基于力平衡的三维边坡安全系数显式解及工程应用

将基于滑面正应力分布的二维极限平衡显式解法推广到三维边坡稳定性分析,提出适合一般形状空间滑面的三维边坡稳定性简便计算方法。首先,假设三维滑面正应力的初始分布,然后对其修正,使滑体满足所有力的平衡条件,导出关于安全系数的2次代数方程,最终得到三维边坡安全系数显式解。该方法克服了目前条柱法存在的一些难以解决的困难,不需要考虑条柱间作用力具体分布,满足主要平衡条件,计算过程简单。算例表明,该显式解与楔体三维极限平衡解析解完全一致,与对称三维边坡严格极限平衡解答接近。该方法已用于某重力坝坝肩三维滑体初步稳定性分析,计算结果有助于坝肩边坡的加固设计。     

边坡稳定分析三维极限平衡条柱间力的讨论

根据在自重作用下潜在滑体在斜面上运动的规律,提出条柱底滑面上抗滑力方向垂直于底滑面与水平面交线的假定,并引用条间抗剪强度发挥系数的概念,运用各条柱的3个方向力的平衡和边坡整体3个方向的力矩平衡,提出了一种计算边坡稳定性的三维极限平衡方法,通过对算例的计算结果分析发现：当忽略条柱间全部剪力作用时,得到的安全系数与二维Spencer法计算结果相近;考虑部分条柱间剪力作用时,得到的安全系数与文献[5]计算结果相近;当考虑条柱间横向剪力对边坡稳定性的贡献时,即考虑条柱间全部作用力,得到的安全系数最高,这种假定更能反映边坡实际受力情况,因此,所得的结果更接近于实际     

边坡安全系数的多解性讨论

边坡安全系数计算结果直接影响边坡工程设计,而极限平衡法不能给出唯一的安全系数值,研究边坡安全系数的多解性,有助于对边坡稳定性计算结果有一个合理地判断与取舍。先假定滑面正应力的初始分布,然后采用含有3个待定参数的拉格朗日函数对其修正,保证滑体满足所有的力与力矩平衡条件;设定一系列安全系数分别求解平衡方程组,得到对应的待定参数值;最后根据滑面正应力分布的合理性判断边坡安全系数的合理范围。算例表明,圆弧滑面合理安全系数范围在5 %以内,而任意形状滑面安全系数最大取值范围可达15 %。     

边坡稳定三维极限分析方法及工程应用

边坡稳定三维极限分析方法有上限解和极限平衡两种方法。上限解具有理论基础严格,计算安全系数步骤简捷的优点;极限平衡方法较以往的相关成果更为严格,它是二维的Spencer法在三维条件下的扩展。同时使用这两种方法求解安全系数,可以使两种方法各自的局限性得到弥补,并且可以将安全系数限制在一个很小的区间内,获得满足精度要求的解答。通过小湾堆积体工程实例说明了其可行性和实用性。     

极限平衡条件的拓展与土工结构稳定分析

与土体稳定有关的工程问题诸如挡土结构物上的土压力、地基承载力以及土坡稳定性都与土的极限平衡状态相关 联。将土体一点（单元）的极限平衡条件推广,给出土体沿滑动面的极限平衡条件,证明了该条件的充分必要性。依据该条件,提出了有限元应力分析与极限平衡结合的有限元极限平衡法及土体稳定的安全系数,并明确了安全系数的物理意义,以评价土工结构的稳定性。随后,列举了该方法在土工结构稳定分析中的一些具有代表性的应用,证明了该法是有效的,可以用于分析岩土工程中的稳定问题。     

锚固力在边坡加固中的工程应用

假定滑面正应力分布为含有待定参数的插值函数,利用力和力矩平衡方程推导出锚固力作用下边坡安全系数显式解和给定安全系数要求的锚固力系数解析解。并把这种方法用在边坡加固的实际工程中,发现在锚固力作用下,滑面上正应力分布比较连续,条间力分布也比较合理,而且其方法计算过程简单,易编程实现,便于工程应用,其计算精度也在严格极限平衡法限定范围内,同时克服了传统方法导致滑面正应力反常的缺点。另外,该方法与岩土边坡动力学方法相比较,结果是一致的,说明该方法是可行的。     

