边坡稳定性上限分析方法及参数反演研究

【摘要】边坡稳定性问题是交通工程中常遇到的问题,如何对边坡进行准确的安全评价是岩土工程师们关注的问题。常用的边坡稳定性分析方法有极限平衡法,有限元法以及极限分析法。极限分析法通过构建机动容许的速度场以及静力平衡的应力场,对边坡的荷载或者临界高度的上下限进行求解。理论基础严密,推导过程严谨。尤其对于求解边坡的三维稳定性问题,在一些情况下不需要一样建立大量静力平衡方程组,大大简化了求解过程。本文在极限分析上限定理的基础上,对边坡的强度参数反演,以及二维与三维条件下的稳定性等一系列问题进行了研究。本文的具体研究内容如下：(1)阐述了边坡临界滑动面的深度与边坡强度参数之间的关系。结合强度折减法与极限分析上限定理,通过对土体强度指标进行折减,求得临界滑动面的方程以及深度计算公式。将边坡深度作为反演依据,对普通土质,岩质边坡的c/tanφ以及GSI进行了反演。并研究了地震荷载下折线土坡的参数反演问题。(2)利用极限分析上限定理,构建了长大边坡的机动速度场。推导了其外部功率与内部能量耗散方程,将长大边坡的稳定性问题转变为非线性规划问题,给出了该问题的约束条件。研究了分层长大边坡的稳定系数随土层厚度及强度的变化规律,并将该速度场应用于地下连续墙的泥浆槽壁的局部稳定性分析,讨论了泥浆槽壁局部安全系数的变化规律。(3)利用“牛角形”三维破坏机构,构建了长大边坡的机动速度场,得到一般长大边坡的三维稳定性系数。在此基础上,推导了考虑边坡破坏体体积应变的内能耗散方程,得到了发生体应变时的长大边坡三维稳定系数。在水平地震力作用下,分析了滑动面通过坡趾前方的纯黏性及一般折线边坡的三维稳定性,在求得其重力功率,地震力功率以及内能耗散的基础上,分析了折线边坡的稳定性系数随边坡宽度,内摩擦角等参数的变化规律。(4)在球形破坏机构下,计算了纯黏土长大边坡破坏时的内外能量耗散,并对水平地震力,以及存在深度及宽度约束条件时的安全系数表达式进行了推导,研究了该机构下纯黏性泥浆槽壁的局部稳定性。在此基础上,提出了一种三维破坏机构,用以分析一般长大边坡的三维稳定性。推导了该机构的外力功率及内能耗散的泛函计算公式,并提出一种近似的数值计算方法,以避免复杂的泛函计算。利用新的破坏机构及数值算法,计算当滑动体与坡面交线为抛物线时的边坡临界高度,并与“牛角形”机构的结果进行了比较。(5)利用离散技术,对非均质边坡的二维上限分析进行了研究。给出了该方法下边坡破坏机构的构建方法,并与传统的解析方法进行了比较。在证明该方法的有效性后,推导了单元土体的重力功率以及内能耗散公式,并给出了坡顶极限荷载及边坡临界高度的计算方法。利用FLAC软件,计算了层状边坡的临界破坏面以及安全系数。将数值模拟的结果与离散法的结果进行比较,表明离散方法能够适用于非均质边坡的上限分析。(6)根据绥江县新址场平C区边坡工程以及开化县205国道某边坡工程,利用长大边坡的二维及三维稳定分析方法,对实际边坡的安全系数及临界高度进行了计算。结果表明本文提出的上限分析方法对于长大边坡稳定性分析是可靠和有效的。图115幅,表16个,参考文
【作者】孙志彬；
【导师】杨小礼；
【作者基本信息】中南大学，交通运输工程，2013，博士
【关键词】边坡工程；上限定理；参数反演；长大边坡；三维稳定性；破坏机构；临界高度；离散技术；非均质边坡；

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