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公路顺层岩质边坡稳定及其影响因素分析

作　者: 陈鹏
导　师: 徐博侯
学　校: 浙江大学
专　业: 固体力学
关键词: 顺层岩质边坡有限元强度折减法稳定影响因素屈服准则敏感性分析可靠度分析
分类号: U416.14
类　型: 博士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

本文以公路顺层岩质边坡为研究对象,采用有限元强度折减法、极限平衡法、敏感性分析的单因素法和正交设计法、可靠度分析的一次二阶矩法和响应面法等,针对边坡溉化模型和工程实例,进行了边坡稳定性、因素敏感性和可靠度等方面的研究。在边坡稳定性计算方面,量化分析了由通用有限元程序与传统极限平衡法得到的安全系数结果差异,以及参数选取对有限元计算结果的影响,提出并验证了一种在DP系列准则间进行安全系数转换的新方法和基于内摩擦角取值点的D-P系列准则与M-C准则的匹配方法；在因素敏感性分析中提出了采用参数的增量来分析层状边坡的思路,验证了方差分析法在边坡敏感性分析中的适用性；在边坡可靠度分析中提出了与因素敏感性分析相结合的思路,对因素敏感性在边坡可靠度分析中的应用开展了研究,并给出了可供工程设计参考的建议；根据模型计算以及工程实例分析,提出了防护设计的原则。主要内容和研究成果有：通过对具一组贯通软弱结构面的顺层岩质边坡有限元计算模型的分析表明,边坡坡度陡于岩层倾角、存在临空面时对稳定不利,安全系数随边坡高度的增加而降低；坡顶荷载对边坡稳定性的影响跟其与潜在滑动面的相对位置以及荷载大小有关；挡墙和锚杆通过对塑性区贯通带的阻截使塑性区转移到更薄弱的结构面,从而提高安全系数,但锚杆必须贯穿塑性区才能发挥作用。应用通用有限元程序计算公路顺层岩质边坡安全系数时,其计算结果偏于不安全,基于外接圆屈服准则的有限元计算结果比基于莫尔-库仑准则的极限平衡法计算结果平均高约22%。在有限元计算中,忽略剪胀角的计算结果较为保守；采用关联流动法则时的塑性区分布范围比非关联流动法则时明显缩小；杨氏模量和泊松比取值对边坡稳定安全系数计算结果几乎没影响,但模量下调将使边坡的位移增加,泊松比变小将使塑性区分布范围扩大。D-P系列准则与M-C准则的研究表明,在基于系列DP准则的边坡稳定安全系数有限元计算中,可以用π平面上D-P系列准则半径之比进行边坡稳定安全系数转换；当D-P系列准则与M-C准则进行匹配时,传统的方法多从“平均”角度出发,对于具体边坡,从“平均”意义得出的匹配结论可能有较大偏差；本文提出了新的方法,只需将不同内摩擦角φ值时DP1准则和M-C准则计算得到的安全系数比值数据曲线,加入内摩擦角～系列DP准则半径比值的二维空间,通过比较各曲线在相应φ值的竖向截距即可得到最佳匹配准则,该法对具体边坡更具针对性,结果也更为准确。均质边坡进行敏感性分析时可以直接取参数的不同水平值,由多层岩体组成的顺层岩质边坡,在敏感性分析考虑因素水平时,提出了采用参数增量的分析思路。通过单因素分析法、极差分析法和方差分析法的比较表明,三种敏感性分析法得出的结论基本一致,但方差分析法的分析效果最优。基于因素敏感性的可靠度分析表明,敏感性较大的因素,不管是强度参数或者几何参数,若存在一定的变异性,在可靠度分析中都不应忽视,否则将对结果产生重大影响；在边坡可靠度分析中以敏感性较大的因素作为随机变量时的破坏概率大,在边坡可靠度分析前首先确定各个稳定影响因素的敏感性排序,再根据实际参数的变异性选取随机变量进行分析,结果往往更加合理；边坡可靠度求解结合参数敏感性分析,不仅对最终的计算结果影响很大,而且从某种程度上也关系到计算工作量和复杂程度,对于顺层岩质边坡等复杂边坡,合理地应用敏感性分析结果,剔除不敏感因素,可以使原本十分复杂的边坡可靠度求解变得相对简单。杭千高速公路建德段典型顺层滑坡的分析表明,公路顺层岩质边坡的形成要素可以归结为层状基岩、岩层的不利走向和产状、层间软弱夹层、临空面。边坡防护设计总体原则为“下挡上缓”,即加强下部支挡,根据岩层倾角合理设计边坡坡率,有条件时尽量放缓边坡并降低边坡高度,坡面需及时防护,坡顶有荷载时,需查明其与潜在滑动面的相对位置,当边坡放缓受限时,可根据实际情况采用工程措施加强防护

