土坡稳定分析Morgenstern-Price法的有效应力形式

Morgenstern-Price法是广泛应用的土坡稳定分析严格法,原文采用总应力形式,用孔隙水压力系数计算渗流场内各点水压力,间接计算土体有效应力。因浸润线以下土条内水重力与土条左侧面、右侧面、底面水压力合成为渗流力,土体受力分为两部分:一部分是土体的浮重力及侧面有效土压力,另一部分是水体作用的渗流力。基于此重新分析了土条受力,沿用Morgenstern-Price原文推导方法建立有效应力形式的力平衡和力矩平衡表达式,以及安全系数和比例因子的新求解算式,最后采用朱大勇简便方法求解安全系数和比例因子。应用2个算例的8种计算工况对新建立的Morgenstern-Price法的有效应力形式进行验证,结果与原总应力形式计算结果相近,证明该方法正确。     

土坡稳定分析Spencer法的有效应力形式

Spencer法是广泛应用的土坡稳定分析方法,原文采用总应力形式,用孔隙水压力系数计算渗流场内各点水压力,间接计算土体有效应力。因浸润线以下土条内水重与土条左侧面、右侧面、底面水压力合成为渗流力,土体受力分为两部分:一部分是土体的浮重及侧面有效土压力,另一部分是水体作用的渗流力。基于此重新分析土条受力,沿用Spencer原文推导方法建立有效应力形式的力平衡和力矩平衡表达式,求解有效应力形式的安全系数,形成土坡稳定分析Spencer法的有效应力形式。根据均质各向同性土坡渗流场中流线分布呈坡顶、坡面和坡底近似多段式折线的简化形式,对Spencer原文中的两个经典算例进行验证计算,并对另一算例应用SLOPE/W进行验证计算,计算结果显示:提出的Spencer法有效应力形式所得边坡稳定安全系数值与原文总应力形式计算结果相近。建立的Spencer法的有效应力形式为边坡稳定分析提供一种评价方法。     

考虑渗流作用的土坡稳定分析Fellenius法和简化Bishop法

通过对土条进行严格的力平衡分析,论证了土条浸润线下等体积水的重力与外表面水压力的合力为渗透力。由此得出土坡稳定分析中正确考虑渗流作用的方式是:当以水土混合体为研究对象时,应考虑土体周围孔隙水压力而不考虑渗透力;以土骨架为研究对象时,应考虑渗透力而不考虑孔隙水压力;用孔隙水压力分析时须与土体饱和重度相对应,用渗透力分析时须与土体浮重度相对应。将均质各向同性土体的稳定渗流场中流线简化为平行于浸润线的直线簇,分别将水土组合体和土骨架作为研究对象,经严格的力学分析和数学推导,得到渗流作用下经典土坡稳定分析方法中Fellenius法和简化Bishop法的安全系数求解式,对所得的安全系数计算式的对比分析可知,两种方法在本质上是一致的。采用该文方法的实例计算结果与严格条分法的计算结果的对比表明:考虑渗流作用的Fellenius法和简化Bishop法在滑坡分析中是可行的。     

粒间应力、土骨架应力和有效应力

有效应力的概念和有效应力原理对于土力学具有奠基性的意义。但对于诸如"有效应力是虚拟的应力还是真实应力","有效应力方程是否需要修正"等问题在土力学界一直存有争议,尚没有形成共识。在明确有效应力就是不包含孔隙流体压强作用的土骨架应力的基础上,由土颗粒间力的平衡分析和土骨架单元体的平衡分析得到有效应力与总应力以及孔隙流体压强关系的表达式。对于饱和土,这一表达式就是Terzaghi的有效应力方程。表明Terzaghi的有效应力是真实的物理量,具有明确的物理意义,Terzaghi的有效应力方程不需要做任何修正。文中阐明了有效应力、粒间应力和土骨架应力的物理意义及其相互关系。说明在分离考虑孔隙流体压强作用的情况下,有效应力、粒间应力和土骨架应力三者可以是一致的,即不包含孔隙水压强作用的粒间应力和土骨架应力就是有效应力。土骨架应力可以分成孔隙流体压强产生的土骨架应力和有效应力两部分,两者都对土体的变形和强度有贡献,但是作用效果不同。在孔隙流体压强作用对土体的变形和强度的贡献可以忽略的条件下,有效应力决定土的变形和强度。     

