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基于实际应力状态的土质边坡稳定分析研究

李育超  
【摘要】:鉴于目前工程中的边坡稳定性分析存在的两大问题:其一,过分专注于边坡稳定安全系数的计算,忽视边坡失稳破坏机理的探讨;其二,边坡设计阶段的稳定性分析与建造阶段的稳定性控制脱离,本文系统研究了实际应力状态下边坡的稳定性分析。 有限元法模拟分析不同方式建成边坡的应力、应变(变形)等物理量分布发现,边坡的稳定性受其形成过程的应力(应变)历史的影响,而常用的极限平衡条分法难以对此进行有效分析。虽然,有限元强度折减法可弥补极限平衡条分法的若干缺点(如仅考虑滑动体条块平衡;引入条间力假定造成受力分析准确性不高等),但该方法仍仅对假定的极限平衡状态的边坡进行受力分析求出安全系数而已。 由于目前常用的边坡稳定性分析方法存在上述缺点,本文研究可分析实际受力条件下边坡稳定性的有限元法,将该方法推广到有效应力法分析,使之可考虑外力变化(如外荷载、填筑或开挖等)引起的边坡应力和孔隙水压力的改变对土质边坡稳定性的影响。土工参数分析说明,理想弹塑性有限元分析所得的实际受力条件下的边坡应力场分布和量值,并不受边坡材料的扬氏模量取值的影响;泊松比的取值大小虽然在一定程度上影响理想弹塑性有限元分析所得的边坡应力场分布,但对有限元实际应力状态法的稳定性分析结果影响不大。此外,本文对有限元实际应力状态法作了一定改进工作,提高了该方法的计算效率。 本文改进了可搜索边坡临界滑动面的蒙特卡洛法,去除了若干个搜索效果较差的搜索方向,大大提高了搜索效率。在上述研究的基础上,本文将一种新的优化方法——粒子群优化算法——引入到边坡稳定性分析,建立了一套完整的临界滑动面搜索算法。通过多个数值算例和富阳来龙山工程实例分析,说明了粒子群优化搜索法可方便地与有限元实际应力状态法或极限平衡条分法相结合,有效搜索边坡的临界滑动面。 在对边坡安全系数定义讨论的基础上,本文基于滑动面土体在运动趋势下所做“内力虚功”定义了边坡的“动态”安全系数,弥补了有限元实际应力状态法安全系数定义在特定条件下(滑动面非直线非圆弧)物理意义不明确的缺陷。结合上述安全系数定义,本文提出一种新的边坡稳定性分析方法——有限元运动场法,该方法可考虑一定运动趋势下边坡的稳定性,克服了有限元强度折减法与传统极限平衡法仅可分析极限平衡状态下边坡稳定性的缺点,从而可分析抗剪强度应变相关性土(如应变软化土)边坡的稳定性。 与可考虑抗剪强度应变软化的模型相结合,本文采用有限元运动场法分析了应变软化土边坡的稳定性,得到关于滑动体运动趋势的安全系数动态曲线,弥补了极限平衡法或有限元


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