有限元强度折减法计算土坡稳定安全系数的研究

摘要

在边坡稳定性分析中，相比于传统的极限平衡法、极限分析法等，有限元强度折减法具有明显的优势。这主要体现在其无须事先假定滑动面的形状和位置，只需通过不断降低边坡岩土体强度参数，进而使边坡岩土体因抗剪强度不能抵抗剪切应力而发生破坏，并最终得到边坡的最危险滑动面及相应的安全系数。有限元强度折减法兼有数值分析方法和传统的极限平衡方法的优点。但此法还存在诸多问题需解决，基于此，本文以均质土坡为例，采用有限元强度折减法对其在计算土坡稳定安全系数方面的应用进行了研究，得到了一些结论，提出了一些改进方法，具体内容如下： ①选用理想弹-塑性本构模型和非关联流动法则可以满足工程精度的要求。 ②根据各D-P屈服准则在π平面上投影圆的半径表达式，提出了一种各D-P屈服准则相互转化的新的关系式：不同的D-P屈服准则在π平面上投影圆的半径之比即为对应的D-P屈服准则所求安全系数的比值，由于此比值只与土体的内摩擦角有关，为便于应用ANSYS程序采用不同D-P屈服准则求解边坡安全系数时查用，本文列出了常用内摩擦角值对应的各种D-P屈服准则所得均质土坡安全系数的转化表格。用工程实例验证了本文得出的各D-P准则间转换关系的正确性。 ③结合工程实例比较了三种计算工况下各D-P屈服准则的计算结果，结论表明采用平面应变条件下和非关联流动法则（ψ=0）下的摩尔匹配D-P准则作为均质土坡的屈服准则最为合适。 ④以工程实用为目的，得出了各种参数取值的常用标准。 ⑤研究了有限元强度折减法中边坡失稳的判据。目前在这方面尚没有一致的认识。本文结合有限元计算时边坡破坏特征和边坡失稳在有限元计算中的具体体现，提出：在用有限元强度折减法计算土坡稳定安全系数的实践中，可根据滑面上节点的位移和塑性应变是否产生突变，滑面上节点的位移和塑性应变的量值的大小是否无限制发展来判断边坡是否失稳破坏；也可以从迭代过程中力和位移的收敛曲线的发展趋势来判断边坡是否稳定。本文作者认为：单一依靠一种边坡失稳判据来判断边坡是否失稳和何时失稳是不可靠的，在具体工程实践中，应综合考虑计算不收敛、塑性区从坡角到坡顶贯通和特征点位移突变这三种失稳判据，并结合边坡破坏特征和边坡失稳在有限元计算中的具体体现来对边坡是否失稳和何时失稳进行综合判定。采用综合判定的理念，可能可以为解决目前关于有限元强度折减法中边坡的失稳判据存在的争议和不一致看法提供一条途径。 ⑥不同计算参数对边坡稳定性计算精度的影响：强度参数粘聚力C和内摩擦角φ对边坡的影响较大；刚度参数E和v对边坡安全系数的影响较小，其影响甚至可以忽略不计，条件是土体弹性模量取值不能过小，若很小，很有可能导致部分土体变形过大而使有限元计算不收敛，最终对安全系数产生很大影响。工程经验表明若没有实际的测量数值，弹性模量E不宜小于1MPa。土体容重对边坡稳定性的利弊应根据具体的工程地质条件和边坡形状进行综合判断。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1引言

1.2边坡稳定分析方法研究综述

1.2.1极限平衡法(LEM)

1.2.2极限分析法(LAM)

1.2.3有限元圆弧搜索法

1.2.4有限元强度折减法

1.3强度折减法的基本原理

1.3.1安全系数的定义

1.3.2强度折减法

1.4本文主要研究工作

第二章有限元强度折减法中土体本构模型的研究

2.1引言

2.2土体本构模型的分析和选用

2.2.1弹性本构模型

2.2.2弹-塑性本构模型

2.2.3其它本构模型

2.2.4有限元强度折减法中岩土材料本构模型的选择

2.3土体的屈服准则

2.3.1应力张量、应力空间与π平面上的应力分量

2.3.2应变张量、应变空间与应变π平面

2.3.3常用屈服准则简介与分析

2.3.4各种D-P屈服准则所求安全系数之间相互转化关系的探讨

2.3.5有限元强度折减法中岩土材料屈服准则的选择

2.4土体的流动法则

2.5土体的硬化规律

2.6实例

2.7本章小结

第三章 有限元强度折减法计算土坡稳定安全系数的计算参数和折减对象研究

3.1引言

3.2土体计算参数的确定

3.2.1强度参数C、φ

3.2.2刚度参数E、ν

3.2.3土体的几何尺寸

3.2.4计算网格划分

3.3土体参数折减对象的确定

3.4本章小结

第四章有限元强度折减法计算土坡稳定安全系数的边坡失稳判据研究

4.1引言

4.2有限元强度折减法分析边坡稳定性的三种失稳判定标准

4.3失稳判定准则的分析、讨论

4.4边坡破坏的特征

4.5边坡失稳在有限元计算中的具体表现

4.6实例

4.7本章小结

第五章影响土坡稳定性的因素研究

5.1引言

5.2计算参数对土坡稳定性的影响

5.2.1计算范围的影响

5.2.2内摩擦角的影响

5.2.3粘聚力的影响

5.2.4弹性模量的影响

5.2.5泊松比的影响

5.2.6剪胀角的影响

5.2.7土体容重的影响

5.2.8坡高、坡度的影响

5.3水对土坡稳定性的影响

5.3.1降雨对边坡稳定性的影响

5.3.2地下水对边坡稳定性的影响

5.3.3降雨和地下水对坡体作用的主要机理浅析

5.4本章小结

第六章结论与展望

6.1结论

6.2展望

致谢

参考文献

在学期间发表的论著及取得的科研成果