局部加载条件下二维土质边坡稳定性的数值分析

借助Hill的材料应变局部化原理和土的弹塑性本构模型,应用声学张量示踪边坡失稳滑移线发生和发展,提出了局部加载条件下的确定边坡失稳滑移线的方法。在弹塑性有限元分析过程中,应用边坡材料的塑性一致性条件或滑移线两侧的应力连续条件,即应变局部化条件,检测每一个高斯点的声学张量行列式的值,当其等于或接近0时,标出滑移萌生的位置、方向,模拟边坡滑移线萌生和发展过程。     

单轴拉伸条件下岩石本构理论研究

利用损伤力学理论研究了细观非均匀性岩石拉伸应力应变关系,包括:线弹性阶段、非线性强化阶段、应力降阶段、应变软化阶段。所用的模型分析了岩石的细观各向异性对全过程应力应变关系的影响,分析了产生应力跌落和应变软化的主要原因是损伤和变形局部化,将损伤和变形局部化引入本构模型是和以往模型的重要区别。通过与实验成果对比分析验证了模型的正确性和有效性。     

弹塑性介质内的波速变化

应用一个具体问题展开了波在固体在弹性、弹塑性和应变局部化阶段的传播特性的研究。当经典本构计算到材料出现应变局部化时失效、控制方程出现分叉现象时,非局部效应本构描述得以继续分析,破坏过程变形进一步体现。本构内引入梯度项的贡献,以牺牲了特高频率( )特性为代价,增强了控制方程的稳定性。阻尼的影响复杂得多,考虑滞变阻尼、且仅与质量有关时,阻尼对控制方程的稳定性没有贡献。如果阻尼考虑为与质量和刚度联合相关时,阻尼对控制方程稳定性是有一定的贡献。     

基于聚类分析的边坡稳定性研究

在边坡稳定性分析中,滑面搜索方法对于得到边坡的稳定性系数至关重要。现今两种常用的边坡稳定性分析方法,极限平衡法以及强度折减法,可以得到极限应力状态下边坡的潜在滑面。而为了评价边坡在当前应力场下的稳定性,提出一种基于聚类分析概念的滑面搜索方法。这种方法综合考虑了边坡各点的位移以及点安全系数,采用K均值聚类法将具有相近性质的点进行分类,把边坡体分为潜在危险区以及稳定区。潜在危险区的边界即为边坡在当前应力状态下的潜在滑面,并运用矢量和方法计算得到其稳定性系数。采用上述方法对3个算例进行验算,并与极限平衡法以及强度折减法进行对比。结果表明：（1）基于聚类分析的边坡稳定性评价方法具有较好的合理性和可靠性;（2）当边坡处于临界状态附近,通过聚类分析得到的潜在滑面与其他两种方法得到的滑面基本一致;当边坡处于较稳定状态时,当前应力状态下的潜在滑面要比强度折减法得到的滑动带范围要更深更广,但求出的稳定性系数也较高;当存在软弱夹层时,矢量和计算出的滑面更为陡峻,稳定性系数比其他两种方法的结果要小。     

土体应变局部化现象的理论解析

引起土体失稳的应变局部化现象是在特定应力状态下,土体本构产生的分叉特性。基于有限变形理论推导了应变局部化产生的三维解析解。基于应变局部化的理论解析,分析了轴对称和平面应变条件下应变局部化现象在弹塑性硬化阶段的存在性以及剪切带的方向性。 理论分析表明,在轴对称条件下,土体应变局部化产生于土体应力-应变的软化阶段,而平面应变条件下,土体应变局部化一般出现在应力-应变的硬化阶段,其剪切带方向角的理论预测与Arthur等[1]建议值较为一致。     

基于摩尔-库仑模型的非线性本构模型的开发及其在应变局部化中的应用

以FLAC中的Mohr-Coulomb（M-C）本构模型为基础,在C++环境下实现了考虑拉伸截断的非线性本构模型的二次开发。针对应力及位移的分布规律,将理想弹塑性的Hoek-Brown（H-B）本构模型、M-C本构模型及自定义本构模型的数值解及H-B本构模型的理论解进行了比较,验证了自定义本构模型的正确性。采用弹-脆-塑性的自定义本构模型,以先加载,后挖洞的方式模拟了圆形巷道围岩的应变局部化过程,在计算模型的边界条件对称及均质本构参数的条件下,模拟出了4个对称的V型坑,模拟结果与静水压力条件下岩爆的现场观测及试验结果吻合,而采用接近脆性的H-B应变软化模型所得结果的对称性较差     

不同应力路径下剪切带的数值模拟

采用回映应力更新算法,编写了基于伏斯列夫面的超固结黏土本构关系模型子程序,嵌入非线性有限元软件ABAQUS。通过对单元试验进行三轴压缩、三轴伸长及平面应变等问题的模型预测,再现了超固结黏土在不同初始超固结比和应力路径时的变形和强度特性,从而验证了子程序的正确性。借助该本构模型,对三轴压缩、三轴伸长及平面应变应力路径下超固结黏土体变形局部化问题,进行了三维数值模拟。分析结果表明：超固结黏土在三轴压缩及伸长状态时,土体变形局部化在应力-应变关系软化时出现,而平面应变状态时,在应力-应变关系硬化阶段出现,其超固结黏土的剪胀特性在剪切带的形成过程中起重要作用。     

