Progressive failure mechanism in one-dimensional stability analysis of shallow slope failures

In many slopes, overstressed zones can develop where the shear stress is larger than the available shear strength. Along a shear surface within a soil exhibiting a strain-softening behavior, the shear displacement increases while the available shear strength decreases. The excess shear stress is transferred from the overstressed zone to the adjacent zones, providing more shear strength. This stress-transferring mechanism induces stress redistribution within the slope and could enlarge the overstress zone. A one-dimensional model that satisfies the strain compatibility and force equilibrium is proposed for the stability analysis of a slope of strain-softening behavior. This paper’s objective is to facilitate the application of this model to estimate stress distribution along the failure surface of a strain-softening slope and thereafter the stability status. The study presents a set of specific solutions to this model by describing and demonstrating procedures to identify the pattern of a stress state and to calculate stress distribution within a one-dimensional, strain-softening slope. The progressive failure mechanism is also investigated by using the proposed approach. As the magnitude of released stress gets large enough, it induces an overstressed zone adjacent to the initial unstable zone and progressive failure develops. The proposed approach is also applied to study the pattern of stress redistribution. It is found that the pattern of stress redistribution is affected by the magnitude of released stress. It is too complex to be reasonably expressed by simple models. Though some limitations exist, the proposed approach serves as a simple tool for a better understanding of the progressive failure mechanism.     

基于地质模型快速构建的边坡三维稳定性分析

目前边坡稳定性分析多以二维剖面为主,随着各种数值分析软件的应用,边坡的三维稳定性分析技术越来越成熟,但是对于三维边坡的地质模型快速构建的方法不多,且建模精度难以得到保证。本文借助Geobim软件建立工程区的三维地质模型,提出借助surfer、Ansys等软件快速建立flac3d能够识别的类型文件的方法,此方法能够大大简化建模过程,提高建模精度。根据工程区的主要工程地质问题,对工程区的三维地质模型进行概化,结合相关实例对其进行三维地质建模,并借助flac3d软件计算不同工况下边坡的稳定性情况。根据计算结果可知,在暴雨工况下,边坡的稳定性降低,填方工况下,边坡的侧向位移变大,但是其稳定性相对较好,边坡的主要破坏模式为沿着填筑体及边坡的浅表层全、强风化层发生剪切破坏。     

基于边坡单元的公路沿线滑坡危险度概率分析

公路沿线发生的滑坡、泥石流等自然灾害是造成交通停滞的主要原因。对公路沿线边坡进行稳定性评价及滑坡灾害分析对于公路管理和灾害防治具有重要意义。为了能对大范围边坡应用三维力学模型进行稳定性评价,研究中将较大研究区域划分为多个边坡单元（slope unit）,并介绍了边坡单元划分方法。对每个边坡单元,采用随机生成许多假想滑动面并通过一个基于GIS的边坡稳定性三维分析模型计算其安全系数的方法,找出具有最小安全系数的危险滑动面,同时求出在试算过程中安全系数小于某临界值（通常设为1.0）的结果出现的比率,作为该边坡单元的滑坡发生概率,以此作为指标对研究区域进行危险度评价。通过对日本49号国道沿线边坡中的应用对该方法的实用性进行了验证。     

Upper bound finite element analysis of slope stability using a nonlinear failure criterion

In this study, upper bound finite element (FE) limit analysis is applied to stability problems of slopes using a nonlinear criterion. After formulating the upper bound analysis as the dual form of a second-order cone programming (SOCP) problem, the stress field and corresponding shear strength parameters can be determined iteratively. Thus, the nonlinear failure criterion is represented by the shear strength parameters associated with stress so that the analysis of slope stability using a nonlinear failure criterion can be transformed into the traditional upper bound method with a linear Mohr–Coulomb failure criterion. Comparison with published solutions illustrates the accuracy and feasibility of the proposed method for a simple homogeneous slope stability problem. The proposed approach is also applied to a seismic stability problem for a rockfill dam to study the influence of different failure criterions on the upper bound solutions. The results show that the seismic stability coefficients obtained using two different nonlinear failure criteria are similar but that the convergence differs significantly.     

