结构性土坡变形破坏数值模拟方法的对比分析

结合现有对结构性土的认识及边坡稳定性方面的研究,分别对有限元和离散元数值模拟方法在研究结构性土坡稳定性方面的适用性进行了分析。通过在数值模拟过程中对土体强度变化、边坡失稳特征等多个因素的分析比对,得出了以PFC2D为代表的离散元软件更能有效模拟出结构性土强度的非线性变化以及结构性土坡全程失稳规律的结论。对结构性土坡失稳破坏的全程PFC2D模拟观察到结构性土坡具有失稳突然、灾前位移变形较小的破坏特点。同时,离散元分析方法更能直观地反映出土颗粒微观结构的改变对结构性土坡失稳特征的影响。     

基于强度折减的土质边坡破坏及稳定分析

边坡的破坏过程是由土体局部破坏向整体失稳发展的过程,其塑性区的开展及其水平位移增量的变化较完美地展现了这个过程。根据边坡的实际破坏和有限元数值模拟情况,提出了以特征点位移增量的突变及塑性区贯通作为边坡的失稳判断准则;并以此为判据,采用基于强度折减的大变形有限元方法分析了土质边坡的破坏及稳定性。研究表明,采用强度折减有限元法可有效分析边坡的破坏及其稳定性;此外还分析了带有软弱夹层黏土边坡的破坏性状及其稳定性,并比较了大、小变形有限元的计算结果,结果表明,带有软弱夹层黏土边坡的破坏性状随软弱夹层土体性质的变化而变化,由大小变形有限元分析得到的边坡稳定安全系数较为一致,但边坡的破坏机制随软弱夹层土体性质变化的转变点不同。     

土体结构性对突发性边坡失稳的控制作用

云南、广西等地部分边坡在变形与破坏过程中常表现出一定的突发性。经分析,土体的高结构性强度有可能是导致该类现象产生的原因之一,但尚未得到验证。传统的边坡稳定分析方法诸如有限元强度折减法、极限平衡法均着重于边坡安全系数的求解,强调稳定到不稳定状态的突变,对不同土质边坡在滑坡过程中坡体变形程度的强弱很难加以分析。针对以上问题,通过离散元软件PFC2D模拟土体的结构性,分析结构性土质边坡的失稳变形规律。结果表明:边坡潜在滑面上土体结构性的损伤是导致结构性土坡失稳的主要原因之一。土体的初始结构性强度越高,边坡失稳的突发性越强,灾前位移变形越小。     

降雨条件下土质边坡稳定性预测预报方法

降雨往往足引起热带和亚热带膨胀土、残积土边坡失稳的主要促发因素,考虑降雨影响的土坡稳定性预测预报是一个亟待解决的复杂的工程问题.简要介绍了一套能考虑气候影响的非饱和土边坡稳定性分析的极限平衡分析方法和一套可考虑土体非线性和几何非线性的边坡稳定分析及变形计算的有限元方法.提出了一个降雨条件下土质边坡稳定性预测预报模型,其具体思路是:首先用数值方法计算渗流场,然后利用非饱和土的强度理论推求出整个场的强度分布,再利用极限平衡分析方法或有限元方法进行边坡稳定性分析,寻求斜坡稳定安全因数与降雨特征参数(雨强,降雨持时等)相关关系,如此,即可依据气象预报进行土坡稳定性预报.     

基于强度折减法的韩城煤矿边坡稳定性分析

将有限元强度折减理论应用于边坡稳定性分析中,运用ANSYS大型有限元分析软件,基于Drucker-Prager（D-P）屈服准则,采用力和位移的收敛标准作为破坏判据,进行边坡的稳定性分析。当折减系数达到某一数值时,非线性有限元静力计算将不收敛,滑面上的位移将产生突变,边坡内一定幅值的广义剪应变自坡底向坡顶贯通,此时认为边坡已破坏,并定义此时的折减系数即为稳定系数。文中以韩城煤矿节理岩质边坡为例,运用该方法进行了稳定性分析并与并与传统的Bishop法、Janbu法等方法对比。计算结果表明,有限元强度折减法能更加真实地反映边坡的实际情况,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。     

