边坡安全稳定性的广义粒子动力学数值模拟研究

摘要

滑坡是最具威胁性的自然环境灾害之一，边坡的安全性与稳定性，关系着重要的财产和人员的安全，因而使得边坡的稳定性分析问题成为岩土力学和岩石力学重要的研究课题。过去几十年中，边坡稳定性分析时，绝大部分学者都是采用极限平衡法和有限元数值方法进行，但是边坡的失稳通常伴随着岩土体的大变形和非连续性破坏，极限平衡法或有限元方法处理这些非连续性问题时，有限元网格会面临着过度变形，这是可能导致计算不稳定或者不收敛的。　　为解决这个问题，在本文中，一种无网格粒子法，广义粒子动力学（从光滑粒子流体动力学改良过来的），被用来评价边坡的稳定性，同时被用来处理岩土体的大变形和破坏后的塑性流动问题。首先，进行了土体堆积实验的数值模拟，方块无粘性土的自然塌落实验模拟，方块粘性土的自然塌落实验模拟，小型的一阶边坡和二阶边坡的数值模拟，去验证了本文使用 D-P 准则的理想弹塑性模型计算岩土体应力、应变、位移准确性，以及捕捉土体达到抗剪强度后形成的塑性剪切带、边坡发生滑坡时的大变形破坏过程以及边坡破坏后的运动过程的可靠性，并验证本模型可以从累计塑性偏应变云图清晰地显示圆弧滑动面。　　在完成了理想弹塑性模型的验真后，本文首次使用GPD用于模拟大型边坡的滑坡过程及其安全稳定性分析。本文先后本章运用GPD建立了9个典型大型台阶式边坡模型，运用了抗剪强度折减法，计算分析了每一阶边坡的安全稳定性及其安全系数，同时分析了边坡失稳时坡脚破坏机理和深层破坏机理，并分析了边坡监测点位移曲线波动的原因。　　最后，互相接触算法被补充到本文的理想弹塑性模型中，分别模拟了大型节理边坡和简化锚杆支护的节理边坡的渐进式失稳过程。

目录

符号目录

1 绪 论

1.1 研究意义

1.2.1理论研究现状

1.2.2数值模拟研究现状

1.3.1 本文的主要研究目的

1.3.2 本文的研究内容

2 GPD方法的基本原理

2.1 GPD基本方程

2.1.1 函数积分表示方法

2.1.2 粒子近似

2.1.3 GPD方法基本控制方程

2.1.4 GPD固体本构关系

3 理想弹塑性模型

3.1 本构关系

3.2 Drucker-Prager屈服准则

3.3.1 张拉破坏修正

3.3.2 应力回归屈服面

3.4本章小结

4 GPD数值模拟的实现

4.1核函数选取

4.2人工粘度

4.3 边界处理

4.3.1 边界斥力粒子法

4.3.2 镜像粒子法

4.4 时间积分

4.5计算原理的程序化

4.6本章小结

5 数值模型验真

5.1土体堆载实验

5.2 无粘性土块塌落

5.2.1 无粘性土块塌落结果的对比

5.2.2 不同内摩擦角的无粘性土

5.3 粘性土块塌落

5.3.1粘性土块破坏过程

5.3.2剪切带分析

5.4 小型一阶边坡

5.4.1 56.5°一阶边坡滑坡过程模拟

5.4.2 不同休止角的一阶边坡

5.5本章小结

6 边坡安全稳定性分析

6.1 矿区概况

6.2 材料的物理力学特征

6.3 典型边坡剖面的数值模拟

6.3.1 1-1剖面边坡稳定性分析

6.3.2 4-4剖面边坡稳定性分析

6.3.3 6-6 剖面边坡稳定性分析

6.4 位移-时间关系曲线波动问题

6.5本章小结

7 摩擦接触算法

7.1 摩擦接触算法

7.2 二次滑坡的数值模拟

7.3 考虑节理面的边坡破坏模式

7.4 简化锚杆-岩体模型下带节理面的边坡破坏模式

7.5本章小结

8 结论及展望

8.1 结论

8.2 展望

参考文献

附录

A. 作者在攻读学位期间发表的论文目录

B. 学位论文数据集

致谢