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。     

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。     

加筋土边坡安全评价的简化水平条分法

对于加筋土填方边坡圆弧滑动安全系数的计算,传统垂直条分法难以合理考虑水平向加筋力和地震力,造成计算结果偏保守;而基于Morgenstern-Price假设的水平条分法在验算加筋土边坡稳定性时,虽严格满足极限平衡条件,但需进行双重迭代,使计算过程过于复杂,不适合工程应用.本文参考Janbu假设来定义条间切向力Xi,简化了法向条间力Ei的计算,重新推导出只需单个迭代的加筋土边坡水平条分法安全系数计算公式,使计算过程更简洁.采用Bishop垂直条分法和简化水平条分法分别计算了某工程的两个实例,并进行了比较和分析,证明本文提出的方法合理易行.     

圆弧滑动边坡改进条分法的数值分析

结合传统极限平衡方法和现代极限平衡方法,对圆弧滑动边坡进行垂直条分,将条块间的作用力一般化,提出了基于圆弧滑动的改进条分法。建立了圆弧滑动边坡的力学计算式,确定了一般化的条间力影响系数和边坡安全系数的关系式。运用数值计算和迭代程序,得出滑体分别在力平衡和力矩平衡下的安全系数随条间力影响系数变化情况,从而定量地描述了边坡稳定状态。结果表明,圆弧滑动垂直条分改进方法反映了滑动面和垂直面相互影响情况,数值计算简便,而且精度较高。     

基于严格平衡的安全系数统一求解格式

在边坡稳定性分析中宜采用严格极限平衡条分法,特别是对于任意形状滑动面。由于条间力假设的不同,产生了不同的边坡稳定安全系数求解格式,既造成计算及应用的不方便,又掩盖了各自方法的优劣。首次将现有严格极限平衡条分法对条间力的假定表示成统一形式,根据力和力矩的平衡,导出简单明了的条间力递推方程和条间力矩递推方程。根据这2个方程,通过Newton-Raphson法建立了传统意义下基于严格平衡的安全系数统一求解格式。所需有关导数均可用递推公式计算,其性质为解析解,因而计算格式具有良好的稳定性与收敛性。所有公式均为代数式,便于在工程中推广应用。     

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。     

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。     

强度折减法在加筋土高边坡稳定分析中的应用

在边坡稳定性分析中,极限平衡法和强度折减法得到广泛应用。相比极限平衡法,强度折减法不但可以得到边坡的安全系数,而且可以得到土体塑性应变区及应力位移等结果,但对加筋土的计算则产生较大误差。分析了加筋土加筋机理,根据等效应力法将加筋土体视为一个整体,以新的黏聚力来取代原土体黏聚力,从而实现强度折减。以山西某填土高边坡为例,利用极限平衡法计算的结果去调整加筋土的等效黏聚力,对不同高度的边坡计算得到的等效黏聚力进行对比分析,发现边坡高度会对黏聚力增量产生影响,边坡越高粘聚力增量越大。有限元结果可以用来优化边坡设计,同时为加筋土的研究提供一种手段。     

国家天文台500米口径球面射电望远镜台址球冠型边坡稳定性分析

中国科学院国家天文台500米口径球面射电望远镜（Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope, FAST）台址位于岩溶洼地内,开挖完成后的洼地边坡外形接近球冠型边坡,属于轴对称圆形凹坡,坡体由胶结的土石混合体和石灰岩组成,局部稳定性良好,整体稳定性有待评价。目前边坡整体稳定性评价通常采用基于平面应变假定的极限平衡法,由于未考虑边坡外形,该方法用于轴对称圆形凹坡稳定性的评价结果有偏差。为消除上述偏差,将轴对称圆形凹坡滑体划分为多个环形条块,考虑环形条块轴力的抗滑作用,提出了针对轴对称圆形凹坡的极限平衡法改进方法;并采用数值分析方法对改进后的简化Bishop法进行验证,结果表明改进后的简化Bishop法安全系数计算结果较未改进方法略有提高,与数值分析法结果基本一致。同时给出轴对称圆形凸坡的安全系数计算公式,计算结果表明圆形凸坡稳定性与直线形边坡较为接近。上述两种计算方法为类似外形的边坡稳定性评价提供了新的途径。     

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 %。     

条形基础加筋砂土地基极限承载力计算

基于传统的极限平衡条分法,利用临界滑动场法计算了条形基础的加筋地基极限承载力。假定土体处于极限平衡状态时,土体与筋材间存在均匀的摩擦力,通过建立土体条块极限平衡方程,推导了地基承载力的递推关系式。首先,设定计算土体范围,并划分条块和离散状态点;其次,根据递推公式计算各个状态点的参数,并搜索临界滑面;最后,根据搜索出的滑面计算地基承载力。通过实例比较进一步验证了计算结果的可靠性,并分析了首层筋带埋深、铺设层数和长度对地基承载力和滑面位置的影响。研究结果表明：地基承载力随着筋带埋深的增加先增大后减小;随着层数和长度的增加先逐渐增大,最后趋于稳定;滑面位置的变化规律主要是垂直影响深度和水平影响范围增大或减小。该方法原理简单、易于编程,为条形基础加筋地基承载力的计算提供了一种新思路,是临界滑动场法在地基承载力计算中的推广应用。     

