多层软弱夹层边坡岩体破坏机制与稳定性研究

以大量的实际工程为基础,基于Sarma极限平衡法和有限元强度折减法探讨层状岩质边坡在不同岩层倾角θ、边坡坡角β、结构面间距h条件下的安全系数与破坏面位置的变化规律,揭示复杂多层软弱夹层边坡岩体的破坏机制及稳定性特征。结果表明：不同θ条件下边坡岩体失稳机制和破坏面位置不同,随着θ的增大,破坏机制表现为滑移破坏→滑劈破坏→崩塌破坏→倾倒破坏→滑移破坏;当β、h一定时,直立层状边坡的稳定性略大于水平层状边坡,反倾向边坡的稳定性明显大于顺层边坡;β直接影响边坡岩体破坏特征,当β由30°增大至60°时,顺层边坡的安全系数约降低53%;反倾向层状边坡的安全系数约降低40%;h对边坡岩体破坏机制的影响较小,但对稳定性的影响较大,建议工程实践中加强密集结构面岩质边坡的监测和加固工作。     

基于GIS的边坡稳定性计算方法研究

结合GIS（地理信息系统）的空间分析能力和滑动面正应力分布假定模型,建立了基于栅格单元的三维边坡极限平衡模型,提出了基于GIS的边坡稳定性计算方法。该方法首先建立了基于栅格柱体单元的三维边坡稳定性分析模型,给出了模型参数在GIS中的空间表达式;其次,在极限平衡条件下,推导出滑体在GIS中的3个力平衡方程式和1个力矩平衡方程式,形成了用于求解三维安全系数的方程组;最后,基于摩尔-库仑强度准则,以及滑动面正应力分布的假定,求解三维安全系数。同时利用COM（组件对象模型）技术开发出一个基于GIS的三维边坡稳定性分析扩展模块,该模块可实现复杂的算法计算以及多种组合荷载下的稳定性计算,并通过算例验证了该模块的正确性和便利性。     

基于GIS的边坡稳定性计算方法研究

结合GIS(Geographic Information Systems,地理信息系统)的空间分析能力和滑动面正应力分布假定模型,建立了基于栅格单元的三维边坡极限平衡模型,提出了基于GIS的边坡稳定性计算方法。该方法首先建立了基于栅格柱体单元的三维边坡稳定性分析模型,给出了模型参数在GIS中的空间表达式;其次,在极限平衡条件下,推导出滑体在GIS中的3个力平衡方程式和1个力矩平衡方程式,形成了用于求解三维安全系数的方程组;最后,基于摩尔-库伦强度准则,以及滑动面正应力分布的假定,从而求解三维安全系数。同时利用COM(Component Object Model)技术开发出一个基于GIS的三维边坡稳定性分析扩展模块,该模块可实现复杂的算法计算以及多种组合荷载下的稳定性计算,并通过算例验证了该模块的正确性和便利性。     

基于GIS的边坡稳定性计算方法研究

结合GIS(Geographic Information Systems,地理信息系统)的空间分析能力和滑动面正应力分布假定模型,建立了基于栅格单元的三维边坡极限平衡模型,提出了基于GIS的边坡稳定性计算方法。该方法首先建立了基于栅格柱体单元的三维边坡稳定性分析模型,给出了模型参数在GIS中的空间表达式;其次,在极限平衡条件下,推导出滑体在GIS中的3个力平衡方程式和1个力矩平衡方程式,形成了用于求解三维安全系数的方程组;最后,基于摩尔-库伦强度准则,以及滑动面正应力分布的假定,从而求解三维安全系数。同时利用COM(Component Object Model)技术开发出一个基于GIS的三维边坡稳定性分析扩展模块,该模块可实现复杂的算法计算以及多种组合荷载下的稳定性计算,并通过算例验证了该模块的正确性和便利性。     

