用有限元強(qiáng)度折減法進(jìn)行邊坡穩(wěn)定分析

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1、萬(wàn)方數(shù)據(jù)20112年10月中國(guó)工程科學(xué)Oct．2002篁!童篁!!塑墾!!!!!!!!堡!!壅!竺!坐：!型!：!!研究報(bào)告用有限元強(qiáng)度折減法進(jìn)行邊坡穩(wěn)定分析鄭穎人，趙尚毅，張魯渝(后勤工程學(xué)院軍事土木工程系，重庚400041)[摘要】通過(guò)對(duì)邊坡非線性有限元模型進(jìn)行強(qiáng)度折減，使邊坡達(dá)到不穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，非線性有限元靜力計(jì)算將不收斂．此時(shí)的折減系數(shù)就是穩(wěn)定安全系數(shù)，同時(shí)可得到邊坡破壞時(shí)的滑動(dòng)面。傳統(tǒng)條分法無(wú)法扶得巖質(zhì)邊坡的滑動(dòng)面與穩(wěn)定安全系數(shù)，該方法開創(chuàng)了求巖質(zhì)邊坡滑動(dòng)面與穩(wěn)定安全系數(shù)的先例。文章對(duì)此法的計(jì)算精度以及影響因素進(jìn)行了分析。算例

2、表明采用摩爾庫(kù)侖等面積圓屈服準(zhǔn)則求得的穩(wěn)定安全系數(shù)與簡(jiǎn)化Bishop法的涅差為3％～8％，與Spencer法的誤差為1％一4％，證實(shí)了其實(shí)用于工程的可行性。[關(guān)鍵詞]邊坡穩(wěn)定分析；有限元強(qiáng)度折減法；屈服準(zhǔn)則[中圍分類號(hào)】TU457[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A[文章編號(hào)】10091742(,2002)100057051引言西部開發(fā)是我國(guó)實(shí)現(xiàn)地區(qū)平衡發(fā)展和可持續(xù)發(fā)展的重大戰(zhàn)略舉措。然而，我國(guó)西部地區(qū)山高坡陡、溝壑縱橫，城市建筑依山而立，公路、鐵路翻山越嶺，復(fù)雜多變的地形地貌決定了我國(guó)西部開發(fā)將面f躪大量滑(邊)坡工程，滑坡與邊坡事故日益增多。例如20

3、01年，重慶市云陽(yáng)縣就發(fā)生兩次大型滑坡，重慶市武隆邊坡失穩(wěn)坍塌造成79人死亡。重慶市近20年來(lái)累計(jì)發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害3．33萬(wàn)處，僅2000年就發(fā)生6371處，受災(zāi)19．33萬(wàn)人，倒塌房屋8．68萬(wàn)問(wèn)，直接經(jīng)濟(jì)損失7．67億元。重慶市已經(jīng)成為地質(zhì)災(zāi)害的重災(zāi)區(qū)，尤其是隨著三峽庫(kù)區(qū)蓄水和新興城市的建設(shè)，有可能誘發(fā)更大的地質(zhì)災(zāi)害，隱患無(wú)窮?，F(xiàn)在，國(guó)務(wù)院已經(jīng)決定撥款40億元，用于三峽庫(kù)區(qū)地質(zhì)災(zāi)害治理，僅重慶三峽庫(kù)區(qū)計(jì)劃的地質(zhì)災(zāi)害治理工程就有143個(gè)。頻發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害以及大量災(zāi)害治理資金的投入，使得滑(邊)坡穩(wěn)定性問(wèn)題成為西部開發(fā)中的熱點(diǎn)與難點(diǎn)問(wèn)題。邊

4、坡穩(wěn)定分析是經(jīng)典土力學(xué)最早試圖解決而至今仍未圓滿解決的課題，各種穩(wěn)定分析方法在國(guó)內(nèi)外水平大致相當(dāng)。對(duì)于均質(zhì)土坡，傳統(tǒng)方法主要有：極限平衡法、極限分析法和滑移線場(chǎng)法等。就目前工程應(yīng)用而言，主要還是極限平衡法，但需要事先知道滑動(dòng)面位置和形狀。對(duì)于均質(zhì)土坡，可以通過(guò)各種優(yōu)化方法來(lái)搜索危險(xiǎn)滑動(dòng)面。但是，對(duì)于巖質(zhì)邊坡，由于實(shí)際巖體中含有大量不同構(gòu)造、產(chǎn)狀和特性等不連續(xù)結(jié)構(gòu)面(比如層面、節(jié)理、裂隙、軟弱夾層、巖脈和斷層破碎帶等)，給巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定分析帶來(lái)了巨大的困難。傳統(tǒng)極限平衡方法尚不能搜索出危險(xiǎn)滑動(dòng)面以及相應(yīng)的穩(wěn)定安全系數(shù)。而目前的各種數(shù)值分

