基于极限平衡理论的土质边坡空间效应研究及应用

边坡空间效应是客观存在的,广义的空间效应包括滑体形态效应和坡面形态效应2个部分,由于考虑空间效应的三维边坡稳定性分析方法及最危险滑面搜索技术尚不完善,对空间效应的研究比较零散,未能进行系统的研究;对于相关工程而言,忽略空间效应并非总是偏于安全。因此,课题围绕边坡空间效应问题,从案例统计、理论分析、试验研究和工程应用4个方面对其进行系统的研究,主要取得如下研究成果:(1)基于案例统计分析研究了边坡的空间效应的构成与显著度。分析了522个失稳边坡资料,着重对比分析了滑体形态、滑体宽高比及坡面形态的分布,结果表明:①其中82.4%的宽高比位于0.5~5.0范围,平均宽高比为3.08,而宽高比大于10的仅占3.4%;②坡面形态对边坡稳定性的影响比较显著。随机统计了300个失稳边坡的坡面形态,其中凸坡148个(占49.3%),平坡112个(占37.3%),凹坡40个(占13.4%),可见,凹坡稳定性较好,平坡次之,凸坡最差。(2)提出了一种严格的二维极限平衡法并拓展至三维。通过类比经典土压力理论和Spencer的条间力假定,将离散后的条柱间作用力等效成滑面正应力,依据整个滑体的平衡条件,提出一种安全系数显式解答的严格二维极限平衡法;进而,将该方法拓展到三维,建立了满足4个平衡方程的非严格三维极限平衡法,可适用于一般空间形态滑面的安全系数计算,进而建立了考虑滑体效应的滑带强度参数的三维反演模型,弥补了二维反演分析确定的滑面强度参数偏高的不足,代表性算例验证了上述方法的合理性和可靠性,且精度较高。(3)建立了均质边坡三维近似最危险滑面搜索方法和编制了三维安全系数计算曲线。对于均质边坡,假定三维最危险滑裂面为一族幂函数绕垂直于主滑面旋转轴的旋转曲面,通过优化幂函数中的参数n来确定近似的三维最危险滑裂面,算例验证了该方法的有效性和合理性,且实现过程也非常简便;考虑到三维安全系数求解过程复杂,为了便于快速获得均质边坡的三维安全系数,编制了一套三维安全系数计算曲线,并得到了已有成果的验证。(4)研究了滑体形态效应的形成机制并编制了相应的修正曲线。依托三维边坡安全系数计算方法和近似三维最危险滑面搜索技术,对边坡滑体形态效应进行了详细分析,编制了滑体形态效应修正曲线,并得到了模型试验和数值计算成果的验证。同时,对影响滑体形态效应的各项参数(滑面形态、长高比、坡度、黏聚力和内摩擦角)进行了独立分析,总结了滑体形态效应的变化规律及影响幅度,从工程应用的角度建议了考虑滑体形态效应的界限标准。最后,对滑体形态效应的形成机制进行了深入讨论,并据此对滑体形态效应随各参数的变化规律进行了解释。(5)从模型试验的角度研究了坡面形态效应。采用底抬升模型试验,研究了坡面形态对边坡稳定性的影响。试验结果表明:①同一坡度下,平坡破坏时模型槽倾角高于凸坡2°~4°,但低于凹坡3°~5°。并从力学角度对这一现象进行了解释;②在主滑面上,坡面形态对滑面形态及位置影响不大,基本呈现圆弧滑面。受端部限制程度的不同,三维形态则出现较大的差别;③失稳滑体冲程呈现两端小、中间大的特点,最大冲程量随着坡度的增大而逐渐增大。(6)提出了圆形凸坡和凹坡的严格极限平衡法并探讨了坡面形态效应。基于严格极限平衡法建立了圆形凸坡和凹坡的安全系数理论解答,并据此分析了坡面形态效应。结果表明坡面形态(R/H)对安全系数有着重要的影响,其显著程度又受到c/(γHtanφ)和坡度β所制约。不论是凸坡还是凹坡,R/H越小,影响越大,且凹坡要比凸坡更显著;在R/H不变的情况下,量纲一化的指标c/(γHtanφ)和坡度β越大,坡形效应越明显。从工程应用的角度,编制了不同圆形坡面形态下的边坡安全系数速查曲线,便于定量评价相关工程边坡的稳定性。     

