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。     

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.     

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。     

基于矢量理论边坡稳定性分析方法

目前滑坡及陡坡路堤稳定性分析通常采用基于极限平衡理论的传递系数法(剩余下滑力法),该方法运用条分法的思想,假设上块滑体剩余下滑力沿本块滑面的方向作用于下块滑体。本文基于极限平衡和条分法的思想,引入矢量理论提出了边坡稳定性分析计算的新方法,该方法将每个条块的自重应力沿滑面方向分力和滑面的抗滑力都置于同一个直角坐标体系中,然后通过矢量运算,根据矢量运算结果和最终矢量象限的位置,即可定性和定量判定边坡稳定性。不需要计算剩余下滑力的传递系数,通过与传递系数法计算比较,表明该方法是合理的,计算简洁,适用性强。     

一种基于Morgenstern-Price法假定的三维边坡稳定性分析法

 通过侧向剪力系数和侧向剪力分布函数对条间力进行假定,提出所有条柱满足3个力的平衡、滑坡体满足3个力矩平衡的三维边坡极限平衡分析法,可看作是二维Morgenstern-Price法的三维扩展。利用滑体力的平衡条件和边界条件分别得到条柱各行和各列的安全系数,再利用滑体整体力矩平衡条件确定侧向剪力系数?1,?2,?3,?4。该法考虑了所有条间剪力对安全系数的影响,采用直接迭代法求解,提高计算效率。算例分析表明,对于对称边坡,侧向剪力系数?1,?3,?4对安全系数影响不大;对于非对称边坡,?4对安全系数影响也不大,且获得的安全系数均与已有文献结果接近。非对称复合滑动面算例还表明,简化方法给出的安全系数不一定偏于安全。     

边坡稳定安全系数计算方法探讨

计算边坡稳定安全系数的方法主要有四种：超载计算法、强度折减计算法、基于滑动面应力分布的计算法以及矢量和计算法。针对四种安全系数的定义,采用理论分析方法明确了每类方法的原理,并且指出了每类方法的优势和不足,可供工程人员在计算边坡稳定安全系数时参考。研究表明,下滑力超载储备安全系数只考虑增加下滑力而忽略抗滑力的作用明显不符合力学规律,现有规范已不推荐采用该方法进行边坡稳定性分析。在强度储备法分析中,虽然存在对岩土体材料黏聚力和摩擦因数同比例折减与两者在抗滑稳定分析中所体现的力学特性不符合的缺陷,但是该方法已在工程实践中得到合理性检验,不管是在理论研究还是在工程应用,该方法都将会是主流方法。基于滑面剪应力的有限元法分析中,其安全系数定义滑面为非直线或非圆弧情况下没有明确的物理力学意义。矢量和法基于力的矢量特征,在下滑方向上求解边坡的稳定安全系数,具有一定的优势,但是该方法也存在几个关键问题亟待解决,比如下滑方向的确定、评判标准的应用及下滑推力的计算等,若能有效解决这些问题,该方法在边坡稳定性分析才能有强大的生命力和发展应用前景。     

边坡下滑推力计算的有限元法

滑坡推力计算一直是边坡防治核心问题。针对我国规范中传递系数法只适用于二维问题且滑移面形状只能为圆弧形或坡度不大的折线形问题,基于边坡体当前有限元应力状态,参考传递系数法的力学模型,推导加载型及强度储备型下滑推力计算公式,提出一种计算滑坡剩余下滑推力的有限元法。该方法考虑坡体下滑力的矢量特征,以局部潜在滑体为研究对象,通过应力矢量积分不仅能给出设计安全系数下坡体沿滑移面的下滑推力曲线和对应的下滑方向曲线,而且根据坡脚处下滑推力的迭代计算可得到坡体当前的稳定安全系数。典型算例计算结果表明:该方法与传递系数法得到的剩余下滑推力曲线规律一致,且通过下滑推力迭代得到的坡体安全系数与严格极限平衡法相比,精度均较高,计算误差在工程上完全可以接受。最后将该方法应用到西藏樟木典型折线形边坡体,两种方法得到的剩余下滑推力基本一致,验证了该方法计算下滑推力的合理性及工程应用可行性。     

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。     

应力场柱网离散法三维边坡稳定性控制分析研究

为更好地将数值方法应用于边坡稳定性计算,提出一种基于应力场柱网离散式三维边坡稳定性控制分析方法。在完成三维边坡数值计算的基础上,将三维边坡的长、宽和高所围成的最小立方体划分为m×n×k个立方体网格,并使平面位置相同的方格沿高度方向串联成m×n个条柱,构建出三维边坡条柱网格和数值计算单元网格并存的空间坐标体系。首先,通过搜索任意第i个立方网格中心点对应的数值计算单元,实现了数值应力场网格化离散;其次,提出了基于滑面上下滑方向剪应力的安全系数表达式,推导了柱网内任意滑移面上下滑方向矢量的求解方法,并建立方格网内最小安全系数的计算模型;再次,提出了基于安全系数与变形组合控制的滑移面搜索条件和搜索模式,通过搜索最符合控制条件的潜在滑移网格,得到了三维边坡空间滑移面;最后,通过典型算例,验证了该方法的可行性、合理性及优越性,并分析了空间效应对三维边坡安全系数和变形的影响,得到了可控条件下安全系数与位移相关曲线。研究结论对复杂工况下三维边坡稳定性及安全控制的数值计算研究具有重要的科学意义和应用价值。     

