地震荷载作用下顺层岩质边坡安全系数分析

结合强度折减法的思想,并考虑到地震荷载特征以及离散元法和顺层岩质边坡的特点,提出一种求解地震荷载作用下顺层岩质边坡安全系数的方法。采用关键点位移/速度时程曲线的变化趋势对边坡的临界状态进行判断,采用失稳状态时坡体的速度/位移矢量图来判断与安全系数对应的滑动面。将上述方法运用到钟家湾顺层边坡的稳定分析中,并将所得结果与极限平衡法计算结果进行对比,发现二者的计算数值相差较小,对比结果表明该方法是合理可行的。在此基础上,利用UDEC初步分析地震荷载作用下坡高、坡度、岩层倾角以及地震波参数包括振幅、频率等因素对顺层岩质边坡安全系数的影响规律。     

天然边坡削坡工程中的稳定性研究

天然边坡在削坡工程施工阶段或竣工后,往往形成上下部不同坡度的边坡。离心模型试验与现场试验结果表明,这类边坡有两种破坏模式。一种是滑裂面始于坡顶,另一种是滑裂面始于坡面。利用极限分析上限法理论讨论并确定边坡发生不同破坏模式的条件,从而给出极限开挖深度、设计开挖深度小于极限开挖深度时的稳定安全系数以及设计开挖深度大于极限开挖深度时的土压力,为解决天然边坡削坡工程中的稳定性设计问题提供理论依据。     

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。     

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。     

基于有限元法对边坡稳定敏感性参数的分析

采用有限元强度折减法,从计算范围、内摩擦角、粘聚力、土体重度、坡高与坡度等方面,研究了计算敏感性参数对山区边坡稳定性安全系数的影响,结果表明,土体的粘聚力、内摩擦角和重度对边坡稳定性的影响最为敏感,坡角与坡高的影响次之,计算范围的影响最小。     

求解三维均质边坡安全系数的稳定性图表法研究

边坡稳定性图表为初步评价边坡的稳定性提供了一种简单但却行之有效的途径。针对现有三维稳定性图表主要是基于极限平衡法和极限分析法提出的不足,采用基于场变量的有限元强度折减法,建立了一套求解三维均质边坡安全系数的稳定性图表。借助ABAQUS软件的二次开发平台UFIELD程序,设置岩土体黏聚力与内摩擦角为场变量的函数,场变量为增量步时间t的函数,从而通过控制增量步时间t实现黏聚力与内摩擦角的折减,通过一次计算即可求得边坡的安全系数,无需手工修改折减系数反复试算。结合3个典型算例对该方法的可靠性进行了验证,并进行了计算效率的比较。结果表明,该方法得到的安全系数可靠,且提高的计算效率。另外,将基于该方法提出的三维均质边坡稳定性图表用于快速获取边坡安全系数、设计边坡坡度和反演滑带土体的强度参数,是合理可行的。     

山区顺坡填筑边坡稳定的强度折减有限元分析

为分析山区顺坡填筑时,岩基坡度及填筑体与岩基界面粗糙度对边坡稳定性的影响,用强度折减有限元法,对完整基岩斜坡上顺坡填筑边坡的稳定性进行计算分析。给出了边坡安全系数、最危险滑移面及其与简化Bishop法计算结果的差异随岩基坡比及界面粗糙度的变化情况。结果表明:完整岩基上顺坡填筑边坡的失稳滑移面在有些情况下与圆弧差异较大,简化Bishop法给出的安全系数会有较大误差;当界面非完全粗糙时,随岩基坡度变大,则有原较强斜坡地基的"限制"作用和较弱界面的"弱化"作用使滑移面变化,前者使体系安全系数增大,而后者则相反;将强度折减有限元法应用到山区岩质斜坡地基上高填方的稳定性分析中,能避免按圆弧滑移面搜索所计算安全系数误差较大以及按复杂滑移面搜索的困难。强度折减限元法不仅简便且计算效率高,应用前景比极限平衡法更广阔。     

