边坡局部和整体稳定性评价方法的辩证统一

边坡稳定性评价方法有局部和整体两类,两者之间存在差异有其历史的局限性和存在的合理性。以极限平衡法和有限元强度折减法为例,分析了典型整体与局部稳定性评价方法在滑面搜索、平衡条件、安全系数的定义、材料参数和失稳等5个方面存在的异同。利用PFC算例揭示了真实边坡带有强烈空间和时间特征的渐进破坏特性,发现边坡失稳是自然地形的重塑、再造和稳定的过程,也是一个动势能转换和耗散的过程。针对边坡稳定问题及其特点,提出了基于广义软化的边坡稳定矢量和法的理论构架和技术路线,并进行了程序实现,克服了传统强度折减脱离实际材料劣化特征的不足,安全系数求解仅与应力状态相关,假设条件少,可以实现局部与整体稳定评价的辩证统一,可以反映边坡失稳的渐进特性和参数演化的时空效应。与传统极限平衡法(LEM)和强度折减法(SRM)在滑面和安全系数方面的综合对比发现,局部稳定揭示的滑面更稳定,获取的安全系数是全周期的,文中方法所得安全系数比整体方法的结果稍高,差异是整体方法的假设条件造成的。     

水位变化过程中边坡临界滑动场

库水位升降过程中,会引起边坡体内孔隙水压力分布的变化,对边坡的稳定性产生影响。对边坡临界滑动场进行改进,提出了可以考虑水位变化过程的边坡临界滑动场数值模拟方法,方便、快速地计算出边坡局部、整体安全系数在水位变化过程中的变化历程。通过对一个典型边坡在水位上升和下降过程中的稳定性分析,并和其他方法进行比较分析,结果表明,临界滑动场方法能搜索任意形状的最危险滑面,计算的安全系数是合理的。     

基于强度折减的泥浆护壁槽局部稳定性计算及影响因素

复杂地层中地连墙槽壁的稳定性直接关系到墙体的施工质量,研究土层特性及泥浆重度对槽壁局部稳定性影响具有重要意义。基于泥浆护壁槽局部失稳机制研究,构建以极限分析上限法为理论基础的失稳模型,结合非线性Mohr-Coulomb破坏准则,引入强度折减法推导得到了泥浆槽壁局部稳定安全系数和临界高度的计算公式。结合实际工程案例,运用本文方法、线性Mohr-Coulomb准则方法及Han et al.（2012,2013）的方法,对比分析了槽壁局部稳定安全系数和临界高度随泥浆重度及夹层特性参数变化的影响规律。3种方法的计算安全系数均随泥浆重度的增加而增大,随软弱夹层厚度及重度的增加而减小,随夹层土体黏聚力及抗压强度的增大而增大。相同条件下本文方法对泥浆重度变化敏感性体现较好,计算安全系数合理可靠且普遍最小。与线性Mohr-Coulomb准则方法比较可知,夹层土体材料的非线性特征仅影响破坏区域的体积大小,对区域形状基本无影响。     

考虑张拉-剪切渐进破坏的边坡矢量和法研究

针对边坡渐进破坏过程中岩土体强度参数不断劣化现象,采用应变软化模型代替传统的理想塑性模型,提出一种考虑张拉?剪切渐进破坏的边坡矢量和分析方法。从安全系数表达式与最危险滑动面搜索两方面进行研究,首先基于滑动和力的矢量特性,改进矢量和法滑动趋势与安全系数表达式,进而基于改进自适应遗传算法搜索边坡最危险滑动面。算例表明,采用应变软化模型时的矢量和法安全系数与最危险滑动面形态具有动态变化与调整的特性。该基于张拉-剪切应变软化模型的计算方法进一步扩展了边坡矢量和分析法。     

基于改进极限平衡法的多级均质黄土边坡稳定性分析

针对多级均质黄土边坡稳定性分析这一工程问题,给出了一种系统的分析方法。建立了多级黄土边坡整体破坏模式下与局部破坏模式下坡脚圆、中点圆等可能的破坏机构;基于改进极限平衡法,推导出各破坏机构对应的边坡安全系数解析式,进一步采用最优化方法来确定整体破坏模式下与局部破坏模式下各破坏机构所对应的边坡稳定安全系数极小值;给出了系统地进行多级黄土边坡稳定性分析的流程来确定边坡的最小安全系数及临界滑移面。通过算例验证表明:该方法边坡稳定性分析结果与传统条分法极为接近,两者最小安全系数相对偏差不超过-5%,确定的临界滑移面基本一致。该方法可广泛适用各类多级均质黄土边坡乃至单级边坡,可对边坡稳定性分析达到全面精准的效果提供一定的参考。     

