边坡大变形弹塑性有限元分析[Ⅰ]: 理论

本文采用以物理坐标为变量的Ｕｐｄａｔｅｄ－Ｌａｇｒａｎｇｉａｎ描述方法,在考虑边坡非线性变形破坏的基础上,建立了边坡大变形破坏的弹塑性有限元模型,详细推导了有限单元方程和数值分析公式,并考虑了边坡的初始应力和超孔隙水压力。     

边坡变形破坏过程的大变形有限元分析

在用有限元法分析边坡稳定性时,引入计算大变形问题的更新的拉格朗日方法,推导了边坡大变形弹塑性有限元分析的方程式。采用边坡某一幅值的等效塑性剪应变区,从坡脚到坡顶贯通前的折减系数作为边坡安全系数。在此基础上,采用弹塑性大变形有限元分析软件计算了均质土坡不同坡角的安全系数,将其与小变形分析的结果进行了对比分析,结果表明：用弹塑性大变形有限元分析边坡失稳破坏的过程中,既考虑了岩土材料的非线性,又考虑了边坡的几何非线性,使计算结果更趋合理。并结合东深供水改造工程BIII2边坡进行了大变形有限元分析,计算结果与勘查到的实际边坡的滑动面分布位置比较接近。研究表明：该方法尤其适宜于软土类边坡或基坑的稳定性分析。     

广州飞碟训练中心高边坡稳定性分析

以广州飞碟训练中心人工高边坡工程为背景,讨论了人工高边坡设计中的若干关键技术问题,介绍了边坡设计方案。基于相同物理模型和边界条件,先后运用不同极限平衡理论分析该高边坡稳定性,分析了不同极限平衡法计算结果的差异和原因,以及极限平衡法在边坡计算中的限制。运用有限元强度折减法进行相同条件下的计算,并对不考虑锚索加固和考虑锚索加固的边坡计算结果进行比较,分析边坡变形特征和破坏机制,指出有限元折减强度法的优势。     

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。     

常吉高速公路湘西段路堑边坡结构特征与防护措施

常吉高速公路湘西段地形起伏大, 地质条件复杂, 路堑边坡数量众多, 边坡稳定性问题突出。本文根据岩体产状与边坡坡面的关系研究, 认为常吉高速湘西段路堑边坡主要包括顺向坡、正交坡与反向坡, 其中顺向坡的变形破坏机制与它的物质组成、岩体结构合风化程度等有关。分析、总结了路堑边坡的变形破坏模式, 提出并实施了针对不同边坡结构类型与变形破坏模式的边坡防护措施。     

试论疏排水在红层地区滑坡治理中的重要作用

红层岩土工程地质特性已为工程界所重视。由于其具有遇水软化及低强度的特性，水活动对边坡变形破坏具有重要的促进作用。论文通过对红层岩土工程地质特征和物理力学性质的分析研究，介绍了红层边坡变形破坏特征，论述了地表渗水和地下水活动对红层边坡变形破坏及稳定性的影响。并且通过工程实例分析了疏排水在红层边坡、滑坡治理中的重要作用，提出进行有效的疏排水是对红层边坡、滑坡治理加固的重要手段。     

降雨入渗引起非饱和土边坡破坏的水-土-气三相渗流-变形耦合有限元分析

为了全面地了解降雨入渗引起的边坡失稳破坏机制,基于有限元-有限差分理论(FE-FD scheme)的水-土-气三相渗流-变形耦合有限元数值分析方法被提出。程序中采用了Zhang等~([1])提出的以Bishop有效应力和饱和度作为状态变量的非饱和土弹塑性本构模型,从而可以连续地描述在降雨入渗时土体由非饱和状态转化为饱和状态过程中力学特性的变化。同时用Green-Naghdi客观应力速率张量来考虑边坡失稳过程中的大变形问题。程序不仅可以模拟由于降雨入渗引起的水分迁移、孔隙水/气压力变化的过程,而且可以很好地反映出由于降雨入渗所引起的边坡变形、塑性剪切带形成等力学行为。选取室内边坡模型试验为研究对象,用所提出的水-土-气三相渗流-变形耦合有限元程序来进行数值模拟,并与试验结果对比,验证了所提出的有限元数值方法的有用性。     

某营运高速公路类土质边坡的稳定性分析及加固设计

某高速公路类土质边坡表层为坡积土,下伏强风化—弱风化泥页岩,公路营运巡检中发现该边坡出现变形破坏迹象。对该类土质边坡变形破坏发展过程、成因及稳定性进行分析研究,研究结果表明,该边坡破坏形式为浅层牵引式滑坡,分别利用有限元强度折减法和瑞典圆弧滑动面法对边坡的稳定性进行分析计算,计算结果显示,正常工况下和非正常工况I（暴雨）下边坡都处于不稳定状态,经综合分析结合稳定性计算,提出采用封闭坡表裂缝+预应力锚杆格梁+仰斜排水孔进行治理,加固后的监测数据验证了边坡的稳定性和治理方案的可靠性。研究成果可为类土质边坡滑坡灾害防治提供参考。     