材料的率相关与梯度耦合模型的二维内尺度律研究

利用率相关与梯度塑性耦合本构模型,采用简谐波的分析方法对材料的应变局部化及材料的稳定性进行了研究,得到了二阶耦合模型在二维情况下的内尺度律的变化及其与材料稳定性的关系,得到了波长变化的下界及材料稳定性的条件;在此基础上,结合二阶耦合模型在一维情况下的内尺度律变化的规律,对其进行了对比研究,得到材料变形局部化带在一维与二维条件下的关系公式,这对材料变形局部化带宽的研究有积极意义。     

用局部强度折减法进行边坡稳定性分析

边坡的变形与其稳定性具有内在的必然联系,因而可以通过变形场来对边坡的稳定性进行判断。传统的强度折减法基于理想弹塑性模型对所有单元进行强度折减,所求解出来的变形场并不能很好地反映出边坡失稳时的真实变形。实际上,边坡的失稳是由于局部土体的强度降低所致的,因此提出只对局部土体单元进行强度折减、其他土体单元保持原有强度不变的局部强度折减法,本构模型采用变模量弹塑性模型。工程实例计算分析表明,基于变模量弹塑性模型的局部强度折减法对边坡进行稳定性分析是可行的。     

应变软化边坡渐进破坏及其稳定性初步研究

采用应变软化本构模型和矢量和法,提出了一种模拟应变软化边坡渐进性破坏过程的分析方法。该方法可得到应变软化边坡的坡体材料强度参数、滑面状态、稳定安全系数、边坡破坏状态的变化过程,据此可分析边坡的渐进破坏。采用所提方法对应变软化材料边坡算例进行了分析,并与3种极限平衡法进行了对比,结果表明:(1)滑面矢量和安全系数介于传统极限平衡法峰值安全系数与残余安全系数之间,滑面强度参数部分处于峰值状态、部分处于残余状态,弥补了传统极限平衡法不能得到真实的应变软化边坡安全系数的缺陷。(2)强度参数弱化的区域与边坡破坏区域位置一致,坡脚处滑面最先出现软化,随着塑性剪切破坏的发展,其由软化状态变为残余状态,邻近部分滑面开始出现新的软化,接着进入残余状态,边坡破坏由坡脚向坡顶发展,随着这个过程的持续进行,边坡的渐进性破坏不断发展,边坡安全系数不断降低,直至渐进性破坏过程结束。(3)随着残余软化参数的增加,滑面位置逐渐变浅,矢量和法安全系数逐渐增加。该方法能够较好地分析边坡的渐进性破坏过程,具有较好的应用前景。     

Formation Mechanism and Stability Assessment of the Colluvial Deposit Slope in Zuoyituo

The basic features of the colluvial deposit slope in Zuoyituo such as geological conditions, dimensions, slip surfaces and groundwater conditions are described concisely in this paper. The formation mechanism of the slope is discussed. It is considered that the formation of the colluvial deposit slope in Zuoyituo has undergone accumulation, slip, load, deformation and failure. The effects of rainfall on slope stability are categorized systematically based on existing methodology, and ways to determine the effects quantitatively are presented. The remained slip force method is improved by the addition of quantitative relations to the existing formulae and programs. The parameters of the colluvial deposit slope are determined through experimentation and the method of back-analysis. The safety factors of the slope are calculated with the improved remained slip force method and the Sarma method. The results show that rainfall and water level in the Yangtze River have a significant effect on the stability of the colluvial deposit slope in Zuoyituo. The hazards caused by the instability of the slope are assessed, and prevention methods are put forward.     

基于遍布节理模型的边坡稳定性强度折减法分析

采用非线性数值分析方法分析边坡稳定性问题时,强度折减法因其具有较多的优点而得到广泛应用。岩土体一般采用理想弹塑性模型,屈服准则为广义米赛斯准则。对于密集节理岩质边坡稳定性问题,采用遍布节理模型可同时考虑岩块和节理属性,更符合岩体状态及工程实际,认为岩体经强度折减后潜在破坏可能首先出现在岩体中或沿节理面或二者同时破坏。结合工程实例,基于遍布节理模型的强度折减法计算结果表明,潜在滑移面为折线型滑面,下部潜在滑移面倾角与节理面等效内摩擦角基本一致,上部潜在滑移面与岩体拉破坏相关;节理倾角与边坡安全系数、潜在滑动范围密切相关,陡倾角节理对边坡稳定性影响较小。通过对边坡失稳判据和边坡滑移面确定的探讨,认为以力或位移不收敛作为边坡失稳判据是适当的,而边坡的剪应变速率物理意义十分明确,适于作为边坡潜在滑移面的确定依据。     

Identification of representative slip surfaces for reliability analysis of soil slopes based on shear strength reduction