基于通用条分原理的锚框支护边坡地震动力稳定分析

考虑水平地震力作用与锚框支护作用,分析微分形式的土条受力平衡,推导积分形式的滑体极限平衡,编程搜索求解相应方程组,提出一套基于通用条分原理的锚框支护边坡地震动力稳定分析方法。利用本文所述方法与数值模拟方法,分别计算了某高速公路锚框支护边坡的动力稳定安全系数,两者结果基本相同。进一步探讨了平均锚固力和地震作用系数对该边坡动力稳定安全系数的影响。本文所述基于通用条分原理的锚框支护边坡地震动力稳定分析方法,具有考虑因素全面、计算工作量小的优点,能够为边坡工程的初步设计,包括坡形设计、锚杆优化、抗震验算等,提供一种较为准确的简便计算手段。     

预应力锚索加固土质边坡极限平衡稳定性分析

基于滑动面搜索新方法,对预应力锚索加固边坡进行稳定性分析。通过将锚索的加固效应简化为作用在土条(柱)底面上的一个外力,实现了条分(柱)法下二维和三维锚索加固边坡的安全系数计算。经过算例对比分析,验证了本文方法的可行性,然后,在一定程度上研究了锚索倾角、三维滑动体长度L、锚索锚固力F以及水平加固间距S变化时对边坡稳定性的影响。研究结果表明:(1)锚索加固可有效提高边坡的稳定性,同时,也增大了原有边坡发生滑动的范围; (2)随着三维滑动体长度L的增大,三维边坡(包括未加固和锚索加固)的稳定性趋于二维边坡稳定性; (3)单位水平加固间距上的锚固力越大,锚索对边坡的加固效应越明显。     

土石坝坡抗震极限分析上限法

基于极限分析的上限定理,提出一种土石坝极限抗震分析的新方法。该方法假定土体为理想刚塑性材料且满足相关联流动准则,将土石坝坡滑动体划分为若干水平土条,计算各滑动土条的外功率与内能耗散,然后通过能量平衡条件,利用优化算法确定土石坝的极限抗震能力。运用所提方法,对一典型心墙土石坝进行极限抗震能力分析,研究了水平条分数以及抗剪强度参数对极限抗震能力影响。计算结果表明,水平条分数对滑裂面形状影响较大而对大坝极限抗震能力影响较小。当水平条分数增加到一定数目时大坝极限抗震能力最终趋于一个稳定值。同时,堆石料的抗剪强度对大坝极限抗震能力影响较大。通过与传统的极限平衡法对比,验证了所提方法的正确性与可行性。     

三维加筋边坡地震稳定性上限分析

基于极限分析上限定理,考虑均匀加筋和三角形加筋两种加筋模式,采用拟静力分析方法推导了一定边坡高度条件下的三维加筋边坡临界加筋强度的计算公式。通过与已有文献结果的对比,验证了所提方法的正确性,并讨论了边坡宽高比、水平和竖向地震力系数对三维边坡稳定性的影响。结果表明:地震力作用下边坡临界加筋强度随边坡宽高比的增大而增加,但其变化速率逐渐减小,当边坡宽高比大于10时,三维边坡加筋强度与二维情况相近;随着水平地震作用的增大,三维边坡临界加筋强度呈非线性增大;随着竖向地震作用的增大,临界加筋强度大致呈线性增加,且随着坡角的增大,竖向地震作用对临界加筋强度的影响更加显著;两种加筋模式下的边坡临界加筋强度值变化规律一致,且三角形加筋模式所需的加筋强度较小,效果较优。最后,针对实际工程提出了一些工程建议。     

加筋土挡墙地震稳定性的拟动力分析

为研究不同筋材条件下加筋土挡墙地震稳定性,采用两种简化破裂面形式;由于拟静力法的局限和加筋土挡墙的成层特性,对水平和竖向地震力同时作用下的加筋土挡墙,运用拟动力法和水平条分法推导出其筋材拉力总和与临界破裂角的计算公式。算例分析结果表明,筋材拉力总和随着地震加速系数、回填土重度或者滑动体上部超载的增大而增大;随着土体内摩擦角或者填土黏聚力的增大而减小;当条件相同时,可延展性筋材所承受的筋材拉力总和大于不可延展性筋材所承受的。与拟静力法和规范中的方法比较,基于拟动力法的加筋土挡墙的设计也更加经济。     

土坡等圆心角斜条分稳定性分析法

在土坡稳定性计算中,条分法作为一种简单而又实用的方法在实际工程中得到了广泛的应用。传统的条分法大多采用垂直条分,等圆心角斜条分法以斜条分代替垂直条分,使得条间力的假设更为合理。在斜条分的基础上,结合重新定义的应力水平安全系数,使问题的求解也更为简单、迅速,并且求解的结果还可以反映出土条应力状态的差异。