基于有限元强度折减法的单双面边坡稳定性分析

利用强度折减法和有限元分析软件ABAQUS，研究了单面和双面土体边坡的稳定性。首先，利用典型算例验证了所采用方法的可行性，然后通过模型数值模拟，分析了不同的坡体参数，如坡角、坡高、黏聚力和内摩擦角等情况下单面和双面边坡的稳定性。探讨了各参数对单面和双面边坡稳定安全系数的影响特征和规律，同时也展现了土体塑性应变区发生和扩展过程。结果表明:(1)坡角、坡高、黏聚力和内摩擦角等参数的单独变化对边坡安全性系数的影响规律基本一致、近似线性变化，对单面和双面边坡稳定性的影响规律相同；(2)双面边坡稳定性比单面边坡的有所降低，但边坡几何和物理参数取一定范围内的值时，两种趋于一致；(3)坡面顶部的位移拐点和坡体塑性应变区贯通之间并不是同时出现，土体边坡稳定性评价的不同判别准则之间存在差异。建议实际工程中边坡稳定性评价考虑采用双面边坡甚至更复杂边坡分析模型，同时需综合利用边坡稳定临界状态的不同判别准则。     

基于强度折减法的多级边坡稳定性分析

结合工程算例,采用强度折减有限元法,对边坡治理前后的稳定性进行了分析。结果表明,有限元强度折减法能更加直观的得到坡体的实际破坏形式,求得的边坡稳定系数更接近边坡的实际稳定状态,显示出其在边坡稳定性分析中的一定优势。     

三维边坡稳定弹塑性有限元分析与评价

在边坡稳定分析有限元强度折减法的基础上,将二维分析推广到三维分析,研究了其安全系数的定义方式、屈服准则与失稳破坏标准等。算例分析表明,三维有限元分析比传统三维极限平衡方法和二维有限元分析更加符合实际,可以较好地模拟解决实际工程的计算问题。探讨了影响二维与三维分析结果的一些因素,通过分析得出结论：相同模型中选取Mohr内切圆屈服准则比选取外接圆屈服准则的计算结果偏于保守;三维边坡的侧向边界约束条件和长高比对计算结果影响较大,侧向边界全部约束时安全系数将大大增加,而安全系数随着长高比的增加逐渐减小。     

基于边坡稳定性计算方法比较分析

将强度折减法应用于边坡稳定性分析中,折减土体强度,代入有限元程序进行计算,直至计算不收敛,此时的折减系数即为安全系数。结合工程实例,将强度折减法应用于边坡稳定性的分析,利用瑞典圆弧法,结合岩土工程设计类软件天汉以及有限元分析软件ABAQUS分析边坡稳定性,并对安全系数进行对比,3种计算方法得出的安全系数差别不大,安全系数精度都能满足工程要求。     

用有限元强度折减法分析具有非贯通结构面岩质边坡稳定性

岩质边坡的稳定性主要由其结构面与岩桥组合控制,采用有限元强度折减法对具有非贯通结构面岩质边坡破坏机制进行数值模拟分析,计算表明结构面贯通机制主要受结构面强度参数、长度、位置、倾角以及岩桥的倾角、岩桥长度等因素的影响,破坏"自然地"发生在岩体抗剪强度不能承受其受到的剪切应力的地带.分析表明根据塑性力学破坏原理,采用有限元强度折减法有助于对岩质边坡破坏机制的理解.     

有限元强度折减法计算边坡稳定的对比分析

采用目前边坡稳定性分析比较流行的强度折减法,对比研究了MIDAS/GTS、FLAC、ANSYS配合Drucker-Prager（简称D-P）屈服准则和Mohr-Coulomb（简称M-C）屈服准则时软黏土、硬黏土、弱膨胀土3种工况下计算结果的偏差。软黏土工况下D-P准则和M-C准则计算结果的偏差相对较小,当边坡土体为硬黏土时,采用D-P准则与采用M-C准则计算结果的偏差明显增加。3种软件2种屈服准则下的计算结果都反映出,硬黏土的滑动面比弱膨胀土和软黏土的滑动面浅,而且同等情况下MIDAS计算得到的滑动面比ANSYS计算得到的滑动面浅;坡度较小时FLAC（M-C）计算的安全系数比MIDAS（M-C）计算得到的大,坡度较大时则相反;坡度较小时计算过程中先出现塑性区贯通,后出现计算不收敛;坡度较大时计算过程中先出现计算不收敛,后出现塑性区贯通。坡度较小时计算不收敛时的折减系数与出现塑性区贯通时的折减系数差别较大;坡度较大时这一差别较小,甚至计算到不收敛时塑性区仍未贯通,在用MIDAS计算时这一现象反映得更加明显。     

地震作用前后极限平衡法和强度折减法的边坡稳定分析对比

分别运用极限平衡法和ANSYS强度折减法对国内某边坡地震作用前后稳定性进行了分析,考虑地震作用时采用了拟静力法施加水平和垂直两个方向的地震力.根据地震作用前后两种方法得到的边坡稳定系数、滑动面、滑动体的对比分析发现,两种方法得出的安全系数、滑动面相差不大,说明了强度折减法运用到边坡稳定分析中是合理的.强度折减法得出安全系数均比极限平衡法略大,这是由于强度折减法考虑了土体的应力-应变关系,使得计算结果更符合实际.通过地震作用前后边坡的水平位移图的对比,总结了一些规律,为地震区边坡的锚固提出相应的建议.     

