Sarma‐based key‐group method for rock slope reliability analyses

The methods used in conducting static stability analyses have remained pertinent to this day for reasons of both simplicity and speed of execution. The most well‐known of these methods for purposes of stability analysis of fractured rock masses is the key‐block method (KBM). This paper proposes an extension to the KBM, called the ‘key‐group method’ (KGM), which combines not only individual key‐blocks but also groups of collapsable blocks into an iterative and progressive analysis of the stability of discontinuous rock slopes. To take intra‐group forces into account, the Sarma method has been implemented within the KGM in order to generate a Sarma‐based KGM, abbreviated ‘SKGM’. We will discuss herein the hypothesis behind this new method, details regarding its implementation, and validation through comparison with results obtained from the distinct element method. Furthermore, as an alternative to deterministic methods, reliability analyses or probabilistic analyses have been proposed to take account of the uncertainty in analytical parameters and models. The FOSM and ASM probabilistic methods could be implemented within the KGM and SKGM framework in order to take account of the uncertainty due to physical and mechanical data (density, cohesion and angle of friction). We will then show how such reliability analyses can be introduced into SKGM to give rise to the probabilistic SKGM (PSKGM) and how it can be used for rock slope reliability analyses. Copyright © 2005 John Wiley & Sons, Ltd.     

The key‐group method

This paper proposes an extension to the key‐block method, called ‘key‐group method’, that considers not only individual key blocks but also groups of collapsable blocks into an iterative and progressive analysis of the stability of discontinuous rock slopes. The basics of the key‐block method are recalled herein and then used to prove how key groups can be identified. We reveal that a key group must contain at least one basic key block, yet this condition is not entirely sufficient. The second block candidate for grouping must be another key block or a block whose movement‐preventing faces are common to one or more single key blocks. We also show that the proposed method yields more realistic results than the basic key‐block method and a comparison with results obtained using a distinct element analysis demonstrates the ability of this new method. Copyright © 2003 John Wiley & Sons, Ltd.     

边坡稳定三维极限分析方法及工程应用

边坡稳定三维极限分析方法有上限解和极限平衡两种方法。上限解具有理论基础严格,计算安全系数步骤简捷的优点;极限平衡方法较以往的相关成果更为严格,它是二维的Spencer法在三维条件下的扩展。同时使用这两种方法求解安全系数,可以使两种方法各自的局限性得到弥补,并且可以将安全系数限制在一个很小的区间内,获得满足精度要求的解答。通过小湾堆积体工程实例说明了其可行性和实用性。     

拟静力法边坡稳定分析的改进

拟静力法简单适用,在地震边坡稳定分析中发挥了很大作用,积累了较丰富的经验。传统上滑动体都是按竖向条分的。考虑地震惯性力时,竖向条分在计算地震惯性力和抗滑力矩时存在计算上的不合理,从而使地震惯性力与实际值有误差,抗滑力矩偏小。而考虑地基中的地震荷载时,安全系数的计算结果是不确定的,没有一个客观的最小安全系数计算结果。在分析了误差产生的机理后,对拟静力法的计算进行了改进。算例表明,改进后拟静力法计算结果是合理的。     

弹粘塑性块体单元法在龙滩水电站右坝肩边坡稳定分析中的应用

介绍了三维弹粘塑性块体单元法的基本原理。该方法假定岩石块体为刚体,只考虑结构面的变形和强度特性。在建立块体系统的平衡方程、结构面的变形与块体位移的几何相容方程以及结构面上的弹粘塑性本构方程的基础上,出块体系统位移与稳定的基本方程。针对龙滩水电站右坝肩边坡地质条件复杂,块体稳定问题较为突出的情况,采用块体单元法计算了边坡中典型结构面切割形成的特定块体在不同工况下的强度储备安全系数,并针对结构面的几何参数和力学参数等重要影响因素进行了敏感性分析,为工程设计提供了依据。应用表明,作为一种新型的水工结构数值方法,块体单元法应用于复杂地质条件下的岩石高边坡的稳定和变形分析具有准确、适用和简便的特点。     

