边坡危险滑动面及稳定安全系数的力学解析方法

为了分析边坡的稳定性,提出了一种基于极限平衡理论的分析方法。假定坡体为只受重力作用的弹性体,通过弹性力学解析解求得应力分布,将滑动面用分段二次多项式函数表示,当分段间隔足够小时,这种表示方式可以描述任意曲面形状,根据坡体滑面所满足的Mohr-Coulomb准则,定义边坡稳定安全系数,其为多项式系数的函数。通过混和罚函数优化方法可以求出最危险滑动面对应的多项式系数,获得边坡的稳定安全系数,从而判定边坡的稳定性。所提出的方法与以往方法不同,不用将滑体划分成垂直条块,不用假定滑面上的法向应力分布形式,而直接利用已有的坡体弹性应力解。算例表明:本文方法所得到的结果与简化Bishop法和有限元强度折减法获得的结果非常接近,且基本介于有限元法和简化Bishop法之间。     

边坡的潜在滑动面分析

边坡稳定分析是土力学的经典课题之一。极限平衡法是边坡稳定分析最常用的方法, 也是规范推荐的方法。通常认为最小安全系数对应的潜在滑动面就是最可能滑动的临界滑动面。本文对这一问题进行分析, 提出了将最大加速度对应的滑动面作为潜在滑动面的思路, 这里称为加速度临界滑动面。对典型算例进行分析, 表明最大加速度与最小安全系数具有较好的相关性。     

红砂岩高陡岩质边坡稳定性分析及治理

充分利用边坡失稳前自身抗滑能力进行高陡边坡治理，结合工程实例，提出了主动性公路边坡治理的思路。分别利用极限平衡法和有限元数值法，综合考虑了两种方法的优缺点，对红砂岩高陡边坡进行了全面的稳定性分析，并针对性地提出了经济合理的治理方案。     

基于滑动面应力假设下的三维边坡稳定性极限平衡法研究

基于滑动面法向应力的简单计算模式及Mohr-Coulomb强度准则,多个计算参数被使用对滑动面应力进行合理假设,并依据三维滑动体所满足的静力平衡条件,推导三维边坡稳定性极限平衡解答。同时,在三维边坡稳定性分析中,以往研究成果被采用对滑动面剪应力方向进行假定,且基于所采用极限平衡方程数目的不同,由此实现三维边坡极限平衡非严格法、准严格法和严格法。经与经典算例对比,验证了方法的可行性,并分析了三维非对称滑动体时非严格法、准严格法和严格法之间所得结果的差异。研究表明:非严格法所得计算结果偏小,其分析得到的边坡稳定性较为保守;准严格法与严格法计算所得结果接近,故采用不完全满足滑动体所有静力平衡条件的准严格法同样能得到较为可靠的安全系数。此外,所提方法构建了合理的滑动面应力假设,且求解过程简单,无需迭代计算,便于编程,从而利于工程应用。     

基于整体稳定性分析法的边坡临界滑动面搜索

临界滑动面搜索是边坡稳定分析中很重要的内容,针对现有方法的不足,提出了一种新的搜索方法。基于边坡稳定性的整体分析法,建立了确定临界滑面的非线性优化模型。该模型将滑面离散点的纵坐标和安全系数都视为独立变量,目标函数取为安全系数本身,约束条件是平衡方程组和滑面凸性。由于目标函数是线性函数,约束条件至多是二次多项式,非线性程度较低,可采用经典优化算法和常见的非线性优化工具求解,比如Matlab。通过实例分析并与传统的滑面搜索方法进行对比表明,所建议的方法在数值稳定性及收敛性方面均具有优势。     

基于数值应力场的边坡临界滑动场

数值分析方法（有限元、有限差分等）可计算边坡应力、变形和破坏,但直接计算边坡安全系数比较困难;而极限平衡法需对边坡体内力作出假设,计算精度受到限制。利用数值分析方法计算得到的应力场,重新定义推力最大原理中推力的含义,将常规边坡临界滑动场数值模拟方法作进一步的改进,提出基于数值应力场的边坡临界滑动场方法。该方法可充分发挥两大方法的优势,能够准确、方便地搜索出边坡临界滑动面位置,并给出更合理的边坡安全系数。通过两个算例的稳定性分析,并与其他方法进行比较,验证了该方法的准确性和合理性。     