饱和土的土骨架应力方程

因为作用效果不同，土骨架的内力可以分成两组不同的平衡力系，即孔隙水压强引起的骨架内力和外荷载引起的骨架内力。分别以土骨架和孔隙水作为独立的分析对象，通过微元体的平衡分析导出饱和土的平衡微分方程，由此得到饱和土的土骨架应力方程，即有效应力方程。说明有效应力方程的物理本质是相间力的相互作用； Skempton 通过颗粒间作用力分析导出的有效应力的修正公式是不适当的；按照抗剪强度等效或者体积变形等效得到的有效应力表达式也完全可以用骨架应力和孔隙水压强来表达。     

考虑应力渗流耦合作用下含结构面边坡稳定分析

基于非饱和土强度理论与简单条分法,分析了渗流作用下土坡稳定性降低的机理;运用GTS软件通过接触单元考虑结构面,建立应力渗流耦合作用下含结构面土坡稳定分析模型;采用强度折减法与极限平衡法进行渗流边坡稳定分析。结果表明:运用单纯塑性贯通区来判定土坡失稳存在不足之处;数值计算安全系数采用强度折减法与极限平衡法计算结果非常接近,可运用极限平衡法进行安全系数求解;结构面与土中水渗流对边坡的变形、应力和稳定性影响显著,边坡稳定分析要充分考虑结构面和渗流的影响。     

渗流作用下层状饱和土有效应力计算方法的研究

在分析渗流作用下单层土体有效应力性状的基础上 ,研究了渗流作用下层状饱和土体有效应力计算的方法。为便于计算 ,把渗流作用下的有效应力分为自重有效应力和渗流有效应力两部分分别进行计算。     

柔性桩黏性土的非极限主动土压力

以柔性桩支护的黏性土基坑边坡为研究对象,考虑桩后土拱效应、非极限状态下桩土内摩擦角和黏聚力发挥值、桩后土体内摩擦角和黏聚力发挥值的影响,从黏性土应力莫尔圆出发,采用微层分析法建立静力平衡,搜索桩后土体潜在滑动面,推导柔性桩黏性土的非极限主动土压力计算式。通过实例计算对比分析了本文计算理论与经典Rankine计算理论,本文计算方法计算得到的主动土压力大于Rankine计算值,合力作用位置高于Rankine计算值,潜在滑动面范围小于Rankine极限状态滑动面。     

边坡稳定性分析的一种新条分法

本文为边坡稳定性分析提出一种属于非严格条分法的新条分法。该方法能用于滑动面为任意形态(包括局部上凸和前部反翘)的边坡,能保证土条界面不处于受拉状态也不违反土体破坏准则,能适应端部有水平力的情形,对包括端部有水平力情形在内的直线形滑动面的边坡等效于单块力平衡方程,对无外加水平力的圆弧形滑动面的边坡等效于简化毕肖普法,且计算过程较简单。结果表明,该方法有较高的计算精度。     

锚固边坡稳定性分析有限元模型及锚固效应的探讨

锚固边坡具有锚固结构与土体变形协调的特点,而用条分法分析边坡稳定性时因土体刚体假设无法考虑结构与土体共同作用的本质,存在低估锚固效应的问题。提出了一种有限元法分析锚固边坡的方法,考虑在有限元模型中采用点锚式和全长粘结式杆单元模拟实际锚固结构的自由段和锚固段,注浆加固体采用接触单元,在土体和结构共同作用和接触变形协调的应力计算的基础上,结合条分法稳定性系数概念,对锚固结构考虑粘结强度或抗拉强度,对土体考虑剪切破坏强度,可得出工程分析所需的锚固边坡稳定性系数。研究结果表明:有限元法所得滑动面深度较条分法更深,稳定性系数更大,其有效锚固长度也存在一定的差异。     

HDPE土工膜端部张拉力的大规模实测数据分析

 垃圾填埋场边土工膜主要受到温度应力和垃圾压缩引起的张拉力的作用，为评价垃圾填埋场防渗系统中高密度聚乙烯(HDPE)土工膜的温度应力和垃圾填埋压缩引起的端部张拉力，以短纤维无纺布、HDPE土工膜组成防渗系统，进行大规模现场试验。试验结果表明：伴随环境温度的下降，HDPE土工膜中产生温度应力，当填埋高度较小时作用在HDPE土工膜端部的张拉力主要为温度应力；随着填埋高度的增加，压缩引起的HDPE土工膜端部张拉力增大。用有限元算法对压缩引起的端部张拉力进行分析，并采用温度与HDPE土工膜张拉力的关系对温度应力进行分析。计算结果与实测结果的对比情况表明，考虑填埋压缩引起的张拉力的应力松弛后计算结果更加接近实测结果。     

