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。     

滑坡关键块力学行为及力传递特征和不同应力状态的稳定系数研究

 分析滑坡关键块的力学行为及滑坡力的传递特征,研究滑坡在摩阻力没有折减条件下,滑坡条块下滑力、摩阻力和推力的相互关系,指出滑坡条块在下滑力、摩阻力相等(即推力矢量和为0)时,该条块处于临界应力状态。研究推移式滑坡条块间推力所表征的力学特征,进而提出滑坡条块处于不同推力条件下,条块间推力测量的基本特征：处于残余应力状态和破坏后区应力状态条块间推力测量值逐渐减小或增大(即力测量可以为负值或正值),处于临界应力状态前条块间的推力测量值逐渐增大(即力测量为正值),该结果对滑坡监测具有指导作用。研究现行滑坡稳定系数的计算方法,针对临界应力状态、破坏后区应力状态和残余应力状态及其混合应力状态,以剩余推力法证明现行临界应力状态法计算滑坡稳定系数不是最小值,而取残余应力状态力学参数计算的稳定性系数为最小值,并证明了它们之间的相互关系。     

推移式滑坡渐进破坏机制及稳定性分析

 在现行滑坡稳定分析的基础上,建立推移式滑坡渐进破坏稳定性分析法。在分析滑坡破坏机制的基础上,提出临界状态条块或单元,该临界状态条块或单元处于破坏和峰值应力之前两状态之间,并提出相应的决定方法。提出推移式滑坡2种破坏模式,模式I：整个滑体沿弱面发生推移破坏,模式II：后缘沿弱面发生推移破坏,而前缘局部沿滑体发生剪切破坏;在滑坡破坏控制的研究基础上,提出模式I滑坡破坏受弱面的基本力学特性所控制,对于模式II,滑坡后缘破坏受弱面的基本力学特性所控制,而前缘受滑体的抗剪力学特性所控制,2种破坏模式的临界状态逐步由后缘向前缘移动,也即是滑坡破坏不断地产生新的峰值应力状态和破坏后区状态。对推移式滑坡的变形规律进行研究,提出在滑坡模式I和II渐进破坏全过程中,滑坡破坏面上的每一点的时间与位移关系均会呈现不同的“S”型曲线特征,对于整个滑体而言,滑面上每一点的位移与高度关系曲线,在不同时刻呈现不同的抛物线型特征。分析滑面的位移与时间的关系曲线特征,提出滑面位移与时间的关系曲线呈现3种类型：类型a：I型非稳定时间曲线,类型b：I型稳定时间曲线,类型c：III型稳定时间曲线。研究现行滑坡稳定性系数的计算特点,提出滑坡稳定性计算的综合下滑力–抗滑力、主推力和基于位移变化的方法。研究了滑坡的运动特点,提出了主滑方向的定义,且主滑方向随力和位移的变化而变化。研究有限元滑坡稳定计算的特点,分析引起滑坡有限元法计算不收敛的原因,提出滑坡有限元计算的滑面边界法,其滑面既可以施加理想弹塑性模型边界,计算所得稳定系数可与传统的极限状态稳定计算结果相比较,又可以施加不同的应力–应变模型边界,从而获得真实的应力场和位移场,也可利用各种方法计算相对应的稳定系数;对于滑面确定可以采用各种优选计算和现场勘查方法。提出了各种对应关系图,这些图形有利于理解提出的系统理论。     

一种边坡稳定系数的改进计算方法

以新型节理本构模型及在此之上提出的边坡稳定系数计算方法为基础,对滑坡的变形特征进行了分析,参考现有的计算模型,提出了改进的边坡稳定计算方法,并给出了稳定系数计算公式及意义,总结了该方法相比传统计算方法的优点。     

三种本构关系条件下锚杆摩阻力力学对比分析

为了研究锚杆体系的受力应力应变过程,提高锚杆的锚固效果,结合三种摩阻力本构模型完全弹性本构,弹性-理想塑性本构,弹性-软化塑性本构,建立了锚杆微观分析模型,对锚杆与岩体的相互作用力学过程进行了讨论。对于完全弹性本构给出了沿轴向分布的应力、应变和摩阻力,以及给出理论上的极限作用力;弹性-理想塑性本构存在一定范围内的屈服阶段,得到了屈服范围内的应力、摩阻力分布表达式,给出了对应作用力的屈服范围;弹性-软化塑性本构条件下,随着作用力的增大摩阻力呈现三个阶段,即完全弹性阶段、软化阶段以及残余阶段,并分析对应的应力、应变、摩阻力和分布范围。本文是基于锚杆摩阻力的不同模型条件下的力学分析,对于实际中的材料力学行为需要更多的实验工作。     

