基于ABAQUS的边坡稳定性强度折减有限元分析

以大型通用有限元分析软件ABAQUS作为平台,以迭代不收敛作为边坡失稳判据,通过二次开发建立了能够自动搜索安全系数与相应失稳机构的边坡稳定性强度折减弹塑性有限元计算模型,针对成层黏性土边坡、多级边坡等复杂情况进行了稳定性分析。并论证ABAQUS中所采用的Mohr-Coulomb破坏准则与传统的Mohr-Coulomb破坏准则的一致性。     

基于强度折减弹塑性有限元法的抗滑桩加固边坡稳定性分析

以大型通用有限元分析软件ABAQUS作为平台,以迭代不收敛联合坡面特征点位移陡增作为抗滑桩加固边坡失稳判据,通过二次开发建立了能够自动搜索安全系数的抗滑桩加固边坡稳定性强度折减弹塑性有限元分析模型,结合典型算例的对比分析验证了这一判据的有效性。在此基础上,针对一实例边坡进行了稳定性数值分析。研究表明,对于抗滑桩加固边坡,以强度折减有限元法所确定的潜在滑动面,一般地比极限平衡法、极限分析上限方法要浅。     

边坡稳定强度折减有限元分析中的若干问题讨论

强度折减有限元法在边坡稳定性分析中得到了广泛应用,但仍存在一些问题未能很好地解决。首先探讨了不同单元类型对边坡稳定安全系数计算精度的影响,指出采用三角形二阶单元,能够较好地模拟土坡的渐近破坏过程,且相对网格大小控制在0.1～0.15之间时能获得较精确的解;其次讨论了边坡失稳的4个判据问题,指出在合理网格大小区间内,有限元强度折减至土坡破坏时,先后出现塑性区贯通、等效塑性应变带贯通、位移陡增与数值计算不收敛等4种表征,以此分别作为边坡失稳判据,所得到的安全系数具有较好的一致性;最后讨论了边坡破坏时滑动面深浅、滑出点位置与坡体材料的黏聚力、内摩擦角及坡角间的关系,指出黏聚力越大、内摩擦角越小或坡度越小,滑动面越深,且滑出点越远离坡脚。     

有限元强度折减法边坡失稳判据的统一性

目前有限元强度折减法边坡稳定性分析中广泛使用的边坡失稳判据主要有3类,即有限元数值迭代不收敛判据、特征部位位移突变判据、广义塑性应变或等效塑性应变贯通判据。对于上述3类判据的选用,一直以来存在较大的分歧。而从本质上看,3类边坡失稳判据具有一致性和统一性。之所以使用不同判据时计算结果表现出差异,是由于人为误判和有限元数值计算误差造成的。在具有足够计算精度的情况下,3类判据所得结果一致。     

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。     

物质点强度折减法边坡失稳判据选择方法

用物质点强度折减法求解边坡安全系数时,需要选择一定的失稳判据,而采用不同的失稳判据获得的安全系数通常存在一定差异.为此,采用物质点强度折减法对两个边坡算例进行了稳定性分析,对比研究了文献中常用的4种边坡失稳判据(计算不收敛、特征点位移突变、塑性应变贯通及界限值判据)在计算边坡安全系数时的合理性及适用性.同时,将Spen...     

边坡变形破坏过程的大变形有限元分析

在用有限元法分析边坡稳定性时,引入计算大变形问题的更新的拉格朗日方法,推导了边坡大变形弹塑性有限元分析的方程式。采用边坡某一幅值的等效塑性剪应变区,从坡脚到坡顶贯通前的折减系数作为边坡安全系数。在此基础上,采用弹塑性大变形有限元分析软件计算了均质土坡不同坡角的安全系数,将其与小变形分析的结果进行了对比分析,结果表明：用弹塑性大变形有限元分析边坡失稳破坏的过程中,既考虑了岩土材料的非线性,又考虑了边坡的几何非线性,使计算结果更趋合理。并结合东深供水改造工程BIII2边坡进行了大变形有限元分析,计算结果与勘查到的实际边坡的滑动面分布位置比较接近。研究表明：该方法尤其适宜于软土类边坡或基坑的稳定性分析。     

基于FLAC-3D的强度折减法判据的研究

运用FLAC-3D软件对一简单边坡进行了稳定性分析.分别利用计算收敛判据、塑性区贯通判据、有效剪应变增量判据和特征点位移突变判据求出边坡安全系数,并加以对比分析.着重对特征点突变判据进行研究分析,分析发现:监测坡顶和坡面中点位移比监测坡脚处位移更有效;仅从位移大小的突变作为判据标准不够严谨,提出一种通过观察特征点位移与折减系数相关曲线的斜率变化来确定安全系数,斜率突变处对应的折减系数即为安全系数.     

