基于有限元强度折减法的边坡失稳判据统一性研究

采用有限元强度折减法进行边坡稳定性分析时,常用的计算收敛性、塑性区贯通性和特征点位移突变性等3种失稳判据未能体现出很好的统一性。采用Mohr-Coulomb屈服准则,针对3个典型边坡(坡角α、坡高H),系统分析了不同单元相对尺寸L/H、剪胀角ψ时各种失稳判据的适用性和统一性。结果表明,3种判据下的边坡安全系数均随单元相对尺寸的减小逐渐逼近Spencer解,但依据计算收敛性得到的边坡安全系数偏差普遍较大;单元相对尺寸较大(L/H≥1/30)时,剪胀角取值对计算的收敛性影响显著,而对塑性区贯通和特征点位移突变时机的影响较小。当单元相对尺寸足够小(L/H=1/60)和ψ=0或φ(内摩擦角)时,3种判据具有良好的统一性;边坡破坏过程出现明显的组合破坏特征,受拉破坏区域和塑性区可以构成较为平滑的潜在滑动面,说明采用单一的压剪屈服破坏准则(如M-C屈服准则)将过高估计边坡的安全系数。     

用有限元强度折减法评价节理岩质边坡稳定性

以某边坡为例,论述了在ABAQUS软件中实现节理岩质边坡稳定性评价的建模过程。采用具有一定厚度的、低强度实体单元模拟节理组,按连续介质处理,节理组与岩块之间创建相互接触作用,通过不断折减结构面强度参数,以模拟达到失稳状态。通过分析坡顶典型质点场变量与X方向的位移关系,以数值计算不收敛作为边坡失稳评价标准的稳定性安全系数为1.41,以坡顶质点出现明显位移作为失稳标准的稳定性安全系数为1.32,两种判断标准均表明边坡目前处于稳定状态。通过积分等效塑性应变区演化图,模拟得到了强度折减状态下边坡失稳时的潜在滑动面,滑动面直观可视且物理意义明确,无需像极限平衡法一样要事先假定滑动面的位置和形状。     

基于最短折减路径法的边坡安全系数研究

使用双参数折减方法分析边坡稳定性的研究较多, 如何把两个折减系数定义为单一的综合安全系数是目前研究的一项重要内容。Isakov提出的最短折减路径法能够保证在不同工况下得到最小安全系数, 但是该方法的缺点在于计算复杂, 不适合工程应用。通过有限元数值模拟, 利用最短折减路径方法计算不同强度黏土构成的不同坡度均质土坡的最小安全系数和对应的折减系数, 探索了最小安全系数与土的初始黏聚力、内摩擦角以及边坡坡度的关系, 分析了初始强度对折减系数的影响。结果表明, 相同坡度下不同强度的黏土边坡在失稳时, 最小安全系数对应的临界破坏强度相同。临界破坏强度与坡度近似成线性正相关关系。由此基于最短折减路径法提出了一种新的计算最小安全系数的方法, 该方法得到的安全系数与目前常用的极限平衡方法所得结果相近, 并且计算简单, 因此可以用于边坡稳定性分析。      

基于有限元强度折减系数法岩土边坡稳定性分析与抗滑桩设计

基于有限元强度折减系数法原理,应用具有折减分析功能的ANSYS软件,以暴雨工况为最不利控制工况,采用平面应变条件下Drucker-Prage关联流动屈服准则(DP4)和边坡失稳破坏综合判据,分别对龙胜县城桑江北区不稳定高切边坡自然状态和削坡及抗滑桩加固状态进行了强度折减数值模拟。确定了这2种状态边坡最危险滑动面位置、形状并给出了极限状态坡体强度储备安全系数,通过所建桩-土共同作用连续介质模型及ANSYS后处理路径分析功能,求得极限状态滑坡设计推力和桩身内力及其分布,且将该法分析结果与传统分析方法作对比,发现误差很小且该法更接近边坡实际情况。综合分析表明,该法在岩土边坡滑坡灾害防治方面是可行且有效的新途径,有其自身的优越性和广阔的发展前景。      

