拟静力法边坡稳定分析的改进

拟静力法边坡稳定分析的改进

作者：

作者单位：

吕擎峰， 殷宗泽， 王叔华， 姬凤玲

吕擎峰(河海大学,岩土研究所,南京,210098;兰州大学,资源环境学院,兰州,730000)， 殷宗泽,王叔华,姬凤玲(兰州大学,资源环境学院,兰州,730000)

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1.学位论文 周圆π 边坡稳定性分析中最危险滑动面的搜索 2004

岩土边坡稳定问题一直得到众多学者关注.边坡稳定性是大坝和露天矿井以及高速公路、铁路、机场、高层建筑深基坑开挖等土木工程建设中十分重要的问题.现在岩土边坡的开挖深度已高达数百米,边坡稳定性分析结果的正确与否直接关系到边坡工程的成败,甚至还关系人们的生命财产安全.对由粘聚性土类组成的均质或非均质土坡进行稳定分析计算的一种比较简单而实用的方法是条分法,其数学理论基础是"有限差分法",其计算精度取决于分条宽度和条数.第三章中,对圆弧滑裂面在固定滑出点的情况下,采用安全系数分布图进行计算分析,用颜色值来表示安全系数的大小,并应用它探讨了复合边坡安全系数分布的规律.由于安全系数的目标函数是非凸的、多变量的并且存在多个极小值,所以一般边坡最危险滑弧的搜索是困难的.遗传算法为解决这种问题提供了有力的方法和工具.第四章中,介绍了遗传算法.数值算例表明,遗传算法是一种全局优化搜索算法,能够有效克服经典搜索方法易陷入局部极小值的缺点.在第五章中,探讨了搜索变量的选取对搜索效率的影响,对此作者提出以滑弧的两个端点位置以及它所组成的弓形高(弓形高动态的决定)为搜索变量.实例表明,搜索变量的这种选取方法缩小了搜索范围,提高了搜索效率,有很好的应用前景.第六章中提出了基于遗传算法和拟静力法搜索地震作用下最危险滑移面及其相应最小安全系数的方法,并且绘制了安全系数分布图.从安全系数分布图可以看出地震对安全系数分布情况影响很小,扩大了安全系数低值区.此外作者针对以上研究内容编制了各种计算和数据处理程序.

2.期刊论文 刘立平.雷尊宇.周富春 地震边坡稳定分析方法综述 -重庆交通学院学报2001,20(3)

根据地震对边坡的作用不同，地震边坡失稳分为：惯性失稳和衰减失稳.惯性失稳的分析方法有拟静力法、Newmark滑块分析法、有限元方法及概率分析法等.而衰减失稳的分析方法有流动破坏分析法和变形破坏分析法等.本文对这些分析方法的发展、应用及特点进行了综述，提出了地震边坡分析中主要研究内容、存在的问题及发展趋势.

3.学位论文 王智慧 经验遗传-单纯形算法应用于边坡动、静力稳定分析 2006

边坡稳定性研究是岩土工程研究领域的重要组成部分，大量学者围绕边坡的稳定问题展开深入研究，并取得了大量有效、实用的研究成果。从理论研究的角度看来，目前关于边坡在静荷载作用下的稳定问题的研究已逐渐成熟，各国都制定了相应的技术规范用于工程实践；其中土钉支护结构由于其经济、适应性强、效果好和施工快捷方便等优点，近年来得到了广泛应用。在土钉支护工程稳定性判别中如何确定最危险滑裂面位置及其对应的最小安全系数是一个关键的问题，这一问题的解决通常需要分析者进行多次调整、反复验算，因此，寻找更为高效的算法是研究者们努力的方向。

边坡在动荷载作用下的稳定性及边坡的动力响应研究由于问题的复杂性，目前的研究还很不成熟。对于地震作用下的边坡整体稳定及安全系数计算研究文献还比较少，基于极限平衡的拟静力法计算过于简化，误差较大。