马氏距离判别法对边坡潜在破坏类型分析——以某石灰石矿山为例

距离判别法在社会科学领域得到了广泛的应用,近年来在岩土工程领域进行了一些尝试。岩小明、周成豪等应用马氏距离判别法基于岩体抗压强度、边坡结构面倾角、结构面和边坡位置关系、岩体结构类型、岩体或结构面抗剪强度、边坡高度和边坡角对23露天矿边坡破坏类型研究,发现有其良好的相关性,得到三种破坏类型的判别函数。本次利用周成豪(2020)建立的判别函数对丽江古城某石灰石矿山边坡破坏类型进行检验,并采用Monte Carlo进行二维结构面网络模拟及迪杰斯特拉(Dijkstra)算法搜索边坡破坏类型进行对比。发现两者判断结果对边坡整体破坏类型具有较好的一致性,但J3节理结构面判别可能发生平面滑动破坏与沿层面、J1、J2节理发生折线滑动破坏不一致,表明边坡破坏的复杂性及马氏距离判别法的适用性还需要加强。     

基于GRASS GIS与TIN滑动面的边坡三维极限平衡方法研究

基于开源地理信息系统(GRASS GIS),建立三维极限平衡Hovland模型,研究了边坡稳定性计算方法。采用空间平面投影方法对椭球滑动面中各组成单元面积计算方法进行改进,提高了计算效率。考虑边坡主滑方向与各单元倾向之间的关系,给出了能反映正负变化的滑动面各单元安全系数表达式。通过引入约束Delaunay三角形剖分方法与网格优化算法来生成滑面不规则三角形格网(简称TIN)模型,弥补了Grid模型在滑动面边界准确表达方面的不足。相比Grid模型,在相同网格分辨率条件下,TIN滑动面获得的边坡整体安全系数更加接近正确解,能够有效提升计算精度。通过考题与工程实例,对所提方法与程序模块的正确性进行了验证。结果表明,通过分析滑动面上各单元的安全系数,可以进一步划分不稳定区域与阻滑区,能够为滑坡治理措施的制定提供重要参考。     

田湾核电站西边坡抗震稳定性研究

田湾核电站西边坡为核安全相关边坡,在进行边坡的稳定性评价时,地震作用应根据核电厂的极限安全地震动(万年一遇)确定,且边坡稳定性系数需满足核电厂抗震设计规范要求。在深入研究核电站西边坡工程地质条件的基础上,考虑多种计算工况,采用极限平衡法和有限差分法对边坡的稳定性进行了综合评价。计算结果表明,原田湾核电站西边坡整体是稳定的,但在罕见强震作用下存在局部滑移的风险;经削方治理后的田湾核电站西边坡无论处于天然状态还是罕见强震工况下,边坡都是稳定的,不会对核安全相关建筑构成威胁。     

广州飞碟训练中心高边坡稳定性分析

以广州飞碟训练中心人工高边坡工程为背景,讨论了人工高边坡设计中的若干关键技术问题,介绍了边坡设计方案。基于相同物理模型和边界条件,先后运用不同极限平衡理论分析该高边坡稳定性,分析了不同极限平衡法计算结果的差异和原因,以及极限平衡法在边坡计算中的限制。运用有限元强度折减法进行相同条件下的计算,并对不考虑锚索加固和考虑锚索加固的边坡计算结果进行比较,分析边坡变形特征和破坏机制,指出有限元折减强度法的优势。     

某变电站人工堆积边坡稳定性分析

以北京市门头沟区某变电站场地人工堆积边坡为研究对象,基于系统的现场勘察和室内外试验结果,选择典型边坡剖面,应用极限平衡法研究了不同工况下的边坡稳定性,并提出了针对性的防治措施。结果表明:在天然工况下,该人工堆积边坡剖面1-1和剖面2-2均处于欠稳定–不稳定状态;在暴雨工况下,剖面1-1和剖面2-2处均处于不稳定状态,边坡整体上处于不稳定状态。根据边坡稳定性的分析结果,结合工程实际情况,确定桩板式挡土墙为该人工堆积边坡的优化支护方案。     

岩质高边坡开挖优化及稳定性分析的复合方法

以一最终开采境界为180 m的岩质边坡为工程背景,建立了基于极限平衡法和强度折减法的稳定性复合分析方法,探讨边坡开挖优化方案及其宏观力学变形响应.建立简化Bishop极限平衡模型,分析边坡在不同工况下,安全系数随开挖坡度的变化情况,确定优化开挖方案;利用数值分析方法,建立数值计算模型,计算边坡在最优台阶开挖方案下的破坏模式、应力应变响应以及安全系数.结果表明,所确定的开挖方案下,边坡稳定性和经济性达到较好组合; 数值分析方法能够直观反映出应力和变形在完整岩体和断层裂隙间的传递规律,验证符合实践情况;开挖完毕后,边坡处于稳定状态,其潜在破坏形式为局部滑坡;复合方法能够同时发挥极限平衡法快速计算安全系数的优点和数值分析方法动态监测开挖进程的优点.     

