DDA方法块体稳定性验证及其在岩质边坡稳定性分析中的应用

首先,介绍DDA方法中关于块体接触力的计算过程,提出计算沿潜在滑动面稳定性安全系数的计算方法;然后,在此基础上以沿折坡单块体滑动问题为实例,利用DDA方法分别计算仅考虑滑动面摩擦角( 和同时考虑摩擦角(和黏聚力c条件下块体的运动稳定性和安全系数大小,并与理论值进行比较与验证;最后,针对乌江银盘水电工程右坝肩边坡开挖后因软弱断层控制引起的稳定性及处理措施选取问题,利用已有的极限平衡分析条块系统,将DDA方法应用于该边坡稳定性分析,对边坡的实际稳定状态及锚固效果进行对比分析与评价.研究结果表明,利用DDA方法在计算滑面上条块系统沿滑面稳定安全系数时,因其条块间接触力是建立在严格的力学平衡方程基础上,允许块体系统非连续变形,并且勿需条块界面强度等比例调用的假定,其结果对反映实际岩质边坡的稳定性应该更具合理性.另外,DDA方法关于边坡锚固模拟计算,充分反映和验证了锚杆在边坡稳定性加固处理中的效果.     

变质岩坡顶超载条件下的边坡稳定性评价

变质岩在江苏连云港地区广泛分布,由于其特殊的岩体结构与力学性质,边坡稳定性评价方法无法沿用传统的极限平衡方法.文章通过对变质岩岩体结构的精细描述,在建立边坡岩体三维多尺度地质结构的基础上,运用模拟退火算法搜索考虑坡项超载务件下的结构面-岩桥组合滑动面.在斜条分中,划分出结构面条块单元与岩桥条块单元,进一步判别岩桥条块单元的破坏形式及作用于下一条块的力的方向,对所有条块建立平衡方程,并求解最下一条块的稳定性,从而获得超载边坡稳定性的全局解,为类似高陡边坡的稳定性分析提供一种新的分析方法.     

边坡稳定三维分析的极限平衡方法

介绍对边坡稳定分析三维极限平衡方法的一个新解法 ,它是二维Spencer法在三维条件下的扩展。该法保证了滑坡体三个方向的静力平衡 ,同时 ,还增加了一个整体力矩平衡条件 ,行界面的条间力不再假定为水平 ,条底的剪力方向也不假定为平行于主滑平面。考题和工程实例说明了其可行性和实用性。     

边坡稳定安全系数求解格式的分类统一

根据极限平衡条分法所满足的平衡条件，将现行13种极限平衡条分法分为4大类：M类(仅考虑对选定求矩中心的力矩平衡)、VM类(考虑垂直方向力的平衡和对选定求矩中心的力矩平衡)、HV类(考虑水平方向力的平衡和垂直方向力的平衡)和HVM类(考虑所有平衡条件)。其中，M类(瑞典法)有显式解，VM类(简化Bishop法)有隐式的安全系数表达式，迭代并不困难。将现有极限平衡条分法对条问力的假定表示成统一形式，根据力和力矩的平衡，推导出十分简明的条间力递推方程和条问力矩递推方程。根据条问力递推方程，建立了传统意义上(保持原有方法所满足的平衡条件、对条间力的假定和未知量小变)基于力平衡(HV类)的安全系数统一求解格式。根据条间力递推方程和条问力矩递推方程，通过Newton-Raphson法建立了传统意义上基于严格半衡(HVM类)的安全系数统一求解格式。不但便于程序的编写，而且有利于不同方法优缺点的比较和理解。     

基于力平衡求解安全系数的一般条分法

对于一般条块,建立了力平衡方程,导出了条间力递推方程,研究了基于力平衡求解安全系数的一般格式,从而建立了基于力平衡求解安全系数的一般条分法。而基于力平衡求解安全系数的垂直条分法只是它的1个特例。通过分析Sarma法的适用性,根据条块位移的相容关系给出了1个新的条间剪力方程,明确了条间剪力与滑动面几何形状之间的关系,以及条块界面上剪切强度的折减系数随条块和滑动面的几何形状的变化规律。基于新的条间剪力方程可建立条块界面和滑动面上的剪切强度具有不同折减系数的非严格一般条分法。算例分析表明,所给新方法优于Sarma法。应用它能够得到更合理的安全系数值。即使条块形状是变化的,该法也能够给出一致的安全系数值,而且能够保证迭代过程稳定收敛。     