极限平衡方法在夏日哈木镍钴矿山拟建露天采场边坡角优化中的应用

夏日哈木镍钴矿为大型镍钴硫化物矿床,现拟建大型露天采场,边坡采用分台阶式高边坡,最高边坡高度超过600m。该工程具有开挖成本高,边坡一但失稳后果严重的特点。为此需要选择一个即节约经济成本又保障整体边坡稳定的最佳边坡角。本文采取Geostudio软件中的Slope模块极限平衡方法对拟建露天采场假设开挖边坡角的整体边坡稳定性进行分析,提出最佳设计边坡角。　本次边坡角优化的思路：首先根据场地工程地质条件和拟建边坡的高度等因素将拟建边坡划分为5个区,选择典型边坡工程地质剖面并进行工程地质岩体分段,然后通过岩石强度指标折减计算（本文采用费辛柯法、M.Georgi法和经验法）给各分段的岩体赋予凝聚力、内摩擦角等计算参数,采用极限平衡方法（Geostudio软件中的Slope模块法）对不同角度下对各分区边坡的破坏形式及安全系数进行计算,最后提出了各分区边坡的最佳设计边坡角。     

基于一阶线性应变软化理论的边坡稳定性研究

在持续降雨或开挖卸荷作用下, 土体的强度指标会发生劣化, 但现今采用的边坡稳定性计算大多直接将其视为一个常数。为接近真实的边坡失稳破坏模式, 基于瑞典条分法以及一阶线性应变软化机制, 提出了一种边坡渐进破坏分析新方法, 推导出应变软化型边坡极限平衡表达式, 并获得了各破坏进度下边坡的安全系数。通过对模拟算例进行分析, 证明了条分-软化法的可靠性, 且计算结果表明渐进破坏过程中安全系数不仅取决于边坡的破坏方式与强度参数, 还与岩土体的软化模量密切相关。同时, 通过与滑坡实际案例的对比验算, 证实其强度指标存在不同的衰减系数, 即黏聚力的衰减系数大于摩擦角。从理论到应用, 最终获得的条分-软化法, 不仅考虑了岩土体的强度劣化效应以及滑动面的渐进发展, 还能有效地服务于实际工程背景下边坡的稳定性分析, 可以为滑坡的预防与治理提供指导建议。      

降雨条件下花岗岩残坡积土路堑边坡稳定性研究

基于多孔介质饱和 非饱和渗流理论和非饱和土抗剪强度理论,采用极限平衡法与降雨渗流有限元相结合的方法,选取大庆—广州高速公路江西里仁—龙南段某典型高路堑边坡,利用岩土仿真软件GeoStudio建立模型,研究降雨条件下花岗岩残坡积土路堑边坡失稳破环的形态和机理.结果表明:随着降雨的进行,边坡中地下水位从坡脚处开始抬升,边坡坡脚处容易产生“小弧”滑动破坏;土体体积含水量的增加使得基质吸力下降,从而降低土体强度和边坡的安全系数,且基质吸力与安全系数的下降幅度基本同步;降雨强度对边坡的安全系数有较大影响,小雨阶段,安全系数降幅较缓,而暴雨阶段,安全系数降幅加剧,降幅达24;4％;在强降雨条件下,滑面基质吸力大部分丧失,失稳边坡发生了从整体失稳向局部失稳、从深层失稳向浅层失稳的转变,即强降雨是浅层滑坡的主要外在因素.     

基于临界状态的边坡渐进破坏力学模型分析及应用

边坡条分法物理意义是以强度折减表征材料峰值强度的下降程度。以不平衡推力部分强度折减法为例,推广传统假设,应用理想弹塑性模型和全过程剪应力-应变模型,在峰值剪应力和峰值应变相等条件下,模拟边坡的渐进破坏过程;提出了临界状态决定法,随着临界状态逐步移动,边坡不平衡力和驱动力越来越大,抗滑力越来越小,直至整体处于破坏状态。以湖北省恩施州稻池村边坡为例,以3种数值(部分强度折减、理想弹塑性和全过程剪应力-应变本构)模型揭示边坡渐进破坏过程中各参量变化特征。结果表明:3种数值条块法均能描述稻池村边坡渐进破坏过程,基于条分法和理想弹塑性模型部分强度折减系数大于全过程剪应力-应变本构模型稳定系数。      

