基于严格平衡的安全系数统一求解格式

在边坡稳定性分析中宜采用严格极限平衡条分法,特别是对于任意形状滑动面。由于条间力假设的不同,产生了不同的边坡稳定安全系数求解格式,既造成计算及应用的不方便,又掩盖了各自方法的优劣。首次将现有严格极限平衡条分法对条间力的假定表示成统一形式,根据力和力矩的平衡,导出简单明了的条间力递推方程和条间力矩递推方程。根据这2个方程,通过Newton-Raphson法建立了传统意义下基于严格平衡的安全系数统一求解格式。所需有关导数均可用递推公式计算,其性质为解析解,因而计算格式具有良好的稳定性与收敛性。所有公式均为代数式,便于在工程中推广应用。     

基于力平衡的三维边坡安全系数显式解及工程应用

将基于滑面正应力分布的二维极限平衡显式解法推广到三维边坡稳定性分析,提出适合一般形状空间滑面的三维边坡稳定性简便计算方法。首先,假设三维滑面正应力的初始分布,然后对其修正,使滑体满足所有力的平衡条件,导出关于安全系数的2次代数方程,最终得到三维边坡安全系数显式解。该方法克服了目前条柱法存在的一些难以解决的困难,不需要考虑条柱间作用力具体分布,满足主要平衡条件,计算过程简单。算例表明,该显式解与楔体三维极限平衡解析解完全一致,与对称三维边坡严格极限平衡解答接近。该方法已用于某重力坝坝肩三维滑体初步稳定性分析,计算结果有助于坝肩边坡的加固设计。     

求解边坡矢量和安全系数的条分法

矢量和安全系数物理、力学意义明确,通常采用有限元计算得到的应力场来求解。提出一种简便的求解方法,在通用条分法（GLE）的基础上,满足力和力矩平衡的严格条件,推导了基于条分法的矢量和安全系数。采用广义简约梯度法（GRG）搜索临界滑面,在极限抗滑合力矢方向上求解矢量和安全系数。整个计算过程都在电子表格软件Excel内实现,易于在工程实践中推广。对于圆弧滑面边坡,其计算结果表明：①矢量和安全系数与代数和安全系数非常接近,对应的滑面位置也相近。②不同的条间力函数假设（常数和半正弦函数）对边坡的矢量和安全系数影响很小。③极限抗滑合力矢方向? 小于边坡坡角,其值与假定条间力平行时的条间力方向非常一致。在极限平衡分析框架内,计算方法可进一步简化为：假设条间力平行,将条间力方向作为矢量和安全系数的计算方向。对于非圆弧滑面边坡,其计算结果表明：①均质边坡的矢量和安全系数与代数和安全系数相对误差小于3 %,滑面位置接近,而软弱层边坡两种方法的计算结果有一定差别。②不同的条间力函数假设对边坡的矢量和安全系数影响很小。     

边坡安全系数的多解性讨论

边坡安全系数计算结果直接影响边坡工程设计,而极限平衡法不能给出唯一的安全系数值,研究边坡安全系数的多解性,有助于对边坡稳定性计算结果有一个合理地判断与取舍。先假定滑面正应力的初始分布,然后采用含有3个待定参数的拉格朗日函数对其修正,保证滑体满足所有的力与力矩平衡条件;设定一系列安全系数分别求解平衡方程组,得到对应的待定参数值;最后根据滑面正应力分布的合理性判断边坡安全系数的合理范围。算例表明,圆弧滑面合理安全系数范围在5 %以内,而任意形状滑面安全系数最大取值范围可达15 %。     

锚固力在边坡加固中的工程应用

假定滑面正应力分布为含有待定参数的插值函数,利用力和力矩平衡方程推导出锚固力作用下边坡安全系数显式解和给定安全系数要求的锚固力系数解析解。并把这种方法用在边坡加固的实际工程中,发现在锚固力作用下,滑面上正应力分布比较连续,条间力分布也比较合理,而且其方法计算过程简单,易编程实现,便于工程应用,其计算精度也在严格极限平衡法限定范围内,同时克服了传统方法导致滑面正应力反常的缺点。另外,该方法与岩土边坡动力学方法相比较,结果是一致的,说明该方法是可行的。     

