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交变孔隙水压条件下边坡的安定性研究

作　者: 陆杨
导　师: 徐千军
学　校: 清华大学
专　业: 水利工程
关键词: 边坡稳定地下水单元集成法安定分析膨胀性软岩
分类号: TU46
类　型: 硕士论文
年　份: 2005年
下　载: 152次
引　用: 2次
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内容摘要

边坡除了受到恒定的重力作用以外,地下水的作用对其稳定性通常也是一个不能忽视的因素。而由于降雨等原因,地下水位往往会在一定范围内往复变化,使得在稳定的地下水位以上的部分岩土体经常处于干湿交替的状态。这对边坡的长期稳定性十分不利。人们常用的极限平衡和极限分析方法只适用于比例加载,应用于交变载荷条件,不仅在理论上缺乏完备的依据,而且可能会高估边坡滑动的安全性。一个突出的例子是膨胀土边坡,用常规极限方法对膨胀土边坡进行设计而失败的例子并不罕见。另一方面,每个地区的降雨等天气过程都具有一定的随机性,因而地下水的运移规律也有一定的不确定性,人们最多只能得到地下水位的变化范围。利用非线性弹塑性有限元方法来研究土坡的渐进性破坏不仅会遇到本构模型上的困难,其载荷条件往往也很难合理地描述。为此,本课题采用塑性力学的安定分析方法对干湿交替条件下边坡的长期安全性进行研究。所完成的工作和取得的研究成果主要包括:1.将强形式机动安定定理引入交变孔压条件下的边坡安定分析。以孔压为变化因素研究边坡的安定性,目前尚未见到其它相关文献。为了避免机动安定定理对时间积分的困难,本文采用强形式的机动安定定理,并开发了相应的程序。这大大简化了安定上限分析的难度和计算量,对在岩土结构中推广安定分析是一个有益的尝试。2.提出边坡稳定极限分析的单元集成法。单元集成法采取单元网格划分模式,应用塑性力学上限定理,从变形协调条件出发,通过构造不同的滑块形式建立机动许可的速度场,根据外力功率和内能耗散率相平衡的原理确定安全系数。通过优化速度场,得到最小的上限安全系数。单元集成法兼具有限单元法与极限平衡条分法的优点,为采用塑性力学上限定理来分析边坡的稳定性提供了一种通用性较强的手段。3.分析比较影响边坡安定的各项因素。通过大量的极限与安定性数值分析,深入、系统地研究了各种水位变化范围、材料参数、边坡角、滑裂面形状、滑动模式对边坡的极限与安定安全系数的影响。给出了一系列极限与安定安全系数曲线,为边坡的安全评定提供了一定的理论和设计依据。4.采用安定分析定量地评价膨胀性软岩边坡的长期稳定性。将安定分析方法应用于交变孔压条件下的膨胀性软岩边坡长期稳定性的评价,所得到的安定安全系数与最不利水位条件下的极限安全系数相比已经产生了颠覆性的变化。这从理论上初步解释了为什么坡度很小的膨胀土边坡不能长久地维持稳定。

