基于有限元强度折减法的边坡稳定性分析

摘要

在高速公路、铁路、路堤以及土坝等土木和水利工程项目中,土质边坡广泛存在,受坡前水位变化和降雨等复杂因素的影响会经常发生滑坡现象。为了确保工程的安全性,必然会涉及到非稳定饱和-非饱和渗流作用下的边坡稳定分析问题。该问题所涉及的影响因素比较复杂,从已有文献来看,采用有限元强度折减方法分析这方面的研究工作开展的还不多,而且强度折减法存在着有待进一步研究和讨论的问题。围绕上述问题本文进行了比较系统而且深入的研究,主要研究内容和所取得的研究成果如下:
　　(1)讨论了网格尺寸、单元类型及阶次对边坡稳定性计算结果的影响;针对常见的四种失稳判据,进行了单元类型和网格尺寸的适宜性分析;分别研究了屈服准则、内摩擦角和黏聚力、坡高和坡比对安全系数和临界滑动面位置的影响;并将有限元强度折减法应用于各种复杂边坡的稳定分析中。
　　(2)在水位升降过程中,位于水位变化影响范围内的土体呈现出饱和-非饱和特征。通过建立非饱和非稳定渗流模型分析研究了渗透系数、水位降落速度和降落幅度对边坡渗流场的影响。结果表明,水位降落易形成对边坡稳定不利的逆向渗流;渗透系数、水位降落速度和降落幅度对渗流溢出点的位置、溢出点渗透坡降有着不同程度的影响。
　　(3)基于有限元强度折减方法,首先分析了水位骤降和缓降两种极端降水模式下的边坡稳定性及二者的差异性。结果表明,水位骤降情况下,安全系数随水位降落先陡降后缓降并趋于平稳;而缓降情况下,后期安全系数有小幅增大;骤降安全系数下降率几乎为缓降的2倍,骤降降幅L/H=0.6~0.8时发生失稳破坏的危险性最大。进而,对非稳定渗流条件下边坡的稳定性进行了参数敏感性分析,依次讨论了渗透系数、水位降速和水位降幅对边坡安全系数的影响程度。结果表明,坡前水位降落引起的非稳定渗流是介于骤降和缓降二者间的渗流模式,其稳定性受渗透系数、水位降速和降幅的共同影响。在此基础上对各种参数进行分类整合和无量纲化处理,提出适用于简单均质土质的稳定性图表,并结合算例进行验证和说明,为工程边坡的设计和稳定性分析提供参考。
　　(4)结合泄滩滑坡工程实例,采用有限元强度折减法对水库蓄水过程中滑坡体的水力学和变形响应以及滑坡体的稳定性进行了分析研究。结果表明,随着坡外水位的上升,滑坡的变形矢量和滑带屈服区由滑坡体的前缘向中、后部发展,滑带的后缘基本上没有产生塑性变形,且主要变形发生局限在2＃平台以下。当水位在85~105m和150~175m之间变化时,位于滑带的土体抗剪强度和有效应力降低,导致滑坡体的安全系数呈现快速下降的趋势,降幅分别为1.82％和1.71％。在不同库水位作用下,滑坡体的整体安全系数均大于1.1,为基本稳定状态,整体失稳的可能性较小。

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1 绪论

1.1 引言

1.2 国内外研究现状

1.3 研究目的和研究内容

2 边坡稳定性分析的有限元强度折减法若干问题研究

2.1 引言

2.2 计算方法和数值实施

2.3 有限元网格对稳定计算结果的影响

2.4 有限元强度折减法参数敏感性分析

2.5 复杂边坡强度折减有限元稳定分析

2.6 本章小结

3 非稳定渗流作用下的边坡渗流特性分析

3.1 引言

3.2 非稳定饱和-非饱和渗流有限单元分析方法

3.3 坡前水位降落时的渗流场分析

3.4 本章小结

4 非稳定渗流作用下的边坡稳定性影响因素分析及图表法研究

4.1 引言

4.2 非稳定饱和-非饱和渗流作用下的边坡强度折减有限元理论

4.3 水位骤降和缓降条件下的边坡稳定性分析

4.4 非稳定饱和-非饱和渗流作用下的边坡稳定性影响因素分析

4.5 水位下降条件下求解安全系数的图表法

4.6 本章小结

5 工程实例分析

5.1 引言

5.2 泄滩滑坡工程概况

5.3 泄滩滑坡工程地质概况

5.4 有限元计算模拟

5.5 本章小结

6 结论和展望

6.1 结论

6.2 展望

致谢

参考文献

附录

一、攻读硕士期间撰写发表论文

二、攻读硕士期间参与的课题