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<正>《土木建筑与环境工程》06/2016非线性Mohr-Coulomb破坏准则下边坡可靠上限传统边坡可靠度分析往往在岩土参数服从线性(简称线性M-C)破坏准则的假设条件下进行,并且常常采用极限平衡法或有限元法计算安全系数。然而,岩土介质破坏准则具有一定的非线性。为能更加实际地描述岩土破坏机理和得到严格精确的解,基于非线性(简称非线性M-C)破坏准则,结合极限分析上限法和蒙特卡洛法,进行边坡可靠度上限分析。当非线性参数m=l时,与等效的线性M-C破坏准则进行对比计算,验证了方法的可行性。同时,将     

基于真三轴单面卸荷强度双折减法修正D-P准则研究

为了准确地评价巷(隧)道开挖面附近围岩的稳定性,采用真三轴卸荷扰动岩石测试系统对大理岩进行不同主应力加卸载试验,研究大理岩强度参数的演化特征。基于Mohr-Coulomb(M-C)准则与Drucker-Prager(D-P)系列准则匹配关系推导分析,探讨黏聚力c、内摩擦角?和Lode参数值的变化规律,确定最大衰减路径,得出黏聚力c和内摩擦角?的强度双折减系数。研究结果表明:(1)M-C准则和D-P准则计算破坏强度的条件是主应力为对称加卸载,在最小主应力单面卸荷的条件下,其准则计算的破坏强度值偏高;(2)M-C准则通过强度双折减后计算的破坏强度值偏低;(3)基于M-C准则强度双折减法对D-P准则进行修正,计算的破坏强度值更接近实际情况。研究结果对于控制地下工程灾害、保障施工安全具有重要的指导意义。     

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。     

压力型锚杆锚固段长度确定方法研究

通过对压力型锚杆锚固段的受力分析,推导出了压力型锚杆锚固段的轴力分布和剪应力分布,以及锚固段长度的计算公式。并在此基础上进一步分析了压力型锚杆锚固段长度与岩土体弹性模量、泊松比、粘聚力以及内摩擦角等参数的关系。结果表明：锚固段长度随岩土体弹性模量、粘聚力和内摩擦角的增大而减小;随岩土体泊松比的增大几乎呈线性增加,但增幅极为有限;随拉拔荷载的增加而增加。     

各向异性随机场下的边坡模糊随机可靠度分析

土性参数具有很大的空间变异性,且在水平方向和垂直方向上差异显著。基于随机变量模型的传统边坡模糊随机可靠度分析方法并未对此进行考虑。提出一种能合理考虑土性参数空间变异性的边坡模糊随机可靠度分析方法。首先,视黏聚力和内摩擦角的均值为正态模糊数,对其取不同的λ截集水平并在各截集水平上进行参数组合。其次,利用各向异性随机场模拟土性参数的空间变异性,将有限元法和Monte–Carlo模拟相结合,计算各参数组合对应的可靠度指标。再通过数学方法得到边坡在各截集水平上的可靠度指标。最后,运用加权平均法计算边坡的模糊随机可靠度指标。算例分析表明:与水平方向的空间变异性相比,垂直方向的空间变异性对边坡模糊随机可靠度的影响更为显著;不考虑土性参数的空间变异性在一般情况下会低估边坡的模糊随机可靠度指标,但在抗剪强度参数变异性较大时,反而可能会高估边坡的模糊随机可靠度指标;此外,黏聚力与内摩擦角之间的相关性对边坡失效概率的影响趋势基本不受土性参数空间变异性的干扰。     

设垃圾坝填埋场平移破坏可靠度分析

在考虑垃圾土物理力学参数随机性的条件下,研究设垃圾坝垃圾填埋场抵抗平移破坏的稳定性。对设垃圾坝垃圾填埋场采用梯形–三楔体方法和可靠度分析方法,考虑垃圾土重度、内摩擦角及黏聚力作随机变量并且服从独立正态分布,通过一次二阶矩法可以得到垃圾填埋场边坡稳定性的可靠度指标。研究发现,岩土结构可靠度分析广泛要求可靠度指标达到3.0,为了满足这一要求,不同的破坏模式对安全系数的要求不尽相同。综合这2个指标(安全系数和可靠度指标)能够更好地评估设垃圾坝填埋场边坡的稳定性。     

