均质坡设计最小安全系数的非圆弧曲线搜寻法

挖方边坡设计的目标是确定设计安全系数下的坡角和坡高,设计边坡是安全系数大于1的稳定边坡,不存在滑面,搜索的目的是寻找与设计安全系数相等的最小剪应比(面)。提出一种非常简单的指数型曲线搜索法,可搜索存在地下水的均质坡设计最小安全系数与其相应的坡角或坡高。从坡肩向外,进行等步长点搜索通过坡趾的曲线族。在每一点、指数由1逐渐增大变动指数曲线,对曲线与坡面线间的坡体进行条分,把每个条块底面抗剪强度与剪应力分解为水平与垂直分力,根据平行力系可移动原理,求各条块抗剪强度与剪应力的水平分力与垂直分力的合力,然后计算该曲线剪应比面的抗剪强度与剪应力,得到该剪应比面的剪应比,逐点对剪应比大小进行比较,搜索出曲线族的最小剪应比,直到通过某点的指数曲线的最小剪应比等于设计安全系数为止。通过3个算例与其他方法计算结果进行对比,表明这一方法的有效性具有实用价值,提出边坡设计应以最小安全系数为主要参照标准。

多层非均质边坡降雨入渗分析的改进Green-Ampt模型

边坡降雨入渗分析对于降雨型滑坡加固设计、治理和风险防控至关重要。经典的Green-Ampt模型参数虽然具有明确的物理意义,计算便捷,但是忽略了入渗区客观存在的过渡层,并且不能有效分析考虑土体渗透系数空间变异性的多层非均质边坡降雨入渗问题。为此,提出了一种适用于多层非均质边坡降雨入渗分析的改进Green-Ampt模型,考虑了降雨入渗的椭圆形过渡层,推导了不同降雨历时下边坡含水率分布情况。同时,以无限长边坡模型为例,通过4种常见的边坡工况验证了该模型的有效性,并进行了降雨入渗条件下非均质边坡稳定性分析。结果表明:对于设定的4种工况,提出的改进Green-Ampt模型计算的边坡体积含水量分布、安全系数和滑动面深度与Richards方程数值解吻合,而基于修正Green-Ampt模型计算的边坡体积含水量和滑动面分布存在偏差,边坡安全系数偏小。此外,基于提出的改进Green-Ampt模型能够准确识别最危险滑动面位置。研究成果可为多层非均质边坡降雨入渗分析及降雨型滑坡加固设计及风险防控提供理论参考。

双层均质边坡临界高度研究及其稳定性分析

基于边坡塑性极限理论,假定组合对数螺旋线破坏机构,直接推导出双层均质边坡的临界高度方程。通过强度折减法使边坡逐步处于极限平衡状态,进而获得边坡的稳定性安全系数。该方法直接进行外功率积分,无需采用数值方法解决外功率积分困难,并且显式表达边坡临界高度。针对强度折减过程中优化计算对初值的依赖性问题,基于均质边坡上限法的对数螺旋线优化参数,提出了层状边坡初值估算方法,通过重点空间重点搜索,使得边坡稳定性分析过程更加高效。通过算例的验证与对比分析,表明该方法具有较高的计算精度和稳定性,指出上限法在层状边坡局部稳定性分析中存在的问题,并重新构造出可以兼容整体与局部破坏模式的目标函数,解决该问题。最后,以兰州市某黄土边坡为工程背景,采用多种方法进行了稳定性分析,验证了所提方法的可靠以及初值的低依赖性,可快速有效的应用于工程实践。

非均质边坡强度折减法折减范围研究

目前强度折减法分析边坡稳定的研究多针对均质简单边坡,而当涉及到非均质边坡时,就存在选择局部区域还是选择所有区域进行强度折减的问题。以FLAC3D为平台,基于计算收敛性准则利用内嵌FISH语言二次开发了能够自动搜索安全系数的整体强度折减代码和局部强度折减代码;结合特征点位移突变准则利用内嵌FISH语言二次开发了依据位移–折减系数曲线判定边坡安全系数的整体强度折减代码和局部强度折减代码;通过有关算例,验证了自编程序的有效性。在此基础上,针对一个非均质边坡分别按照整体强度折减与局部强度折减进行稳定性数值分析,研究表明,两者所得安全系数并不总是一致,整体强度折减法计算所得安全系数与极限平衡法计算结果较为一致,而局部强度折减法若不能合理选择折减区域则不能正确评价边坡的稳定性。因此,采用强度折减法对非均质边坡进行稳定性分析时,建议对整个模型都进行折减。

