岩质边坡稳定性分析中极限平衡法与有限元法的对比

根据工程实例 ,对一公路岩质边坡稳定性采用极限平衡法与有限元法分别进行计算 ,对比二者之间的差异 ,分析产生差异的原因。在安全系数的选用上提出了建议。     

岩质边坡渐进破坏的三维随机分析

层间错动带是岩体结构中普遍存在的一种地质现象,含错动带的岩质边坡三维分析更是岩土工程关注的难点问题。结合国内某高拱坝工程,根据岩体层间错动带的分布状况,利用等厚度节理单元模拟了坝区22层错动带和软弱夹层,利用Mohr-Coulomb准则确定节理单元的破环方式,提出了岩质边坡三维滑动面的确定方法,该方法考虑了岩石和错动带（软弱夹层）的随机性。利用弹塑性理论、可靠度理论和破坏追踪相结合的方法,通过3 000多次有限元的计算,得到了边坡滑动面的位置、形态、破坏的先后顺序、滑动的方向以及滑动到任何程度的概率度量。含层间错动带的岩质边坡渐进破坏模式可概括为边坡的破坏起始于层间错动带的剪切破坏。随着各层间错动带的破坏、边坡结构性能恶化,部分较薄的岩层变成不同支撑形式的板,然后部分岩层开始破坏,边坡开始滑动,形成一个或几个破坏台阶,直至失稳。     

考虑张拉-剪切渐进破坏的边坡矢量和法研究

针对边坡渐进破坏过程中岩土体强度参数不断劣化现象,采用应变软化模型代替传统的理想塑性模型,提出一种考虑张拉?剪切渐进破坏的边坡矢量和分析方法。从安全系数表达式与最危险滑动面搜索两方面进行研究,首先基于滑动和力的矢量特性,改进矢量和法滑动趋势与安全系数表达式,进而基于改进自适应遗传算法搜索边坡最危险滑动面。算例表明,采用应变软化模型时的矢量和法安全系数与最危险滑动面形态具有动态变化与调整的特性。该基于张拉-剪切应变软化模型的计算方法进一步扩展了边坡矢量和分析法。     

基于动力学和材料软化特性的边坡渐进破坏特征研究

边坡的失稳是一个从量变到质变的动态渐进破坏过程,此问题也是边坡领域研究的重点与难点之一。在考虑岩土材料软化特性和动力学求解的基础上,建立了边坡渐进破坏仿真的理论框架;利用ABAQUS软件的动力显式求解模块实现了边坡的渐进破坏仿真;根据塑性应变揭露了剪切带的扩展过程,由软化本构确定了滑面材料的分区演化规律,根据等效塑性应变确定了边坡的滑面,通过滑面位置将边坡分为滑体、滑带、滑床,并分别研究了边坡各分区内部特征点运动学变量的发展过程,从而揭示了边坡的渐进破坏过程;基于材料参数沿滑面的时空分布,利用矢量和法得到了边坡不同演化阶段的安全系数。对比该方法与Bishop法确定的滑面位置与安全系数,发现两种方法峰值和残余强度对应的安全系数比较接近,该方法搜索所得滑面位于Bishop法自动搜索的滑面之间,验证了此方法的合理性及可靠性。最后分析了材料软化特征对边坡稳定性的影响,在保持其他参数不变的条件下,增大残余黏聚力,边坡的滑面位置加深,安全系数的初始值减小,安全系数的快速减小阶段有所推迟,并且快速减小阶段经历的时间有所延长,稳定后的安全系数有所增大。保持其他参数不变,增大残余黏聚力对应的等效塑性应变阈值,边坡的滑面位置加深,安全系数的初始值减小,安全系数的快速减小阶段有所推迟,但快速减小阶段经历的时间基本不变,达到稳定的时间有所推迟,同时稳定后的安全系数略微有所增大。     

基于滑动面应力假设下的三维边坡稳定性极限平衡法研究

基于滑动面法向应力的简单计算模式及Mohr-Coulomb强度准则,多个计算参数被使用对滑动面应力进行合理假设,并依据三维滑动体所满足的静力平衡条件,推导三维边坡稳定性极限平衡解答。同时,在三维边坡稳定性分析中,以往研究成果被采用对滑动面剪应力方向进行假定,且基于所采用极限平衡方程数目的不同,由此实现三维边坡极限平衡非严格法、准严格法和严格法。经与经典算例对比,验证了方法的可行性,并分析了三维非对称滑动体时非严格法、准严格法和严格法之间所得结果的差异。研究表明:非严格法所得计算结果偏小,其分析得到的边坡稳定性较为保守;准严格法与严格法计算所得结果接近,故采用不完全满足滑动体所有静力平衡条件的准严格法同样能得到较为可靠的安全系数。此外,所提方法构建了合理的滑动面应力假设,且求解过程简单,无需迭代计算,便于编程,从而利于工程应用。     

边坡渐进破坏的动态强度折减法研究

边破的变形破坏是量变积累到质变的渐进发生过程,由坡体内部潜在滑动面的逐渐破损并扩展至整体滑面。基于强度折减法思想,提出模拟边坡渐进破坏的动态强度折减法。该方法利用屈服接近度指标YAI确定边坡的破损区域,将YAI<0.2的区域定为破损区,通过不断动态折减局部破损坡体的强度参数,使边坡潜在滑动面渐进演化至贯通,边坡达到极限平衡状态。算例计算表明,该方法可有效解决强度折减法中折减范围的问题,克服整体强度折减法破损区过大的缺陷,获得的位移变化趋势与破损区演化过程也具有良好的一致性。动态强度折减法真实再现了边坡渐进失稳过程,为强度折减法更有效地应用于边坡稳定性定量评价提供有效途径。     