一种考虑波动效应的拟动力地震边坡稳定性分析方法

考虑地震波在坡体内的传播特征,基于拟动力法,结合传统静力边坡稳定性分析极限平衡法(瑞典条分法),推导了边坡地震力公式和地震边坡稳定性安全系数公式。在此基础上,借助MATLAB软件开发了最危险滑面搜索和安全系数求解程序,实现了一种考虑波动效应的拟动力地震边坡稳定性分析方法。通过探讨地震动特性对地震边坡稳定性的影响,得到了地震边坡稳定性安全系数随地震动参数的变化规律。对于既定边坡,其安全系数随地震波初始相位呈现周期性波动变化,存在最小安全系数;并且此安全系数随地震系数和地震波波长与边坡坡高比的增大而减小。此外,从波动理论角度揭示了拟动力法与拟静力法的区别与联系,给出了两类方法的适用范围:当地震波波长与边坡坡高比大于10时,两类方法所得结果基本一致,均适用;而当地震波波长与边坡坡高比小于10时,拟静力法所得结果较拟动力法相对保守,仅拟动力法适用。     

基于有限元修正节理岩质边坡稳定性计算的解析解

采用有限元方法探讨在人工开挖或自然侵蚀环境下,岩质边坡体内应力场的变化及节理发育形成机理,并采用有限元强度折减法对后缘具有张节理边坡的稳定性影响因素进行敏感性对比分析,进而得出具有非贯通节理边坡稳定性计算的修正解析解.结果表明:卸荷及风化作用导致边坡体由表及里出现应力重分布及应力集中的现象,使边坡后缘由顶部向下发育一簇...     

基于滑带完整性指标的三峡库区堆积层滑坡失稳破坏判据

滑坡稳定性评价是滑坡防治中关键问题之一, 滑坡失稳破坏判据研究可为滑坡稳定性评价提供支持。为了提高滑坡稳定性评价的精度, 以滑坡深部位移监测数据为基础的滑坡失稳破坏判据不失为一种有效方法。基于滑坡深部位移监测数据, 引入滑带完整性指标, 推导得到了滑带完整性指标与滑坡抗剪强度参数之间呈正比例关系; 运用滑坡稳定性计算方法和三峡库区堆积层滑坡简化模型, 获得了滑带完整性指标与滑坡的稳定性系数之间呈正比例关系。建立了考虑滑带完整性指标的三峡库区堆积层滑坡失稳破坏判据, 即: 当滑坡滑带土完整性指标大于滑坡滑带土完整性指标的临界值时, 滑坡处于稳定状态; 当滑坡滑带土完整性指标小于滑坡滑带土完整性指标的临界值时, 滑坡发生失稳破坏。以三峡库区典型堆积层滑坡——五尺坝滑坡为例, 通过实例分析发现该判据具备可靠性, 对堆积层滑坡适用性好。研究成果表明, 滑带完整性指标失稳破坏判据可以用于评价滑坡的稳定状态, 为滑坡失稳破坏判据研究提供了一种新思路。      

基于内外功率比的非直线坡面型边坡的稳定系数研究

在边坡稳定性上极限分析中, 由于考虑了材料的理想弹塑性本构关系与相关流动法则, 相比极限平衡法更符合岩土材料的特征。在以往的二维边坡极限分析上限法中, 要求坡面形态为规则的直线, 而无论是天然边坡还是人工边坡, 边坡的坡面形态往往并非规则的直线。此外, 以往的边坡极限上限分析中得到的稳定数N_s=c/γH主要针对土坡的临界高度计算, 且未考虑孔压等外力对边坡施加的外功率。不同于传统极限平衡法采用静力学的平衡条件, 本研究针对非直线型坡面边坡稳定性问题, 假定滑动面为对数螺旋线, 基于极限分析上限定理和虚功原理, 提出了一种边坡发生旋转破坏时旋转中心的确定方法, 推导出了非直线型坡面边坡的重力虚功功率和能量平衡方程的解析解, 并提出了基于内、外功率之比的稳定系数K用以评价边坡的稳定性。通过算例比较了不同形态天然边坡的稳定性和人工削坡对边坡稳定性的影响, 并分析了边坡的坡度(β)、土体的内摩擦角(φ)、黏聚力(c)以及孔压系数(r_u)对稳定系数K的影响规律。对于坡度较大的边坡, 通过削坡改变坡面形态提高了边坡的稳定系数K。稳定系数K随黏聚力的增加而非线性增大, 随孔压系数的增加而降低。当黏聚力相对于孔压系数对边坡稳定性影响更大时, 稳定系数K随内摩擦角的增加而增大; 反之, 稳定系数K则随内摩擦角的增加而减小。以上结果符合对边坡稳定性分析的普遍认知, 验证了模型的合理性。另外, 通过将该方法与传统的Bishop法的计算结果进行对比, 发现安全系数F_s=1与稳定系数K=0的临界状态物理意义相同, 稳定系数K随黏聚力非线性增加, 更符合边坡的渐进破坏过程。      

