塑性应变能判据在含组合软弱结构面岩质边坡动力稳定分析中的应用

由于地质构造作用,一处岩质边坡往往在几个软弱结构面的共同作用下发生失稳,其破坏形式与单一软弱结构面的破坏形式有较大差异,尤其是在地震的往复作用下,其稳定性分析十分复杂,需要合适的判据对其稳定状态进行判别。鉴于塑性应变能具有客观性强,能真实反映岩土体稳定性的特点,本文基于有限元软件ABAQUS 使用强度折减法建立某一实际水利工程含组合软弱结构面岩质边坡震后塑性应变能与折减系数的关系曲线,以震后塑性应变能突变为失稳判别准则对边坡在地震作用下的稳定性进行了分析,并将计算结果与常用特征点位移突变、塑性区贯通判据结果进行对比。结果表明：塑性应变能突变判据与特征点位移突变、塑性区贯通判据得到的结果相近,准确性有保证,且不受观测点选取等主观因素影响,得到的结果唯一,是在分析含组合软弱结构面岩质边坡动力稳定性时的较优选择。     

有限元强度折减法边坡失稳判据适用性分析

为了研究各种边坡失稳判据的适用性和合理性,针对某均质土坡建立理想弹塑性有限元分析模型,将数值计算不收敛、塑性区贯通、坡体内特征部位位移发生突变作为边坡失稳的判据,运用强度折减法计算边坡的安全系数,并与极限平衡法计算出的结果进行对比分析。结果表明:3种失稳判据均与极限平衡法计算结果较为接近,特征部位位移突变和塑性区贯通作为边坡失稳判据所得安全系数具有一致性,且与极限平衡法的差别较小;考虑到收敛准则及收敛限值对有限元数值计算收敛性影响较大,将数值计算的不收敛作为边坡失稳判据其适用性有一定限制;建议采用塑性区贯通结合特征点位移突变作为边坡失稳的判据。     

基于不同失稳判据的黄土边坡稳定性数值计算分析

安全系数是边坡稳定性评价的一项重要指标,依据不同失稳判据计算得到的安全系数存在差异,会直接影响边坡稳定性状态的评价。以万花山治沟造地工程台阶型开挖边坡为对象,运用FLAC3D有限差分软件,采用强度折减法,选择计算不收敛判据、塑性区贯通判据、位移突变判据3种失稳判据,对黄土边坡安全系数进行数值计算。对比分析3种判据所得的分析结果及优缺点表明：3种失稳判据得出的安全系数大小排序为位移突变判据>计算不收敛判据>塑性区贯通判据。计算不收敛判据使用简便,求解快速,但不能展示折减过程坡体塑性区的变化情况;塑性区贯通判据不宜单独作为边坡失稳判据,需要结合不平衡力综合评估,但可以展示坡体剪切和拉伸塑性区;位移突变判据求解过程复杂,但能真实地反映坡体位移变化导致的临界破坏状态。建议类似工程优先选用求解过程快速的计算不收敛判据,然后结合塑性区贯通情况与坡体位移变化状态对边坡稳定性进行综合评价。     

强度折减有限元法分析边坡失稳判据讨论

对同一算例边坡,分别采用有限元计算不收敛判据、等效塑性应变或塑性区贯通判据、及特征部位位移(或位移增量)与折减系数关系曲线发生突变判据来确定边坡的整体稳定安全系数,提出在对土体抗剪强度指标进行折减的同时,若同步调整其弹性模量和泊松比,就可以使上述几种失稳判据计算的安全系数基本相一致.将算例边坡在外接圆屈服准则下的安全系数转换成莫尔-库伦等面积圆屈服准则下的安全系数,并与Spencer极限平衡法的安全系数和滑动面相比较,证明了文章提出方法的正确性.最后分析了泊松比和弹性模量对上述3种失稳判据给出安全系数的影响.     