边坡稳定分析的三维Spencer法

将边坡稳定分析中的二维Spencer法拓展到了三维。该方法对所有条块满足力的平衡以及整体力矩平衡,克服了其他方法中只适用对称问题的缺点,不需已知滑动方向,还可根据滑面的几何特征,进一步得到各条块局部的稳定性系数及其潜在的滑动方向。此外,给出了该方法的实现步骤,其算法的收敛性也较好。最后以不对称问题为算例,并与其他文献中的结果进行比较,验证了该方法的可行性和有效性。     

动态规划法求解边坡安全系数最小上限解

基于Sarma法的基本假设,将滑体划分为若干斜条块,由条块力的平衡条件得到条块间推力递推方程。根据推力最大原理,将寻求安全系数最小问题转化为寻求剩余推力最大问题。采用动态规划方法,将斜条块划分问题转化为多阶段决策问题。给出了基于条间推力递推方程的最优决策方法和步骤,对边坡斜条块划分组合进行了优化,找到剩余推力最大的划分组合。由于Sarma法本身是上限解,因此优化得到安全系数本质上是最小上限解。计算结果表明:利用动态规划方法搜索的最优斜条块划分组合,可以充分接近塑性力学解,安全系数一般大于并接近基于垂直条块的严格极限平衡条分法的安全系数。     

边坡锚固工程分析中的水平条分法

对目前中国规范推荐用于边坡加固计算的垂直条分传递系数法进行研究,发现将该方法用于边坡锚固受力分析时,不仅存在垂直条块与加固结构体(锚杆和锚索)相互交叉,而且计算得出的锚固力与加固体的实际锚固力存在偏差等缺陷。在相关资料提出的、用于加筋土稳定性分析的水平条分法基础上,结合边坡锚固工程的特点,将该水平条分法做进一步拓展,使其能适用于锚杆和锚索等边坡锚固工程的稳定性计算,并通过工程实例对拓展后的水平条分法进行了验证。     

三维边坡稳定问题的基本方程与分析方法

基于空间一点应力分析,进行了空间曲面上一点的应力分析,得出了曲面上一点的法向应力、剪应力与应力分量、曲面一阶偏导数的关系。建立了曲面至边坡表面土柱上力的微分平衡方程、力的平衡方程、力矩平衡方程。和库仑屈服条件一起,构成了边坡稳定问题普遍适用的基本方程。采用与二维问题的简化Bishop法类似假定,得出了一种三维边坡稳定性分析的计算方法。算例表明,本文方法计算结果是合理的,具有广泛的应用意义。     

边坡稳定性分析的三维极限平衡法及应用

将二维Janbu条分法进行拓展，给出了一种三维极限平衡边坡稳定性分析方法。该方法对所有条块满足力与力矩平衡关系，可适用于任何形状的滑面，包括地质分层和水压力等复杂条件。该方法发展了传统条分法中只给出坡体总体稳定性系数的作法，根据滑面的几何特征，进一步分析了各条块独立的稳定性系数及各条块的潜在滑动方向。另外，该方法承袭了用二维Janbu法分析的优缺点。最后对一个实际滑坡进行了稳定性分析。     

基于极限平衡理论的局部最小安全系数法

根据极限平衡原理和Mohr Coulomb破坏准则 ,应用最优控制理论思想 ,并充分考虑运动许可条件 ,建立了能同时确定边坡临界滑动面和计算最小安全系数的局部最小安全系数法。该法既满足条块力和力矩的平衡 ,又符合边坡稳定问题的物理本质 ;既能保证所求解是运动许可的 ,又能保证不出现数值计算上的困难 ;不但可以确定临界滑动面和计算对应的最小安全系数 ,又可以确定条底及条块界面上法向力的作用点 ,从而消除了以往利用极限平衡法进行边坡稳定分析时对临界滑动面的形状以及条底和条块界面上法向力的作用点的人为假定。算例计算比较表明 ,本文所给方法是合理可靠的。     

边坡力的分布特征和稳定性分析

边坡在渐进破坏过程中,力的分布和稳定性分析是值得研究的。针对推移式和牵引式边坡,分别提出了5种破坏机理,根据边坡现状特征,提出了5种推移式边坡形式;定义了破坏方向,边坡渐进破坏的特征是处于峰值应力状态的地质材料,遵循材料的破坏规律,且一步一步向前移动,一点一点发生破坏;在破坏区,沿滑面的下滑力大于摩阻力,在临界状态,材料所承受的应力达到最大值,且矢量和等于零,在稳定区和欠稳定区下滑力等于摩阻力;在整个滑面,其压力等于反力。对于条块分析,边坡渐进破坏过程中,发生剪破坏时,临界状态存在力平衡,发生拉破坏状态时,存在力矩平衡;两种破坏形式在临界状态均是应力达到材料的极限值,且矢量和为零。提出了抗滑防护措施的刚性、柔性和刚柔性设计,并指明了相应的设置位置;定义了破坏率、破坏比、破坏面积比、力学破坏和工程破坏,并以此评价边坡的破坏程度。分析了力在边坡渐进破坏过程中的规律,提出了传统基于摩阻力和下滑力之比的稳定性系数定义是值得商榷的。并以实例证明主推力法(或主拉力法)、综合位移法、富余位移法和拉破坏法是可用于工程实践的。     

