一种边坡稳定性分析的三维极限平衡法及应用

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,提出一种适用一般空间形态滑面的边坡三维极限平衡法。首先通过类比经典土压力理论和Spencer的条间力假定,提出了条柱间作用力假设模型,由典型条柱的平衡条件得到滑面正应力的分布函数(含3个待定参数),再根据整个滑体的4个主要平衡条件建立平衡方程,采用数值方法和解析法求解平衡方程组获得三维安全系数。算例验证研究结果表明：该方法计算结果与已有方法相印证,其精度与严格三维极限平衡法相当,适用于任意空间滑面形态。最后,应用该方法初步评价金坪子II区边坡的整体稳定性,取得较理想的效果。该方法理论严谨,结果可靠,计算过程简单且易于编程,可在边坡工程设计及滑坡治理中推广应用。     

旋转非对称边坡三维安全系数计算

基于滑面正应力修正模式,推导出旋转非对称边坡三维极限平衡安全系数显式解答。首先假设三维滑面正应力的初始分布,然后乘以含2个待定参数的修正函数;根据滑体竖直方向力平衡、垂直滑动方向水平力平衡及对旋转轴力矩平衡的条件,导出关于安全系数的2次代数方程;得到三维安全系数的显式解。本方法不需考虑条柱间具体作用力,满足主要平衡条件,计算过程简单,可应用于实际边坡工程。     

考虑条间力合理性的不平衡推力法改进

不平衡推力法是我国独创的一种边坡稳定性分析方法,因其计算简单,并且可以计算边坡推力而被广泛运用.但传统不平衡推力法的条间力物理意义不明确,是剩余下滑力的简单代替,在特殊工况下可能出现条间剪力超出抗剪强度的不合理现象,无法满足边坡合理性条件,并且安全系数误差较大,偏于不安全.极限平衡条分法模型是一个静不定模型,力的解答有无数种可能,而不平衡推力法只是其中一种.该文在不平衡推力法的基础上提出一种改进方法,该法根据整体性安全系数在边坡任一点都相同的原理,令条间剪力取得条间抗剪强度,并按照滑动面抗滑力相同的折减系数进行强度折减,确保条间力始终满足合理性条件.通过理论分析和人工算例计算表明:改进方法的计算过程物理意义明确,相较于传统不平衡推力法,在多种不同角度变化的滑动面计算结果误差更小,可求得更大的滑坡推力,能够为边坡加固提供更为准确有效的参考.     

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。     

基于矢量法安全系数的边坡与坝基稳定分析

滑动是一个矢量概念,基于矢量法安全系数的边坡与坝基抗滑稳定的矢量分析法,以边坡与坝基的整体抗滑稳定性为研究对象,根据边坡与坝基的整体滑动趋势方向确定安全系数的计算方向θ,在方向θ上由抗滑力与滑动力的矢量特征定义矢量法安全系数F(θ),以F(θ)进行边坡与坝基的抗滑稳定分析.在边坡与坝基的荷载和滑裂面已知的情况下,运用有限元法计算滑裂面上的真实应力分布,滑裂面上各处静滑动摩擦力合力方向的反方向就是θ,沿此θ方向F(θ)的求解公式直接根据滑裂面上的真实应力分布情况和莫尔-库仑强度准则导出.矢量法安全系数F(θ)的定义以力的矢量分析为基础,具有明确的物理和力学意义,求解时不需要引入过多的人为假定,并以显式格式求解,计算过程简便,便于工程应用.运用矢量分析法法求解ACADS两道标准考题算例的F(θ),得到与考题标准答案一致的结果;应用矢量分析法法求解三峡工程3#坝段坝基抗滑稳定问题的F(θ),计算结果与已有的有限元强度折减法模拟该坝段坝基渐近破坏的定性分析成果相吻合.通过实例分析表明矢量分析法的可行性和工程实用性.     

边坡强度参数非等比例相关联折减法研究

为了克服现有双折减系数法确定双安全系数的不足,在强度参数分布服从线性衰减假定的基础上,推导黏聚力折减系数与内摩擦角折减系数之间的非等比例相关关系;将此关系引入传统的有限元强度折减法中,提出有限元强度参数非等比例相关联折减法;借助ABAQUS有限元数值计算软件实现了基于场变量的有限元强度参数非等比例相关联折减法,从而提高有限元法求解边坡双安全系数的效率;为了在双安全系数的基础上表征边坡的整体安全储备,提出以抗剪强度参数对抗滑力的贡献为权重的综合安全系数;最后结合算例,通过对比分析3种不同折减方式下边坡的滑面位置及综合安全系数,验证了该方法的合理性及可靠性。     