基于尖点突变理论的非均质土坡失稳判据分析

为避免失稳判据的主观人为性,将非线性突变理论运用于非均质边坡稳定性评价中。结合工程算例建立非均质土坡数值计算的力学模型,采用强度折减有限元法对土坡进行稳定性分析,通过建立坡体内部水平方向最大位移与强度折减系数的尖点突变模型,将失稳判据量化为一个确定的突变特征值,比较各级强度下的水平最大位移突变特征值与0的关系确定土坡稳定安全系数,并将所得结果与塑性区贯通判据、计算不收敛判据及Spencer法计算结果进行对比分析。结果表明:以尖点突变模型为失稳判据能确定出土坡稳定形态与强度折减系数的定量关系,展现土坡失稳过程的突变性,其物理意义明确,计算结果客观,求解出的安全系数精度较高。该失稳判据为非均质土坡稳定性分析的较优判据。     

主余震对边坡抗滑稳定性影响研究

目前在边坡的抗震稳定性分析中，大多仅考虑了主震对边坡稳定性的影响，而忽视了余震的作用。为更深入地了解主余震对边坡抗滑稳定性的影响规律，笔者以我国西南某水电站边坡为研究对象，假定该边坡为均质边坡，建立动力分析模型，基于强度折减法，以塑性应变能突变和塑性区贯通为失稳判据，对该边坡在单主震以及主余震作用下的抗滑稳定性进行了研究分析。结果表明：相比于单主震作用，主余震作用下边坡的塑性应变能更大以及塑性区更深；单主震及主余震作用下的边坡安全系数分别为1.35和1.32，说明仅考虑主震而忽视余震的作用会夸大边坡的安全裕度，在边坡抗震稳定性分析中应加以重视。     

基于强度折减法的伯斯阿木水库边坡稳定性分析

伯斯阿木水库的联合进口段岩石高陡,风险较大。本文基于强度折减法,使用有限元对边坡的天然工况、开挖工况进行稳定分析,得到安全系数和不利滑裂面。结果显示,此边坡塑性区从坡底开始产生并向上扩展,未达到完全贯通之前就发生局部失稳。两种工况的安全系数都满足要求,但开挖工况的安全系数较小,且滑裂面有所不同。对比三种失稳判据,计算不收敛和位移突变具有一致性,塑性区贯通在局部失稳的情况不适用。     

有限元强度折减法边坡失稳判据

有限元强度折减法分析边坡稳定性的一个关键问题是根据有限元计算结果来判别边坡是否处于整体破坏状态。目前,判别失稳的依据主要有三个,即依据计算的收敛性、特征部位位移的突变性和塑性区的贯通性。为考查目前各种失稳判据的合理性及其适用性,借助ADINA有限元软件分别用三种失稳判别标准对二个典型算例进行了稳定分析,并将安全系数与Spencer极限平衡法所得到的总体安全系数进行了对比,进而对三者的适用性、一致性等进行了分析研究。     

基于强度折减法的重力坝坝基软弱结构面失稳判据研究

以某混凝土重力坝坝基失稳问题为例,采用非线性有限元强度折减法,对三种典型的失稳判据进行数值计算研究,并与传统的刚体极限平衡法计算结果进行对比,讨论各种失稳判据的合理性及其适用性。研究结果表明:采用收敛性判据误差相对较大,采用特征点位移突变和塑性区贯通作为失稳判据所得安全系数与刚体极限平衡法所得安全系数较为接近。验证了位移突变判据和塑性区贯通判据的合理性。建议在强度折减法的重力坝坝基失稳分析中联合使用位移突变判据和塑性区贯通判据。     

强度折减法中非均质层状土坡失稳判据适用性

通过对各种D-P准则进行系统深入的分析,提出了一种在非均质边坡中实现D-P系列屈服准则间相互转换的方法,针对一个具体的非均质边坡建立弹塑性有限元分析模型,采用强度折减法计算得出各D-P准则下的安全系数,与极限平衡法计算结果进行对比分析,验证了该方法的可行性。在此基础上对强度折减法中各种失稳判据在非均质边坡中的适用性和不同网格尺寸对非均质边坡安全系数计算精度的影响进行研究。结果表明:以塑性区贯通和特征部位位移突变作为失稳判据,通过对比不同强度折减系数下的位移场和塑性区特性,可以减弱非确定因素带来的影响,其计算出的安全系数与极限平衡法所得结果较为接近,而采用数值计算不收敛作为失稳判据所得结果误差较大,不满足工程精度要求。因此,采用强度折减法对非均质土坡进行稳定性分析时,建议使用特征部位位移突变结合塑性区贯通作为失稳判据。     

