资源描述：
《有限元离心加载法分析边坡稳定性》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。
1、有限元离心加载法分析边坡稳定性 李焕强1, 2, 孙红月1, 尚岳全* 1, 王迎超1 (1.浙江大学建筑工程学院,浙江杭州310027; 2.浙江省交通规划设计研究院,浙江杭州310006) 摘要:从边坡安全系数的基本定义出发,通过边坡“虚拟工况”概念,提出有限元离心加载分析边坡稳定性的方法.在K倍重力场作用下,对边坡岩土内摩擦角进行相应的折减,用有限元计算至极限平衡状态(即边坡综合下滑力增大至K倍,综合抗滑力不变而达到极限平衡状态),从而得到边坡的安
2、全系数K.此法弥补了以往离心加载方法计算边坡稳定性的不足.其计算结果与强度折减法相互认证,表明有限元离心加载法是另一种利用有限元计算边坡稳定性的可靠方法. 关键词:有限元离心加载法;边坡稳定;虚拟工况;安全系数 中图分类号:TD 854. 6文献标识码: A 边坡稳定分析是边坡工程中重要的部分.目前边坡稳定分析方法有极限平衡法、塑性极限分析法、有限元法、可靠度法、人工智能法等.极限平衡法已有 80年的应用历史,但其没有很好地考虑岩土体内部应力-应变关系,而且需假定可能的滑动面,是建立在简化和假定之上的.随
3、着计算机非线性有限元法的快速发展,能够考虑岩土材料非线性本构关系的有限元边坡稳定分析方法的应用越来越广泛.目前,由于有限元强度折减法具有许多优点[1],故被视为是一种很有前途的求边坡稳定安全系数的方法[2].与有限元强度折减法相对应的就是用离心加载和有限元法结合的方法分析边坡稳定性,目前还未见有关其较好应用的报道.文献[3]中尝试运用离心加载和有限元法结合分析边坡的稳定性,但其将边坡的岩土材料强度作为一个定值进行处理,即岩土的屈服强度不随平均应力的变化而变化,这显然和绝大多数岩土材料的性质相差很大.作者在边坡安全系数定义的基础上
4、,提出有限元离心加载计算边坡安全系数的概念,符合岩土材料的性质,并且计算结果与有限元强度折减法几乎完全一致.1 有限元离心加载 有限元离心加载法计算边坡的安全系数与有限元强度折减法相同,都是以边坡安全系数概念为基础的.1. 1 安全系数 目前,边坡安全系数K常见的定义有两种形式.一种形式[4]为可能滑动面上的综合抗滑力与综合下滑力的比值,即 K =FR/FS 式中:FR,FS分别为可能滑动面上的综合抗滑力和综合下滑力.另一种形式[5]为将抗剪强度指标降低为c/K和tanφ/K,则岩土体沿着此滑动面处处达到极
5、限平衡,即 τ= ce+σntanφe, ce= c/K,tanφe=tanφ/K. 式中:τ,σn分别为达到极限平衡时滑裂面上的剪应力和正应力;c,φ分别为土的有效黏聚力和摩擦角;ce,φe分别为达到极限平衡时岩土的黏聚力和摩擦角.虽然安全系数的两种表达形式不同,但其本质是一致的,都是反映当前滑坡的稳定程度.前者用决定边坡稳定性的综合抗滑力和综合下滑力两大基本因素比值反映稳定状况,含义直观明确;后者通过折减至极限平衡状态确定下滑力的作用,也是反映两大基本因素的比值,是基于前者概念之上并引入了具体的强度准则,在
6、形式上更有利于安全系数的计算.文中采用第一种定义形式,即K =FR/FS以引入有限元离心加载法.1. 2 有限元离心加载 有限元强度折减法是通过折减安全系数定义中的抗滑力FR实现的,即将抗滑力FR折减(FR/K)直到边坡处于极限状态(FR/KFS=1)以确定安全系数.有限元离心加载法是通过增大重力或岩土材料密度的方法,将边坡的下滑力增加一个系数变为KFS,使得边坡处于极限状态FR/KFS=1,得到安全系数.两者达到的极限状态表达式相同,但含义不同.对于材料强度为定值(φ=0)的情况,只要增大重力加速度或岩土材料密度即可,这
7、时,有限元分析只需调整一个参数就可以得到安全系数.但是,构成边坡的岩土体的强度与平均应力密切相关(即φ≠0),随平均应力的增大而提高,如果还采用φ=0材料的强度显然不合适.一般情况下,坡体材料采用考虑平均应力影响的强度准则才是比较符合实际情况的.在考虑平均应力对材料强度的影响时,如果直接进行离心加载,则坡体内应力场的应力水平将增大,相应的综合抗滑力也将随着坡体应力水平的增大有所提升,由此得到的安全系数则比实际的安全系数大.这种系数是超载储备安全系数[6],不能准确地反映边坡“现实”的稳定性.为了克服这种失真,文中以岩土体材料的屈
8、服准则为基础,构建了一个边坡的“虚拟工况”:包括虚拟的应力场和调整屈服准则参数,即在提高K倍重力加速度的同时,将内摩擦角φ折减至φ',以抵消应力场导致的抗剪强度增长,二者关系为 φ'=arctan(tanφ/K) “虚拟工况”与现实状态的关系如图1所
