岩质高边坡开挖优化及稳定性分析的复合方法

以一最终开采境界为180 m的岩质边坡为工程背景,建立了基于极限平衡法和强度折减法的稳定性复合分析方法,探讨边坡开挖优化方案及其宏观力学变形响应.建立简化Bishop极限平衡模型,分析边坡在不同工况下,安全系数随开挖坡度的变化情况,确定优化开挖方案;利用数值分析方法,建立数值计算模型,计算边坡在最优台阶开挖方案下的破坏模式、应力应变响应以及安全系数.结果表明,所确定的开挖方案下,边坡稳定性和经济性达到较好组合; 数值分析方法能够直观反映出应力和变形在完整岩体和断层裂隙间的传递规律,验证符合实践情况;开挖完毕后,边坡处于稳定状态,其潜在破坏形式为局部滑坡;复合方法能够同时发挥极限平衡法快速计算安全系数的优点和数值分析方法动态监测开挖进程的优点.     

强度折减法在某核电站泵房边坡分析中的应用

对边坡稳定性分别采用按极限平衡法、有限元强度折减法进行二维分析,通过对比计算结果来验证强度折减法分析的准确性与可行性。针对边坡开挖与加固及隧洞开挖的三维效应,采用三维弹塑性有限元强度折减法分析计算边坡的稳定性,计算分析了开挖完成、支护完成条件下边坡安全系数、位移分布、主应力分布、等效塑性应变区和潜在滑动面。结果表明,支护加固可较大提高边坡的稳定安全系数,三维强度折减法分析在岩土工程领域具有明显优势。     

强度折减DDA方法及其在稳定分析中的应用

在自行研制的非连续变形分析（discontinuous deformation analysis,DDA）程序中实现了自动强度折减法以模拟边坡的稳定性和安全系数。通过锦屏高边坡和某重力坝深层滑动的计算分析以及与刚体极限平衡法和有限元方法的比较研究可以看出,强度折减DDA法可以较高精度求出岩石高边坡的安全系数,但求得的重力坝深层抗滑稳定安全系数要低于刚体极限平衡法的结果。基于强度折减技术的DDA与FEM的耦合方法,可以较准确地求出重力坝深层抗滑稳定安全系数。     

基于极限平衡有限元的岩质高边坡安全系数长期预测分析

引入基于Dijkstra算法的极限平衡有限元方法到岩质边坡长期稳定性研究中,得到边坡长期安全系数,并将该方法应用于糯扎渡工程坝肩高边坡,在弹塑性下比较刚体极限平衡和基于Dijkstra极限平衡有限元方法计算结果,认为该算法可信。基于糯扎渡水电站坝肩高边坡有限元流变分析中各时步应力场结果,采用基于Dijkstra极限平衡有限元方法得到各时步潜在滑动面和安全系数。由此判定该边坡长期稳定性,并给出安全系数随时间变化趋势和长期安全系数。     

基于离散元的强度折减法分析岩质边坡稳定性

将通用离散元UDEC与强度折减法结合,对含多结构面的岩质边坡的稳定性进行了分析。通过对节理岩质边坡的UDEC模型中的可变形块体和节理单元的强度参数进行折减,使模型不能再达到平衡状态,此时的折减系数就是边坡的安全系数,另外,由对应的边坡块体的速度矢量可以确定滑动面和边坡的破坏形态。通过与传统的条分法的结果比较,表明基于UDEC的强度折减法是一种可靠、有效的方法,为复杂节理岩质边坡的滑动面确定与安全系数计算开辟了新的途径。     

一大型倾倒体边坡非线性强度折减稳定性分析

分析的大型倾倒体边坡位于西藏林芝地区巴河上老虎嘴水电站右岸交通洞出口附近。该倾倒体坡体结构破碎,节理发育,边坡开挖后多次发生滑塌。在分析该倾倒体成因基础上,其强度特性用适于节理岩体的Hoek-Brown准则描述;计算采用非线性强度折减弹塑性数值方法;并对比了刚体极限平衡法计算结果。结果表明,两种方法获得的整体安全系数基本一致;加固前边坡基本处于极限平衡状态;数值分析较好地揭示了边坡失稳滑动特征;经工程措施处理后稳定性总体满足设计要求。     

应用离散元强度折减对复杂边坡进行稳定性分析

介绍了离散元（DEM）及强度折减法基本原理,利用3DEC软件结合强度折减法对某水电站高边坡进行稳定性分析。对岩体强度参数进行折减,以关键点位移与时间关系曲线发散时的折减系数作为边坡安全系数,根据位移矢量图确定滑面和破坏形态。通过与Dijkstra极限平衡有限元法及Sarma法的计算结果对比,验证该方法的可靠性。在二维计算基础上建立并简化三维模型,模拟边坡三维应力场。结合工程关注区域的应力及位移趋势,采用3DEC中的辅助节理截取典型坡段单宽模型,在已有的三维应力场的基础上对其进行强度折减,弥补了二维强度折减未考虑三维应力场对边坡稳定性影响的不足,把握了工程重点及力学特性,为类似工程提供了一种合理高效的稳定性分析手段。     

