有限元极限分析法在边坡中的应用

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—材料受力后变形，但可恢复.材料满足屈服准则，进入塑性。塑性状态—材料出现不可恢复的塑性变形材料满足破坏准则，材料分离破坏。破坏状态—目前尚无破坏准则，但材料整体破坏可采用极限分析法材料的受力过程一、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下滑力抗滑力sF边坡体的垂直条分法•2、有限元强度折减法1trialccF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。1arctan(tan)trialF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1.561.421.311.211.12极限平衡Spencer法1.551.411.301.201.12(DP5S)/S0.010.010.010.010.00两种算法安全系数比较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x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5、边坡分类与破坏特征(11类)类均质土边坡(可视、动态、定量)顺层边坡破坏特征示意图溃屈边坡破坏特征示意图双向顺层边坡破坏特征示意图三维楔形体边坡破坏特征示意图切层边坡破坏特征示意图倾倒边坡破坏特征示意图堆积层边坡破坏特征示意图岩土二元边坡破坏特征示意图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；2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抗力分布3、抗滑桩长度的确定目前设计中缺乏桩长设计a.桩长延伸到地面是否能确保边坡的稳定；b.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：7米9米11米安全系数:1.141.171.19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:1.191.191.23桩长:21米23米25米安全系数:1.251.291.34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(1)当试验加载到破坏，荷载相同(2)破坏面相同(3)沉埋桩顶上土体受力相同(4)桩上推力与分布相同(5)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%埋入式抗滑桩与全长抗滑桩的比较比值桩长缩短22m47.8%推力减少725KＮ／m16%弯矩减少123400KN.m36%节省费用1000万武隆滑坡图每个剖面上4排桩，3排为埋入式桩，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12052041169.2－15500461891.53加筋土挡墙方案23534046717.2－15000670571.42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（现行方法）宏观破坏现象经验分析监测（现行方法）位移监测数据监测分析定量（新方法）数值分析结果稳定分析五、建立地质灾害监测网络，提高预警预报水平，减少误报漏报变形阶段稳定状态弱变形状态强变形状态临滑状态安全系数＞1.101.10～1.051.04～1.021.0２～1.00现场观察指标边（滑）坡体及其上面的建筑物均无明显变形，无地裂缝主滑带剪应力超过其抗剪强度发生蠕动，裂缝逐渐扩大并使牵引段发生拉裂；边（滑）坡体无明显变形；边（滑）坡后缘地表或建筑物上出现一条或数条地裂缝，由断续分布而逐渐贯通；滑坡两侧、滑坡前缘均无明显变形或滑坡两侧出现羽状裂缝。坡体中上部出现下沉、下错等现象。主滑段和牵引段滑面形成，滑体沿其下滑推挤抗滑段，抗滑段滑带逐渐形成；坡体中、上部下沉并向前移动，下部受挤压而抬升，变松。后缘主拉裂缝贯通，加宽，外侧下错，并向两侧延长；边坡两侧中、上部有羽状裂缝出现并变宽，两侧剪切裂缝向抗滑段延伸；前缘地面有局部隆起，先出现平行滑动方向的放射状裂缝再出现垂直滑动方向的鼓胀裂缝，有时有坍塌，泉水增多或减少滑体开始整体向下滑移，重心逐渐降低；抗滑段滑面贯通，从地面剪出，整个滑动面贯通，滑坡整体滑移后缘裂缝增多，加宽，地面下陷，滑坡壁增高，建筑物倾斜；两侧裂缝与后缘张裂缝及前缘剪出口裂缝完全贯通，两侧壁出现；前缘坍塌明显，泉水增多并混浊，剪出口附近出现鼓丘建立全过程评价指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形破坏阶段弱变形状态强变形状态临滑状态监测数据指标位移逐渐增大，趋于等速，位移增大较快，由等速转向加速，位移与速度剧增,持续高速增长,0200400600800100012002009-2-62009-3-282009-5-172009-7-62009-8-252009-10-14观测日期水平位移量(mm)C1C2C3C4C5东14东15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02004006008001000120014005-85-226-56-197-37-177-318-14时间/d位移/mm1.081.051.031.02实测实测1.031.02张飞庙滑坡从位移值与曲线趋势看，安全系数1.031.08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。