基于动力学和材料软化特性的边坡渐进破坏特征研究

边坡的失稳是一个从量变到质变的动态渐进破坏过程,此问题也是边坡领域研究的重点与难点之一。在考虑岩土材料软化特性和动力学求解的基础上,建立了边坡渐进破坏仿真的理论框架;利用ABAQUS软件的动力显式求解模块实现了边坡的渐进破坏仿真;根据塑性应变揭露了剪切带的扩展过程,由软化本构确定了滑面材料的分区演化规律,根据等效塑性应变确定了边坡的滑面,通过滑面位置将边坡分为滑体、滑带、滑床,并分别研究了边坡各分区内部特征点运动学变量的发展过程,从而揭示了边坡的渐进破坏过程;基于材料参数沿滑面的时空分布,利用矢量和法得到了边坡不同演化阶段的安全系数。对比该方法与Bishop法确定的滑面位置与安全系数,发现两种方法峰值和残余强度对应的安全系数比较接近,该方法搜索所得滑面位于Bishop法自动搜索的滑面之间,验证了此方法的合理性及可靠性。最后分析了材料软化特征对边坡稳定性的影响,在保持其他参数不变的条件下,增大残余黏聚力,边坡的滑面位置加深,安全系数的初始值减小,安全系数的快速减小阶段有所推迟,并且快速减小阶段经历的时间有所延长,稳定后的安全系数有所增大。保持其他参数不变,增大残余黏聚力对应的等效塑性应变阈值,边坡的滑面位置加深,安全系数的初始值减小,安全系数的快速减小阶段有所推迟,但快速减小阶段经历的时间基本不变,达到稳定的时间有所推迟,同时稳定后的安全系数略微有所增大。     

基于应变软化的多阶边坡稳定分析

多阶边坡除了最危险滑面需要关注,每级台阶的潜在滑面及其他不满足规范要求的滑面亦需要得到重视。以双台阶边坡和复杂多台阶边坡为例,基于应变软化理论,利用FLAC3D软件分析边坡的剪应变发展规律,根据剪应变的集中带获取边坡的多个潜在滑面。分析滑面的剪入、剪出和滑面中部点的强度参数变化规律,并结合矢量和法分析滑面在应变软化过程中安全系数的演化规律。研究结果表明：采用该方法可获取边坡的最危险滑面及次级滑动面;随着软化的发展,滑面上点的强度参数从峰值强度逐渐降低至残余强度,然而演化的速度不同;随着应变软化过程的发展,所有滑面的安全系数均逐渐降低,最后趋于一个定值。     

一种基于强度折减法的次级滑动面分析方法研究

传统强度折减法通常对整个边坡区域进行折减,因而只能得到最小安全系数及对应的最危险临界滑动面。但在工程实践中,边坡的治理范围不能局限于最危险滑动面所包围的区域,不满足规范要求的次级滑动面范围内的坡体亦应得到治理。为了克服传统强度折减法在搜索次级滑动面方面的缺陷,提出了一种新的强度折减法。一般而言,边坡的屈服区域主要集中在滑动面两侧附近,形成一个沿滑动面分布的剪切破坏带,因此,在用强度折减法进行边坡稳定性分析时,只需对剪切破坏带范围内的局部坡体进行折减,则可得到该滑动面的安全系数和滑动面。基于以上认识,假设剪切破坏带沿对数螺旋曲线分布,不断调整对数螺旋曲线的形状以得到不同范围的剪切破坏带,对各种不同的剪切破坏带范围内的坡体进行局部折减计算,即可得到不同的安全系数及对应的滑动面。通过两个边坡算例（单台阶、双台阶）验证了该方法的可行性,并最后讨论了剪切破坏带的宽度对结果的影响。两个算例的计算结果表明,该方法不仅可以得到最危险临界滑动面,亦可得到任意安全系数对应的滑动面。     

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。     

边坡的潜在滑动面分析

边坡稳定分析是土力学的经典课题之一。极限平衡法是边坡稳定分析最常用的方法, 也是规范推荐的方法。通常认为最小安全系数对应的潜在滑动面就是最可能滑动的临界滑动面。本文对这一问题进行分析, 提出了将最大加速度对应的滑动面作为潜在滑动面的思路, 这里称为加速度临界滑动面。对典型算例进行分析, 表明最大加速度与最小安全系数具有较好的相关性。     

