边坡稳定性分析的有限元强度折减法.docx

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1、边坡稳定性分析的有限元强度折减法.docx边坡稳定性分析的有限元强度折减法摘要：边坡稳定分析的有限元强度折减法通过不断降低边坡岩土体抗剪切强度参数使其达到极限破坏状态为止，程序自动根据弹槊性有限元计算结果得到破坏滑动面，同时得到边坡的强度储备安全系数，使边坡稳定分析进人了一个新的时代。本文综合前人学者的研究，详细介绍有限元强度折减分析法的概念，原理，屈服准则的选取以及几种主流失稳判据的讨论等，最后简单介绍了三维有限元强度折减法的一些研究进展。关键词：边坡稳定性分析有限元法强度折减屮图分类号：TG1560刖@边坡稳定性问题一直是岩土工程的一个重要研宂内容，而边坡稳定性评价结果的正确

2、与否直接关系到边坡工程的成败。研究边坡稳定性的经典方法主要有：极限平衡法、极限分析法［1，2］。极限平衡法先假定边坡破坏沿着某一滑动面发生，再考虑由滑2动面切割而成的块体的静力平衡条件，确定边坡的稳定性或极限荷载。极限分析法假定岩土体为刚塑性体，当岩土体应力小于屈服应力时，像刚体一样不变形。然而一旦岩土体应力达到屈服应力，即使在应力不变的情况下，岩土体也会像理想塑性体那样产生无限制的塑性变形一一塑性流动，岩土体局部或全部进入塑性状态，土坡失稳，此时作用于土坡的荷载（包括自重）就等于极限荷载。这类问题的求解通常借助于塑性力学中的塑性极限力*法。在边坡稳定分析屮引入有限元法始于20世

3、纪70年代［3］，只是由于需要花费大量的机时而在具体应用中受到限制。现在，随着微机的发展及非线性弹塑性有限元计算技术的发展，采用理论体系更为严密的有限元法分析边坡的稳定性已经成为可能，有限元强度折减法正成为边坡稳定分析研究的新趋势。边坡稳定分析的有限元强度折减法利用不断降低岩土体强度，使边坡达到极限破坏状态，从而直接求出滑动面位置与边坡强度储备安全系数，使有限元法进入实用阶段。1有限元强度折减法的计算原理1.1强度折减概念与安全系数的定义对于天然的、无支护结构、具有简单剖面的均曰期：2014-05-25质边坡，从直观意义上能够比较准确地把握潜在破坏妞的位置与形状从而采用极限平衡法

4、能够较方便地确定边坡的临界破坏面及相应的稳定安全系数。但是，实际中无论是天然边坡还是人工填土边坡或切土边坡，往往断面比较复杂，同时一般为保证边坡的稳定性而须采取一定的加筋或加固支护措施，对于这种具有复杂断面或加筋、加固的边坡，由于难于事先确定滑动面的形状与位置，传统极限平衡条分法的应用受到了限制。1975年，Zienkiewicz等首次在土工弹塑性有限元数值分析中提出了抗剪强度折减系数概念［3］,由此所确定的强度储备安全系数与Bishop在极限平衡法中所给出的稳定安全系数［4］在概念上是一致的。抗剪强度折减系数(SSRF:ShearStrengthReductionFactor)

5、定义为:在外荷载保持不变的情况下，边坡内土体所发挥的最大抗剪强度与外荷载在边坡内所产生的实际剪应力之比。外荷载所产生的实际剪应力应与抵御外荷载所发挥的最低抗剪强度即按照实际强度指标折减后所确定的、实际中得以发挥的抗剪强度相等。当假定边坡内所有土体抗剪强度的发挥程度相同时，这种抗剪强度折减系数定义为边坡的整体稳定安全系数，由此所确定的安全系数可以认为是强度储备安全系数。而在地基极限承载力与传统边坡稳定性分析中所采用的常规安全系数一般是指荷载增人系数(或加载系数)。强度折减概念能够将强度储备安全系数与边坡的整体稳定安全系数统一起来，而且在有限元数值分析中无需事先确定破坏面形状与位置，

6、因此在实际中逐渐得到广泛应用。教科书上一般把边坡的稳定系数定义为沿滑动面的抗剪强度与滑移面上的实际剪力的比值，用公式表示如下：F??l(c?etgh)dlIfdl将上式两边同除以F，上式变为：1边坡稳定性分析的有限元强度折减法1??0(c/F?etgh/F)dl?l(c??etgh?)dl?lfdl?lfdl式中:c??c/F,h??arctg(tgh/F)式左边等于1，表明当强度折减F以后，坡体进入临界状态。因此我们可以利用这个思想进行有限元分析。首先选取初始折减系数，将土体强度参数进行折减，将折减后的参数作为输入，进行有限元计算，若程序收敛，则土体仍处于稳定状态，然后再增加(

7、或减小)折减系数，直到达到临界状态为止，此时折减系数F即为坡体的稳定系数，此时的滑移面即为实际滑移面。这种安全系数定义方法不需要假定滑移妞的形状，需要对F取一系列的值來反复试算，直到程序不收敛收止。我们将这种方法称为土体强度参数折减系数法。其实质与传统方法是一样的，它的好处是系统处于极限状态时，土体和支挡结构的强度得以充分发挥。而传统的计算方法只是考虑了土体达到极限状态时的强度，没有充分考虑支挡结构的极限强度［5］。1.2屈服强度准则安全系数大小与程序采用的屈服准则密切相关，不同