边坡渐进破坏基本理论和稳定性的分析

1、边坡渐进破坏基本理论和稳定性的分析 研究概况 边坡变形机理 破坏类型及控制标准 新模型 滑面位移与时间关系曲线特征 潜在滑动面决定法 破坏角转动法 汇报内容 稳定分析新方法 01 02 06 05 04 03 滑面力的分布特征 稳定分析条块力位移法 临界状态条块确定及破坏分析 实例 结语 致谢 08 09 13 12 11 10 07 基于力的滑坡分类 项目研究的现实意义 边坡研究取得的科研成果为 瑞典法圆弧 简化Bishop法 Janbu法 传递系数法 Sarma法 楔形体法 Fellenius法 不平衡推力法 有限元强度折减法等十几种边坡稳定性分析方法 上述的各种方法使用的物理力学参数为 凝聚力 摩擦角 容重等 力学参数的获取及物理意义 凝聚力和摩擦角是岩土体在不同正压力条件下 实施剪切试验 提取压应力和峰值应力 从而决定摩尔库伦方程中的凝聚力和摩擦角 也即是 凝聚力和摩擦角是由峰值应力决定的 摩尔库伦方程是峰值应力方程 01研究概况1 研究的现实意义 推理 1 现行研究边坡稳定性的十几种分析方法其滑面所使用的物理力学参数为临界状态参数 或极限状态参数 2 现行研究边坡稳定性的十几

2、种分析方法是假定了整个滑面同时处于临界状态 或极限平衡状态 也即是 边坡在发生破坏时 滑面是同时 或几乎同时 发生破坏 科学问题的提出 1 强度折减计算得出的应力场和应变场是正确的吗 2 十几种边坡稳定性分析方法其滑面物理力学参数取临界状态参数 或滑面同时处于破坏状态 与实际相符吗 3 理想弹塑性模型时常用于边坡分析 它能广泛地加以应用吗 4 现行十几种边坡稳定性计算方法得出的稳定系数物理意义是什么 01研究概况1 01研究概况1 科学问题的回答 1 强度折减计算得出的应力场和应变场是正确的吗 回答 在折减系数等于1时 地质材料力学行为满足理想弹塑性模型时 计算所得的应力场和应变场是符合逻辑的 2 十几种边坡稳定性分析方法其滑面物理力学参数取临界状态参数 或滑面同时处于破坏状态 是与实际相符吗 回答 整个滑面的物理力学参数取临界状态参数的模型是 理想弹塑性模型 只有地质材料的力学行为与理想弹塑性模型一致 其破坏模式为 滑面同时整体发生破坏才成立 然而边坡是渐近破坏的 3 理想弹塑性模型时常用于边坡分析 它能广泛地加以应用吗 回答 这种模型不能广泛加以应用 只有岩土体材料具有理想弹塑性模

3、型特征 如 残余应力状态 这个模型才能加以使用 也即是 理想弹塑性模型难以描述边坡渐近破坏过程 除了残余应力状态或什么特殊荷载外 4 现行十几种边坡稳定性计算方法得出的稳定系数物理意义是什么 回答 计算所得稳定系数没有什么意义 只是一个经验系数 所以现行的各种方法在大多数情况下 只能称为 经验法 02边坡变形机理 破坏类型及控制标准研 2 1推移式滑坡变形机理 破坏类型及控制标准 破坏机理 推移式滑坡变形破坏是渐近的 后缘首先发生变形 因而后缘处于破坏后区状态 前缘处于峰值应力之前的状态 在前缘和后缘之间只有一点 对于二维问题 或一条曲线 对于三维问题 处于临界应力状态 沿着滑面可划分为不稳定区 欠稳定区和稳定区 破坏类型 类型 整个滑体沿滑面发生推移破坏 类型 后缘沿弱面发生推移破坏 而前缘局部沿滑体发生剪切破坏 或者弱面和滑体交替发生变形破坏 控制标准 类型 滑坡滑面破坏受弱面的全过程剪应力 应变力学特性所控制 对于类型 滑坡后缘受滑面的剪切全过程应力 应变力学行为所控制 而前缘受滑体的剪切全过程应力 应变力学行为所控制 见图2 1 02边坡变形机理 破坏类型及控制标准研 图2 1