地下水位上升引起斜坡变形的完全耦合分析

降雨是导致斜坡破坏的主要原因。地表水冲蚀与渗入、地下水运动都可能引发松散斜坡破坏。地下水位上升和地下水在土中渗流引起土体应力状态变化是导致斜坡在降雨过程中或降雨后变形与破坏的关键因素。本文采用完全耦合有效应力分析程序和与状态相关的剪胀性砂土模型模拟斜坡因地下水位变化而发生的变形。通过逐步改变初始和终止地下水位间土单元中孔隙水的密度模拟地下水位上升的效应。完全耦合方法可以模拟孔隙水和土骨架间漂浮和渗透的相互作用。本文分别模拟松散斜坡、回填压实斜坡和填石斜坡等3种斜坡的性能。分析结果表明:填土密度和斜坡排水条件是影响斜坡因地下水位上升而变形和破坏的重要因素。     

应用ABAQUS程序进行渗流作用下边坡稳定分析

 为进行渗流作用下的边坡稳定性分析,需考虑渗流场与应力场之间的相互耦合作用。ABAQUS有限元程序具有良好的渗流和变形耦合分析功能,能将渗流场和应力场直接进行耦合,故采用ABAQUS有限元程序结合强度折减技术进行稳定渗流作用下边坡稳定分析,得到边坡整体稳定安全系数,且利用该程序强大的后处理功能,可揭示坡体内渗流浸润面和最危险滑动面的形状和位置,为验证该方法的可靠性,与基于传统极限平衡理论的瑞典条分法和简化的Bishop法进行对比分析。实例计算结果表明,基于ABAQUS的有限元强度折减法克服传统极限平衡法的缺点,计算结果更为合理可靠,是进行渗流作用下边坡稳定这一复杂问题分析的有效方法,可为工程实践提供参考依据。同时,就土体渗透性强弱对渗流浸润面位置及边坡稳定性的影响进行大量的分析和比较,并通过计算表明有限元模型边界的选取对渗流浸润面位置及边坡稳定性都会产生影响,因此有限元建模应合理地选取计算边界。     

考虑渗流的基坑边坡稳定分析

系统地总结了,目前基坑边坡稳定验算中常用的几种考虑渗流力的方法.在深入探讨地下水渗流对基坑边坡稳定作用机理的基础上,提出有限元法与条分法相结合的新方法.该方法采用条分法进行基坑边坡的稳定性分析;采用有限元法计算基坑周围的渗流场,求出作用于各土条上的渗流力并将其参与到稳定验算中.通过对以上几种计算方法的比较,阐明了各种方法的优劣及其适用条件.     

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.     

论土骨架与渗透力

指出了土骨架的定义、成分即所占据的空间;认为土力学就是研究土骨架的力学性质及其影响因素的学科。用大量的例子,形象地说明土骨架的溃散所造成的严重后果。从土的颗粒出发解释了土中水的渗透力的机理,推导了渗透力的计算公式。特别指出,通常所谓的"渗透力就是渗透水流对于土骨架的拖曳力"的说法是不全面的。     

山体滑坡泥石流的地震力算法与防治

近来山体滑坡泥石流地质灾害频繁,而且与地震和降雨密切相关.因此提出常规地震力计算的一个改进算法,即在考虑地震加速度惯性力的同时再补充一项地震波持续振动产生的超静渗透力,它将减轻土体的有效重,更加容易滑坡.对于风化带乱石土层山坡,以平行坡面的直线滑动面为例,分别推导了下雨浸水饱和与非饱和情况下的浅层滑坡计算公式.经过比较不同坡比,地震加速度和超静渗透力的计算结果,常规计算不考虑超静渗透力时,抗滑安全系数会有高达25%的误差;当山坡下雨浸水饱和时,安全系数再减半,更易滑坡,在降雨迳流下必然形成泥石流.提出了几项防治措施,并介绍防治成功的工程实例.     

考虑吸附膨胀应力影响的煤层瓦斯流-固耦合渗流数学模型及数值模拟

已有研究表明,煤吸附瓦斯后要发生相应的膨胀变形,而当这种膨胀变形受到一定的限制时,将会产生膨胀应力。为此,在考虑煤吸附瓦斯产生膨胀应力的前提下,根据煤体受力平衡条件建立考虑吸附膨胀应力的煤体有效应力表达式,并根据流–固耦合渗流理论的基本思想,建立煤层瓦斯流–固耦合数学物理模型。采用有限元和有限差分相结合的方法对模型进行离散化处理,并对其进行模拟求解。和未考虑吸附膨胀应力的流–固耦合模型的模拟结果进行比较分析,研究成果表明,未考虑吸附膨胀应力的流–固耦合模型计算的压力下降较该模型要小,两种模型的模拟结果存在一定的差别,从而表明在煤层瓦斯流–固耦合数学模型中应考虑吸附膨胀应力的影响。