考虑渐进破坏特性的黄土边坡稳定性矢量和分析法研究

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黄土广泛分布于我国的中部及西北地区,而在我国西部大开发战略的指导下,水利工程、公路工程、铁路工程愈来愈多,所以在修建这些工程时不免会遇到很多黄土边坡工程。这些边坡的失稳往往呈现出渐进破坏的特性,会给人民生命财产和国家经济建设造成严重的损失,因此了解清楚黄土边坡的渐进破坏机理,提出考虑渐进破坏特性的黄土边坡稳定性分析方法,对于黄土边坡稳定性的评价及滑坡预测具有重要的意义。本文以矢量和分析法为主线,提出了考虑渐进破坏特性的边坡稳定性矢量和分析方法,在此框架下,考虑结构性黄土边坡的特殊性,提出了开挖卸荷作用下和水致结构性劣化条件下的结构性黄土边坡稳定性矢量和分析法,以上方法考虑了参数时空分布规律和下滑力与抗滑力的方向性,其合理性较传统方法有较大的提升。具体研究工作如下:(1)基于剪应变增量分布和滑面上材料强度参数的演化规律提出了考虑渐进破坏特性的边坡稳定性矢量和分析法;基于滑面上材料强度参数的空间分布规律提出等效处理方法,借助等效处理后的强度参数提出了考虑渐进破坏特性的边坡稳定性极限平衡分析法;将两种方法的对应成果进行对比分析,从而验证了考虑渐进破坏特性的边坡稳定性矢量和分析法的可靠性。基于此方法,建立了无需人工干预便可有效模拟及评价滑坡多级破坏的框架;以旬阳县党家坝廉租房小区滑坡为例,分别从塑性剪应变、塑性拉应变、剪切应变增量、材料参数和矢量和安全系数等变量的渐进性发展规律描述了滑坡多级滑动面的形成过程及相互影响;并且将计算结果与现场勘查结果进行对比分析,从而对该框架的可靠性进行了验证。(2)受边坡渐进破坏过程的启发,同时为了解决现有双折减系数法双折减系数的合理确定问题,以强度参数分布服从线性衰减假定为例,建立了粘聚力折减系数和内摩擦角折减系数之间的非等比例相关关系。为了在双安全系数的基础上评价边坡的整体安全储备,提出了以抗剪强度参数对抗滑力的贡献为权重的综合安全系数。将非等比例相关关系引入到传统的有限元强度折减法中,提出了有限元强度参数非等比例相关联折减法;为了验证此方法的合理性,将非等比例相关关系引入到简化的Bishop条分法中,提出了非等比例双安全系数Bishop条分法。结合算例,将两类边坡稳定性分析方法三种折减方式对应的计算结果进行对比分析,从而验证了有限元强度参数非等比例相关联折减法的合理性。通过与现有综合安全系数计算结果的对比分析,从而说明文中提出的综合安全系数不仅物理意义明确,而且具有较强的实用价值。(3)将黄土的初始结构性参数表达为含水率、围压的关系,将黄土结构性参数表达为初始结构性参数和广义剪应变的函数后引入到考虑Mohr-Coulomb强度准则的弹塑性模型中,借助ABAQUS软件的二次开发平台成功实现了考虑初始结构性参数的黄土边坡在开挖卸荷作用下发生渐进破坏的模拟方法;基于此模拟方法研究了开挖卸荷作用下不同重量含水量、不同模量放大倍数和开挖角度对应结构性黄土边坡的渐进破坏规律;基于此模拟方法的计算成果,分别提出了考虑初始结构性参数的黄土边坡稳定性矢量和分析法、极限平衡法和强度折减法。通过三种方法计算成果之间的相互对比分析,从而验证了考虑初始结构性参数的黄土边坡稳定性矢量和分析法的合理性及可靠性。(4)基于Fredlund双应力变量理论进行了非饱和非稳定渗流-应力耦合分析,将基质吸力对强度的贡献纳入粘聚力中,得到坡体强度参数的空间分布规律,进而基于滑面上强度参数的时空分布规律在Matlab平台下开发了非稳定渗流条件下非饱和土质边坡稳定性的矢量和法分析程序,从而初步形成了一套可以同时考虑渗流、变形与稳定的非饱和土质边坡稳定性矢量和分析法。以库水位下降条件下的土堤边坡稳定性分析为例,通过与现有方法进行对比,从而验证了非稳定渗流条件下非饱和土质边坡稳定性矢量和分析法的合理性。(5)以地下水位上升条件下结构性黄土边坡的稳定性分析为例,以边坡体内的动态渗流场为基础,在计算过程中根据水致结构性劣化方程动态刷新对应区域的土体变形参数和强度参数,根据各高斯积分点的坡降动态更新对应区域的渗透力。基于有效密度、弹性模量、泊松比、粘聚力、内摩擦角和渗透力的时空演化规律,采用体力法提出了基于参数时空演化规律的结构性黄土边坡稳定性矢量和分析法。通过与基于参数时空演化规律的结构性黄土边坡稳定极限平衡法(Bishop法)对应的计算成果进行对比分析,从而验证了基于参数时空演化规律的结构性黄土边坡稳定性矢量和分析法的合理性及可靠性。
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