖向加速度的Newmark滑块位移法

利用改进的Newmark滑块位移法,采用时程竖向加速度计算屈服角加速度,运用拟静力极限平衡分析和地震动力反应分析计算土工结构地震永久变形。算例计算结果表明,屈服角加速度计算采用时程竖向加速度得到的滑动位移位于竖向加速度假定恒定向上或向下之间。适当改变筑坝土石料的动力刚度,研究了滑动体位移关于动力刚度的敏感性,为土工建筑物的抗震设计提供依据。     

Effects of dynamic shear strength and time-histories stress analysis on newmark sliding block analyses

A simplified procedure for evaluating aseismic stability of slope subjected to earthquake shaking, in which the effect of dynamic shear strength and time-history stress on the yielding angular acceleration of sliding block is taken into account, is presented. The fundamental feature of this procedure is the dynamic shear strength. The numerical computations are performed by using the proposed method. It is shown that the computed sliding displacement for a given core dam, with either method of dynamic shear strength properly considered, is more rational compared with the conventional computational results based on static shear strength.     

地震荷载作用下土钉支护边坡稳定性拟静力分析

在极限平衡分析框架内,使用滑动面搜索新方法和圆弧滑动面方法对地震作用下的土钉支护边坡进行稳定性分析。考虑地震作用时,采用拟静力分析方法,并根据不同的条分模式,推导出水平地震动态分布系数的计算公式。针对地震效应下圆弧滑动面竖直条分法的不足,采用水平和竖直条分法相结合的改进方式。通过算例对比分析,并研究土钉支护间距与不同地震烈度条件下土钉长度的变化对边坡静力和动力稳定性的影响,结果表明,滑动面搜索新方法计算得的最小安全系数与圆弧滑动面方法的计算结果颇为接近,且比以往研究成果要小,可说明滑动面搜索新方法的可行性;在土钉支护边坡的静力和动力稳定性分析中,滑动面搜索新方法计算得的临界滑动面与临界圆弧滑动面接近,但表现出非圆弧特性;在一定程度上可减小土钉支护间距和增大土钉长度,可有效地改善土钉支护边坡在地震作用下的稳定性。     

地震效应和坡顶超载对均质土坡稳定性影响的拟静力分析

基于强度折减技术和极限分析上限定理,假定机动容许的速度场破坏面,考虑坡顶超载、水平和竖向地震效应影响推导了边坡稳定性安全系数的计算表达式。采用序列二次规划迭代方法（和内点迭代方法）对边坡安全系数目标函数进行能量耗散最小化意义上的优化计算,与多个算例的对比验证了其方法和程序计算的正确性;对影响土质边坡动态稳定性的一些因素进行了参数分析,分析表明：随着边坡倾角?、坡顶超载q、水平和竖向地震效应影响系数的增大,边坡稳定性安全系数显著下降;随着坡顶超载q、水平地震效应影响系数kh的增大、竖向地震效应影响系数kv的减小,边坡的潜在滑动面越来越深,潜在破坏范围越来越大。竖向地震效应对边坡稳定性也有一定影响,强震条件下的设计计算必须考虑竖向地震效应的影响。     

基于变分法的均质土坡稳定性分析

在平面应变条件下,从考虑强度折减的滑动土体极限平衡方程出发,推导出一般情况下均质土坡稳定分析的泛函极值等周模型。依据泛函取极值时必须满足的欧拉方程,通过坐标变换对变分问题求解,得到滑裂面函数及其上分布的法向应力函数。对于给定的边界条件及横截条件,土坡稳定问题转化为求解以两个拉格朗日乘子、安全系数和滑裂面一个端点的x坐标为4个未知量的函数极值问题,可以通过数值计算得到最小安全系数及所对应的最危险滑裂面。考虑坡顶拉裂缝,通过算例分析了不同的滑裂面位置及对应的安全系数。通过对ACADS边坡考题算例分析,在不考虑坡顶开裂的条件下,采用该方法的分析结果与依据极限平衡法得到的各裁判答案非常接近,在考虑坡顶开裂时,安全系数略有减小。     

A probabilistic evaluation of the size of earthquake induced slope failure for an embankment

The seismic design method for earth structures considers only the safety factor, subsidence and sliding displacement. However, the estimation of the size of slope failures is necessary to judge the remaining function of an embankment after an earthquake event. The size of slope failures due to an earthquake is investigated by considering the heterogeneity of the ground strength and was based on slope stability analysis of two case histories: the 2001 Geiyo Earthquake (Mj6.7) and 2009 Suruga Bay Earthquake (Mj6.5). As a result, we propose a method for slope failure size estimation based on the maximum slip surface. The proposed method enables a rational assessment of the functional loss of an embankment in terms of the slope failure size.     

降雨作用下煤系土路堑边坡稳定分析

基于掌握的降雨气象资料,利用非饱和瞬态渗流有限元程序对开挖后和风化后两种情况下的煤系土路堑边坡进行了降雨入渗坡体渗流场数值计算和分析。依据非饱和土力学强度理论,基于Morgenstern-Price方法,调用不同降雨时间的渗流计算结果,对两种情况下煤系土路堑边坡的瞬态稳定性进行了计算和分析。研究结果表明,水分在风化煤系土路堑边坡体内的渗透迁移对路堑边坡稳定性和最危险滑动面有时空影响;在煤系土路堑边坡降雨入渗和稳定性分析中考虑风化层较为合理。     

非稳定渗流条件下非饱和土质边坡稳定性的矢量和分析法研究

研究可以同时考虑渗流、变形与稳定的非饱和土质边坡稳定性分析方法具有重要的理论意义及工程实用价值。基于Fredlund双应力变量理论进行非饱和非稳定渗流-应力耦合分析,同时与传统非耦合渗流方法确定的孔压场进行对比发现,两种方法确定的浸润线变化过程相近,堤底处孔压的最大相对误差为8.8%,验证了耦合分析结果的可靠性。将基质吸力对强度的贡献纳入黏聚力中得到坡体强度参数的空间分布规律,又基于滑面强度参数时空分布规律借助Matlab平台开发了非稳定渗流条件下非饱和土质边坡稳定性的矢量和法分析程序。以库水位下降条件下堤坡的稳定性分析为例,将不同方法的计算结果进行对比,发现文中方法搜索得到的滑面位置相对于传统方法要深缓,但总体位置相差不大,不同方法对应的安全系数相差不足0.096,验证了所提方法的合理性。