本文系统的研究了用于分析土钉支护结构整体稳定性的多种方法及近年来土钉支护结构优化方面的部分工作。采用规范使用的圆弧滑裂面，用简单条分法建立了整体稳定安全系数Fs的模型，并推导出目标函数公式，具体说明了实现过程。用经验遗传-单纯形算法寻找了土钉支护结构最危险滑裂面及其对应的最小安全系数Fsmin，从而实现了十分重要但计算量很大、很繁琐的寻优过程。 文中将经验遗传-单纯形算法计算结果与一般遗传算法计算结果进行了对比。还将这一方法应用于实际工程，与原工程设计结果进行了对比分析，并就此进行了讨论。找出了考虑地震影响后实际工程结构的最危险滑弧圆心位置及其对应最小安全系数，计算了整体稳定安全系数的下降比例。 采用FLAC计算软件，对于边坡在地震作用下的稳定问题进行了数值模拟分析。建立边坡弹性和弹塑性模型，分析了边坡内部质点沿高度方向的加速度峰值放大倍数分布规律。

分析了地震影响系数取值方法，给出了两种建议取法。根据分析得到的沿高度方向的加速度放大倍数分布，采用经验遗传-单纯形算法搜索到的最危险面，并考虑了沿土条高度方向分布的质点惯性力的不均匀性以及由此引起的土条本身的转动力矩，建立了一种基于拟静力法的地震动力稳定分析方法。

4.期刊论文 董建华.朱彦鹏.DONG Jian-hua.ZHU Yan-peng 地震作用下土钉支护边坡稳定性计算方法 -振动与冲击2009,28(3)

考虑土钉对土质边坡稳定性影响的情况下,根据土体边坡滑动面的破坏模式,拟静力法,建立了地震作用下土钉支护边坡稳定性模型,推导了边坡滑移面圆心位置与稳定系数之间的函数关系.在水平地震作用下,竖向条分在计算地震惯性力和抗滑力矩时存在计算上的不合理,从而使地震惯性力与实际值有误差,抗滑力矩偏小,因此采用竖向条分和水平条分结合的方法对土钉支护边坡地震稳定性分析方法进行了改进.利用遗传算法对最危险滑移面的圆心进行动态搜索,并且避免了在圆弧搜索中陷入局部最小值的缺点.采用面向对象程序设计语言VC++编制了程序,实现了上钉支护边坡稳定最小安全系数的自动寻优.最后结合具体工程实例进行了验算,结果表明这种计算方法对土质较均匀的黄土地区是适用的.

5.学位论文 刘勇 爆破振动作用下顺层岩体边坡层面强度弱化的实验研究 2007

边坡稳定性问题一直是岩土工程界的一个重要研究内容，而岩体层理面性质是影响边坡稳定的主要因素之一。如何合理确定层理面的强度参数与边坡的稳定性分析结果及相应支挡结构方案的设计密切相关，尤其如何正确选取爆破振动作用下的层理面强度参数还关系到工程边坡爆破开挖过程的安全和效率。

针对爆破振动如何引起顺层边坡的滑移失稳问题，本文利用自行设计制作的模拟爆破振动箱进行了刚性层理和软弱层理两种不同层面性质的顺层边坡滑移失稳机制的模型实验，将爆破振动作用下处于静态极限平衡状态的顺层岩体边坡的滑移失稳视为层面强度参数弱化的结果。通过对刚性层理面和软弱层理面的顺层模型边坡分别进行了大量的模拟爆破振动滑移失稳实验，其结果和数据分析表明： (1) 根据两种不同层面性质的顺层边坡水平和垂直振动模拟实验数据比较分析发现，水平振动荷载对顺层边坡稳定性影响起主导作用。

(2) 对于刚性层面性质的顺层边坡，在层面强度和振动频率一定的条件下，层面动内摩擦角随着振速、振动能量的增加而逐渐降低，它们之间满足指数函数关系；层面内摩擦角弱化值随振速、振动能量的增加而逐渐增大，且它们之间满足幂函数关系。在层面强度和振速一定的情况下，刚性顺层边坡层面动内摩擦角随振动频率的增加而增大，它们之间满足对数函数关系；层面内摩擦角弱化值随振动频率的增大而减小。在振动强度一定、层面强度改变的条件下，层面内摩擦角弱化值随着层面内摩擦角的增加而逐渐增大，它们之间成线性分布规律。