考虑土体参数空间变异性的边坡大变形破坏模式研究

边坡失稳是涉及土体大变形的动态演化过程,该过程往往决定了滑坡失事后果。传统的边坡稳定分析方法如极限平衡方法与有限元方法难以模拟边坡失稳演化过程,尤其是失稳后的土体变形破坏过程。边坡失稳受到多重不确定性因素影响,其中一个重要因素是土体参数的空间分布不均匀性。在考虑土体参数的空间不均匀分布情况下,本文采用一种随机极限平衡-物质点法研究边坡不同破坏模式的动态演化过程,同时利用极限平衡方法简单、高效的优点和物质点方法模拟土体大变形破坏的能力。以一个两层不排水土坡算例为例,识别了4种不同的边坡破坏模式（即浅层、中层、深层和渐进）,研究了它们的演化过程与土体参数的空间分布之间的关系。结果表明边坡的破坏模式演化过程与土体参数的空间分布密切相关,强调了岩土工程勘察信息对充分表征土体参数空间变异性的重要作用。     

土钉加固黏性土坡加载的离心模型试验研究

进行了不同坡度土钉加固边坡坡顶加载的离心模型试验,观测了土坡的破坏过程并测量土坡的位移场,研究了土钉加固黏性土坡的承载力、变形和破坏规律以及坡角对其破坏规律的影响。试验结果表明,坡顶荷载的增加引起土坡变形的增加,变形的集中产生和发展导致滑裂面的形成并使土坡发生破坏。土钉变形规律受加载阶段和加载底板的综合影响,坡顶荷载越大,接近坡顶的土钉弯曲挠度越大,钉土间的相互作用越强。土坡的坡角越大,承载力越低,土体呈现出更显著的向坡面位移的趋势。     

变形协调条件下非线性破坏准则的加筋土坡临界高度上限解

针对现有加筋土坡稳定性分析研究大多基于线性Mohr-Coulomb破坏准则的现状,本文考虑了岩土材料破坏的非线性特性,采用非线性破坏准则和外切直线法,引入极限分析上限理论进行研究。根据加筋土坡的工程特性和变形机理,考虑破坏滑动层上筋材与土体变形协调特点及速度变化的连续性,分开计算素土的内力功和筋材能量耗散功率,在此基础上,建立直线破裂面和对数螺线破裂面机构的加筋土坡临界高度确定方法。对极限状态下加筋土坡临界高度的目标函数,采用序列二次规划非线性优化算法,得到上限解。最后,通过工程算例分析,并与已有离心模型试验结果和理论研究方法计算结果进行对比,结果表明本文计算方法考虑间断面滑动层筋材与土体变形协调及速度变化连续性是合理的,得到的上限解更优;非线性参数对加筋土坡稳定性有着重要影响,临界高度随非线性参数m的增大而减小。     

强间断分析方法在土工结构物渐进破坏过程中的应用

对于超固结黏土和密实砂土等软化材料或非关联塑性材料组成的地基、边坡及挡土墙墙后土体,在其破坏过程中,会产生应变局部化现象,使得控制方程的类型发生改变,从而导致出现数值解不惟一和解的网格相关性等现象。为了克服这些数值困难,基于强间断分析方法,及单元内嵌不连续面的有限元模型,对地基、土坡、墙后土体的渐进破坏过程进行了数值模拟。计算结果表明,单元内嵌不连续面模型可以有效地模拟土工结构失稳破坏过程,并且能够明显地改善采用常规有限元方法所产生的网格尺寸相关性问题。这一方法可作为传统极限平衡法进行稳定分析、承载力分析的有益补充。     

悬臂式抗滑桩加固黏土边坡地震永久位移算法

为了有效地确定悬臂式抗滑桩加固的黏土边坡地震永久位移,基于极限分析上限定理,针对圆弧滑动式土坡破坏模式,通过对设置抗滑桩条件下土坡进行外力功率和内能耗散率的计算,按严格力学定义推导出坡体在地震作用下的安全系数,进而导出与安全系数相对应的边坡地震屈服加速度计算公式,并结合Newmark滑块位移法对边坡产生的转动加速度进行二次积分,推导出与边坡设计安全系数密切相关的坡体地震永久位移的详细计算公式。以5.12汶川地震卧龙测站东向地震波为例,通过对一算例边坡进行分析,给出了边坡永久位移时程曲线以及不同设计安全系数与永久位移的关系,分析了算法与Ambraseys算法的结果,验证了所提计算方法的有效性,并得到不同设计安全系数时边坡土体黏聚力和内摩擦角对坡体永久位移的影响规律。研究结果表明,坡体永久位移随着设计安全系数的增加逐渐呈指数函数式减小变化,在较低设计安全系数下,坡体永久位移受土体抗剪强度参数影响较为敏感,随着设计安全系数的提高,这种敏感性则逐渐降低。     

