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.     

边坡和坝基抗滑稳定分析的三维矢量和法及其工程应用

 在二维矢量和法的基础上提出三维矢量和法中整体下滑趋势方向的确定方法,需首先计算整体下滑方向的初值,然后进行投影计算得到其整体下滑趋势方向及矢量和法安全系数。运用该方法对几个三维边坡算例进行分析,结果表明矢量和法安全系数与三维极限平衡法结果基本一致,且对于滑移面单元尺寸不敏感。最后,以三峡大坝26#坝段抗滑稳定性分析为工程实例,针对通过详细勘察而指定的4种滑移面进行平面矢量和分析及三维矢量和分析,结果表明三维矢量和分析结果均较二维矢量和结果要大,且深层滑移面得到的安全系数比浅层滑移面稍大,其抗滑安全系数远大于1.0,说明坝基是安全的。该方法具有明确的物理和力学意义,只需一次弹性或弹塑性数值计算,不需过多的人为假设,即可得到三维矢量和法安全系数。该方法具有三维极限平衡法及强度折减法无法相比的优势,计算过程简单,便于在工程实践中运用。     

基于独立覆盖流形方法与矢量和方法的边坡稳定性分析

 提出一种基于独立覆盖流形方法(independent cover manifold method,ICMM)和矢量和方法的边坡稳定性分析方法。该方法采用ICMM计算边坡岩土体的应力场,避免了有限元及传统流形方法复杂的前处理过程,可以方便地计算含节理断层等不连续面的复杂边坡的应力状态。在此基础上,采用矢量和方法计算潜在滑裂面的安全系数,矢量和方法基于边坡的真实应力状态和力的矢量特征,物理意义明确,而且不需要类似强度折减法的迭代计算,计算代价小。同时采用模拟退火遗传算法进行优化搜索,得到边坡的临界滑裂面。提出方法结合以上优点,可以高效精确地计算含有节理断层的复杂边坡的临界滑裂面和安全系数。4个代表性算例以及工程案例的分析应用验证了提出方法的有效性和精确性。     

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。     

应力场柱网离散法三维边坡稳定性控制分析研究

为更好地将数值方法应用于边坡稳定性计算,提出一种基于应力场柱网离散式三维边坡稳定性控制分析方法。在完成三维边坡数值计算的基础上,将三维边坡的长、宽和高所围成的最小立方体划分为m×n×k个立方体网格,并使平面位置相同的方格沿高度方向串联成m×n个条柱,构建出三维边坡条柱网格和数值计算单元网格并存的空间坐标体系。首先,通过搜索任意第i个立方网格中心点对应的数值计算单元,实现了数值应力场网格化离散;其次,提出了基于滑面上下滑方向剪应力的安全系数表达式,推导了柱网内任意滑移面上下滑方向矢量的求解方法,并建立方格网内最小安全系数的计算模型;再次,提出了基于安全系数与变形组合控制的滑移面搜索条件和搜索模式,通过搜索最符合控制条件的潜在滑移网格,得到了三维边坡空间滑移面;最后,通过典型算例,验证了该方法的可行性、合理性及优越性,并分析了空间效应对三维边坡安全系数和变形的影响,得到了可控条件下安全系数与位移相关曲线。研究结论对复杂工况下三维边坡稳定性及安全控制的数值计算研究具有重要的科学意义和应用价值。     

多层复杂滑坡的稳定性分析与支护选择

 工程中常见发育多层滑面的大型复杂滑坡，受工程边坡的改造和工程结构的作用其坡体结构与应力状态都发生改变，原有的滑面可能不再是最危险滑面，而会在原滑面的基础上形成新的最危险滑面，目前工程中对此关注不多。提出指定剪出点的稳定性核算方法，假定工后滑坡中的最危险滑面为新生滑面与原滑面的组合滑面，采用一种新的搜索方法确定坡面各点的安全系数，据此对多层复杂滑坡进行稳定性分析，在此基础上进行滑坡的支护选型并确定合理的支护设置位置，以实际工程为例详细论述该方法的应用步骤，并提出大型滑坡的支护设置原则，研究结果对大型复杂滑坡的支护选型和设计有一定指导意义。     

基于最小势能原理的三维边坡稳定性分析

针对任意形状滑裂面的均质边坡,通过定义主滑面确定滑裂面上剪切力的方向,考虑滑裂面上的剪切势能,提出一种基于最小势能原理的三维边坡稳定性分析方法。首先把滑体作为一个整体,建立三维势能函数,基于最小势能原理求出滑体虚位移d。然后通过力与位移的关系得到滑裂面上的法向力和极限抗滑力,按照安全系数的定义方式求得安全系数。通过与经典算例对比表明:该方法得出的安全系数与三维极限平衡法结果基本一致,且滑面上的剪切势能对安全系数有一定的影响。最后,工程实例的应用表明该方法具有较好的实用价值且无需划分条块及迭代,计算过程简洁,便于在工程实践中推广运用。     