基于多项式混沌展开的边坡稳定可靠性分析

利用Mohr-Coulomb屈服准则和塑性力学的上限定理,通过对离散条块边坡体构建机动许可速度场,建立了边坡稳定的虚功方程,其中岩土强度参数为随机变量,虚功方程为非线性随机平衡方程,安全系数成为随机变量的函数。再用多项式混沌展开和随机Galerkin算法对上述方程进行求解,优化得到了边坡临界滑面及其失效概率和稳定系数,得出了基于多项式混沌展开的岩土边坡可靠性的分析方法。数值算例表明该方法能对不确定性参数的岩土边坡稳定性进行有效评估和预测。     

一种基于Morgenstern-Price法假定的三维边坡稳定性分析法

 通过侧向剪力系数和侧向剪力分布函数对条间力进行假定,提出所有条柱满足3个力的平衡、滑坡体满足3个力矩平衡的三维边坡极限平衡分析法,可看作是二维Morgenstern-Price法的三维扩展。利用滑体力的平衡条件和边界条件分别得到条柱各行和各列的安全系数,再利用滑体整体力矩平衡条件确定侧向剪力系数?1,?2,?3,?4。该法考虑了所有条间剪力对安全系数的影响,采用直接迭代法求解,提高计算效率。算例分析表明,对于对称边坡,侧向剪力系数?1,?3,?4对安全系数影响不大;对于非对称边坡,?4对安全系数影响也不大,且获得的安全系数均与已有文献结果接近。非对称复合滑动面算例还表明,简化方法给出的安全系数不一定偏于安全。     

交通荷载下重力式锚碇边坡稳定性分析方法

重力式锚碇是悬索桥采用的主要锚固形式,其与边坡岩土体直接作用,作为悬索桥缆力的直接承载构建影响着边坡稳定性。文章以重力式锚碇边坡为研究对象,通过极限平衡法推导出交通荷载下重力式锚碇边坡稳定性计算公式,依托泸定大渡河特大悬索桥工程,利用所得公式对边坡稳定性进行分析。     

一种边坡锚固力新的计算方法

针对目前锚固边坡稳定性计算方法中的缺陷,提出了一种合理且实用的方法直接计算边坡锚固力。应用无限楔体受集中力作用的弹性力学解答计算与锚固力对应的滑面正应力分布,将其与锚固前滑面正应力叠加,再进行修正,使锚固后边坡体满足所有整体平衡条件,最后得到边坡满足给定安全系数要求的锚固力解析表达式。     

边坡稳定性的多米诺骨牌模型分析方法

边坡稳定性分析的条分法现仍是边坡分析和评估的主要方法。然而,现今条分法分析均是基于整体分析思想,获得整体或常安全系数,这是一理想的模式。真实的边坡失稳一般是渐进的过程,而这种渐进的失稳模式与多米诺骨牌的失稳倒塌有很多相似之处。基于这种边坡渐进失稳的考虑,提出了一种新的分析边坡稳定性的条分方法,即多米诺骨牌模型分析方法(简称骨牌模型)。骨牌模型定义了每个条块的局部安全系数和边坡的安全系数,也即边坡的安全系数由控制条块的局部安全系数决定。而控制条块是在形成某一滑动面时,所有组成滑体条块中具有最大局部安全系数的条块。而边坡的安全系数则为所有滑动面所对应的控制条块的安全系数中,最小的安全系数。这样定义安全系数是出于骨牌模型的渐进破坏机制而考虑的,突破了传统条分法的整体或常安全系数的局限。给出了骨牌模型的求解方法和求解步骤,并通过算例分析了骨牌模型的求解特点。     