不同空心率方钢管圆孔混凝土柱轴压特性研究

基于8根不同空心率方钢管圆孔混凝土短柱的轴压试验研究,采用合理的材料本构关系模型与破坏准则,对试验进行了有限元模拟。结果表明:方钢管圆孔混凝土短柱的空心率在28%之内时,钢管对核心混凝土具有良好的套箍效应,构件空心率越小,承载力越高;构件极限承载力的试验值与计算值接近,而规程理论值偏于安全。     

坡面形态对边坡稳定性影响的理论与试验研究

 从失稳边坡资料统计分析、模型试验和理论计算3个方面,研究坡面形态对边坡稳定的影响(坡面形态效应)。通过对300个失稳边坡资料的统计分析,从宏观认识上得到凸坡的稳定性较差,而凹坡稳定性较好的初步结论。采用底抬升模型试验,研究凸坡、平坡和凹坡的极限稳定角,结果表明,凹坡的极限稳定角要比平坡的大,凸坡则比平坡小。并从理论上分析凸坡、平坡和凹坡之间的受力差异,对凹坡比凸坡更稳定的现象进行解释。采用严格极限平衡法,获得圆形凸坡和凹坡的安全系数解答,分析坡面形态效应的影响因素和变化规律,从工程应用角度制作圆形坡面形态边坡安全系数速查曲线,并建议考虑坡面形态效应的范围。研究成果可为合理评价不同坡面形态的边坡稳定性提供参考。     

Kettleman Hills填埋场三维稳定性极限上限分析

1988年3月失稳破坏的美国Kettleman Hills填埋场是一个典型的复杂“山谷”型填埋场,众多学者研究表明仅采用二维截面分析难以对该填埋场整体稳定性进行评价。目前Kettleman Hills填埋场三维稳定性分析多采用极限平衡法,但是由于极限平衡法对破坏模式没有严格的要求（如速度相容）,无法确定其所得到的解是偏于安全还是偏于危险,甚至不能确定该破坏模式是否合理。因此本文基于极限分析上限法,构造二维、拟三维及三维破坏机构进行分析,并通过与已有的文献及数值模拟结果进行对比验证方法的合理性及有效性。分析表明,二维和拟三维破坏机构类似,构建容易计算方便,适用于填埋场初步快速分析。而三维多个块体破坏机构构建复杂,计算量大,但能够反映实际填埋场的破坏情况,适用于填埋场的详细稳定性分析。     

斜坡地基极限承载力下限解计算

为了研究斜坡地基的破坏机理，基于极限平衡法理论，建立了一个新的能考虑坡后土体坡度影响的斜坡地基承载力的计算模式，通过FORTRAN语言编制了斜坡地基坡后土体的发挥系数的计算程序，分析了斜坡地基内摩擦角、基础下侧土体坡度、基础上侧土体坡度、相对坡顶距及基础相对埋深等因素对斜坡地基极限承载力性能的影响，得出了不同地基情况下斜坡地基坡后土体的发挥系数。得到的斜坡地基的承载力系数和发挥系数可用于斜坡地基的理论分析和设计中。     

基于FLAC 3D的推移式滑坡变形破坏模式及稳定性分析

文章以四川省某覆盖层土质滑坡为研究对象,基于滑坡区真实地形DEM数据建立滑坡三维地质模型。并采用FLAC 3D软件对滑坡在天然和暴雨状态下的变形破坏特征进行研究。通过滑坡位移、最大剪应变增量以及塑性区等特征,综合判定滑坡的变形破坏模式为典型的推移式滑动,验证了现场勘察对于滑坡变形破坏模式的判断。最后通过FLAC 3D软件求解三维滑坡稳定系数,并与极限平衡法的计算结果对比,表明三维滑坡稳定系数结果偏于安全,但更接近于真实情况,以为类似工程的分析及防治提供参考。     