边坡与滑坡抗滑支护结构岩土荷载既不是主动土压力也不是剩余下滑力

当前,在我国工程界,边坡抗滑支护结构岩土荷载取土压力理论中的主动土压力,有时也取它与传递系数法中剩余下滑力的较大值;滑坡抗滑支护结构岩土荷载计算取剩余下滑力,有时也取它与主动土压力的较大值。该文对这种岩土荷载取值方法存在的问题进行了分析,提出了按稳定性计算公式反算法,该方法能弥补现行岩土荷载取值方法的不足。     

结构性软土三维弹塑性损伤本构模型研究

基于所提出的岩土材料统一各向同性破坏准则,通过引入椭圆–抛物双屈服面模型以及结构性损伤屈服面,结合复合体损伤概念,建立了三维主应力空间中弹塑性损伤本构模型,该模型能够反映结构性软土应力应变的非线性、剪胀剪缩特性、结构性以及中主应力对变形的影响。通过结构性软土试验结果与模型的计算结果对比分析,表明该模型能够较好地预测结构性软土三维空间的应力–应变特性。     

基于SPH的土质边坡稳定性及失稳后大变形数值模拟

本文采用光滑粒子流体动力学(SPH)法对土质边坡稳定性及其失稳后的大变形进行数值模拟研究。该方法既可以分析边坡的稳定性系数和潜在滑移面,又可以对土质边坡失稳后的大变形过程进行模拟,从而弥补了传统数值模拟分析方法的不足,为土质边坡稳定性及失稳后滑坡大变形分析提供了一种新的方法。首先,采用Fortran语言编写了模拟土质边坡稳定性及失稳后滑坡大变形分析的SPH程序;其次,采用一个经典算例,验证了本文程序和方法在进行边坡稳定性分析时的准确性;最后,为验证该法模拟黏性土质边坡滑坡大变形的准确性,笔者自行设计了一组黏性土体滑坡大变形物理实验并与SPH模拟结果进行了对比。研究成果表明,基于弹塑性本构模型及D-P屈服准则的SPH方法可以较准确的模拟稳定性系数及潜在滑移面,并且可以较准确地模拟失稳后的滑坡大变形发展过程,弥补了目前数值模拟方法的不足,是一种值得推广的新型稳定性及滑坡大变形分析方法。     

土壤地盘弹塑性分析及其本构关系之参数研究

从热力学出发,采用连体介质热力学定义,先辨识等温变形条件下系统外力作功产生自由能与耗散能的互补关联;再应用热力学状态变数的概念,在自由能势函数与耗散能势函数中导入有效应力、弹性应变、塑性应变及塑性应变增量等状态变数,将热力学状态函数描述系统内能量转移轨迹的功能等效应用,据以推导临界状态本构模型中屈服条件、流动法则及硬化规律的合理表达形式。研究方向着重在土壤弹塑性本构模型参数的研选与物理性诠释,目的是:在此延展的临界状态本构模型中导入新的参数,据以拓展模型描绘土壤材料本构行为的能力。亦由于关键性的参数导入,使得本研究构建的模型更能合理地描述各类型土壤的异向性本构行为;在本文后续的模型验证研究工作中,该项成果的数值模型已可精确地提供数值分析数据,在与工程监测资料的比对上呈现优于莫尔–库仑模型和修正剑桥模型的符合性。     

多孔介质中化学–热–水力–力学耦合过程本构模型和数值模拟

本文发展了一个多孔介质中的化学–热–水力–力学(CTHM)耦合本构模型。该模型基于文献[1]中多孔介质热–水力–力学(THM)本构模型、文献[2,3]中的污染物传输本构模型和文献[4]提出的化学–力学本构模型。在本构模型中引入化学软化函数以模拟孔隙水中有机污染物对多孔介质力学性质的影响。考虑了温度对污染物传输机制的影响。本文CTHM耦合本构模型已在多孔介质的热–水力–力学–污染物传输数学模型中建立。在CTHM本构模拟框架中对计及化学塑性效应、描述在热–水力–污染物传输耦合作用下多孔介质力学行为、在应力–吸力–温度四维空间中包含了五重屈服面的耦合本构模型发展了一致性切线模量矩阵。数值结果突出显示了污染物浓度在多孔介质化学–热–水力–力学(CTHM)耦合系统中的影响。     