基于地应力边界条件的复杂边坡抗滑桩支护设计研究

复杂边坡稳定性问题一直是岩土工程界重点研究的问题之一,提高复杂边坡安全系数的方法有很多,其中采用抗滑桩支护是常用手段之一。以安徽省某高速公路复杂边坡为研究对象,采用套孔应力解除法对该边坡岩土体进行了地应力测试,以测试结果作为有限元分析的边界条件,分别对该边坡加固前和采用抗滑桩加固后两种工况进行数值分析,得到有代表性的有限元分析结果;并对有限元的计算出位移结果和实测位移进行了对比。分析表明,未采用抗滑桩支护的边坡,会产生局部应力过分集中、整体变形和水平向位移较大、塑性区贯通等不利于边坡稳定的危险状况。采用了抗滑桩支护后,贯通的塑性区消失,边坡变形和位移减少,应力分布趋于均匀,安全系数大幅度提高。有限元计算出的位移结果和实测位移十分接近,匹合度较好,从而说明了有限元分析手段的可靠性。     

基于块体单元法的岩石边坡安全系数研究

岩石边坡因其结构面数量众多、块体系统及其滑动方式复杂,给危险块体组合的搜索及其安全系数计算带来很大困难。基于块体单元法,对岩石边坡中的危险块体组合搜索及其安全系数的计算方法进行了研究。首先,在块体元强度折减计算的成果下,根据屈服面贯通理论提出搜索危险块体组合的新方法;然后,对安全系数计算方法进行研究,建议在位移突变判据下采用双线性交叉法计算安全系数;最后,进行了单面、双面和多面滑动以及复杂块体系统的算例分析,并与刚体极限平衡法计算结果进行了对比。结果表明,由于块体单元法考虑了力与力矩的平衡及结构面上应力的非均匀分布,其计算结果更准确。该方法有望广泛应用于复杂岩石边坡稳定分析。     

极限分析有限元法讲座--Ⅱ有限元强度折减法中边坡失稳的判据探讨

边坡失稳,滑体滑出,滑体由稳定静止状态变为运动状态,同时产生很大的且无限发展的位移,这就是边坡破坏的特征。有限元中通过强度折减使边坡达到极限破坏状态,滑动面上的位移和塑性应变将产生突变,且此位移和塑性应变的大小不再是一个定值,有限元程序无法从有限元方程组中找到一个既能满足静力平衡又能满足应力-应变关系和强度准则的解,此时,不管是从力的收敛标准,还是从位移的收敛标准来判断有限元计算都不收敛。塑性区从坡脚到坡顶贯通并不一定意味着边坡破坏,塑性区贯通是破坏的必要条件,但不是充分条件,还要看是否产生很大的且无限发展的塑性变形和位移,有限元计算中表现为塑性应变和位移产生突变。在突变前计算收敛,突变之后计算不收敛,表征滑面上土体无限流动,因此可把有限元静力平衡方程组是否有解,有限元计算是否收敛作为边坡破坏的依据。-     

三类边坡失稳判据的统一性

将热力学理论中材料破坏的能量机制引入边坡工程中,推导了强度折减过程中边坡的能量方程,利用FLAC3D二次开发了能量的计算程序,并应用于某经典边坡算例中。通过与Spencer法的计算结果对比发现：强度折减法中边坡的稳定性与能量变化关系紧密,由此提出了4种新的失稳判据--能量突变失稳判据,且4种能量突变失稳判据理论上是统一的。通过对比发现：动能突变判据与数值计算收敛性判据、重力势能降突变判据与特征点垂直位移突变判据、耗散能增量突变判据与塑性区贯通判据分别存在对应关系,证明了常见的3类失稳判据也是统一的。通过算例试算发现,3类判据判定结果不相等主要是由收敛标准和网格精度等人为因素造成的,本质上是因为数值计算是一种近似解。工程应用中,可通过3类失稳判据判定结果的一致性来自评安全系数的计算精度,一致性越好,精度越高。提高计算精度的根本办法是严格收敛标准和精细网格划分,但应同时兼顾数值计算的时长,从而实现计算效率最大化。     

有限元强度折减法在边坡稳定性分析中的有效性及结果检验方法

有限元强度折减法的有效性及结果评价决定该方法是否能在工程上得到认可及推广的关键。本文基于有理论解的地基承载力问题和澳大利亚计算机应用协会（ACADS）边坡稳定性典型考题,通过计算值与理论解的对比以及塑性贯通区结果,对有限元强度折减法用于边坡稳定分析的有效性、失稳判据以及结果评价等问题进行了系统研究,提出了以塑性带宽度与长度之比检验计算结果的方法。结果发现,在足够且合理的网格密度下,有限元强度折减法分析边坡稳定性是有效的,不同类型的临界状态判据差异不大,而塑性区贯通判据最为客观;临界状态时塑性带的宽度与长度之比与安全系数的计算精度有很高的相关性,其值越小,精度越高,当塑性区相对宽度b/L小于0.05时,安全系数相对误差一般小于5%;对于强度折减法计算结果的精度评价,只要所得的等效塑性应变分布能确定滑动机制和大致的滑动面位置,其安全系数计算结果与更细密的网格的结果差异一般也在5%以内,精度就是足够的。     

