高等土力学
边坡稳定分析
专业：岩土工程
姓名：XXX
指导老师：XXX
学号：XXX
1.前言
边坡稳定分析是边坡设计的前提，它决定着边坡是否失稳以及边坡失稳时存在多大推力，以便为支护结构设计提供科学依据。
然而这个问题至今仍未得到妥善解决，因为解决这一问题必须先要查清坡体的地质状况及其强度参数，同时又要有科学合理的分析方法［1］。
对于均质土坡，传统方法主要有：极限平衡法，极限分析法，滑移线场法等，就目前工程应用而言，主要还是极限平衡法，但需要事先知道滑动面位置和形状。
对于均质土坡，可以通过各种优化方法来搜索危险滑动面，但是对于岩质边坡，由于实际岩体中含有大量不同构造、产状和特性的不连续结构面，传统极限平衡方法尚不能搜索出危险滑动面以及相应的稳定安全系数。
边坡稳定分析涉及复杂的地质地形边界条件、材料的应力-应变的非线性行为、初始地应力、水压力、地震荷载的耦合分析等等，多数情况下不能获得解析解。
在计算机和计算方法不断发展的背景下，以有限元为代表的数值分析方法在20世纪70年代已逐步在岩土工程中推广应用，并发展成为一种强有力的计算分析工具。
然而传统的数值分析方法一般只是得出边坡应力、位移、塑性区等，不能直接与边坡稳定建立定量关系。
随着计算机技术的发展，有限元强度折减法近来在国内外受到关注［2〜12］，对于均质土坡已经得到了较好的结论，但尚未在工程中实用，本文采用有限元强度折减法，对均质土坡进行了系统分析，证实了其实用于工程的可行性，得到了节理岩质边坡坡体的危险滑动面和相应的稳定安全系数。
该方法可以对贯通和非贯通的节理岩质边坡进行稳定分析，同时
可以考虑地下水、施工过程对边坡稳定性的影响，可以考虑各种支挡 结构与岩土材料的共同作用，为边坡稳定分析开辟了新的途径
2•有限元强度折减法原理
c = c /
， tan 二 tan 厂
这种方法早在70 年代就提出来了。
1975年Zienkiewize 就利 用有限元进行边坡稳定分析，但是由于受计算条件的限制，此法一直 没有流行起来。
近年来，这种方法随着计算机软件和硬件的发展又有 了新的发展。
3.有限元强度折减法判断依据
有限元强度折减法分析边坡稳定性的一个关键问题是如何根据
有两类:
标志。
(2)以广义塑性应变或者等效塑性应变从坡脚 坡破坏的标志。
以上两种判据得到的安全系数相差不大。
4.案例分析 4.1.工程概况
3
有
一高H=13m 坡脚为45度的均质边坡，土体容重 20KN/m,粘 聚力c=12.38Kpa,摩擦角20度。
按平衡极限分析法，求土坡的稳定 安全系数。
4.2模型的建立与求解 421建立部件
有限元计算结果来判别边坡是否处于破坏状态。
目前的失稳判据主要
(1)在有限元计算过程中采用力和位移的不收
敛作为边坡失稳的
到坡顶贯通作为边
在Part模块中建立，如下所示的部件下所示的
4.2.2设置材料及截面特性。
4.2.3装配部件
4.2.4定义分析步
在step模块中建立load、reduce分析步
4.2.5定义载荷、边界条件。
在Load模块中，定义载荷和边界条件，如下所示4.2.6划分网格，在mesh模块中划分网格，如下所示
图1网格图
4.2.7修改模型文件
4.2.8提交作业
4.3结果分析
本算例在第二个分析步的0.23526时无法收敛，计算终止
kJ«-q
图2 FV1随U1的变化关系
强度折减到某一程度后，土体就已经失稳，既就是在t=0.23526时土坡失稳破坏。
我们由图可以看出，以数值计算不收敛作为土坡稳定的评价标准对应的FV仁0.86既就是安全系数为0.86。
由于该图没有明显的该店所以不能以位移拐点作为评价标准。
观察塑性区的发展，下图绘制出了时刻塑性区，我们可以看出在一开始土坡坡脚先出现屈服，然后向上延伸，直到二级坡的塑性区贯
图3 t=0.125的塑性区
图4 t=0.2328的塑性区
从图可以发现滑动面的大致位置，与平衡极限法分析得到的一样，大致呈圆弧状，通过坡脚。
4.4理正岩土复核
图6参数界面
讎助功能
说明 |倾斜土层土坡稳定计算2
' 基* 坡面 土巨环話亦前
图7参数界面
用增量位移判断滑动面
-6
S S S 55
S 55^^a
■旳订-:
7's £
-7
-s F -l -x -l -
坡面线段數
水乎投戦
长Gn)
竖回投影
-云 Gn) 丧Gn) 坡线仰角
溜
Hl
|1 4 8. LiLiLi 10. LILILI 12.806 51.340 0 2 2.000 0.000 2.000 0.000 0 3 3.000 3.000 4.243 45.000 0 4
3. LiLiLi
0. LILILI
3.000
0.000
4
图8参数界面
土融擞： 18 '
區1 心半徑耐:(-3.200, 19.500) R = 19.761
回］［茁
C-3.200, 19.300)—-19 5G3 K=0 840 (-3.200, 19.340)—-19.603 K=0 840 C-3. 200, 19.300)―19.642 K=0 840 C-3. 200, 19.420)—19. 662 K=0. 340 C-3.200, 19 460)~19.T21 K=0.340 (-3. 200, 19. 50D)---19. 7&1 K=0 840
图9运行计算界面与结果输出界面
由图可以看出理正岩土计算的的安全系数为
0.86，与有限元强度
折减法求得的安全系数0.84基本接近，这就说明有限元计算结果的 有效性。
说明 倾斜土层土坡穗定计算2
粘结强度 抗期訴
粘棗才
(kf»)
1
13. aoo 20.000
—
12D ODO
S 申值
12.3B0
* U *
SJ
重腹
dtH/ma) W
粘结强厦
OtFfc) 抗期訴
粘棗丈
ScPfc) L 3.00D
20.000
120 0D0
S 申值
12.3S0
呈本览直二匚卜面加肪
I 原点以上土层裁二1
—
用应斥土层数~
B 计算信导
滑动安全系数• 0.640
5.结论
有限元强度折减法不需要对滑动面的形状和位置进行假定，通过
强度折减达到边坡的不稳定状态时，非线性有限元计算不收敛，此时折减系数就是安全系数，同时可得到边坡破坏时的滑动面。
有限元强度折减法相对传统计算方法的优势；能够对具有复杂地貌，地质的边坡计算；考虑了土体非线性弹塑性本构关系，以及变形对应力的影响。