基于最小二乘法的边坡稳定性分析

利用经典土压力理论设定合理土条推力线范围,根据静力平衡及力矩平衡条件建立以条块界面安全系数 为变量的线性超定方程组,应用MATLAB软件基于最小二乘方法对此方程组求解,依据极大值原理及合理性条件： ,最终获得边坡整体安全系数 。经算例验证得出如下结论：当条块界面与条块整体安全系数相等时,边坡抗剪能力发挥最大;安全系数随推力线位置的升高而减小,但影响并不大;由于考虑了极大值原理,该法求得的安全系数略微偏大于其他方法。     

求解边坡矢量和安全系数的条分法

矢量和安全系数物理、力学意义明确,通常采用有限元计算得到的应力场来求解。提出一种简便的求解方法,在通用条分法（GLE）的基础上,满足力和力矩平衡的严格条件,推导了基于条分法的矢量和安全系数。采用广义简约梯度法（GRG）搜索临界滑面,在极限抗滑合力矢方向上求解矢量和安全系数。整个计算过程都在电子表格软件Excel内实现,易于在工程实践中推广。对于圆弧滑面边坡,其计算结果表明：①矢量和安全系数与代数和安全系数非常接近,对应的滑面位置也相近。②不同的条间力函数假设（常数和半正弦函数）对边坡的矢量和安全系数影响很小。③极限抗滑合力矢方向? 小于边坡坡角,其值与假定条间力平行时的条间力方向非常一致。在极限平衡分析框架内,计算方法可进一步简化为：假设条间力平行,将条间力方向作为矢量和安全系数的计算方向。对于非圆弧滑面边坡,其计算结果表明：①均质边坡的矢量和安全系数与代数和安全系数相对误差小于3 %,滑面位置接近,而软弱层边坡两种方法的计算结果有一定差别。②不同的条间力函数假设对边坡的矢量和安全系数影响很小。     

双排抗滑桩加固滑坡的前桩后侧推力算法

为了在求解双排全长桩和后排沉埋-前排全长桩中前桩后侧坡体推力的同时也可得到其分布模式,以便更合理确定前排桩受力特征,针对双排桩加固的基岩-覆盖层式滑坡,采用斜条分法将排间滑体分割成若干斜向平行滑面的土条;对所形成的在不同深度位置的4类典型土条,根据静力平衡条件,推导了其作用于前桩受荷段后侧的推力计算公式,进而可确定出前排桩受荷段后侧坡体推力分布模式及其合力。实例分析表明,本文方法所确定的前桩后侧坡体推力呈不规则抛物线形分布,其峰值点接近于滑面;后排桩沉埋模式时前桩后侧坡体推力比后排桩全长模式时的值小8.6%～10.6%;本文方法比传递系数法的计算值偏大10.6%～13.4%,且相对更接近于FLAC3D模拟结果。     

滑坡稳定性分析与安全系数取值研究

在地质灾害中,滑坡灾害分布最广、发生频率最高、危害最大,是我国地质灾害防治的主要对象。滑坡研究的主要任务之一是稳定性分析。论文针对三板溪水电站进水口滑坡和水布垭水电站大岩淌滑坡,分别采用刚体极限平衡法、块体单元法、有限单元法对稳定安全系数和条间推力分布曲线进行分析和比较,研究各种方法的差异和计算精度,以及各种方法稳定安全系数的取值标准,希望为水利水电工程边坡设计规范有关有限单元法、块体单元法条目的编写和相应的允许安全系数取值标准的制定提供一定的参考。研究结果表明:①块体单元法计算的安全系数与刚体极限平衡法计算的安全系数可以采用相同的取值标准,而有限单元法计算的安全系数取值标准可适当降低;②块体单元法计算的条间水平推力、条间剪切力与刚体极限平衡法(尤其是Sarma法)计算的条间水平推力、条间剪切力非常相近,有限单元法计算的条间水平推力、条间剪切力较小;③分析方法、力学模型与参数取值应与安全系数取值标准相匹配。     

用点接触模拟滑面的滑坡稳定性分析方法

结合有限元强度折减法,用点接触模拟滑面,提出了适用于已知滑裂面的滑坡稳定性分析及滑坡推力计算的数值计算方法。以滑坡体为分析对象,用切向和法向两组弹簧的弹簧力来模拟滑裂面上的剪切力和法向力;结合强度折减法和摩尔-库仑强度准则对滑面弹簧刚度进行迭代计算,求解得到了满足静力平衡的数值解。该方法避免了极限平衡条分法求解边坡稳定性时需对条间力进行诸多假设的局限,也避免了有限元强度折减法求滑坡推力时需加桩计算的不便及收敛困难等问题。新方法能计算出极限状态下滑坡体上的应力、滑裂面上的边界力和稳定性系数以及给定安全系数下滑坡体上任意截面的滑坡推力大小、作用方向和位置,具有较严格的理论基础,可为实际工程中滑坡的治理提供一定的参考。     

