边坡地震稳定性分析的拟静力方法适用性研究

针对拟静力方法是否适用于水平设计加速度值较大条件下的地震边坡稳定性分析问题,选取两个典型均质土坡,分别采用极限平衡毕晓普方法与FLAC 2D强度折减方法进行了不同水平设计加速度条件下,地震边坡抗滑稳定性安全系数以及临界滑动面的变化趋势,研究结果发现:对于粘聚力较小的均质土坡而言,无论是极限平衡毕晓普法还是FLAC 2D强度折减法,静力条件下的临界滑动面较浅,随着水平设计加速度值的逐渐增大,地震边坡抗滑稳定安全系数逐渐减小,极限平衡毕晓普法得到临界滑动面基本保持不变,FLAC 2D强度折减法得到的剪应变云图逐渐变窄;对于粘聚力较大而摩擦角较小的均质土坡而言,静力条件下的临界滑动面较深,两种方法下,随着水平设计加速度的增加,抗滑稳定安全系数逐渐减小,临界滑动面逐渐加深,当水平设计加速度值增加到一定程度后,拟静力方法不再适用于地震边坡稳定分析。     

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。     

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。     

有限元边坡稳定安全系数的影响研究

在边坡稳定性有限元分析中,常将安全系数定义为沿某一特定滑面的抗滑力与下滑力之比。针对该定义下分析结果表现出来的不合理现象,将纯粘土圆弧滑面边坡解析解与该定义下的数值解进行对比分析,结果表明泊松比对边坡稳定安全系数影响较大,当泊松比接近0.5时,边坡安全系数与解析解完全一致。典型算例分析也验证了这个规律,表明在一般情况下泊松比对该定义下的边坡安全系数也有相同的影响规律。     

边坡非圆临界滑面确定之动态规划法研究

临界滑面的确定一直是边坡稳定性研究的关键,而边坡临界滑面一般为非圆型式,目前国内外还未能满意地解决非圆临界滑面的确定问题。基于Ｊａｎｂｕ法,利用动态规划理论成功地解决了非圆临界滑面的确定及相应安全系数的求算问题。该方法可以考虑地下水及地震对边坡稳定性的影响,尤其对于复杂地质条件边坡稳定性分析,与目前国内外同类方法相比具有非常明显的优越性,完善了边坡临界滑面确定之理论。     

边坡稳定性的解析计算

对于边坡的平面和圆弧形滑裂面，采用解析方法建立了边坡安全系数的正确的解析表达式。对于平面滑动，给出了边坡的临界滑裂面和最小安全系数的解析算式：对于圆弧滑动，利用函数取极值的条件，提出了通过求解一个二元代数方程组来获得边坡的临界滑裂面和屉小安全系数。作为算例，对于纯粘性土边坡(φ=0)，建立了确定边坡临界滑裂面的迭代算式，并计算了某些边坡的临界滑裂面和最小安全系数。     

顺层岩质边坡稳定性分析

运用极限平衡法确定顺层岩质边坡在不同边坡角时的临界滑面,计算了临界滑面的安全系数,依据安全系数对边坡在不同边坡角时的稳定性进行了研究,并针对安全系数小于临界值1.35时的边坡角,研究了其在结构面倾角不断变化时,边坡安全系数的变化规律。     

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.     

基于矢量和方法的边坡稳定性分析中整体下滑趋势方向的探讨

矢量和分析方法是基于力是矢量这一基本概念的分析方法,其关键在于确定边坡真实应力分布状态及整体下滑趋势方向。在边坡一定的受力条件下,利用有限元方法得到边坡应力分布状态后,不同定义的下滑趋势方向就可以得到不同的边坡滑面位置及其对应的矢量和法安全系数,通过分析,提出了3种确定整体下滑趋势方向的方法并分别对固定滑面、非固定滑面及均质边坡圆弧滑面的搜索等进行了探讨,计算结果表明:由潜在滑面各点极限抗滑能力确定的边坡整体下滑趋势方向在临界滑面位置的搜索方面是合理的。最后给出了边坡矢量和分析方法平面问题与三维问题安全系数的统一表达式,公式简洁,容易编制程序并容易被工程技术人员掌握和应用。因此该方法在工程实践中有望得到广泛的应用。     