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。     

倾斜基岩上的边坡破坏模式和稳定性分析

应用离心模型试验对工程中被颇为关注的带有与边坡走向一致的倾斜基岩面,且在该基岩面存在软弱夹层的边坡的稳定性和破坏模式进行了比较详细地研究,并用极限平衡分析方法对试验结果进行了计算分析。模型试验结果表明,该类边坡失稳时,紧贴岩面的软弱夹层就成为滑动破坏面,因而边坡整体沿基岩面向下滑动,且侧向水平位移各处基本一致,表现出典型的平移滑动破坏模式。将稳定安全系数的实测结果与按平移滑动破坏模式的极限平衡分析方法的计算结果相比较后发现,两者相当地吻合,证实了按平移滑动破坏模式所作的极限平衡分析,能良好地预测边坡平移滑动破坏情形下的稳定安全系数。     

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。     

基于SLFT的边坡强度折减法失稳判据

强度折减法在评价边坡稳定性时不需要假设和搜索临界滑裂面,相对于其它方法具有一定优势,但失稳判据尚无明 确标准。滑移线场理论（SLFT） 可以计算得到的极限状态下的边坡坡面曲线（简称极限坡面曲线）,已有研究表明极限坡 面曲线与边坡坡面的相对位置关系可以判断边坡稳定性。基于该结论提出一种边坡强度折减法失稳判据：不同折减系数计 算得到不同的强度参数,因此滑移线场理论计算得到的极限坡面曲线将发生变化,当极限坡面曲线与边坡坡面在坡底相离 时,判断边坡为稳定状态;当极限坡面曲线与边坡坡面相交于坡脚时,判断边坡为极限平衡状态;当极限坡面曲线与边坡 坡面相交时,判断边坡为失稳状态。对标准边坡考题的计算结果表明：提出的失稳判据收敛性较好,安全系数计算结果与 标准答案和已有失稳判据分析结论相差较小;传统失稳判据收敛指标的确定没有明确标准,当位移突变曲线光滑时很难找 到突变点,很难准确计算对应的安全系数,更重要的是传统失稳判据判断边坡极限状态受到人为主观因素的影响,而提出 的失稳判据可以实现失稳判据的客观标准化;确定的临界滑裂面形状以及在边坡中的位置都与标准答案基本一致,提出的 失稳判据适用于强度折减法。     

基于SLFT的边坡强度折减法失稳判据

强度折减法在评价边坡稳定性时不需要假设和搜索临界滑裂面，相对于其它方法具有一定优势，但失稳判据尚无明 确标准。滑移线场理论（SLFT） 可以计算得到的极限状态下的边坡坡面曲线（简称极限坡面曲线），已有研究表明极限坡 面曲线与边坡坡面的相对位置关系可以判断边坡稳定性。基于该结论提出一种边坡强度折减法失稳判据：不同折减系数计 算得到不同的强度参数，因此滑移线场理论计算得到的极限坡面曲线将发生变化，当极限坡面曲线与边坡坡面在坡底相离 时，判断边坡为稳定状态；当极限坡面曲线与边坡坡面相交于坡脚时，判断边坡为极限平衡状态；当极限坡面曲线与边坡 坡面相交时，判断边坡为失稳状态。对标准边坡考题的计算结果表明：提出的失稳判据收敛性较好，安全系数计算结果与 标准答案和已有失稳判据分析结论相差较小；传统失稳判据收敛指标的确定没有明确标准，当位移突变曲线光滑时很难找 到突变点，很难准确计算对应的安全系数，更重要的是传统失稳判据判断边坡极限状态受到人为主观因素的影响，而提出 的失稳判据可以实现失稳判据的客观标准化；确定的临界滑裂面形状以及在边坡中的位置都与标准答案基本一致，提出的 失稳判据适用于强度折减法。     

基于有限元计算的边坡三维滑裂面搜索

提出一种基于有限元计算的边坡三维滑裂面搜索的方法,根据有限元计算的应力结果,计算可能滑裂面的安全系数,然后用遗传算法搜索出最危险滑裂面,并得出相应的安全系数作为边坡的安全度评价指标。该方法的优越性是只需进行一次有限元计算,不需要假定滑裂面,可以用于具有复杂地貌和地质构造的三维边坡。通过算例,验证该方法的可行性和程序的正确性,以大岗山水电站库区边坡工程实例验证该方法的实用性。     

PSO-based stability analysis of unreinforced and reinforced soil slopes using non-circular slip surface