两种滑动面型式下边坡稳定性计算方法的研究

基于圆弧和任意曲线两种滑动面型式,对边坡稳定性计算方法中的瑞典法、简化Bishop法、简化Janbu法、严格Janbu法、Morgenster-Price法、Sarma法和不平衡推力法进行研究。对上述各种方法的研究成果进行了总结,并对Morgenster-Price法中的条间力函数 选择了4种形式（即 为常数0.1、0.5、1.0及半正弦函数）,对不平衡推力法中的公式进行了改进。通过算例对比,及当条分数不同、边坡坡角和坡高变化时,分析了这些方法的特点,由分析结果可知：（1）瑞典法和简化Janbu法计算得的安全系数最小,简化Bishop法和不平衡推力法与严格法得到的结果颇为接近;（2）任意曲线滑动面方法较圆弧滑动面方法计算得的安全系数稍小,且得到的临界滑动面与临界圆弧滑动面相接近,因而表明,圆弧滑动面作为一种近似的临界滑动面能够满足实际工程需要;（3）均质边坡采用较少条分数即可获得较高的安全系数计算精度,非均质边坡需一定数量的条分保证结果的可靠性;（4）Sarma法对土条侧面法向力和剪切的假设,使得其在均质边坡计算得的安全系数比其他方法要大,有偏于不安全的考虑,但Sarma法能够考虑边坡非均质对条分法的影响;（5）当边坡外形（如坡角、坡高）变化时,严格Janbu法在两种滑动面型式下计算得的安全系数相差很小,而其他方法稍大一些;（6）Morgenster- Price法中,条间力函数 对计算得到的结果影响很小。     

基于滑带土应变软化的滑坡渐进破坏研究

滑坡的渐进破坏是量变积累到质变的破坏过程,一般是由坡脚开始破坏,并沿着某一软弱面不断破坏,直至形成贯通的滑动带。为了研究峰值强度与残余强度对滑坡失稳的影响,本文对滑带土采用应变软化模型。首先利用二维算例说明了滑坡的滑动面形态、塑性区与位移量的变化规律,反演了滑坡在二维空间内的渐进破坏过程,并根据位移变化情况,将滑坡的失稳过程划分为蠕动阶段、挤压阶段与滑动阶段3个阶段。在二维算例的基础上,采用滑带土应变软化理论进一步研究滑坡在三维空间内的渐进破坏过程与破坏规律,说明了滑坡在三维空间内,首先在坡脚与滑坡周界处形成塑性区,之后塑性区沿着滑坡周界向对称面增大,最后形成贯通的塑性区。将二维与三维算例相对比,说明了三维滑带土应变软化模型更真实的反应滑坡渐进破坏的全过程。因此,采用滑带土应变软化模型能较真实的反映坡渐进破坏的过程,为滑坡的预警与监测提供了一定的理论依据。     

滑坡滑动面位置的确定及超前预测

依据滑坡深部位移信息,分析滑坡“B”型、“D”型、“r”型变形特征，确定滑坡滑动面位置，提出了滑坡滑动面位置超前预测的位移矢量法。为系统分析及超前预测滑坡滑动面位置提供依据，为深入研究滑坡运动特征提供信息。     

基于滑动面应力假设下的三维边坡稳定性极限平衡法研究

基于滑动面法向应力的简单计算模式及Mohr-Coulomb强度准则,多个计算参数被使用对滑动面应力进行合理假设,并依据三维滑动体所满足的静力平衡条件,推导三维边坡稳定性极限平衡解答。同时,在三维边坡稳定性分析中,以往研究成果被采用对滑动面剪应力方向进行假定,且基于所采用极限平衡方程数目的不同,由此实现三维边坡极限平衡非严格法、准严格法和严格法。经与经典算例对比,验证了方法的可行性,并分析了三维非对称滑动体时非严格法、准严格法和严格法之间所得结果的差异。研究表明:非严格法所得计算结果偏小,其分析得到的边坡稳定性较为保守;准严格法与严格法计算所得结果接近,故采用不完全满足滑动体所有静力平衡条件的准严格法同样能得到较为可靠的安全系数。此外,所提方法构建了合理的滑动面应力假设,且求解过程简单,无需迭代计算,便于编程,从而利于工程应用。     

Research on analytical method of multi-slip surfaces of landslide based on softening characteristics of geomaterialEI北大核心CSCD

Landslide often exhibits characteristics of multi-stage destruction in practical engineering. However, the most dangerous slip surface and corresponding minimum safety factor are only concerned in general computing and design, this often leaves security risk. Considering the softening characteristics of geomaterial, a theoretical framework of effective simulation and evaluation of landslide multi-stage destruction is established with FLAC(3D) and Matlab software platform. Taken landslide in low-rent housing area of Dangjiaba in Xunyang county as an example, the process of forming multi-slip surfaces is revealed by progressive evolution of plastic shear strain, plastic tensile strain and shear strain increment and so on. It is shown that time and space sequences are not necessarily corresponding sequence. The temporal sequences of multi-slip surfaces are first-class main slip surface, second-class main slip surface and sub-slip surface; the spatial sequence is first-class master slip surface, sub-slip surface and second-class main slip surface. The number of slip surfaces is equal to the number of tension cracks in collecting on-site. The entry location of first-class main slip surface is in excellent agreement with the tension crack in the frontal part of landslide, but the positions of second-class master slip surface and sub-slip surface have little error with the tension crack on-site. The distribution and magnitude of strength parameters in the slip surfaces gradually change with the development of slip surface from peak strength to residual strength, this is the root reason why the multi-slip surfaces of landslide can be simulated effectively. The evolution of vector sum safety factors according the temporospatial distribution of material parameters in the multi-slip surfaces is obtained. It turns out that there are three different sequences of safety factors in the process of forming the multi-slip surfaces of landslide. It illustrates the active and passive relationships among all slip surfaces in the formation process.     

