修正有限元强度折减法与失稳判据在边坡稳定分析中的应用

现有的有限元强度折减法用于边坡稳定性分析,在土体变形特性的认识和失稳判据上有缺陷。基于土体的应力-应变曲线和邓肯-张非线性弹性模型进行有限元强度折减法计算分析,在现有方法仅对强度参数--黏聚力c和内摩擦角φ进行折减的基础上,提出了切线弹性模量Et的折减算法,更全面地体现折减的内涵;提出了以潜在滑动区域的能量积分变化作为判据,根据能量积分与折减系数关系曲线的特征,将其拟合成两段直线,以其交点所对应的折减系数作为边坡的安全系数。比较分析了修正Duncan有限元强度折减法、失稳判据与文献的计算结果,同时分析了边坡滑动区能量积分计算范围对结果的影响,并用于南水北调东线实际工程计算分析。结果表明：修正Duncan有限元强度折减法能较全面考虑土体的变形和强度特性,新的边坡滑动失稳判据可行且具有较好的计算稳定性,能保证工程建设的安全。     

考虑岩土体流变特性的强度折减法研究

用强度折减法分析边坡稳定性时,不需要事先假定滑面的位置和形状,具有较强的适用性。但在岩土体的力学性质方面仅考虑其弹塑性,而忽略了岩土体的流变性。流变是岩土材料的基本力学特性,很多边坡产生大变形乃至失稳都与岩土体流变具有一定关系。采用强度折减原理,分析了岩土体流变特性对边坡变形及稳定的影响。研究表明,岩土材料的流变特性使强度折减时每点的变形值增大,对边坡稳定具有不利影响。     

降雨入渗条件下非饱和路堤变形与边坡的稳定数值模拟

对于常常处于非饱和状态的路堤在降雨入渗条件下变形问题的数值模拟研究,由于涉及到非饱和土力学,一直是个热点和难点。现有的强度折减有限元法一般仅对强度指标进行折减,但折减后得到的路堤变形场与实际变形场存在一定差异。论文分析认为,在降雨入渗影响下非饱和路堤不仅强度参数会降低,而且变形参数也会随着应力水平和强度参数的变化而变化。采用基于变模量的弹塑性强度折减法,对不同降雨入渗深度下路堤的变形规律进行数值模拟,并与室内模型试验结果进行比较;同时采用强度折减法和极限平衡法中的Bishop法,分析了不同降雨入渗深度对非饱和路堤稳定性和滑弧变化特征的影响规律。     

基于强度折减的土质边坡破坏及稳定分析

边坡的破坏过程是由土体局部破坏向整体失稳发展的过程,其塑性区的开展及其水平位移增量的变化较完美地展现了这个过程。根据边坡的实际破坏和有限元数值模拟情况,提出了以特征点位移增量的突变及塑性区贯通作为边坡的失稳判断准则;并以此为判据,采用基于强度折减的大变形有限元方法分析了土质边坡的破坏及稳定性。研究表明,采用强度折减有限元法可有效分析边坡的破坏及其稳定性;此外还分析了带有软弱夹层黏土边坡的破坏性状及其稳定性,并比较了大、小变形有限元的计算结果,结果表明,带有软弱夹层黏土边坡的破坏性状随软弱夹层土体性质的变化而变化,由大小变形有限元分析得到的边坡稳定安全系数较为一致,但边坡的破坏机制随软弱夹层土体性质变化的转变点不同。     

基于强度折减法的边坡安全预警及失稳判据研究

传统强度折减法难以对实际边坡失稳进行动态预测或预警。基于边坡失稳变形的演化规律,获得边坡特征点位移量与稳定状态的关系。利用强度折减法对边坡强度进行逐步折减,进而构建边坡折减系数与特征点位移间关系曲线,结合边坡失稳演化规律,以特征点处位移值的突变作为边坡失稳判定依据,提出一种边坡失稳预警位移值和极限位移值的确定方法,实现了对边坡安全性进行预测预警。     

