有限元强度折减法在土坡与岩坡中的应用

通过有限元强度折减，使边坡达到破坏状态时，滑动面上的位移将产生突变，产生很大的且无限制的塑性流动，有限元程序无法从有限元方程组中找到一个既能满足静力平衡又能满足应力．应变关系和强度准则的解，此时不管是从力的收敛标准，还是从位移的收敛标准来判断有限元计算都不收敛，因此采用力和位移的收敛标准作为边坡破坏的判据是合理的。对有限元强度折减法的计算精度和影响因素进行了详细分析，包括屈服准则、流动法则、有限元模型本身以及计算参数对安全系数计算精度的影响，并给出了提高计算精度的具体措施。研究表明：采用徐干成、郑颖人(1990年)提出的摩尔一库仑等面积圆屈服准则求得的稳定安全系数与传统Spencer法的误差在5％左右，证实了其实用于工程的可行性。在平面应变条件下则可采用摩尔匹配DP准则。该文还将此法应用于岩质边坡的稳定分析，得到了岩质边坡的滑动面和安全系数，开创了求节理岩质边坡滑动面与稳定安全系数的先例。     

岩质边坡稳定塑性极限分析方法——斜分条法

基于塑性极限分析上限定理,依据岩质边坡沿某一滑裂面滑动破坏时,在其内部产生沿陡倾角结构面(断层、节理和层面)的剪切破坏现象,建立了岩质边坡极限分析斜分条法破坏模式。进一步根据滑体处于极限状态时的虚功率方程,推导得出了斜分条后岩质边坡的塑性极限分析稳定系数计算公式。采用超载系数的方法,将稳定系数表示在块体所受的极限荷载,避免了隐式出现,有效地简化了公式推导。以锦屏一级水电站右岸边坡为例进行了稳定性分析。计算表明,结论较为合理,对于具有倾斜界面的岩质边坡稳定性评价具有重要意义。     

节理边坡锚杆加固效应分析

基于强度折减的拉格朗日差分法,对某公路节理岩质边坡建立数值模型,分析对边坡稳定性构成威胁的滑动面和不稳定体,研究锚杆支护对该滑动面和不稳定体运动的控制作用。计算结果表明,在未支护前,该边坡安全系数为0.67,处于不稳定状态,边坡滑动面为两组节理结构面切割形成的贯通面。采用相间锚杆对边坡进行支护后,安全系数提高到1.29,锚杆有效地控制了滑体的滑移,增大了边坡的安全系数,提高了边坡的稳定性。     

岩质边坡破坏机制有限元数值模拟分析

岩质边坡的稳定性主要由其结构面控制，采用有限元强度折减法对岩质边坡破坏机制进行了数值模拟分析。计算表明，破坏“自然地”发生在岩体抗剪强度不能承受其受到的剪切应力的地带。分析表明，根据塑性力学破坏原理，采用有限元强度折减法有助于对岩质边坡破坏机制的理解。算例表明了此法的可行性。     

页岩路堑边坡稳定性的有限元强度折减法分析

采用理想弹塑性本构模型和 Drucker-Prager 准则,建立了页岩路堑边坡的有限元法数值计算模型;利用有限元分析结果,提出了采用强度折减法原理计算边坡的稳定安全系数的方法。通过对岩石进行强度折减,当边坡达到不稳定状态时,有限元计算将不收敛,此时的折减系数就是边坡的安全系数。该法不仅可以较简便地分析出岩石边坡的稳定性安全系数,同时可以较直观地得到边坡破坏时的滑动面位置及形状。文中还针对某山区高速公路的典型页岩路堑高边坡进行稳定性分析和计算,为边坡的开挖和防护方案提出了参考性建议。     

强度折减法进行公路隧道边仰坡稳定性分析

隧道洞口段边仰坡的破坏经常是引起洞口坍塌、构筑物开裂破坏的主要原因,因此隧道洞口段边坡的稳定性是隧道设计和施工时必须认真对待的问题.针对隧道洞口处不同边仰坡形式,运用有限元强度折减法,通过对边仰坡非线性有限元模型进行强度折减,使边坡达到不稳定状态时有限元静力分析不再收敛,得到边坡的稳定性系数,同时得到边仰坡破坏的滑动面及破坏过程.通过数值模拟结果和实际工程结果的对比,证明有限元强度折减法在隧道边仰坡稳定性分析中有重要意义.     

