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黄土边坡稳定性有限元非等比例相关联不同步强度折减法

刘洋  
【摘要】:边坡失稳所引起的灾害属于全球三大地质灾害之一。我国的黄土分布之广,厚度之深,加上长期的水土流失,往往是沟壑纵横并形成了大量的黄土边坡。由于黄土结构具有疏松性且孔隙较大,所以一般黄土边坡稳定性较差。随着我国工程建设的不断增多,黄土边坡在静、动力作用下的稳定性关系到该地区人民的人身安全、生活和经济的发展,由于目前对于这方面的研究尚不完善,因此,研究黄土边坡的稳定性,不仅有利于国民经济的生产和发展,而且更能充分保证人民的财产和生命安全。目前最常用的边坡稳定性分析方法有极限平衡法和有限元强度折减法,极限平衡法将破坏面上的抗滑力与下滑力之比定义为安全系数,而有限元强度折减法则将边坡处于极限状态的强度参数折减系数作为安全系数。二者定义的安全系数均可以归结为破坏面上各点到达极限状态时,土体粘聚力与内摩擦角两个强度参数的折减系数。通常情况下这两种方法均以粘聚力与内摩擦角具有相同的强度储备为前提确定安全系数。但是,在实际边坡的失稳过程中,滑面土体的粘聚力和内摩擦角各自发挥的阶段与程度是不同的,各自的安全储备也应该不同,从物理机制出发,边坡的破坏并不是一瞬间发生的,而是一个渐进发展的过程。由于粘聚力和内摩擦角两个强度参数在边坡从稳定过渡到失稳阶段的过程中并不是同比例发生折减的,各自折减程度也不同,因此,为了更好的解决相关问题,人们提出了更加符合实际的有限元双参数非等比例强度折减法;同时,由于双参数采取了非等比例强度折减技术,使得边坡安全系数的大小与两个折减系数的关系成为难题,因此,人们根据弹性理论提出了依据两个强度参数在边坡稳定性分析中的贡献比例确定安全系数的方法,称之为有限元双参数非等比例相关联强度折减法。大量实验也进一步证实,粘聚力和内摩擦角两个强度参数在边坡从稳定过渡到失稳阶段的过程中,强度参数折减损失的先后次序也不同,对于黄土边坡来说,边坡变形的初期阶段,主要是潜在滑动面上的粘聚力在折减,当变形较大滑动面即将形成时,内摩擦角才开始折减,因此,本文提出了采用有限元双参数非等比例相关联不同步强度折减技术来反映这种抗剪强度参数非同比例非同时步的折减问题。主要工作及成果如下:(1)通过研究结构性黄土抗剪强度指标的衰减规律,发现黄土边坡在破坏过程中粘聚力和内摩擦角各自衰减机理、比例、速率和先后次序不同,即双强度参数在各自某应变值时开始不同步折减,在各自某应变值时终止折减;针对不同土质边坡,粘聚力和内摩擦角的衰减速度不同,结构性黄土c的衰减速度远大于φ的衰减速度,而砂性土,c,φ都会迅速地衰减。(2)提出了双参数非等比例相关联不同步强度折减法,推导出粘聚力折减系数和内摩擦角折减系数之间的非等比例关系式,在此基础上对ABAQUS有限元计算软件进行了二次开发,实现了更为合理的边坡稳定性分析方法,即有限元双参数非等比例相关联不同步强度折减法的程序运算。(3)结合均质和非均质边坡算例模型,将边坡稳定性分析的几种不同强度折减方法对应的计算结果与Geo-Studio刚体极限平衡分析方法结果进行对比,结果表明:均质边坡采用c和φ非等比例不同步折减确定的塑性云图滑弧面位置、形状与其他方法所得滑面相近,且所得的安全系数与其他有限元方法所得误差分别为0.38%、0.59%和1.15%,与极限平衡法误差最小(0.19%),非均质模型同样符合此规律,从而验证了有限元双参数非等比例相关联不同步强度折减法的合理性及可靠性。(4)将有限元双参数非等比例相关联不同步强度折减法应用于延安某自然、填方黄土边坡工程实例,探究正常、降雨和地震条件下自然、填方黄土边坡的稳定性。正常条件下,自然黄土边坡稳定性弱于填土黄土边坡稳定性;降雨条件下,因降雨入渗对黄土强度的弱化,降雨后的黄土边坡稳定性弱于降雨前的黄土边坡稳定性,且随着降雨时间的增长,黄土边坡稳定性降低,当降雨时间为72 h时(平均降雨强度为110 mm/d),自然黄土边坡发生破坏,填方黄土边坡依然稳定;地震条件下,因惯性力对黄土边坡的影响,地震后的黄土边坡稳定性低于地震前的黄土边坡稳定性,且随地震加速度的增大,黄土边坡稳定性减小;通过分析不同水平地震加速度下边坡位移云图以及安全系数与地震加速度关系曲线图得出,当水平地震加速度为分别为0.125 g和0.075 g时,自然黄土边坡发生失稳破坏,填方黄土边坡稳定,当水平地震加速度为0.175 g和0.2 g时,填方黄土边坡亦发生失稳破坏。


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