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。     

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。     

基于稳定性耦合分析法的余王扁边坡稳定性分析

边坡稳定性分析的极限平衡法与有限元法(FEM)的耦合分析法,首先利用有限元法分析获得边坡岩土体的整体应力场,在此基础上利用极限平衡法进行边坡的稳定系数求解。该方法既反映了边坡的稳定和变形之间的关系,又克服了极限平衡法与有限元法的不足,使二者的优点相互补充,获得的稳定系数基于极限平衡理论体系,可以同传统的稳定系数评价体系接轨。以西安市雁塔区余王扁削坡后边坡为例,用稳定性耦合分析法对其进行了稳定性分析,并把分析结果与各种极限平衡法的计算结果进行了比较,证明了耦合分析方法的可靠性和可行性。     

水电站进水口高边坡稳定性三维极限分析

某水电站进水口边坡为一典型的顺向坡，岩层发育有数层软弱夹层，施丁开挖时坡脚岩层将被大范围切断，由此产生施工期和蓄水后进水口边坡的稳定问题，并给工程安全带来威胁。采用边坡稳定三维极限(上限)分析方法，对进水口边坡在施工期和运行期的三维抗滑稳定性进行了分析研究。分析表明，进水口边坡在施工期和运行期的稳定性较差，需采取进一步的加固措施。研究结果为工程建设提供了有价值的参考依据。     

边坡稳定性分析条分法条间力合理性研究

论证表明,下列4项可作为条间力合理的条件：①土条分界面上的抗剪稳定系数大于边坡稳定系数;②条间有效法向力大于0;③滑面为折线形时,条间切向力不恒等于0,当土条底面倾角沿滑动方向逐渐减小时,各条间切向力大于0;反之小于0;④端部土条外侧有水压力时,端部条间力合力与条间法向力的夹角随土条分界面到土条外侧的距离趋近于0而趋近于0。检查结果显示,詹布法、沙尔玛法①及专用于圆弧形滑面的瑞典法条间力合理性较低;专用于圆弧形滑面的简化毕肖普法条间力合理性较高;简化詹布法、美国陆军工程师团法、罗厄-卡拉菲尔斯法和传递系数法的条间力合理范围较窄;方玉树法、沙尔玛法②及③、斯宾塞法、摩根斯坦-普赖斯法和科里亚法条间力合理范围较宽,其中沙尔玛法③、摩根斯坦-普赖斯法和科里亚法条间力合理范围又宽于沙尔玛法②和斯宾塞法,以方玉树法条间力合理范围最宽。     

基于变分法的均质土坡稳定性分析

在平面应变条件下,从考虑强度折减的滑动土体极限平衡方程出发,推导出一般情况下均质土坡稳定分析的泛函极值等周模型。依据泛函取极值时必须满足的欧拉方程,通过坐标变换对变分问题求解,得到滑裂面函数及其上分布的法向应力函数。对于给定的边界条件及横截条件,土坡稳定问题转化为求解以两个拉格朗日乘子、安全系数和滑裂面一个端点的x坐标为4个未知量的函数极值问题,可以通过数值计算得到最小安全系数及所对应的最危险滑裂面。考虑坡顶拉裂缝,通过算例分析了不同的滑裂面位置及对应的安全系数。通过对ACADS边坡考题算例分析,在不考虑坡顶开裂的条件下,采用该方法的分析结果与依据极限平衡法得到的各裁判答案非常接近,在考虑坡顶开裂时,安全系数略有减小。     

边坡稳定性评价的模糊层次分析方法

针对常用边坡稳定性分析方法的复杂性和局限性,将层次分析法和模糊数学理论结合起来,建立了边坡稳定性评价的模糊层次分析模型,同时应用该评价模型对清江隔河岩水电站厂房高边坡进行了分析评价。结果表明,使用该模型可以使边坡稳定性评价更全面、更科学、更符合实际,该方法简便可行,结论可靠,具有一定的优越性,为决策者提供了有力的参考和支持。     

圆弧条分法边坡稳定计算参数的重要性分析

采用圆弧条分法计算得到对边坡率，抗剪强度指标，重度，地震力，地下水位，坡顶荷载等7种因素变异下的边坡稳定安全系数。通过正交试验分析得到边坡稳定计数参数的重要性规律。     

