有限元極限分析法在邊坡中的應用

1、有限元極限分析法在邊坡中的應用有限元極限分析法在邊坡中的應用重慶市地質災害防治工程技術研究中心重慶市地質災害防治工程技術研究中心中國人民解放軍后勤工程學院中國人民解放軍后勤工程學院 教授教授鄭穎人鄭穎人一、一、有限元極限分析法有限元極限分析法 經典極限分析法適用工程設計經典極限分析法適用工程設計 但需要事先知道破壞面，適應性差但需要事先知道破壞面，適應性差 有限元法適應性廣有限元法適應性廣, ,但無法算但無法算 安全系數(shù)安全系數(shù)有限元極限分析法有限元極限分析法, ,既適用于工程既適用于工程 設計設計, ,且適應性廣且適應性廣 特別適用于巖土工程設計特別適用于巖土工程設計（邊（邊( (滑滑) )

2、坡、地基、隧道）坡、地基、隧道）1 1、有限元極限分析法的原理有限元極限分析法的原理安全系數(shù)定義安全系數(shù)定義強度儲備安全系數(shù)強度儲備安全系數(shù) 下滑力抗滑力sF邊坡體的垂直條分法邊坡體的垂直條分法2 2、有限元強度折減法、有限元強度折減法1trialccF 有限元強度折減法有限元強度折減法不斷降低巖土不斷降低巖土C C、 值，直到破壞。值，直到破壞。自動生成破壞面，給出破壞信息。自動生成破壞面，給出破壞信息。1arctan(tan )trialF 強度降低，破壞面自動形成可求安全系數(shù)，還可求破壞面剪切應變增量云圖剪切應變增量云圖 a.a.滑面塑性區(qū)貫通滑面塑性區(qū)貫通b.b.滑動面上的位移與應變將

3、產生突變，滑動面上的位移與應變將產生突變，產生很大的且無限制的塑性流動產生很大的且無限制的塑性流動c.c.有限元計算都不收斂，采用力或位移有限元計算都不收斂，采用力或位移不收斂作為邊坡破壞判據(jù)不收斂作為邊坡破壞判據(jù)直線滑動面直線滑動面 3 3、有限元中邊坡、有限元中邊坡破壞的判據(jù)破壞的判據(jù)滑面上節(jié)點水平位移隨荷載的增加而發(fā)生突變滑面上節(jié)點水平位移隨荷載的增加而發(fā)生突變 兩兩安全安全系數(shù)系數(shù)比較比較1 1、具有兩組平行節(jié)理面的巖質邊坡、具有兩組平行節(jié)理面的巖質邊坡兩組方向不同的節(jié)理，第一組軟弱結構面傾兩組方向不同的節(jié)理，第一組軟弱結構面傾角角3030度，第二組軟弱結構面傾角度，第二組軟弱結構面傾

4、角7575度度. . 計算計算結果結果 首先貫通的滑動面首先貫通的滑動面 滑動面繼續(xù)發(fā)展滑動面繼續(xù)發(fā)展2. 巖土質二元邊坡穩(wěn)定分析結構面強度參數(shù)取結構面強度參數(shù)取c=10c=10、=20=20結構面強度參數(shù)取結構面強度參數(shù)取c= 30c= 30、=30=303巖質邊坡傾倒穩(wěn)定分析(離散元)結構面傾角結構面傾角強度折減系數(shù)強度折減系數(shù)1.301.30結構面傾角結構面傾角2 2，安全系數(shù)，安全系數(shù)1.961.96三維楔形體的計算 非對稱楔形體模型非對稱楔形體模型 非對稱楔形體計算非對稱楔形體計算 等效塑性應變圖等效塑性應變圖x有限元強度折減法安全系數(shù)為有限元強度折減法安全系數(shù)為1.601.60，用

5、理正巖土系列軟件計算安全系數(shù)為用理正巖土系列軟件計算安全系數(shù)為1.6361.636。兩者的計算誤差為兩者的計算誤差為2.2%2.2%。 4. 三維邊坡穩(wěn)定分析n5、邊坡分類與破壞特征、邊坡分類與破壞特征(11類類)n類均質土邊坡類均質土邊坡(可視、動態(tài)、定量可視、動態(tài)、定量)n 順層邊坡破壞特征示意圖順層邊坡破壞特征示意圖 n 潰屈邊坡破壞特征示意圖潰屈邊坡破壞特征示意圖 n雙向順層邊坡破壞特征示意圖雙向順層邊坡破壞特征示意圖n三維楔形體邊坡破壞特征示意圖三維楔形體邊坡破壞特征示意圖 n切層邊坡破壞特征示意圖切層邊坡破壞特征示意圖 n傾倒邊坡破壞特征示意圖傾倒邊坡破壞特征示意圖 n堆積層邊坡破

