坡面形态对边坡稳定性影响的理论与试验研究

 从失稳边坡资料统计分析、模型试验和理论计算3个方面,研究坡面形态对边坡稳定的影响(坡面形态效应)。通过对300个失稳边坡资料的统计分析,从宏观认识上得到凸坡的稳定性较差,而凹坡稳定性较好的初步结论。采用底抬升模型试验,研究凸坡、平坡和凹坡的极限稳定角,结果表明,凹坡的极限稳定角要比平坡的大,凸坡则比平坡小。并从理论上分析凸坡、平坡和凹坡之间的受力差异,对凹坡比凸坡更稳定的现象进行解释。采用严格极限平衡法,获得圆形凸坡和凹坡的安全系数解答,分析坡面形态效应的影响因素和变化规律,从工程应用角度制作圆形坡面形态边坡安全系数速查曲线,并建议考虑坡面形态效应的范围。研究成果可为合理评价不同坡面形态的边坡稳定性提供参考。     

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。     

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。     

旋转非对称边坡三维安全系数计算

基于滑面正应力修正模式,推导出旋转非对称边坡三维极限平衡安全系数显式解答。首先假设三维滑面正应力的初始分布,然后乘以含2个待定参数的修正函数;根据滑体竖直方向力平衡、垂直滑动方向水平力平衡及对旋转轴力矩平衡的条件,导出关于安全系数的2次代数方程;得到三维安全系数的显式解。本方法不需考虑条柱间具体作用力,满足主要平衡条件,计算过程简单,可应用于实际边坡工程。     

裂缝边坡三维极限上限拓展分析

裂缝的存在会降低边坡稳定性,而在边坡宽度受到限制时三维效应更加显著,因此有必要对裂缝边坡稳定性进行评估。针对裂缝边坡三维稳定性研究,基于极限分析上限定理,在三维破坏机构中引入一条垂直张拉裂缝,并引进机构参数拓展裂缝边坡三维破坏模式,包括坡面破坏和坡底破坏,建立能量平衡方程并通过优化算法求解裂缝边坡稳定系数上限解。根据g-line图像法绘制裂缝边坡稳定性图表以便读取安全系数。分析了边坡宽高比、坡角以及土体内摩擦角对裂缝边坡破坏模式和裂缝深度及位置的影响规律。结果表明:对于确定的边坡几何形态以及土体参数,存在最小边坡宽高比B/H*,当边坡宽高比小于B/H*,边坡发生坡面破坏且坡顶裂缝的影响可以忽略;内摩擦角φ小于5°时,边坡发生坡底破坏,而对于裂缝边坡,仅在φ=1°左右发生坡底破坏;随着边坡宽高比的增大,裂缝深度逐渐增加,裂缝位置逐渐远离坡肩,但对于坡角为75°的边坡裂缝深度先增大后减小。     

转弯凸型边坡静动力稳定性分析及空间效应研究

山区受地形影响建有大量转弯路基边坡,其失稳呈显著的空间特性,传统的边坡稳定分析方法大都基于二维平面应变条件,难以真实反映滑坡三维空间特征。基于变分理论的极限平衡法开展了转弯凸型边坡三维稳定性分析,结合拟静力法分析地震作用下边坡动力稳定性,并确定转弯边坡的最危险滑裂面位置。通过与其他方法计算结果对比,表明这一理论获得了转弯边坡更为临界的稳定性。通过考虑不同边坡转弯外凸参数（如转弯角、转弯半径、坡度）和水平地震加速度系数,揭示了三维效应对转弯凸型边坡稳定性的影响规律。结果表明：较小的转弯角就可以充分发挥三维效应,增大了边坡静动力稳定性;减小转弯半径会显著增强三维效应,并增加最危险滑裂面深度,但对较大的坡度和水平地震加速度情况并不明显,此时可以忽略三维效应采用传统的平面应变分析方法。     

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。     

岩质边坡最危险滑裂面的GA-Sarma算法研究

 基于现有国内外边坡极限平衡法稳定性分析软件在岩质边坡滑裂面搜索中的局限性,将遗传算法(GA)和Sarma法相结合,提出岩质边坡最危险滑裂面的GA-Sarma算法。GA-Sarma算法解决以折线形为滑面形态、以层面等结构面为边界任意条分并满足条块间边界力平衡原理、滑裂路径可追踪顺坡向不连续结构面的岩质边坡最危险滑裂面的全局优化问题。     

圆形凸坡的稳定性分析

通过三维数值分析表明圆形凸坡的破坏模式接近于轴对称破坏,采用一般的三维破坏模式会使计算结果偏于不安全,揭示了目前三维分析方法中滑裂面形状的假设并非总是合理。构建了轴对称条件下的容许速度场,得到了内摩擦角(=0时圆形凸坡临界坡高的上限解。同时提出了轴对称破坏模式下,计算圆形凸坡安全系数的极限平衡方法。比较了圆形凸坡和长直坡的稳定性差异,圆形凸坡的相对半径越小、土体越接近于纯黏性土时两者的差异越大,坡度较小时前者较稳定,坡度较大时则相反,进而纠正了以往认为平面应变模型计算圆形凸坡偏于不安全的错误认识。     

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。     

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。     

平面滑动型边坡极限倾角的研究

对于平面滑动型的岩质边坡,结构面对边坡的稳定性起着控制作用。在边坡设计分析过程中,如果边坡内没有确定的滑面,或者对坡体内结构面情况不明的情况下,通过对最不利滑面的极限倾角进行估算,可以作为边坡稳定性分析的依据。对传统的估算公式进行了改进,综合考虑到重力和地震的影响,分别通过极限坡高和极限安全系数给出边坡最危险滑面的极限倾角的计算公式。经过对比与分析,得出两种方法各自的适用条件。     