Numerical analysis of slope stability based on the gravity increase method

A micromechanical model is proposed for studying the stability and failure process of slopes based on the gravity increase method (GIM). In this numerical model the heterogeneity of rock at a mesoscopic level is considered by assuming that the material properties conform to the Weibull distribution. Elastic damage mechanics is a method used for describing the constitutive law of the meso-level element, the finite element method (FEM) is employed as the basic stress analysis tool, and the maximum tensile strain criterion and the Mohr–Coulomb criterion are utilised as the damage threshold. The numerical model is implemented into the Realistic Failure Process Analysis (RFPA) code using finite element programming, and an extended version of RFPA, i.e., RFPA-GIM, is developed to analyse the failure process and stability of slopes. In the numerical modelling with RFPA-GIM, the critical failure surface of slopes is obtained by increasing the gravity gradually but keeping material properties constant. The acoustic emission (AE) event rate is employed as the criterion for slope failure. The salient feature of the RFPA-GIM in stability analysis of slopes is that the critical failure surface as well as the safety factor can be obtained without any presumption for the shape and location of the failure surface. Several numerical tests have been conducted to demonstrate the feasibility of RFPA-GIM. Numerical results agree well with experimental results and those predicted using the FEM strength reduction method and conventional limit equilibrium analysis. Furthermore it is shown that selection of the AE rate as the criterion for slope failure is reasonable and effective. Finally, the RFPA-GIM is applied to several more complex cases, including slopes in jointed rock masses and layered rock formations. The results indicate that the RFPA-GIM is capable of capturing the mechanism of slope failure and has the potential for application in a larger range of geo-engineering.     

基于强度折减和重度增加的边坡破坏判据研究

通过分析鸡鸣寺滑坡等典型滑坡变形监测数据,总结了典型滑坡的变形破坏规律,作为边坡破坏的判别标准,并应用到基于强度折减和重度增加法的边坡稳定分析中。通过典型算例分析,建议以变形变化趋势为边坡破坏判别标准,并研究了强度折减法和重度增加法分析边坡稳定的可行性;较全面地分析了影响计算精度的各种因素。结果表明,采用的边坡破坏判别标准概念清晰、物理意义明确,界定清晰。相比较而言,强度折减法的可靠性和稳定性相对较好,适用范围较广。     

基于强度折减和容重增加法的三维边坡稳定性分析

利用以变形变化趋势为边坡破坏判别标准的强度折减法和容重增加法,对某水电站高边坡进行了三维稳定分析,得到了三维最危险潜在滑动块体及相应的安全系数。同时与广义楔形体法二维计算结果进行了比较。计算结果表明,以边坡变形变化趋势为破坏判别标准,基于强度折减法和容重增加法的三维边坡稳定分析是合理可行的。      

计算边坡安全系数的坡向离心法

边坡稳定分析方法发展最引人注目,它是经典土力学最早试图解决而至今仍未圆满解决的课题。在常用边坡分析方法的基础上,从边坡失稳机制出发,提出一种更方便的安全系数计算方法--坡向离心法。该法通过不断增大水平加速度,直至边坡失稳为止,依据水平加速度与重力加速度失稳影响机制求得安全系数。通过算例与传统极限平衡法和有限元强度折减法相比较,并对各物理参数进行敏感性分析。结果表明,坡向离心法在边坡工程稳定分析中的应用是切实可行的,其弹性模量和泊松比对该法所求安全系数影响不大。     