边坡稳定安全系数计算方法探讨

计算边坡稳定安全系数的方法主要有四种：超载计算法、强度折减计算法、基于滑动面应力分布的计算法以及矢量和计算法。针对四种安全系数的定义,采用理论分析方法明确了每类方法的原理,并且指出了每类方法的优势和不足,可供工程人员在计算边坡稳定安全系数时参考。研究表明,下滑力超载储备安全系数只考虑增加下滑力而忽略抗滑力的作用明显不符合力学规律,现有规范已不推荐采用该方法进行边坡稳定性分析。在强度储备法分析中,虽然存在对岩土体材料黏聚力和摩擦因数同比例折减与两者在抗滑稳定分析中所体现的力学特性不符合的缺陷,但是该方法已在工程实践中得到合理性检验,不管是在理论研究还是在工程应用,该方法都将会是主流方法。基于滑面剪应力的有限元法分析中,其安全系数定义滑面为非直线或非圆弧情况下没有明确的物理力学意义。矢量和法基于力的矢量特征,在下滑方向上求解边坡的稳定安全系数,具有一定的优势,但是该方法也存在几个关键问题亟待解决,比如下滑方向的确定、评判标准的应用及下滑推力的计算等,若能有效解决这些问题,该方法在边坡稳定性分析才能有强大的生命力和发展应用前景。     

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。     

基于矢量理论边坡稳定性分析方法

目前滑坡及陡坡路堤稳定性分析通常采用基于极限平衡理论的传递系数法(剩余下滑力法),该方法运用条分法的思想,假设上块滑体剩余下滑力沿本块滑面的方向作用于下块滑体。本文基于极限平衡和条分法的思想,引入矢量理论提出了边坡稳定性分析计算的新方法,该方法将每个条块的自重应力沿滑面方向分力和滑面的抗滑力都置于同一个直角坐标体系中,然后通过矢量运算,根据矢量运算结果和最终矢量象限的位置,即可定性和定量判定边坡稳定性。不需要计算剩余下滑力的传递系数,通过与传递系数法计算比较,表明该方法是合理的,计算简洁,适用性强。     

用于边坡稳定分析的改进通用条分法

在极限平衡理论的基础上,考虑外部因素(水、拉裂缝、外荷载)与加固措施(锚杆、锚索、土工织物、土钉)对边坡的作用,推导出能模拟各种极限平衡方法的改进通用条分法(IGLE)理论体系,并编写了相应的计算程序-Rslope。运用改进通用条分法(IGLE)模拟了不平衡推力法,并对不平衡推力法(强度储备法)与不平衡推力法(超载法)的安全系数与剩余下滑力进行了精度分析,给出了使用建议。针对工程人员容易混淆剩余下滑力与条间力的情况,对条间法向力与剩余下滑力的水平分力进行对比分析,结果表面二者没有必然联系或者规律。运用Rslope程序与商品化软件slide、SLOPE/W进行了算例分析,对比了自动搜索圆弧滑面、折线型滑面、加固后的边坡安全系数,结果具有很好的一致性。     

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。     

滑面正应力分布对边坡安全系数的影响

极限平衡法计算边坡安全系数的结果依赖于滑面正应力分布的假设，研究滑面正应力分布对安全系数的影响具有重要的理论意义。采用五点插值三次样条函数构造出滑面正应力多种分布形式，分别求解对应的满足整体力和力矩平衡条件的安全系数，比较其差别，并验证其内力分布的合理性。算例研究表明，滑面正应力分布的不同对边坡安全系数影响差别达19％左右；验证条间力分布合理性后，其差别可减小到7％以内。     

岩质高边坡稳定性分析与评价中的四个准则

对于岩质高边坡而言,其潜在滑动面上力学参数的合理性、边坡开挖后需要的整体加固力以及计算的边坡安全系数与实际边坡安全储备的接近程度将直接影响岩质高边坡工程的安全性与经济性。从现有的确定边坡潜在滑动面力学参数的反演分析方法入手,指出其存在的局限性,提出边坡潜在滑动面力学参数最小取值准则;在此基础上,根据开挖岩体的总压力充其量是诱发边坡失稳的全部不利荷载的思路,提出边坡最大主动加固力准则。将潘家铮的上、下限原理应用于边坡的数值分析与稳定性评价,提出数值法进行稳定性分析评价的安全系数上、下限准则,并将其在工程评价中进行验证与推论。该研究可为工程设计人员进行有效经济地选择岩质高边坡加固方案提供宏观判据与基本原则。     

