黄土边坡开挖与支护效应的离心模拟试验研究

黄土边坡在开挖卸载过程中的稳定性分析及其防护在边坡工程中占有重要地位。采用西南交通大学土工离心机进行了1组非支护边坡和2组土钉支护边坡的离心模型试验,研究了开挖卸载过程中黄土边坡的变形特性、稳定性变化规律及土钉的加固效应。离心模型试验研究表明,土钉能够显著提高黄土边坡的稳定性。土钉支护的边坡土体,因土钉的锚固效应,边坡的变形范围更大,但变形量较小,最大变形量并不在坡面,而是发生在坡面下的锚固区域内,非支护黄土边坡的潜在滑移面产生于距坡顶约40 cm处,土钉支护后,黄土边坡基本不会发生破坏。对于抵抗边坡发生变形而言,不等长土钉支护的效果要优于等长土钉支护,研究成果为黄土边坡的开挖与防护提供了参考。     

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。     

基坑土钉支护边坡有限元稳定性分析方法探讨

针对基坑土钉支护开挖边坡的稳定性,讨论了极限平衡方法的局限性,指出应用有限元方法分析评价基坑土体结构稳定性是近年来研究的新趋势。采用滑面应力分析法和强度折减法两种有限元方法对基坑边坡的稳定性进行了研究。对于无支护的基坑边坡,两种有限元方法得到的安全系数和滑动面结果一致,且滑动面形状随基坑土体强度的降低保持不变。对于采用土钉支护的基坑边坡,两种有限元方法得到的安全系数结果一致,不同阶段下滑动面形状和位置不同,这主要是由于在强度折减时,仅仅对土体强度参数进行折减,而未考虑土钉自身强度的降低。最后指出,在应用强度折减法时,是否考虑土钉自身强度的折减有待进一步研究。     

一汽乘用车所基坑土钉墙支护优化设计

分析了长春一汽乘用车所基坑工程地质条件,对基坑支护方案进行分析论证,并对所采用的土钉墙支护方案进行设计。采用单因素分析法,在土钉倾角合理区间内,对土钉倾角进行最优设计,得出了土钉倾角对基坑边坡稳定性影响规律。本工程采用土钉墙支护的方案,短时高效地完成了工程任务节约了投资。实践证明,通过土钉倾角优化设计,在工程造价不变的情况下,大幅提升施工安全。为土钉墙支护在长春基坑工程中的应用研究提供了借鉴。     

地震作用下土钉支护边坡震后位移分析

基于土钉弹性支座假设,考虑了地震作用时边坡滑动体实时动态滑移对土钉受力的影响,结合拟静力极限平衡法推导了土钉受力实时动态变化与边坡震后位移计算表达式,提出了一种地震作用下土钉支护边坡震后位移计算的改进方法。结合算例分析表明,考虑与不考虑土钉受力实时动态变化的两种计算方法获得的边坡水平位移时程曲线规律基本一致,皆呈阶跃式增大趋势,但考虑土钉受力实时动态变化的改进计算方法得出的震后位移较不考虑的结果小,两种方法计算结果的差异随着土坡整体稳定性的提高而逐渐减小。结合相关文献中土钉支护边坡振动台试验数据,验证了改进方法的合理性。     

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。     

土钉墙支护技术在实际工程中的应用

从土钉墙的结构特点、适用范围和施工的一般要求出发,对土钉墙支护技术在工程中的应用进行了详细介绍。以中国煤炭地质总局地质研制厂职工集资住宅改建1#、2#住宅楼和地下车库基坑支护工程为例,介绍了基坑支护方案的选择和土钉墙的设计、计算、施工和监测方法。经基坑支护设计软件计算,自然开挖时,该基坑的边坡整体稳定性安全系数为0.61～0.67,采用地钉墙加固后,边坡的整体稳定性安全系数为1.47～1.49,单根土钉的抗拔安全系数均大于1.5,说明土钉墙支护设计方案是合理的;基坑施工监测显示,基坑水平位移值及沉降值均小于3mm,符合规范要求。     

剪切过程中锚杆的轴向和横向作用分析

为了分析锚杆轴向力和横向剪切力分别换算的结构面抗剪强度大小规律,依据最小势能原理的变分法,并考虑结构面剪胀特性,建立加锚结构面抗剪强度计算公式。通过加锚结构面直剪试验验证理论计算的有效性,结合理论计算公式,分析了在不同锚杆倾角下围岩强度、锚杆直径和法向应力对锚杆轴向力和横向剪切力换算的抗剪强度影响规律,以及预应力对抗剪强度的影响。结果表明：加锚结构面抗剪强度计算结果与试验结果吻合较好;当锚杆倾角逐渐增大时,锚杆轴向力发挥的抗剪强度逐渐降低,横向剪切力发挥抗剪效能逐渐增大,当锚杆倾角为120°～150°时,轴向力换算的抗剪强度基本为0,而横向剪切力换算的抗剪强度最大;随着围岩强度或法向应力的增大,锚杆轴向力换算的结构面抗剪强度减小,但随锚杆直径或预应力的增大,锚杆轴向力换算的结构面抗剪强度增大;当围岩强度和锚杆直径增大,锚杆横向剪切力换算的抗剪强度会明显增大,而预应力增大会使锚杆横向剪切力换算的抗剪强度呈现降低趋势。     