Seismic stability analysis of slopes with pre-existing slip surfaces

In analyzing seismic stability of a slope with upper bound limit analysis method, the slip surface is often assumed as a log-spiral or plane slip surface. However, due to the presence of a weak layer and unfavorable geological structural surface or a bedrock interface with overlying soft strata, the preexisting slip surface of the slope may be irregular and composed of a series of planes rather than strictly log-spiral or plane shape. A computational model is developed for analyzing the seismic stability of slopes with pre-existing slip surfaces. This model is based on the upper bound limit analysis method and can consider the effect of anchor bolts. The soil or rock is deemed to follow the Mohr-Coulomb yield criterion. The slope is divided into multiple block elements along the slip surface. According to the displacement compatibility and the associated flow rule, a kinematic velocity field of the slope can be obtained computationally. The proposed model allows not only calculation of the rate of external work owing to the combined effect of self-weight and seismic loading, but also that of the energy dissipation rate caused by the slip surface, interfaces of block elements and anchorage effect of the anchors. Considering a direct relationship between the rate of external work and the energy dissipation rate, the expressions of yield acceleration and permanent displacement of anchored slopes can be derived. Finally, the validity of this proposed model is illustrated by analysis on three typical slopes. The results showed that the proposed model is more easily formulated and does not need to solve complex equations or time consuming iterations compared with previous methods based on the conditions of force equilibrium.     

基于虚拟特征点的三维激光点云粗配准算法

在地面三维激光点云特征提取的过程中,由于三维点云数据采集仪器、采集方法及后期处理等因素影响,依靠传统的基于曲率、法线等几何特征及统计学算法提取出的点云特征数量较多且存在较大误差,若使用其直接作为特征点数据进行点云粗配准,很难提高点云粗配准的精度及速度。因此,本文在对点云数据实际空间分布结构分析的基础上,结合特征点提取算法、法向一致化算法、PCA（Principal Component Analysis）方法及特征点聚类等方法,提出了一种三维激光点云数据虚拟特征点拟合算法。该算法生成的虚拟特征点是由点云实际的特征点拟合得到,或是由位于被测物特征线上的特征点拟合生成的特征线计算得到,该虚拟特征点并不是扫描对象上实际存在的激光反射脚点。通过实验验证,虚拟特征点拟合算法可以较准确地拟合出由于设备及操作方法等原因而未被采集到的建筑物边角点数据,得到的虚拟特征点数据较实际特征点数据具有更少的数据量及更高的精度,使用拟合得到的虚拟特征点可以减少粗配准算法的计算量,提高粗配准算法的计算效率并能获得更精确及可靠的初始配准变换参数。     

改进的边坡变形非线性时变系统的不确定性分析

大地测量数据往往包含许多不确定性，可能导致所建立的函数模型产生病态，影响参数估计的准确性和可靠性。通过研究边坡变形非线性时变系统的力学原理，利用多项式拟合方法改进原模型，在参数解算过程中，考虑到测量数据的不确定性给解算结果带来消极影响，通过限制不确定度，利用min-max准则，提高参数解算的准确性，并将预测变形结果与实测边坡位移数据对比。结果表明，带不确定性的平差算法（least-square with uncertainty，ULS）与最小二乘平差（least-squares，LS）和整体最小二乘平差（total least-square，TLS）相比，其预测结果更接近实际测量数据，证明了改进的边坡变形非线性时变系统预测变形的有效性。     

Influence of non-dimensional strength parameters on the seismic stability of cracked slopes

Cracks in rock or soil slopes influence the stability and durability of the slopes. Seismic forces can trigger slope disasters, particularly in the cracked slopes. Considering the nonlinear characteristics of materials, the more generalized nonlinear failure criterion proposed by Baker is adopted. The influence of non-dimensional strength parameters on the stability of cracked slopes under earthquakes is performed using the upper bound limit analysis. The seismic displacement is calculated by adopting the logarithmic spiral failure surface according to the sliding rigid block model. Based on the existing studies, two methods for the stability analysis of cracked slopes under earthquakes are introduced: the pseudo-static method(with the factor of safety(Fs) as an evaluation index), and the displacement-based method(with the seismic displacement as an evaluation index). The pseudo-static method can only determine the instantaneous stability state of the cracked slope, yet the displacement-based methodreflects the stability variation of cracked slopes during earthquakes. The results indicate that the nondimensional strength parameters affect the factor of safety and seismic displacement of slopes significantly. The non-dimensional strength parameter(n) controlling the curvature of strength function shapes on the slope stability is affected by other parameters. Owing to cracks, the effect of non-dimensional strength parameters on seismic displacement becomes more significant.     