基于FLAC3D强度折减法滑坡三维稳定性研究——以三峡库区白果树古滑坡群为例

利用FLAC3D的内置fish语言基于强度折剪法对其进行了二次开发,编制了滑坡体安全系数计算程序。结合工程实例,将这种方法应用于已知滑动面条件下的滑坡稳定性分析中,得到滑坡体天然状况下的二维、三维安全系数,同时对内摩擦角和粘聚力参数进行了敏感性分析,对比并分析了传统极限平衡法和FLAC3D强度折减法的计算结果,得出以下结论:①利用二维FLAC3D强度折减法计算的滑坡安全系数略高于传统极限平衡法;②利用三维FLAC3D强度折减法所得滑坡安全系数略高于二维FLAC3D的计算结果;③滑坡安全系数都是随着内摩擦角和粘聚力的增大而增大,其中内摩擦角和粘聚力的变化对三维FLAC3D强度折减法比二维求解安全系数影响更大一些。然后模拟了滑体在天然条件下处于极限平衡状态的滑动方向,并得出天然状况下滑坡整体基本稳定,仅滑坡后缘可能出现局部失稳的分析结果。同时探讨了三维FLAC3D模型建立过程中滑坡外围不动体及滑带以下基岩所取范围大小、网格剖分粗细程度对计算安全系数的影响。     

国家天文台500米口径球面射电望远镜台址球冠型边坡稳定性分析

中国科学院国家天文台500米口径球面射电望远镜（Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope, FAST）台址位于岩溶洼地内,开挖完成后的洼地边坡外形接近球冠型边坡,属于轴对称圆形凹坡,坡体由胶结的土石混合体和石灰岩组成,局部稳定性良好,整体稳定性有待评价。目前边坡整体稳定性评价通常采用基于平面应变假定的极限平衡法,由于未考虑边坡外形,该方法用于轴对称圆形凹坡稳定性的评价结果有偏差。为消除上述偏差,将轴对称圆形凹坡滑体划分为多个环形条块,考虑环形条块轴力的抗滑作用,提出了针对轴对称圆形凹坡的极限平衡法改进方法;并采用数值分析方法对改进后的简化Bishop法进行验证,结果表明改进后的简化Bishop法安全系数计算结果较未改进方法略有提高,与数值分析法结果基本一致。同时给出轴对称圆形凸坡的安全系数计算公式,计算结果表明圆形凸坡稳定性与直线形边坡较为接近。上述两种计算方法为类似外形的边坡稳定性评价提供了新的途径。     

蒙特卡洛法与有限元结合搜索边坡临界滑动面

把蒙特卡洛随机搜索法与有限元法相结合,搜索边坡的临界滑动面及其对应的最小安全系数.通过随机跳跃法生成一定数量的初始试算滑动面,根据有限元分析的应力和孔隙水压力结果计算给定滑动面的安全系数,利用随机走步法不断更新试算滑动面,使试算滑动面安全系数不断减小,最终确定边坡临界滑动面及其对应的最小安全系数.本方法通过随机搜索,克服了大多数常规优化方法易陷入安全系数局部极小的问题.数值算例分析说明了本文提出的确定边坡临界滑动面的方法的有效性和优越性.     

降雨过程中边坡临界滑动场

降雨入渗过程中孔隙水压力的升高与基质吸力的降低引起边坡稳定性的下降,是导致边坡滑塌的主要诱导因素。利用饱和-非饱和渗流有限元计算得到的孔隙水压力场,基于Fredlund提出的非饱和土抗剪强度理论,对边坡临界滑动场进行改进,提出可以考虑降雨过程的边坡临界滑动场数值模拟方法,能够方便、快速地计算出边坡局部、整体安全系数和相对应的临界滑动面在降雨过程中的变化历程。将该法用于一个典型均质边坡和一个非均质边坡在降雨过程中的稳定性计算,分析降雨持续时间、降雨强度和非饱和强度参数取值等因素对边坡稳定性的影响,并将计算结果与其他方法进行比较,结果表明临界滑动场方法能搜索任意形状最危险滑面,计算的安全系数合理。     

遗传算法在边坡地震稳定性分析中的应用

基于遗传算法和拟静力简化毕肖普法提出搜索地震作用下最危险滑动面及相应的最小安全系数的方法。阐述了应用遗传算法搜索最危险滑动面的计算过程和原理。开发了基于遗传算法的拟静力简化毕肖普数值法的计算和数据处理程序。在固定一个出逸点的情况下,分别绘制了有地震作用及没有地震作用下的安全系数分布图。数值算例表明,所建立的基于遗传算法的岩土边坡地震稳定性分析方法,是一种全局优化搜索算法,能够有效克服经典搜索方法易陷入局部极小值的缺点。从安全系数分布图可以看出,地震对安全系数分布情况影响很小,但扩大了安全系数低值区。     

基于改进遗传算法的地下空区边坡稳定性分析

以边坡稳定性计算的非圆弧滑动面条分法为基础,提出一种改进的遗传算法。在无需对边坡最危险滑动面的几何形状进行假设的前提下,自由搜索最危险滑动面及其对应的最小安全系数。通过工程实例,将改进方法与其他方法进行对比分析,结果表明：该方法不仅准确可靠,而且总能搜索到全局最优解。该实例也表明：在其他条件不变的情况下,地下空区是导致边坡失稳的主要因素。     