类土质边坡特性及其锚固设计理论研究

对类土质边坡的性质、锚固特性及锚固边坡稳定性计算方法进行了系统研究。首先通过大量的现场调研完善了类土质边坡的地质模型，给出了该类边坡的分类和破坏方式及破坏机制；对锚索加固边坡的离心相似模型进行了研究：在离心模型试验中对锚索预应力进行了测量，并对其扩散进行了研究。通过现场试验与离心模型试验相结合，对锚索框架的受力模式进行了研究：对预应力锚索加固边坡的稳定性计算方法分锚固体与坡体的耦合和解耦两个阶段进行了研究：最后采用FLAC^3D对类土质边坡锚固效应、铺索预应力的损失、框架梁的内力分布及类土质边坡的开挖效应进行了数值模拟，取得了以下主要结论和成果：（1）提出了类土质边坡较为完善的概念，即由岩体风化而成的保留或部分继承了原岩的结构面等其他岩体特征且未经二次堆积的土体物质或破碎岩体物质构成，稳定特性明显区别于均质土边坡及岩质边坡的一类边坡。并将类土质边坡按风化前原岩的软硬程度及其组合情况划分为3种类型：软岩全～强风化边坡、软、硬岩相间的全～强风化边坡、硬岩全～强风化边坡。分析了类土质边坡的破坏方式及破坏机制。（2）采用离心相似模型试验对预应力锚索及锚索框架加固类土质边坡进行了系统研究，为此类试验提供了理论依据。研究了离心模型试验中锚索力及框架弯矩、锚固力自坡面向坡体内传递规律的测试方法。通过花岗岩残积上边坡的离心模型试验研究，得出在无结构面时，边坡的坡角与极限边坡高度的关系与马斯洛夫给出粗粒土边坡的坡度与稳定坡高的关系基本一致，可以用马斯洛夫方法指导此种边坡的设计。（3）在研究现有锚固段锚上界面模型的基础上，阐述了基于锚固段土体位移的交界面模型，随着锚固力的逐渐增大，锚固段土体位移可以分为3个阶段：土体颗粒间的相对移动，土体的剪切应变，土体的整体移动。以此模型为基础，分析了锚固预应力的损失机制。（4）针对无框架和有框架两种情况，分别推导了锚固力的传递范围，为锚索间距的大小提供了依据。并进行了离心模型试验及现场试验，得出的结果与理论推导的结果基本一致。（5）推导了框架梁内力的变形梁法计算方法，进行了现场试验和离心模型试验。由结果可以看出，变形梁法能使框架的设计得到较大的优化。变形梁法计算模式能较好地反映锚索框架的实际工作状态，可以认为该计算模式计算锚索框架的内力比较合理。（6）将预应力锚索加固类土质边坡的稳定性计算分为铺固体与坡体的耦合和解耦两个阶段进行。给出了耦合阶段将锚索预应力作用点移至坡面的边坡稳定性计算方法。针对解耦阶段的边坡稳定性分析，提出了以岩土体沿潜在弱面位移为基础的边坡稳定性计算方法。将该阶段边坡所受的锚固力分为原锚索预应力的剩余值和岩土体与灌浆间的剪切阻力，并给出了后者的计算公式。（7）对类土质边坡的锚固效应、锚固力的损失规律、框架梁的内力分布以及类土质边坡的开挖效应进行了数值模拟。通过对类土质边坡开挖效应的模拟，得出多级边坡在开挖过程中将对已开挖坡面产生附加应力和附加位移，在边坡的岩土工程支挡设计中应充分考虑这一点，应使支挡结构的承载能力可以满足多级边坡开挖形成的附加应力的要求。     

渗流影响下受锚基坑边坡的安全系数求解

针对降雨条件下基坑坑壁边坡的渗流特点，得出了渗流条件下基坑饱和土体和非饱和土体的耦合关系计算式。锚固技术作为一种高效的加固措施，文中基于极限平衡法，通过理论推到得到了基坑整体滑动楔体的安全系数和不考虑竖向力作用的安全系数计算式，所得结果对工程实践提供借鉴。     

地下连续墙泥浆槽壁稳定性评价的水平条分法

考虑土体分层性质,假定开挖槽段附近各土层厚度分布均匀且土层分界面垂直于槽面,以经典二维楔形滑块体模型为研究对象,提出了地下连续墙泥浆护壁稳定性评价的水平条分法,建立了满足条块力平衡的3M 方程评价模型和同时满足力平衡和力矩平衡的4M 方程评价模型,提出了求解方法,并验证了3M 方程模型的有效性和条分法提出的必要性。将3M 评价模型应用于武汉市某超深基坑成槽开挖坍塌的槽段稳定性分析,总结了临界角度和安全系数随地下水位、地表超载、泥浆高差、及泥浆重度的变化规律。最后用定义的水平条间力与竖向条间力的比值讨论了不同参数取值下水平条间力的变化规律。