全文目录

摘要  2-3
ABSTRACT  3-10
第1章绪论  10-17
  1.1 引言  10-15
    1.1.1 岩土工程中的安定性问题  10
    1.1.2 地下水压力对边坡稳定性的影响  10-15
      1.1.2.1 地下水压力及其在边坡破坏中的作用  11-12
      1.1.2.2 地下水压力的分布变化与确定  12-13
      1.1.2.3 交变孔隙水压力反复作用下的边坡稳定性  13-15
  1.2 课题的提出和研究意义  15
  1.3 论文的研究内容  15-17
第2章边坡稳定性分析及安定分析文献综述  17-40
  2.1 本章引论  17
  2.2 边坡稳定分析方法的理论基础  17-19
  2.3 边坡稳定安全系数  19
  2.4 边坡稳定分析常用方法  19-26
    2.4.1 极限平衡法  19-21
    2.4.2 极限分析法  21-23
      2.4.2.1 边坡稳定分析的塑性力学下限定理  21-22
      2.4.2.2 边坡稳定分析的塑性力学上限定理  22-23
    2.4.3 强度折减弹塑性有限单元分析法  23-24
    2.4.4 上、下限有限单元加数学规划法  24-25
    2.4.5 滑移线法  25-26
  2.5 固体力学塑性安定分析方法的研究现状  26-38
    2.5.1 安定定理在结构方面的应用  28-31
    2.5.2 安定定理在岩土方面的应用  31-34
    2.5.3 经典安定理论的发展  34-38
      2.5.3.1 温度效应  34
      2.5.3.2 几何非线性效应  34-35
      2.5.3.3 应变强化效应  35
      2.5.3.4 动力安定性  35-37
      2.5.3.5 有限变形的安定理论和变形界限方法  37-38
  2.6 本章小结  38-40
第3章安定理论的基本概念  40-55
  3.1 循环加载方式  40-43
  3.2 安定理论的数学描述  43-45
  3.3 经典安定定理  45-51
    3.3.1 静力安定定理  45-47
    3.3.2 机动安定定理  47-51
  3.4 安定定理和极限定理之间的关系  51-53
  3.5 非循环加载方案  53-54
  3.6 本章小结  54-55
第4章边坡稳定分析的单元集成法  55-64
  4.1 本章引论  55-56
  4.2 单元集成法的基本思想  56-59
  4.3 单元集成法与条分法的不同点  59
  4.4 单元集成法边坡塑性极限分析的程序实现  59-63
    4.4.1 对滑裂面的描述(假定滑动模式)  59-60
    4.4.2 对孔隙水压力的处理  60-61
    4.4.3 搜索最小安全系数和临界滑裂面的优化方法  61
    4.4.4 单元集成法边坡极限分析程序介绍  61-63
  4.5 单元集成法边坡极限分析数值算例  63
  4.6 本章小结  63-64
第5章强形式机动安定定理及其在边坡稳定分析中的应用  64-70
  5.1 本章引论  64
  5.2 机动安定定理的强形式  64-66
  5.3 强形式的机动安定定理应用于土质边坡稳定分析  66-67
  5.4 边坡安定极限分析程序的实现  67-69
  5.5 本章小结  69-70
第6章边坡安定、极限分析数值算例与结果分析  70-90
  6.1 本章引论  70
  6.2 直立边坡验证  70-71
  6.3 与其他分析方法的算例比较  71-77
    6.3.1 算例1:二维均质边坡1  71-72
    6.3.2 算例2:二维均质边坡2  72-74
    6.3.3 算例3:二维非均质边坡  74-77
  6.4 滑裂面通过斜边坡坡趾的滑动模式  77-85
    6.4.1 摩擦角φ,边坡角β对安定安全系数的影响  78-80
    6.4.2 变载的变化幅度(水位变化范围)对安定安全系数的影响  80-81
    6.4.3 同等条件下安定与极限安全系数比较  81-84
    6.4.4 滑裂面形式对安定和极限安全系数的影响  84-85
  6.5 滑裂面通过坡趾下方的滑动模式  85-89
  6.6 计算结果评价  89
  6.7 本章小结  89-90
第7章膨胀性软岩边坡的安定性评价  90-97
  7.1 本章引论  90
  7.2 膨胀性软岩的膨胀机制  90-91
  7.3 滑坡机理和破坏特征  91-92
  7.4 用强形式安定上限定理分析膨胀性软岩边坡稳定性  92-95
    7.4.1 算例1:膨胀性软岩直立边坡  93-94
    7.4.2 算例2:膨胀性软岩斜边坡  94-95
  7.5 本章小结  95-97
第8章结论与展望  97-101
  8.1 全文研究总结  97-99
  8.2 工作展望  99-101
参考文献  101-106
致谢  106
声明  106-107
个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果  107

交变孔隙水压条件下边坡的安定性研究

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