4、岩土体分类及滑坡变形特征对应关系示意图 2 2牵引式 或张拉式 滑坡变形机理 破坏类型及控制标准 破坏机理 对于牵引式边坡 边坡前缘首先变形 因而前缘处于破坏状态 后缘处于峰值应力之前的状态在前缘与后缘之间 存在一点 对于二维问题 或一条曲线 对于三维问题 处于临界应力状态 沿滑面可以划分为 不稳定区 欠稳定区和稳定区 破坏类型 类型 整个滑体沿弱面发生牵引破坏 类型 前缘沿弱面发生牵引破坏 而前缘局部沿滑体发生剪切破坏 类型 滑坡前缘发生剪切破坏 而在滑体某一断面发生拉破坏 控制标准 类型 滑坡整体受弱面的剪切应力 应变的全过程力学特性所控制 类型 滑坡前缘受弱面的力学特性所控制 后缘受滑体的抗剪强度所控制 类型 滑坡前缘受弱面的力学特性所控制 而在滑体的某一断面 其拉应力力学特性控制着滑坡的破坏 如图2 2图 02边坡变形机理 破坏类型及控制标准研 图2 2牵引式滑坡的渐进变形及控制曲线示意图 02边坡变形机理 破坏类型及控制标准研 图2 3牵引式滑坡变形破坏类型 02边坡变形机理 破坏类型及控制标准研 03新模型研 上述分析了推移式滑坡和牵引式滑坡的变形机理 破坏类型及控制标准

5、从分析可知 要解决其预测预警及稳定性分析 最重要的就是要获得滑面的本构模型及滑体的抗拉模型 3 1滑面本构方程如下 3 1 式中 分别为剪应力和剪应变 G 剪切模量 S m 为在不同法向应力下的常系数 G单位为或或 S m 为无单位参数 在软化特征的描述条件下 峰值应力控制方程可以采用现行的各种应力破坏标准 如 MohrCoulumb准则 DruckerPrager准则 Mises准则 Tresca准则等 如摩尔库伦准则 3 2 式中 C为凝聚力 为法向应力 C和的单位为或或 为滑面摩擦角 3 2峰值应力控制方程 3 3临界应变控制方程 临界应变定义 临界应变指峰值应力对应的应变 临界应变所满足的方程 称为临界应变控制方程 假设临界应变仅相关于法向应力 03新模型研 临界应变可以仅相关于法向应力 临界应变可采用如下关系式 3 3 式中 为常系数 单位为或或 无量纲系数 3 4软化系数演化方程对于软化系数参数 参照土水特征曲线可以表示为 3 4 式中为法向应力为零值的值 为等于时的值 为常系数 该关系式可由不同的法向压力试验曲线而获得 03新模型研 03新模型 3 5模量演化方程剪切模量

6、 或弹性模量 可以表述为如下形式 3 5 式中 为法向应力为零值的值 为常系数 单位为无量纲和或或 3 6弹塑性软化描述本文建立的模型包括 临界应力空间准则 如 摩尔库伦准则 DruckerPrager准则等 临界应力空间对应的应变 简称 临界应变空间 准则 剪切模量和描述软化特征参数 的演化方程 03新模型 3 6 1临界应力准则现行已经提出了许多临界应力准则 本文临界应力准则采用摩尔库伦准则 其空间特征为一直线或平面 水平轴为法向应力 竖向轴为剪应力 当法向应力为零时 直线与剪应力轴的交点为凝聚力 C 临界应力特征线与水平轴的夹角表示摩擦角 3 6 2临界应变空间临界应变空间为临界应力所对应的应变与法向应力之间的关系 称为临界应变准则 本文取所对应的方程 即椭圆方程 见图3 1 3 6 图3 1临界应变椭圆准则曲线特征3 7弹塑性硬化描述在模拟弹塑性硬化时 亦即没有明显的峰值应力 该模型可以简化为 描述材料弹塑性硬化的邓肯 张模型的基本方程 3 7 03新模型研 式中 主应力和主应变 常系数 将本构方程取 则 常系数 其方程形式与邓肯 张模型一致的 当然此时只能描述材料的弹塑性硬化

7、行为特征 亦即本文的本模型增加了 可以描述更广泛的材料行为 3 8模型特征新模型可以描述四种材料的力学特性 1 弹脆性 2 理想弹塑性 3 弹塑性软化 4 弹塑性硬化 亦即弹脆性模型 理想弹塑性模型 三折线等描述软化特征相关模型和邓肯 张模型等是该模型特例 03新模型研 04边坡滑面位移与时间关系的曲线特征研 4 1临界状态定义沿滑动方向 下滑应力和临界摩阻应力的矢量和为零 该状态为临界状态对于有限元法 则为临界状态单元 对于条块法则为临界状态条块 4 2滑面稳定性划分 在岩土体的应力 剪应变 或荷载 位移 全过程曲线的基础上 提出了滑面稳定性的划分标准 a 当滑面的剪应力 剪应变呈现出 型特征 且推力位于比例极限荷载 之内或剪应力 剪应变呈 型特征 则该滑面属稳定区 b 当滑面的剪应力 剪应变呈现出 型特征 且所受推力大于比例极限荷载 而小于峰值荷载 则该滑面属欠稳定区 c 当滑面的下滑力正好等于临界摩阻力 则该区为临界状态区 d 当滑面的剪应力 剪应变位于破坏后区 该滑面属不稳定区 4 3滑面监测时间 位移曲线的划分 a 当岩土体荷载 位移关系曲线表现出 型特征 且该岩土体所承受的