基于ABAQUS强度折减法的边坡稳定性分析

将大型有限元软件ABAQUS与强度折减有限元法相结合,对边坡的稳定性进行了分析.将折减系数以场变量的形式赋予ABAQUS,动态显示塑性区发生发展的过程.当塑性区贯通且位移和应变发生突变时,边坡处于破坏的临界状态,将此时的折减系数作为边坡的最小稳定系数.通过对工程实例的稳定性分析,并与传统的极限平衡法相比较,证明了该方法可以准确地预测滑动面位置及稳定系数;并对采用关联和非关联流动法则时边坡的稳定性进行了对比分析,发现采用前者时的稳定系数比采用后者时稍微偏高.     

利用有限元强度折减法分析岩质边坡的稳定性

基于有限元强度折减法,利用ANSYS有限元软件,对岩质边坡在地应力作用下进行了稳定性分析。选用D-P屈服准则,以边坡的位移计算不收敛及塑性区贯通作为边坡失稳判据,得到边坡的安全系数及破坏滑动面。通过与成熟的极限平衡法做比较,证明边坡稳定性安全系数是合理的,从而也说明强度折减法在岩质边坡稳定性分析中的优越性。     

岩土破裂过程分析RFPA离心加载法

将离心加载算法引入到岩石破裂过程分析RFPA系统中,形成了RFPA离心加载法(RFPA-Centrifuge)。RFPA-Centrifuge的应力分析采用有限元基本算法,满足静力平衡、应变相容及岩土体的非线性应力–应变关系;秉承了RFPA系统的破坏分析功能,并且同样考虑材料细观非均匀的影响,对边坡等难点问题进行分析时,不需对滑动面或破坏区域做任何预先假定。通过对垂直土坡离心物理试验、倾斜的土坡、含两组平行节理岩质边坡和不同截面形状隧道的数值试验,证明该法可以直观、逼真地获得岩土结构的破坏区域或滑移破坏面,同时求得安全储备系数,分析结果与物理的试验和有限元强度折减法均比较一致。RFPA-Centrifuge不仅回避了强度折减法中有关力学参数复杂的折减规则,还克服了强度折减法难以用物理试验进行相互验证的不足,因而是一种极具前景的岩土工程稳定性分析方法。     

考虑拉伸屈服强度折减的节理岩质边坡抗震稳定性分析

传统的强度折减法未对材料的抗拉强度进行同时折减,在其对含节理面岩质边坡进行稳定性分析过程中,求得的安全系数具有较大的误差,未考虑拉破坏屈服的安全系数大于考虑拉破坏屈服的安全系数.在考虑拉伸屈服强度折减理论分析基础上,采用考虑拉伸破坏的M-C准则对含结理面岩质边坡进行稳定性分析,给出塑性区的分布及发展规律,求得安全系数.并基于此采用拟静力法对地震荷载作用下含节理面岩质边坡进行分析,得出在地震荷载作用下结构的安全系数降低,塑性区分布更广,从而降低了结构的安全储备,对工程应用具有指导意义.     

节理岩体边坡模糊稳定性分析方法研究

节理岩体边坡失稳破坏同时受控于节理与岩体抗剪强度。在对具有两组平行节理的岩体边坡失稳破坏机制研究基础上，探讨节理岩体边坡几何物理参数为模糊数情况下边坡稳定性评价的分析方法，给出节理岩体边坡模糊安全系数的计算公式，编制基于潜在滑动面自动搜索边坡模糊稳定性研究程序。算例研究成果表明，采用模糊分析方法可以对节理岩体边坡稳定性有更全面客观的了解，能为潜在不稳定边坡的稳定性评价和锚杆设计等提供重要的参考依据，避免发生由于计算参数不确定性引起的加固节理岩体边坡破坏情况。     