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。     

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。     

基于边界元法的边坡矢量和稳定分析

矢量和法物理力学意义明确,计算简单,且能根据边坡当前的应力分布状态合理地评价其整体稳定性状态。其中边坡的应力状态通常是采用有限元法来求解。由于边界元法具有研究问题降阶、离散化带来的误差值仅产生在边界以及计算量小等优点,在工程中得到了广泛应用;对于平面问题,以源点作为原点,以所积分单元的切向和法向为坐标轴建立局部坐标系,对于线性单元可以得到所有积分的解析解。因此,可以得到计算区域内部任意点的场变量的解析解,这就保证了位于边界附近区域场变量的精度。利用边界元法得到二维边坡体内连续的应力分布状态,使用矢量和法对该边坡进行稳定性分析,并且与基于有限元的矢量和法、极限平衡法进行对比分析。边坡圆弧滑面和折线滑面的计算结果表明,基于边界元法得到的矢量和安全系数和基于有限元的矢量和法、极限平衡法基本一致;边界元法对应的矢量和安全系数对边界单元尺寸不敏感。     

基于蒙特卡罗法的多级黄土滑坡可靠性分析

滑坡稳定性分析目前工程中一般采用极限平衡算法。为了确定滑坡的稳定性系数,在计算过程中要将岩土体、计算模型简化,忽略一些影响滑坡稳定的次要因素,把影响滑坡稳定的各种主要因素作为确定参数。由于滑坡岩土体本身的非均质性及其参数确定具有随机性和变异性,用唯一的稳定系数不能客观地反映整个滑坡的真实安全程度。以陕西省夏呀河滑坡为例,通过野外详细调查、工程勘探和室内土工试验,初步确定该滑坡存在四级滑动面,难以用简单的单一滑动面计算其稳定性。因此,先采用推力传递系数法对滑坡体上的四级滑坡分别进行滑坡稳定性计算,得到该滑坡体上的四级滑坡稳定系数。再采用蒙特卡罗法对该四级滑坡进行可靠性分析,得到其可靠度,定量地表达夏呀河四级滑坡的安全程度。同时对比分析夏呀河四级滑坡的稳定系数和失稳概率,综合评价该滑坡体上的四级滑坡的稳定性及其风险概率,为滑坡的工程治理及预测预警、灾害危险性评价提供依据。     

考虑滑坡渐进破坏的改进简布条分法

为考虑位移因素对于滑坡渐进性发育的影响,基于简布条分法基本原理,提出一个新的能够考虑滑带土抗剪能力与剪切位移关系的滑坡稳定性简化评价方法。该方法从以下两个方面对简布条分法进行了改进：（1）将滑动面剪应力-剪切位移本构模型与沿滑动面的剪切位移模型相结合,以考虑滑坡随着变形发展渐进破坏的过程;（2）提出局部安全系数的概念并对整体安全系数进行重新定义,物理意义更加明确。推导了该方法的计算公式,给出了其迭代计算思路,并编制Matlab计算程序。通过计算实例表明,应变软化边坡的安全系数不仅取决于土的抗剪强度指标,还与其剪应力-剪切位移关系密切相关,基于峰值强度的极限平衡条分法应用于实际工程是偏于危险的。同时该方法还可以有效地模拟边坡从开始破坏到最终滑动面贯通的发育过程,实现了坡体位移与安全系数之间一一对应的定量关系,进而实现边坡的稳定性的预测预报。     

卢氏膨胀岩湿胀软化特性研究

为研究卢氏膨胀岩湿胀软化特性,开展了膨胀性试验和常规三轴试验。并将泡水前后的膨胀岩进行扫描电子显微镜(SEM)试验和氮气吸附(NA)试验。为充分考虑膨胀岩内部颗粒之间的胶结作用和原始结构,试验样品采用原状膨胀岩。试验研究结果表明:膨胀岩吸水膨胀具有明显的各向异性,轴向膨胀率大于径向膨胀率且在1.5倍左右;随着相对含水率的增加,峰值强度呈先快速降低再缓慢降低的变化趋势,弹性模量和黏聚力呈增加趋势;在围压保持不变的情况下,随着含水率的增加,膨胀岩破坏形式由张拉破坏、张剪破坏向剪切破坏转变,并且膨胀岩破坏时表面裂缝增多。微观试验结果显示,泡水后膨胀岩微观结构裂隙比泡水前增多,孔隙发育明显,这是膨胀岩软化的根本原因。     

基于随机分析的滑坡稳定性二元评价方法

对利用随机分析方法建立安全系数与可靠性相耦合的滑坡稳定性二元评价体系进行了探索。利用随机分析方法可确定滑坡安全系数的分布形态,计算出最大可能安全系数下的滑坡破坏概率P_f,用最大可能安全系数和可靠性得出可靠安全系数来评价该滑坡的稳定性。在折减后的安全系数的极限状态中,根据典型的不同最大可能安全系数及相应的临界破坏概率,建立了二元滑坡稳定性分区,用于滑坡稳定性评价。研究实例表明:利用随机分析方法建立这种二元体系是可行的,可以更加精确和客观的对滑坡稳定性做出评价。