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。      

利用大型岩质滑坡形成的环境条件及重力圧密原理分析滑面形态与强度参数

大型、特大型岩质滑坡,因其体积大,范围大,且多位于高山峡谷地区,用勘探方法虽能较准确的查明滑带的位置、形态,但因极恶劣的地形条件,绝大部分在初步研究阶段,由于缺少勘探资料而不能确定滑面位置,因而也难以获得滑面的强度参数。本文从大型岩质滑坡形成的初始环境地质条件:地形条件,地貌条件,岩性条件,构造条件,河流形态,斜坡坡体结构和变形破坏特征,结合滑坡形成后的形态特征,以反馈研究的方式,分析确定大型岩质滑坡滑面的位置及形态特征,在获得滑坡滑面位置的基础上,分析、计算滑面上覆岩体重量在滑面上产生的正应力（压应力）;在获取部分滑带土的基础上,用滑坡体重力在滑面上产生的正应力,以重力压密原理在室内开展相匹配的试验,进而获得各地段相应的物理指标,在室内开展相匹配的强度试验,获得强度参数,建立滑带土孔隙比、含水量与摩擦系数、内聚力的关系,用试验获得的关系式,结合重力压密试验得到的不同部位的含水量,去分析、研究滑面的强度参数,采用传递系数法、摩根斯坦法开展相应的稳定性分析,得到的稳定性系数均大于12,与滑坡当前的变形动态较吻合。     

工程开挖活动诱发堆积层滑坡变形机理及加固效果分析

位于川西高原雅砻江两河口水电站库区的杜米村移民安置点由于切坡建房,诱发后山斜坡强烈变形,威胁移民安置点和S220省道安全。首先,基于现场调查、测绘、钻探、槽探等勘查手段,查明了滑坡发育的工程地质条件和变形特征;通过对滑体和滑带土开展室内直剪、反复剪试验,以及对滑床基岩进行抗压强度试验,结合反分析,合理确定了滑坡稳定性计算参数。然后,采用有限元程序Phase2建立滑坡数值计算模型,模拟再现了滑坡在开挖前、开挖后、降雨后的应力、变形特征和稳定性变化过程,在此基础上分析了滑坡的变形机理。研究认为：不良的地形地貌、地质结构和地下水是滑坡发生的内在因素,坡脚开挖是滑坡变形启动的诱发因素,后期持续降雨入渗是滑坡变形加剧直至失稳破坏的直接因素;开挖导致滑体前缘抗滑力降低、滑带和开挖边坡坡脚产生剪应力集中是滑坡变形启动的力学机制,而饱水和持续剪切变形导致滑带土强度不断衰减接近饱和残余状态是滑坡变形加剧的本质原因;滑坡的变形破坏模式为牵引式蠕滑-拉裂。最后,采用有限元强度折减法对加固治理后的滑坡稳定性进行了计算分析。结果表明：天然条件下滑坡变形主要出现在桩后填土,降雨条件下变形范围扩大至强变形区,地震条件下变形范围进一步扩大至整个滑坡范围;三种工况下滑坡的稳定系数均能达到设计要求,表明加固设计方案和工程结构参数是合理的。研究成果可为类似滑坡工程案例的机理研究及防治提供参考。     

碎石土古滑坡弹塑性接触有限元稳定性分析

为了准确评价碎石土古滑坡的稳定性,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,采用三维大变形弹塑性接触有限元算法,结合复活碎石土古滑坡工程实例,提出利用三维计算结果计算二维剖面稳定性系数的方法,分析了滑坡的稳定性。结果表明,采用三维大变形弹塑性接触有限元算法分析滑坡稳定性可以考虑滑坡体的空间效应,使计算结果更加符合实际。新方法可以更准确分析碎石土滑坡的稳定性和获得该类型滑坡所处的实际状态,为滑坡治理提供准确的科学信患。     

库岸古滑坡复活变形特征及双滑带稳定性响应

三峡库区存在大量的双滑带及多滑带古滑坡,目前对库岸双滑带滑坡变形复活特征及稳定性响应特征的研究较少.以塔坪滑坡为例,通过工程地质勘察和监测资料分析,揭示了该滑坡变形复活特征.并进一步开展了库水位和降雨联合作用下塔坪滑坡的渗流场和稳定性数值模拟计算,揭示了不同滑带对库水位波动和降雨的响应特征.结果表明,塔坪滑坡为阶梯式变形模式,每年的雨季和库水位下降期,滑坡变形速度增大.滑坡表现为显著的前缘牵引式渐进破坏模式.降雨主要对浅层滑带的稳定性产生较大的影响,对深层滑带的影响较小.库水位抬升,浅层滑带的稳定性降低,深层滑带的稳定性增大;库水位下降,浅层滑带的稳定性增大,深层滑带稳定性减小.     

