采用不同Drucker-Prager屈服准则得到的边坡安全系数的转换

研究了边坡稳定分析的有限元强度折减过程中（平面应变条件下）Drucker-Prager（简称D-P）屈服面的变化特点,从而提出了有限元强度折减法采用不同屈服准则计算得到的边坡安全系数之间的转换关系式。在利用有限元强度折减法计算边坡稳定安全系数时,ANSYS有限元软件采用的岩土材料屈服准则为Mohr-Coulomb（简称M-C）六边形外接圆D-P准则,可先求出外接圆D-P准则条件下的安全系数,然后利用所提出的安全系数转换公式就可直接计算出各D-P准则条件下的安全系数。因此,通过转换就可以在ANSYS程序中实现不同M-C准则,而不需要进行二次开发。采用ANSYS软件通过算例分析,比较了由转换关系式得到的安全系数与实际计算的结果,讨论了转算结果的误差。算例结果表明：通过转换关系式得到的安全系数与计算得到的结果非常接近,具有比较高的计算精度,同时也证明所提出的方法是可行的。     

Drucker-Prager系列屈服准则在稳定分析中的应用研究

Drucker-Prager（下简称D-P）系列屈服准则作为Mohr-Coulomb（下简称M-C）准则的修正模型在岩土工程中得到了广泛的使用。然而采用不同的D-P系列屈服准则可能会得到差距较大的结果,因此,选用合适的D-P系列屈服准则十分重要。在研究了D-P系列屈服准则与M-C准则之间的对应关系之后,指出D-P系列屈服准则对应的Lode角取值较为有限,难以反映出材料在丰富受力状态下的M-C准则屈服强度,将其取值范围扩大至－30°～30°,并以某边坡和向家坝泄12坝段抗滑稳定分析为例,对如何选用合适的D-P系列屈服准则这一问题进行了研究,提出了具体的选择方法。研究结果表明,只要选用的D-P系列屈服准则对应的Lode角能反映影响边坡和坝基稳定的关键部位的受力状态,就能够得到较好的结果,将D-P系列屈服准则对应的Lode角取值范围扩大至－30°～30°也是必要的。     

剪胀角对求解边坡稳定的安全系数的影响

分析了目前用有限元方法求解安全系数时所存在的问题,同时,对于岩土边坡采用平面应变条件下基于非关联流动法则的D-P屈服准则,充分考虑岩土的剪胀性对边坡稳定安全系数的影响,修正了对于剪胀性的传统处理方法：过大的考虑材料的剪胀性的特点（ ）和完全不考虑材料的剪胀性的特点（ ）。算例结果分析表明,安全系数随剪胀角的增大而增大,在考虑剪胀性时,采用不同的屈服准则对边坡的安全系数是有很显著的影响的,误差可达30 %左右。     

基于广义Hoek-Brown强度准则的PEM节理边坡可靠性分析

广义Hoek-Brown强度准则(简称GH-B准则)作为估计完整岩石或节理岩体剪切强度的半经验准则,已成为岩体强度预测及数值计算领域中应用最广的准则之一。经验公式中涉及3个与岩体特性有关的材料参数m_b、s和a,实际应用中还不能直接对这3个参数进行精确取值,只能通过中间变量推导或结合地质经验来确定。为尽可能大地消除因用Hoek-Brown经验公式(简称H-B经验公式)的中间变量推导带来的累积误差,消除边坡稳定性评价结果的偏差,提出了从基本随机变量着手,考虑基本变量的可变性与不确定性,借助可靠性理论来综合分析评价边坡潜在破坏概率和风险程度的方法。研究基于GH-B准则的节理岩质边坡的可靠性问题,首先从决定H-B经验公式的4个基本参数GSI、σ_ci、mi和D出发,研究变量的分布概型及取值范围,然后引入到H-B经验公式中去,利用有效地可靠性计算方法求解边坡的失稳概率,将统计矩点估计法(PEM法)引入到节理岩质边坡失稳概率的求解中,通过对一开挖桥墩承台边坡的可靠性分析表明,基于GH-B准则的PEM方法提高了稳定性评价的客观性,结果更加真实可靠。      