8、荷载在比例极限荷载 之内 其时间 位移关系曲线呈现 型稳定时间曲线特征 b 如果该岩土体所承受的荷载大于比例极限荷载 或处于峰值荷载 后区时 其时间 位移关系曲线呈现 型非稳定时间曲线特征 c 当岩土体荷载 位移关系曲线表现出 型特征时 其岩土体监测时间 位移关系曲线呈现 型稳定时间曲线特征 综上所述 滑面监测位移 时间关系曲线可以划分为 稳定位移 时间关系曲线和不稳定位移 时间关系曲线 04边坡滑面位移与时间关系的曲线特征研 图4 1岩土体荷载 位移关系曲线与监测位移 时间的对应关系曲线示意图 04边坡滑面位移与时间关系的曲线特征研 05潜在滑动面决定法 破坏角转动法研 现行边坡渐进破坏潜在滑动面的决定方法主要是 利用极限平衡状态下的力学参数 如 凝聚力C 摩擦角 采用现行的极限状态稳定性 如 瑞典圆弧法等 系数搜索法决定潜在滑动面 这种方法的缺点为 1 整个滑动面处于临界应力状态 然而边坡滑动面破坏是渐进的 2 另外边坡破坏时 破坏点处于临界应力状态 其余是处于破坏后区或峰值前应力状态 这种破坏方式当今的方法是难以描述的等 针对这些缺点 在假设地质材料破坏时满足临界应力状态所对应的

9、最大剪切应力面与最小主应力轴夹角为 条件 基于边坡在不同外加荷载和重力荷载作用时主应力方向在不同位置发生转动 转动角 的事实 如图5 1 实施边坡潜在滑动面的搜索计算 从而决定潜在滑动面 05潜在滑动面决定法 破坏角转动法研 并定义了破坏率 滑体作用于滑面的下滑剪应力 或拉应力 除以滑床作用于滑面临界摩阻应力 或临界拉应力 的绝对值 当大于100 时 取100 和破坏比 沿可能滑动的滑面面积与破坏率乘积之和除以总面积 概念 破坏角转动法保证了边坡破坏过程中 破坏点的应力状态处于临界应力状态 且破坏过程中 破坏路径随应力的变化而变化 结合破坏率和破坏比概念 破坏路径的本构关系考虑不同法向应力作用下的软化特征 可以在数值计算的基础上实施边坡潜在滑动面的求解 05潜在滑动面决定法 破坏角转动法研 图5 1 边坡渐进破坏潜在滑动面破坏角转动决定法示意图注 分别为X轴方向应力 Y轴方向应力 剪应力 摩擦角 最大主应力 最小主应力 转动角 05潜在滑动面决定法 破坏角转动法研 由于边坡在渐进变形破坏过程中 其地质材料在不同区域的应力状态是不一样的 相对应地质材料的荷载 位移 或应力 应变 全过程曲

10、线 边坡部分区域处于破坏后区状态 局部处于临界应力状态和部分区域处于峰值应力之前状态 然而其破坏发生点处于临界应力状态 且随应力状态的变化而变化 现行边坡潜在滑面决定法均采用的是极限 或临界 状态法 这些方法不能考虑边坡的渐进变形破坏过程 而破坏角转动法就是基于解决该问题而提出来的 其要求如下 1 利用可行的数值方法 获得计算区域的应力和应变场分布特征 从而划分破坏后区 临界状态面 比例极限与峰值应力之间区和弹性区 2 对于单元 利用单元破坏剪应力面与最小主应力的夹角为 计算最大主应力相对竖直方向的转动角 05潜在滑动面决定法 破坏角转动法研 3 对于可能施加的荷载 或位移 工况 分步施加相应的工况 当然可以利用滑面边界法 或其它方法 施加其荷载 或位移 工况 对在不同工况下可能破坏模式进行搜寻 将潜在滑动面转动角连续化 计算对应的边坡稳定系数 从而决定潜在滑动面 4 对于具有软化和硬化特征的滑面满足如下本构方程 滑面本构方程如下 剪切应力 剪应变为四参数本构方程 5 1 式中 分别为剪应力和剪应变 剪切模量 为在不同法向应力下的常系数 的单位为或 为无单位参数 06边坡稳定性分析研

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