(3) 对软弱层面性质的顺层边坡，在层面强度和振动频率一定、振速变化的条件下，层面等效动内摩擦角和等效动粘聚力随振速的增加而逐渐降低，它们与振速之间满足指数函数关系；层面等效动内摩擦角和等效动粘聚力的弱化值均随振速的增加而增大，它们与振速之间满足幂函数关系。在层面强度和振速一定、振动频率变化的情况下，层面等效动内摩擦角和等效动粘聚力随振动频率的增加而逐渐增大，它们与振动频率之间满足对数函数关系；层面等效动内摩擦角和等效动粘聚力的弱化值均随振速的增加而增大，它们与振动频率之间满足幂函数关系。在振动强度一定、层面强度变化的条件下，层面等效动内摩擦角和等效动粘聚力弱化值随着层面等效强度的增加而逐渐增大，它们之间成线性分布规律。 (4) 根据振速与层面强度参数之间的关系，可判断在一定爆破振动强度下某地质条件的顺层边坡的稳定性。通过本文方法与拟静力法的比较，证明本文研究方法对边坡稳定性的判断更为安全可靠。

6.期刊论文 张永兴.陈林.陈建功.ZHANG Yongxing.CHEN Lin.CHEN Jiangong 地震作用下边坡稳定性分析的坐标转换法 -山地学报2010,28(2)

在地震作用下边坡稳定性分析中,拟静力法是将地震作用简化为水平方向或垂直方向的不变加速度作用.此加速度产生作用于不稳定体质心的地震力,根据极限平衡理论,将所有作用于潜在滑动体上的力沿滑动面进行分解,得出沿滑动面的安全系数.在拟静力法的基础上,提出一种坐标转换法,通过坐标旋转,将地震力与重力的合力转变为垂直向下的力,从而使边坡地震稳定性问题等效为经过边坡几何形态和土体容重修正后的一般静力稳定性问题,再利用比较成熟、简便的静力分析方法进行边坡稳定性分析.利用此方法可以克服传统拟静力分析的不足,并且用于水下边坡分析,将滨水边坡的拟静力分析模型转换为相应的静力分析模型,考虑地下水的流动来模拟水对边坡的动力作用.此方法对于分析水库边坡体和堰塞湖坝体的抗震稳定性问题具有一定的应用价值.

7.学位论文 吕擎峰 土坡稳定分析方法研究 2005

条分法和有限元法是土质边坡稳定分析的主要方法.本文就强度参数非线性、拟静力法、有限元边坡稳定分析等进行了研究,得到一些结论,提出了一些改进和新的方法.(1)考虑强度参数非线性时的安全系数及应用.堆石料等粗粒土强度包线具有非线性.对非线性强度参数对安全系数的影响进行了理论分析,计算比较了8个高土石坝坝坡的线性和非线性安全系数.(2)拟静力法边坡稳定分析的改进.拟静力法在土石坝的抗震设计中发挥了很大作用,积累了较丰富的经验.传统上,滑动体都是按竖向条分的.考虑地震惯性力时,竖向条分在计算地震惯性力和抗滑力矩时存在计算上的不合理,从而使地震惯性力与实际值有误差,抗滑力矩偏小;考虑地基中的地震荷载时,安全系数的计算结果是不确定的,没有一个客观的最小安全系数计算结果.(3)强度折减有限元失稳判据研究.强度折减有限元的关键问题是临界破坏状态的确定,即如何定义失稳判据.目前主要有三种失稳判据:①边坡某个部位的位移或最大位移.②迭代求解过程的不收敛.③土体塑性应变、应力水平等某些物理量的变化和分布.这些失稳判据中,判据1和判据3具有较明确的物理意义,但也存在一些应用上的缺陷.通过算例对这两种判据进行讨论,提出一种强度折减法确定安全系数的方法.该方法的出发点是将最大水平位移与折减系数的关系曲线和表示边坡破坏区扩展的应力水平区域结合起来,在曲线上定量的给出一个具有明确物理意义的点作为安全系数取值点.该方法的优点在于既可避免由于位移和折减系数关系曲线没有明显轨点时的任意性,又可以考虑边坡是渐近破坏的这一特征.(4)基于滑面上应力优化的土坡稳定分析方法.基于滑面有限元应力分析的土坡稳定分析方法的关键在于滑面上应力的计算,而已有方法的共同点是滑面上点的应力是在其所处的单元内插值得到,从而引起滑面上应力的不连续.基于此,本文提出的方法对滑面一定区域内的应力进行光滑,滑面上点的应力外推得到,从而得到较光滑的应力分布,更符合实际.(5)有限元圆弧滑动法.传统的有限元边坡稳定分析都是有限元计算和最小安全系数的优化计算独立进行的.本文通过适应滑面的圆弧形状网格的自动剖分,用有限元计算直接获得滑面上的应力,避免了内插计算带来的误差.为了改善滑面上的应力,同时避免单元过多带来的计算效率的浪费,在滑面上进行自适应单元加密.应用自适应有限元圆弧滑动法对长河坝心墙土石坝坝坡进行了稳定分析,施工期的安全系数的计算结果和潜在危险滑面与BISHOP法接近,说明该方法有足够的精度;而有限元计算能够更真实的反映蓄水期应力状态,所以安全系数的计算结果和潜在危险滑面应较准确.

