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。     

边坡稳定分析的一些进展

本文介绍近年在用极限平衡法与有限单元法 ,分析边坡稳定性方面的一些进展 ,在基于极限平衡的解析法上 ,我们导出了多阶斜坡的稳定安全系数与滑裂面角度的计算公式。这对岩质边坡的设计有很高的实用意义。导出了目前采用的各种条分法的统一计算公式。对于非严格条分法 ,用一个平衡方程并假设条间力的作用方向 ,即能求得安全系数 ;对严格条分法 ,用二个平衡方程 ,并假设条间力的作用方向或条间力的作用点位置 ,就能求出安全系数。统一式是一简单的迭代式 ,因而计算简便 ,并有很高精度。提出了两种用有限元法求边坡稳定安全系数的方法 :一种基于极限平衡法 ,对土质边坡采用圆弧搜索法 ,对岩质边坡采用在滑移面上布置节理单元的方法。另一种采用有限元强度折减法 ,便于采用大型软件 ,是一种很有前途的求边坡稳定安全系数的新方法。     

边坡稳定分析的一些进展

本文介绍近年在用极限平衡法与有限单元法,分析边坡稳定性方面的一些进展,在基于极限平衡的解析法上,我们导出了多阶斜坡的稳定安全系数与滑裂面角度的计算公式。这些岩质边坡的设计有很高的实用意义。导出了目前采用的各种条分法的统一计算公式。对于非严格条分法,用一个平衡方程并假设条间力的作用方向,即能求得安全系数;对严格条分法,用二个平衡方程,并假设条间力的作用方向或条间力的作用点 位置,就能求出安全系数。统一式是一简单的迭代式,因而计算简便,并有很高精度。提出了两种有限元法求边坡稳定安全系数的方法：一种基于极限平衡法,对土质边坡采用圆弧搜索法,对岩质边坡采用在滑移面上布置节理单元的方法。另一种采用有限元强度折减法,便于采用大型软件,是一种很有前途的求边坡稳定安全系数的新方法。     

饱和–非饱和介质水–应力耦合弹塑性二维有限元分析

从建立应力平衡方程、水连续性方程和弹塑性矩阵入手,使用Galerkin方法,将各控制方程分别在空间域和时间域进行离散,初步开发出了一个用于分析饱和–非饱和孔隙介质中水–应力耦合弹塑性问题的二维有限元程序。通过引入一组特定的与非饱和状态有关的计算公式,对一个假定的非饱和土体中水–应力耦合问题进行了数值计算,考察了不同时间土体中的位移、孔隙水压力、有效主应力、流速和塑性区的分布,定性验证了该程序的正确性。     

基于刚性块体离散的边坡稳定极限分析法

针对边坡稳定分析这一岩土力学的经典问题,放弃通过极限平衡等式方程和引入假定来直接求解边坡安全系数的传统思路,在建立边坡极限状态机构一般性构建方法的基础上,依据塑性力学上下限定理,以界面力或速度为主要变量,以应力许可静力场或运动许可位移场的基本要求为约束条件,在不引入任何假定的前提下,将求解边坡安全系数的问题转化为求解安全系数上限、下限解的优化数学问题,通过上下限值逐渐逼近安全系数,形成了完整统一的边坡稳定极限分析方法体系。该方法体系由于没有引入任何假定,不仅使边坡稳定分析方法具备了更为严密的理论基础,而且可方便地推广到三维领域。通过6个代表性算例验证了该方法计算结果的准确性、可靠性以及工程应用的合理性、可行性。     

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。     

基于Morgenstern-Price法边坡三维稳定性分析

 工程中边坡滑裂面通常都是三维空间上的一个曲面,采用传统的二维稳定性分析方法对其进行分析与实际不符。Morgenstern-Price极限平衡条分法(M-P法)是最严密的边坡二维稳定性分析方法,将其拓展并引入边坡三维稳定性分析中。通过类似于M-P法的条间力假定,建立一种新的边坡三维稳定性分析方法—基于M-P法边坡三维极限平衡分析法。给出2个验证算例,与现有几种方法对比计算结果表明：该法不仅计算结果更可靠,而且力学模型更为严谨,计算公式简便且易于编程,可在边坡工程设计及滑坡治理中推广应用。     