非均质边坡多级稳定性分析方法

为了实现对非均质边坡稳定性的全面表征与系统评价,提出了一种针对非均质边坡的"多级次"评价方法。这种方法以强度折减理论为基础,首先对岩土体进行多次局部强度折减,得到边坡不同深度、不同岩层控制的多级潜在滑动面;然后运用极限平衡法进行各个潜在滑动面的稳定性计算,即可得到边坡不同深度、不同级次的稳定性系数。这种方法在确定多级滑动面的过程中充分利用了强度折减法客观性的优点,避开了极限平衡方法主观性的缺点,折减所得滑动面更能反映边坡在重力作用下的变形破坏过程,优于滑弧法搜索结果。通过规则模型的验证及实际边坡的应用,证明这种方法对于综合评价非均质边坡的稳定状态是有效的,并可为边坡的治理、监测设计及施工提供指导。

非均质边坡稳定性极限分析上限法

引入变异因子,推导土体黏聚力沿深度线性变化时的边坡极限分析上限法相关公式,研究成层土不同分布情况下的稳定性,并对极限分析法与极限平衡法中的评价指标进行对比。结果表明:对于刚体转动破坏,当坡脚土层黏聚力不变时,随着变异因子的增大,滑面对应的张角增大,但滑面位置变动微小,稳定系数近似线性增加。稳定系数和安全系数随变异因子的改变呈现相同的变化规律,但安全系数的大小与边坡坡高、土体重度和黏聚力有直接关系;考虑土体变形时,变形区内由黏聚力变化引起的损耗率是对数旋转面上的一半;坡脚土层黏聚力保持不变时,极限承载力随着变异因子的增加近似线性增加;当坡脚土层黏聚力大于坡肩时,边坡的稳定系数、安全系数和极限承载力均比土层相反分布时的要大。表明边坡坡脚土层黏聚力过小更容易造成失稳,建议采取"固脚强腰"的防护措施以确保边坡稳定。

非均质边坡稳定性上限分析评价研究

边坡稳定性评价研究是土力学经典问题。为研究非均质边坡稳定性问题,以上限分析法为理论基础,建立非均质边坡分段对数螺旋线破坏机构。应用拟合多项式近似描述对数螺旋线,计算破坏机构外力功率和内能耗散率,应用设计的计算流程进行强度折减循环计算,使边坡逐步过渡至极限平衡状态,确定边坡安全系数。以某露天矿南帮边坡为工程背景,经过反复强度折减,最终确定安全系数,通过变换初值的方式验证计算流程的稳定性,应用严格Morgenstern-Price法验证计算结果的准确性。研究结果表明:该流程性能稳定,不受初始值影响。相比于严格Morgenstern-Price法,二者安全系数计算结果偏差小于5%,可充分满足工程实践要求。同时,上限分析法求得的最危险滑面满足速度分离关系,具有更强的工程参考价值。

基于尖点突变理论的非均质土坡失稳判据分析

为避免失稳判据的主观人为性,将非线性突变理论运用于非均质边坡稳定性评价中。结合工程算例建立非均质土坡数值计算的力学模型,采用强度折减有限元法对土坡进行稳定性分析,通过建立坡体内部水平方向最大位移与强度折减系数的尖点突变模型,将失稳判据量化为一个确定的突变特征值,比较各级强度下的水平最大位移突变特征值与0的关系确定土坡稳定安全系数,并将所得结果与塑性区贯通判据、计算不收敛判据及Spencer法计算结果进行对比分析。结果表明:以尖点突变模型为失稳判据能确定出土坡稳定形态与强度折减系数的定量关系,展现土坡失稳过程的突变性,其物理意义明确,计算结果客观,求解出的安全系数精度较高。该失稳判据为非均质土坡稳定性分析的较优判据。

考虑参数空间变异性的非均质边坡可靠度分析

考虑土体参数空间变异性的非均质边坡最危险滑动面存在一定的空间变异性,导致边坡存在多种潜在失效模式。为有效解决含多失效模式的边坡可靠度问题,提出了非均质边坡可靠度分析的多重随机响应面法,并以一个含水平软弱夹层的边坡可靠度分析为例验证了提出方法的有效性,同时探讨了水平软弱夹层及其位置不确定性对边坡可靠度的影响,调查了单重响应面法分析考虑参数空间变异性非均质边坡可靠度问题的有效性。结果表明:多重随机响应面法为解决考虑多参数空间变异性的低概率水平非均质边坡可靠度问题提供了一个重要的工具,然而单重响应面法会高估边坡失效概率,导致偏保守的边坡设计方案。此外,水平软弱夹层对边坡稳定性、失效路径及可靠度均具有重要的影响,相比之下软弱夹层位置不确定性对边坡可靠度的影响较小。