简化Bishop法严格性的论证

尽管简化Bishop法忽略了条间剪力,且不严格满足平衡条件,但其计算圆弧滑面的安全系数与其他严格条分法安全系数十分接近,这是边坡理论中长期未解之谜。研究结果表明,尽管简化Bishop法公式中没有出现条间剪力,但不意味着条间剪力实际为0,而是其某种组合式为0。因而可找出一组条间剪力分布,既使滑体整体满足所有平衡条件,又使这种条间剪力组合式为0。因此,简化Bishop法实质上已自行满足严格平衡条件,因而它也可称为“严格条分法”。     

加固土坡的抗滑桩内力计算新方法

根据土坡与桩相互作用过程中的位移特性 ,提出了一种加固土坡的抗滑桩内力计算新方法 ,该法由于不用假设作用于抗滑桩上的荷载分布形式而与传统的计算方法相区别 ,同时给出了具体分析过程 ,算例分析表明 ,该法是一种值得继续研究的方法。     

岩锚解耦测试及其边坡稳定性计算

通过分析边坡坡体在锚固预应力作用下的受力特点，认为应将边坡稳定性计算分为锚固体与坡体的耦合和解耦2个阶段进行，并分析了解耦阶段、锚固力的组成及其作用特点。分析结果表明，解耦阶段的锚固力大小与边坡不稳定体沿潜在的弱面位移有直接关系。结合预应力锚索框架加固边坡的实际特点，进行锚索拉力及梁底土压力的长期观测，验证解耦阶段的实际存在。将锚固体与坡体解耦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体间的剪切阻力，并假设边坡土体均匀、锚固边坡体系是一个平面应变问题，从而导出以岩土体沿潜在滑面位移为基础的解耦阶段边坡稳定性计算方法。该方法考虑边坡和锚索的实际工作状态，故计算结果较以往算法更切合实际，并给出实际算例加以验证。     

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。     

微型抗滑桩双排单桩与组合桩抗滑特性研究

 通过3组大型模型试验,研究微型抗滑桩双排单桩与组合桩在加固边坡时的抗滑特性。边坡位移监测结果表明,微型抗滑桩能提供较大的抗滑力,降低变形速率,对边坡有较好的加固效果;组合桩加固效果更佳,较单桩抗滑力提高6.8%。桩体破坏有3种形式：桩体弯曲、桩土脱空、桩体断裂;双排单桩裂纹倾角较大,为65.7°,呈弯–拉破坏;组合桩裂纹倾角为33.9°,呈拉–剪破坏;后桩裂纹宽度较前桩大。双排单桩桩体自由段土压力沿桩身呈“S”型分布;后桩承受土压力大于前桩,前后桩最大土压力之比为0.53∶1～0.50∶1;桩前滑面层位存在桩土脱空区,土压力最大值在滑移面上10%桩长附近;桩体嵌固段土压力在下滑力较小时呈倒三角形分布;当土压力较大时呈矩形分布。组合桩由于连梁作用,前桩桩顶产生较大的正弯矩,桩身最大负弯矩出现在滑面附近,前后桩最大负弯矩之比为0.67∶1～0.80∶1。     

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。     

平卧“支撑拱”锁固滑坡动力学机理与稳定性判据

滑坡在渐进性变形过程中。因滑床或滑坡侧翼位置局部未贯通部位的存在，或滑坡启动以后受前进方向“柬口状”地形的约束，滑体变形受限制或运动制动，不能充分失能，从而在这些受限约束部位形成由松散岩土体组成的平卧“支撑拱”结构。“支撑拱”结构的形成，相当于滑坡变形的锁固段，它一方面阻挡拱后向下滑移的堆积物，使它在这一带压密、隆起，成为滑体中的应力集中部位；同时又通过拱圈将滑体中心的部分下滑推力传递至两侧拱座，使拱座成为应力相对更为集中的部位。一旦土体中孔隙水压力的增高，使土拱与拱座基岩接触面间的抗剪强度降低到一定程度，将导致某一个拱座失稳被突破，整个拱圈崩溃，进而引起“支撑拱”上部滑体的突然滑动。根据物理模型实验应力分析，滑体中“支撑拱”结构表现为拱顶凸向坡体上方的“最大主应力拱”，而在其上方一定高度范围内还出现拱顶凸向坡体下方的“最小主应力拱”，据此建立了“支撑拱”的计算模型。假定滑坡岩土体为刚塑性体，在考虑滑体自重力、滑面抗剪强度与滑坡两翼摩阻力的共同作用下，以及最小主应力拱引起的滑体中应力重分布的情况下，确定了“支撑拱”(最大主应力拱)上的均布荷载：根据拱的塑性极限平衡条件，建立了拱稳定性的判据：并定量分析了拱效应出现的条件、拱保持最大与最小稳定性的条件以及各种影响因素。