边坡的弹塑性有限元可靠度分析

以弹塑性有限元理论和可靠度理论为基础,基于偏微分技术及增量初应力法,对采用Mohr-Coulomb屈服准则的边坡土体进行了弹塑性随机有限元可靠度分析,比较了基于强度折减法和基于滑面应力分析的弹塑性随机有限元分析法的异同:前者编程简单,可利用现有大型有限元计算软件计算边坡的整体可靠指标,但不能确定边坡中相应的潜在滑动面的位置,计算量较大,运算速度较慢;后者可以同时求出边坡的整体可靠指标及潜在滑动面的位置,运算速度快,但编程复杂。文中还研究了基于滑面应力分析的弹塑性随机有限元可靠度分析方法中滑面可靠指标的4种计算方法,比较了不同功能函数形式对边坡可靠指标及滑面位置的影响,指出采用考虑滑面方向的功能函数形式来求解可靠指标的方法3与基于强度折减法的可靠度分析本质相同,较为合理。     

求解边坡矢量和安全系数的三维条分法

 将潜在滑体划分成条柱,在对各条柱间力及条柱底滑面抗滑力合理假定的基础上,对条柱及滑体进行静力平衡分析,求解出各条柱的抗滑力和作用在底滑面的法向力,运用矢量和安全系数的定义,提出一种求解边坡实际受力状态的矢量和安全系数的三维条分法。算例分析表明,对于单一平面滑面或对称滑面矢量和安全系数三维条分法与相应于条间力假定的强度折减的三维极限平衡方法计算结果一致。当边坡的滑面为一般情况时,矢量和安全系数比相应于条间力假定的强度折减法的结果都要略小。     

三维简化Janbu法分析边坡稳定性的扩展

对三维简化的Janbu法进行了扩展，使得离散后在同一行上的各条块在水平横向的安全系数相等以及在同一列上的条块在水平纵向的安全系数相等，得到不同行(列)的安全系数，最后通过各条块底滑面的几何特性与受力分析给出其独立的安全系数以及各条块潜在的滑动方向。该方法拓展了传统极限平衡方法只给出坡体总体安全系数的思路，可对坡体局部稳定性和潜在滑动方向进行判定。该方法可适用于任意形状的滑面，还可分析包括考虑孔隙水压力、地质体分层、上覆载荷以及地震力等其他形式的外载。     

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。     

应变软化边坡稳定性分析方法研究

对于具有应变软化特性的岩土质边坡,如果按照峰值强度进行设计与分析,会遗留安全隐患;如果取残余强度分析,则会增加工程成本,造成不必要的浪费。因此考虑应变软化的边坡稳定性分析方法对于此类边坡的评价与治理具有重大的意义。首先基于岩土体的应变软化本构借助FLAC软件实现了边坡的渐进性破坏过程模拟;其次基于最大剪应变增量确定了边坡的滑面;基于滑面上强度参数的时空分布规律借助Matlab软件平台实现了基于矢量和法的应变软化边坡稳定性分析;然后基于材料参数沿滑面的空间分布规律提取了等效黏聚力和等效内摩擦角,并借助极限平衡法分析了边坡在渐进性破坏过程中滑面及安全系数的变化过程,用于补充上一种方法在坡体未产生明显破坏时的不足;最后将两种不同的应变软化边坡稳定性分析方法对应计算结果进行对比分析,验证了两种方法的合理性及可靠性,同时两种方法形成相应的互补关系,很好地解决了应变软化边坡稳定性的分析问题。     

Deformation and failure mechanism of slope in three dimensions

Understanding three-dimensional(3D)slope deformation and failure mechanism and corresponding stability analyses are crucially important issues in geotechnical engineering.In this paper,the mechanisms of progressive failure with thrust-type and pull-type landslides are described in detail.It is considered that the post-failure stress state and the pre-peak stress state may occur at different regions of a landslide body with deformation development,and a critical stress state element(or the soil slice block)exists between the post-failure stress state and the pre-peak stress state regions.In this regard,two sorts of failure modes are suggested for the thrust-type and three sorts for pull-type landslides,based on the characteristics of shear stress and strain(or tensile stress and strain).Accordingly,a new joint constitutive model(JCM)is proposed based on the current stability analytical theories,and it can be used to describe the mechanical behaviors of geo-materials with softening properties.Five methods,i.e.CSRM(comprehensive sliding resistance method),MTM(main thrust method),CDM(comprehensive displacement method),SDM(surplus displacement method),and MPM(main pull method),for slope stability calculation are proposed.The S-shaped curve of monitored displacement vs.time is presented for different points on the sliding surface during progressive failure process of landslide,and the relationship between the displacement of different points on the sliding surface and height of landslide body is regarded as the parabolic curve.The comparisons between the predicted and observed load e displacement and displacement e time relations of the points on the sliding surface are conducted.The classi fi cation of stable/unstable displacement e time curves is proposed.The de fi nition of the main sliding direction of a landslide is also suggested in such a way that the failure body of landslide(simpli fi ed as"collapse body")is only involved in the main sliding direction,and the strike and the dip are the same as the collapse body.The rake angle is taken as the direction of the sum of sliding forces or the sum of displacements in collapse body,in which the main slip direction is dependent on progressive deformation.The reason of non-convergence with fi nite element method(FEM)in calculating the stability of slope is also numerically analyzed,in which a new method considering the slip surface associated with the boundary condition is proposed.It is known that the boundary condition of sliding surface can be described by perfect elasto-plastic model(PEPM)and JCM,and that the stress and strain of a landslide can be described properly with the JCM.     