均质边坡分级开挖宽平台设计初探

对整体稳定性较差的高边坡,在地形条件允许的情况下,建议在边坡中部设置宽平台。平台宽度达到一定值时,可使边坡平台上下级开挖互不影响,这样做的好处是当边坡产生局部失稳时就不会波及其他级边坡,从而避免从上到下连续大滑坡。提出采用极限平衡法搜索滑面的方法来确定宽平台的合理宽度,并用数值分析结果验证这种方法的合理性。进行了宽平台设计因子相关性分析,并建议采用工程类比的方法结合上述宽平台设计因子相关性找出一个较为合理的边坡开挖坡率和宽平台值。

多级组合支护结构对非均质高边坡抗震性能影响分析

强震引起支护结构失效、边坡失稳的事故频发,因此对边坡支护结构进行抗震性能分析具有重要价值。以四川省乐山市风池山某边坡支护工程为背景,选取该边坡地层分布较为不均匀及存在薄弱夹层的典型剖面,建立了未支护结构和支护结构的振动台试验模型,对比分析了支护结构对边坡抗震性能影响,其中,支护结构综合采用了矩形格构框架梁、预应力锚索、抗滑桩等多级组合支护形式。试验中充分考虑了边坡土层非均质性,以及薄弱夹层对计算结果的影响,得出了一系列关于坡面位移、坡体加速度,以及支护结构动力响应等方面的重要结论。

基于积分法的均质边坡稳定性区间分析

为了考虑岩土体材料自身强度参数的随机性对边坡稳定性的影响,采用边坡稳定积分法代替传统条分法,避免了条分法中土条数目不同带来的计算误差,并利用区间分析理论,充分考虑岩土体抗剪强度参数的随机性,得出了土体参数在一定范围内变化情况下的区间安全系数表达式及浸水条件下边坡的区间安全系数表达式,并通过Matlab语言进行程序的编制。计算算例表明:常规方法求得的安全系数包含在此方法所求的区间范围内,体现了此方法对均质边坡的计算结果正确合理,得出的区间结果具有一定的实际工程意义。

非均质成层边坡极限承载力上限分析

极限承载力一直是采矿、岩土等领域关注的难点和热点问题,严重影响着边坡与邻坡建(构)筑物的安全稳定性。基于极限分析上限定理,考虑边坡滑动溢出位置不确定性影响,建立3种模式的非均质成层边坡刚性多滑块破坏机制,推导出边坡极限承载力上限解,并采用序列二次规划算法(SQP)求其最优值。以三岔露天矿北帮为工程背景,通过与数值计算结果对比分析,验证本文方法的有效性,进而开展不同坡角和排土场距坡肩距离影响分析。结果表明:(1)本文方法计算结果与数值计算结果吻合度较好,表明本文方法边坡极限承载力上限解合理有效;(2)边坡极限承载力与坡角大小呈线性负相关,与排土场距坡肩距离呈线性正相关,相比于排土场距坡肩距离而言,坡角对边坡承载力影响更为敏感;(3)坡角变化对边坡失稳模式影响较大,而排土场距坡肩距离的变化对边坡失稳模式影响不明显;(4)坡角和排土场距坡肩距离均对滑裂面起始位置和溢出位置有影响,滑裂面起始位置受排土场距坡肩距离影响较大而受坡角影响较小,滑裂面溢出位置受坡角影响较大而受排土场距坡肩距离影响较小。相关研究成果有望为边坡及邻坡基础设计提供理论支持。

基于Hoek-Brown破坏准则的均质岩石边坡动力稳定性拟静力分析(英文)

将"外切线法"与强度折减技术相结合,采用拟静力法分析符合非线性Hoek-Brown破坏准则均质岩石边坡的动力稳定性。采用"外切线法"的Hoek-Brown破坏准则的瞬时抗剪强度参数(瞬时内黏聚力ct和瞬时内摩擦角φt)作为变量参数引入稳定性分析过程。采用内点迭代方法对岩坡动力稳定性拟静力安全系数的上限计算表达式进行求解,通过与已有研究成果的对比验证本文方法的有效性和正确性。为便于工程应用,将均质岩坡安全系数Fs与地质强度指标参数GSI之间的关系绘制成图形。