考虑破坏面转移和垃圾坝作用的边坡稳定分析

垃圾坝是山谷型填埋场和横向扩建填埋场中常采用的增稳措施;破坏面在衬里结构不同界面间发生转移也是被证实的规律,考虑破坏面转移和垃圾坝作用的垃圾体边坡稳定分析方法尚未见报道。通过将衬里结构中破坏面转移点作为分界点,将滑动垃圾体分成5个楔体,利用极限平衡条件建立了五楔体边坡稳定分析方法。研究结果表明,五楔体极限平衡分析方法能够分析考虑破坏面转移和垃圾坝影响的填埋体稳定性;考虑破坏面转移计算得到的安全系数低于不考虑考虑破坏面转移的计算结果,考虑破坏面转移的计算方法能够发现更危险的情况;填埋场安全系数随垃圾坝高度的增大而增大;垃圾坝的背坡有一最优坡度,垃圾坝的背坡小于这一坡度时,发生“坝背破坏”模式;垃圾坝的背坡大于这一坡度时,发生“坝底破坏”模式;最危险破坏面通过填埋场的背坡和底坡的衬里,再通过垃圾坝的坝背衬里界面或坝底。     

圆形放坡基坑临界深度极限分析

近几年,圆形基坑出现在许多土木工程中,为求解圆形放坡基坑的临界深度,用塑性力学中的上限法对其稳定性进行分析。假设基坑的滑裂面为旋转对数螺旋面,根据库仑材料相关联流动法则构建相应的机动许可速度场,利用体应变率求得变形区的内部能量耗散率,最终建立求解圆形放坡基坑临界深度的最优化模型。通过对该模型的求解,研究临界深度随基坑坡角、深径比及土内摩擦角等的变化规律。分析发现“拱效应”使得圆形基坑的临界深度大于平面边坡的临界高度,但当深径比很小时,前者的上限解将接近后者的上限解。若基坑的深度与直径之比小于10,则可忽略“拱效应”,将其看成平面边坡,用条分法对其进行稳定性分析。另外,将圆形基坑临界深度的上限解与轴对称极限平衡解进行比较,发现前者更接近真实解。     

竖向正方形锚板水平拉拔极限承载力三维统一理论解研究

针对竖向正方形锚板水平极限拉拔力学机理和承载力理论研究存在人为区分浅埋、深埋,但界定标准不统一的问题,对其开展了破坏机制分析和极限承载力三维统一理论解的研究。通过板前四棱锥土核在垂直于板平面的竖直面和水平面投影三角形的形状演化来分别反映竖向和水平向破坏机制随土性、埋深比等因素变化的对称性;构建了竖向正方形锚板水平极限拉拔的三维统一力学模型;依次取不同受力体进行极限力学平衡分析;推导了拉拔极限承载力三维统一理论解。与其他理论方法、试验数据的对比验证表明:新的力学模型很好地实现了一个模型来反映不同埋深比范围破坏机制的连续变化规律,无需再人为区分浅埋和深埋;统一理论解计算结果不仅与室内模型试验数据符合的很好,也和现场、大尺寸室内试验数据吻合;较3种国外方法计算结果更加接近于实测值,且具有更小的离散性,平均值总体上偏于安全,在4种方法中表现最好。     

拉弯构件的弯扭失稳计算

根据拉弯与压弯构件弯扭失稳的相似性 ,推导出弯扭失稳时拉力与弯矩的理论相关公式 ,并采用有限元法对公式进行了验证 ;参考现行钢结构设计规范提出了设计用的拉力弯矩相关公式 ,与欧洲规范EC3的公式进行了比较。结果表明 ,在弹性阶段 ,双轴对称截面的计算公式更加接近有限元计算结果 ,而对于单轴对称截面和T形截面 ,EC3的公式有时偏于不安全。     