Slope stability analysis is one of the most intricate problems of geotechnical engineering because it is mathematically difficult to search the critical slip surface of earth slopes with complex strata owing to the involved multimodal function optimization problem. At present, a minimum factor of safety for a non-circular slip surface in a uniform and unreinforced earth slope can be calculated using several methods; however, for a reinforced soil slope, it cannot be easily calculated because of the additional effect of the reinforcement. One efficient method to search the critical slip surface is particle swarm optimization (PSO). PSO can solve complex non-differentiable problems, and its increasing ease of use has facilitated its application to multimodal function optimization problems in a variety of fields. However, the recommended PSO parameters to calculate the safety factors of unreinforced and reinforced soil slopes, namely the inertia and local and global best solution weighting coefficients, have not been sufficiently investigated. Moreover, the computational efficiency of PSO for safety factor calculation, including computational accuracy and time, has not been clarified. To calculate the unreinforced and reinforced soil slope safety factors, this study considers force and moment equilibriums, including the tensile force of the reinforcement. Firstly, the computational efficiency of the calculation process by PSO was shown to increase the maximum number of slip surface nodes in the calculation of the safety factor. Then, an analysis was carried out to investigate the safety factor sensitivity to the PSO parameters. Based on this analysis, appropriate PSO parameters for the safety factor calculation of unreinforced and reinforced soil slopes were proposed.

     

基于聚类分析的边坡稳定性研究

在边坡稳定性分析中,滑面搜索方法对于得到边坡的稳定性系数至关重要。现今两种常用的边坡稳定性分析方法,极限平衡法以及强度折减法,可以得到极限应力状态下边坡的潜在滑面。而为了评价边坡在当前应力场下的稳定性,提出一种基于聚类分析概念的滑面搜索方法。这种方法综合考虑了边坡各点的位移以及点安全系数,采用K均值聚类法将具有相近性质的点进行分类,把边坡体分为潜在危险区以及稳定区。潜在危险区的边界即为边坡在当前应力状态下的潜在滑面,并运用矢量和方法计算得到其稳定性系数。采用上述方法对3个算例进行验算,并与极限平衡法以及强度折减法进行对比。结果表明：（1）基于聚类分析的边坡稳定性评价方法具有较好的合理性和可靠性;（2）当边坡处于临界状态附近,通过聚类分析得到的潜在滑面与其他两种方法得到的滑面基本一致;当边坡处于较稳定状态时,当前应力状态下的潜在滑面要比强度折减法得到的滑动带范围要更深更广,但求出的稳定性系数也较高;当存在软弱夹层时,矢量和计算出的滑面更为陡峻,稳定性系数比其他两种方法的结果要小。     

填筑和开挖边坡的稳定性分析

在有限元应力应变分析的基础上,采用以剪应力定义的安全系数和模式搜索的方法确定边坡的安全系数及最危险滑动面。在平面应变条件下,对土层均质的填筑和开挖边坡的稳定性进行了较为全面的研究,并同天然边坡的安全系数和破坏面进行比较,计算结果表明,这3类边坡滑动面的形状基本一致,天然边坡安全系数要高于填筑和开挖边坡;同时比较了采用有限元稳定评价方法和采用极限平衡方法计算结果的差别;最后分析研究了计算参数变化对填筑和开挖边坡稳定性的影响。     

LU Kun-lin,ZHU Da-yong,YANG Yang 均质边坡准三维安全系数实用计算曲线

针对三维极限平衡法计算边坡安全系数存在着分析过程繁琐、较难普及推广等诸多不足,建立了一套实用的三维边坡安全系数计算曲线。假设三维滑面为中间圆柱和两端为部分球面的组合滑面,采用基于滑面正应力修正的极限平衡分析方法,计算36 864个均质边坡,根据计算结果绘制该套曲线。依据该套曲线可以得到,（1）根据已知边坡体的相关指标快速获得三维安全系数,能够得到较二维分析方法更准确、更客观的稳定性评价;（2）根据实际坡体的稳定状况反分析获得滑面土体强度参数,有效地克服二维反分析得到滑面土体强度参数偏高的弊端。研究成果可为均质边坡三维稳定性初步评价提供简单、实用的参考依据。     