湖北赤壁东洲大道工程边坡渐进破坏机理分析

东洲大道工程边坡处于褶皱断裂复合部位,是典型降雨和工程施工扰动引起的渐进变形破坏。本文在剖析其特殊边坡工程地质结构基础上,并建立边坡计算水文地质模型,提出了牵引式边坡稳定分析的部分强度折减不平衡拉力法,其稳定性分析结果表明：首次破坏是由于边坡开挖,表层植被被剥落,水沿着断层进入滑体,从而产生了推移式破坏;二次破坏是在首次破坏产生的临空面基础上,致使滑体产生了牵引式的破坏模式;且部分强度折减不平衡拉力法计算结果与现场破坏形式一致。本文在牵引式边坡不平衡拉力法计算的基础上,建立了牵引式边坡破坏后以残余强度整体推移式控制力的计算法,并提出了相应的控制措施,多年的控制措施运行结果表明：该治理效果良好。     

永吉高速公路黑潭坪边坡三维稳定性研究

通过对永吉高速公路黑潭坪边坡的野外调查,详细地了解了研究区工程地质条件,探讨了边坡变形破坏机理,结合室内试验和计算反演获取岩土体强度参数,在此基础上建立三维地质模型,运用FLAC3D数值分析软件采用强度折减法对不同工况下的坡体稳定性进行详细分析并提出治理建议。研究表明:(1)边坡变形破坏是内外因素综合作用的结果,岩土体性质不良是边坡变形破坏的内在因素,坡脚便道开挖和地表水下渗是边坡变形破坏的诱导因素;(2)强度折减法应用于边坡三位稳定性分析具有较好的适用性;(3)数值模拟显示采用削坡结合锚固的综合治理措施具有明显的效果。     

基于非线性破坏准则的边坡稳定性极限分析

上限定理是求解岩土工程问题的有效工具。以上限定理为理论基础,分析边坡的稳定性问题,并考虑了岩土材料破坏准则的非线性特性。在非线性Mohr-Coulomb破坏准则下,采用条分法与极限分析上限法相结合的方法,对边坡稳定性进行分析。通过切线法引入非线性强度参数 、 ,推导了岩土材料在非线性破坏准则下的相关联流动法则,建立功能方程,推导了边坡直线滑裂面、折线滑裂面和光滑曲线滑裂面安全系数F的计算方程。采用数学规划法计算后与工程实际中常用的边坡稳定性分析方法进行对比,并获得安全系数F =1.0时的稳定性系数Ns。与已有的研究成果进行比较分析,结果表明了该方法的正确性及优越性     

层状岩质边坡遍布节理模型的三维稳定性分析

采用遍布节理模型（ubiquitous-joint模型）描述层状岩体的各向异性特征,并探讨ubiquitous-joint准则中安全系数的计算方法,利用FLAC3D分析层理倾角、倾向与边坡稳定性之间的关系,结果表明：（1）对于顺层边坡,当岩层倾向与坡面倾向的夹角 较小时,边坡的安全系数随层理倾角 的增大呈现先减小后增大再减小的趋势; 20°～30°时,安全系数得到最小值, 60°时安全系数得到最大值;不同破坏型式导致安全系数变化规律之间的差异;当 较大时,曲线从先减小后增大的趋势转变为不断增大的趋势;根据 的大小将顺层边坡分为两类：当 45°时,为严格顺层边坡;当45° 90°时,为斜向层状边坡。（2）对于逆层边坡,当 45°时,曲线呈现先增大再减小然后又增大的趋势,各曲线随 的变化程度基本相同;但减小过程中,随着 的增大,曲线的斜率逐渐减小,边坡稳定性的各向异性程度减小;当 45°时,曲线随 的增大呈现非线性单调递增的趋势。（3）安全系数与 之间的关系表明,对于顺层坡,随着 的增大,边坡安全系数逐渐增大;对于逆层坡,当 较小时( 150°),边坡安全系数随 的增大而逐渐减小;随着 的增大( 120°),边坡安全系数与 呈现递增关系。     