两种滑动面型式下边坡稳定性计算方法的研究

基于圆弧和任意曲线两种滑动面型式,对边坡稳定性计算方法中的瑞典法、简化Bishop法、简化Janbu法、严格Janbu法、Morgenster-Price法、Sarma法和不平衡推力法进行研究。对上述各种方法的研究成果进行了总结,并对Morgenster-Price法中的条间力函数 选择了4种形式（即 为常数0.1、0.5、1.0及半正弦函数）,对不平衡推力法中的公式进行了改进。通过算例对比,及当条分数不同、边坡坡角和坡高变化时,分析了这些方法的特点,由分析结果可知：（1）瑞典法和简化Janbu法计算得的安全系数最小,简化Bishop法和不平衡推力法与严格法得到的结果颇为接近;（2）任意曲线滑动面方法较圆弧滑动面方法计算得的安全系数稍小,且得到的临界滑动面与临界圆弧滑动面相接近,因而表明,圆弧滑动面作为一种近似的临界滑动面能够满足实际工程需要;（3）均质边坡采用较少条分数即可获得较高的安全系数计算精度,非均质边坡需一定数量的条分保证结果的可靠性;（4）Sarma法对土条侧面法向力和剪切的假设,使得其在均质边坡计算得的安全系数比其他方法要大,有偏于不安全的考虑,但Sarma法能够考虑边坡非均质对条分法的影响;（5）当边坡外形（如坡角、坡高）变化时,严格Janbu法在两种滑动面型式下计算得的安全系数相差很小,而其他方法稍大一些;（6）Morgenster- Price法中,条间力函数 对计算得到的结果影响很小。     

某反倾页岩边坡破坏面确定及其稳定性分析

破坏面确定是边坡稳定性分析的基础,存在各级滑动面。不同结构类型边坡,其确定方法也随之不同。对于反倾软岩边坡,不能通过不连续面空间展布分析确定其破坏面。联合FLAC3D和极限平衡方法分析具有节理块体切割破坏模式的某反倾页岩边坡稳定性。在野外调查基础上分析边坡的变形破坏机制,应用FLAC3D研究其应力、应变等值线及相应增量等值线图确定边坡潜在最危险滑动面和次级滑动面,计算其稳定性系数。在防护设计中考虑次级滑动面,针对边坡危险区域分析其防护效果。应用强度折减计算两危险区域稳定性系数,表明防护后边坡整体稳定性较好。该方法对反倾软岩边坡的稳定性分析有一定的借鉴价值,在防护设计中考虑次级滑动面的影响具有一定的实际指导意义。     

基于Janbu法的边坡整体稳定性滑动面搜索新方法

对于边坡整体稳定分析,找到了一种用随机角来搜索随机滑动面的新方法。在此过程中,采用简化Janbu法计算安全系数。这种新方法产生随机滑动面的过程是：先假定滑动面与边坡上、下缘的交点,在某一初始方向的情况下,以下缘交点为基点开始每随机一个角度方向,使其与对应的滑动体土条划分竖线相交,直到随机角度方向与上、下缘交点的连线重合,将这些交点依次连接,即可得到一条随机曲线（或随机滑动面）。通过随机模拟曲线,发现随机角物理意义明确,具有以下两个独特优点：①只有一个随机条件,随机因素易于控制,便于计算机编程;②为保证其随机曲线为一光滑曲线,可对随机角进行适当优化,并且在条分数足够大时,能够模拟任何曲线。针对以往随机搜索精度不高的问题,采用近似曲线来代替随机曲线的方法加以改进,并且将近似曲线的生成进行了简化。经各种实例对比分析后,得出此方法计算得出的安全系数与以往研究成果颇为接近,得到的最危险滑动面亦与实际情况相符,因而可说明此方法能够适用于边坡整体稳定性分析。     