边坡稳定分析条块力-位移法及其应用

在现行条分法的基础上,建立了一种全新的边坡条块力-位移分析方法。现行条分法中条块底边的力学参数采用极限平衡状态力学参数,即每个条块底边均处于极限平衡状态,这种极限平衡状态对于残余应力是较为适宜的。采用理想弹塑性模型和一种全新的本构模型描述土条块底边力学特性,并以不平衡推力法为例,提出了临界状态条块的确定方法,针对可能的破坏模式进行了分析,并提出了边坡整体破坏各条块的应力和位移的确定方法,计算出相应的稳定系数,如传统强度折减法、综合下滑力-抗滑力法、主推力法、综合位移法和富余位移法稳定系数。通过计算分析论证了理想弹塑性模型在不改变力学参数的情况下是难以描述边坡渐近破坏过程的,而一种全新的本构模型可以描述渐近破坏各条块的力学行为。提出的条块力-位移法可以确定边坡在不同荷载和位移条件下的稳定性,也可以获得边坡的推力变化和滑面移动特征,进而实施边坡的应力、位移和稳定性的初步预测预报。     

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。     

边坡稳定分析的非线性有限元混合解法

在对有限元强度折减法和有限元迭代解法的优缺点分析的基础上,提出了边坡稳定分析的非线性有限元混合解法,该法将有限元强度折减法和有限元迭代解法联合运用于边坡稳定分析,充分利用了两种方法的优点。即由有限元强度折减法搜索边坡可能滑动面,将可能滑动面在网格中画出,由迭代解法逐步迭代求得其滑动面的安全系数。并以算例和工程实例说明了此种方法的正确性和合理性。     

Inter‐relations between experimental and computational aspects of slope stability analysis

Most conventional slope stability calculations are based on the linear Mohr–Coulomb failure criterion. However, a substantial amount of experimental evidence suggests that failure criteria of many soils are not linear particularly in the range of small normal stresses. This departure from linearity is significant for slope stability calculations since for a wide range of practical stability problems, critical slip surfaces are shallow and normal stresses acting on such surfaces are small. There exists a technical difficulty in performing strength measurements in the range of small normal stresses relevant to such slope stability problems. As a result, in many practical situations strength measurements are performed at much larger normal stresses then those relevant for the stability problem under consideration. When this is the case, use of the Mohr–Coulomb criterion amounts to a linear extrapolation of experimental information (obtained at large normal stresses), into the range of small normal stresses, which is relevant to the problem. This extrapolation results with very significant overestimation of calculated safety factors in cases when there is large mismatch between experimental and relevant ranges of normal stresses. The present work delineates the extent of this problem and suggests a practical way to overcome it. Copyright © 2003 John Wiley & Sons, Ltd.     

基于软化特性的三维边坡强度折减有限元分析

基于现有边坡强度折减有限元的基本原理,建立了一套新的强度折减算法。该算法把强度参数降低的过程看成脆塑性应力跌落的过程,并设置一折减增量 ,当 充分小时认为系统达到收敛条件而退出循环,最终的折减系数就是边坡的安全系数。该算法很容易扩展到三维边坡的稳定性分析,得到边坡滑动面滑动和破坏的发展趋势。通过2个算例,分析了进行三维模型计算的重要性,建议当地质条件复杂时宜从三维角度分析计算边坡,不能简单地将问题当作平面应变处理。     

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。     

边坡稳定性分析双折减法的几个问题

在强度参数坐标系中,借助强度储备面积的概念,推导出双折减法的边坡安全系数表达式,其具有理论支持,且与已有的关系式相比未产生较大的偏差,意义更明确。在基于折减比K实现的双强度折减法中,相同的K值,采用不同的数学表达式,将产生不同的折减起步方式,由此出现了不同的虚拟初始点。严格意义上讲,两种方式折减路径确有不同,但结果表明,虚拟初始点的不同所导致的2种折减路径,本质上具有统一性,不会对结果产生影响,建议选取较短的路径,可以减少折减次数;双折减法由于在路径上与传统折减法有所区别,而仅与传统强度折减法计算结果进行偏差分析,难免出现结果失真。围绕强度弱化的本质,提出2个判断标准,一是应满足数值精度的要求,另一个则是必须符合客观事实,即强度折减必须体表现出强度弱化的概念。