渗流作用下土坡圆弧滑动有限元计算

分析了土坡滑动稳定性计算的条分法及其存在问题 ,并提出了圆弧滑动的有限元法 ,以三角形单元的渗透力取代垂直条块周边的水压力 ,正确考虑了渗流方向及其力矩的影响 ,不仅提高了计算精度 ,而且连续计算渗流与滑坡 ,使计算过程简便迅速。     

Sliding surface searching method for slopes containing a potential weak structural surface

Weak structural surface is one of the key factors controlling the stability of slopes. The stability of rock slopes is in general concerned with set of discontinuities. However, in soft rocks, failure can occur along surfaces approaching to a circular failure surface. To better understand the position of potential sliding surface, a new method called simplex-finite stochastic tracking method is proposed. This method basically divides sliding surface into two parts： one is described by smooth curve obtained by random searching, the other one is po｜yline formed by the weak structural surface. Single or multiple sliding surfaces can be considered, and consequently several types of combined sliding surfaces can be simu- lated. The paper will adopt the arc-polyline to simulate potential sliding surface and analyze the searching process of sliding surface. Accordingly, software for slope stability analysis using this method was developed and applied in real cases. The results show that, using simplex-finite stochastic tracking method, it is possible to locate the position of a potential sliding surface in the slope.     

边坡力的分布特征和稳定性分析

边坡在渐进破坏过程中,力的分布和稳定性分析是值得研究的。针对推移式和牵引式边坡,分别提出了5种破坏机理,根据边坡现状特征,提出了5种推移式边坡形式;定义了破坏方向,边坡渐进破坏的特征是处于峰值应力状态的地质材料,遵循材料的破坏规律,且一步一步向前移动,一点一点发生破坏;在破坏区,沿滑面的下滑力大于摩阻力,在临界状态,材料所承受的应力达到最大值,且矢量和等于零,在稳定区和欠稳定区下滑力等于摩阻力;在整个滑面,其压力等于反力。对于条块分析,边坡渐进破坏过程中,发生剪破坏时,临界状态存在力平衡,发生拉破坏状态时,存在力矩平衡;两种破坏形式在临界状态均是应力达到材料的极限值,且矢量和为零。提出了抗滑防护措施的刚性、柔性和刚柔性设计,并指明了相应的设置位置;定义了破坏率、破坏比、破坏面积比、力学破坏和工程破坏,并以此评价边坡的破坏程度。分析了力在边坡渐进破坏过程中的规律,提出了传统基于摩阻力和下滑力之比的稳定性系数定义是值得商榷的。并以实例证明主推力法(或主拉力法)、综合位移法、富余位移法和拉破坏法是可用于工程实践的。     

三维滑裂面形状对安全系数的影响

 基于滑面正应力修正模式的假定,根据边坡的平衡条件,导出含安全系数的平衡方程组,通过反复迭代求解安全系数。假设滑面是一簇幂函数绕 y 轴旋转得到的曲面,通过变化幂函数的幂次,得到不同形状的滑面。据此,讨论滑面形状对安全系数的影响,结果表明安全系数是幂次的单值函数且存在极小值。所以,可以通过优化幂函数中的幂次得到最小安全系数对应的最危险滑面,并分析最危险滑面所对应的幂次随滑体长度的变化规律。最后,讨论三维边坡端部效应。研究结果表明：该方法能够得到更小的安全系数,最危险滑面所对应的幂次随着滑体长度的增大先略微降低后逐渐增大。端部效应分析显示：当滑体长度大于坡高10倍时,端部效应可以忽略;端部效应随着内摩擦角的增大而有所增强,随着黏聚力的增大而减弱,与边坡倾角没有关系。     

边坡全局临界滑动场(GCSF)理论及工程应用

在边坡稳定性分析时,通常采用单一的最小安全系数及其对应的临界滑动面表示边坡稳定性程度和潜在破坏范围,而忽略了安全系数稍大但潜在破坏范围更广或工程意义更重要的滑动面。临界滑动场方法不仅能够方便准确地逼近出任意形状临界滑动面,而且将所有其它危险滑动面同时显示出来,以剩余推力表示其稳定程度。本文在此基础上进行改进,提出边坡全局临界滑动场理论与建立方法。所有出口的任意形状局部临界滑动面及其安全系数都能在全局临界滑动场中反应出来,这样有利于全面合理地评价边坡的稳定性。文中将此理论验算了试验路堤,与实测结果吻合很好。最后给出工程应用实例,表明边坡全局临界滑动场理论具有一定的工程实用性。