基于有限元极限分析法的土坡稳定性分析

通过MATLAB平台编制了有限元极限分析程序,将摩尔—库仑屈服准则嵌入有限元计算程序中,并利用计算机自动搜索得到边坡的破坏面,对边坡的安全系数进行计算,将计算结果整理成相应的设计表格,并对各参数的影响进行了分析,分析结果表明:安全系数随坡高、坡角的增大而减小;随土体内摩擦角、粘聚力的增大而增大。     

复杂岩体边坡工程极限平衡理论

本文建立了非均质非线性各向异性岩体极限平衡理论,并应用这一理论研究了各向异性岩石边坡的工程稳定性问题。通过极限平衡分析计算,定量地研究了缓倾角边坡坡顶极限承载力和陡倾角边坡坡面极限边界线。分析结果表明,在各向异性岩坡中,坡顶极限承载力降低,坡面临界坡度减小。本文理论简化到各向同性岩坡中时,与B·B·索科洛夫斯基、穆欣等人的分析成果完全吻合。     

三种边坡安全系数计算方法对比研究

 针对广泛使用极限平衡法和有限元强度折减法,提出基于改变重力加速度的重力比例自动加载法,从计算原理和安全系数计算成果上对其进行对比分析,分析得出各方法的优缺点。计算分析表明,重力比例自动加载法计算的边坡安全系数随坡角增加而递减的速率要远大于强度折减法,且一定程度上大于极限平衡法的计算成果,该方法得出的边坡安全系数对坡体几何条件变化最为敏感,在量化坡体安全程度上优于其余2种方法;对单层且坡角小于45°的土质边坡,推荐采用极限平衡法,若要采用基于有限元的安全系数分析法,需对土坡进行分层处理;对3层岩土边坡而言,推荐采用极限平衡法和重力比例自动加载法,有限元强度折减法不适用。此外,3种方法中,极限平衡法用时最短,5层岩土边坡计算时强度折减法在计算耗时为重力比例自动加载法的10倍,该差异随着岩层层数的增加还有提高趋势。     

山区公路边坡稳定性参数敏感性分析

以湖南省常吉高速公路某路段左侧边坡为依托,通过相关地质资料分析,选取了对边坡稳定性影响较大的坡度、坡高、粘聚力、内摩擦角和弹性模量五个指标。并借助于有限元强度折减模块,采用单因素敏感性分析方法进行了边坡稳定性影响参数敏感性分析并比较分析结果。结果表明:常吉高速公路边坡的稳定性参数相对于边坡安全系数的敏感性排序从大到小依次为:坡度、坡高、内摩擦角、粘聚力、弹性模量,边坡的失稳主要依赖于坡度和坡高,此为山区公路边坡稳定性评价分级和针对性地防治设计起到了指导作用。     

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。     

边坡稳定性条分法和容重增加法的耦合分析

结合有限元方法或有限差分法和极限平衡法各自的优点详细分析边坡稳定性,提出了基于条分法和容重增加法耦合分析的基本原理及边坡安全系数的计算程序。利用有限元软件ANSYS和有限差分软件FLAC得出边坡最危险滑动面以及坡体内的应力和应变,然后,通过极限平衡条分理论求得边坡安全系数。算例表明耦合分析求得的边坡稳定安全系数与其它方法的计算结果相近,而且精确分析了强度指标c、φ对边坡稳定的影响,为边坡加固设计提供了依据。     