基于非线性统一强度理论下的边坡稳定性极限平衡分析

在边坡稳定性分析中,常采用的强度准则一般较少考虑中主应力对边坡破坏效应的影响,然而岩体的实际应力状况表明中主应力存在,且中主应力对边坡岩体的强度潜能发挥起着重要作用。基于考虑中主应力的统一强度理论下的Hoek-Brown(简称H-B)准则,通过对滑动面上的应力进行假设,并采用泰勒级数简化统一强度理论下的H-B准则表达式,然后根据滑动体满足所有静力平衡条件求解滑动面上的应力,进而得到边坡的安全系数。当中主应力影响系数b=0时(即为基本H-B强度准则),与等效的线性Mohr-Coulomb(简称M-C)强度准则下的瑞典法1、简化Bishop法、Spencer法和Morgenstern-Price(简称M-P)法以及基于统一强度理论下的瑞典法2进行算例对比分析,验证了方法的可行性。同时,以边坡的坡高H、坡角β和b为变量进行参数分析,研究表明:b增大(即中主应力对边坡的破坏效应影响越大)时,计算所得的安全系数增大,由此表明基本H-B强度准则下分析所得的边坡稳定性偏于安全。另外,由于提出的方法能够满足滑动体的所有静力平衡条件,且对未考虑条间作用力影响所得滑动面上的初始正应力进行了修正,故此方法较瑞典法2所得结果要大且更为严格。     

极限分析有限元法讲座--Ⅱ有限元强度折减法中边坡失稳的判据探讨

边坡失稳,滑体滑出,滑体由稳定静止状态变为运动状态,同时产生很大的且无限发展的位移,这就是边坡破坏的特征。有限元中通过强度折减使边坡达到极限破坏状态,滑动面上的位移和塑性应变将产生突变,且此位移和塑性应变的大小不再是一个定值,有限元程序无法从有限元方程组中找到一个既能满足静力平衡又能满足应力-应变关系和强度准则的解,此时,不管是从力的收敛标准,还是从位移的收敛标准来判断有限元计算都不收敛。塑性区从坡脚到坡顶贯通并不一定意味着边坡破坏,塑性区贯通是破坏的必要条件,但不是充分条件,还要看是否产生很大的且无限发展的塑性变形和位移,有限元计算中表现为塑性应变和位移产生突变。在突变前计算收敛,突变之后计算不收敛,表征滑面上土体无限流动,因此可把有限元静力平衡方程组是否有解,有限元计算是否收敛作为边坡破坏的依据。-     

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。     

基于有限元极限平衡法的尾矿坝坝体稳定分析

在平面应变条件下,采用基于弹塑性应力应变分析的有限元极限平衡法对尾矿坝坝体的稳定性进行研究。该方法可较好地结合极限平衡分析方法和有限元应力分析方法的特点。通过弹塑性有限元分析,合理准确地考虑结构整体应力场的影响,进而结合Hooke-Jeeves法优化搜索最危险滑动面的位置及其对应的最小安全系数。以某尾矿坝实际工程为例,比较分析了考虑正常、洪水以及特殊工况运行下有限元极限平衡法与极限平衡条分法和有限元强度折减法在安全系数大小及滑动面形状和位置的差异,重点运用有限元极限平衡法对尾矿坝坝体的稳定性进行验算并作出安全评价,为尾矿坝的安全设计施工提供可靠依据和技术支撑。     

基于静动力有限元的边坡抗震稳定分析方法

由人工截断边界输入地震波,通过时程积分法确定地震荷载作用下边坡的应力和变形,在人工截断边界上采用黏-弹性人工边界条件模拟地基辐射阻尼的影响。采用有限元强度折减法求解边坡稳定安全系数,以塑性区贯通时刻特征点的位移突变作为边坡失稳的评判标准。非线性有限元和黏-弹性人工边界条件结合运用,建立了基于静动力有限元的边坡抗震稳定分析方法。该方法在稳定安全系数的定义上和传统的刚体极限平衡法是一致的。以十里铺水电站为工程实例,分析了库区边坡的抗震稳定性,得出了边坡动力位移时程和动力稳定安全系数,计算结果合理评价了实际工程在地震荷载下的稳定性。     