降雨对均质各向异性土质边坡稳定性的影响

采用有限元法分析了非饱和均质各向异性土坡中的降雨渗透过程和土水相互作用的变化过程,使用修改的Mohr-Coulomb破坏准则考虑非饱和土的抗剪强度,根据基质吸力变化引起抗破坏强度变化的原理,寻找最危险的滑移面位置,计算最小稳定安全系数,研究了土坡遭受降雨渗透时的安全稳定问题。实例分析结果表明,该法在评判降雨时非饱和土坡的稳定性方面是合理可行的。同时分析数据表明裂隙的存在对土质边坡稳定性的影响是显著的,在对雨水入渗的土边坡稳定性分析时,必须考虑裂隙的影响。     

基坑土钉支护可靠性分析优化算法

针对基坑工程中岩土参数存在随机性和变异性的特点,基于响应面重构法、遗传算法和禁忌搜索方法研究了土钉墙边坡可靠性分析方法。考虑土钉的加固作用,建立了适用于土钉墙边坡任意形状滑面安全系数计算的改进Morgenstern-Price法。基于响应面原理,将改进Morgenstern-Price法取代传统响应面法中的有限单元法来随机抽样构造响应面函数,建立了一种近似的土钉墙边坡可靠度计算方法。以土体的抗剪强度指标 、 为随机变量,提出了一种能同时确定土钉墙边坡最小可靠度指标 及相应最危险滑面的全局优化计算方法--土钉墙可靠性分析自适应禁忌搜索遗传算法（ATSGA）。结合算例,分别以土钉墙边坡的最小可靠度指标和最小中值安全系数为目标函数,采用ATSGA法搜索其相应的最危险滑动面,结果表明,二者相差较大。     

运用遗传算法求解土钉支护结构的整体稳定性系数

以土钉支护结构整体稳定性计算的圆弧滑动简单条分法为基础,运用遗传算法对北京某大厦基坑的土钉支护结构最危险滑移面的位置进行了动态搜索与确定,并计算了其稳定系数。结果表明基坑边坡在实施土钉支护后,其最危险滑移面将后移,同时表明遗传算法能够较准确地确定土钉支护结构最危险滑动面及其相应的整体稳定性系数,且可在优化设计中避免陷入局部最小值,证明了该方法的有效性和准确性。     

基于Barton-Bandis准则的锚固边坡稳定性分析

结合岩石节理面非线性Barton-Bandis破坏准则,探讨了将Barton-Bandis破坏准则参数转化为线性Mohr-Coulomb破坏准则抗剪强度参数的两种常用方法,通过实例分析了各方法的优劣。推导了加锚单岩石节理面控制的平面滑动岩体边坡抗滑稳定性安全系数计算式,开展了锚固参数分析。研究表明：相对于采用等效线性拟合法或切线等效法获取Mohr-Coulomb抗剪强度参数而言,直接应用Barton-Bandis破坏准则计算节理面控制的岩石边坡稳定性更为直观和简便;随着结构面基本摩擦角、结构面粗糙度系数和结构面壁面有效抗压强度的增大,边坡安全系数逐步提高,且结构面基本摩擦角和粗糙度系数对边坡安全系数的影响程度更为显著;锚索锚固力越大,边坡抗滑稳定性越好,而锚索设置角度越大,边坡抗滑稳定性越低,锚索角度设置不当将明显减小锚固效应的有效性。     

基于MPGA的复杂应力状态边坡稳定性分析

极限平衡法在边坡稳定性分析中处于主导地位,该算法通常建立在一定的假设之上,没有考虑边坡土体的非线性应力-应变关系,不能用于未达到极限状态以及加固后边坡的稳定性分析。为了解决以上问题,将有限元计算与多种群遗传算法（MPGA）相结合,建立一种基于MPGA的复杂应力状态边坡稳定性分析通用模型,通过数值应力场求解安全系数,并为多种群遗传算法构建适应度函数;再利用多种群遗传算法为安全系数的计算提供滑移面。为了保证分析的高效、合理,根据滑移面发展趋势,动态产生初始滑移面,并增加一个滑移面约束条件。最后,通过均质边坡和软弱夹层边坡两个典型算例分析验证了该方法的合理性;通过分析土钉加固的软弱夹层边坡,证明了该方法可用于加固等复杂应力状态边坡的稳定性分析。     