非线性破坏准则下的边坡稳定塑性极限分析

利用塑性分析上限定理,考虑岩土介质本身的非线性破坏准则,对各种不同破裂面边坡稳定性分析进行研究。针对破坏边坡破裂面不同,采用外切直线法来分析其上限解,推导出非线性破坏准则下的边坡稳定性系数计算公式,并对较复杂的对数螺旋线破裂面边坡提出初始切线法,较好地求出塑性极限分析上限解。将在非线性破坏准则下按对数螺旋线破裂面推导出的塑性极限分析上限解运用于实际边坡工程,其结果与精确塑性分析结果非常接近,为非线性破坏准则下的边坡稳定塑性极限分析提供了一条新的思路与方法。     

基于可靠度的黄土斜坡稳定性分析

以延安市宝塔区虎头峁黄土斜坡为研究对象,在野外详细调查和勘查的基础上,分析确定斜坡可靠度的随机变量为滑带土土体容重r、内聚力c和内摩擦角φ。分别用统计矩法、一次二阶矩法、几何法和蒙特卡洛模拟法计算斜坡的可靠度和破坏概率,得出安全系数为1.00~1.15,可靠度指标为0.35~0.45,破坏概率为32%~37%,说明斜坡具有较大的失稳可能性。计算过程表明,用几何法计算所得的可靠度指标精度最高,一次二阶矩法次之,统计矩法计算精度最低,蒙特卡洛模拟法可作为一种校验方法,对其他方法进行校验和对比。在不需要获取传统的定值安全系数的情况下,可用几何法计算斜坡的可靠度指标,方法较为简便。当需要同时获取安全系数时,应使用统计矩法或一次二阶矩法计算。     

五峰山斜坡变形破坏机制及稳定性分析

针对五峰山斜坡变形破坏的基本特征,运用板裂结构理论和宏观地质法,分析了斜坡变形的影响因素、破坏机制和稳定状况。认为五峰山斜坡变形是各种作用长期积累的结果,不论有无其它触发因素,在自然状态下斜坡均会发生变形,变形模式为由下坡至上坡发展的溃屈破坏。位于陡坡上的碎块物质,当临界雨强达到7 6mm 10min时,将发生坡面泥石流。该研究对长江沿岸类似条件下斜坡的稳定性评价和治理具有参考价值。     

含软弱夹层边坡的三维稳定性极限分析

边坡的三维稳定性分析比其二维平面应变模型在理论上更能反映边坡的实际情况。为研究软弱夹层对边坡稳定性的影响,引入三维圆锥体平动破坏机构和牛角状螺旋圆锥体转动破坏机构,建立三维转动-平动组合破坏机构,并通过平面插入的方法实现破坏机构沿边坡的纵向拓展以便用于任意长度的边坡稳定性分析。结合算例分析,通过与弹塑性有限元数值模拟结果进行对比,验证了本文方法的有效性。分析表明,组合破坏机构能够很好的用于含软弱夹层边坡的稳定性分析并为实际工程提供一个简单有效的设计方法。     

Slope stability analysis by polar slice method in rotational failure mechanism

In this paper, a polar slice method is proposed to quantify the energy dissipation in the inner sliding soil mass and evaluate the slope stability in rotational failure mechanism. The polar slice method is compared with the vertical slice method. Despite similar results, the advantages of the polar slice method are explained. Besides, the comparison between the polar slice method and Chen’s method shows that the polar slice method would lead to more accurate results than Chen’s method, while Chen’s method which neglects the energy dissipation in the inner sliding soil mass is relatively conservative.     

观光塔边坡的稳定性分析与治理措施

分析了观光塔边坡的失稳破坏机制,并应用不确定性方法对该边坡进行了稳定性分析,结果表明,坡脚陡倾岩层是阻止该边坡继续滑移的有利因素,地下水是控制该边坡稳定的主导因素.最后,基于机制分析提出了针对性的治理措施.     

基于Barton-Bandis准则的锚固边坡稳定性分析

结合岩石节理面非线性Barton-Bandis破坏准则,探讨了将Barton-Bandis破坏准则参数转化为线性Mohr-Coulomb破坏准则抗剪强度参数的两种常用方法,通过实例分析了各方法的优劣。推导了加锚单岩石节理面控制的平面滑动岩体边坡抗滑稳定性安全系数计算式,开展了锚固参数分析。研究表明：相对于采用等效线性拟合法或切线等效法获取Mohr-Coulomb抗剪强度参数而言,直接应用Barton-Bandis破坏准则计算节理面控制的岩石边坡稳定性更为直观和简便;随着结构面基本摩擦角、结构面粗糙度系数和结构面壁面有效抗压强度的增大,边坡安全系数逐步提高,且结构面基本摩擦角和粗糙度系数对边坡安全系数的影响程度更为显著;锚索锚固力越大,边坡抗滑稳定性越好,而锚索设置角度越大,边坡抗滑稳定性越低,锚索角度设置不当将明显减小锚固效应的有效性。     