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。     

Improved Bell's method for the stability analysis of slopes

A new procedure based on the approximation to the total normal pressure along the slip surface is developed to compute the factor of safety of slopes for slip surfaces of all shapes. By taking the whole sliding body, instead of an individual slice, as the loaded object, all the equilibrium equations are formulated according to the three‐moment equilibrium conditions rather than the two force equilibrium conditions and one‐moment equilibrium condition. The system of nonlinear equations deduced in this way is well‐scaled and enjoys excellent numerical properties such as the existence of solution with a positive factor of safety, a nearly unlimited scope of convergence and a rapid convergence rate associated with the Newton method. In the case of ?_u =0—the situation where no drainage and no consolidation are involved, furthermore, the system has a unique solution and the factor of safety has an explicit expression. Some typical examples are analyzed to demonstrate the numerical properties of the proposed procedure. Copyright © 2009 John Wiley & Sons, Ltd.     

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。     

基于稳定性耦合分析法的余王扁边坡稳定性分析

边坡稳定性分析的极限平衡法与有限元法(FEM)的耦合分析法,首先利用有限元法分析获得边坡岩土体的整体应力场,在此基础上利用极限平衡法进行边坡的稳定系数求解。该方法既反映了边坡的稳定和变形之间的关系,又克服了极限平衡法与有限元法的不足,使二者的优点相互补充,获得的稳定系数基于极限平衡理论体系,可以同传统的稳定系数评价体系接轨。以西安市雁塔区余王扁削坡后边坡为例,用稳定性耦合分析法对其进行了稳定性分析,并把分析结果与各种极限平衡法的计算结果进行了比较,证明了耦合分析方法的可靠性和可行性。     

一般条分法的安全系数显示解

对于边坡稳定性分析中的安全系数方案,根据条底法向力方程,对条底法向力进行假定,使得假定后的条底法向力具有两个待定参数.与传统的条间力假定相比,该假定理论根据更充分,物理意义更明确.通过假定后的条底法向力,化简三个整体极限平衡方程(水平方向、垂直方向力的平衡及力矩平衡),得到安全系数Fs的三次代数方程,其有意义的根为严格满足可能滑动体整体平衡条件的一般条分法的安全系数Fs的显示解.参与计算的有关参数尽管偏多,但都是简单的代数求和.因此,在不损失计算精度的同时,大大简化了一般条分法计算安全系数Fs的过程.算例分析表明,所给一般条分法的安全系数显示解是正确的.     

GIS数据用于复杂边坡三维极限平衡稳定分析

利用基于GIS（Geographic Information System,地理信息系统）栅格数据的三维极限平衡分析模型,可以充分考虑边坡的三维复杂空间特性。经过数据的获得、数据的处理、模型的建立和稳定性分析,不但给出了边坡的三维安全系数,而且给出了危险滑动面上的滑动力分布矢量图。结果表明,滑动面上力的分布极不均匀,呈现明显的复杂空间特性。     

建房切坡条件下边坡稳定性分析

为研究切坡建房对边坡稳定性的影响,本文通过统计分析浙江省余杭区鸬鸟镇地质灾害发育分布特征与成灾模式,概化四类具有不同坡度的斜坡模型,利用有限元极限平衡法模拟计算斜坡开挖后应力、应变分布及安全系数变化规律,借助函数曲线拟合边坡开挖进尺与安全系数间的关系,推算出斜坡开挖失稳时的开挖进尺临界值。得出以下结论:(1)未开挖状态,斜坡潜在失稳区位于坡顶处,开挖后坡脚附近失稳概率高于坡顶。(2)斜坡开挖后,坡度与开挖进尺共同影响边坡稳定性,且坡度影响大于开挖进尺。(3)误差分析发现,坡度小于20°斜坡的临界值误差较大,坡度大于20°斜坡的临界值误差较小。     