一般条分法的安全系数显示解

对于边坡稳定性分析中的安全系数方案,根据条底法向力方程,对条底法向力进行假定,使得假定后的条底法向力具有两个待定参数.与传统的条间力假定相比,该假定理论根据更充分,物理意义更明确.通过假定后的条底法向力,化简三个整体极限平衡方程(水平方向、垂直方向力的平衡及力矩平衡),得到安全系数Fs的三次代数方程,其有意义的根为严格满足可能滑动体整体平衡条件的一般条分法的安全系数Fs的显示解.参与计算的有关参数尽管偏多,但都是简单的代数求和.因此,在不损失计算精度的同时,大大简化了一般条分法计算安全系数Fs的过程.算例分析表明,所给一般条分法的安全系数显示解是正确的.     

基于统一强度理论的岩质边坡稳定动安全系数计算

岩质边坡稳定性分析中常用的Mohr-Coulomb、Drucker-Prager屈服准则,其未考虑中间主应力效应或拉压不等效应,较难反映三维复杂边坡空间应力状态。统一强度理论包含了一系列破坏准则,通过调整参数b可反映中间主应力或中间主切应力的影响程度。利用ABAQUS开发了基于统一强度理论材料子程序(UMAT),首先以三维含结构面岩质边坡为例,采用强度折减法,分别计算 为0、0.25、0.5、0.75 与 1 共5种考虑中间主应力不同程度情况下三维含结构面岩质边坡动安全系数曲线。计算结果表明：不同 值情况下所得动安全系数数值不同,但曲线变化形状一样,最小安全系数均发生在相同时刻;另外,为更清晰地了解三维真实应力状态对安全系数的影响,从三维岩质边坡中抽取二维剖面进行了同样的计算。结果表明,在相同 值情况下,三维模型计算所得安全系数较二维模型大;随着 的增大,安全系数增大,说明不考虑中间主应力的二维计算结果低估了安全系数的大小,即三维真实应力状态下的边坡应具有更高的稳定性     

水平条分法下边坡稳定性分析与计算方法研究

极限平衡水平条分法较适用于成层岩土边坡,但较竖直条分法尚有不足之处。通过研究水平条分与竖直条分中条间力的关系,建立起水平与竖直条分法相对应的条间力假设条件;并针对水平条分法遇到滑动面存在弓形体时,采取水平条分和斜条分相结合的模式进行处理。在此基础上,推导出了瑞典法、简化Bishop法、简化Janbu法和Morgenster-Price（M-P）法在水平条分时的安全系数计算公式,其中,根据满足条件不同,得到了瑞典法的两种不同安全系数计算公式,并根据以往研究成果将一般简化Janbu法进行改进。当使用任意曲线和圆弧滑动面两种型式时,通过算例对比分析,验证了对水平条分法所做研究的可行性。同时,也表明了两种瑞典法得到的结果是一致的,改进的简化Janbu法在边坡稳定性分析上较一般简化Janbu法更优。     