基于极限应变判据-动态局部强度折减的边坡破坏演化数值模拟

岩土材料具有极限应变特征,其值可以通过室内试验或数值模拟方法求得。边坡岩土体主要为剪切破坏,可采用极限剪应变作为材料破坏的判据。事实上,边坡岩土体强度参数劣化并非整体性的,而是一个渐进性局部损伤至整体失稳的过程。本文基于极限应变判据,建立了边坡破坏的动态局部强度折减方法,此方法对边坡中超过极限剪应变值的单元进行强度折减。通过不断折减计算过程中产生的超过极限剪应变值单元,直到坡内超过极限剪应变值的单元贯通,认为边坡整体发生破坏。将该方法应用到实际边坡工程中,计算结果和边坡破坏模式及变形监测数据基本吻合。此方法在分析边坡渐进性破坏及稳定性评价方面具有较好应用前景。     

基于非均质边坡强度折减法的三维桥基边坡稳定性分析

基于场变量的强度折减法,以三维一般边坡和陡边坡作为算例模型,对非均质边坡的折减范围进行研究。研究中借鉴某学者研究成果,在ABAQUS中对岩体材料的抗剪强度参数( )和抗拉强度参数T同时进行强度折减,并结合目前边坡失稳判据存在的不足,提出采用坡体内关键部位特征点位移增量 与强度折减系数增量 之比值 和强度折减系数 关系曲线的突变点来确定边坡的临界失稳状态。结果表明,对于一般边坡,只有当黏聚力相差不大的情况下,对黏聚力较小土层实施局部折减才能得到合理的安全系数,对于坡体内存在岩质相差较大的边坡建议采用整体强度折减,相反对于高陡三维边坡而言对相对较软的岩体进行局部折减可以得出较为可信的结果。通过与传统特征点位移法判据相比较,验证了 法的实用性和合理性,同时基于该判据计算出桥基边坡运营期间的安全系数,可为岸坡治理提供理论依据。。     

基于强度折减法的土石混合体边坡长期稳定性研究

土石混合体边坡是自然界中常见的一种边坡类型,具有明显的不均匀性和不连续性。土体的蠕变是造成土石混合体边坡变形及失稳的主要原因之一,而目前关于土石混合体边坡稳定性的研究几乎均未考虑土体的蠕变性。首先运用数字图像处理技术对我国某水电站库区的一个土石混合体边坡进行建模,而后利用FLAC3D软件中的强度折减法对其进行稳定性分析,并着重研究了土体的蠕变特征及其蠕变参数对土石混合体边坡变形及稳定性的影响。计算结果表明,土体的蠕变特征会明显降低土石混合体边坡的安全系数,增大边坡变形,进而对边坡的稳定性造成不利影响;其中蠕变黏性系数对边坡的长期稳定性具有较大影响,黏性系数越大,则土石混合体边坡的安全系数越低。     

基于灰色关联度法和强度折减法的边坡稳定性影响因素敏感性分析

针对强度折减法采用单一折减系数的不足,前人给出了双强度折减法的概念,但c、φ值以及其他参数在具体边坡失稳过程中发挥的作用还不得而知。为了研究不同土体本构参数对强度折减法的影响,本文基于灰色关联分析方法,对土体内摩擦角φ、黏聚力c、弹性模量E、泊松比μ、剪胀角Ф的影响程度进行分析。运用传统强度折减法模拟,分析影响因素与边坡稳定性系数之间的相关程度,剖析有限元中边坡稳定性的敏感要素,为双强度折减法提供参考并提出建议。结果表明,影响因素的敏感性大小按从大到小排列依次是:φ、c、μ、Ф、E;通过不同参数下的边坡滑动面对比,μ、Ф对于边坡的临界状态有较大影响,在强度折减时需要考虑这两者的影响。     

边坡渐进破坏的动态强度折减法研究

边破的变形破坏是量变积累到质变的渐进发生过程,由坡体内部潜在滑动面的逐渐破损并扩展至整体滑面。基于强度折减法思想,提出模拟边坡渐进破坏的动态强度折减法。该方法利用屈服接近度指标YAI确定边坡的破损区域,将YAI<0.2的区域定为破损区,通过不断动态折减局部破损坡体的强度参数,使边坡潜在滑动面渐进演化至贯通,边坡达到极限平衡状态。算例计算表明,该方法可有效解决强度折减法中折减范围的问题,克服整体强度折减法破损区过大的缺陷,获得的位移变化趋势与破损区演化过程也具有良好的一致性。动态强度折减法真实再现了边坡渐进失稳过程,为强度折减法更有效地应用于边坡稳定性定量评价提供有效途径。     