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。     

滑坡加固系统中沉埋桩的有限元极限分析研究

采用有限元强度折减法，针对一边坡工程实例进行沉埋桩单桩加固边坡的有限元极限分析，研究了桩长、桩位与潜在滑面、边坡的安全系数及桩身内力之间的关系，研究了边坡滑体与滑带强度之间不同的比例关系与桩长、边坡安全系数的关系。研究结果表明，沉埋桩设在合适的位置上采用较短的桩就可使边坡达到设计要求的安全系数，桩身内力也较全长桩降低，表明沉埋抗滑桩具有良好的应用前景，但是也受到边坡次生滑动面的位置、滑体与滑带强度比例以及桩位置等因素的制约。沉埋桩加固边坡设计中若不考虑这些制约因素，有可能导致工程失败。     

土体结构极限承载力的有限元分析

 在平面应变条件下,采用增量加载有限元方法求解土体结构的极限承载力,以弹塑性有限元计算不收敛作为达到极限破坏状态的判别标准;在得到土体应力场的基础上,用有限元边坡稳定分析中的滑面应力分析法验算土体结构在达到极限破坏状态时安全系数是否趋近于1.0,同时搜索相应的临界滑动面,与增量加载直到土体结构破坏获得的滑动面比较,并分析二者与经典Prandtl解破坏机构的差异。计算结果表明：屈服准则的选取对计算结果的影响很大,对于无自重的边坡和地基,在非关联流动法则下采用 Mohr-Coulomb 匹配圆准则或者在关联流动法则下采用Mohr-Coulomb内切圆屈服准则时,所得到的结果与经典Prandtl解相近;但是在非关联流动法则下采用Mohr-Coulomb匹配圆准则得到的滑动面与经典Prandtl解破坏机构不一致,极限状态下的安全系数也不为1.0;在关联流动法则下采用Mohr-Coulomb 内切圆屈服准则时,其极限状态下的滑动面与有限元稳定分析方法搜索得到的滑动面相近,与经典Prandtl解破坏机构一致,同时在该极限荷载下土体结构沿临界滑动面的安全系数Fs趋近于1.0。对于有自重的边坡,同样在关联流动法则下采用Mohr-Coulomb内切圆屈服准则时,其极限状态下的滑动面与有限元稳定分析方法搜索得到的滑动面一致,在该极限荷载下土体结构沿临界滑动面的安全系数Fs趋近于1.0,说明此屈服准则下求得的极限承载力是土体结构严格意义上的真正的承载力。     

土体结构极限承载力的有限元分析

在平面应变条件下,采用增量加载有限元方法求解土体结构的极限承载力,以弹塑性有限元计算不收敛作为达到极限破坏状态的判别标准;在得到土体应力场的基础上,用有限元边坡稳定分析中的滑面应力分析法验算土体结构在达到极限破坏状态时安全系数是否趋近于1.0,同时搜索相应的临界滑动面,与增量加载直到土体结构破坏获得的滑动面比较,并分析二者与经典Prandtl解破坏机构的差异。计算结果表明：屈服准则的选取对计算结果的影响很大,对于无自重的边坡和地基,在非关联流动法则下采用Mohr-Coulomb匹配圆准则或者在关联流动法则下采用Mohr-Coulomb内切圆屈服准则时,所得到的结果与经典Prandtl解相近;但是在非关联流动法则下采用Mohr-Coulomb匹配圆准则得到的滑动面与经典Prandtl解破坏机构不一致,极限状态下的安全系数也不为1.0;在关联流动法则下采用Mohr-Coulomb内切圆屈服准则时,其极限状态下的滑动面与有限元稳定分析方法搜索得到的滑动面相近,与经典Prandtl解破坏机构一致,同时在该极限荷载下土体结构沿临界滑动面的安全系数Fs趋近于1.0。对于有自重的边坡,同样在关联流动法则下采用Mohr-Coulomb内切圆屈服准则时,其极限状态下的滑动面与有限元稳定分析方法搜索得到的滑动面一致,在该极限荷载下土体结构沿临界滑动面的安全系数Fs趋近于1.0,说明此屈服准则下求得的极限承载力是土体结构严格意义上的真正的承载力。     

