有限元极限分析法在边坡中的应用.ppt

有限元极限分析法在边坡中的应用重庆市地质灾害防治工程技术研究中心 中国人民解放军后勤工程学院教授郑颖人弹性状态弹性状态——材料受力后变形，但可恢复材料受力后变形，但可恢复 . . 材料满足屈服准则，进入塑性材料满足屈服准则，进入塑性 塑性状态塑性状态——材料出现不可恢复的塑性变形材料出现不可恢复的塑性变形 材料满足破坏准则，材料满足破坏准则， 材料分离破坏材料分离破坏 破坏状态破坏状态——目前尚无目前尚无 破坏准则，但材料整体破坏准则，但材料整体 破坏可采用极限分析法破坏可采用极限分析法材料的受力过程材料的受力过程一、有限元极限分析法经典极限分析法适用工程设计但需要事先知道破坏面，适应性差有限元法适应性广,但无法算安全系数有限元极限分析法,既适用于工程设计,且适应性广 特别适用于岩土工程设计（边(滑)坡、地基、隧道）1、有限元极限分析法的原理安全系数定义强度储备安全系数边坡体的垂直条分法• 2、有限元强度折减法有限元强度折减法 不断降低岩土C、 值，直到破坏自 动生成破坏面，给出破坏信息强度降低，破坏面自动形成 可求安全系数，还可求破坏面剪切应变增量云图 a.滑面塑性区贯通b.滑动面上的位移与应变将产生突变，产生很大的且无限制的塑性流动c.有限元计算都不收敛，采用力或位移不收敛作为边坡破坏判据直线滑动面 3、有限元中边坡 破坏的判据滑面上节点水平位移随荷载的增加而发生突变 （坡角）3035404550有限元法 DP5准则则1.561.42 1.31 1.21 1.12极限平衡 Spencer法1.551.41 1.30 1.20 1.12(DP5S)/S0.010.01 0.01 0.01 0.00两种种 算法算法 安全 系数 比较1、具有两组平行节理面的岩质边坡 两组方向不同的节理，第一组软弱结构面倾 角30度，第二组软弱结构面倾角75度. 二、有限元极限分析法在岩石边坡 中的应用计算结结果 计算方法安全系数有限元法（等面 积圆屈服准则 ）1.21极限平衡方法 (Spencer ）1. 17首先贯通的滑动面 滑动面继续发展2. 岩土质二元边坡稳定分析结构面强度参数取c=10ｋＰａ、φ=20°结构面强度参数取c= 30ｋＰａ、φ=30°3岩质边坡倾倒稳定分析(离散元 )结构面倾角３０° 强度折减系数1.30结构面倾角2０°，安全系数1.96三维楔形体的计算 非对称楔形体模型 非对称楔形体计算 等效塑性应变图有限元强度折减法安全系数为1.60，用理正岩土系列软件计算安全系数为1.636。

两者的计算误差为2.2%4. 三维边坡稳定分析n5、边坡分类与破坏特征(11类)n类均质土边坡(可视、动态、定量)n 顺层边坡破坏特征示意图 n 溃屈边坡破坏特征示意图 n双向顺层边坡破坏特征示意图n三维楔形体边坡破坏特征示意图 n切层边坡破坏特征示意图 n倾倒边坡破坏特征示意图 n堆积层边坡破坏特征示意图 n岩土二元边坡破坏特征示意图 n软岩挤出边坡破坏特征示意图 三、有限元极限分析法在抗滑桩 设计中的应用抗滑桩设计中存在的问题:1、无法计算桩前抗力（假设为0或剩余抗滑力）2、无法计算推力分布规律3、不能进行桩长设计4、不能计算埋入式抗滑桩的推力与抗力5、不能计算多排抗滑桩与抗滑桩间距1、滑坡推力与桩前抗力的计算重庆市奉节县内分界梁隧道滑坡， 抗滑桩截面尺寸为2.4m×3.6m 表1 材料物理力学参数材料名称重度弹性 模量泊松比粘聚力内摩擦角滑体土22100.352820 滑带土22100.352017滑床26.160.28500039抗滑桩250.2按弹性材料处理采用实体单元模拟或梁单元模拟桩 不同方法滑坡推力与桩前抗力方法滑坡推力 桩桩前抗力设计设计 推力实体单元法539018303560 梁单元法535017003650 不平衡推力法 （隐式解）5420258028401、三种算法，滑坡推力基本一致； 2、实体单元法与梁单元法抗力与实际推力相近，不平衡推力法相差大；2 推力与抗力的分布规律 n 计算机可显示滑面以上桩后推力与 桩前抗力的水平应力分布。

图5 推力分布 图6 抗力分布3、抗滑桩长度的确定目前设计中缺乏桩长设计目前设计中缺乏桩长设计a.a.桩长延伸到地面是否能确保边坡的稳定；桩长延伸到地面是否能确保边坡的稳定； b.b.桩长延伸到地面是否必要会不会造成浪费桩长延伸到地面是否必要会不会造成浪费 安全系数1.0桩长变化与滑动面的位置桩长变化与滑动面的位置桩长： 7米 9米 11米安全系数: 1.14 1.17 1.19桩增长, 滑面升高、安全系数增加桩长: 15米 17米 19米 安全系数:1.19 1.19 1.23桩长: 21米 23米 25米 安全系数:1.25 1.29 1.34合理桩长: 桩长安全系数大于设计安全系数----------------------------------------------------------设计要求 安全系数 1.15桩长与内力关系桩长与内力关系: : 桩缩短，弯矩、剪力降低桩缩短，弯矩、剪力降低模型尺寸: 3.5×2.8×2.02米 模型桩长: 2.2米, 1.8米, 1.5米, 1.2米抗 滑 桩 室 内 模 型 试 验模型计算与数值计算五个相同模型计算与数值计算五个相同(1) (1) 当试验加载到破坏，荷载相同当试验加载到破坏，荷载相同(2)(2) 破坏面相同破坏面相同(3)(3)沉埋桩顶上土体受力相同沉埋桩顶上土体受力相同(4)(4)桩上推力与分布相同桩上推力与分布相同(5)(5)桩上抗力与分布相同桩上抗力与分布相同云阳分界梁隧道出口段滑坡1、工程概况 两条隧道通过滑坡地段平面布置图合理桩长的确定 断Ⅱ地质剖面图 桩长24m，滑坡的稳定性已达到设计安全要求 已应用于云阳、武隆、奉节五 个工地，节省桩费用30~60%n埋入式抗滑桩与全长抗滑桩的比较比值n桩长缩短22m 47.8%n推力减少725KＮ／m 16%n弯矩减少123400KN.m 36%n节省费用1000万 n武隆滑坡图n每个剖面上4排桩，3排为埋入式桩，n节省投资6千余万元。

