邊坡穩(wěn)定性分析的有限元強(qiáng)度折減法.docx

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1、邊坡穩(wěn)定性分析的有限元強(qiáng)度折減法.docx邊坡穩(wěn)定性分析的有限元強(qiáng)度折減法摘要：邊坡穩(wěn)定分析的有限元強(qiáng)度折減法通過不斷降低邊坡巖土體抗剪切強(qiáng)度參數(shù)使其達(dá)到極限破壞狀態(tài)為止，程序自動根據(jù)彈槊性有限元計(jì)算結(jié)果得到破壞滑動面，同時(shí)得到邊坡的強(qiáng)度儲備安全系數(shù)，使邊坡穩(wěn)定分析進(jìn)人了一個(gè)新的時(shí)代。本文綜合前人學(xué)者的研究，詳細(xì)介紹有限元強(qiáng)度折減分析法的概念，原理，屈服準(zhǔn)則的選取以及幾種主流失穩(wěn)判據(jù)的討論等，最后簡單介紹了三維有限元強(qiáng)度折減法的一些研究進(jìn)展。關(guān)鍵詞：邊坡穩(wěn)定性分析有限元法強(qiáng)度折減屮圖分類號：TG1560刖@邊坡穩(wěn)定性問題一直是巖土工程的一個(gè)重要研宂內(nèi)容，而邊坡穩(wěn)定性評價(jià)結(jié)果的正確

2、與否直接關(guān)系到邊坡工程的成敗。研究邊坡穩(wěn)定性的經(jīng)典方法主要有：極限平衡法、極限分析法［1，2］。極限平衡法先假定邊坡破壞沿著某一滑動面發(fā)生，再考慮由滑2動面切割而成的塊體的靜力平衡條件，確定邊坡的穩(wěn)定性或極限荷載。極限分析法假定巖土體為剛塑性體，當(dāng)巖土體應(yīng)力小于屈服應(yīng)力時(shí)，像剛體一樣不變形。然而一旦巖土體應(yīng)力達(dá)到屈服應(yīng)力，即使在應(yīng)力不變的情況下，巖土體也會像理想塑性體那樣產(chǎn)生無限制的塑性變形一一塑性流動，巖土體局部或全部進(jìn)入塑性狀態(tài)，土坡失穩(wěn)，此時(shí)作用于土坡的荷載（包括自重）就等于極限荷載。這類問題的求解通常借助于塑性力學(xué)中的塑性極限力*法。在邊坡穩(wěn)定分析屮引入有限元法始于20世

3、紀(jì)70年代［3］，只是由于需要花費(fèi)大量的機(jī)時(shí)而在具體應(yīng)用中受到限制?，F(xiàn)在，隨著微機(jī)的發(fā)展及非線性彈塑性有限元計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，采用理論體系更為嚴(yán)密的有限元法分析邊坡的穩(wěn)定性已經(jīng)成為可能，有限元強(qiáng)度折減法正成為邊坡穩(wěn)定分析研究的新趨勢。邊坡穩(wěn)定分析的有限元強(qiáng)度折減法利用不斷降低巖土體強(qiáng)度，使邊坡達(dá)到極限破壞狀態(tài)，從而直接求出滑動面位置與邊坡強(qiáng)度儲備安全系數(shù)，使有限元法進(jìn)入實(shí)用階段。1有限元強(qiáng)度折減法的計(jì)算原理1.1強(qiáng)度折減概念與安全系數(shù)的定義對于天然的、無支護(hù)結(jié)構(gòu)、具有簡單剖面的均曰期：2014-05-25質(zhì)邊坡，從直觀意義上能夠比較準(zhǔn)確地把握潛在破壞妞的位置與形狀從而采用極限平衡法

