郑颖人：有限元极限分析法在边坡与 隧道工程中的应用.ppt

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1、有限元极限分析法在边坡与隧道工程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岩土材料的受力破坏过程分析屈服不是破坏，屈服是一个过程破坏要通过塑性发展，材料内部出现损伤，逐渐达到破坏弹性------塑性------破坏屈服准则破坏准则(弹性极限)(塑性极限)一、有限元极限分析法介绍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）有限元极限分析法的原理两种安全系数定义强度储备安全系

2、数边坡体的垂直条分和受力分析超载安全系数两种有限元极限分析法有限元强度折减法不断降低岩土C、值，边降边算，直到破坏。自动生成破坏面，给出破坏信息。强度降低的倍数即为安全系数有限元增量加载法（超载法）不断增加荷载，直到破坏。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二、边（滑）坡的分类与破坏机理（共11种）要求分类可视、动态、定量，而与工程地质分类不同。按物质种类分为土质边坡、岩质边坡和岩土混合边坡三类；按坡体的构造特征可分为：类均质边坡、层状边坡（顺层和反倾层边坡）和软硬互层边坡三类。2.1各类边坡的变形破坏特征与滑动面

3、形态一级分类二级分类变形破坏特征滑动面形态类均质边坡土质边坡旋转滑动圆弧型滑面碎裂散体岩石边坡土质边坡算例有限元单元网格划分（坡角）3035404550DP11.911.741.621.501.41DP31.641.491.381.271.19DP5非关联流动法则1.561.421.311.211.12极限平衡Spencer法1.551.411.301.201.12(DP1S)/S0.230.230.250.250.26(DP3S)/S0.050.060.060.060.06(DP5S)/S0.010.010.010.010.00关联流动法

4、则下不同准则条件下的安全系数层状边坡顺倾层状边坡顺层边坡顺层滑动直线型滑面屈曲边坡屈曲破坏折线型滑面具有两组平行节理面的岩质边坡两组方向不同的节理，贯通率100%，第一组软弱结构面倾角30度，平均间距10m，第二组软弱结构面倾角75度，平均间距10m.计算结果计算方法安全系数有限元法（外接圆屈服准则）1.49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层状边坡顺倾层状边坡双向顺层边坡顺层滑动,后部拉裂锯齿状滑面三维楔形体边坡楔形体滑动楔形体滑面岩质边坡倾倒稳定分析(离散元)结构面倾角30

5、°安全系数1.30结构面倾角2０°安全系数1.96软硬互层边坡2.2抗滑桩的有限元极限分析法采用传统计算方法，抗滑桩许多情况都无法计算。1、抗滑桩推力分布无法计算，要假设为矩形、梯形、三角形等；2、多排桩也无法计算，现在是主观估计；3、目前只能计算桩的截面尺寸，无法计算桩长。桩长伸到地面是否就安全了，不一定，坡体有可能从桩顶滑出。桩长缩短近一半，行不行，现在看来也行，目前的做法造成很大浪费。滑坡推力与桩前抗力的计算重庆市奉节县内分界梁隧道出口处滑坡Ⅰ-Ⅰ断面，抗滑桩的截面尺寸为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

6、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表2不同方法的滑坡推力与桩前抗力方法滑坡推力桩前抗力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；3、推荐采用实体单元法。推力与抗力的分布规律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

7、布2.3埋入式桩的设计计算抗滑桩合理桩长的确定桩长设计存在的问题：(1)桩长延伸到地面是否能确保边坡的稳定；(2)桩长延伸到地面是否必要会不会造成浪费。(3)桩长设计保证土不从桩顶滑出桩长与滑面的关系算例安全系数1.02桩长变化与滑动面的位置（桩位于公路上方）桩长为7，9m时，滑动面通过桩顶并经剪出口滑出；桩长为11，13，15，17m时形成次级滑动面，沿次级滑动面在公路内侧滑出；桩长大于17m~25m时，滑动面沿桩顶滑出，安全系数增大随桩长增长，滑动面逐渐上移。桩的长度与滑坡体安全系数的相互关系桩长与稳定安全系数有关，桩长变短，滑动面不断下移

8、，桩长稳定安全系数逐渐降低，容易从桩顶滑出当稳定安全系数低于设计中规定的安全系数时，桩的安全储备不足桩长稳定安全系数达到设计规定安全系数