考虑自相关函数影响的边坡可靠度分析

自相关函数是表征岩土体参数空间变异性的重要参数,不同自相关函数对边坡可靠度影响程度还缺乏定量地评价。给出了基于乔列斯基分解中点法的相关非高斯随机场模拟步骤,统计了抗剪强度参数自相关长度的取值范围。在考虑土体抗剪强度参数间互相关性、变异性、黏聚力和内摩擦角取不同波动范围的基础上,以摩擦/黏性土坡可靠度问题为例研究了常用的5种自相关函数对边坡可靠度的影响。结果表明：基于乔列斯基分解中点法的相关非高斯随机场模拟计算过程简便,容易编程实现,可模拟任意几何形状的随机场分布,具有较高的计算精度和效率。在参数负相关性和垂直波动范围较大、变异性较小时,不同自相关函数得到的边坡可靠度结果差别较明显。当黏聚力和内摩擦角的垂直波动范围不同时,不同自相关函数对边坡可靠度的影响非常显著。高斯型、二阶自回归型和指数余弦型自相关函数产生的随机场分布光滑度和连续性较好,较为符合实际情况,它们能够有效地描述土体参数的空间自相关性。由这三种自相关函数计算得到的边坡可靠度结果偏小。基于指数型自相关函数的随机场分布波动性较大,连续性较差,计算的边坡可靠度偏大。     

基于蒙特卡罗模拟的填方边坡可靠度分析

在工程实践中,边坡稳定的可靠度分析相比传统的确定性分析方法更具有一定的指导意义。首先简要介绍可靠度分析原理,然后运用Geo-Slope软件基于蒙特卡罗(Montecarlo)模拟法对填筑体90区(压实度为90%区域)和93区(压实度为93%区域)的抗剪强度指标粘聚力c和内摩擦角φ两个参数作为随机变量对填方边坡进行可靠度评价和敏感性分析。最后得出结论内摩擦角敏感性粘聚力敏感性。根据《滑坡防治工程设计与施工技术规范》中规定的安全系数,暴雨状况下填方边坡失效概率为37.10%。根据稳定性分级标准划为中等危险,需对其采取一定防治措施。     

考虑参数空间变异性的边坡可靠度分析非侵入式 随机有限元法

提出了考虑土体参数空间变异性的边坡可靠度分析的非侵入式随机有限元法。采用Karhunen-Loeve级数展开方法表征土体抗剪强度参数空间变异性,其中通过wavelet-Galerkin技术求解Fredholm积分方程得到相关函数的特征解。基于有限元滑面应力法计算边坡安全系数,采用随机多项式展开将隐式函数表达的安全系数替换为显式函数表达的安全系数,并编写了计算程序NISFEM。研究了所提方法在考虑土体参数空间变异性的边坡稳定可靠度分析中的应用。结果表明：提出的非侵入式随机有限元法极大地提高了考虑土体参数空间变异性的边坡可靠度分析的计算效率,为解决复杂边坡稳定可靠度问题提供了一条有效的途径。考虑抗剪强度参数空间变异性的边坡可靠度分析存在临界变异系数,其随边坡安全系数的增加而增大。当抗剪强度参数的变异系数小于临界变异系数时,忽略土体参数空间变异性将会高估边坡失效概率。当边坡安全系数小于1时,边坡失效概率并不总是随着抗剪强度变异系数的增加而增大。此外,土体黏聚力和内摩擦角随机场间相关性对边坡失效概率具有十分明显的影响。     

岩石高边坡爆破开挖损伤区岩体力学参数弱化规律研究

岩石边坡爆破开挖引起的岩体力学性能劣化对边坡稳定具有不利的影响,Hoek-Brown(H-B)准则是快速估算损伤岩体力学参数的有效途径之一。针对白鹤滩水电站左岸834～750 m高程拱肩槽边坡爆破开挖,通过分析爆破后边坡岩体的声波速度,定量确定了H-B准则中扰动因子D的取值及其随深度的变化规律,在此基础上研究了损伤区内岩体力学参数的弱化规律。研究结果表明:随着岩体深度的增加,扰动因子D线性降低,损伤区内岩体变形模量线性增大,岩体单轴抗压强度、单轴抗拉强度、内摩擦角和黏聚力非线性增大;爆破开挖扰动下岩体单轴抗压强度弱化最为严重,内摩擦角弱化程度最小。研究成果可为边坡稳定性分析与支护设计的岩体力学参数取值提供参考。     

An approximate nonlinear modified Mohr-Coulomb shear strength criterion with critical state for intact rocks