考虑参数空间变异性的边坡稳定可靠性有限元极限分析

当土性参数空间变异性较大时,极限平衡法得到的滑移面不尽合理。阐述了基于广义变分原理的有限元极限分析方法,采用混合有限元方法,构筑了线性应力三角形单元与线性速度三角形单元,结合强度折减法与线性规划算法,建立了边坡稳定安全系数上下限分析方法,分析了土的抗剪强度参数空间变异性对边坡稳定性的影响,并与3种典型极限平衡法进行了对比。结果表明,FELA方法可有效搜索边坡临界滑移面,并给出安全系数的严格上下限。对于简单均质边坡,有限元极限分析与极限平衡法结果接近,极限平衡法结果大多位于极限分析的上下限内;对于空间变异性较大的边坡,有限元极限分析法可以有效搜索可能的多种临界滑移面,而极限平衡法则存在显著偏差,且往往高估滑坡风险。强度参数的空间变异性还导致边坡安全系数分布形式变化显著,仅采用安全系数无法反应这一变化。根据安全系数的分布形式,给出了土性参数设计值建议。     

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。     

基于非线性破坏包络线的三维边坡稳定性分析

The effects of nonlinearity of strength envelopes on 3D slope stability analysis are investigated.A power relation for the nonlinear envelope is employed to derive the 3D factor of safety equations of an extended Spencer method hich satisfies boty force equilibrium and moment equilibrium.Then,a search procedure is presented based on dynamic programming to determine the 3D critical slip surface for a general slope,Linear and nonlinear strength envelopes used for slope stability computations are obtained by fitting curves to the 103 strength data of consolidated-undrained(CU)triaxial compression tests for compacted Israeli clay.Results of a typical 3D problem show that a linear approximation of the nonlinear strength envelope may lead to a significant overestimation of calculated safety factors.     

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。     

基于模拟退火算法的边坡临界滑面搜索方法

 总结一般情况下滑动面应该满足的基本规律,这些规律在进行滑面优化时对临时产生的滑面起到约束作用。利用非线性有限元法得到坡内真实应力场,将模拟退火算法这一人工智能型非数值优化方法与边坡稳定的有限元方法相结合,探讨基于有限元分析方法的边坡最小安全系数及任意形状临界滑动面的搜索技术。针对临界滑面的搜索过程中,随机生成的初始滑面或试算滑面难以满足滑面几何约束条件这一缺陷,采用动态搜索域的概念,使变换过程局部化,计算效率大为提高。计算的结果表明：该算法找到全局最优解,并且真实再现某些情况下,圆形或其他非圆形式的临界滑动面。     

基于有限元应力的三维边坡稳定性分析

在有限元应力分析的基础上,采用剪应力定义的安全系数来评价边坡稳定性也是较常用的一种分析方法。针对简单三维边坡体,将该方法得到的数值解与其推导出来的解析解进行对比分析,结果表明,材料泊松比对滑体的应力分布及安全系数计算均有一定的影响,当泊松比逐渐接近于0.5时,采用该方法得到的简单边坡体的数值解与解析解完全一致。最后将该方法应用到具体岩质高边坡工程实例中,并与有限元强度折减法进行对比分析,结果显示2种方法的计算结果具有较好的可比性。     

基于三维非线性有限元的拱坝坝肩稳定分析

 刚体极限平衡法不能反映岩体中实际的应力分布,而基于有限元的强度折减系数法在判断收敛性方面也存在一些问题。为了解决这些问题,采用多重网格法,分别建立用于有限元计算的结构网格和用于计算滑面稳定安全系数的滑面网格。基于有限元计算的应力结果,通过插值获得滑面的受力分布情况,然后可以方便地计算得到任意滑面或滑块的稳定安全系数,从而将非线性有限元和刚体极限平衡分析方法结合起来。为了改善计算的收敛性和提高非线性求解的精度,非线性有限元计算采用一种基于Drucker-Prager准则的理想弹塑性增量分析方法,无论是对于小荷载步长还是大荷载步长,弹塑性计算均具有很好的收敛性。该方法已经集成到三维非线性有限元分析程序TFINE中,在分析了插值方法和网格密度对计算结果精度的影响基础上,将该方法应用于某水电站高拱坝坝肩的稳定分析中。计算结果分析以及与刚体极限平衡法结果的对比表明,由于考虑了计算过程中的非线性应力调整,所提出方法的计算结果虽然比刚体极限平衡法偏大,但更符合实际情况。