一种双折减法与经典强度折减法的关系

经典强度折减法的出发点是对强度值进行折减,进而导致对强度（准则）中的参数使用同一个折减系数。使边坡处于整体临界平衡状态的折减系数恰是边坡的强度储备安全系数。一些学者陆续提出了对黏聚力和内摩擦角采用不同折减系数的所谓双折减法,但尚无严格的理论依据。提出双折减法的出发点是对强度（准则）中的参数进行折减,或简称“强度参数折减”,这样可自然导致采用不同的折减系数,但此时已无法自动得到基于强度储备的安全系数。为此,提出了定义安全系数的新框架--基于参照边坡的安全系数定义,为双折减法建立了理论基础。将新提出的一种双折减法与经典强度折减法进行了比较,发现可以将经典强度折减法纳入该双折减法的计算过程,并从理论上证明了该双折减法的安全系数几乎总是小于经典强度折减法的安全系数,数值模拟实例也证实了这个结论。这表明,经典强度折减法有可能高估了边坡的安全性,建议的双折减法可作为边坡稳定分析的备选方法之一。     

三维块体元塑性极限分析下限法

基于块体元离散思想,将三维边坡离散为块体-结构面组成的块体系统,假定块体为刚体,以结构面上的应力为未知量;从下限定理出发,构造满足平衡条件、边界条件和屈服条件的静力许可场,平衡方程严格满足3方向力平衡及绕3个主轴方向的力矩平衡条件,为避免非线性规划,对屈服条件进行线性化处理;最后,建立了下限法数学规划模型,通过线性及非线性规划获得边坡稳定严格的下限解。用几个典型算例验证了文中方法的正确性及可行性。     

千将坪滑坡三维极限平衡分析

千将坪滑坡位于长江南岸支流青干河左岸,是三峡水库蓄水一个月后发生的水库新生型滑坡。通过千将坪滑坡恢复到原貌,采用三维极限平衡法对滑坡的整体稳定性和失稳下滑的触发因素进行了分析,探讨了水库蓄水和连续降雨对滑坡稳定性的影响。计算分析成果表明,水库蓄水后的浸泡软化作用使滑坡体稳定条件急剧恶化,蓄水和强降雨的联合作用最终导致千将坪滑坡产生大规模深层滑动。     

降雨入渗非饱和黏土边坡稳定性的极限平衡条分法研究

考虑非饱和黏土边坡的基质吸力和渗流力,根据水位线位于滑面上、下的临界平衡状态,分别建立了滑体条块极限平衡状态下力和力矩平衡式,获得了降雨条件下非饱和黏土边坡稳定性的极限平衡条分法计算式。通过试验、参量变换以及作用力的位置关系可以确定相关参量,并采用数值计算求解临界平衡状态下滑体条块的相互作用力系数和非饱和边坡安全系数。案例结果表明：考虑渗流力时的非饱和黏土边坡安全系数比不考虑渗流力的安全系数降低约13.8%,且考虑渗流力作用的条间力作用系数变化率明显大于不考虑渗流力的结果;当降雨强度超过一定值时,坡面径流很快形成,边坡出现不稳定的时间基本相同。     

边坡稳定的有限元塑性极限分析

系统地介绍了结构塑性极限分析的原理和方法。借助有限单元法和线性规划,运用塑性极限分析的下限法,可求解岩土边坡的极限承载力和安全系数。算例表明了该方法的正确性并具有较高的精度,同时,分析了该方法的困难所在。     

简化Bishop法的扩展及其在非圆弧滑面中的应用

在众多边坡稳定分析方法中，经典简化Bishop法的应用最为广泛，但此法只能求解圆弧滑面的安全系数。笔者提出了扩展简化Bishop法，它不仅保留了经典简化Bishop法精度高、易使用等优点，且能够计算非圆弧滑面的安全系数，是较为实用的边坡稳定分析方法。     

复杂边坡稳定性的二维与三维分析

目前,在边坡稳定性分析中广泛地采用二维极限平衡分析方法进行研究。但是对于地形、地层、地下水、岩体结构等条件复杂的边坡,仅用二维极限平衡分析方法进行研究是不够的,二维分析忽略了边坡的三维效应,而复杂边坡往往受三维效应影响大。但至今三维极限平衡方法还不是很完善。因此,本文结合一工程实例,采用二维与三维极限平衡分析相结合的方法对其边坡的稳定性进行了分析。研究结果表明,对于复杂边坡,应用二维和三维稳定性分析相结合的方法进行研究是一种较为恰当的选择。