强度折减有限元法对均质土坡的二维与三维稳定性分析

摘要

边坡稳定分析的有限元抗剪强度折减法利用不断降低岩土体强度使边坡达到极限破坏状态，从而直接求出滑动面位置与边坡稳定安全系数。该方法十分贴近工程设计，使边坡稳定分析进入了一个新的时代。 本文首先从定性和定量两个角度介绍了边坡的分析方法，然后介绍了有限元的基本理论、弹塑性理论以及非线性分析方法。接着本文运用大型有限元软件ANSYS作为计算分析工具，对以下问题进行了深入的讨论和分析，并得到了有益的结论： 1．利用基本算例在只有重力荷载作用下，分别对强度折减有限元法如何计算与分析二维与三维边坡的稳定性进行了详细并深入的介绍，并通过与极限平衡法对比证明了该方法分析边坡稳定性的可行性。 2．从平面应变角度出发，通过对只有重力作用下均质土坡稳定性分析的众多算例，较为全面地讨论了各种因素对强度折减有限元法计算得到的安全系数精度的影响并给出了提高精度的建议。结果表明：在采用强度折减有限元法计算边坡安全系数时建议采用摩尔一库仑等效面积圆(即DP4)屈服准则，并且文中给出了不同屈服准则下安全系数的转换公式以及转换表。并且通过算例证明选用数值不收敛做为失稳判据的合理性与广泛性。在强度折减中，不仅要对粘聚力与内摩擦角进行折减，还要对泊松比进行折减。另外，在影响边坡稳定的四大参数中，发现内摩擦角对折减系数法计算精度的影响最大，所以建议当摩擦角较大时，应该以极限平衡法算出的安全系数值为主要参考值。 3．从三维角度出发，通过对均布荷载作用下，边坡在不同荷载作用面积、不同荷载作用长宽比以及不同荷载作用位置等多种工况对边坡安全系数以及破坏机理的影响进行了研究并与二维极限平衡法、二维有限元强度折减法以及能量法的计算结果进行了对比。结果表明：强度折减有限元法能够准确、有效地应用到三维边坡稳定性分析中；三维边坡的稳定安全系数随着荷载作用面积与作用长宽比的增大而逐渐减小；随着荷载离边坡坡顶边缘越远，’安全系数也越大。另外，指出三维边坡并不是每一个截面的滑移带位置与大小都相同，所以采用平面应变简化法过于保守，建议对于一些重要工程应该补充边坡的三维有限元分析。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1引言

1.2边坡稳定性方法概述

1.3安全系数定义

1.4问题的提出

1.5本文的主要研究目的与工作

第2章非线性有限元及弹塑性理论

2.1有限元基本理论

2.2弹塑性分析理论

2.2.1屈服准则

2.2.2流动准则

2.2.3硬化准则

2.3非线性分析方法

第3章边坡稳定的有限元强度折减法

3.1有限元强度折减基本原理

3.2屈服准则的选用

3.2.1摩尔-库仑屈服准则与广义米赛斯准则

3.2.2摩尔-库仑屈服准则等面积变换

3.2.3摩尔-库仑准则与各种D-P准则之间的转换关系

3.3流动法则的选用

3.4失稳判据的选用

3.5基本算例

3.5.1几何参数及材料参数

3.5.2有限元模型的建立

3.5.3有限元计算成果及分析

第4章平面应变条件下对强度折减有限元法在边坡稳定应用中问题的讨论

4.1有限元法本身引入误差的讨论

4.1.1网格的疏密

4.1.2单元类型的选择

4.2变形参数(E和μ)的选择对安全系数的影响

4.2.1弹性模量对有限元强度折减精度的影响

4.2.2泊松比μ对有限元强度折减精度的影响

4.3四大主要参数(c，φ，β，H)对安全系数的影响

4.3.1粘聚力对安全系数的影响

4.3.2摩擦角对安全系数的影响

4.3.3坡角对安全系数的影响

4.3.4坡高对安全系数的影响

4.4剪胀角对求解安全系数的影响

4.5失稳判据的选择

4.6不同屈服准则对求解安全系数的影响

第5章边坡稳定的三维有限元分析

5.1用三维有限元法研究边坡稳定的必要性

5.1.1自然界发生的滑坡具有明显的三维特征

5.1.2三维效应对分析成果的影响

5.1.3采用强度折减有限元法来分析三维边坡的稳定性

5.2算例相关计算说明

5.2.1算例几何形状及材料参数

5.2.2有限元模型的建立

5.3只有重力荷载作用下的三维边坡稳定性研究

5.4坡顶有均布局部荷载作用下的三维边坡稳定性研究

5.4.1研究方案的确定

5.4.2算例成果及分析

5.5不同剪胀角对三维边坡稳定性的影响研究

第6章结论与展望

6.1结论

6.2展望

参考文献

致谢

附录