5、析方法，一般只是得出邊坡應(yīng)力、位移、塑性區(qū)，也無(wú)法得到邊坡危險(xiǎn)滑動(dòng)面以及相應(yīng)的安全系數(shù)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，尤其是巖土材料的非線性彈塑性有限元計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，有限元強(qiáng)度折減法近來(lái)在國(guó)內(nèi)外受到關(guān)注，對(duì)于均質(zhì)土坡已經(jīng)得到了較好的結(jié)論．但尚未在工程中實(shí)用。筆者采用有限元強(qiáng)度折減法?1，對(duì)均質(zhì)土坡進(jìn)行了系統(tǒng)分析，證實(shí)了用于工程的可行性，得到了節(jié)理巖質(zhì)邊坡坡體的危險(xiǎn)滑動(dòng)面和相應(yīng)的穩(wěn)定安全系數(shù)。該方法可以對(duì)貫通和非貫通的節(jié)理巖質(zhì)邊坡進(jìn)行穩(wěn)定分析，同時(shí)可以考慮地下水、【l

6、叟稿日期】20020610【作者簡(jiǎn)介]郢穎』、(1933)，男。浙江鎮(zhèn)海市

7、人，中國(guó)工程院院士，后勤工程學(xué)院教授，博士生導(dǎo)師萬(wàn)方數(shù)據(jù)中國(guó)工程科學(xué)施T過(guò)程對(duì)邊坡穩(wěn)定忭的影響，可以考慮各種支擋結(jié)構(gòu)與巖土材料的共同作用，為巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定分析開辟了新的途徑，，2有限元強(qiáng)度折減系數(shù)法基本原理有限元強(qiáng)度折減系數(shù)法的基本原理是將坡體強(qiáng)度參數(shù)：粘聚力c和內(nèi)摩擦角p值同時(shí)除以一個(gè)折減系數(shù)F。m得到一組新的c7、∞7值，然后作為新的資料參數(shù)輸人．再進(jìn)行試算，當(dāng)計(jì)算不收斂時(shí)，對(duì)應(yīng)的F。。I被稱為坡體的最小穩(wěn)定安全系數(shù)，此時(shí)坡體達(dá)到極限狀態(tài)，發(fā)生剪切破壞，同時(shí)叮得到坡體的破壞滑動(dòng)面。c’=(／Ftrial，P。=arctan(tan≯

8、／F1?！?3有限元強(qiáng)度折減系數(shù)法精度分析3．1屈服準(zhǔn)則的選用安全系數(shù)大小與程序采用的屈服準(zhǔn)則密切相關(guān)，不同的準(zhǔn)則得出不同的安全系數(shù)。目前流行的大型有限元軟件ANSYS，以及美國(guó)MSC公司的MARC、PA'I、RAN、NASTRAN均采用了廣義米賽斯準(zhǔn)則：F=a11+√J2=^，式中，。，J2分別為應(yīng)力張量的第一不變量和應(yīng)力偏張量的第二不變量。n、k是與巖土材料內(nèi)摩擦角∞和內(nèi)聚力r有關(guān)的常數(shù)，這是一個(gè)通用表達(dá)式，通過(guò)變換a、k的表達(dá)式就可以在有限元中實(shí)現(xiàn)不同的屈服準(zhǔn)則，各準(zhǔn)則的參數(shù)換算關(guān)系見(jiàn)表1。傳統(tǒng)的極限平衡法采用摩爾一庫(kù)侖準(zhǔn)則，但

9、是由丁摩爾庫(kù)侖準(zhǔn)則的屈服面為不規(guī)則六角形截面的角錐體表面，存在尖頂和菱角，給數(shù)值計(jì)算帶來(lái)困難。為了與傳統(tǒng)方法進(jìn)行比較，本文采用了徐干成、鄭穎人(1990)提出的摩爾一庫(kù)侖等面積圓屈服準(zhǔn)則(1)p4)代替?zhèn)鹘y(tǒng)摩爾一庫(kù)侖準(zhǔn)則