基于余力矩的边坡临界滑动场方法及应用

基于常规极限平衡条分法的瑞典法、Bishop法以及不平衡推力传递法的条间力假定,将圆弧滑动面整体的滑动力矩与抗滑力矩之差定义为余力矩,在给定的安全系数下,利用简单有效的和声搜索算法寻求余力矩最大的滑动面作为给定安全系数下的危险滑动面,变化安全系数直至找到的危险滑动面的余力矩为零,该危险滑动面即为边坡的临界滑动面;鉴于取矩中心对计算结果的影响,对于非圆弧滑动面,采用滑面滑出端的余力替代余力矩作为控制指标,采用与圆弧滑动面下类似的寻找步骤即可得到非圆弧滑动面下的临界滑动面.通过两个典型土坡的算例分析证明了本文方法的可行性.     

横观各向同性在抗滑桩加固边坡中的应用

讨论了土体强度横观各向同性和非均质性,分析了考虑强度横观各向同性与非均质性边坡的计算方法。采用极限平衡法推导出考虑强度横观各向同性与非均质性边坡稳定计算公式,对安全系数计算方法中土体抗滑力矩与抗滑桩抗滑力矩计算公式进行了修正,得到了同时考虑土体强度横观各向同性与非均质性抗滑桩加固边坡的计算方法。通过实例验证,得到当假定水平粘聚力不变,在考虑土体强度横观各向同性时计算安全系数相对误差小于不考虑土体强度横观各向同性边坡。在实际抗滑桩加固边坡工程中考虑土体强度横观各向同性是必要的。     

考虑整体力矩平衡的改进不平衡推力法

为了提高常用的剩余推力法的精度,通过引入比例因子确定条间力作用倾角,建立同时考虑力平衡和力矩平衡的联立方程组,求得边坡安全系数,并通过算例验证了其可靠性。研究表明:不平衡力矩和边坡安全系数均随着比例因子的变化而接近线性改变;相对于常规不平衡推力法而言,改进法求解安全系数时具有更高的精度和更快的收敛速度;在不考虑水平地震力时,条间力方向与条底滑面基本平行;考虑较大地震力作用时,条间力倾角变化主要集中发生在边坡后部的少数几个条块中。当比例因子为零时,改进不平衡推力法与常规不平衡推力法是一致的,故其可以视作常规法的扩展形式。     

基于矢量和法的矿山边坡稳定性分析

基于矢量和法的矿山边坡稳定分析方法在边坡的荷载和滑面已知的情况下,运用有限元法计算滑裂面上的真实应力分布,得出滑裂面上各处静滑动摩擦力合力方向的反方向即安全系数的计算方向θ,并在此方向上由抗滑力与滑动力的矢量和得出矢量法安全系数F(θ).本文运用矢量分析法计算出大冶东露天采场F9断裂带内某边坡的安全系数,将计算结果与极限平衡法和有限元强度折减法计算结果进行了分析和比较,分析表明该法与已得到工程验证的有限元强度折减法模拟该边坡渐进破坏的定向分析结果相吻合,说明了矢量分析法的可行性和工程实用性.     

边坡稳定分析的三维剩余推力法

基于剩余推力法提出了一种边坡稳定分析的三维方法.该法可用于计算具有任意形状滑动面的边坡在复杂荷载作用下三维稳定安全系数.首先将边坡用铅直面离散为柱条,然后采用剩余推力法的原理,基于摩尔库仑准则,根据条柱的静力平衡条件,并考虑条柱间作用力的影响,推导出边坡稳定系数.算例验证了该方法的有效性和可行性.     

三维极限平衡法通用形式的建立及应用

在满足边坡整体力平衡、力矩平衡以及边坡微条柱力平衡的条件下,提出了一个综合各种三维极限平衡法的通用形式,该通用形式包含3个表达式。通过这3个表达式利用已有方法的假定条件就可以得到原方法的表达形式,并将他们解析化,不仅大大降低了传统三维极限平衡法的计算工作量,还使得具体实现各种方法时,编程变得更方便,计算更简便,提高了计算效率。最后,通过经典算例,利用通用形式导出的各种方法的解析形式,分析了滑体宽度、滑面强度参数以及滑面剪切力方向对稳定系数的影响。结果表明,该通用形式是正确有效的。     

利用不平衡推力法分析昭山地区边坡稳定性

不平衡推力法作为一种重要的边坡稳定性分析的确定性方法,普遍应用于工程实际中.针对牵引式破坏和推移式破坏2种模式下土体条块间力的传递方式不同及相应安全系数的计算方式也存在差异的问题,引入条分法的概念,假定各条块间的相互作用力方向一致,根据这2种失稳模式下各条块间力和力矩的平衡关系,推导出相应边坡安全系数的计算公式.结合具体边坡实例,分析了这2种不同的潜在失稳模式下安全系数的差异,证实了潜在失稳模式对利用不平衡推力法评价边坡稳定性的结果影响较大.     