一种修正的Drucker-Prager屈服准则

Drucker-Prager（以下简称D-P）屈服准则因其形式简单、物理意义明确而得到广泛的应用,然而经过多年的应用和研究,其缺点逐渐显现出来,如拉剪区偏大、不具有应力角效应等,针对这些不足,提出了修正的D-P屈服准则。在拉剪区用圆球面和横截面的组合方式代替原来的圆锥面,从而不改变D-P屈服准则压剪区的形式,在考虑岩石实际的拉伸强度的同时,也满足该屈服准则经过单轴抗拉强度点的条件;为考虑岩石在三轴压缩和三轴拉伸状态下不同的强度特性,即应力角效应,引入了一种角隅模型;为保证屈服准则始终通过岩石的单轴抗压强度点,建议了一种材料参数k值的取值方法。为验证屈服准则修正后的适用性和正确性,将修正屈服准则与真三轴试验结果进行了拟合,同时与Mohr-Coulomb（以下简称M-C）准则进行对比,结果表明,修正屈服准则可以很好地描述试验现象,且比M-C准则更接近真实结果。     

基于H-B准则的各向异性边坡岩体强度参数修正研究

在岩质边坡的稳定性计算分析中,各向异性岩体抗剪强度参数的合理取值直接决定了分析成果的可靠性。为充分考虑岩体各向异性对边坡工程的影响,本文基于H-B强度准则,利用边坡岩体质量分类体系CSMR替代RMR,对参数m_b、s进行修正,并由此进一步计算得到各向异性边坡岩体的等效M-C强度参数。通过工程实例,计算比较了金沙江某水电站导流洞出口边坡在相同基岩条件、不同开挖设计方案下强度参数修正前后的边坡稳定安全系数。研究结果表明,岩体各向异性对边坡稳定性影响较大,未考虑岩体各向异性的岩体参数用于边坡稳定性计算时不能准确反映边坡的实际稳定性状态;而经过各向异性修正后,导流洞出口边坡两种设计方案下的整体稳定安全系数计算结果分别为1.11和1.70,与工程地质定性、半定量评价结果基本相符。通过本文提出的方法对边坡各向异性岩体参数进行修正,并在此基础上对边坡整体稳定性进行计算分析是可行的。     

基于ADINA、ANSYS、FLAC的强度折减法

与传统极限平衡法相比,强度折减法有众多优势。计算程序和屈服准则是影响强度折减求安全系数的重要因素。以某复杂边坡为例,通过ANSYS-ADINA和ANSYS-FLAC接口程序,建立ADINA、ANSYS、FLAC同套网格模型,克服网格对安全系数的影响。计算中分别选用M-C和D-P准则,分析得出:相对于D-P准则,M-C准则求得的安全系数偏于保守;对于一系列的D-P准则,外角点外接圆D-P和内切圆D-P求得的安全系数分别对应上限和下限;对于同种屈服准则,有限差分法比有限元法求得的安全系数略大。     

用有限元极限平衡法分析边坡的稳定性

用有限元分析为基础的极限平衡法计算了边坡安全系数,并将结果与摩尔-库仑屈服准则、外接圆D-P屈服准则强度折减法得到的结果、以及Spencer（极限平衡）法的结果进行了比较,结果表明,有限元极限平衡法计算的边坡安全系数与摩尔-库仑屈服准则强度折减法和Spencer法的结果很一致,而D-P准则强度折减法得到的结果偏差较大。叙述了存在已知滑动面和不存在滑动面时有限元极限平衡法的计算方法。用大型通用有限元软件,如ANSYS等,可方便地进行这种方法的边坡安全系数的计算,并有足够的精度。     

基于强度折减法的韩城煤矿边坡稳定性分析

将有限元强度折减理论应用于边坡稳定性分析中,运用ANSYS大型有限元分析软件,基于Drucker-Prager（D-P）屈服准则,采用力和位移的收敛标准作为破坏判据,进行边坡的稳定性分析。当折减系数达到某一数值时,非线性有限元静力计算将不收敛,滑面上的位移将产生突变,边坡内一定幅值的广义剪应变自坡底向坡顶贯通,此时认为边坡已破坏,并定义此时的折减系数即为稳定系数。文中以韩城煤矿节理岩质边坡为例,运用该方法进行了稳定性分析并与并与传统的Bishop法、Janbu法等方法对比。计算结果表明,有限元强度折减法能更加真实地反映边坡的实际情况,求得的边坡稳定系数更接近边坡的实际稳定状态,显示出其在边坡稳定性分析中的一定优势。     