碎石土滑坡的因素敏感性计算分析

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,采用弹塑性接触有限元强度折减法、不平衡推力法和数理统计分析法,结合工程实例,分析了影响碎石土滑坡各因素的敏感性,结果表明,按因素敏感度从大到小排列,主要影响碎石土滑坡稳定性的因素依次为滑面岩土体内摩擦角、地形坡度、滑体饱水面积比和滑面岩土体的内聚力。地形坡度大、具有低内摩擦角滑面的碎石土滑坡的整体稳定性较差,而连续降雨、强降雨会抬高地下水位增大滑体饱水面积比,降低滑面带岩土体抗剪强度,增加下滑力,对碎石土滑坡的稳定性将产生最不利的影响。同时,在对碎石土滑坡进行加固处理时,必须优先考虑采取提高滑面等效内摩擦角、降低地形坡度结合降低地下水位措施,其次考虑采取提高滑面岩土体内聚力的措施。     

青藏高原大型深层蠕滑型滑坡变形机制研究进展与展望

大型深层蠕滑型滑坡在青藏高原怒江、澜沧江、金沙江、岷江等地形地貌和地质构造复杂区极为发育,具有规模大、滑带深、渐进变形破坏显著等特点,按照滑坡空间结构主要有后缘洼地蠕滑型、顺层基岩蠕滑型和厚层松散堆积物蠕滑型等3种类型,往往表现为长期蠕滑-间歇性复活-整体滑动.通过梳理大型深层蠕滑型滑坡稳定性影响因素、滑带土工程地质力学性质、地下水渗流场特征与降雨诱发滑坡滞后性以及渐进变形破坏机制和动态稳定性等4个方面的研究进展,提出了3个关键科学问题与4个主要研究方向.建议加强深层滑带土在渗流场-应力场等多场耦合作用下的工程地质力学特性研究、加强剖析滑坡岩土体的非均质渗透特性及地下水分布特征分析,研究不同雨强和历时条件下降雨有效入渗机理,研究大型深层蠕滑型滑坡的降水入渗响应过程和降水诱发滑坡变形的滞后性,提出基于渐进变形破坏的滑坡动态稳定性评价方法,为地质灾害早期判识和综合防范提供理论依据.      

基于物理模型试验的多层滑带滑坡变形演化特征

滑坡变形演化特征一直是滑坡灾害预测与防治领域急需解决的关键问题,但对于多层滑带滑坡的变形演化特征却少有研究.以物理模型试验为手段建立了三层滑带滑坡物理试验模型,完成了多层滑带滑坡变形演化全过程的模拟.基于PPIV技术获取坡表位移数据,通过柔性测斜仪监测滑坡深部位移,同时布设土压力盒获取滑坡内部土压力的变化情况,实现了多...     

黄土-泥岩接触面滑坡滑带土力学特征研究

滑带土是滑坡形成过程中形成的一层结构性较差的土体,是滑坡的重要组成部分。其物理力学性质、微观结构与滑坡的形成以及后期运动特征密切相关。黄土-泥岩接触面滑坡是按照滑坡地质成因划分的一种上层黄土、下层泥岩的具有“双层异质”结构的滑坡。此类滑坡由于在滑动中具有缓动低速的特点,往往早期不易被发现,发现时已造成了严重的危害。采用GDS三轴仪对天水地区花南村滑坡、半山村滑坡和咀头村滑坡三个黄土-泥岩接触面滑坡的滑带土力学性质进行研究,结合滑带土微观结构特征,分析黄土-泥岩接触面滑坡滑带土的力学变化特征及其变形内在机理。研究发现：滑带土中大量存在被黏土颗粒包裹的大颗粒,这些大颗粒在滑带土变形过程中经历错位、滑移等过程后,大颗粒进一步滑移受到黏土质限制,导致黄土-泥岩接触面滑坡滑带土在宏观上表现出应变硬化的典型特征。此外,剪切中孔隙水压力无法及时消散也是此类滑坡变形的重要特征之一。应变硬化造成滑带土在滑动中强度未出现残余值而导致滑坡处于持续运动中,能量的释放方式属于缓慢释放型。因此该类滑坡滑动具有缓动低速的特性。     

