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边坡稳定三维有限元直接搜索法及其在隧道施工中的应用

方建瑞  
【摘要】: 对边坡稳定直接采用三维方法进行分析具有重要的理论和现实意义,本文对边坡稳定三维分析的基本方法做了比较系统的总结,并指出各种方法存在的问题,同时提出一种基于三维有限元应力场计算边坡安全系数与直接搜索临界滑裂面的新方法。该方法克服了三维极限平衡分析方法在理论上引入较多假设条件,且搜索临界滑裂面困难的问题;它直接采用三维有限元应力场,不同于三维有限元强度折减法基于虚拟荷载上得出的实用价值;同时异于沿用极限平衡理论的有限元法仍需要进行条柱划分,并事先假设滑裂面形状及位置的缺点。在这种方法中,临界滑裂面上的应力分布直接使用三维有限元计算的应力结果,并且直接利用三维有限元的单元体网格面作为滑移面搜索网格面,鉴于有限元单元体网格和图的直观相似性,可以把网格抽象成图,通过引用动态规划中最优化思想搜索临界滑裂面。本文方法不需要假定三维滑裂面的形状与位置,只需通过构筑滑动模式,搜索出来的临界滑裂面是由单元体的网格面以边相互连接而成的一个空间曲面。 本文通过对三维有限元直接搜索法的研究,并将其应用于隧道边坡的稳定性分析中,主要的研究内容有: 1、研究了动态规划原理及其在三维边坡稳定性分析中的应用,引入图论概念,构筑出一种边坡三维滑裂面的滑动模式,借助一个包含安全系数的辅助函数并通过动态搜索求得临界滑裂面与最小安全系数; 2、采用C++程序设计语言,编制出边坡三维稳定性分析以及直接搜索法的程序,通过一些算例的对比分析,验证本文方法的适用性,并讨论了三维分析中的一些影响因素。 3、结合隧道边坡的不同实际情况,考虑施工开挖过程、衬砌结构及降雨渗流等方面的因素,利用本文方法研究对其稳定性的影响和规律,并提出处理措施。


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