框架预应力锚杆边坡支护结构稳定性分析

以极限平衡理论及框架预应力锚杆边坡支护结构的滑动面破坏模式为基础,采用毕肖普法,并考虑竖向条间剪力对滑移面抗剪强度的影响,建立了边坡最危险滑移面的搜索模型,并推导了稳定系数的求解公式。运用遗传算法对支护结构最危险滑移面进行动态搜索和确定,计算其稳定性系数。该方法避免了在优化设计中陷入局部最小值的缺点,更具有有效性和准确性。     

土钉墙内部稳定性分析自适应禁忌变异遗传算法

针对土钉墙内部稳定性分析问题,提出一种能同时确定土钉墙任意形状最危险滑动面及相应安全系数的全局优化算法。首先,基于边坡极限平衡法中的Morgenstern-Price法,考虑土钉的加固作用,推导土钉墙安全系数计算公式。然后,分析简单遗传算法（SGA）和禁忌搜索算法（TSA）的不足,引进自适应遗传算法（AGA）,用禁忌变异算子替换自适应遗传算法中的标准变异算子,提出一种新型的混合优化算法--自适应禁忌变异遗传搜索算法（ATMGA）,并将其应用到土钉墙内部稳定性分析领域,建立土钉墙任意形状临界滑裂面稳定性分析优化算法。算例分析表明,（1）与单纯的SGA、TSA以及AGA相比,文中ATMGA法搜索效率高、收敛速度快且能准确地搜索到土钉墙最危险滑动面及其相应的最小安全系数;（2）土钉支护前、后临界滑面位置相差较大,建议在实际工程中对支护后基坑的临界滑面以及相应的安全系数进行重新搜索。     

岩质边坡复合型破坏机制的改进运动单元法研究

目前运动单元法的研究主要集中于土质边坡,未涉及到岩质边坡稳定性分析问题;而岩体中孕育有不同特性的结构面,控制着岩质边坡的力学行为。为求解结构面控制作用下岩质边坡“结构面滑移-岩桥剪断”复合型破坏问题,研究了塑性滑移区节点在岩桥内和结构面上的运动约束条件,推导了含结构面的运动单元计算公式,提出了改进运动单元法。通过经典算例的对比分析,验证了改进运动单元法计算结果的准确性。研究结果表明:岩桥位置、结构面贯通度和结构面倾角是控制岩质边坡力学行为的3个主要影响因素。岩桥越接近坡顶,改进运动单元法所得安全系数越大,而Jennings法无法反映岩桥位置的影响效应。高贯通度的结构面导致岩质边坡发生“结构面滑移-岩桥剪断”复合型破坏模式,安全系数较小;而低贯通度的结构面导致完整岩石发生破坏,安全系数较大。水平或陡倾角结构面导致滑裂面穿切结构面,安全系数较大;而对于其它倾角情况下的结构面,岩质边坡发生“结构面滑移-岩桥剪断”复合型破坏模式,安全系数较小。实例应用结果说明该方法可以有效评价岩质边坡的稳定状态,可在类似工程中应用推广。     

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。     

裂隙面对强膨胀土抗剪强度影响分析

膨胀土作为一种特殊性土,其抗剪强度取值不同于一般的黏性土。实践证明,在进行膨胀土边坡设计时,不仅要考虑土体的土块强度,而且也要考虑裂隙面强度,其抗剪强度在很大程度上受其裂隙面规模与产状的影响,尤其是对裂隙极发育的强膨胀土而言。为了更加真实地模拟强膨胀土在裂隙面控制下的剪切破坏,特在南水北调中线工程南阳段强膨胀土地段进行大剪试验,通过拟合试验数据,对强膨胀土抗剪强度影响因素进行分析。结果表明,裂隙面的发育程度、倾角、裂面的起伏程度都对强膨胀土的抗剪强度有着很大的影响。     

层状岩质边坡破坏模式及稳定性的数值分析

运用FLAC3D模拟层状岩质边坡的破坏模式,并采用强度折减法分析结构面倾角与稳定性之间的关系。结果表明:①水平层状边坡坡顶变形破坏早于坡面和坡脚,形成拉破坏区。当结构面倾角较小时,顺倾向层状边坡主要发生滑移破坏;当结构面倾角较大时,发生弯折-溃曲破坏。直立层状边坡主要发生弯曲-板间拉裂-塌落破坏。逆倾向层状边坡的破坏形式为对于小倾角为滑移破坏,对于陡倾角为倾倒破坏。②对于顺倾向边坡,整体安全系数随结构面倾角先减小后增大,呈现两头高、中间低的形态,在倾角为30°时安全系数最小;对于逆倾向边坡,曲线呈现增大-减小-增大的态势,并且大部分高于顺倾向边坡曲线,符合实际情况。③所采用的低强度弹塑性单元能够比较真实地模拟软弱结构面的变形。     

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。