雨水软化下路基土质边坡失稳模式及判别阈值

 为了提高雨水软化条件下路基土质边坡稳定性分析的准确性,开展路基土质边坡失稳模式及其判别准则分析,提出边坡失稳随软化深度 增加依次呈现单位土条式、组合式及整体式3种模式;采用滑体长度L与软化深度 的比值 作为表征参数,确立界定3种失稳模式的2个阈值 和 ;基于刚体极限平衡条件,构建以组合式失稳模式为基础且涵盖3种失稳模式的边坡稳定安全系数统一表达式。研究表明：单位土条式与组合式失稳模式转化阈值 和组合式与整体式失稳模式转化阈值 受坡体强度参数及几何参数影响并不显著,范围分别为15.2～20.0和3.0～6.3; ＜ 时采用单位土条式顺坡平面失稳模式忽略滑体上下缘滑体力学作用会得到偏于保守的结果, ＞ 时采用以圆弧滑面为代表的整体式曲面失稳模式则偏于危险,而 ≤ 时采用对数螺旋形和圆弧形的整体式曲面滑动模式差异不大。     

锦屏一级水电站左坝肩边坡稳定性研究

从工程区的自然稳定斜坡调查入手，利用前期勘测的横剖面结果，获得工程区的砂板岩边坡和大理岩边坡的自然稳定斜坡的坡形数据；结合中国已建和在建水电边坡的开挖情况，采用自然斜坡比拟法和工程地质类比法综合确定拱间槽边坡的地质建议开挖坡比。在坝头深裂详细调查研究的基础上，分析拱间槽边坡开挖前后的可能失稳破坏模式及失稳块体的边界条件；通过采用三维极限平衡方法对可能失稳块体的计算模型进行分析，得到块体开挖前后的稳定系数；对失稳块体的稳定性进行详细评价，并提出块体加固方案建议，对类似工程提供可以借答的经验。     

Seismic stability of earth slopes with tension crack

Cracks at the crest of slopes frequently occur during earthquakes. Such cracks result from limited tension strength of the soil. A tension cut-off in Mohr-Coulomb shear strength can represent this limited strength. Presented is an extension of variational analysis of slope stability with a tension crack considering seismicity. Both translational and rotational failure mechanisms are included in a pseudo-static analysis of slope stability. Developed is a closed-form to assess the seismic stability of slopes with zero tensile strength. The results indicate that the presence of the tension crack has significant effects on the seismic stability of slopes, i.e., leading to small value of the yield acceleration. Considering soil tension strength in seismic slope analysis may lead to overestimation on the stability, as much as 50% for vertical slopes. Imposing tension crack results in transit of the critical failure mode to a straight line from a log-spiral, except for flat slopes with small soil cohesion. Under seismic conditions, large cohesion may increase the depth of crack, moving it closer to the slope.     

Surficial stability analysis of soil slope under seepage based on a novel failure mode

Normally, the edge effects of surficial landslides are not considered in the infinite slope method for surficial stability analysis of soil slopes. In this study, the limit stress state and discrimination equation of an infinite slope under saturated seepage flow were analyzed based on the Mohr-Coulomb strength criterion. Therefore, a novel failure mode involving three sliding zones (upper tension zone, middle shear sliding zone, and lower compression zone) was proposed. Accordingly, based on the limit equilibrium analysis, a semi-analytical framework considering the edge effect for the surficial stability of a soil slope under downslope seepage was established. Subsequently, the new failure mode was verified via a numerical finite element analysis based on the reduced strength theory with ABAQUS and some simplified methods using SLIDE software. The results obtained by the new failure mode agree well with those obtained by the numerical analysis and traditional simplified methods, and can be efficiently used to assess the surficial stability of soil slopes under rainwater seepage. Finally, an evaluation of the infinite slope method was performed using the semi-analytical method proposed in this study. The results show that the infinite slope tends to be conservative because the edge effect is neglected, particularly when the ratio of surficial slope length to depth is relatively small.     