基于正交设计的基坑开挖放坡稳定影响因素敏感性分析

以某大学文化中心的基坑边坡为例,对影响边坡稳定的基坑土体的粘聚力、内摩擦角、重度、坡高、坡度5个因素进行敏感性分析。在常规正交试验设计分析的基础上,借助MATLAB软件对瑞典条分法和毕肖普法这两种计算边坡安全系数的方法进行编程,并依据实例数据分别计算出边坡安全系数,然后结合极差分析、方差分析、因素间交互作用影响分析以及安全系数变化率趋势分析,对因素敏感性进行量化评价,找到这五个因素中影响基坑失稳的相对主要因素和次要因素。通过多种试验的综合分析,实例结果表明:在这五个因素中,土体的粘聚力、重度和坡高为相对主要因素,内摩擦角与坡度为相对次要因素。分析结果符合工程实践经验,能为日后类似工程提供借鉴。     

顺层岩质边坡稳定性分析

运用极限平衡法确定顺层岩质边坡在不同边坡角时的临界滑面,计算了临界滑面的安全系数,依据安全系数对边坡在不同边坡角时的稳定性进行了研究,并针对安全系数小于临界值1.35时的边坡角,研究了其在结构面倾角不断变化时,边坡安全系数的变化规律。     

坡高坡率对强夯边坡稳定性的影响研究

本文采用土的理想弹塑性本构模型,结合工程实例对某电厂强夯边坡进行了稳定性分析。而后通过改变坡率与坡高,计算各工况下边坡安全系数并绘制其变化曲线,得出了安全系数随坡高变化与坡率变化的规律,确定了坡高和斜率对边坡稳定性的影响。同时,结合现有规范,对于夯填边坡的斜率及高度的选取提出一些工程建议值,从而为工程实践提供指导。     

奉节县新城区头道河小区4号路D区高边坡有限元分析

坡体破坏过程和影响因素复杂多变,要对坡体稳定进行定量分析,必须拥有区域地质构造、地层的组成和走向等现场勘探资料.本文结合高边坡工程实例,结合地质发育特征确定了可能滑移面,计算了边坡的安全系数,并将有限元计算结果与极限平衡理论进行了对比,确定了最小安全系数以及对应的最小滑移面.本文利用软弱结构面来考虑节理裂隙对坡体稳定的影响是合理的.     

边坡主要因素对强度折减法计算精度的影响

采用强度折减法和极限平衡法对粘土边坡进行稳定性分析,并将计算所得的安全系数加以对比,进行误差分析,通过研究粘聚力、内摩擦角、坡高和坡角等指标对计算精度的影响,揭示影响计算精度的主要因素和次要因素,为以后的数值模拟研究提供有利的参考。     

奉节县新城区头道河小区4号路D区高边坡有限元分析

坡体破坏过程和影响因素复杂多变，要对坡体稳定进行定量分析，必须拥有区域地质构造、地层的组成和走向等现场勘探资料。本文结合高坡工程实例，结合地质发育特征确定了可能滑移面，计算了边坡的安全系数，并将有限元计算结果与极限平衡理论进行了对比，确定了最小安全系数以及对应的最小滑移面。本文利用软弱结构面来考虑节理裂隙对坡 体稳定的影响是合理的。     

基于有限圆弧和强度折减方法的渠道开挖临界坡度研究

 基于有限差分法,得到单元应力、应变和位移计算结果,建立以极限平衡理论为基础的有限圆弧法和以变形变化趋势为破坏标准的强度折减法,搜索出边坡临界滑动面和最小安全系数,通过算例验证及参数对计算结果的影响分析,证明所建方法应用于边坡工程的可行性。文中方法结合极限平衡方法共同应用于南水北调工程大型渠道土质边坡开挖临界坡度研究中,选取高边坡、填筑边坡、深挖方边坡3种典型的渠道边坡模式,得到安全系数随开挖坡度的变化曲线,对比分析确定出渠道边坡的临界开挖坡度。研究表明,渠道高边坡和填筑边坡对开挖坡度要求较高,相对挖方卸载,填筑加载对边坡的稳定性影响较大,文中方法具有较高准确性和合理性,弥补现存方法的不足,不但可解决大型渠道边坡设计问题,也可为类似边坡工程提供参考。