节理岩体隧道的稳定分析与破坏规律探讨——隧道稳定性分析讲座之一

以往研究人员在进行节理岩体隧道稳定性分析时大都仅限于分析位移、应力、塑性区的大小及分布,不能明确看出其破裂面位置与范围,更无法得到安全系数定量标准。本文通过模型试验与数值分析方法将节理岩体隧道稳定性引入到定量分析。从强度及稳定性出发,运用有限元强度折减法分析节理岩体隧道的破坏状态及其安全系数,研究表明,节理倾角对破裂面位置影响较大,对于α=0°,破裂面对称分布于两侧;对于α=30°、45°,隧道破裂面随节理倾角变化相应旋转,分布于节理倾向的上下游;对于α≥60°,主要受自重作用,破裂面转移至洞顶及边墙脚位置,特别α=90°时,隧道在洞顶正中形成了贯通的塑性破裂面。通过安全系数结果表明,相对于匀质隧道,节理岩体隧道安全系数均存在不同程度的降低,其中倾角对安全系数影响最小,随节理间距减小、强度降低,安全系数均有所减小。     

岩土工程稳定性分析RFPA强度折减法

将强度折减法的基本原理引入到岩石破裂过程分析RFPA方法中，建立RFPA—SRM岩土工程稳定性强度折减分析方法。该方法以有限元方法作为应力分析工具，不仅满足静力平衡、应变相容，且充分考虑材料的细观非均匀特性，并秉承RFPA方法的破坏过程分析优势，能够反映岩土结构随强度劣化而呈现出渐进破坏诱致失稳的演化过程。以岩土工程中的边坡为例，阐述RFPA-SRM方法在边坡稳定性分析中的应用。利用RFPA—SRM方法进行边坡稳定性分析时，不需对滑动面做任何预先假定，对复杂地质地貌的边坡稳定性分析是实用的；同时以基元的破坏次数统计作为边坡的失稳判据，不仅可直观地得到坡体的滑移破坏面，还可求得安全系数，为边坡的稳定性研究提供一种新的便捷、有效方法。特别是RFPA-SRM对边坡破裂过程的模拟对于理解边坡的破坏形成机制具有重要意义，更有利于从边坡失稳的源头入手指导边坡防护设计。最后对RFPA-SRM方法在一连拱分叉隧道安全设计中的应用进行探讨，得到该隧道结构的安全系数及潜在破坏模式，表明RFPA-SRM方法同样适合其他岩土结构稳定分析。     

非贯通节理岩体边坡稳定性及破坏规律的数值分析

非贯通节理普遍存在于岩体边坡中,并对边坡的稳定性产生较大影响。利用数值分析软件Optum G2建立2类含非贯通节理岩体边坡的稳定性分析模型,采用shear joint单元模拟非贯通节理,基于有限元强度折减法得到不同节理(组)倾角、节理长度和岩桥长度下边坡的稳定系数F及破坏规律。研究结果表明,第一类模型中,随节理倾角α的增大,F先减小,再增大,最后基本保持不变。节理倾角等于边坡倾角时(α=60°),F有最小值,且节理长度越大,最小值越小,此时破坏面为由非贯通节理向坡脚发育的近圆弧状破坏面,而在其它倾角方向则影响较小;第二类模型中,随节理组倾角θ的增大,F先急剧减小(θ=30°时为最小值),再缓慢增大,最后缓慢降低。岩桥长度越小,F越小,在θ=30°时最为显著。此时破坏面呈不规则状,节理裂隙扩展路径由重力作用从上往下发展,并由一非贯通节理端部向相邻节理端部直线发展,当岩桥长度较小时,节理裂隙扩展路径更为复杂和密集。     

基于广义Hoek-Brown准则的边坡稳定性强度折减法数值分析

Hoek-Brown屈服准则作为估计完整岩石或节理岩体剪切强度的半经验准则,已成为岩体强度预测及计算领域应用最广泛的准则之一,并在边坡极限平衡法计算中得到了广泛应用,但很少应用于数值模拟计算领域。本文结合工程实例,以广义Hoek-Brown屈服准则建立数值计算模型,并基于强度折减方法计算边坡安全系数,经与等效Mohr-Coulomb屈服准则数值模拟及极限平衡计算对比,得出基于Hoek-Brown屈服准则的模拟计算结果与其它方法一致并且正确的结论。并认为不同屈服准则条件下的边坡潜在滑移面位置及变形特点存在差异,原因在于不同的屈服准则采用了不同的流动法则。与Mohr-Coulomb屈服准则相比,Hoek-Brown屈服准则采用基于应力水平的塑性流动法则更加体现了节理岩体的变形和破坏特点,可有效反映岩体的非线性破坏特征,更加接近工程实际,适于节理岩体的强度计算及稳定性分析。     