In this paper, the Mohr-Coulomb shear strength criterion is modified by mobilising the cohesion and internal friction angle with normal stress, in order to capture the nonlinearity and critical state concept for intact rocks reported in the literature. The mathematical expression for the strength is the same as the classical form, but the terms of cohesion and internal friction angle depend on the normal stress now, leading to a nonlinear relationship between the strength and normal stress. It covers both the tension and compression regions with different expressions for cohesion and internal friction angle. The strengths from the two regions join continuously at the transition of zero normal stress. The part in the compression region approximately satisfies the conditions of critical state, where the maximum shear strength is reached. Due to the nonlinearity, the classical simple relationship between the parameters of cohesion, internal friction angle and uniaxial compressive strength from the linear Mohr-Coulomb criterion does not hold anymore. The equation for determining one of the three parameters in terms of the other two is supplied. This equation is nonlinear and thus a nonlinear equation solver is needed. For simplicity, the classical linear relationship is used as a local approximation. The approximate modified Mohr-Coulomb criterion has been implemented in a fracture mechanics based numerical code FRACOD, and an example case of deep tunnel failure is presented to demonstrate the difference between the original and modified Mohr-Coulomb criteria. It is shown that the nonlinear modified Mohr-Coulomb criterion predicts somewhat deeper and more intensive fracturing regions in the surrounding rock mass than the original linear Mohr-Coulomb criterion. A more comprehensive piecewise nonlinear shear strength criterion is also included in Appendix B for those readers who are interested. It covers the tensile, compressive, brittle-ductile behaviour transition and the critical state, and gives smooth transitions.     

等向强化–软化Drucker-Prager材料强度参数演化

Drucker-Prager屈服准则中压力相关系数α和黏聚剪切强度k的实测结果少有报道。根据同一组致密砂岩三轴压缩试验,同时测试Mohr-Coulomb准则中的内摩擦角φ和黏聚力c以及Drucker-Prager准则中的压力相关系数α和黏聚剪切强度k。测试结果显示,描述岩石内摩擦性质的参数φ和α随着塑性变形的增长而增长,但是增长速率逐渐减小;描述岩石胶结性质的参数c和k在岩石初始屈服后会先上升至峰值,然后随着塑性变形的增长从峰值逐渐下降。同时,从5种常用的Mohr-Coulomb准则与Drucker-Prager准则转换关系中,通过同一组三轴压缩试验结果寻找到吻合程度最高的换算关系。Drucker-Prager材料强度参数的变化将来可应用到岩土类材料的数值计算中来模拟材料的强化和软化性质,同时也可以为Mohr-Coulomb准则参数与Drucker-Prager准则参数转换提供一定参考。     

水平矩形浅锚极限抗拔力分析

在对锚板极限抗拔力进行分析时,既有研究手段和方法基本上都建立在相关联流动法则和岩土体材料的线性破坏准则基础上,然而大量实验成果证实岩土体材料一般并不遵循相关联流动法则且破坏准则具有非线性,因而现有极限抗拔力计算结果往往偏大。在上限定理的基础上,根据非相关联流动法则和非线性破坏准则,分别通过修正岩土材料的抗剪强度参数c*,φ*引入非关联流动法则和通过"切线法"引进非线性抗剪强度指标ct,φt的方法,研究了水平矩形浅埋的极限抗拔承载力问题。研究结果表明:岩土体材料的剪胀特性和岩土材料破坏准则的非线性对锚板基础的承载能力和稳定性有着重要的影响,因而客观评价岩土体材料的真实力学特性将更加符合工程实际。     

考虑微观莫尔-库仑准则的拓展虚内键本构模型

拓展虚内键本构模型（augmented virtual internal bond-AVIB）蕴含了微观断裂机理,在模拟材料断裂破坏过程中有着较强的优势,它还不能很好地模拟岩土材料的压剪破坏的力学行为,这限制了它在岩土工程中的应用。为了突破这一局限性,在微观虚内键层面上引入了莫尔-库仑类型的虚内键破坏准则,来模拟岩土材料宏观压剪破坏行为。数值分析表明：通过引入这一微观莫尔-库仑准则,可以很好地再现岩石材料三轴受压情况下的强度特征,并且在大量数值模拟基础上,得出了微观内摩擦角和黏聚力与宏观内摩擦角和黏聚力之间的关系。该关系为本模型的参数标定提供了依据。     

考虑固废强度非线性的填埋场地基承载力分析

基于幂函数准则描述了固废的非线性强度特性,并分析了该准则随强度参数的变化规律。与基于摩擦角修正的非线性Mohr-Coulomb准则和二次函数非线性强度准则进行了对比,并探讨了将幂函数准则换算为线性Mohr-Coulomb准则得到的黏聚力和内摩擦角随应力的变化规律。通过与一系列直剪试验结果对比,验证了幂函数准则预测固废非线性强度的合理性。基于所建立的非线性强度准则,对填埋场地基承载力进行数值模拟,并通过与基于线性强度准则模拟结果对比,获得了固废强度非线性对承载力的影响规律。参数分析结果表明,地基承载力值对强度准则指数参数的变化更敏感。     