基于潘氏极大值原理的边坡稳定性的整体分析法

基于整体分析法和潘家铮最大值原理,建立了求解给定滑面安全系数的非线性优化模型。该模型将安全系数和滑面法向应力视为独立变量,目标函数就是安全系数本身,约束条件包括平衡方程、滑面法向应力和条间推力不负,以及推力线位于滑体之内。由于目标函数又仅是线性函数,且约束函数至多是二次多项式函数,所以该模型的非线性程度较低,具有良好的收敛性,可利用经典的优化算法进行求解。     

不平衡推力法在滑坡治理工程中的应用

不平衡推力法是具有中国特色的滑坡推力计算方法,在滑坡治理工程中得到了广泛应用,并积累了丰富的工程经验,但是在目前有误用、滥用的趋势。本文以具体的工程实践为例,简要介绍了如何使用不平衡推力法计算滑坡推力,认为正确确认滑坡的主轴断面、选用合适的滑面抗剪强度指标和安全系数＂K＂,是正确运用该法的关键;讨论了不平衡推力法计算公式中安全系数K的含义和选用,明确指出其与各种条分法中的安全系数＂F＂具有不同的含义,二者不能混为一谈;鉴于K值大小对滑坡推力计算结果的影响显著,认为＂K＂不应取定值,应取1.05～1.25的一个数值。     

两种滑动面型式下边坡稳定性计算方法的研究

基于圆弧和任意曲线两种滑动面型式,对边坡稳定性计算方法中的瑞典法、简化Bishop法、简化Janbu法、严格Janbu法、Morgenster-Price法、Sarma法和不平衡推力法进行研究。对上述各种方法的研究成果进行了总结,并对Morgenster-Price法中的条间力函数 选择了4种形式（即 为常数0.1、0.5、1.0及半正弦函数）,对不平衡推力法中的公式进行了改进。通过算例对比,及当条分数不同、边坡坡角和坡高变化时,分析了这些方法的特点,由分析结果可知：（1）瑞典法和简化Janbu法计算得的安全系数最小,简化Bishop法和不平衡推力法与严格法得到的结果颇为接近;（2）任意曲线滑动面方法较圆弧滑动面方法计算得的安全系数稍小,且得到的临界滑动面与临界圆弧滑动面相接近,因而表明,圆弧滑动面作为一种近似的临界滑动面能够满足实际工程需要;（3）均质边坡采用较少条分数即可获得较高的安全系数计算精度,非均质边坡需一定数量的条分保证结果的可靠性;（4）Sarma法对土条侧面法向力和剪切的假设,使得其在均质边坡计算得的安全系数比其他方法要大,有偏于不安全的考虑,但Sarma法能够考虑边坡非均质对条分法的影响;（5）当边坡外形（如坡角、坡高）变化时,严格Janbu法在两种滑动面型式下计算得的安全系数相差很小,而其他方法稍大一些;（6）Morgenster- Price法中,条间力函数 对计算得到的结果影响很小。     

基于力平衡的安全系数统一求解格式

基于力平衡求解安全系数的极限平衡条分法在边稳定分析和设计中得到了广泛地应用。然而,由于条间力假设的不同,各种方法的计算格式也不同,既不便于程序的编写,也不便于人们理解各自方法的优缺点。首次将现有基于力平衡求解安全系数的极限平衡条分法对条间力的假定表示成统一形式,根据力的平衡,导出了简单明了的条间力递推方程。根据条间力递推方程,建立了传统意义下基于力平衡的安全系数统一求解格式,使计算原理更为清晰,计算过程更为简单。在此基础上,如果将严格Janbu法所满足的条块力矩平衡方程表示成条间力的假定,严格Janbu法也可采用基于力平衡的安全系数统一求解格式。     

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     

颗粒流强度折减法和重力增加法的边坡安全系数研究

将强度折减法和重力增加法的思路引入离散单元法,对土坡安全系数的评价作尝试性研究。运用颗粒流软件,采用强度折减法和重力增加法对边坡进行稳定分析。结果表明颗粒流计算得到的结果与有限元和条分法计算结果比较接近,为计算边坡稳定开辟了一条新的途径。采用颗粒流求解边坡的安全系数不需要条分,也即不需要对条间力做假定,同时不需要假定滑移面的位置和形状,颗粒根据所受到的接触力调整其位置,最终从抗剪强度最弱面发生剪切破坏。最后对强度折减法的不等比例折减提出了不同观点,为今后的研究提供思路。     

边坡滑面正应力构成及分布模式选择

通过假定滑面的正应力分布来计算边坡安全系数,这是近年来极限平衡理论研究的一个突破,讨论滑面正应力的组成及合理假设模式对获得可靠、可信的安全系数具有重要意义。根据土条的力平衡条件得到滑面正应力是由滑体体积力（含坡面外力）和土条间作用力这两部分所贡献的,通过算例分析了不同条间力假设模式下的滑面正应力及其两个贡献分量的分布。研究表明：滑体体积力（含坡面外力）贡献分量占主导地位,而土条间作用力的贡献分量较小。安全系数对滑面正应力分布不敏感。因此,在滑面正应力分布函数的构造上无需过分追求与真实分布之间的吻合度,可采用以占主导贡献地位的滑体体积力（含坡面外力）贡献分量为核心函数,选用含两个待定参数的修正函数来逼近土条间作用力贡献分量的分布。研究成果规范了滑面正应力的假设模式,具有一定的理论和应用价值。     