基于块体单元法的岩石边坡安全系数研究

岩石边坡因其结构面数量众多、块体系统及其滑动方式复杂,给危险块体组合的搜索及其安全系数计算带来很大困难。基于块体单元法,对岩石边坡中的危险块体组合搜索及其安全系数的计算方法进行了研究。首先,在块体元强度折减计算的成果下,根据屈服面贯通理论提出搜索危险块体组合的新方法;然后,对安全系数计算方法进行研究,建议在位移突变判据下采用双线性交叉法计算安全系数;最后,进行了单面、双面和多面滑动以及复杂块体系统的算例分析,并与刚体极限平衡法计算结果进行了对比。结果表明,由于块体单元法考虑了力与力矩的平衡及结构面上应力的非均匀分布,其计算结果更准确。该方法有望广泛应用于复杂岩石边坡稳定分析。     

基于Janbu法的边坡稳定性研究

通过对边坡稳定性数值分析研究,推导Janbu法求解边坡安全系数的计算过程,并用该法计算云南映象北金大道中的边坡安全系数,取得较理想的结果。     

基于施工监测和三维模拟的临危边坡锚固方案研究

依据实际工程边坡案例,研究利用施工监测资料联合边坡稳定分析三维数值模拟确定临危边坡锚固方案的方法。研究表明,根据连续的监测资料可确定边坡内部剪切位移带的位置、发生区间和开始时间,据此可推测边坡潜在滑移面的位置和形状;边坡稳定分析有限元法三维模拟可以考虑坡体断面形态变化对坡体稳定和变形的影响,计算结果更具有合理性;以三维数值计算得到的坡体外部变形拟合实测变形和滑动面,依据临危边坡所处的极限平衡条件,可以确定坡体当前状态的等效力学参数;根据等效力学参数,通过三维模拟可以确定坡体最终形态下的潜在滑动面形状和位置,从而合理地确定加固锚索的长度和密度;工程运行情况表明,由此确定的加固方案是可靠的。     

基于岩土材料软化特性的滑坡多级滑动面分析方法研究

在实际工程中,滑坡经常呈现出多级破坏的特征,而一般计算和设计中仅关注最危险的滑动面及对应的最小安全系数,这往往遗留安全隐患。在考虑岩土材料软化特性的基础上,借助FLAC3D和Matlab软件平台构建了无需人工干预便可有效模拟与评价滑坡多级破坏的理论框架。以旬阳县党家坝廉租房小区滑坡为例,通过对塑性剪应变、塑性拉应变、剪切应变增量等特征变量的渐进发展规律分析发现：滑坡多级滑动面的形成,其时间和空间顺序并不一定相对应。各级滑动面在时间上按产生的先后顺序依次为第1级主滑面、第2级主滑面、次级滑面;而在空间上按照从前到后的顺序依次为第1级主滑面、次级滑面、第2级主滑面。从计算所得的滑坡最终破坏形态中发现,坡体内部出现的滑动面条数与现场采集的拉裂缝数基本保持一致;第1级主滑面的入口位置与滑坡前缘拉裂缝位置基本吻合;而第2级主滑面及次级滑面的位置与现场勘查到的拉裂缝位置出现偏差。从材料参数的渐进发展规律中发现,滑面上强度参数的分布及大小均随着滑面的产生、发展而逐渐变化,其变化区间为峰值强度到残余强度,这是此方法可以有效模拟多级滑动面形成过程与各级滑动面之间相互影响的核心所在。借助矢量和法成功地实现了基于滑面上强度参数渐进发展规律的安全系数演化过程的确定。通过对安全系数演化过程的分析发现,在滑坡多级滑动面的形成过程中安全系数大小顺序呈现出3种不同的状态,这很好地揭示了各级滑动面在形成过程中的主、被动关系。     

基于上限定理的边坡潜在破裂面确定方法与稳定性判识研究

边坡潜在破裂面的确定与稳定性判识一直是岩土工程界研究的热点问题。将边坡潜在破裂面看成是由若干段组合而成的复合破裂面,并沿各段将边坡垂直条分为多块体,在假设边坡岩土体服从摩尔-库仑屈服准则条件下,根据极限分析上限定理,分别计算各块体外功率与内能耗散,并建立边坡稳定系数的多元函数。利用数学优化方法给出边坡稳定系数的最优解,可以方便地给出边坡潜在破裂面形状及其对应的边坡稳定系数。通过算例分析并与前人研究成果比较,结果表明：理论方法是合理有效的,可以用于边坡潜在破裂面的确定与稳定性判识。