考虑中主应力影响倾斜填土面朗肯土压力参数的敏感性分析

挡土墙后填土面为倾斜时,朗肯土压力理论应用很少。经典的各种土压力理论是基于Mohr-Coulomb强度准则得出的,没有考虑中主应力的影响。首先推导了填土面倾斜时的朗肯主动和被动土压力的计算公式;根据平面应变假设确定了中主应力σ2=ν(σ1+σ3),在此基础上推导了统一强度理论下的材料强度指标计算公式,利用该公式可将Mohr-Coulomb强度准则下的材料强度指标转化为考虑中主应力效应的统一强度理论下的材料强度指标;最后通过一算例采用正交试验设计对反映中主应力影响的中间主剪应力系数、泊松比、填土面倾角、黏聚力、内摩擦角、重度6种因素进行了敏感性分析。结果表明:影响朗肯主动土压力强度的6种因素从大到小分别为:重度、中间主剪应力系数、黏聚力、内摩擦角、倾角、泊松比;影响朗肯被动土压力强度的6种因素从大到小分别为:内摩擦角、中间主剪应力系数、泊松比、黏聚力、倾角、重度;中主应力对朗肯土压力计算结果的影响是一个不可忽视的重要因素。     

基于三种强度准则下地基承载力的计算

现行地基承载力计算公式未考虑中主应力的影响,也未考虑侧压力系数K0的影响。基于平面强度理论,推导出SMP、Lade、M-C三大强度准则的统一表达式,进而推导出基于统一表达式的考虑K0变化的塑性界面方程,详细对比了三大准则在考虑K0及不考虑K0时塑性界面的特性。研究了内摩擦角、黏聚力及超固结度对于临塑、临界荷载的影响。结果表明:现规范采用的方法计算的临界荷载与同时考虑中主应力和K0变化的SMP准则得到的结果仅在内摩擦角较小时计算结果类似。临界荷载和临塑荷载随着内摩擦角或黏聚力的增大而增大。超固结度对于临塑荷载的影响很小,但对于临界荷载影响较大,且随着内摩擦角的增大而增大。     

有压隧洞围岩最小覆盖层厚度弹塑性力学分析

水工隧洞的最小覆盖层厚度受到多方面因素的影响,如何确定最小覆盖层厚度是水工隧洞设计中必须重视的关键点之一.针对传统的最小覆盖层厚度算法的不足,本文提出了基于采用弹塑性力学方法的优化算法.该优化算法综合考虑了黏聚力、内摩擦角、地质强度指标、施工扰动等因素的影响,得到的最小覆盖层厚度更加符合实际情况.根据水工隧洞运行期的受...     

基于广义Hoek-Brown非线性破坏准则的节理岩体地基承载力研究

 针对节理岩体非线性破坏特征,发展基于Hoek-Brown破坏准则的临界滑动场理论进行节理岩体地基承载力的计算。首先将Hoek-Brown准则的剪切强度逐点等效到Mohr-Coulomb强度线上,求得每点的瞬时内摩擦角和瞬时黏聚力;在此基础上,改进基于Mohr-Coulomb准则的临界滑动场理论,建立新的迭代算法,将Hoek-Brown强度准则与临界滑动场理论结合起来,求解被动土压力和地基承载力。同时,综合分析GSI和mi值对地基承载力的影响。算例对比分析结果表明,该方法能迅速准确地确定节理岩体地基最危险破坏滑面并得到相应的地基极限承载力值。     

Effect of spatial variability on stability and failure mechanisms of 3D slope using random limit equilibrium method

It is well known that soils are prone to spatial non-uniformity, which affects evaluations of slope stability and failure mechanisms. This paper presents a probabilistic slope stability evaluation, considering the 3D spatial variation in the soil properties, by the random limit equilibrium method (RLEM). Specifically, 3D random fields of cohesion c, friction angle ?, and soil unit weight γ are generated using a fast Fourier transform. The RLEM is applied to evaluate the effects of the 3D spatial variability of the soil properties on slope stability and failure mechanisms. A Monte Carlo simulation is used to interpret the slope reliability and variation in slope failure dimension. Based on the critical slip surface passing different portions of a slope (slope base, inclined face, and crest), four main failure mechanisms (two base failures and two face failures), and one additional failure mechanism (toe failure), are identified for spatially variable slopes, and the corresponding distributions of the stability number (N_s) and sliding volume (V) are investigated in detail. The results show that the large variation in the soil properties induces changes in the failure mechanisms, and a threshold of c-? values is found for a shift from base failure to toe failure. Lastly, associated sensitivity studies are performed to explore the effects of the uncertainties of the input parameters on the uncertainty of the output. The results estimated by partial Spearman correlation coefficients show that cohesion has the greatest influence on the stability number, and that a positive influence of the unit weight, contributing to slope stability, is found for a base failure mechanism.