某拱坝右岸拱肩槽开挖边坡锚固仿真与优化研究

首先基于一次宏观反演的初始应力场进行二次精细模拟得到了某拱坝坝区局部模型的初始地应力场。接着基于加锚节理岩体流变模型,应用自主开发的三维弹粘塑性有限单元程序模拟了该初始地应力场作用下该拱坝右岸拱肩槽岩石高边坡开挖过程预应力锚索、系统锚杆等锚固件的支护作用。分析了现行锚固方案与锚固进度下边坡岩体的位移、应力和点安全系数等分布规律,最后在此基础上对该锚固方案和锚固进度进行了优化,确保了该边坡的稳定与安全。     

山区顺坡填筑边坡稳定的强度折减有限元分析

为分析山区顺坡填筑时,岩基坡度及填筑体与岩基界面粗糙度对边坡稳定性的影响,用强度折减有限元法,对完整基岩斜坡上顺坡填筑边坡的稳定性进行计算分析。给出了边坡安全系数、最危险滑移面及其与简化Bishop法计算结果的差异随岩基坡比及界面粗糙度的变化情况。结果表明:完整岩基上顺坡填筑边坡的失稳滑移面在有些情况下与圆弧差异较大,简化Bishop法给出的安全系数会有较大误差;当界面非完全粗糙时,随岩基坡度变大,则有原较强斜坡地基的"限制"作用和较弱界面的"弱化"作用使滑移面变化,前者使体系安全系数增大,而后者则相反;将强度折减有限元法应用到山区岩质斜坡地基上高填方的稳定性分析中,能避免按圆弧滑移面搜索所计算安全系数误差较大以及按复杂滑移面搜索的困难。强度折减限元法不仅简便且计算效率高,应用前景比极限平衡法更广阔。     

岩质边坡断续裂隙阶梯状滑移模式及稳定性计算

阶梯状滑移破坏是一类典型岩质边坡破坏失稳模式。在总结断续裂隙阶梯状滑移的岩质边坡地质结构特征的基础上,利用离散元二维颗粒流程序（PFC^2D）模拟研究了边坡阶梯状滑移破裂模式及其演化过程。边坡岩桥可归纳为剪切贯通破坏、张拉贯通破坏及张–剪混合贯通破坏3类。通过岩石细观颗粒黏结力场、岩桥段应力及破裂贯通演化分析,揭示了重力作用下阶梯状滑移是从下而上岩桥逐个渐进性破裂贯通演化的过程,坡体后缘张裂纹发展贯通是下部坡体的牵拉作用造成;以缓倾角阶梯状平行裂隙边坡（岩桥倾角90°,裂隙倾角30°）为例,阶梯状滑移过程大致可分为坡体弹性稳定变形、下部岩桥贯通破坏、中上部岩桥贯通–后缘张裂、整体沿贯通面滑移共个阶段,其中第3个阶段坡体微断裂数急剧增加,为滑裂带扩展至贯通的临界失稳状态。基于滑移模式及其演化过程的认识,建立了岩桥剪切贯通、张拉贯通和张–剪混合贯通三类阶梯状滑移边坡稳定性计算理论模型,推导了考虑岩桥强度和贯通率的边坡安全系数极限平衡计算公式。     

湖南岐山仁瑞寺节理边坡稳定性的细观损伤力学分析方法

 对湖南仁瑞寺岩质边坡进行地质勘查,该边坡结构面主要为X节理,一组走向为170°～265°,另一组走向为105°～125°,倾角较陡,普遍为50°～90°。通过6组实验分别确定岩块与结构面的力学参数。基于细观损伤力学理论,认为节理岩体是由岩块与微裂纹构成的各向异性材料,并利用代表性体积单元建立微裂纹的滑裂准则。通过编制相应的软件建立坡角为60°、节理倾角为52.5°和90.0°的岩质边坡计算模型,并对该边坡的稳定性进行分析。采用逐步去除约束的方式进行开挖模拟,得到边坡的塑性贯通区。通过与实际滑坡形式进行对比,模拟效果好,证明微裂纹是控制岩质边坡破坏的主要因素,对理解节理边坡的破坏机制具有重要意义。同时,该方法对于预测节理边坡破坏面的形状与位置以及复杂边坡的稳定性分析都有一定的借鉴意义。