基于反算原理的滑坡推力简易估算

滑坡滑面的抗剪强度指标往往用反算法确定。分析表明,对已变形位移的滑坡,其推力可不反算滑面抗剪强度指标而直接按现状稳定系数和设计安全系数简易地估算,一般地,滑坡推力等于下滑分力乘以设计安全系数相对于现状稳定系数的提高比例值。进而讨论了其对不同设计工况、各种典型形状滑面的适用条件。这是一条估算滑坡推力的捷径。     

边坡变形破坏过程的大变形有限元分析

在用有限元法分析边坡稳定性时,引入计算大变形问题的更新的拉格朗日方法,推导了边坡大变形弹塑性有限元分析的方程式。采用边坡某一幅值的等效塑性剪应变区,从坡脚到坡顶贯通前的折减系数作为边坡安全系数。在此基础上,采用弹塑性大变形有限元分析软件计算了均质土坡不同坡角的安全系数,将其与小变形分析的结果进行了对比分析,结果表明：用弹塑性大变形有限元分析边坡失稳破坏的过程中,既考虑了岩土材料的非线性,又考虑了边坡的几何非线性,使计算结果更趋合理。并结合东深供水改造工程BIII2边坡进行了大变形有限元分析,计算结果与勘查到的实际边坡的滑动面分布位置比较接近。研究表明：该方法尤其适宜于软土类边坡或基坑的稳定性分析。     

软土路基大应变黏弹塑性正/反分析沉降预测对比

结合软土变形的大位移、大应变、渗透固结及依时性特点,采用黏弹塑（西原）模型模拟土骨架,建立了分析软土地基的大应变黏弹塑性有限元列式和迭代求解算法,并采用动态“生”“死”单元模拟路堤的施工过程,建立了软土路基双重非线性渗透固结分析模型,研制了相应的大型实用化有限元分析程序LSVEP。分别采用反分析所得参数和室内试验确定参数对路基地表沉降和地基深层沉降进行预测,并将所得结果和现场实测结果进行对比分析,结果表明：所建立的大应变黏弹塑性有限元分析方法正确;计算参数的准确选择对沉降预测精度影响很大;用反分析所得参数进行沉降预测的精度远高于正分析预测,是提高沉降预测精度的有效途径,可供类似工程借鉴。     

颗粒接触无网格法及其在边坡成灾范围模拟中的应用

提出了一种基于颗粒接触的无网格方法（PCMM）,并编制了相应的C++程序,解决了有限元等网格类方法在模拟边坡失稳滑动过程中的网格畸变问题。该方法利用颗粒离散元中的接触拓扑创建连续介质单元,通过颗粒的运动演化实现连续介质单元的自动删除及重建,通过在连续介质单元中引入考虑应变软化效应的Mohr-Coulomb模型及最大拉应力模型,实现边坡的弹塑性分析及失稳滑移过程的模拟。利用PCMM分析了均质边坡的弹塑性场、沙堆的形成过程及土质边坡的失稳过程。计算结果表明,PCMM在小变形下具有足够的精度,且在模拟材料大变形方面具有明显优势,是一种模拟边坡成灾范围的有效方法。     