条块间作用力倾角的假定及其对条分法计算结果的影响

以猴子石滑坡为例, 利用数值模拟方法, 计算了滑坡条块间作用力倾角.对比分析了半精确条分法中传递系数法、罗厄法、美国陆军工程师团法、简化的简布法及实用递推法所确定的条块间作用力倾角与数值模拟值计算结果的差别.讨论了半精确条分法关于条块间作用力倾角的假定对滑坡稳定系数计算精度的影响, 并与精确条分法的计算结果和基于数值模拟值的条块间作用力倾角所计算的力的平衡条件下的稳定系数进行了比较.详细论证了现行主要半精确条分法的精度与适用性.      

非饱和土渗流及其参数影响的数值分析

基于一维的Richards方程,考虑van Genuchten提出的土-水特征曲线和水力传导系数的表达式,采用差分方法进行求解,研究该土-水特征曲线对孔隙水压力分布的影响,分析该模型四个参数θs、θr、α和n对孔隙水压力分布的作用特征。结果表明经验参数α和n对孔隙水压力分布产生显著的影响。α影响土-水特征曲线的位置和水力传导系数斜率,其值越大,基质吸力越滞后,孔隙水压力分布弯曲度随着α值的增大而明显;n决定土-水特征曲线的斜率,其值大意味着基质吸力易消散。计算分析显示θr值变化引起孔隙水压力分布微弱的差异,这差异随着时间的增长而增大;饱和含水量θs对孔隙水压力分布也产生不小的影响,随θs的降低孔隙水压力消散减慢。     

考虑剪应力作用的刚性挡土墙主动土压力分析

以墙后为无黏性填土的竖直刚性挡土墙作为研究对象,假定墙后土体中形成圆弧形土拱,考虑水平土层间的剪应力,修正了水平层分析法,从而得到平动模式下主动土压力分布、合力大小及其作用点位置的表达式。通过与模型试验结果和现有理论成果的对比分析,证明了修正方法的合理性。参数分析表明,水平土层间的平均剪应力受墙土摩擦角、填土内摩擦角等因素的影响,与主动土压力一样沿墙高为非线性分布。同时,考虑水平土层间剪应力作用得到的侧向主动土压力系数、主动土压力合力与不考虑剪应力作用的理论解答相同,但合力作用点位置高于库仑解,且低于不考虑剪应力作用的理论解答。     

圆弧滑动有限元土坡稳定分析

提出一种基于有限元应力变形计算的边坡稳定分析方法,仍假定滑动面形状为圆弧形,有限元网格由一组同心圆作为纬线,一组竖向线为经线构成。对两相邻圆弧线所夹的弧形带分析滑动力和抗滑力,建立平衡方程,确定安全系数,其中小值安全系数对应的弧形带为可能的滑动带。变化圆心位置用优选方法寻找最小安全系数对应的圆心,从而得出真正的滑动面。算例分析表明,该方法计算所得安全系数与Bishop法接近,是合理的,其突出优点是由有限元计算直接得出滑面上的应力,而不须作近似的插值处理,因而应力更准确。该方法可以考虑土的非线性变形特性,也更符合土的实际情况。此外,用有限元计算得出位移,亦可将稳定分析和变形联系起来,为现场通过位移监测来估计边坡的稳定性提供了可能性,同时也为膨胀土边坡的稳定分析中考虑膨胀性的影响提供了可能性。     

抗滑桩与周围岩土体间相互作用力的分布规律

基于岩土工程有限单元法研究了抗滑桩与周围岩土体间相互作用力的分布规律,研究结果表明,抗滑桩与围岩间相互作用力呈非线性分布.侧向膨胀力是由抗滑桩抑制围岩在重力作用下的侧向应变而产生,弹性模量对侧向膨胀力的非线性分布有重要影响.将抗滑桩锚固段某侧压应力对锚固段顶点的弯矩等效变成均匀分布力产生的弯矩,此均匀分布力为等效锚固力.等效锚固力与均布推力呈正比,比例系数随锚固比增大而减小.     

土拱效应原理求解挡土墙土压力方法的改进

对应用土拱效应原理求解挡土墙主动土压力强度分布存在其所采用的滑裂面不满足墙后滑裂楔体水平力平衡等问题进行分析,提出水平力平衡的滑裂面水平倾角的计算方法;由此根据单元水平土层的静力平衡条件建立了竖向土压力强度、挡土墙主动土压力强度、土压力合力及其作用位置的计算公式。对运用该公式的计算结果与其他方法计算值及模型试验成果进行比较,结果表明文中方法安全性高且最接近试验结果。     

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。