基于变形加固理论的岩土边坡稳定和加固分析

传统的刚体极限平衡法和强度折减法在分析边坡稳定和加固时存在一定的局限性。基于变形加固理论,建立了基于弹塑性有限元分析的边坡稳定和加固分析方法。以余能范数作为边坡整体稳定评价的指标,通过强度参数降低过程中的余能范数的变化来确定边坡的整体稳定安全系数。加固的关键部位和加固力的大小通过边坡中不平衡力的分布来确定。滑动面则由方向相反的、成对的不平衡力的分界面来确定。针对3个经典边坡算例,分析了强度参数逐渐降低过程中的余能范数的变化和不平衡力的分布,确定了边坡的稳定安全系数以及相应的加固关键部位和加固力的大小。结果表明,变形加固理论基于岩土的三维非线性有限元分析,以此来进行边坡的稳定和加固分析是非常有效的,强度参数降低过程中不平衡力的发展演化过程反映的是边坡的破坏过程     

三维边坡稳定分析的有限元弹塑性迭代解法

针对已知滑动面的三维边坡稳定分析问题,在塑性力学上限定理的基础上,提出了求解安全系数的三维有限元弹塑性迭代解法。对于滑动面的非线性特性,采用常规的矩形（平面）或立方体（空间）单元来描述,应力则符合相关联流动法则的Mohr-Coulomb强度准则。通过对弹塑性增量理论中流动法则的分析,证明了当结构达到极限状态时,滑动面内切向应力的方向与滑体的主滑方向一致,说明最终以滑动面内的切向应力作为滑体滑动力的有效性。通过迭代的方式,逐步降低滑动面材料的抗剪参数,使边坡达到极限状态,不仅快速求得了滑动面的安全系数,且能够得到边坡在接近临界失稳状态时滑动面内切向应力的分布情况和边坡的变形规律,为边坡采取加固措施提供了参考依据。最后,以椭球面滑动和楔形滑动2个经典算例和工程实例,验证了该方法的有效性和正确性。     

大理岩弹塑性耦合特性试验研究

大量研究表明,岩石经历塑性变形时其弹性参数会发生变化,即存在弹塑性耦合现象。为了研究岩石的弹塑性耦合特性,进行了两种大理岩的循环加、卸载试验。试验结果表明:与常规试验对比,循环加、卸载试验对岩石的变形、强度及破坏形态影响较小;弹性参数随塑性变形的变化显著,考虑弹塑性耦合时,弹性参数取体积模量和剪切模量更为合适;基于Mohr-Coulomb屈服准则,计算得到了强度参数,即黏聚力和内摩擦角随塑性内变量的演化规律。所得结论将为岩石弹塑性耦合本构模型的建立提供基本的试验支持。     

含断层高陡岩石边坡稳定性的弹塑性分析

根据我国西部山区某露天矿工程实际,通过现场工程地质调查及室内外试验,在分析了该矿北部高陡边坡岩体分布特征、断层等具体地质条件之后,选择最具代表性的主剖面,建立弹塑性力学模型,采用Drucker-Prager屈服条件,利用有限单元法模拟在爆破动力和地下水作用下高陡岩石边坡开挖的动态过程,计算了边坡安全系数。最后,针对边坡在开采后期的整体稳定性提出了安全技术措施。     

泸定大渡河桥康定岸重力锚边坡长期变形与稳定性分析

悬索桥重力式锚碇边坡的长期变形与稳定性是影响该类桥梁结构正常使用的一个关键要素。为合理讨论这一问题,以泸定大渡河桥康定岸重力式锚碇边坡为例,首先开展了现场边坡土体剪切、压缩试验,通过三维弹塑性数值模拟方法确定坡体应力场,基于此确定直剪蠕变试验加载条件,进而针对主要由冰碛土构成的该坡体,进行直剪蠕变试验,根据试验结果揭示的土体蠕变特性随时间逐渐减弱的特征,结合Mohr-Coulomb强度准则,采用Burgers体与广义Kelvin体组成的两时段蠕变本构模型进行锚碇边坡的黏弹塑性分析。考虑锚碇发挥正常使用功能的要求,提出了特征点（散索鞍点）位移容许值判据,将强度折减法扩展应用于黏弹塑性坡体的长期变形与稳定性分析。实例分析表明,该锚碇在正常运营100 a时散索鞍点朝河侧水平位移为13.91 cm,在正常使用极限状态的条件下,锚碇边坡的长期稳定系数为1.71。     