禁忌搜索在边坡稳定分析中的应用

在禁忌搜索和极限平衡分析的基础上,提出了全局确定边坡最小安全系数的禁忌搜索方法,并建立了响应的模型;该方法是一种启发式的全局搜索方法,可以搜索出全局最小安全系数,同时还能确定出与之对应的最危险滑动面。将该方法应用于不同几何形状和土层信息的边坡稳定分析中,结果表明,提出的方法能够避免局部最小解,并能搜索到全局最小安全系数。     

基于数值应力场的边坡临界滑动场

数值分析方法（有限元、有限差分等）可计算边坡应力、变形和破坏,但直接计算边坡安全系数比较困难;而极限平衡法需对边坡体内力作出假设,计算精度受到限制。利用数值分析方法计算得到的应力场,重新定义推力最大原理中推力的含义,将常规边坡临界滑动场数值模拟方法作进一步的改进,提出基于数值应力场的边坡临界滑动场方法。该方法可充分发挥两大方法的优势,能够准确、方便地搜索出边坡临界滑动面位置,并给出更合理的边坡安全系数。通过两个算例的稳定性分析,并与其他方法进行比较,验证了该方法的准确性和合理性。     

Stability analysis of slopes reinforced with piles

In this paper, the kinematic approach of limit analysis is used to analyse the stability of earth slopes reinforced with piles. First, the case of slope without piles is considered and a procedure is developed to calculate the safety factor for the slope. Results are compared with those obtained using both the limit equilibrium method and more complex upper and lower bound limit analysis solutions. Then, the stability of slopes reinforced with piles is analysed. Expressions are derived allowing the force needed to increase the safety factor to a desired value and the most suitable location of piles within the slope to be evaluated. A study is carried out to illustrate the effect of piles on slope stability.     

圆弧滑动边坡改进条分法的数值分析

结合传统极限平衡方法和现代极限平衡方法,对圆弧滑动边坡进行垂直条分,将条块间的作用力一般化,提出了基于圆弧滑动的改进条分法。建立了圆弧滑动边坡的力学计算式,确定了一般化的条间力影响系数和边坡安全系数的关系式。运用数值计算和迭代程序,得出滑体分别在力平衡和力矩平衡下的安全系数随条间力影响系数变化情况,从而定量地描述了边坡稳定状态。结果表明,圆弧滑动垂直条分改进方法反映了滑动面和垂直面相互影响情况,数值计算简便,而且精度较高。     

基于强度折减弹塑性有限元法的抗滑桩加固边坡稳定性分析

以大型通用有限元分析软件ABAQUS作为平台,以迭代不收敛联合坡面特征点位移陡增作为抗滑桩加固边坡失稳判据,通过二次开发建立了能够自动搜索安全系数的抗滑桩加固边坡稳定性强度折减弹塑性有限元分析模型,结合典型算例的对比分析验证了这一判据的有效性。在此基础上,针对一实例边坡进行了稳定性数值分析。研究表明,对于抗滑桩加固边坡,以强度折减有限元法所确定的潜在滑动面,一般地比极限平衡法、极限分析上限方法要浅。     

Three dimensional analysis of slope stability

A 3-D mathematical approach to slope stability, which is based on limiting equilibrium and variational analysis, is presented. In the initial formulation there are three unknown functions: the slip surface, the normal stress and the shear stress direction over this surface. The minimum factor of safety is sought through variational extremization. The analysis indicates that the factor of safety is independent of the normal stress distribution over the critical slip surface. It also indicates that the direction of the elementary shear force over the slip surface depends on the slip surface function, but not on the normal stress function. The analysis yields a non-linear first order partial differential equation, relating the slip surface and its first partial derivatives. By limiting the analysis to symmetrical problems an ordinary differential equation, governing the slip surface path on the plane of symmetry, is derived. This equation enables the development of a numerical procedure to determine the minimal factor of safety of symmetrical 3-D slopes. Two possible failure modes are determined for homogeneous slopes. One mode consists of finite 3-D sliding body and the second represents cylindrical failure. Numerical analyses for some simple cases, of homogencous slopes are presented.