离心模型试验与数值模拟相结合研究采空边坡渐进破坏特性

以贵州六盘水地区煤层开采为工程背景,采用离心模型试验与数值模拟相结合的方法研究了采空条件下边坡的渐进破坏过程及破坏模式。基于离心模型试验得到了开采过程中边坡的位移场,并采用FLAC~(3D)对离心模型试验过程进行了数值模拟,数值与试验结果得出的边坡位移时程曲线吻合程度较高,塑性区分布与试验点对分析得到的滑裂面破坏过程与路径基本一致。通过对比、融合离心模型试验观测与数值模拟结果,表明贯通坡脚与采空区的滑裂面由下向上形成,且总体发生剪切错动破坏,贯通坡肩与采空区的滑裂面由上至下发生复杂的破坏过程,初始阶段滑裂面发生张拉破坏,中间阶段同时发生张拉与剪切破坏,末尾阶段发生剧烈的剪切滑移破坏。     

三维极限平衡法边坡稳定性分析研究

该文提出了土坡稳定性分析的三维极限平衡分析方法，根据三维普通条分法的基本原理，推导了三维极限平衡法稳定安全系数的计算模型和计算公式。同时进行了工程实例验算，稳定安全系数两种方法计算结果对比发现，三维极限平衡法计算的稳定安全系数均高于二维平面法，三维法计算结果更接近真实性(二维法偏于保守)。     

边坡三维极限平衡法的通用形式

基于以下假定条件:(1) 稳定系数定义为材料的强度折减系数;(2) 土体为刚体,底滑面服从Mohr-Columb强度破坏准则;(3) 微条柱底部法向力dNz的作用点处于条柱底部中点;(4)滑面剪力与底滑面和xoz平面交线的夹角为。本文建立了边坡三维极限平衡法的通用形式,通过给定不同的限制条件,可分别得到三维普通条分法 、三维简化毕肖普法 、三维简化简布法 、三维Spencer法 等三维极限平衡的具体算法。     

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.     

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。     

基于材料状态相关剪胀性的土坡稳定分析极限平衡法

土体剪胀性对土坡稳定性分析的结果有较大的影响,而在传统的极限平衡法中无法考虑土体的剪胀性。以Toyoura砂为例,通过基于材料状态相关临界状态理论的本构模型,确定了摩擦角与剪胀角之间的关系,然后将采用等效摩擦角的方式用于土坡稳定的极限平衡法分析中,提出了一种基于材料状态相关剪胀性的极限平衡法,并通过算例说明在极限平衡法中考虑剪胀角对正确评价土坡稳定性是很重要的。     

边坡破坏过程离心模型试验的应力位移场研究

提出了一种确定离心模型试验过程中边坡的应力和位移场及其变化过程的方法。基于物理测量与数值模拟相结合的思路,首先采用离心场非接触位移测量技术测量出边坡的位移场;然后通过数值模拟和反演分析等途径算出边坡的应力场。该方法已成功用于多个边坡离心模型试验中的应力位移场的确定,表明了该方法可以较好地得出离心模型试验过程中边坡的应力和位移场。边坡离心模型试验结果表明,边坡的破坏过程与应变局部化和应力集中的过程有着密切联系。     

反倾边坡影响倾倒稳定的几种因素探讨

倾倒破坏是岩石边坡主要的失稳类型之一,而分析岩石边坡倾倒破坏的极限平衡方法主要还是Goodman和Bray提出的G-B方法,尽管该方法采用的是一个比较理想化的模型,但其计算结果能够较好的反映出倾倒破坏的基本规律。本文主要讨论岩层倾角、厚度以及切坡角度对倾倒体稳定的影响。     

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     

基于颗粒元模拟的含软弱夹层类土质边坡变形破坏过程分析

采用基于离散单元法的颗粒元程序,引用平行连接模型,通过数值试验,确定土体细观参数与宏观力学性质的关系,并据此建立含软弱夹层的类土质边坡模型。通过路堑开挖卸荷过程模拟,再现了大变形条件下坡体渐进性破坏的完整过程,并对裂隙的发展演化过程进行实时监测。模拟结果显示,含软弱夹层类土质边坡的破坏过程历经裂隙的形成、扩大、发展直至贯通,最终发生大规模滑移破坏;裂隙从滑坡体前缘和软弱层面开始,范围逐步扩大,呈现典型的类土质边坡的渐进性破坏形式;滑坡发生后,土体结构破坏严重,承载能力大幅下降。边坡滑移过程模拟和最终滑移结果与现场滑坡状况完全吻合,表明该方法适用于类土质边坡变形破坏过程分析及其机理研究。     

露天煤矿边坡稳定性评价方法的耦合应用

将有限差分法、极限平衡法(简化Bishop法)、可靠度分析法(简化一次二阶矩法)耦合应用于露天煤矿边坡稳定性评价,确定了可靠度法设计中的可靠度数值问题,并采用力学行为、稳定系数及破坏概率等3项综合指标分析了边坡稳定性,旨在建立一种有效的耦合方法,多角度分析边坡工程的即时状态。研究结果表明,该分析方法可行,结果可信。     

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。     

地基渐进破坏及极限承载力的Cosserat连续体有限元分析

利用Cosserat连续体理论和所发展的有限元数值方法,模拟了地基由应变软化引起的以应变局部化为特征的渐进破坏过程,并从等价塑性应变的发展变化,阐述了渐进破坏过程对所能发挥的极限承载能力的影响。结果表明,Cosserat连续体模型能有效地模拟由应变软化引起以应变局部化为特征的渐进破坏现象,对地基等土工结构物有必要进行渐进破坏分析。同时指出,在求解软化型土体地基的极限承载力时,如果仍按传统的极限平衡或极限分析理论进行分析,可能得出偏于危险的结果。