均质边坡稳定性极限曲线法

基于滑移线场理论,按边坡坡面变形量评价其稳定性,提出均质边坡极限曲线法。该法是求有重边坡极限荷载的逆过程,也是强度折减法的对偶过程。以特征线法差分方程组（SCM）和试验方程近似公式（CCM）求得的极限坡面曲线与坡面线相交为变形破坏准则,定义了安全度（DOS）和破坏度（DOF）2个评价指标。该方法不必假设和搜索临界滑动面。经典考题和典型算例的验算表明,随着节点的增加SCM法计算精度增加,边界步长不变时,3次样条插值求得的变形破坏准则判断值不变,说明SCM算法稳定。典型算例的计算数据和图例表明,边坡角变大时边坡稳定性降低,极限坡面曲线与坡面由无交点变为有交点,证明了变形破坏准则的正确性。由2个例题计算结果对比可知,安全系数较大时,SCM法、CCM法计算结果与其具有可比性,相对于原边界条件增加了外荷载;安全系数变小时,SCM法、CCM法偏于保守。34个样本计算正确率为安全系数法67.7%,应力状态法73.5%,CCM法79.4%,SCM法70.6%,表明SCM法和CCM法正确率较高,计算结果可靠,SCM法、CCM法因素敏感性分析结论与安全系数法完全一致。在露天矿边坡稳定性和最终边坡角的分析与计算中,SCM法、CCM法结论与原报告相同,当参数变小时CCM法更有利于实践,具有一定的工程应用价值。     

膨胀土含水量记忆膨胀模型

在现场施工过程中膨胀土切坡很稳定,但当降水时膨胀土遇水膨胀,发生破坏,挖除坍滑的部分,切坡遇雨又继续破坏,不断往复,针对这一实际情况,结合以往的杆件单元模型提出了膨胀土的含水量膨胀模型。膨胀模型在外力作用以及历史上的最大含水量作用下对最大含水量具有记忆性,外力卸除,表现出一般土的特性,只有再次来临的含水量大于历史上的最大含水量时,才表现出膨胀土所特有的膨胀性。给出了此模型的应力-应变关系,与以往的弹塑性硬化体所不同之处的直观上的表现在于,此模型的应力-应变关系曲线整体发生了向左移动。     

有限元强度折减法中边坡失稳位移突变判据的改进

采用有限元强度折减法分析边坡稳定性时,计算所得安全系数依赖于所采用的失稳评判标准。目前边坡失稳判据的多样性及其不确定性,使得计算所得安全系数的合理性及其唯一性受到了质疑,因此如何选择或改进一种既能满足工程需要又易于操作的失稳判定准则显得尤为重要。针对某一典型边坡算例分别按计算收敛性、特征部位位移突变性和塑性区贯通性等3 个失稳判据考查判据的合理性及其适用性,对比研究三维与二维数值所得边坡稳定安全系数的差异,然后对位移突变失稳判据进行了一种改进,通过绘制位移突变倍率(当前分析步位移与上一分析步位移之比)跟折减系数的关系曲线来确定边坡安全系数,并通过简化的实例模型证明了其适用性。     

一种考虑变形参数和强度参数协调折减的强度折减法研究

对于一种确定的岩体材料而言,岩体的变形参数与强度参数存在一种必然的内在联系。从材料性质来看,强度折减法的本质就是在当前边坡构型和岩体重度条件下,寻找另一种合适的岩体材料使边坡恰好达到临界状态。显然,若只对黏聚力和内摩擦角进行折减而其他参数保持不变,折减后的材料参数则可能违背岩体强度与变形参数之间存在的必然联系,即新找到的岩体材料客观上不存在。因此,在对黏聚力和内摩擦角进行折减时,有必要对岩体的其他力学参数进行调整。基于以上认识,提出了一种考虑变形与强度参数协调折减的强度折减法,探讨了变形参数（弹性模量和泊松比）、抗拉强度对安全系数、塑性区的影响,结果表明,同时考虑变形参数与强度参数协调折减的方案所得的安全系数最小,与极限平衡法的计算结果最为接近,且该方案所得的剪切塑性区主要集中在临空面附近,边坡模型中下部的剪切塑性区范围较小,同时,在边坡顶部区域出现张拉屈服区,此种塑性区分布范围最接近边坡实际破坏状态。