A relation between safety factors with respect to strength and height of slopes

Conventional slope stability analysis is usually based on the linear Mohr–Coulomb failure criterion utilizing the notion of safety factors with respect to shear strength, and one of the available slice methods. Failure criteria of most soils are not linear, and it is possible to show that this non-linearity has a very significant effect on calculated safety factors. The present work is based on a non-linear failure criterion, which appears to fit the experimental information better than Mohr–Coulomb. All slice methods utilize various kinematical and static assumptions, which cannot be rationally justified. The present work is based on rigorous variational approach to slope stability analysis, which does not employ any kinematical and static assumptions. Safety factors with respect to shear strength are useful abstractions, but physical significance of results based on them is clear only at failure when they are equal to 1 (at any other value of the safety factor with respect to strength results of the analysis correspond to fictitious material with a modified shear strength function). In the present note, we use the variational analysis in order to establish a simple analytical relation between safety factors with respect to strength and height. These two safety factors provide alternative measures for the stability of a given slope; but the safety factor with respect to height appears to have clearer physical interpretation.     

基于Hoek-Brown准则的非等比强度折减方法

针对节理岩质边坡稳定性分析问题,开展了基于Hoek-Brown破坏准则的强度折减法研究。边坡的失稳过程是一个渐进累积破坏过程,破坏过程中各强度参数的衰减程度不同,在强度折减法中对应的折减系数也不同,不同折减系数间关系的确定及其综合安全系数的定义值得深入探讨。首先从岩体材料软化（硬化）特性出发,根据岩体强度参数从峰值强度到残余强度的变化规律,推导了Hoek-Brown破坏准则中3个强度参数折减系数间的数学关系式,然后以折减前后滑面上抗滑力之比定义综合安全系数来评价边坡的稳定性,最后结合算例验证了该方法的合理性,可有效应用于节理岩体边坡的稳定性分析。     

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。     

高土石坝坝坡稳定非线性分析

在高应力状态下堆石料的抗剪强度具有明显的非线性。强度非线性有指数和对数两种描述形式。对几座高土石坝的坝坡稳定分析表明，使用对数形式的非线性强度准则得到的坝坡计算安全系数比按线性强度准则计算的安全系数要高。现行规范所规定的许可安全系数，是与许多年的大量的用偏低的线性强度所作的稳定计算相适应的，偏于保守，改用非线性强度后应作适当的提高，对其提高的程度进行了统计分析，并给出了用非线性强度指标稳定分析时安全系数取值标准的建议值。     

边坡危险滑动面及稳定安全系数的力学解析方法

为了分析边坡的稳定性,提出了一种基于极限平衡理论的分析方法。假定坡体为只受重力作用的弹性体,通过弹性力学解析解求得应力分布,将滑动面用分段二次多项式函数表示,当分段间隔足够小时,这种表示方式可以描述任意曲面形状,根据坡体滑面所满足的Mohr-Coulomb准则,定义边坡稳定安全系数,其为多项式系数的函数。通过混和罚函数优化方法可以求出最危险滑动面对应的多项式系数,获得边坡的稳定安全系数,从而判定边坡的稳定性。所提出的方法与以往方法不同,不用将滑体划分成垂直条块,不用假定滑面上的法向应力分布形式,而直接利用已有的坡体弹性应力解。算例表明:本文方法所得到的结果与简化Bishop法和有限元强度折减法获得的结果非常接近,且基本介于有限元法和简化Bishop法之间。     

地震效应下三维非均质土坡稳定性极限分析

基于极限分析上限定理,采用拟动力法研究了地震效应下非均质土坡的三维稳定性,并通过重度加大法（GIM）推导出边坡安全系数的显式表达式。此外,采用遗传算法进行优化,将所得结果进行对比验证,详细分析了地震条件下相关参数对边坡稳定性的影响。分析结果表明：边坡高度一定时,宽高比、边坡倾角的增大以及土体内摩擦角、非均质系数的减小均会造成安全系数的降低;拟静力法获得的结果相比于拟动力法较大,两种方法结果的差值会随着水平地震系数、有效内摩擦角的增大而增大,随着边坡倾角的增大而减小;土体放大系数的增大会导致安全系数减小,而地震波周期及波速的变化几乎对安全系数没有影响;滑动面轨迹受水平地震系数的影响较大,而受非均质系数的影响相对较小。