考虑分条力矩平衡的稳定分析方法

本文根据条分法稳定分析原理,考虑分条力矩的平衡,并假定滑裂面处于极限状态而合力作用面上应力呈线性分布,推导了确定分界面和底部滑面上作用力的数值、方向和作用点的基本公式.随后,依照对分界面状态的判别,提出了超过极限剪切状态时,力的分配和调整方法。通过循环迭代计算,即可求得合理的分析成果,并确定出抗滑稳定安全系数。实际算例的计算验证,说明本文方法有较大的适用性,可应用于工程设计。     

岩质边坡楔形体破坏的稳定性分析

为了更准确地判断岩质边坡发生楔形体破坏时的稳定性,利用极限平衡原理,分析楔形体受力的平衡条件,推导得出了楔形四面体的安全系数.通过对典型边坡计算分析,得出边坡稳定系数.该方法适用性强,计算简单,结果与工程实际相符,可以在工程实践中推广应用.     

摩根斯坦-普莱斯法非微分形式求解边坡安全系数的研究

极限平衡法(LEM)是分析边坡稳定性的主要方法,摩根斯坦-普莱斯法是LEM中最严格的方法,适用于求解任意形状滑裂面的安全系数.研究改进了非微分形式的M-P法,使其达到了一般通用型的要求,使得求解安全系数的M-P法通俗易懂.引用ACADS考核题检验了算法的正确性,通过灵敏度分析研究条间力函数对于安全系数的影响.     

局部安全系数法中约束对土坡稳定分析的影响

为研究局部安全系数法中不同约束条件对土坡稳定分析的影响,结合两典型土坡,对局部安全系数法这一双重优化问题中的约束条件进行了分析,约束条件主要包括极大化问题中条块间法向力、剪切力、条底法向力需满足的约束以及极小化问题中可行滑动面需满足的约束条件,研究结果表明,限制条块间法向力为正,而允许条间剪切力为负条件下,局部安全系数法所得结果较为合理.     

一种基于拉-剪破坏的边坡动力稳定性分析方法

为量化地震作用下边坡的稳定性,优化矢量和方法并计算出相应动态安全系数,基于边坡在地震作用下的破坏模式:坡顶拉裂缝和坡脚剪切裂组合形成的贯通滑动面,推导出拉-剪破坏下矢量和法的安全系数公式,通过自编程序得到边坡潜在滑动面曲线和动力安全系数,并通过算例验证方法的正确性.针对岩质边坡,利用新、旧两种矢量和方法进行动力稳定性分析,结果表明:边坡潜在滑动面会随着地震持续时间向边坡内部走移;两种方法得到的安全系数趋势一致,但拉-剪破坏模式的下滑趋势角度更大;在拉-剪破坏模式下,边坡的安全系数有所降低,其中,边坡的综合安全系数降低了3%,说明原先的方法高估了边坡的稳定性.优化后的矢量和法能够更具体地反应出边坡在地震过程中的稳定状态,为抗震设计提供更加准确的理论指导.     

LEM-DEM coupling for slope stability analysis

Slope stability analysis is a keen area of interest to researchers of geotechnical engineering and geological hazards. To date, the most popular approach applied in slope engineering design is the limit equilibrium method (LEM). However, for this method, some assumptions are required when obtaining the sliding force and the resistance force on the slide face. The discrete element method (DEM) presents an advantage in the calculation of the interaction forces between adjacent blocks without assumptions. This paper introduces a new slope stability analysis based on coupling of both approaches, herein referred to as LEM-DEM. The main LEM-DEM procedure is to transform the slice model of a slope in LEM into the DEM model and obtain the sliding force and the resistance force to calculate the factor of stability (Fos). The sensitivity analysis of the parameters in DEM, such as normal and shear stiffness, was conducted to illustrate that LEM-DEM suggests higher contact stiffness. A comparison between the Fos values in DEM and LEM-DEM was also conducted to indicate the rationality and advantages of LEM-DEM, especially for a gentle slope with a changing shear force direction in the slice model where the interslice forces in LEM are unreasonable. Furthermore, this study carried out a 3D landslide stability analysis extension, along with the results, for the proposed method.     

Limit equilibrium method for slope stability based on assumed stress on slip surface

In the limit equilibrium framework, two- and three-dimensional slope stabilities can be solved according to the overall force and moment equilibrium conditions of a sliding body. In this work, based on Mohr-Coulomb(M-C) strength criterion and the initial normal stress without considering the inter-slice(or inter-column) forces, the normal and shear stresses on the slip surface are assumed using some dimensionless variables, and these variables have the same numbers with the force and moment equilibrium equations of a sliding body to establish easily the linear equation groups for solving them. After these variables are determined, the normal stresses, shear stresses, and slope safety factor are also obtained using the stresses assumptions and M-C strength criterion. In the case of a three-dimensional slope stability analysis, three calculation methods, namely, a non-strict method, quasi-strict method, and strict method, can be obtained by satisfying different force and moment equilibrium conditions. Results of the comparison in the classic two- and three-dimensional slope examples show that the slope safety factors calculated using the current method and the other limit equilibrium methods are approximately equal to each other, indicating the feasibility of the current method; further, the following conclusions are obtained: 1) The current method better amends the initial normal and shear stresses acting on the slip surface, and has the identical results with using simplified Bishop method, Spencer method, and Morgenstern-Price(M-P) method; however, the stress curve of the current method is smoother than that obtained using the three abovementioned methods. 2) The current method is suitable for analyzing the two- and three-dimensional slope stability. 3) In the three-dimensional asymmetric sliding body, the non-strict method yields safer solutions, and the results of the quasi-strict method are relatively reasonable and close to those of the strict method, indicating that the quasi-strict method can be used to obtain a reliable slope safety factor.     