饱和-非饱和介质水-应力耦合弹塑性二维有限元分析

从建立应力平衡方程、水连续性方程和弹塑性矩阵入手，使用Galerkin方法，将各控制方程分别在空间域和时间域进行离散，初步开发出了一个用于分析饱和-非饱和孔隙介质中水-应力耦合弹塑性问题的二维有限元程序。通过引入一组特定的与非饱和状态有关的计算公式，对一个假定的非饱和土体中水-应力耦合问题进行了数值计算，考察了不同时间土体中的位移、孔隙水压力、有效主应力、流速和塑性区的分布，定性验证了该程序的正确性。     

基于有限元应力载荷宏观刚性滑裂面极限平衡抗滑稳定计算理论

针对重力坝深层复杂滑面抗滑稳定计算存在问题,以彻底消除人为假设因素为目标,提出有限元应力载荷宏观刚性滑裂面力学模型,创立矢量力投影方向极值原理,构建微观有限元应力和宏观极限平衡融合的客观定量稳定计算理论模型,给出重力坝深层抗滑稳定弹塑性有限元应力荷载作用下,宏观刚性滑裂面极值投影方向极限平衡方程和能量极值条件方程,得到既满足平衡条件又具有能量极值特征的稳定安全系数客观定量解。通过算例考证,阐明基于投影方向极值原理的有限元应力宏观极限平衡稳定计算理论的合理可靠性。成果对于重力坝深层抗滑稳定客观定量计算、完善坝基与边坡稳定统一分析理论具有重大理论研究意义和工程推广使用价值。     

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。     

对称边坡三维稳定性计算方法

提出一种适合对称或近似对称边坡的三维稳定性计算方法。首先,根据简单的平衡条件,假设三维滑面正应力的初始分布;然后,用含有2个待定参数的修正函数对其进行修正,根据三维对称滑体的3个平衡条件,导出含安全系数及待定参数的平衡方程组,进而化简为关于安全系数的3次代数方程;最后,得到三维安全系数的显式计算公式。该方法的优点是不需考虑条柱间具体的作用力、严格满足三维平衡条件、计算过程简单。算例分析表明,初始正应力的假设与修正函数的选择对最终安全系数结果的影响不大,从而可保证该方法的合理性与有效性。     

Dynamic centrifuge model tests and material point method analysis of the impact force of a sliding soil mass caused by earthquake-induced slope failure

Dynamic centrifuge model tests and associated analyses are carried out to develop a procedure for simulating the slope failure process during earthquakes and to evaluate the force of a sliding soil mass impacting a structure. This impact force is successfully measured in the dynamic centrifuge model tests using a slope height of 50 m in the prototype scale. The results of a pseudo-static limit equilibrium analysis, assuming a circular failure plane, show that a stability analysis can be an effective tool for evaluating the critical acceleration under which the slope failure starts, although it is not applicable for evaluating the runout distance or the impact force of the sliding soil mass to the structure. Therefore, an attempt is also made in this study to examine the applicability of empirical equations for evaluating the impact force by comparing the evaluated impact force using Hertz’s equation and an empirical equation based on fluid mechanics with the measured ones. The comparison reveals that these simple equations would not be able to estimate the impact force well, even though parameter setting is required for applying the equations. On the other hand, it is also found from a relevant analysis that the material point method (MPM) is an effective tool for simulating the failure behavior of a slope and for evaluating the impact force of a sliding soil mass induced by a slope failure.     

陡倾层状岩质斜坡极限平衡稳定分析

针对自然界中的层状岩质滑坡绝大部分呈现出明显的三维形态特征,在倾倒破坏极限平衡二维推导分析方法的基础上,考虑层状岩质斜坡的三维受力状态,进行三维力系的简化与等效,提出了考虑三维受力的倾倒分析方法,在考虑真倾角方向的倾倒极限平衡分析中,将层状岩质滑坡近似为悬臂梁处理。并以重庆鸡冠岭滑坡为例进行验证分析。计算结果表明:1自然状态下,鸡冠岭斜坡处于稳定状态;2地下采空状态下,鸡冠岭煤层上覆岩层逐层发生倾倒破坏,并挤压下伏阻滑关键块体,导致关键块体剪出破坏后形成滑坡。该分析结果与实际情况基本一致。     

考虑土拱效应的挡土墙地震主动土压力静力研究

 在Mononobe-Okabe拟静力学理论的基础上,对挡土墙后填土进行应力分析,根据静力平衡求得滑裂面水平倾角。再结合土拱效应原理采用水平层分析法,对处于正常受力状态的填土微元体进行应力分析,并根据静力平衡和力矩平衡建立方程组,从而求得适用范围更广的地震作用下墙后土体的主动土压力、土压力系数、土压力合力作用点位置等的计算公式。利用数值方法分析土内摩擦角、墙土面摩擦角以及水平和竖向地震系数对滑裂角、主动土压力、土压力系数、土压力合力作用点位置的影响,并将计算结果与其他计算方法所得结果以及试验结果进行对比分析。     