多层软弱夹层边坡岩体破坏机制与稳定性研究

以大量的实际工程为基础,基于Sarma极限平衡法和有限元强度折减法探讨层状岩质边坡在不同岩层倾角θ、边坡坡角β、结构面间距h条件下的安全系数与破坏面位置的变化规律,揭示复杂多层软弱夹层边坡岩体的破坏机制及稳定性特征。结果表明：不同θ条件下边坡岩体失稳机制和破坏面位置不同,随着θ的增大,破坏机制表现为滑移破坏→滑劈破坏→崩塌破坏→倾倒破坏→滑移破坏;当β、h一定时,直立层状边坡的稳定性略大于水平层状边坡,反倾向边坡的稳定性明显大于顺层边坡;β直接影响边坡岩体破坏特征,当β由30°增大至60°时,顺层边坡的安全系数约降低53%;反倾向层状边坡的安全系数约降低40%;h对边坡岩体破坏机制的影响较小,但对稳定性的影响较大,建议工程实践中加强密集结构面岩质边坡的监测和加固工作。     

三维块体元塑性极限分析下限法

基于块体元离散思想,将三维边坡离散为块体-结构面组成的块体系统,假定块体为刚体,以结构面上的应力为未知量;从下限定理出发,构造满足平衡条件、边界条件和屈服条件的静力许可场,平衡方程严格满足3方向力平衡及绕3个主轴方向的力矩平衡条件,为避免非线性规划,对屈服条件进行线性化处理;最后,建立了下限法数学规划模型,通过线性及非线性规划获得边坡稳定严格的下限解。用几个典型算例验证了文中方法的正确性及可行性。     

Determination of the critical failure surface for slope stability analysis using ant colony optimization

Slope stability analysis of any natural or artificial slope aims at determining the factor of safety of the slip surface that possesses the lowest factor of safety. In this study, an ant colony optimization (ACO) algorithm is developed to solve this factor-of-safety minimization problem. Factors of safety of slip surfaces are found by using the Morgenstern–Price method, which satisfies both force and moment equilibrium. Nonlinear equations from the Morgenstern–Price method are solved numerically by the Newton–Raphson method. In the proposed ACO algorithm, the initiation point and the shape of the slip surface are treated as the search variables. The proposed heuristic algorithm represents slip surfaces as piecewise-linear curves and solves for the optimal curve yielding the minimum factor of safety. To demonstrate its applicability and to investigate the validity and effectiveness of the algorithm, four examples with varying complexity are presented. The obtained results are compared with the available literature and are found to be in agreement.     

砂土边坡深埋桩变形破坏的三维数值分析

利用三维弹塑性有限元,对砂土斜坡上刚性深埋桩水平载荷时的变形破坏进行了解析.在有限元解析中,考虑了砂土材料的低抗拉特点.结果表明,有限元计算所得到的桩基水平荷载与水平位移关系与现场实测值基本一致.此外,还利用三维有限元的解析结果,对深埋桩基随深度方向的土压与位移分布以及受压、受拉破坏的渐进性状态进行了合理的分析.     

基于三维数值模拟的露天煤矿复合边坡稳定性分析

借助VC及fish语言编程,将AutoCAD、Surfer、ANSYS等软件耦合应用,完成了复杂地质条件下的FLAC3D建模。在地质调查及统计分析试验数据的基础上,应用Hoek-Brown经验破坏准则确定了边坡岩体的综合强度指标。然后,采用FLAC3D,对比分析了不考虑地下水及三维流固耦合两种情况下的位移场、应力场和塑性区分布规律,并采用强度折减法求得了三维边坡安全稳定系数。结果表明,由外排土场和采掘帮坡构成的复合边坡呈现复杂的潜在破坏模式,以及在地下水影响下存在潜在失稳。与传统的边坡稳定性分析方法相比,三维数值分析优势明显。