Multiscale modeling of large deformation in geomechanics

Large deformation soil behavior underpins the operation and performance for a wide range of key geotechnical structures and needs to be properly considered in their modeling, analysis, and design. The material point method (MPM) has gained increasing popularity recently over conventional numerical methods such as finite element method (FEM) in tackling large deformation problems. In this study, we present a novel hierarchical coupling scheme to integrate MPM with discrete element method (DEM) for multiscale modeling of large deformation in geomechanics. The MPM is employed to treat a typical boundary value problem that may experience large deformation, and the DEM is used to derive the nonlinear material response from small strain to finite strain required by MPM for each of its material points. The proposed coupling framework not only inherits the advantages of MPM in tackling large deformation engineering problems over the use of FEM (eg, no need for remeshing to avoid mesh distortion in FEM), but also helps avoid the need for complicated, phenomenological assumptions on constitutive material models for soil exhibiting high nonlinearity at finite strain. The proposed framework lends great convenience for us to relate rich grain-scale information and key micromechanical mechanisms to macroscopic observations of granular soils over all deformation levels, from initial small-strain stage en route to large deformation regime before failure. Several classic geomechanics examples are used to demonstrate the key features the new MPM/DEM framework can offer on large deformation simulations, including biaxial compression test, rigid footing, soil-pipe interaction, and soil column collapse.     

降雨作用下碎石土滑坡解体变形破坏机制研究

为了揭示碎石土滑坡的变形解体破坏机制,结合工程实例,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,采用不平衡推力法、数理统计分析方法和三维弹塑性接触有限元算法,以及运用碎石土边坡地下水管网状排泄系统理论,分析降雨作用下碎石土滑坡的变形解体破坏过程,揭示了降雨作用下中深层碎石土滑坡变形解体破坏的主要机制和一般的力学机制。结果表明,一定强度的长时间连续降雨或强降雨是中深层碎石土滑坡发生失稳的主要触发因素;采用考虑降雨作用的弹塑性接触有限元算法,可以更好地反映该类型滑坡在降雨作用下所处的实际状态及滑坡的滑动过程,可以为该类型滑坡稳定性的准确评价和预测预报提供可资借鉴的方法。     

夯击方式对强夯加固效果的影响

工程实践表明,“重锤低落距”和“轻锤高落距”的作用效果有较大差别。在考虑材料非线性、几何非线性、接触非线性、运动非线性以及它们之间相互耦合特性的基础上,利用显式瞬态非线性有限元分析技术分析了强夯夯锤对地基土的冲击碰撞过程,得到了土体的运动轨迹、夯锤与土体之间的最大撞击力、撞击持续时间、夯沉等结果,分析了不同夯击方式下的能量利用效率及土的物理力学指标对夯击方式的敏感性,结果表明“重锤低落距“优于”轻锤高落距”这一结论是有条件的。     

水平面渗流有限元中利用接触单元模拟悬挂式阻水结构

区域性渗流场由于范围大,通常忽略掉竖向的水头损失而用水平面二维有限元进行分析,但在城区区域渗流场中悬挂式阻水结构物量多,竖向绕流现象突出,用一般水平面二维有限元进行分析将产生较大的偏差。针对这一问题在悬挂式结构体周边引入一层无厚度界面接触单元。在水平面有限元中利用它考虑因竖向绕流产生的局部水头损失。利用阻力系数的方法和二维状态下截面突变流道流动的解析解,同时考虑防渗墙本身的弱透水性,推导了接触单元的导水矩阵。应用接触单元编制了相关程序,在水平面有限元中利用接触单元对悬挂式阻水结构进行分析,并将结果与三维有限元进行比较,两者的计算结果在流量上保持一致,在水头上前者是后者在同一位置处沿高程方向平均值。提出的该计算方法,对于用水平面二维有限元分析含有悬挂式阻水结构的大区域渗流问题,是一个有效的手段。     

混合多位移模式的非连续变形分析法研究

传统的非连续变形分析法（DDA）法采用简单的线性位移模式计算效率高,描述大块体的高阶多项式位移模式在一定程度保留了该特点,并提高了计算精度。近年来流行的耦合有限元、自然单元的DDA法实质上是引入相应的插值形函数构成块体位移函数,计算相对低效,但具有计算更精细、更容易施加边界条件等优点。为结合传统DDA法与DDA耦合法各自的优点,建立了一种同时利用传统DDA法线性位移模式与耦合型DDA法非线性位移模式的混合法。该方法非线性模式主要针对大块体,采用了自然单元插值,缘于其具有一定无网格特征,且效率比有限元高。建立了混合模式下的整体矩阵并推导出接触等因素刚度子矩阵和荷载子向量的具体表达式。该方法建模更加方便合理,计算精度、效率介于线性模式的传统DDA法和非线性位移模式的耦合法之间。通过基本算例验证了混合法的有效性,并给出了节理围岩-隧道衬砌整体分析模型的计算结果,体现了新方法的优越性。