降雨/蒸发对膨胀土边坡稳定性影响研究

为深入研究降雨/蒸发作用对膨胀土边坡稳定性的影响,本文将改进的二维渗流模型与极限平衡分析法相结合,计算分析降雨、蒸发两种不同类型的气候作用下试验场地膨胀土边坡体内的渗流场变化及边坡的稳定性;结合试验边坡的现场监测资料,论述了膨胀土边坡的失稳机理。本文的研究表明:持续降雨引发土体吸力降低、强度衰减、有效应力降低并在坡脚处首先达到极限平衡状态;蒸发作用使浅层土体含水量降低,吸力增加,但同时也出现的收缩作用将产生裂隙而折减土体强度且增强渗透性,但土体内吸力的大幅提高则起主导作用。本文的研究成果将有助于分析评价膨胀土边坡在遭受干湿循环作用下的长期稳定性。     

A new design equation for drained stability of conical slopes in cohesive-frictional soils

New plasticity solutions to the drained stability of conical slopes in homogeneous cohesive-frictional soils were investigated by axisymmetric finite element limit analysis. Three parameters were studied, i.e. excavated height ratios, slope inclination angles, and soil friction angles. The influences of these parameters on the stability factor and predicted failure mechanism of conical slopes were discussed. A new design equation developed from a nonlinear regression of the lower bound solution was proposed for drained stability analyses of a conical slope in practice. Numerical examples were given to demonstrate a practical application of the proposed equation to stability evaluations of conical slopes with both associated and non-associated flow rules.     

土坡稳定分析普遍极限平衡法的数值解研究

建立了适于边坡稳定分析简单的平面直角坐标系。提出了基于边坡稳定分析普遍极限平衡法原理的数值积分解法 ,推导了圆弧滑面和复合滑面力矩平衡和力平衡安全系数积分表达式 ,建议了一简单而适用的内部力函数。开发了普遍极限平衡数值积分解的计算和图形处理程序。以实例进行介绍 ,并与其他方法进行了比较 ,揭示了边坡土体内下滑力和抗滑力的分布规律 ,及内部水平推力和剪力的分布特征 ,指出稳定边坡内存在一临界平衡点     

加筋土坡的可能滑移模式和基于库仑理论的稳定分析方法

加筋土坡因其填方量少、工期短、经济安全等优势在国内外已得到广泛应用,故其稳定性分析也显得尤为重要。目前,已有多位学者将极限分析上 限定理运用于加筋土坡的稳定性分析中,并假定水平条块速度间断面。然而在其分析过程中,构造的速度场并不符合位移协调条件。提出了由于筋材的隔断 作用形成的斜向界面破坏模式,并计算相应速度场式,分别提出主动、库仑、被动三种滑移模式。通过计算比较发现,在加筋间距较密时,库仑模式总是相 应安全系数最小的控制工况。实际工作中,可以只使用这一概念清晰、计算简便的方法分析加筋土坡的稳定性。为方便工程设计快速获取安全系数或筋材间 距,将土坡各参数进行无量纲化,绘制了安全系数图,并与Michalowski设计图表进行对比,验证了该算法的有效性。且针对多个实际工程算例进行验算, 验证了库仑模式上限法的可行性。     

均质土坡滑动面的变分法分析

土坡稳定性分析的方法和结果尚没有统一的结论。因此,以下滑总力与抗滑总力之差为评价指标,利用变分法寻找该指标达到最大值的极值曲线,则指标最大值为0的极值曲线就是可能的滑动面。研究结果表明,可能的滑动面都通过坡脚,临界坡高可以由土的黏聚力c、重度γ、内摩擦因数μ和坡度k明确给出。如果土坡稳定设有安全系数,则将黏聚力c和内摩擦因数μ按比例折减即可。由于直线是圆弧的特例,圆弧是连续曲线的特例,相应的临界坡高依次递减;不过对于垂直边坡这三者差别不大,而对于一般的斜坡,极值曲线最低点低于坡底以增大坡肩附近的下滑力,接近坡脚时逆坡的阻滑力由于坡面降低作用较小,因而临界高度远小于平面滑动得到的数值。