均质边坡离心试验锚杆的应力响应及布设探究

以低碳钢片模拟全长黏结锚杆,开展均质岩质边坡离心模型试验,研究了锚杆的应力响应规律。基于试验模型锚杆应力响应规律启发及实际均质边坡变形破坏演变规律,提出仅针对边坡松弛区进行局部强度折减,数值模拟探讨了均质岩质边坡单锚应力监测的较佳位置。结果表明:均质岩质边坡变形破坏起始于坡脚的剪切破坏,且随着边坡变形破坏的开展,靠近坡脚的全长黏结锚杆会较早产生明显的应力响应,锚杆应力增长速率会不断增加;锚杆应力监测点距离边坡潜在滑动面(塑性变形区)越近,锚杆应力响应时间越早,且量值越大;建议在距离坡脚0.25~0.35 H(H为边坡高度)的坡面处布设监测锚杆,但对于具体监测边坡对象,应具体问题具体分析。研究成果可为均质岩质边坡的锚杆监测工作提供一定的参考借鉴。

考虑吸力影响的非饱和黄土均质边坡稳定性分析

通过等吸力三轴试验研究非饱和黄土在控制吸力条件下的应力应变特性,推导了新的吸附强度公式,该公式可预测吸力对非饱和黄土抗剪强度的贡献,并设定工程案例对吸力影响下的非饱和黄土边坡进行了稳定性分析.结果表明:强度参数c随吸力增大而增大,而强度参数φ随吸力的增大基本上不变;在围压一定时,原状黄土的抗剪强度随吸力的增大而增大且应力应变曲线多为硬化型曲线,吸附强度随吸力的增大而增大且呈二次函数关系,边坡安全系数随吸力的增大而增大且呈对数函数关系.

非均质边坡稳定性有限元强度折减影响因素分析

强度折减有限元法在边坡稳定性分析中已得到广泛应用,但目前大多针对均质边坡,较少涉及非均质边坡。将强度折减有限元法应用于非均质边坡,仍有一些问题未解决。本文探讨了不同单元类型和网格大小对计算精度的影响,研究了初始地应力对计算结果的影响,分析了边坡失稳破坏的过程。结果表明:三角形二阶单元对网格大小要求低且精度较高;初始地应力对计算结果有一定影响,考虑初始地应力时计算结果偏小;以特征点位移突变结合塑性区贯通为失稳判据更能反映边坡真实的稳定性。最后,通过算例验证了结论的可靠性。

基于强度折减法的非均质多级边坡稳定性分析

基于强度折减法,运用有限元分析软件ADINA建立非均质多级边坡计算模型并进行数值模拟。结合边坡各计算工况的安全系数和塑性区范围,分析了边坡级数、平台宽度以及单级坡率等因素对边坡稳定性的影响。结果表明:增加边坡级数、平台宽度或放缓坡率可有效提高边坡的稳定性;增加边坡级数和放缓下级边坡坡率,可将边坡整体破坏分解为局部破坏;边坡平台设在中下部对边坡稳定性更有利;若改变单个平台宽度或单级坡率,增加下部平台宽度和降低下级边坡坡率对提高边坡稳定性更显著。

一种确定平面滑动型均质边坡安全系数的弹性极限平衡方法

根据均质边坡的实际地质与几何特征,将其简化为无限大楔形体弹性力学模型,用经典弹性理论推导出了该力学模型对应的坡体内部应力分量的解析表达式.根据求出的应力表达式,对潜在滑动面形式为平面的边坡,结合极限平衡理论推导出了边坡安全系数的表达式.最后用简单算例验证了应用该安全系数表达式的可行性,同时将其计算结果与基于刚体极限平衡理论的条分法的结果之间的异同进行了比较.首次采用弹性极限平衡法确定了安全系数的解析表达式,具有一定的应用前景.

强震作用下均质岩质边坡动力响应的振动台模型试验研究

近年来我国地震灾害频发,强震诱发边坡失稳作为地震中最为常见的次生灾害,致使我国的地震滑坡灾害数量位居全世界之首,针对强震作用下岩质边坡动力响应问题,采用铁粉、重晶石粉、石英砂、石膏、水作为相似材料,开展了均质岩质边坡振动台试验。详细分析了均质边坡模型在不同频率和幅值地震波输入下的地震动响应特征,发现当频率较低时,沿坡表水平距离方向上监测点的水平加速度放大系数是单调增大的,坡肩处水平加速度放大系数达到最大值,当频率进一步增大接近或者超过模型自振频率时,边坡模型不再呈现出典型的放大现象;相同幅值不同频率加载条件下,均质边坡模型的自振频率变化整体不太明显,而输入加速度幅值的变化对自振频率的影响更为显著,低频成分对模型损伤不明显,高频及自振频率附近频段对均质边坡的损伤更为强烈,导致模型的自振频率显著下降。该问题的研究对强震作用下岩质边坡地震动响应及变形破坏机理研究具有一定的指导意义。