6、壞特征示意圖堆積層邊坡破壞特征示意圖 n巖土二元邊坡破壞特征示意圖巖土二元邊坡破壞特征示意圖 n軟巖擠出邊坡破壞特征示意圖軟巖擠出邊坡破壞特征示意圖 三、三、有限元極限分析法在抗滑樁有限元極限分析法在抗滑樁設計中的應用設計中的應用抗滑樁設計中存在的問題抗滑樁設計中存在的問題: :1 1、無法計算樁前抗力（假設為、無法計算樁前抗力（假設為0 0或剩余抗滑力）或剩余抗滑力）2 2、無法計算推力分布規(guī)律、無法計算推力分布規(guī)律3 3、不能進行樁長設計、不能進行樁長設計4 4、不能計算埋入式抗滑樁的推力與抗力、不能計算埋入式抗滑樁的推力與抗力5 5、不能計算多排抗滑樁與抗滑樁間距、不能計算多排抗滑樁與抗

7、滑樁間距1 1、滑坡推力與樁前抗力的計算滑坡推力與樁前抗力的計算 重慶市奉節(jié)縣內分界梁隧道滑坡，重慶市奉節(jié)縣內分界梁隧道滑坡，抗滑樁截面尺寸為抗滑樁截面尺寸為2.4m2.4m3.6m3.6m。 表表1 1 材料物理力學參數(shù)材料物理力學參數(shù)采用實體單元模擬或梁單元模擬樁采用實體單元模擬或梁單元模擬樁 不同方法滑坡推力與樁前抗力不同方法滑坡推力與樁前抗力1 1、三種算法，滑坡推力基本一致；、三種算法，滑坡推力基本一致；2 2、實體單元法與梁單元法抗力與實際推力、實體單元法與梁單元法抗力與實際推力 相近，不平衡推力法相差大；相近，不平衡推力法相差大；2 推力與抗力的分布規(guī)律推力與抗力的分布規(guī)律 n

8、計算機可顯示滑面以上樁后推力與樁計算機可顯示滑面以上樁后推力與樁前抗力的水平應力分布。前抗力的水平應力分布。 圖圖5 推力分布推力分布 圖圖6 抗力分布抗力分布3、抗滑樁長度的確定、抗滑樁長度的確定安全系數(shù)安全系數(shù)1.01.0 樁長：樁長： 7米米 9米米 11米米安全系數(shù)安全系數(shù): 1.14 1.17 1.19樁增長樁增長, 滑面升高、安全系數(shù)增加滑面升高、安全系數(shù)增加合理樁長合理樁長: 樁長安全系數(shù)大于設計安全系數(shù)樁長安全系數(shù)大于設計安全系數(shù)-設計要求設計要求安全系數(shù)安全系數(shù)1.15模型尺寸模型尺寸: 3.52.82.02米米模型樁長模型樁長: 2.2米米, 1.8米米, 1.5米米, 1

9、.2米米抗抗滑滑樁樁室室內內模模型型試試驗驗合理樁長的確定合理樁長的確定 斷地質剖面圖 樁長樁長24m24m，滑坡的穩(wěn)定性已達到設計安全要求，滑坡的穩(wěn)定性已達到設計安全要求 四、四、 有限元極限分析法在加筋土擋墻有限元極限分析法在加筋土擋墻應用應用, ,6060米高加筋土邊坡是重大突破米高加筋土邊坡是重大突破規(guī)范采用經驗法計算，坡高小于規(guī)范采用經驗法計算，坡高小于2020米米廣西河池機場節(jié)省廣西河池機場節(jié)省經費約六千萬經費約六千萬已穩(wěn)定三年已穩(wěn)定三年邊坡剖面示意圖邊坡剖面示意圖跑道總長為跑道總長為3800米米 土工格柵示意圖土工格柵示意圖 加筋土擋墻與原方案工程費用對比表加筋土擋墻與原方案工程費用對比表 土地價格土地價格100萬元萬元/畝，土方的單價取畝，土方的單價取10元元/m3 加筋土與樁聯(lián)合支擋方案示意圖加筋土與樁聯(lián)合支擋方案示意圖邊坡高邊坡高75m75m，加筋土高，加筋土高50m50m，樁懸臂長樁懸臂長25m(25m(正在施工正在