Although a slope may have numerous potential slip surfaces, its failure probability is often governed by several representative slip surfaces (RSSs). Previous efforts mainly focus on the identification of circular RSSs based on limit equilibrium methods. In this paper, a method is suggested to identify RSSs of arbitrary shape based on the shear strength reduction method. Monte Carlo simulation is used to generate a large number potential slip surfaces. The RSSs are identified through analyzing the failure domains represented by these samples. A kriging-based response surface model is employed to enhance the computational efficiency. These examples shows that the RSSs may not always be circular, and that the suggested method can effectively locate the RSSs without making prior assumptions about the shape of the slip surfaces. For the examples investigated, the system failure probabilities computed based on the shear strength reduction method are comparable to, but not the same as those computed based on the limit equilibrium methods. The suggested method significantly extends our capability for identifying non-circular RSSs and hence probabilistic slope stability analysis involving non-circular slip surfaces.     

简化Bishop法的扩展及其在非圆弧滑面中的应用

在众多边坡稳定分析方法中，经典简化Bishop法的应用最为广泛，但此法只能求解圆弧滑面的安全系数。笔者提出了扩展简化Bishop法，它不仅保留了经典简化Bishop法精度高、易使用等优点，且能够计算非圆弧滑面的安全系数，是较为实用的边坡稳定分析方法。     

基于数值应力场的边坡临界滑动场

数值分析方法（有限元、有限差分等）可计算边坡应力、变形和破坏,但直接计算边坡安全系数比较困难;而极限平衡法需对边坡体内力作出假设,计算精度受到限制。利用数值分析方法计算得到的应力场,重新定义推力最大原理中推力的含义,将常规边坡临界滑动场数值模拟方法作进一步的改进,提出基于数值应力场的边坡临界滑动场方法。该方法可充分发挥两大方法的优势,能够准确、方便地搜索出边坡临界滑动面位置,并给出更合理的边坡安全系数。通过两个算例的稳定性分析,并与其他方法进行比较,验证了该方法的准确性和合理性。     

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。     

基于交替变量局部梯度法对土质边坡的三维稳定性分析

临界滑动面的获得是土质边坡稳定性分析中一个必要的过程,然而现有分析方法难以保证该临界滑面的准确性,而且部分分析方法在计算过程中会陷入局部最小值陷阱。基于单变量方法和最速梯度法,提出了交替变量局部梯度法,该方法能够突破最优化方法应用在边坡稳定性分析上的瓶颈。首先,通过斯宾塞极限平衡方法和网格搜索法（或者其他确定临界滑面的方法）,获得边坡初始椭球状临界滑面;其次,在该滑面上布置若干节点作为变量,目标函数为安全系数Fs关于空间节点坐标Zi的方程,为了使目标函数快速降低,沿负梯度方向循环优化每个节点,当满足一定精度要求时,即可获得三维土质边坡非圆弧状临界滑动面;最后,通过算例证明该方法可行,计算结果可靠。     

基于最小势能法的三维临界滑裂面搜索方法

为了得到三维边坡的临界滑裂面,提出了6个参数控制的三维滑裂面构造方法,基于边坡三维最小势能稳定性分析方法建立目标函数,采用遗传算法实现了临界滑裂面的搜索,并开发了相应的搜索程序。为检验文中搜索方法的合理性,将其与其他方法得到的临界滑裂面以及最小安全系数进行比较,并且将室内模型试验得到的临界滑面与理论搜索的结果进行对比。研究表明：搜索方法可实现稳步收敛;针对算例进行多变量同时变化的搜索验算,得到了与极限平衡法较为接近的结果,表明提出的搜索方法是合理的;理论计算结果与室内模型试验坡面加载得到的边坡临界滑面较为接近,再次验证三维边坡临界滑面搜索方法是可行的。     

一种基于位移场分析的临界滑动面确定方法研究

安全系数的计算和临界滑动面的确定是边坡稳定性分析的两个组成部分,强度折减法可以得到合理的安全系数,但却不能准确刻画临界滑动面的位置。基于对滑动现象的认识,提出了一种基于位移场分析的临界滑动面确定方法,认为当边坡处于临界状态时,其潜在滑动面附近的位移等值线最为密集,潜在滑动面上的点往往是在深度方向上沿垂直滑面的位移变化率达到最大值的位置。将本文方法与Spencer法、岩质边坡模型试验进行了对比,验证了该方法在曲线和折线滑动面搜索方面的适用性和可靠性。同时,探讨了单元形状、疏密程度、离散点间距等因素对滑动面的影响。     

基于整体稳定性分析法的边坡临界滑动面搜索

临界滑动面搜索是边坡稳定分析中很重要的内容,针对现有方法的不足,提出了一种新的搜索方法。基于边坡稳定性的整体分析法,建立了确定临界滑面的非线性优化模型。该模型将滑面离散点的纵坐标和安全系数都视为独立变量,目标函数取为安全系数本身,约束条件是平衡方程组和滑面凸性。由于目标函数是线性函数,约束条件至多是二次多项式,非线性程度较低,可采用经典优化算法和常见的非线性优化工具求解,比如Matlab。通过实例分析并与传统的滑面搜索方法进行对比表明,所建议的方法在数值稳定性及收敛性方面均具有优势。