四、 有限元极限分析法在加筋土挡墙 应用,60米高加筋土边坡是重大突破 规范采用经验法计算，坡高小于20米广西河池机场节省 经费约六千万已稳定三年某机场百米高边坡方案比较 原方案：无加筋土，自然放坡1:2.5 方案1：42米高加筋土，自然放坡1:2.8 方案2：42米高加筋土，自然放坡1:2.5边坡剖面示意图 跑道总长为3800米 土工格栅示意图加筋土挡墙与原方案工程费用对比表对比项目征地造 价/万元土方造 价/万元土工格栅 造价/万节省 金额边坡安 全系数原方案00001.48加筋土挡 墙方案12052041169.2 －1550046189 1.53加筋土挡 墙方案23534046717.2 －1500067057 1.42土地价格100万元/亩，土方的单价取10元/m3 加筋土与桩联合支挡方案示意图边坡高75m，加筋土高50m， 桩悬臂长25m(正在施工)采用多手段评价滑坡演变过程角度对象方法 定性 （现现行方法）宏观观破坏现现象经验经验 分析监测监测 （现现行方法）位移监测监测 数据监测监测 分析定量 （新方法）数值值分析结结果稳稳定分析n五、建立地质灾害监测网络，提高 预警预报水平，减少误报漏报变变 形 阶阶 段稳稳定 状态态弱变变形状态态强变变形状态态临临滑状态态安全 系数＞1.101.10～1.051.04～1.021.0２～1.00现现 场场 观观 察 指 标标边边（ 滑）坡体 及其上面 的建筑物 均无明显显 变变形，无 地裂缝缝主滑带带剪应应力 超过过其抗剪强度发发 生蠕动动，裂缝缝逐渐渐 扩扩大并使牵牵引段发发 生拉裂；边边（滑）坡体 无明显变显变 形；边边（ 滑）坡后缘缘地表或 建筑物上出现现一条 或数条地裂缝缝，由 断续续分布而逐渐贯渐贯 通；滑坡两侧侧、滑 坡前缘缘均无明显变显变 形或滑坡两侧侧出现现 羽状裂缝缝。

坡体中 上部出现现下沉、下 错错等现现象主滑段和牵牵引段滑面形 成，滑体沿其下滑推挤挤 抗滑段，抗滑段滑带带逐 渐渐形成；坡体中、上部 下沉并向前移动动，下部 受挤压挤压 而抬升，变变松 后缘缘主拉裂缝贯缝贯 通，加 宽宽，外侧侧下错错，并向两 侧侧延长长；边边坡两侧侧中、 上部有羽状裂缝缝出现现并 变宽变宽 ，两侧侧剪切裂缝缝向 抗滑段延伸；前缘缘地面 有局部隆起，先出现现平 行滑动动方向的放射状裂 缝缝再出现现垂直滑动动方向 的鼓胀胀裂缝缝，有时时有坍 塌，泉水增多或减少滑体开始整体向下 滑移，重心逐渐渐降低 ；抗滑段滑面贯贯通， 从地面剪出，整个滑 动动面贯贯通，滑坡整体 滑移后缘缘裂缝缝增多，加 宽宽，地面下陷，滑坡 壁增高，建筑物倾倾斜 ；两侧侧裂缝缝与后缘缘 张张裂缝缝及前缘缘剪出 口裂缝缝完全贯贯通，两 侧侧壁出现现；前缘缘坍 塌明显显，泉水增多并 混浊浊，剪出口附近出 现现鼓丘建立全过过程评评价指标标体系 滑坡全过程分段（四阶段）演变中长期预报短期预报临滑预报弱变形强变形临滑段滑坡位移监测演变过程变变形破坏 阶阶段弱变变形状态态强变变形状态态临临滑状态态 监测监测 数据 指标标位移逐渐渐增大 ，趋趋于等速，位移增大较较 快，由等速 转转向加速，位移与速 度剧剧增, 持续续高速 增长长, 监测曲线监测曲线1.071.10按粘弹塑计算不同安全系数速度-时间曲线1.021.04等速蠕变 加速蠕变稳定 等速蠕变阶段重要边滑坡 计算曲线与监测曲线对比图实测1.031.02张飞庙滑坡张飞庙滑坡从位移值与曲线趋势看，安全系数从位移值与曲线趋势看，安全系数1.031.031.08长期预报阶段只做内部预报，并 做好应急抢险准备工作，安全系数 1.04-1.08，减少误报。

短期预报加强监测预报，严密监 视临滑阶段出现，并进行应急抢险 治理工作, 安全系数1.02-1.04；临滑阶段，准确预报滑坡日期， 并必须撤离群众，安全系数1.02以 下减少错报、漏报。