一种填方路堤反压护道断面设计的解析方法研究

针对软弱地基上的高速公路填方路堤稳定性问题,利用整体圆弧法稳定性分析原理,推导了同时考虑滑动面上黏聚力 和内摩擦角 联合作用的平衡方程;并将滑面上内摩擦角 在滑面切向方向上的作用等效为黏聚力作用,提出在此条件下的等效黏聚力概念;进而利用平衡方程和等效黏聚力讨论了合理反压护道宽度和高度的确定方法。以某高速公路反压护道工程为背景,进行了护道断面尺寸的设计计算和分析,并将安全系数和滑体特征与规范推荐方法进行了对比分析。结果表明：相对只考虑黏聚力的计算结果,综合考虑黏聚力 和内摩擦角 联合作用的分析方法更接近大部分软弱地基内摩擦角非零的工程实际条件,且在获得相同安全系数时具有更优的断面尺寸（节约用地和土方量）;该方法与规范推荐方法计算的安全系数有紧密的联系,其值取1.05时与规范容许值较为吻合;该方法能避免设计中依靠经验反复试算确定护道尺寸的盲目性,可减少设计工作量。     

基于改进遗传算法的边坡可靠度分析

采用基于概率的可靠性分析方法来分析边坡的稳定性,以克服目前大多数分析方法以确定性安全系数为评判标准的弊端。对于每次搜索中给定的滑移面,结合拉格朗日乘子法提出边坡可靠度的计算模型;采用遗传算法搜索关键滑移面,提出边坡的适应度函数。为克服标准遗传算法在进化过程中无法调节全局搜索和局部搜索速度、且可能陷入次优解的缺陷,改进了子代中最佳个体的确定方法,来并以相邻两代的群体多样性特征值增量为导向,动态调节交叉概率和变异概率,以保持群体的多样性和搜索的有效性。实例分析结果表明,本文方法可以提高遗传算法的搜索能力和收敛速度,保证解全局最优;该法适用于边坡稳定可靠度分析,且前处理简单;在遗传操作前预优化可靠指标计算模型能大大减少遗传算法中的计算量,节约机时。     

基于二阶段禁忌算法的边坡安全模型的识别

识别岩土力学经验模型的关键是如何寻找到一个全局最优解。禁忌虎法是一种寻找全局最优解的算法。针对常规禁忌算法处理连续问题时搜索范围小，对初始点的依赖性强等不足，对算法进行了改进，并将禁忌算法的离散化过程进行了修改，提出了二阶段禁忌算法。用该算法对圆弧和楔体破坏边坡数模型中的参数进行了搜索。结果表明，该方法是一种行之有效的全局优化算法。     

Determination of the critical failure surface for slope stability analysis using ant colony optimization

Slope stability analysis of any natural or artificial slope aims at determining the factor of safety of the slip surface that possesses the lowest factor of safety. In this study, an ant colony optimization (ACO) algorithm is developed to solve this factor-of-safety minimization problem. Factors of safety of slip surfaces are found by using the Morgenstern–Price method, which satisfies both force and moment equilibrium. Nonlinear equations from the Morgenstern–Price method are solved numerically by the Newton–Raphson method. In the proposed ACO algorithm, the initiation point and the shape of the slip surface are treated as the search variables. The proposed heuristic algorithm represents slip surfaces as piecewise-linear curves and solves for the optimal curve yielding the minimum factor of safety. To demonstrate its applicability and to investigate the validity and effectiveness of the algorithm, four examples with varying complexity are presented. The obtained results are compared with the available literature and are found to be in agreement.     

Lower bound limit analysis of wedge stability using block element method

A lower bound limit analysis approach based on the block element method is proposed to analyze wedge stability problem. The search for the maximum value of the factor of safety is set up as a nonlinear programming problem. Sequential quadratic programming (SQP) algorithm from a reasonable initial value is applied to obtain the optimal solution. This approach provides a strict lower bound solution considering the sliding mode and rotation effect simultaneously. The deviations of the factor of safety between the present and traditional limit equilibrium methods are positively correlated with both the friction angle and the dip of the discontinuity surface.     

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.     

圆弧滑动边坡改进条分法的数值分析

结合传统极限平衡方法和现代极限平衡方法,对圆弧滑动边坡进行垂直条分,将条块间的作用力一般化,提出了基于圆弧滑动的改进条分法。建立了圆弧滑动边坡的力学计算式,确定了一般化的条间力影响系数和边坡安全系数的关系式。运用数值计算和迭代程序,得出滑体分别在力平衡和力矩平衡下的安全系数随条间力影响系数变化情况,从而定量地描述了边坡稳定状态。结果表明,圆弧滑动垂直条分改进方法反映了滑动面和垂直面相互影响情况,数值计算简便,而且精度较高。