水位变化和降雨条件下的边坡稳定性分析

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边坡稳定问题是岩土工程领域经典的三大问题之一。边坡一般包括天然边坡和人工边坡。在高速公路路基、水坝和库岸堤坝等工程设计中,需要研究分析边坡的稳定性。通常用边坡的滑动稳定安全系数来评价其稳定性。在考虑水位变化及降雨等复杂因素影响时,准确确定边坡的安全系数一般比较困难。本文主要采用邵龙潭教授发展的有限元极限平衡法,在饱和与非饱和条件下,进行边坡结构的流-固耦合有限元分析的基础上确定边坡的最危险滑动面和安全系数。有限元极限平衡法是一种基于极限平衡条件进行稳定性分析的确定性方法。该方法首先应用数值计算方法(有限元、离散元或边界元等)得到计算区域的应力场,然后依据安全系数定义采用数学规划法搜索最危险滑动面。该方法安全系数定义物理意义明确,结合了极限平衡法和有限元法的优点,只要得到分析对象的应力场,即可方便快速地求出其相应的安全系数和最危险滑动面。它非常适合于实际工程计算,而且在复杂条件下的稳定性分析中优势更加明显。论文整体分为三部分:一、考虑渗流作用的边坡稳定性研究背景及国内外研究现状综述,包括库水位变化,降雨引起的边坡失稳的数值分析实验研究。概述本论文的研究思路和研究内容。二、边坡稳定分析方法综述。从传统方法和有限元法两方面进行阐述,重点介绍有限元极限平衡法和有限元强度折减法。以一个简单均质边坡的标准算例,对传统方法和有限元法得到的结果进行对比,采用引入场变量的方法进行强度折减计算并验证其结果合理性。三、非饱和渗流条件下的边坡稳定分析,内容包括:1)非饱和土固结理论与数值分析方法,介绍非饱和土的有效应力、饱和土和非饱和土渗流应力耦合分析以及非饱和非稳定渗流中边界条件和初始条件的处理等。2)基于1999年Griffith算例进行稳态渗流条件下的边坡稳定性分析,采用有限元强度折减法,有限元极限平衡法及传统方法计算并对结果进行对比。3)基于Griffith算例进行库水位下降过程中的边坡稳定分析,并借鉴以前学者的研究成果,在三种模式(库水位理想骤降、库水位理想缓降、非饱和非稳定条件下的库水位下降)下进行计算,考虑下降高度比等对安全系数的影响,计算水位骤降后超静孔隙水压力消散过程中安全系数的变化。计算分别采用有限元极限平衡法和有限元强度折减法,对比两种方法的计算结果,并阐述两种方法的特点。4)边坡在降雨条件下的稳定性分析。a)选取实际公路边坡土体参数进行计算,采用有限元法计算得到不同降雨强度下路基边坡的孔压场、渗流速度和等效塑性应变的时空变化,反映边坡在降雨条件下的渐进破坏过程;b)采用有限元极限平衡法和有限元强度折减法计算降雨历时边坡安全系数变化,并对两种方法得到的安全系数和滑弧形状进行对比,降雨条件分别为100mm/d.200mm/d和300mm/d;c)采用有限元极限平衡法,选取降雨强度接近边坡饱和渗透系数的水力参数进行降雨条件下边坡稳定分析,考虑坡角、水力参数等对边坡稳定性的影响。
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