基于局部强度折减法的边坡多滑面分析方法及应用研究

边坡最危险滑动面的搜索方法一直是研究的热点,但边坡内部次级滑动面也可能不满足安全设计要求,因此,考虑边坡多条滑动面的分析方法亦应得到关注。在传统强度折减法中,对边坡整个区域的抗剪强度参数进行折减,此方法仅可得到一个临界滑动面和最小安全系数。提出了一种基于局部强度折减法的多滑面分析方法,即首先定义单元安全系数的概念,并且计算边坡每个单元的安全系数,然后自动搜索出单元安全系数处于不同范围内的单元集合,对各个单元集合的强度参数进行折减计算,即可得到不同安全系数对应的滑动面。通过单台阶和双台阶边坡算例验证了该方法的可行性,结果表明,随着安全系数的增大,潜在滑面的深度和潜在滑动区域亦增大。最后把该方法应用到某隧道进口仰坡的稳定性评价中, 通过该方法得到的多级滑动面与现场监测数据吻合较好。     

用有限元极限平衡法分析边坡的稳定性

用有限元分析为基础的极限平衡法计算了边坡安全系数,并将结果与摩尔-库仑屈服准则、外接圆D-P屈服准则强度折减法得到的结果、以及Spencer（极限平衡）法的结果进行了比较,结果表明,有限元极限平衡法计算的边坡安全系数与摩尔-库仑屈服准则强度折减法和Spencer法的结果很一致,而D-P准则强度折减法得到的结果偏差较大。叙述了存在已知滑动面和不存在滑动面时有限元极限平衡法的计算方法。用大型通用有限元软件,如ANSYS等,可方便地进行这种方法的边坡安全系数的计算,并有足够的精度。     

基于离散元的边坡矢量和稳定分析方法研究

基于离散元方法对获取的块体单元、节理的应力场处理后得到坡体整体应力场,结合矢量和法安全系数的定义提出了一种边坡稳定性分析方法即VSM-UDEC法。首先通过滑块试验验证了多种情况下UDEC接触应力计算和单元应力的精确性,结果表明,UDEC接触应力和块体单元应力的精确程度很高（接触应力相对误差基本低于0.2%）,能够满足矢量和安全系数计算要求。采用VSM-UDEC法分别对直线型滑面和圆弧型滑面算例进行了分析,并与相应的理论解和严格极限平衡法（Morgenstern-Price法）进行了对比。结果表明,对于直线型滑面VSM-UDEC法安全系数与理论解几乎相同,而对于圆弧型滑面该方法与极限平衡法结果基本一致。最后将VSM-UDEC法运用到锦屏I级水电站左岸边坡工程实例中,结果表明,假设块体为刚体时VSM-UDEC法安全系数与极限平衡法（Sarma法、Morgenstern-Price法）结果吻合较好,此外,VSM-UDEC法能够考虑坡体内结构面对稳定性的影响,较极限平衡法更能反映边坡的变形分布情况。鉴于UDEC在模拟边坡破坏方面优点较多且矢量和法安全系数物理意义明确,VSM-UDEC法有望在边坡稳定性分析中有较好的应用前景。     

Slope stability analysis by SRM-based rock failure process analysis (RFPA)

The fundamental principles of the strength reduction method (SRM) are incorporated into the rock failure process analysis (RFPA) code to produce an RFPA–SRM method for analysing the failure process and stability of rock and soil slopes. The RFPA–SRM method not only satisfies the global equilibrium, strain-consistent, and non-linear constitutive relationship of rock and soil materials but also takes into account the heterogeneous characteristics of materials on the micro- and macro-scales. When the proposed method is used for slope stability analysis, both the critical failure surface and the safety factor can be obtained directly without any assumptions regarding the shape and location of the failure surface. The numerical results agree well with those obtained using conventional limit equilibrium and other FEM strength reduction methods. The proposed technique is applied to a number of more complex cases, including slopes in mixed rock–soil formations, rock layer formations, and highly jointed rock masses. It is shown that the RFPA–SRM method can describe the mechanism of failure of slopes and has potential applications in a large range of geoengineering problems.     

有限元强度折减系数法在北门沟坡滑坡稳定性评价中的应用

利用有限元强度折减系数法求得的滑坡安全稳定性系数进行北门沟滑坡稳定性评价。通过强度折减,当滑坡达到不稳定状态时,有限元计算不再收敛,此时的折减系数就是滑坡的安全稳定性系数。经计算,可以得到滑坡体破坏形式和破坏扩张趋势,有助于对滑体破坏机制的理解。计算表明,有限元强度折减法与传统刚体极限平衡法计算的稳定性系数很接近,这为滑坡稳定性评价提供了另一条途径。     

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。     

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。     

基坑土钉支护边坡有限元稳定性分析方法探讨

针对基坑土钉支护开挖边坡的稳定性,讨论了极限平衡方法的局限性,指出应用有限元方法分析评价基坑土体结构稳定性是近年来研究的新趋势。采用滑面应力分析法和强度折减法两种有限元方法对基坑边坡的稳定性进行了研究。对于无支护的基坑边坡,两种有限元方法得到的安全系数和滑动面结果一致,且滑动面形状随基坑土体强度的降低保持不变。对于采用土钉支护的基坑边坡,两种有限元方法得到的安全系数结果一致,不同阶段下滑动面形状和位置不同,这主要是由于在强度折减时,仅仅对土体强度参数进行折减,而未考虑土钉自身强度的降低。最后指出,在应用强度折减法时,是否考虑土钉自身强度的折减有待进一步研究。     

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.