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。     

基于非线性统一强度理论下的边坡稳定性极限平衡分析

在边坡稳定性分析中,常采用的强度准则一般较少考虑中主应力对边坡破坏效应的影响,然而岩体的实际应力状况表明中主应力存在,且中主应力对边坡岩体的强度潜能发挥起着重要作用。基于考虑中主应力的统一强度理论下的Hoek-Brown(简称H-B)准则,通过对滑动面上的应力进行假设,并采用泰勒级数简化统一强度理论下的H-B准则表达式,然后根据滑动体满足所有静力平衡条件求解滑动面上的应力,进而得到边坡的安全系数。当中主应力影响系数b=0时(即为基本H-B强度准则),与等效的线性Mohr-Coulomb(简称M-C)强度准则下的瑞典法1、简化Bishop法、Spencer法和Morgenstern-Price(简称M-P)法以及基于统一强度理论下的瑞典法2进行算例对比分析,验证了方法的可行性。同时,以边坡的坡高H、坡角β和b为变量进行参数分析,研究表明:b增大(即中主应力对边坡的破坏效应影响越大)时,计算所得的安全系数增大,由此表明基本H-B强度准则下分析所得的边坡稳定性偏于安全。另外,由于提出的方法能够满足滑动体的所有静力平衡条件,且对未考虑条间作用力影响所得滑动面上的初始正应力进行了修正,故此方法较瑞典法2所得结果要大且更为严格。     

边坡稳定分析三维极限平衡条柱间力的讨论

根据在自重作用下潜在滑体在斜面上运动的规律,提出条柱底滑面上抗滑力方向垂直于底滑面与水平面交线的假定,并引用条间抗剪强度发挥系数的概念,运用各条柱的3个方向力的平衡和边坡整体3个方向的力矩平衡,提出了一种计算边坡稳定性的三维极限平衡方法,通过对算例的计算结果分析发现：当忽略条柱间全部剪力作用时,得到的安全系数与二维Spencer法计算结果相近;考虑部分条柱间剪力作用时,得到的安全系数与文献[5]计算结果相近;当考虑条柱间横向剪力对边坡稳定性的贡献时,即考虑条柱间全部作用力,得到的安全系数最高,这种假定更能反映边坡实际受力情况,因此,所得的结果更接近于实际     

Explicit limit equilibrium solution for slope stability

Conventional methods of slices used for slope stability analysis satisfying all equilibrium conditions involves generally solving two highly non‐linear equations with respect to two unknowns, i.e. the factor of safety and the associated scaling parameter. To solve these two equations, complicated numerical iterations are required with non‐convergence occasionally occurring. This paper presents an alternative procedure to derive the three equilibrium equations (horizontal and vertical forces equations and moment equation) based on an assumption regarding the normal stress distribution along the slip surface. Combination of these equations results in a single cubic equation in terms of the factor of safety, which is explicitly solved. Theoretical testing demonstrates that the proposed method yields a factor of safety in reasonable agreement with a closed‐form solution based on the theory of plasticity. Example studies show that the difference in values of factor of safety between the proposed method, the Spencer method and the Morgenstern–Price method is within 5%. Application of the proposed method to practical slope engineering problems is rather straightforward, but its solution is of the same precision as those given by the conventional rigorous methods of slices since it is still within the rigorous context. Copyright © 2002 John Wiley & Sons, Ltd.     

Evaluation of factor of safety for vegetated and barren soil slopes with limit equilibrium computations

Limit equilibrium method (LEM) is the most conventional and popular technique in slope stability analysis. Location of the unique failure surface and the determination of corresponding critical factor of safety (critical-FOS) of the soil slope requires a lot of trial and research. With this amount of trial and research results, we evaluate the field of factor of safety (FOS-field), which represents the critical-FOS at a point within the domain of all possible failure surfaces. Such a field can be very important for the precise judgment of the most critical-FOS of the slope and its perturbation. This paper also presents the evaluation of the FOS-field of vegetated slopes, thus providing an analytical way to examine the effect of vegetation on the soil slope stability. We evaluated the stability of vegetated and barren soil slopes under dry and fully saturated conditions. With dry and fully saturated conditions, the behaviour of slopes in most favourable and worst conditions can be simulated. Evaluation of FOS-field for various slope geometries and conditions show that the more unstable the slope becomes, the more difficult it will be to pinpoint the location of the critical failure surface with the unique least FOS. We verified the LEM codes with finite element method (FEM) and spectral element method (SEM) codes considering a sample problem from Smith and Griffiths’ book (Smith and Griffiths 2003).     

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。