层状边坡的地震动输入方法研究

层状边坡是自然界中最常见的边坡之一,研究其动力响应规律对边坡的稳定性评价具有重要意义。为真实模拟弹性波在层状地基中的传播过程,首先建立层状地基的黏弹性人工边界模型,然后根据波动力学理论推导了考虑介质交界面的一次反射的等效荷载计算公式,并通过两层地基算例验证该输入方法的精度;针对层状边坡,采用本文提出的地震动输入方法和一种传统的输入方法分别研究其动力响应规律。研究表明:在两层地基算例中,本文提出的地震动输入方法能较好满足工程抗震的精度要求;在边坡的动力分析中,与传统方法相比,采用本文方法的边坡塑性应变能累积效应更加明显,且动力安全系数相对较小。     

基于强度折减的边坡稳定安全系数有限元迭代解法

讨论有限元强度折减法的失稳判据,结果表明:失稳判据对安全系数影响较大,对临界滑动面形状和位置的确定影响不大。在此基础上,提出基于强度折减的边坡稳定安全系数有限元迭代解法,先用强度折减法搜索滑动面,再按滑动面已知边坡用迭代解法求解稳定安全系数。该方法充分结合了强度折减法和迭代解法的优点,求解边坡稳定安全系数时效率快、精度高,可为实际工程参考应用。     

基于动力强度折减法的地震边坡稳定性分析

目前关于动力作用下边坡稳定性的分析方法仍存在一些不足之处,如动力问题按静力处理、未充分考虑加载地震波的动力效应、仅考虑剪切破坏、未考虑边坡滑动面形成的渐进破坏过程等。鉴于此,本文同时考虑坡体拉剪强度参数的折减及边坡渐进破坏的过程,结合动力有限元强度折减法原理及边坡动力失稳判据,从监测点位移及加速度突变、计算数值收敛性及拉剪破坏面贯通情况3个方面,确定边坡的动力稳定安全系数及拉剪破坏面。结果表明:动力有限元强度折减法能够定量有效地进行地震作用下岩质边坡稳定性评价,并充分反映了边坡渐进破坏过程,其结果可为地震作用下岩质边坡的抗震设计及动力稳定性分析提供参考。     

岩质边坡稳定性时程分析下限法研究

基于动力学理论、塑性极限分析下限法理论、块体单元离散技术以及数学规划理论,提出了一种岩质边坡地震动力稳定性的时程分析下限法。首先使用块体单元离散岩质边坡,然后采用拟动力法原理计算块体单元形心的地震时程加速度,最终建立符合平衡方程、屈服条件、力边界条件的岩质边坡地震动力稳定性的线性数学规划模型,最后使用数学规划算法求解模型,获得地震作用下岩质边坡稳定性安全系数随时间的变化规律。相对于拟静力法只能得到单一的边坡安全系数值,本方法可以获得边坡安全系数的时程曲线和内力时程曲线。本方法概念明确、理论严谨、计算精度和效率高,可将其应用于岩质边坡的动力稳定性计算领域,为岩质边坡的抗震设计提供参考。     

基于元胞自动机模型的库岸边坡失稳模拟方法

库岸边坡的运行稳定对于水利工程尤其是高坝工程的服役安全至关重要,其失稳破坏极易引起工程自身效益和周边生命财产安全的巨大损失,有必要针对其运行稳定性加以分析研究。针对传统边坡失稳分析方法的岩土力学参数取值困难和动态变化特征考虑不足的弊端,结合边坡物理力学性质提出一种基于元胞自动机模型的库岸边坡失稳模拟方法,在位移实测数据的驱动下动态辨识了边坡失稳的发展路径。结果表明：库岸边坡的失稳破坏存在渐变到突变的累进发展过程,且失稳区域主要集中在沿地层界限分布的地滑堆积区。研究方法对于特征复杂、组分混合的库岸边坡失稳模拟具有一定的应用效果和推广价值。     

