基于有限元法和极限平衡法的边坡稳定性分析

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1、目录摘要11引言12简要介绍有限元和极限平衡方法13影响边坡稳定性的因素23.1水位下降速度的影响23.2不排水粘性土对边坡失稳的影响53.3裂缝位置的影响94总结和结论121212基于有限元法和极限平衡法的边坡稳定性分析摘要：相较于有限元分析法，极限平衡法是一种常用的更为简单的边坡稳定性分析方法。这两种方法都可用于分析均质和不均质的边坡，同时考虑了水位骤降，饱和粘土和存在张力裂缝的条件。使用PLAXIS8.0(有限元法)和SAS-MCT4.0(极限平衡方法)进行了分析，并对两种方法获得的临界滑动面的安全系数和位置进行了比

2、较。关键词：边坡稳定；极限平衡法；有限元法；PLAXIS；SAS-MCT1.引言近年来，计算方法，软件设计和高速低耗硬件领域都得到快速发展，特别是相关的边坡稳定性分析的极限平衡法和有限元方法。但是，使用极限平衡方法来分析边坡，可能会在定位临界滑动面(取决于地质)时出现几个计算困难和前后数值不一致，因此要建立一个安全系数。尽管极限平衡法存在这些固有的局限性，但由于其简单，它仍然是最常用的方法。然而，由于个人电脑变得更容易获得，有限元方法已越来越多地应用于边坡稳定性分析。有限元法的优势之一是，不需要假设临界破坏面的形状或位置。

3、此外，该方法可以很容易地用于计算压力，位移，路堤空隙压力，渗水引起的故障，以及监测渐进破坏。邓肯(1996年)介绍了一个综合观点，用极限平衡和有限元两种方法对边坡进行分析。他比较了实地测量和有限元分析的结果，并且发现一种倾向，即计算变形大于实测变形。Yu等人(1998年)比较了极限平衡法和严格的上、下界限法对于简单土质边坡的稳定性分析的结果，同时，他们也将采用毕肖普法和利用塑性力学上、下限原理的界限法得到的结果进行了比较。Kim等人(1999年)同时使用极限平衡法和极限分析法对边坡进行分析，发现对于均质土边坡，得自两种方法

4、的结果大体是一致的，但是对于非均质土边坡还需要进行进一步分析工作。Zaki(1999年)认为有限元相对于极限平衡法更显优势。Lane和Griffiths(2000年)提出一个看法，用有限元方法在水位骤降条件下评价边坡的稳定性，应绘制出适用于实际结构的操作图表。Rocscience有限公司(2001年)提出了一个文件，概述了有限元分析方法的能力，并通过与各种极限平衡方法的结果比较，提出了有限元方法更为实用。Kim等人(2002年)用上、下界限法和极限平衡法分析了几处非均质土体且几何不规则边坡的剖面。这两种方法给出了类似有限元

5、分析法产生的安全系数，临界滑动面位置。2.简要介绍有限元和极限平衡方法有限元法(FEM)是一个应用于科学和工程中，求解微分方程和边值问题的数值方法。进一步的细节，读者可参考Clough和Woodward(1967年)，Strang和Fix(1973年)，Hughes(1987年)，Zienkiewicz和Taylor(1989年)所做的研究工作。PLAXIS8版(Brinkgreve2002年)是一个有限元软件包，应用于岩土工程二维的变形和稳定性分析。该程序可以分析自然成型或人为制造的斜坡问题。安全系数的确定使用12折减的

6、方法，土壤的强度参数()和(c)依次降低直至结构发生破坏。运用理想的塑性莫尔–库仑准则的极限平衡法(常规方法)，多年来已广泛应用于岩土工程问题。该方法是一个纯粹的静态数值分析技术，保持平衡质量取决于三个基本平衡方程。自1866年Culmann第一次尝试处理数学与边坡稳定性问题以来，在这一领域已经进行了大量的研究(Yu等人,1998)。通过使用各种垂直切片单元的方法，用来分析边坡的极限平衡法(LEM)已大大改进。SAS-MCT第4版(Malkawi和Hassan，2003年)使用新开发的自动搜索程序，再加上新的蒙特卡洛法，通

7、过随机跳跃和随机行走类型定位危险的圆形和非圆形滑动面(Malkawi等人，2000年，2001年)。它是根据最常见的五种极限平衡方法确定的安全系数，即一般的或瑞典条分法(Fellenius，1936年)，毕肖普简化法(Bishop，1955年)，简布简化方法(Janbu，1973年)，斯宾塞法(Spencer，1967年)和广义极限平衡法(GLE)，离散的摩根斯坦-普瑞斯法(Morgenstern和Price，1965年)。3.影响边坡稳定性的因素一般情况下，边坡稳定性分析中最重要的影响因素是：(1)边坡的几何形状；(2)

8、土质；(3)作用在边坡上的力。研究表明，三个不同例子在均质和非均质边坡应考虑到以下因素：(a)水位的下降速度；(b)粘土的不排水性；(c)裂缝的位置。(a)此次研究将只集中研究水位的下降速度，因为这是一个关键性的问题。当水的迅速抽离，将会降低水库边的边坡稳定性，因为没有足够的时间来稳定孔隙水压力。(b)