Deformation and failure mechanism of slope in three dimensions

Understanding three-dimensional(3D)slope deformation and failure mechanism and corresponding stability analyses are crucially important issues in geotechnical engineering.In this paper,the mechanisms of progressive failure with thrust-type and pull-type landslides are described in detail.It is considered that the post-failure stress state and the pre-peak stress state may occur at different regions of a landslide body with deformation development,and a critical stress state element(or the soil slice block)exists between the post-failure stress state and the pre-peak stress state regions.In this regard,two sorts of failure modes are suggested for the thrust-type and three sorts for pull-type landslides,based on the characteristics of shear stress and strain(or tensile stress and strain).Accordingly,a new joint constitutive model(JCM)is proposed based on the current stability analytical theories,and it can be used to describe the mechanical behaviors of geo-materials with softening properties.Five methods,i.e.CSRM(comprehensive sliding resistance method),MTM(main thrust method),CDM(comprehensive displacement method),SDM(surplus displacement method),and MPM(main pull method),for slope stability calculation are proposed.The S-shaped curve of monitored displacement vs.time is presented for different points on the sliding surface during progressive failure process of landslide,and the relationship between the displacement of different points on the sliding surface and height of landslide body is regarded as the parabolic curve.The comparisons between the predicted and observed load e displacement and displacement e time relations of the points on the sliding surface are conducted.The classi fi cation of stable/unstable displacement e time curves is proposed.The de fi nition of the main sliding direction of a landslide is also suggested in such a way that the failure body of landslide(simpli fi ed as"collapse body")is only involved in the main sliding direction,and the strike and the dip are the same as the collapse body.The rake angle is taken as the direction of the sum of sliding forces or the sum of displacements in collapse body,in which the main slip direction is dependent on progressive deformation.The reason of non-convergence with fi nite element method(FEM)in calculating the stability of slope is also numerically analyzed,in which a new method considering the slip surface associated with the boundary condition is proposed.It is known that the boundary condition of sliding surface can be described by perfect elasto-plastic model(PEPM)and JCM,and that the stress and strain of a landslide can be described properly with the JCM.     

大型顺层岩质滑坡渐进破坏地质力学模型与稳定性分析

 大型顺层岩质滑坡广泛存在于自然界中,是滑坡的重要类型之一,也是滑坡领域关注与研究的重点。根据滑坡滑面发展形态,将顺层岩质滑坡划分成两大类：前进式渐进破坏模式和后退式渐进破坏模式。从力学角度揭示顺层岩质滑坡渐进破坏过程的本质是滑坡力学参数弱化的过程。具体体现在滑带本构方程中为初始剪切刚度的降低。由此,定义弱化后滑带的剪切刚度与初始剪切刚度比值为滑带弱化系数,并引入S型曲线表述滑带弱化系数空间特征。在总结大型顺层岩质滑坡特点的基础上,提出渐进锁固力学模型,同时给出该模型的数学表达式。该模型能很好地体现滑坡渐进破坏过程中滑带力学参数的时效性及空间变异性特点。最后,给出该地质力学模型下渐进破坏过程中斜坡稳定性计算公式及步骤,并应用于武隆县鸡尾山滑坡中,分析其临滑前滑坡稳定性变化情况。     

考虑层间作用的多层滑坡分析方法

对于发育多层滑面的复杂滑坡,工程中较少考虑各滑面之间的相互影响,而所提出的分层计算方法,考虑了各滑面之间的相互影响。各层分别核算其滑坡稳定性,抗滑结构物设计中的滑坡推力及其分布形式。上层滑体按照一般的传递系数法计算,下层滑体按照考虑上层滑体在上层滑面处的作用力传递系数法计算。算例分析表明,分层计算方法将使多层滑面的复杂滑坡抗滑结构物的设计更为合理。     

高速滑坡远程预测的块体运动模型

 基于对高速滑坡发生机理的认识及对其运动特征和堆积特征的分析, 认为滑体内部的速度和变形具有不均匀性, 且运动过程伴随着变形能的积累、释放和损耗。在此基础上, 假定滑体的运动形式是连续可变的, 建立了预测高速滑坡远程的块体运动模型。应用该模型可以模拟滑坡发生后滑体运动的全过程, 同时可预测滑坡的最大滑速和最大滑距。利用该模型对洒勒山滑坡等实例进行了数值模拟, 结果和实际基本相符。     