8.会议论文 陈林.张永兴.陈建功 地震作用下边坡稳定性分析的模型转换法 2008

在地震作用下边坡稳定性分析中，拟静力法是将地震作用简化为水平方向或垂直方向的不变加速度作用。此加速度产生作用于不稳定体质心的地震力，根据极限平衡理论，将所有作用于潜在滑动体上的力沿滑动面进行分解，得出沿滑动面的安全系数。在拟静力法的基础上，提出一种模型转换法，通过坐标旋转，将地震力与重力的合力转变为垂直向下的力，从而使边坡地震稳定性问题等效为经过边坡几何形态和土体容重修正后的一般静力稳定性问题，再利用比较成熟、简便的静力分析方法进行边坡稳定性分析。利用此方法可以克服传统拟静力分析的不足，并且用于水下边坡分析，将滨水边坡的拟静力分析模型转换为相应的静力分析模型，考虑地下水的流动来模拟水对边坡的动力作用。此方法对于分析水库边坡体和堰塞湖坝体的抗震稳定性问题具有一定的应用价值。

9.学位论文 杨新宝 高烈度区高速公路路基稳定性研究 2008

我国是一个多地震国家,同时也是世界上地震灾害最严重的国家之一,地震经常威胁着人民的生命财产安全。随着我国高速公路建设的飞速发展,高速公路工程经常遇到穿越高烈度区域以及砂土液化等问题,地震及地震液化对我国正在蓬勃发展的高速公路建设安全构成了严重的潜在威胁。本文以宿迁-新沂高速公路工程为背景,主要从高烈度区路基抗震稳定、地震液化引起路堤变形的数值模拟、以及液化防治等几个主要方面开展了研究工作：

(1)分析了边坡稳定分析的强度折减法破坏标准,提出了基于FLAC程序的强度折减法破坏判据标准,编制了算法实现程序,与极限平衡方法相比得到比较理想的计算结果。基于网格节点惯性力加载方式,实现了基于强度折减法的边坡抗震稳定的拟静力法。同时分析了内摩擦角、粘聚力、弹性模量及剪胀角对边坡稳定计算结果的影响,并使用正交试验方法分析了这几个参数对边坡稳定的敏感性。

(2)基于已有的研究成果,分析了饱和松砂地震液化后的强度特性、液化后的应力应变本构关系以及如何考虑液化稳态强度在边坡稳定系数计算的上下限概念。利用FLAC软件对可液化地基上路堤因液化产生的变形进行了数值模拟与仿真,分析了各种影响因素对路堤变形的影响。计算结果表明路堤填土高度越高、边坡越陡路堤及地表的变形越大；液化土层越厚,埋深越浅,液化变形对路堤的破坏越大,因此可根据不同的场地情况做好相应的处理措施。

(3)以宿迁-新沂高速公路为背景,运用拟静力强度折减法,对非液化路段的路基进行了抗震稳定性分析,为路基工程抗震设计提供了依据。对液化地基段进行了地基土层液化引起路堤变形的数值模拟,数值模拟结果说明地基土层液化会使路堤产生过大的沉陷及侧向位移,这是强震时液化区路堤破坏的主要原因,最后总结了防治路基液化变形的工程措施。

10.会议论文 陈昌凯.阮永芬.熊恩来 地震作用下边坡稳定的动力分析方法 2005

本文介绍了几种重要的边坡动力响应分析方法.对拟静力法和数值分析方法进行了重点概括.对每种方法的利弊进行了阐述,可为边坡动力分析方法的选取提供参考.

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下载时间：2010年11月3日