4、能夠較方便地確定邊坡的臨界破壞面及相應(yīng)的穩(wěn)定安全系數(shù)。但是，實(shí)際中無論是天然邊坡還是人工填土邊坡或切土邊坡，往往斷面比較復(fù)雜，同時(shí)一般為保證邊坡的穩(wěn)定性而須采取一定的加筋或加固支護(hù)措施，對于這種具有復(fù)雜斷面或加筋、加固的邊坡，由于難于事先確定滑動面的形狀與位置，傳統(tǒng)極限平衡條分法的應(yīng)用受到了限制。1975年，Zienkiewicz等首次在土工彈塑性有限元數(shù)值分析中提出了抗剪強(qiáng)度折減系數(shù)概念［3］,由此所確定的強(qiáng)度儲備安全系數(shù)與Bishop在極限平衡法中所給出的穩(wěn)定安全系數(shù)［4］在概念上是一致的?？辜魪?qiáng)度折減系數(shù)(SSRF:ShearStrengthReductionFactor)

5、定義為:在外荷載保持不變的情況下，邊坡內(nèi)土體所發(fā)揮的最大抗剪強(qiáng)度與外荷載在邊坡內(nèi)所產(chǎn)生的實(shí)際剪應(yīng)力之比。外荷載所產(chǎn)生的實(shí)際剪應(yīng)力應(yīng)與抵御外荷載所發(fā)揮的最低抗剪強(qiáng)度即按照實(shí)際強(qiáng)度指標(biāo)折減后所確定的、實(shí)際中得以發(fā)揮的抗剪強(qiáng)度相等。當(dāng)假定邊坡內(nèi)所有土體抗剪強(qiáng)度的發(fā)揮程度相同時(shí)，這種抗剪強(qiáng)度折減系數(shù)定義為邊坡的整體穩(wěn)定安全系數(shù)，由此所確定的安全系數(shù)可以認(rèn)為是強(qiáng)度儲備安全系數(shù)。而在地基極限承載力與傳統(tǒng)邊坡穩(wěn)定性分析中所采用的常規(guī)安全系數(shù)一般是指荷載增人系數(shù)(或加載系數(shù))。強(qiáng)度折減概念能夠?qū)?qiáng)度儲備安全系數(shù)與邊坡的整體穩(wěn)定安全系數(shù)統(tǒng)一起來，而且在有限元數(shù)值分析中無需事先確定破壞面形狀與位置，

6、因此在實(shí)際中逐漸得到廣泛應(yīng)用。教科書上一般把邊坡的穩(wěn)定系數(shù)定義為沿滑動面的抗剪強(qiáng)度與滑移面上的實(shí)際剪力的比值，用公式表示如下：F??l(c?etgh)dlIfdl將上式兩邊同除以F，上式變?yōu)椋?邊坡穩(wěn)定性分析的有限元強(qiáng)度折減法1??0(c/F?etgh/F)dl?l(c??etgh?)dl?lfdl?lfdl式中:c??c/F,h??arctg(tgh/F)式左邊等于1，表明當(dāng)強(qiáng)度折減F以后，坡體進(jìn)入臨界狀態(tài)。因此我們可以利用這個(gè)思想進(jìn)行有限元分析。首先選取初始折減系數(shù)，將土體強(qiáng)度參數(shù)進(jìn)行折減，將折減后的參數(shù)作為輸入，進(jìn)行有限元計(jì)算，若程序收斂，則土體仍處于穩(wěn)定狀態(tài)，然后再增加(

7、或減小)折減系數(shù)，直到達(dá)到臨界狀態(tài)為止，此時(shí)折減系數(shù)F即為坡體的穩(wěn)定系數(shù)，此時(shí)的滑移面即為實(shí)際滑移面。這種安全系數(shù)定義方法不需要假定滑移妞的形狀，需要對F取一系列的值來反復(fù)試算，直到程序不收斂收止。我們將這種方法稱為土體強(qiáng)度參數(shù)折減系數(shù)法。其實(shí)質(zhì)與傳統(tǒng)方法是一樣的，它的好處是系統(tǒng)處于極限狀態(tài)時(shí)，土體和支擋結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度得以充分發(fā)揮。而傳統(tǒng)的計(jì)算方法只是考慮了土體達(dá)到極限狀態(tài)時(shí)的強(qiáng)度，沒有充分考慮支擋結(jié)構(gòu)的極限強(qiáng)度［5］。1.2屈服強(qiáng)度準(zhǔn)則安全系數(shù)大小與程序采用的屈服準(zhǔn)則密切相關(guān)，不同