基于改进动态规划算法的堆积体滑坡稳定分析

应用图论将堆积体滑坡稳定性分析中最危险滑动面搜索及安全系数计算问题转化为数学领域求最短路径问题。对动态规划算法进行改进,建立基于改进动态规划算法的极限平衡有限元方法,给出该方法的基本方程和路径上应力计算过程,避免引入辅助函数需给定初始安全系数进行迭代计算的缺陷。将该方法应用于溪洛渡左岸谷肩堆积体的稳定性分析,基于滑坡产生、发展、蠕变条件对其稳定性进行判断,对该堆积体的变形破坏机制进行分析和滑面形成条件探讨;借助监测资料揭示的滑面分布,验证改进动态规划算法搜索滑面位置与计算安全系数的准确性;在此基础上提出基于滑坡征兆的堆积体滑坡稳定性分析技术路线,可用于复杂滑坡堆积体边坡的稳定性分析。     

传递系数法在滑坡治理削坡方案设计中的应用

 削坡减载设计的关键在于何处削坡使得削坡方案最为经济而又达到预期稳定效果,在工程实践中,一般采用不平衡推力法计算滑坡条块的下滑力和剩余下滑力,依据剪出口剩余下滑力小于或等于0这一条件来搜索最优的削坡规模及位置,一般情况下计算工作量较大。针对此问题,利用传递系数法思想,引入剩余抗滑力概念,逆向计算各条块的剩余抗滑力,不需进行优化搜索即可根据剩余抗滑力得到最优条件下削坡规模及位置,概念简单,计算方便。计算过程概括如下：根据预期安全系数从最后一个条块出发,逆向计算各条块的剩余抗滑力,剩余抗滑力依次在条块间向上传递,当剩余抗滑力为负值时,下一轮计算取为0,直到算出所有条块的剩余抗滑力,剩余抗滑力为负值的条块即为应削坡的条块,条块剩余抗滑力的负值即为应消除的荷载。     

不平衡推力法的弹塑性有限元改进

结合杭金衢高速公路K111碎石土滑坡工程实例,研究如何使极限平衡法与有限元法有机结合应用于边坡稳定性计算和分析中,以及碎石土边坡稳定性系数与滑动面抗剪强度发挥程度的关系。研究结果表明,可以采用弹塑性有限元边坡稳定性极限分析法,得到边坡接近破坏状态时滑坡体的塑性变形破坏区,然后据此确定边坡的滑动面;通过野外工程地质勘探揭示,该法确定的潜在滑动面与实际滑动面基本相符;可根据极限状态下塑性应变值的大小确定滑面带上不同抗剪强度取值段,采用全面考虑滑面上岩土体抗剪强度不同发挥程度的不平衡推力法计算碎石土边坡的稳定性系数;采用该方法进行碎石土边坡稳定性分析能更加真实地反映边坡所处的实际状态。     

滑体失稳后运动过程三维弹簧变形块分析模型

 滑坡灾害危害程度评估需要掌握滑坡运动特征,而目前的研究主要基于定性分析模型,很难进行定量预测。为克服这一困难,建立一种简化的三维弹簧变形块模型,定量预测滑坡失稳后滑体运动过程。假设滑坡的运动形式是连续的,且滑体是可变形的,将滑体分为侧面竖直的三维条柱。考虑滑体内在变形,对三维运动方向受力和变形进行分析。根据作用于条柱侧面的力–变形关系,获得条柱在滑动过程中的变形与受力状态。考虑到条柱中能量的积累和释放,同时考虑摩擦引起的能量耗散,建立任意时刻滑体的加速度、速度和位移计算公式,获得滑坡在三维滑动过程滑动的最大距离、运动的最大速度及滑动历经的时间等。为实现滑坡滑动过程的三维可视化,基于Visual Basic语言程序编制滑坡失稳后运动过程分析程序,分析武隆鸡尾山滑坡的滑动距离、滑动的最大速度以及滑动历经的时间,对比分析表明,该模型与现有的软件模拟结果比较吻合。     

数字地形图上滑坡动态方向稳定性系数的计算与滑坡滑动方向的确定

讨论了滑坡动态方向稳定性系数的概念,并在此基础上定义了滑坡的滑动方向和滑坡的稳定性系数。同时在滑坡数字地形图上通过逐次逼近的迭代算法完成了滑坡的稳定性系数的计算和滑坡滑动方向的确定。