基于遍布节理模型的边坡稳定性强度折减法分析

采用非线性数值分析方法分析边坡稳定性问题时,强度折减法因其具有较多的优点而得到广泛应用。岩土体一般采用理想弹塑性模型,屈服准则为广义米赛斯准则。对于密集节理岩质边坡稳定性问题,采用遍布节理模型可同时考虑岩块和节理属性,更符合岩体状态及工程实际,认为岩体经强度折减后潜在破坏可能首先出现在岩体中或沿节理面或二者同时破坏。结合工程实例,基于遍布节理模型的强度折减法计算结果表明,潜在滑移面为折线型滑面,下部潜在滑移面倾角与节理面等效内摩擦角基本一致,上部潜在滑移面与岩体拉破坏相关;节理倾角与边坡安全系数、潜在滑动范围密切相关,陡倾角节理对边坡稳定性影响较小。通过对边坡失稳判据和边坡滑移面确定的探讨,认为以力或位移不收敛作为边坡失稳判据是适当的,而边坡的剪应变速率物理意义十分明确,适于作为边坡潜在滑移面的确定依据。     

Hoek-Brown准则在岩质边坡稳定分析中的优越性

介绍了最新的用于估计完整岩石或节理岩体剪切强度的半经验准则Hoek-Brown屈服准则。结合岩质边坡工程并基于强度折减法计算边坡安全系数,与等效Mohr-Coulomb屈服准则数值模拟对比,得出Hoek-Brown屈服准则采用基于应力水平的塑性流动法则,考虑了岩体结构、岩块强度、应力状态等多种因素的影响,能很好地反映岩体的非线性破坏特征及机理,符合节理岩体的变形和破坏特点。      

基于幂强化本构模型的轴对称圆巷弹塑性解

轴对称圆巷的弹塑性求解的关键是选择合适的屈服准则。已经有诸多学者选择Mohr-Coulomb准则、Drucker-Prager准则和Hoek-Brown准则等,进行了相应的求解。为了探讨更符合工程实际需要的准则和求解,在考虑岩石材料的应变强化效应的条件下,建立了轴对称圆巷的幂强化本构模型和基于Drucker-Prager屈服准则的幂强化-理想塑性模型,并进行了弹塑性求解。以工程实例为计算条件,将幂强化-理想塑性模型的计算结果与基于Mohr-Coulomb准则、Drucker-Prager准则的理想塑性模型和幂强化模型的计算结果分别进行了对比,分析幂强化参数对围岩弹塑性解的影响。研究表明,应变强化效应对围岩稳定性有较大影响,对于应变强化效应较强的岩石材料,采用幂强化模型分析更接近工程实际。     

平面应变状态下边坡安全系数的近似求解

Mohr—Coulomb屈服准则不考虑中间主应力对材料强度的贡献,是一个保守的强度屈服准则,在近似平面应变状态下,匹配于Mohr-Coulomb屈服准则的Drucker-Prager屈服准则能给出边坡安全系数偏保守一些的估计;相对而言,Matsuoka—Nakai和Lade-Duncan屈服准则均考虑了中间主应力对土体强度的影响,在近似平面应变状态下,匹配于Matsuoka-Nakai和Lade-Duncan屈服准则的Drucker-Prager屈服准则能给出岩土类材料较为合理的破坏强度预测,土体的抗剪强度能被更有效地发挥出来,因而借助这些转化的Drucker-Prager屈服准则能给出平面应变状态下土坡安全系数较为合理和真实的预测。文中的边坡稳定算例证实了这些观点。     

基于系列Drucker-Prager破坏准则评述土坡的稳定性

各种在? 平面上等效面积的Drucker-Prager屈服准则,如DP4(Drucker-Prager与Mohr-Coulomb两屈服准则在? 平面上的投影面积相等)、DP5(Drucker-Prager与Matsuoka-Nakai两屈服准则在? 平面上的投影面积相等)和DP6(Drucker-Prager与Lade-Duncan两屈服准则在? 平面上的投影面积相等)等模型都不同程度地模拟了平面应变条件下土体的破坏强度,这就是为什么等效面积的Drucker-Prager屈服准则在二维土坡稳定分析中被推广应用的原因。结合砂土的真三轴强度破坏试验结果,从量化角度论证了DP4模型求出的土坡安全系数可能会保守一些,而DP5和DP6两模型求出的土坡安全系数可能会更真实一些,能更好地发挥材料的承载潜力,因而进一步改善了土坡稳定安全系数的计算精度。     