岩石疲劳破坏的变形控制律、岩土力学试验的实时X射线CT扫描和边坡坝基抗滑稳定分析的新方法

介绍了近年来在岩土力学领域方面取得的一些进展:①关于岩石疲劳破坏试验方面的实验结果。大量的试验清楚表明岩石发生疲劳破坏时的变形量受岩石应力-应变全过程曲线控制的规律,介绍了这方面的试验技术及新型的岩石力学试验机--RMT机的特性,对岩石的I型和Ⅱ型分类作了评述。岩石疲劳试验结果也提示我们在研究岩石的强度理论时要特别重视从变形角度去探讨。②简要介绍了岩土力学室内试验方面的一项新的实验技术--实时X射线CT扫描的试验方法和原理。重点给出了南桥砂岩三轴试验的结果,并与典型的全过程曲线作了对比分析。这一新技术为岩土力学界提供了一种新手段,使宏观的力学性能与细观层次上的结构演变和裂纹萌生、扩展直到破坏有机地联系起来,为损伤研究提供了一种新的实验手段。③论述了采用强度储备概念求抗滑稳定安全系数方面的不足之处。基于力是矢量这一基本概念,提出了计算抗滑稳定安全系数的新方法--矢量和分析方法,并与传统分析方法作了对比,指出了这种新方法的优点。除了平面问题外,还论述了三维问题的计算方法和算式。     

三峡左厂3#坝段深层抗滑稳定三维有限元分析

建立了包含基岩内大量节理裂隙和断层并且反映它们的真实产状和分布的三维有限元计算模型,研究了三峡工程左厂3#坝段的深层抗滑稳定问题,提出了一个合理实用的坝基安全系数的判断原则,给出了合理的基于强度储备概念的左厂3#坝段抗滑稳定安全系数。     

高土石坝坝坡地震稳定分析研究

采用有限元动力时程稳定和变形分析方法,对不同高度大坝坝坡稳定进行分析,开展了最危险滑弧确定方法 、地震动持时对稳定和变形的影响、滑弧位置和深度以及坝坡加固范围的研究 。结果表明：拟静力法采用规范建议的加速度分布系数不能反映高土石坝实际地震反应规律,计算得到的最危险滑弧较深且滑动范围偏大,不利于确定坝坡的加固范围;坝坡在地震过程中,最小安全系数与最大滑动量对应的滑弧并不一致且是不断变化的,有限元动力法计算坝坡稳定时,应在每一时刻任意搜索最危险滑弧;地震持时对坝坡安全系数影响不大,但对滑动量有较大影响;不同滑弧深度对坝坡安全系数有较大影响,存在一个临界深度,当滑弧超过临界深度时,坝坡安全系数大于 1.0 ;坝坡稳定安全性评价需要综合考虑安全系数与变形的计算结果。根据计算结果,建议了坝坡加固的范围。     

三峡工程左岸厂房坝段深层抗滑稳定的物理模拟

通过建立三峡工程左岸厂房坝段坝基的地质概化模型，采用物理模拟方法对其深层抗滑稳定性问题进行了系统研究，获得了典型坝段的滑动破坏机理与稳定安全系数。在此基础上，对坝基在处理措施进行了讨论，从而为该坝段的深层抗滑稳定性安全评价与基础另固处理设计提供了有重要参考价值的科研依据。     

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。     

三峡左岸坝段三维抗滑稳定性分析

三峡大坝左岸由于建基面抬高，大坝建于一个边坡之上，同时边坡内部存在定位的长大裂隙，其抗滑稳定受到普遍关注。目前大多数的工作均局限于二维领域。基于三峡工程的极端重要性。采用边坡稳定三维上限解分析方法对三峡左岸坝段进行三维稳定分析，研究三维效应对安全系数的影响。该方法具有理论基础严格，计算简捷的优点，它是二维的Sarma法在三维条件下的扩展。计算结果表明，三维安全系数比二维安全系数有明显的提高。     

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。     

乌东德拱坝坝肩三维抗滑稳定分析

 基于非线性有限元分析,采用三维有限差分程序FLAC3D,对乌东德拱坝联合坝肩岩体进行三维弹塑性数值模拟。由拱座岩体内不连续裂隙产状确定9个可能滑动楔块。将有限元计算的应力值通过插值转移到楔块滑面上,以滑面内短小裂隙建议连通率为依据折减滑面抗剪强度,采用三维矢量和法计算楔块安全系数。弹塑性计算结果表明,坝肩岩体在荷载条件下位移、应力分布基本对称河谷,但是受近坝断层F15,f42及K25岩溶系统影响,右坝肩受影响范围略大于左岸。正常蓄水条件下9个楔块具有较高的安全裕度,温升荷载导致大部分楔块稳定性降低,温降荷载主要对右坝肩稳定不利。地震荷载条件下,所有楔块稳定性大幅降低,平均降低30%,最大降低53.9%,坝肩岩体整体仍能保持稳定。     

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。