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。     

地震动力作用下有限元土石坝边坡稳定性分析

基于地震动力时程反应和随机地震反应，用有限元边坡稳定性分析方法，分析了正弦波作用下模型坝边坡的稳定性，以此作为该方法的数值验证；而后，通过对地震动力作用下土石坝边坡稳定性的分析，对地震动力作用下影响坝体边坡最危险滑裂面位置及稳定性的动力影响因素进行了有益的探讨，并指出，地震动力作用下土石坝边坡与正弦波作用下模型坝边坡的最危险滑动面位置有所不同。     

地震作用下边坡动力系数有限元分析

地震对边坡稳定性有重要影响,地震波在坡体内会产生动力放大效应,动力系数受边坡形态的影响.采用有限元方法作边坡动力分析时,根据边坡固有频率和坡体阻尼比确定出阻尼矩阵,选取合理的计算域宽度,边界采用人工一致边界,地震加速度输到基底.动力分析结果表明,坡度越大,边坡动力系数越大,动力系数沿坡高方向是变化的,坡脚处最小,坡顶处最大,以滑裂面以上楔体重心处的动力系数作为地震作用下边坡的动力系数值较合理,对于工程上较陡的边坡来说,动力系数在1.6-1.8之间.     

圆形凸坡的稳定性分析

通过三维数值分析表明圆形凸坡的破坏模式接近于轴对称破坏,采用一般的三维破坏模式会使计算结果偏于不安全,揭示了目前三维分析方法中滑裂面形状的假设并非总是合理。构建了轴对称条件下的容许速度场,得到了内摩擦角(=0时圆形凸坡临界坡高的上限解。同时提出了轴对称破坏模式下,计算圆形凸坡安全系数的极限平衡方法。比较了圆形凸坡和长直坡的稳定性差异,圆形凸坡的相对半径越小、土体越接近于纯黏性土时两者的差异越大,坡度较小时前者较稳定,坡度较大时则相反,进而纠正了以往认为平面应变模型计算圆形凸坡偏于不安全的错误认识。     

地震作用下土质边坡可靠度分析

将地震效应以水平地震加速度的形式引进土坡的稳定性分析中，根据土条的受力平衡条件导出了任意形状滑裂面下土质边坡的安全系数表达式，并进行了稳定可靠度分析。以石家庄地区某一边坡为例，分析了土性参数和地震效应对边坡稳定性的影响。计算结果表明：土体强度指标的变异系数和地震加速度系数的变化对土坡的安全影响较为显著，对土坡的分析研究有重要意义。     

基于地震响应分析的边坡动力稳定性评价

对某一特定的边坡计算模型,采用数值计算方法进行边坡地震响应分析,比较坡体内各点及地面参考点的地震响应,可以获得边坡体的地震加速度峰值放大系数;将加速度放大系数与地面设计加速度的乘积作为该点的水平加速度,采用数值计算方法计算得到边坡的最危险应力状态;拟定系列潜在滑面,分析潜在滑面的安全系数,以评价边坡的地震动力稳定性。     

挡土墙后黏性土的地震主动土压力分析

在Mononobe-Okabe平面滑裂面假设的基础上,考虑地震加速度的放大效应,运用拟动力学的分析方法,得到考虑时间和相位变化的刚性挡土墙后黏性土地震主动土压力系数、地震主动土压力合力和主动土压力分布强度的理论公式。在此基础上,利用优化算法得到地震卓越周期中的最不利工况,分析水平和竖向地震加速度系数、内摩擦角、墙面摩擦角、挡土墙倾角和地震放大系数对最不利工况下滑动面倾角、主动土压力系数、临界深度、合力作用点和土压力分布的影响。研究表明:地震主动土压力分布为非线性;地震加速度的存在大大增加黏性土的主动土压力;挡土墙倾角和地震放大效应对临界深度、合力作用点和土压力分布都有着明显影响。     

岩质边坡最危险滑裂面的GA-Sarma算法研究

 基于现有国内外边坡极限平衡法稳定性分析软件在岩质边坡滑裂面搜索中的局限性,将遗传算法(GA)和Sarma法相结合,提出岩质边坡最危险滑裂面的GA-Sarma算法。GA-Sarma算法解决以折线形为滑面形态、以层面等结构面为边界任意条分并满足条块间边界力平衡原理、滑裂路径可追踪顺坡向不连续结构面的岩质边坡最危险滑裂面的全局优化问题。     

平面滑动型边坡极限倾角的研究

对于平面滑动型的岩质边坡,结构面对边坡的稳定性起着控制作用。在边坡设计分析过程中,如果边坡内没有确定的滑面,或者对坡体内结构面情况不明的情况下,通过对最不利滑面的极限倾角进行估算,可以作为边坡稳定性分析的依据。对传统的估算公式进行了改进,综合考虑到重力和地震的影响,分别通过极限坡高和极限安全系数给出边坡最危险滑面的极限倾角的计算公式。经过对比与分析,得出两种方法各自的适用条件。     