全文目录

摘要  4-6
ABSTRACT  6-13
第一章绪论  13-24
  1.1 研究背景及意义  13-14
    1.1.1 研究背景  13
    1.1.2 研究意义  13-14
  1.2 研究现状及存在问题  14-22
    1.2.1 边坡稳定极限平衡法研究概况  14-15
    1.2.2 边坡稳定有限元强度折减法研究概况  15-17
    1.2.3 边坡稳定因素敏感性分析研究概况  17-18
    1.2.4 边坡稳定可靠度分析研究概况  18-19
    1.2.5 顺层边坡稳定分析研究概况  19-22
  1.3 研究目标及主要研究内容  22-24
    1.3.1 研究目标  22
    1.3.2 主要研究内容  22-24
第二章边坡稳定的有限元分析法  24-44
  2.1 概述  24-25
  2.2 二维弹塑性有限元分析  25-26
  2.3 基于强度折减的有限元法  26-42
    2.3.1 安全系数的求解  26-27
    2.3.2 边坡整体失稳的判据  27
    2.3.3 边坡模型算例分析  27-35
    2.3.4 边坡工程算例分析  35-42
  2.4 本章小结  42-44
第三章 D-P系列准则与M-C准则匹配方法研究  44-55
  3.1 概述  44
  3.2 屈服准则  44-48
    3.2.1 Mohr-Coulomb准则  44-45
    3.2.2 Drucker-Prager准则  45-47
    3.2.3 各屈服准则之间的参数关系  47-48
  3.3 各D-P系列准则间安全系数转换  48-52
    3.3.1 D-P系列准则的规律分析  50-51
    3.3.2 D-P系列准则与M-C准则的匹配  51-52
  3.4 算例分析  52-54
    3.4.1 有限元模型建立  52-53
    3.4.2 安全系数计算结果  53
    3.4.3 屈服准则的匹配  53-54
  3.5 本章小结  54-55
第四章边坡稳定因素敏感性分析及其方法适用性研究  55-75
  4.1 概述  55
  4.2 边坡敏感性分析基本方法  55-59
    4.2.1 单因素分析法  55-56
    4.2.2 多因素分析法(正交试验设计法)  56-59
  4.3 典型顺层滑坡的因素敏感性分析  59-62
    4.3.1 滑坡概况  59
    4.3.2 滑坡稳定影响因素敏感性分析  59-62
    4.3.3 滑坡敏感性分析结论与认识  62
  4.4 敏感性分析方法适用性研究  62-74
    4.4.1 均匀介质边坡算例  62-70
    4.4.2 层状边坡工程算例  70-74
  4.5 本章小结  74-75
第五章基于因素敏感性的边坡稳定可靠度分析  75-96
  5.1 概述  75
  5.2 结构可靠度分析的基本原理  75-79
    5.2.1 结构的极限状态及其函数  75-77
    5.2.2 结构的失效概率与可靠度指标  77-79
  5.3 结构可靠度分析的基本方法  79-86
    5.3.1 蒙特卡洛方法  79
    5.3.2 一次二阶矩法  79-83
    5.3.3 Rosenblueth方法  83-85
    5.3.4 响应面方法(RSM)  85-86
  5.4 因素敏感性对可靠度分析结果的影响  86-90
    5.4.1 参数变异系数对可靠度指标的影响  87-89
    5.4.2 不同敏感性参数组合下的可靠度分析  89-90
  5.5 因素敏感性在简化可靠度计算方面的作用  90-94
    5.5.1 平面滑动边坡  90-92
    5.5.2 顺层滑动边坡  92-94
  5.6 本章小结  94-96
第六章工程实例  96-116
  6.1 概述  96-97
  6.2 杭千高速公路滑坡总体情况  97-100
    6.2.1 地质概况  97
    6.2.2 主要不良工程地质问题  97-100
    6.2.3 不良工程地质问题处理措施  100
  6.3 杭千高速公路K77+120～K77+270左侧滑坡  100-113
    6.3.1 滑坡概况  100-101
    6.3.2 滑坡工程地质  101-104
    6.3.3 滑坡特征及规模  104
    6.3.4 滑坡形成机理分析  104-105
    6.3.5 滑坡稳定性计算分析与评价  105-112
    6.3.6 边坡加固治理方案  112-113
    6.3.7 边坡监测  113
  6.4 本章小结  113-116
第七章结论与展望  116-119
  7.1 结论  116-118
  7.2 下一步工作展望  118-119
参考文献  119-129
附录边坡稳定分析的极限平衡法  129-136
致谢  136-137
作者简历  137-138
攻读博士学位期间发表(录用）的主要论文  138
攻读博士学位期间其他科研成果  138

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