三维边坡严格与准严格极限平衡解答及工程应用

分别推导出满足所有6个平衡条件三维边坡严格极限平衡解答和满足5个平衡条件的三维边坡准严格极限平衡解答。假定空间滑面上正应力初始分布,对于严格解,用含5个参数的修正函数对其修正;对于准严格解,则采用含4个参数的修正函数。严格平衡方程组最终化为关于三维安全系数的六次代数方程,通过调节滑动方向和转动系数使修正后滑面正应力为正,从而得到有意义的严格极限平衡解答;而准严格平衡方程组最终化为关于三维安全系数的四次代数方程,其最大解析实根为准严格极限平衡解答,且只需调节滑动方向,计算过程更为方便实用。算例计算结果表明,三维边坡准严格解答与严格解答十分接近,对工程问题可直接采用准严格解答。该方法计算原理简单,易于编程实施,计算结果精度高,且适合任意形状空间滑面。应用该方法对重庆乌江银盘水电站左岸坝肩边坡及坝基岩体进行三维稳定性分析,克服了二维稳定性分析的局限性,计算结果更为合理可靠,为坝基与坝肩加固设计提供理论依据。     

基于流形方法和图论算法的岩/土质边坡稳定性分析

目前边坡稳定性分析常用的极限平衡法存在着不能考虑实际岩土体的应力应变关系,假设过多等缺点,强度折减法也存在着需要重复计算工作量大,计算容易不收敛,难以考虑边坡应力路径影响及较难直接得到滑裂面等不足。从边坡的应力状态出发,借助基于物理覆盖系统、能较好统一连续和不连续分析的数值流形方法,得到土质边坡或存在着较多不连续面的岩质边坡的应力场分布,并将边坡稳定性分析转化为图论问题,利用Bellman-Ford搜索算法快速稳定地寻找出边坡的安全系数和最危险滑裂面。该方法无需做过多假设及迭代计算,可以反映边坡的应力路径影响,较好地统一岩质/土质边坡稳定性分析。     

一般条分法的加速度系数显式解

对于边坡稳定性分析中的加速度系数方案,根据条底法向力方程,对条底法向力进行假定,使得假定后的条底法向力具有2个待定参数。与传统的条间力假定相比,该假定理论根据更充分,物理意义更明确。通过假定后的条底法向力来化简可能滑动体的3个整体极限平衡(水平方向、垂直方向力的平衡和力矩平衡)方程,得到加速度系数Kc的线性代数方程,其根为严格满足可能滑动体整体平衡条件的一般条分法加速度系数Kc的显式解。参与计算的有关参数尽管偏多,但都是简单的代数求和。因此,在不损失计算精度的同时,大大简化了一般条分法在严格意义下计算加速度系数Kc的过程。以此为基础,建立了一种求解安全系数Fs的方法。算例分析表明,所给一般条分法的加速度系数显式解是正确的,所给方法是合理有效的。     

瑞典条分法剖析引发的有效应力和渗流力概念问题

瑞典条分法在土力学教学和边坡工程设计中有着广泛的影响。针对其两种有效应力分析表达式,通过剖析土条底面法向有效应力的推求过程及对比分析计算结果发现：在理论上,两种表达式都不适用于一般渗流条件下的边坡稳定分析;实用上,也存在明显离散的计算误差。其原因分别在于：以土体为研究对象时,忽略了土条侧面的水压力;以土骨架为研究对象时,忽略了渗流力的作用。进一步分析微单元体平衡微分方程的结果表明, Taylor 提出的分析渗流对土骨架有效应力影响的两种等效处理方式,即以土体为研究对象,考虑饱和重力与周界上水压力的方式;或以土骨架为研究对象,考虑有效重力与渗流力的方式, 可以在刚体极限平衡分析方法中运用,例如条分法。 但是, 在涉及渗流 - 变形耦合分析的诸如边坡渗流稳定和固结问题的解析和数值方法中,只能以土体为研究对象,而不能以土骨架为研究对象、运用渗流力的概念进行分析。究其原因在于：在 渗流条件下,物理上,有效应力不是应力变量;有效应力和确定渗流力的孔隙水压力分别是决定土骨架的变形和强度以及流场的相互依赖的、非独立的应力状态变量。