考慮實際初始地應力條件的邊坡穩定性研究

《考慮實際初始地應力條件的邊坡穩定性研究》是依託清華大學，由徐千軍擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：考慮實際初始地應力條件的邊坡穩定性研究
• 依託單位：清華大學
• 項目負責人：徐千軍
• 項目類別：面上項目

項目摘要

工程實踐表明，初始地應力條件對邊坡的穩定性影響很大，但在目前常用的極限平衡法（包括強度折減有限元法）中只能計入岩體自重、表面載荷和孔隙水壓的作用，不能考慮初始地應力這個關鍵的因素，而有限元仿真的方法又不能給出邊坡的整體安全係數。為此，本項目首先通過數值模擬和物理模型試驗等手段揭示初始地應力條件與邊坡穩定性之間的內在聯繫，探索不同地應力狀態下的破壞模式。在此基礎上，根據塑性力學的上限定理，嚴格地推導新的功能平衡方程，從而給出考慮初始地應力條件的邊坡穩定安全係數的計算方法。為了能夠在數值上加以實現，引入一種新的邊坡穩定上限分析方法- - 單元集成法。它採用單元格線離散邊坡計算區域，根據有限元仿真給出的初始地應力條件，從功能平衡方程中求解邊坡的整體安全係數。本項目提出的方法為研究初始地應力條件與邊坡穩定性之間的關係提供了一條有效的途徑。

結題摘要

在邊坡穩定性的研究中，傳統的極限平衡方法與近年來流行的強度參數折減有限元法都不能考慮初始地應力場的影響，通常只是考慮重力場、表面荷載以及地下水的作用。本項目旨在發展有效的數值分析方法，既能考慮地應力這個重要因素，又能對邊坡的穩定性直接給出工程師們最關心的安全係數。 本項目首先在邊坡穩定分析中引入了彈性補償法，通過有選擇性地調整材料的彈性模量來模擬極限狀態的應力分布，同時由相應的速度場獲得結構的上限載荷，最終經過疊代分別獲得結構的極限下限和上限載荷。我們找到了一個簡單而有效的途徑，線上彈性有限元算法的基礎上，以較小的計算代價實現了上述算法過程，而且還具有相當高的計算精度。通過對不同因素的考察，發現名義載荷和泊松比對計算結果的影響較大，並且名義載荷至少要比極限載荷大，才能使疊代計算很快地收斂於極限載荷。針對實際邊坡為岩土類介質和主要承受重力或初始地應力載荷的特點，我們推導了彈性補償法疊代過程中名義應力、等效應力、塑性耗散能、以及安全係數的表達式。同時，還實現了以強度折減步作為載入步的疊代算法。最終，通過彈性疊代直接求出邊坡穩定的安全係數。通過考察初始地應力的影響發現，隨著側壓力係數的增大，邊坡的安全係數逐漸變小。 本項目還基於塑性力學上限定理的理論框架，推導了考慮附加應力場的新的功－能平衡方程，並且發展和完善了單元集成法，統一地考慮遇水膨脹應力和地質構造應力對邊坡穩定的影響。它對膨脹土邊坡的超低安全性，對由小範圍局部滑動帶動並逐漸擴展而形成的漸進式淺層滑坡現象，以及對高地應力區一些水電工程的壩基和壩址岸坡開挖後出現的淺層破壞現象，可以用定量的計算結果（而不僅僅是靠概念性的分析）給出解釋。同時還發現，對乾濕循環條件下評價邊坡安全性的安定分析中，循環載荷部分所對應的純彈性應力場也可以納入這種改進的極限分析方法統一地實現。 我們還利用非線性有限元分析方法可以考慮初始地應力的特點，借用極限平衡的概念，給出了一個基於過載定義的安全係數。計算結果顯示，不同初始地應力狀態對安全係數的影響是不可忽略的。這從另外一個角度證實了本課題在立論時所提出的觀點。 為了探索初始地應力狀態對邊坡安全性的影響，本項目還研製了一套微波反射測量裝置，以求利用微波的反射特性進行應力測量。 本項目的研究，為評價初始地應力對邊坡穩定的影響提供了一種有效的途徑。