基于Hoek-Brown准则的非等比强度折减方法

针对节理岩质边坡稳定性分析问题,开展了基于Hoek-Brown破坏准则的强度折减法研究。边坡的失稳过程是一个渐进累积破坏过程,破坏过程中各强度参数的衰减程度不同,在强度折减法中对应的折减系数也不同,不同折减系数间关系的确定及其综合安全系数的定义值得深入探讨。首先从岩体材料软化（硬化）特性出发,根据岩体强度参数从峰值强度到残余强度的变化规律,推导了Hoek-Brown破坏准则中3个强度参数折减系数间的数学关系式,然后以折减前后滑面上抗滑力之比定义综合安全系数来评价边坡的稳定性,最后结合算例验证了该方法的合理性,可有效应用于节理岩体边坡的稳定性分析。     

高地应力下硬岩的本构模型研究

传统的本构模型在模拟高地应力下硬岩破坏的范围和深度方面并不理想。针对高应力下的拉西瓦花岗岩,通过真三轴压缩试验模拟了开挖时应力路径的演化。在摩尔-库仑强度准则、格里菲斯强度准则、德鲁克-普拉格准则、双剪统一强度理论和霍克-布朗强度准则的基础上,考虑十二面单元体主剪面上主剪应力、正应力和静水压力的共同作用,提出了一个有关高应力下硬岩的三剪强度准则。根据试验结果,利用遗传算法全局寻优的功能,搜索出了三剪强度准则的参数。预测样本和与摩尔-库仑强度准则、德鲁克-普拉格准则、双剪统一强度理论的比较表明,该三剪强度准则与试验结果吻合,适用于高地应力下的硬岩。根据试验得到的应力-应变关系曲线,建立了基于三剪强度准则和应变软化的弹-脆-塑性本构模型,并用FLAC3D提供的基于C++的用户自定义模型工具UDM,创建了用户自定义模型的动态链接库,嵌入了FLAC3D软件。采用遗传算法-FLAC方法,搜索得到了基于岩石试样和岩体的本构模型参数。计算结果与实测情况吻合,表明建立的本构模型适用于高地应力下的硬岩,为高地应力下硬岩地下工程的安全性和稳定性分析奠定了基础。     

考虑中间主应力Hoek-Brown强度准则及其适用性

为考虑中间主应力对岩石极限破坏强度作用,在广义Hoek-Brown强度准则幂率项中添加定量表征中间主应力项,构建新的三维Hoek-Brown强度准则。该准则在主应力空间是通过3个角点外接Hoek-Brown准则包络面的曲六面体,在 空间包络线是幂律型曲线。通过与Hoek-Brown准则、Drucker-Prager准则和Mogi准则分别对4组真三轴压缩强度试验数据的拟合对比分析,探讨其反映中间主应力效应的适用性。结果表明,修正的Hoek-Brown强度准则拟合试验数据效果总体最好,Mogi准则次之,Hoek-Brown准则和Drucker-Prager准则较差。从而修正的Hoek-Brown强度准则最适用于粗面岩、大理岩和花岗岩等硬脆性岩石的真三轴强度预测及中间主应力影响规律描述。     

顺层路堑边坡锚杆支护稳定性的有限元模拟分析

基于理想弹塑性本构模型和Drucker-Prager准则,运用ANSYS软件和有限元数值模拟技术,建立了顺层岩体边坡的有限元分析模型。结合沪蓉国道主干线宜昌至恩施公路白氏坪-榔坪段顺层路堑高边坡工程实例,对顺层岩体路堑边坡布设锚杆支护前后的应力、变形和稳定性进行了模拟分析。分析比较表明,锚杆支护结构可以减小边坡临界状态下的最大位移、增大最危险接触面的摩擦力和提高边坡的稳定性系数,从而能有效地提高边坡的稳定性以防止顺层滑坡的发生。