近水平红层开挖边坡变形破坏特征

通过对四川盆地近水平红层公路建设中路堑边坡开挖病害的调查分析,归纳出近水平红层边坡开挖引起的主要变形破坏型式是堆积层滑坡、顺层座滑型滑坡、边坡拉裂变形、边坡岩体倾倒破坏,总结了近水平红层边坡的主要工程地质特征,提出边坡变形破坏的过程一般经历开挖卸荷变形、陡倾节理发展扩大、变形破坏形成三个阶段,并结合工程实例分析了其形成机理。     

岩层倾角影响顺层岩石边坡稳定性的模型试验研究

根据相似理论建立地质力学模型,介绍了模型试验的设计和过程。通过4组对比试验,研究了原型边坡的变形破坏机制以及改变边坡岩体的岩层倾角对边坡稳定性的影响。试验结果表明,顺层边坡的主要变形方式均为滑动变形,破坏模式为滑移-拉裂破坏,滑动过程为分级滑动,越往后拉裂面倾角越小。边坡的变形破坏首先发生在临空面靠近地表部位。层面强度越大,边坡越稳定;岩层倾角越小,边坡越稳定。     

岩质顺向边坡划分标准研究

对西南某河流改道导致边坡变形的破坏模式进行调查,总结边坡在坡向与岩层倾向间夹角变化条件下的变形破坏特征。采用成都理工大学开发的边坡块体稳定性分析系统（SASW）,模拟计算边坡中坡向与岩层倾向在不同夹角情况下边坡楔形块体的稳定性。根据模拟分析结果,建议采用夹角40°作为岩质顺向边坡和斜向边坡的划分界限。岩质顺向边坡进一步划分为顺层顺向边坡和切层顺向边坡,并采用夹角20°作为其划分界限。     

K28边坡变形破坏机制的离散元模拟

在工程地质勘察的基础上,对K28边坡在天然和饱水状态下的变形进行离散单元法数值模拟,分析了此类缓倾角顺层边坡滑移压致拉裂的变形破坏机制,以及地下水促进边坡变形破坏的作用机理,为边坡的工程治理设计提供合理的建议。     

基于FELA的随机场方法在考虑降雨入渗的边坡开挖稳定性分析中的应用

黑山共和国南北高速公路项目部分路段处于复理石地区,降雨集中、空间变异性显著且分层分布的岩土体给道路边坡施工带来了挑战。条分法、常规有限元法等确定性分析方法不能考虑岩土材料的不确定性,给出的具有唯一性、确定性的结果不能反映边坡稳定的不确定性。以该工程某边坡为例,采用有限元极限分析方法（FELA）,考虑岩土材料强度的空间变异性,利用上下限解法得出安全系数的分布区间。由勘察资料得到材料均值、标准差和空间相关长度并重建描述抗剪强度指标的二维随机场,同时考虑开挖岩层的节理分布,分析边坡在分级开挖过程中,各施工步骤的稳定性和破坏模式。与有限元分析结果相比,随机场条件下,部分情况开挖阶段安全系数低于限值,并出现局部破坏和整体破坏两种形式。结合不饱和土理论,模拟暴雨情况下雨水的入渗深度并在饱和区采用降低后的强度参数重新计算。通过蒙特卡洛模拟,得到各工况下安全系数、滑动体体积、挡墙弯矩和锚杆内力的概率密度分布函数。挡墙结构约束土体的变形,使得破坏模式趋向于整体破坏,安全系数分布区间变小。锚杆能带动更多土体进入工作状态,同样约束安全系数分布区间。旱季施工与雨季施工边坡破坏区域不同,同等支护条件下,雨季边坡安全系数分布区间更大,且均值明显降低。      

志城顺层岩质边坡滑移破坏模型及变形范围探究

志城滑坡是西南山区典型的由于人工切坡形成的顺层高边坡,大部分边坡浅部已出现顺层滑坡现象,且前缘边坡开挖仍未达到设计标高,存在诱发潜在深层较大规模滑坡的可能。本文以该边坡为研究对象,对志城滑坡及潜在边坡的工程地质条件进行深入分析,探究其破坏成因机制,建立变形破坏机制的概念模型,认为该边坡可归结典型的滑移-拉裂变形破坏模式;在此基础上采用理论模拟计算边坡的顺层滑移范围与实际已发生的变形范围进行比较分析,评价结果认为该边坡失稳破坏范围并非通常认识的"一滑到顶"概念,并预测分析了潜在边坡的破坏失稳范围,进而提出合理工程治理范围。     