岩质边坡稳定分析三维与二维的比较

提出岩质边坡沿软弱结构面滑移一剪切的三维稳定分析方法。在分析模型中,下滑体沿滑动面下滑,在其他的面上则产生剪切破坏。在结构面上满足莫尔库伦破坏准则,把剪切面上的摩阻力向下滑方向投影,由下滑体的力学平衡条件求解出未知力,通过迭代可以求得稳定系数。同时推导了摩阻力倾向与倾角的计算式,编制了相应的程序,并利用这个程序,研究了边坡长度、岩层与坡面夹角等因素对边坡稳定系数的影响,比较了三雏分析与二维分析的差别。     

Stability and reinforcement analysis of rock slope based on elasto-plastic finite element method

The rigid body limit equilibrium method(RBLEM) and finite element method(FEM) are two widely used approaches for rock slope's stability analysis currently. RBLEM introduced plethoric assumptions; while traditional FEM relied on artificial factors when determining factor of safety(FOS) and sliding surfaces. Based on the definition of structure instability that an elasto-plastic structure is not stable if it is unable to satisfy simultaneously equilibrium condition, kinematical admissibility and constitutive equations under given external loads, deformation reinforcement theory(DRT) is developed. With this theory, plastic complementary energy(PCE) can be used to evaluate the overall stability of rock slope, and the unbalanced force beyond the yield surface could be the identification of local failure. Compared with traditional slope stability analysis approaches, the PCE norm curve to strength reduced factor is introduced and the unbalanced force is applied to the determination of key sliding surfaces and required reinforcement. Typical and important issues in rock slope stability are tested in TFINE(a three-dimensional nonlinear finite element program), which is further applied to several representatives of high rock slope's stability evaluation and reinforcement engineering practice in southwest of China.     

基于矢量和法安全系数的边坡稳定性分析

针对极限平衡法和有限元强度折减法在计算边坡安全系数中存在的问题,结合某工程实际采用矢量和法安全系数对边坡稳定性进行分析,并将其计算结果与传统分析法计算结果进行比较。结果表明,采用边坡矢量和法得到的计算结果与极限平衡法和有限元强度折减法之间的计算结果最大相对误差为9.7%,误差范围为4.2%~9.7%,而与有限元强度折减法计算结果的相对误差仅为5.9%。由此表明采用矢量和法安全系数用于求解边坡的稳定性是可行的。     

求解边坡安全系数的离散元法

结合强度折减法的思想和离散元法的特点,提出一种求解岩体边坡安全系数的方法.采用关键点位移/速度时程曲线的变化趋势对边坡的临界状态进行判断,采用失稳状态时坡体的速度/位移矢量图来判断与安全系数对应的滑动面.将上述方法运用到钟家湾顺层边坡的稳定分析中,并将所得结果与极限平衡法计算结果进行了对比,发现二者的计算数值相差较小,对比结果表明该方法是合理可行的.     

基于DEM的三维微条柱法计算滑移型塌岸安全系数的研究

为了对边坡进行三维稳定性分析,在传统的二维条分法的基础上进行拓展,基于高分辨率DEM构建边坡三维模型,将二维条分法中的土条拓展为三维条柱法中的条柱,通过分析每个条柱上的受力状况,根据极限平衡理论,以GIS二次开发的方式,将三维毕肖普法引入GIS软件平台,实现了三维圆弧滑动面的构造和三维安全系数的计算,该方法实现了三维模型构建与三维安全系数计算过程的自动化和一体化。应用本方法,以金沙江溪洛渡库区老木沟滑移型塌岸体为例,进行三维稳定系数的计算,与二维计算结果相比,结果偏于安全,主要的原因在于将滑动面视为球形滑动面,因此需要在程序中加入控制性结构面或控制性节点,使其与实际情况更加接近。     

容重增加法在边坡稳定性分析中的应用

通过逐步增加容重的方法使边坡达到极限平衡状态,基于D-P准则,采用关联流动法则,用非线性有限元法进行数值模拟.将坡顶水平位移随容重增加系数的变化关系曲线上位移陡然增大作为边破的破坏标准,用一个区间描述边坡稳定安全系数.该法无须事先对滑动面的位置和形状作出任何假定,能够考虑土体的材料非线性和几何非线性,有助于了解边坡的破坏机理.同时由于用一个区间描述边坡稳定安全系数,避免了数值计算中真实安全系数的丢失.算例分析表明,用容重增加法得到的安全系数与传统方法相近,并建议安全系数区间的长度取为0.03.