基于数值流形法的土质边坡动力稳定性分析

由于对NMM动力作用下边坡的稳定分析研究较少,利用数值流形法（NMM）对这一问题进行了分析研究,引入黏性阻尼来耗散系统的能量,通过算例验证了NMM求解边坡永久位移的有效性;利用地震动力时程分析得到的边坡应力场计算出了边坡的动力安全系数时程曲线,并搜索得到地震时程下最小安全系数及其对应的边坡最危险滑裂面,将该最危险滑裂面模型作为NMM的计算模型进行永久位移的计算且与Newmark法得到的结果进行对比,两者结果相近。结果表明：NMM可有效进行边坡动力稳定分析、模拟计算边坡的永久位移。     

Effizienzsteigerung von Textilbeton durch Einsatz textiler Bewehrungen nach dem erweiterten Nähwirkverfahren

Textilbeton ist ein neuer, effektiver und sehr innovativer Baustoff zur Verstärkung von Tragwerken. Im Rahmen der laufenden Forschung stehen die weitere Verbesserung des Verstärkungsverfahrens und die stetige Weiterentwicklung der Faser‐Matrix Kombination im Mittelpunkt der Untersuchungen. Aufgrund der hohen Garnzugfestigkeiten sind bei Verwendung textiler Bewehrungen aus Carbon sehr effektive Verstärkungen herstellbar. Bei ungünstiger Konfiguration der textilen Bewehrungen können jedoch verbund‐ und festigkeitsschädigende Rissbildungen innerhalb zugbeanspruchter Textilbetonbauteile auftreten. Diese Rissbildungseffekte werden in Abhängigkeit von der Belastung maßgeblich durch die wirkenden Verbundkräfte und die verarbeitungsbedingte Garnwelligkeit beeinflusst. Dabei ist die Gefahr eines Verbundversagens durch Delamination besonders in den Bereichen der Lasteinleitung in die textile Bewehrung, wie z. B. Endverankerungen und Übergreifungsstößen, kritisch. Dies führt zu einer Reduzierung der nutzbaren Zugtragfähigkeit der textilen Bewehrung im Gesamtbauteil. Um die Effizienz der textilen Bewehrung zu erhöhen, wurde daher ein verbessertes Textilherstellungsverfahren auf Basis der Nähwirktechnik entwickelt. Dadurch wird die ungünstig wirkende Garnwelligkeit deutlich reduziert. Der vorliegende Aufsatz beschreibt vergleichende Untersuchungen der Verbund‐ und Festigkeitseigenschaften zugbeanspruchter Textilbetonbauteile. Die Ergebnisse zeigen, dass mit der Entwicklung des erweiterten Nähwirkprozesses ein maßgeblicher Schritt im Hinblick auf eine weitere Verbesserung der Eigenschaften des Textilbetons erreicht werden konnte. Efficiency Increase of Textile Reinforced Concrete by Use of Textile Reinforcements from the Extended Warp Knitting Process The composite material textile reinforced concrete (TRC) is a new, effective and very innovative method for the strengthening of load bearing structures. Apart from further improvements to the strengthening methods, a continual further development of the fibre‐matrix combination is at the centre of ongoing research. Due to the high tensile strengths of textile reinforcements made of carbon, it enables very effective strengthening of concrete constructions. However, if the textile fabrics are unfavourably configured, bond and strength damaging crack formations within TRC members can occur. Depending on the load, these crack formation effects are substantially influenced by the bond and the size of yarn undulation, which depends on the processing of the fabric. The danger of bond failure by delamination, which particularly occurs in areas of concentrated load introduction into the textile reinforcement, such as final anchorages and overlaps, is especially critical. It results in a reduction of the usable tensile load bearing capacity in the entire member. For this reason, an improved textile manufacturing method based on warp knitting technology was developed. By means of this method, yarn undulation can be reduced considerably. The article on hand describes comparative examinations of the bond and strength properties of tensile loaded TRC elements. The results show that the development of the extended warp knitting process was a substantial step toward a further improvement of the properties of TRC.     

Feuchtesensoren in der Bauwerksüberwachung

Die Bestimmung des Wassergehalts und insbesondere der orts‐ und zeitabhängigen Feuchteverteilung in Baustoffen hat in der Forschung, Baustoffentwicklung, Bauwerksdiagnose und Bauwerksüberwachung einen besonderen Stellenwert. Bei der Untersuchung von Schadensursachen muss an Bauwerken in der Regel die Baustofffeuchte mit bewertet werden, da sowohl wesentliche Baustoffeigenschaften als auch die Dauerhaftigkeit von Bauwerken in entscheidendem Maße von deren Wassergehalt abhängig sind. In jüngster Zeit werden Feuchtesensoren eingesetzt, um die Funktionsfähigkeit und Dauerhaftigkeit von Instandsetzungs‐ bzw. Schutzmaßnahmen zu kontrollieren. Dies soll es dem Bauherrn ermöglichen, rechtzeitig Maßnahmen einleiten zu können, bevor Schäden infolge von Wasser‐ bzw. Chloridzutritt auftreten können. Condition Assessment with Moisture Sensors The determination of the water content in construction materials and in particular with regard to its depth and time dependent distribution is of high interest in the area of research, material development and condition assessment of structures. The assessment of the reason of damages mostly require to regard the moisture content of structures, because the moisture content basically affects material properties and the durability of structures. Recently moisture sensors have been used to control the functionality and durability of repair and protection measures. This enables the owner to carry out accurately timed measures to prevent damages due to the ingress of water and chlorides.