基于有限元强度折减法的土质边坡稳定图表法研究

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由于有限元强度折减法能够考虑土体的应力应变关系,不需要假定滑动面的形状和位置,且可以模拟边坡的渐进破坏过程等优点而被广泛应用于边坡稳定分析中。目前关于该方法的研究,虽然取得了不少研究成果,但仍未达到完善程度。另外,边坡的空间效应客观存在,广义的空间效应包括滑体形态效应和坡面形态效应。如果在稳定分析时将其忽略,可能造成较大的工程浪费或安全隐患。关于边坡空间效应的研究多是釆用三维极限平衡方法,由此得出的结论有待验证。鉴于此,本文围绕有限元强度折减法及其应用开展了如下研究工作:  (1)研究了D-P系列屈服准则间安全系数的转换问题,提出一种以D-P准则在π平面上的屈服圆半径比进行安全系数转换的方法。算例分析表明该方法简单方便,且精度也满足要求。  (2)研究了剪切强度参数c和ψ对边坡稳定性的影响程度。c和ψ对安全系数的影响程度与坡角β有关,对于任意均质边坡,存在着一个等效影响坡角θe。当β=θe时,C和ψ对边坡稳定性的影响程度相同;当β<θe时,ψ对稳定性的贡献程度大于C;当β>θe时,C对稳定性的贡献程度大于ψ。等效影响坡角的概念具有普遍性。  (3)结合典型算例对现有四种失稳判据进行了对比分析和评价。收敛性判据得到的安全系数与位移突变判据和动力学判据得到的结果十分接近,但无法反映边坡失稳的动态变形过程,且计算结果与收敛准则的设置有关,具有人为任意性,建议联合其他判据综合判断。塑性区贯通判据计算的安全系数明显偏小,塑性区是否贯通需人为观察,塑性区贯通并不一定表示边坡失稳。位移突变判据能够定量表征边坡在临界状态时产生很大且无限发展的塑性变形和位移,物理意义明确。动力学判据物理意义明确,但计算复杂。  (4)通过分析滑动机理提出一种基于边坡等效塑性应变分布的滑动面搜索方法。算例分析表明,该方法准确可靠,也适用于边坡多级滑动面的搜索。  (5)推导了Hoek-Brown准则下岩体瞬时等效Mohr-Coulomb强度参数的估算公式,并进行了验证;进而研究了岩石的材料特性对等效强度参数的影响规律;提出了基于(5)推导了Hoek-Brown准则下岩体瞬时等效Mohr-Coulomb强度参数的估算公式,并进行了验证;进而研究了岩石的材料特性对等效强度参数的影响规律;提出了基于Hoek-Brown准则的强度折减方法,结合算例与其他方法进行了比较验证;在此基础上绘制了求解安全系数的稳定性图表,最后通过两个工程实例进行了应用。  (6)根据所建立的三维均质边坡数值分析模型,建立了一套能够快速获取边坡稳定安全系数的图表法,并进行了可靠性验证,最后结合算例对图表法进行了应用。  (7)分别对滑体形态效应和坡面形态效应的影响因素进行了分析,总结了滑体形态效应的变化规律及影响幅度;绘制了滑体形态效应计算曲线和均质圆形凹凸边坡的稳定性图表,与已有成果进行了比较验证,并结合算例进行了应用。最后从工程应用的角度建议以边坡的宽高比W/H=5作为是否考虑三维滑体形态效应的界限,以边坡的凹凸程度R/H=10作为是否考虑坡面形态效应的界限。
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