基于极限平衡有限元的岩质高边坡安全系数长期预测分析

引入基于Dijkstra算法的极限平衡有限元方法到岩质边坡长期稳定性研究中,得到边坡长期安全系数,并将该方法应用于糯扎渡工程坝肩高边坡,在弹塑性下比较刚体极限平衡和基于Dijkstra极限平衡有限元方法计算结果,认为该算法可信。基于糯扎渡水电站坝肩高边坡有限元流变分析中各时步应力场结果,采用基于Dijkstra极限平衡有限元方法得到各时步潜在滑动面和安全系数。由此判定该边坡长期稳定性,并给出安全系数随时间变化趋势和长期安全系数。     

基于三维非线性有限元的边坡稳定分析方法

刚体极限平衡法不能反映岩体中实际的应力分布,而基于有限元的强度折减系数法在判断收敛性方面存在一些问题。为了解决这些问题,采用多重网格法,分别建立用于有限元计算的结构网格和用于计算滑面稳定安全系数的滑面网格,可以方便地获得任意滑面或滑块的稳定安全系数,从而将非线性有限元和极限平衡分析结合起来。为了提高计算规模和计算精度,采用有限元并行计算程序TFINE.Pfem进行计算,分析了网格密度对计算结果精度的影响,并应用于锦屏高边坡的稳定分析中。与刚体极限平衡法结果的对比分析表明,由于考虑了计算过程中的非线性应力调整,该方法的计算结果比刚体极限平衡法偏大,而且更符合实际情况。     

基于有限元计算的拱坝坝肩稳定、边坡稳定极限平衡分析

在拱坝坝肩稳定、边坡稳定计算中,有限元法是目前考虑因素最全面的数值分析方法,但缺乏明确的稳定安全指标。刚体极限平衡稳定分析法,与拱坝规范相配套,有较成熟的评价标准和广泛的应用实例。本文将有限元成果纳入到刚体极限平衡法体系里,利用其稳定安全系数指标体系,评价拱坝坝肩稳定和边坡稳定,并在锦屏一级拱坝设计中得到成功应用。     

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。     

Explicit limit equilibrium solution for slope stability

Conventional methods of slices used for slope stability analysis satisfying all equilibrium conditions involves generally solving two highly non‐linear equations with respect to two unknowns, i.e. the factor of safety and the associated scaling parameter. To solve these two equations, complicated numerical iterations are required with non‐convergence occasionally occurring. This paper presents an alternative procedure to derive the three equilibrium equations (horizontal and vertical forces equations and moment equation) based on an assumption regarding the normal stress distribution along the slip surface. Combination of these equations results in a single cubic equation in terms of the factor of safety, which is explicitly solved. Theoretical testing demonstrates that the proposed method yields a factor of safety in reasonable agreement with a closed‐form solution based on the theory of plasticity. Example studies show that the difference in values of factor of safety between the proposed method, the Spencer method and the Morgenstern–Price method is within 5%. Application of the proposed method to practical slope engineering problems is rather straightforward, but its solution is of the same precision as those given by the conventional rigorous methods of slices since it is still within the rigorous context. Copyright © 2002 John Wiley & Sons, Ltd.     

基于边界元法的边坡矢量和稳定分析

矢量和法物理力学意义明确,计算简单,且能根据边坡当前的应力分布状态合理地评价其整体稳定性状态。其中边坡的应力状态通常是采用有限元法来求解。由于边界元法具有研究问题降阶、离散化带来的误差值仅产生在边界以及计算量小等优点,在工程中得到了广泛应用;对于平面问题,以源点作为原点,以所积分单元的切向和法向为坐标轴建立局部坐标系,对于线性单元可以得到所有积分的解析解。因此,可以得到计算区域内部任意点的场变量的解析解,这就保证了位于边界附近区域场变量的精度。利用边界元法得到二维边坡体内连续的应力分布状态,使用矢量和法对该边坡进行稳定性分析,并且与基于有限元的矢量和法、极限平衡法进行对比分析。边坡圆弧滑面和折线滑面的计算结果表明,基于边界元法得到的矢量和安全系数和基于有限元的矢量和法、极限平衡法基本一致;边界元法对应的矢量和安全系数对边界单元尺寸不敏感。     

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。     

温控参数有限元法在边坡稳定分析中的应用

针对边坡稳定分析中所采用的基于强度参数折减的有限元方法,提出利用温度场来控制强度参数的折减,大大提高了计算效率。两个计算实例表明,一定时步后?max / H,即节点最大位移对坡高的比值,会快速增加,建议取该比值在0.05～0.1之间的不收敛时刻或突变时刻对应的折减系数作为安全系数。