用有限元强度折减法进行边坡稳定分析

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1、万方数据20112年10月中国工程科学Oct．2002篁!童篁!!塑垦!!!!!!!!堡!!壅!竺!坐：!型!：!!研究报告用有限元强度折减法进行边坡稳定分析郑颖人，赵尚毅，张鲁渝(后勤工程学院军事土木工程系，重庚400041)[摘要】通过对边坡非线性有限元模型进行强度折减，使边坡达到不稳定状态时，非线性有限元静力计算将不收敛．此时的折减系数就是稳定安全系数，同时可得到边坡破坏时的滑动面。传统条分法无法扶得岩质边坡的滑动面与稳定安全系数，该方法开创了求岩质边坡滑动面与稳定安全系数的先例。文章对此法的计算精度以及影响因素进行了分析。算例

2、表明采用摩尔库仑等面积圆屈服准则求得的稳定安全系数与简化Bishop法的涅差为3％～8％，与Spencer法的误差为1％一4％，证实了其实用于工程的可行性。[关键词]边坡稳定分析；有限元强度折减法；屈服准则[中围分类号】TU457[文献标识码】A[文章编号】10091742(,2002)100057051引言西部开发是我国实现地区平衡发展和可持续发展的重大战略举措。然而，我国西部地区山高坡陡、沟壑纵横，城市建筑依山而立，公路、铁路翻山越岭，复杂多变的地形地貌决定了我国西部开发将面f躏大量滑(边)坡工程，滑坡与边坡事故日益增多。例如20

3、01年，重庆市云阳县就发生两次大型滑坡，重庆市武隆边坡失稳坍塌造成79人死亡。重庆市近20年来累计发生地质灾害3．33万处，仅2000年就发生6371处，受灾19．33万人，倒塌房屋8．68万问，直接经济损失7．67亿元。重庆市已经成为地质灾害的重灾区，尤其是随着三峡库区蓄水和新兴城市的建设，有可能诱发更大的地质灾害，隐患无穷。现在，国务院已经决定拨款40亿元，用于三峡库区地质灾害治理，仅重庆三峡库区计划的地质灾害治理工程就有143个。频发的地质灾害以及大量灾害治理资金的投入，使得滑(边)坡稳定性问题成为西部开发中的热点与难点问题。边

4、坡稳定分析是经典土力学最早试图解决而至今仍未圆满解决的课题，各种稳定分析方法在国内外水平大致相当。对于均质土坡，传统方法主要有：极限平衡法、极限分析法和滑移线场法等。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、产状和特性等不连续结构面(比如层面、节理、裂隙、软弱夹层、岩脉和断层破碎带等)，给岩质边坡的稳定分析带来了巨大的困难。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。而目前的各种数值分

5、析方法，一般只是得出边坡应力、位移、塑性区，也无法得到边坡危险滑动面以及相应的安全系数。随着计算机技术的发展，尤其是岩土材料的非线性弹塑性有限元计算技术的发展，有限元强度折减法近来在国内外受到关注，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。笔者采用有限元强度折减法⋯1，对均质土坡进行了系统分析，证实了用于工程的可行性，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、【l

6、叟稿日期】20020610【作者简介]郢颖』、(1933)，男。浙江镇海市

7、人，中国工程院院士，后勤工程学院教授，博士生导师万方数据中国工程科学施T过程对边坡稳定忭的影响，可以考虑各种支挡结构与岩土材料的共同作用，为岩质边坡稳定分析开辟了新的途径，，2有限元强度折减系数法基本原理有限元强度折减系数法的基本原理是将坡体强度参数：粘聚力c和内摩擦角p值同时除以一个折减系数F。m得到一组新的c7、∞7值，然后作为新的资料参数输人．再进行试算，当计算不收敛时，对应的F。。I被称为坡体的最小稳定安全系数，此时坡体达到极限状态，发生剪切破坏，同时叮得到坡体的破坏滑动面。c’=(／Ftrial，P。=arctan(tan≯

8、／F1。】)3有限元强度折减系数法精度分析3．1屈服准则的选用安全系数大小与程序采用的屈服准则密切相关，不同的准则得出不同的安全系数。目前流行的大型有限元软件ANSYS，以及美国MSC公司的MARC、PA'I、RAN、NASTRAN均采用了广义米赛斯准则：F=a11+√J2=^，式中，。，J2分别为应力张量的第一不变量和应力偏张量的第二不变量。n、k是与岩土材料内摩擦角∞和内聚力r有关的常数，这是一个通用表达式，通过变换a、k的表达式就可以在有限元中实现不同的屈服准则，各准则的参数换算关系见表1。传统的极限平衡法采用摩尔一库仑准则，但

9、是由丁摩尔库仑准则的屈服面为不规则六角形截面的角锥体表面，存在尖顶和菱角，给数值计算带来困难。为了与传统方法进行比较，本文采用了徐干成、郑颖人(1990)提出的摩尔一库仑等面积圆屈服准则(1)p4)代替传统摩尔一库仑准则