铜矿岭不稳定斜坡类型识别与工程地质分区

高速公(铁)路路基、隧道和桥梁工程等常常因地质灾害的存在而影响正常使用, 尤其是类型不明的不稳定斜坡, 明确地质灾害类型是影响不稳定体治理方案的首要任务。以宜巴高速公路铜矿岭不稳定斜坡为研究对象, 采用野外地质调查、工程地质分析和监测数据分析的方法, 判明了铜矿岭不稳定斜坡类型。野外调查结果表明该不稳定斜坡上部为残坡积物, 下部为反倾结构的粉砂岩; 结合位移监测数据, 判定该不稳定斜坡变形存在多个剪切滑移带, 但主要分布于松散堆积物内部, 综合判定该不稳定斜坡为深层蠕动变形体; 依据变形大小和变形方向变化特点, 最后将该变形体分为两个大区, Ⅱ区又可细分为2个小区, 并指出Ⅱ₂区是未来防治的关键部位。研究成果为该不稳定斜坡后续治理设计提供了地质依据, 证明传统的工程地质调查、分析与位移监测相结合是开展不稳定体类型判识, 确定边界范围的有效手段。      

Analysis on velocity distribution and displacement along the profile of a slope using both empirical and analytical methods

Assessing the slope deformation is significant for landslide prediction. Many researchers have studied the slope displacement based on field data from the inclinometer in combination with complicated numerical analysis. They found that there was a shear zone above the slip surface, and they usually focused on the distribution of velocity and displacement within the shear zone. In this paper, two simple methods are proposed to analyze the distribution of displacement and velocity along the whole profile of a slope from the slip surface to the slope surface during slow movement. In the empirical method, the slope soil above the shear zone is assumed as a rigid body. Dual or triple piecewise fitting functions are empirically proposed for the distribution of velocity along the profile of a slope. In the analytical method, the slope soil is not assumed as a rigid body but as a deformable material. Continuous functions of the velocity and displacement along the profile of a slope are directly obtained by solving the Newton's equation of motion associated with the Bingham model. Using the two proposed methods respectively, the displacement and velocity along the slope profiles of three slopes are determined. A reasonable agreement between the measured data and the calculated results of the two proposed methods has been reached. In comparison with the empirical method, the analytical method would be more beneficial for slope deformation analysis in slope engineering, because the parameters are material constants in the analytical solution independent of time t, and the nonlinear viscosity of the soil can be considered.     

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基于坡表变形分析与降雨响应模拟的立节北山滑坡运动特征

速度倒数法(INV)是基于坡表变形特征的滑坡启滑预测工具, 其与滑坡内部多物理场演化的关系仍需进一步明晰。开展了甘肃省舟曲县立节北山滑坡的勘察与坡表变形监测, 采用基于速度倒数法、速度阈值法、以非饱和土理论为基础的边坡降雨响应模拟3种方法, 对该滑坡的运动特征与失稳的内在机制展开了研究。研究结果表明: 边坡变形速度倒数-时间曲线有明显的加速起始点。速度倒数在2021年6月3日达到最低值后, 进入约60 d的平稳期, 在9月20日突然加速, 并在20 d内速度达到200 mm/d以上, 变形不再收敛。基于速度倒数法得到的滑坡生命周期结束点, 与实际的失稳点相差8 d, 提前约130 d对该突发性滑坡进行了预报。根据全过程速度时程曲线, 存在20, 60, 100 mm/d的多级速度阈值。边坡应力场、变形场、渗流场的数值模拟结果显示, 变形时程曲线的拐点与降雨强度的增加相关, 累计降雨量与安全系数呈指数负相关。数值模拟得到的累计变形为2 250 mm, 变形速度为10~35 mm/d, 速度倒数为0.03~0.12 d/mm, 与实际监测数据接近。综上所述, 速度倒数法对立节北山滑坡的生命周期进行了有效预测, 基于速度的预警阈值受长时序变形时程曲线波动的影响, 采用以非饱和土理论为基础的数值模拟明晰了立节北山滑坡变形对降雨的响应机制。