天然边坡削坡工程中的稳定性研究

天然边坡在削坡工程施工阶段或竣工后,往往形成上下部不同坡度的边坡。离心模型试验与现场试验结果表明,这类边坡有两种破坏模式。一种是滑裂面始于坡顶,另一种是滑裂面始于坡面。利用极限分析上限法理论讨论并确定边坡发生不同破坏模式的条件,从而给出极限开挖深度、设计开挖深度小于极限开挖深度时的稳定安全系数以及设计开挖深度大于极限开挖深度时的土压力,为解决天然边坡削坡工程中的稳定性设计问题提供理论依据。     

一般形状边坡三维极限平衡解答

本文基于空间滑面正应力修正模式,提出一般形状边坡三维极限平衡新解法。假设三维滑面正应力的初始分布,用含有3个待定参数的修正函数对其进行修正,使滑体满足3个方向力的平衡条件以及绕垂直滑动方向坐标轴的力矩平衡条件,推导出关于安全系数的3次代数方程,得到边坡3D安全系数显式解。本文方法无需对条柱间作用力进行假设,计算原理简单;安全系数由显式解直接计算,无需迭代,不存在收敛性问题;由于满足4个平衡条件,计算结果可靠;适用任意形状的非对称边坡,工程应用前景广。算例与工程应用计算结果表明了方法的有效性与实用性。     

对“边坡稳定性的三维极限平衡分析方法及应用”讨论的答复

在“边坡稳定性的三维极限平衡分析方法及应用”一文(以下简称原文)中我们的本意是想提供一种对岩质边坡稳定分析比较实用的三维分析方法,希望既能反映三维稳定性的实质,而数学表达方法又比较简洁。原文引起了陈先生的兴趣,很高兴在此作一讨论。目前发表的三维方法都是各有优缺点,各有一定的作用范围,恐怕还很难找到一个普遍适用的方法。原文主要用于岩石边坡的稳定分析。工程中常见的岩石边坡,由于结构面的存在,大多呈扁平状态,结构面是凸凹不平的、滑体厚度不大,而滑体滑面主要由结构面构成。而在土体中的滑面往往可以形成比较规则的球面,滑体滑面由该球面构成。因此,在岩石边坡情况下是否不考虑Ｓ在Ｙ方向的投影就是假定过多,是值     

三维边坡拟静力抗震稳定性分析

 基于滑面正应力修正的三维边坡稳定性分析,采用拟静力的分析方法,建立三向地震作用下边坡的平衡方程,通过求解线性方程组得到安全系数与三向地震作用的函数关系。比较二维与三维拟静力分析方法对安全系数的影响;分别讨论对称滑体与非对称滑体2种情况下,三向地震对安全系数的影响规律;考虑滑体长度、不对称的程度以及土体参数等对安全系数的影响,并计算三向地震作用下的安全系数与仅考虑水平地震作用的安全系数之间的相对误差。结果表明：水平地震作用对安全系数影响最大,竖向地震作用次之,横向地震作用最小;采用三维分析方法更符合实际情况,精度更高。     

考虑滑体中锚拉力扩散效应的锚固边坡稳定性分析方法

为充分考虑锚拉力在滑体中的应力扩散效应以更合理地分析锚固边坡稳定性,将作用在坡面框架上的锚拉力转化为沿坡面法向与切向的局部条形荷载,基于弹性力学Boussinesq解和Cerruti解,得到在滑面处各点的附加法向与切向作用力,将其引入边坡稳定性分析的极限平衡条分法中,给出了基于Morgenstern-Price法的相关计算公式。实例分析表明,锚拉力在滑面处产生的附加应力并非都起抗滑作用,还存在局部促滑作用,与传统的将锚拉力视为集中力的锚固边坡稳定性计算方法相比,该方法计算的稳定系数偏小,且与数值模拟分析结果更为接近。     

边坡稳定分析极限几何参数研究

推导了瑞典法的解析解,并编制计算程序。通过分析2160组计算数据,针对简单均质边坡,总结出一条安全系数关于极限坡度和极限坡高的经验公式,并建立了一套曲线图。利用该套曲线图可展开以下工作:1在一定土性参数条件下,对各种坡度和坡高的组合情况,利用插值法能获得边坡的安全系数;2在实际工程设计中,针对不同的安全系数,快速获得满足设计要求的边坡坡度和坡高的范围。     

坡面沉桩边坡动态稳定性三维极限上限分析

 采用极限分析上限法,建立土质边坡坡面沉桩动态稳定性三维计算模型,研究沉桩力、桩土间横向力等对边坡动态稳定性的影响。通过算例计算,对整个沉桩过程中边坡抗滑稳定安全系数的变化规律及其内在机制进行深入研究,并分析桩径、沉桩位置、坡角对边坡抗滑稳定安全系数的影响规律。结果表明：沉桩力对边坡稳定性产生不利影响,导致沉桩前期边坡安全系数持续降低;桩体穿过破坏面后,边坡安全系数由于桩身的抗滑作用而显著提高。桩径越大,沉桩前期安全系数越低,其下降速度也越快,但桩体穿过破坏面后安全系数提升也越明显;沉桩位置越靠近坡顶,沉桩过程中安全系数下降速度越快,导致最危险点的安全系数越低;坡角越大,沉桩过程中整体安全系数越低。分析结果对于坡面沉桩的稳定性评估及设计施工具有一定参考价值。