均质边坡稳定性极限曲线法

基于滑移线场理论,按边坡坡面变形量评价其稳定性,提出均质边坡极限曲线法。该法是求有重边坡极限荷载的逆过程,也是强度折减法的对偶过程。以特征线法差分方程组（SCM）和试验方程近似公式（CCM）求得的极限坡面曲线与坡面线相交为变形破坏准则,定义了安全度（DOS）和破坏度（DOF）2个评价指标。该方法不必假设和搜索临界滑动面。经典考题和典型算例的验算表明,随着节点的增加SCM法计算精度增加,边界步长不变时,3次样条插值求得的变形破坏准则判断值不变,说明SCM算法稳定。典型算例的计算数据和图例表明,边坡角变大时边坡稳定性降低,极限坡面曲线与坡面由无交点变为有交点,证明了变形破坏准则的正确性。由2个例题计算结果对比可知,安全系数较大时,SCM法、CCM法计算结果与其具有可比性,相对于原边界条件增加了外荷载;安全系数变小时,SCM法、CCM法偏于保守。34个样本计算正确率为安全系数法67.7%,应力状态法73.5%,CCM法79.4%,SCM法70.6%,表明SCM法和CCM法正确率较高,计算结果可靠,SCM法、CCM法因素敏感性分析结论与安全系数法完全一致。在露天矿边坡稳定性和最终边坡角的分析与计算中,SCM法、CCM法结论与原报告相同,当参数变小时CCM法更有利于实践,具有一定的工程应用价值。     

重度增加法在某公路边坡稳定性分析中的应用

基于D-P准则,采用关联流动法则,用非线性有限元重度增加法对一非均质不规则公路边坡进行了分析。其原理是保持粘聚力c及内摩擦角φ不变,通过逐步增加土体重度的方法使土体达到临界状态。采用坡顶水平位移随重度增加系数变化的关系曲线上位移陡然增大作为边破的破坏标准。有限元重度增加法事先无须对滑动面的位置和形式做出任何假定,同时考虑了土体的材料非线性和几何非线性,因此利用二维有限元重度法能更好地模拟土坡的破坏,有助于了解土坡的破坏机理。其结果不仅对工程实践具有指导作用,而且对研究土体的破坏机理,探索分析边坡稳定的适用计算方法都有现实意义。用重度增加法得到的安全系数与传统方法的误差在9%左右,因此重度增加法可以用于边坡稳定分析。     

边坡稳定及加固分析的有限元强度折减法

将强度折减理论应用于土质边坡稳定及加固的弹塑性有限元分析中,提出了以某一幅值的总等效塑性应变区,从坡脚到坡顶贯通时为边坡破坏的标准,不但物理意义很明确,而且可以根据边坡临界破坏时的等效塑性应变区确定滑动面位置,并认为此前的折减系数即为边坡的安全系数。对某供水改造工程中边坡的稳定性分析及加固计算表明：该破坏判别标准是适宜的,能够在工程实际中加以运用。     

基于Hoek-Brown准则的三维边坡变形稳定性分析

采用Hoek-Brown准则,分析三维边坡在开挖扰动下的变形稳定性。以某露天矿边坡为工程背景,利用快速拉格朗日差分法(FLAC3D)建立三维数值分析模型,并在边坡中布置若干监测点,利用FISH语言编制相应位移插值程序,探讨边坡开挖引起的动静态位移响应,从宏观角度揭示出边坡开挖后,不同区域的变形,为工程实践提供指导;介绍了强度折减技术在Hoek-Brown准则中的实施方法,采用计算不收敛失稳判据,计算边坡安全系数,从而进一步推广Hoek-Brown强度折减法在三维边坡稳定性分析中的应用。     

基于静动力有限元的边坡抗震稳定分析方法

由人工截断边界输入地震波,通过时程积分法确定地震荷载作用下边坡的应力和变形,在人工截断边界上采用黏-弹性人工边界条件模拟地基辐射阻尼的影响。采用有限元强度折减法求解边坡稳定安全系数,以塑性区贯通时刻特征点的位移突变作为边坡失稳的评判标准。非线性有限元和黏-弹性人工边界条件结合运用,建立了基于静动力有限元的边坡抗震稳定分析方法。该方法在稳定安全系数的定义上和传统的刚体极限平衡法是一致的。以十里铺水电站为工程实例,分析了库区边坡的抗震稳定性,得出了边坡动力位移时程和动力稳定安全系数,计算结果合理评价了实际工程在地震荷载下的稳定性。