黄土-砂岩二元结构路堑高边坡失稳机制模拟分析

在地质背景复杂的西北地区进行路堑开挖的工程中遇到了大量以上部为黄土层、下部为砂岩层的典型二元结构路堑高边坡。为确定黄土-砂岩二元结构路堑高边坡的失稳变形机制,依托兰永线高速公路K35+092段工程,利用有限元分析软件GEO-studio建立了黄土-砂岩二元结构路堑高边坡开挖全过程的数值模型。通过对边坡在分步开挖卸荷过程中的坡顶水平位移、竖向位移、深层水平位移、边坡稳定性安全系数变化,以及边坡在开挖状态下应变模拟结果的分析,对黄土-砂岩二元结构路堑高边坡的破坏特征以及失稳破坏机制进行了较为系统的研究。研究结果表明:黄土-砂岩二元结构路堑高边坡的结构特点、地层岩性决定了其失稳变形机制,在开挖卸荷过程中,坡顶水平位移不断增大,土体内塑性应变累积,边坡稳定性逐渐降低;黄土-砂岩二元结构路堑高边坡中的软弱夹层充当“滑动垫层”,起到“润滑”以及“弱化边界”的作用,是边坡潜在的不稳定因素之一;随着路堑边坡的刷方卸荷,上覆黄土坡体发生滑移破坏并对下伏砂岩坡体产生巨大的冲击力,而下伏坡体顺层剪出破坏产生的“联动作用”再次引发上覆坡体的滑塌下错,致使边坡整体失稳。为避免类似黄土-砂岩二元结构路堑高边坡失稳滑塌的发生,可采用框架预应力锚杆支护结构对边坡进行加固。     

地震作用下边坡平台对边坡的动力响应及失稳破坏影响分析

利用有限元分析软件建立数值计算模型,采用基线校正的10 s水平加速度时程作为地震输入条件,对在不同平台个数、平台宽度以及平台分布等多种工况下边坡模型的动力响应及稳定性进行数值模拟分析。结合各工况地震过程中坡面质点PGD放大系数、动剪应力峰值与震后最大剪应变、塑性区范围以及稳定性评价指标,对地震作用下边坡动力响应特性和失稳破坏进行了定性的评价研究。计算结果表明:以本文40 m高的边坡为例,设单个平台时,于15 m和20 m高程处设置平台对边坡动力稳定性更有利;设2个平台时,10～20 m的平台组合相对于其它组合对边坡动力稳定性更有利;对于多级边坡,随着平台宽度的增加,边坡整体破坏趋势逐渐分解为各级边坡局部破坏趋势,可以较大幅度地减小最下方坡脚的应力集中,进而提高边坡的动力稳定性;此外,平台内侧属于上级边坡的坡脚处,易产生剪应力集中区,属于薄弱部位,应加强各级坡脚的支护。     

动态规划法在搜索加筋土坡最危险滑动面的应用

本文采用非线性有限元法计算加筋土坡的应力场和位移场，依据剪应力法定义的安全系数，应用动态规划法搜索土坡的最危险滑动面。根据计算结果，对比了加筋前后土坡应力场和位移场的变化，分析了加筋对土坡侧向位移和最危险滑动面的影响。指出因加筋材料承担了部分剪应力，约束了土体的侧向位移，从而减小了土中的水平应力，扩散了剪应力，增大了土坡的安全系数。同时，计算分析了加筋材料摆放位置不同时，对土坡抗滑能力的影响效果。提出当将加筋材料贯穿于土中塑性区时，加筋效果最明显。对于较弱地基的土坡，筋材放置在坡底，有利于坡身荷载在地基土中的应力扩散，对限制地基土的侧向位移，提高土坡的安全系数有明显的效果。