志城顺层岩质边坡滑移破坏模型及变形范围探究

志城滑坡是西南山区典型的由于人工切坡形成的顺层高边坡,大部分边坡浅部已出现顺层滑坡现象,且前缘边坡开挖仍未达到设计标高,存在诱发潜在深层较大规模滑坡的可能。本文以该边坡为研究对象,对志城滑坡及潜在边坡的工程地质条件进行深入分析,探究其破坏成因机制,建立变形破坏机制的概念模型,认为该边坡可归结典型的滑移-拉裂变形破坏模式;在此基础上采用理论模拟计算边坡的顺层滑移范围与实际已发生的变形范围进行比较分析,评价结果认为该边坡失稳破坏范围并非通常认识的"一滑到顶"概念,并预测分析了潜在边坡的破坏失稳范围,进而提出合理工程治理范围。     

恩施盆地红层边坡变形破坏模式研究

恩施盆地红层分布范围广,存在大量的斜坡或人工高陡边坡。由于红层岩体工程地质性质的特殊性,在自然地质作用和人类工程活动的影响下,边坡产生变形破坏,造成人员伤亡和财产损失,对城市市政工程和道路工程建设产生了较大的影响和制约。本文通过恩施盆地红层边坡的野外工程地质调查、钻探、现场试验（压水和渗水试验）、样品采集和室内岩体特性参数测试等工作,基本查清了红层的工程地质特性、水理特性和边坡变形特点。恩施盆地红层可分为“硬砂岩”和“软砂岩”,前者由胶结较好的粉砂岩和砂岩组成,强度较高,透水性差,属相对隔水层;后者由胶结较差的砂岩构成,强度低,透水较强,为含水层。边坡变形破坏规模较小,但点多、危害较大。本文从运动方式和影响因素两个方面对边坡变形破坏模式进行研究,依据斜坡岩土体运动方式,红层边坡变形破坏划分为:顺层岩质滑坡、坠落式崩塌、倾倒式崩塌3种;按变形破坏影响因素,边坡变形破坏划分为:软硬互层红砂岩差异风化、顺层结构面和切层结构面不利组合、人工开挖扰动3种,并分析了各类变形破坏模式的特点和变形破坏过程,对恩施盆地及同类型地区的红层边坡变形破坏的防治具有指导意义及参考价值。     

边坡稳定的非线性有限元分析

基于有限元强度折减法,进行了边坡的弹塑性材料非线性及大变形几何非线性分析,并考虑了边坡的三维变形情况。在有限元分析中采用的是莫尔-库仑理想弹塑性模型,大变形分析采用的是更新的拉格朗日法。均质边坡的算例分析表明,有限元法与简化的毕肖普法的安全系数计算结果具有相同的规律,即安全系数都随着黏聚力及内摩擦角的增加而增加,随着重度的增加而减小,但是,各种有限元法的计算结果都比相应的毕肖普法的解要大,亦即毕肖普法偏于安全。各种方法对应的安全系数由大到小的顺序依次是：三维小变形有限元分析、二维大变形有限元分析、二维小变形有限元分析,简化的毕肖普法,前二者能更好地反映实际的边坡变形情况,二者的安全系数值也十分接近,因而是较好的方法。     

国道321线粤西段七宝莲边坡稳定性分析

本文根据国道３２１线粤西段七宝莲边坡变形破坏的特点,提出了岩石的矿物组成,岩体结构、地质构造、地下水和地表水是边坡和路基变形破坏的主要影响因素。根据各种影响因素和力学验算的综合分析,认为该边坡是潜伏着危险的不稳定边坡。提出了边坡加固与防护方案的建议。     

考虑变形机制的边坡稳定预测模型

选择开挖卸荷、爆破振动、岩体流变以及降雨作为影响边坡施工期变形的4个主要因素,深入分析不同影响因素对边坡变形的作用机制,结合边坡位移实测资料,建立了考虑变形机制的边坡稳定预测模型。在弹性理论的简化下推导边坡回弹变形公式计算开挖卸荷分量,基于Burger模型的蠕变本构方程计算流变分量,采用已有的经验公式计算爆破分量和降雨分量;综合4个变形分量形成考虑变形机制的边坡稳定预测模型,该模型可体现各影响因素对边坡变形的作用和相关程度,更加科学合理地解释边坡变形产生的力学机制。通过对锦屏一级水电站左岸边坡外观测点TP5变形监测资料的统计回归分析表明：相对于传统的统计模型,该模型的回归方程显著,方差比和复相关系数较大,预测误差较小,具有工程应用价值。     

边坡变形破坏模式识别系统的实现

以岩体结构为最基本的控制因素,同时结合考虑岩性、结构面形态及边坡结构参数等因素实现了边坡变形破坏模式识别系统。系统将模式识别技术与专家系统有机结合,针对五种岩体类型边坡分别进行模式判断;具有与工程结合紧密、能获得定量结果、层次清晰及使用方便等优点。由本系统判断识别的破坏模式与实际破坏模式相符合,说明了系统的实用性和可行性。