岩土应变软化分析及其在边坡工程中的应用

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岩土工程如边坡工程中岩土材料表现的应变软化问题是岩土力学的重点研究课题之一。应变软化本构应能准确反映岩体应变软化现象,针对应变软化边坡的稳定性评价需要考虑到材料的应变软化特性。本文针对有限差分法Flac3D中应变软化本构计算过程的不足和边坡稳定性评价中的问题,做了一些尝试性的研究。主要研究内容及结论如下:  一、阐述了岩体应变软化分析问题的研究意义,简要回顾了目前岩体应变软化问题、应变软化边坡渐进破坏及稳定性分析、矢量和法安全系数、基于离散元法的边坡稳定性分析、边坡下滑推力等方面的研究进展。针对目前岩体应变软化分析及边坡稳定性评价中存在的问题,提出了本文的主要研究内容。  二、介绍了Flac3D中自带的应变软化本构计算原理,接着分三种情况(常规应变软化,常规应变硬化,粘聚力弱化内摩擦角强化),分析了自带软化本构计算过程的潜在误差:对于常规应变软化,强度参数降低的比应该降低的慢;对于常规应变硬化,强度参数增加的比应该增加的快;对于黏聚力弱化内摩擦角强化,根据黏聚力及内摩擦角对屈服面的影响情况,误差有时与常规应变软化情况相同,有时则与常规应变硬化情况相同。对于常规应变软化和常规应变硬化,若某差分单元经历了一系列的拉伸或剪切屈服,各步的误差将会积累,总误差的大小有时可能大到不能忽略的地步。对于粘聚力弱化内摩擦角强化情况,总误差与复杂的软化过程有关,很难判定总误差是否可以忽略。为了改进目前Flac3D自带的应变软化本构,将脆塑性迭代逼近法(MBPM)引入到了Flac3D中,并通过编写MBPM本构的C++代码,生成DLL文件,在Flac3D中进行了实现。分别使用Flac3D原有的软化本构和改进的应变软化本构MBPM模拟了多组不同残余软化参数的应变软化边坡的破坏情况,结果验证了误差分析的结论,表明改进的软化本构MBPM避免了自带软化本构计算过程的缺点,结果更合理。  三、采用应变软化本构模型和矢量和法,提出了一种模拟应变软化边坡渐进性破坏过程的分析方法。该方法可得到应变软化边坡的坡体材料强度参数、滑面状态、稳定安全系数、边坡破坏状态的变化过程,据此可分析边坡的渐进破坏。采用所提方法对应变软化材料边坡算例进行了分析,并与3种极限平衡法进行了对比,结果表明:(1)滑面矢量和安全系数介于传统极限平衡法峰值安全系数与残余安全系数之间,滑面强度参数部分处于峰值状态、部分处于残余状态,弥补了传统极限平衡法不能得到真实的应变软化边坡安全系数的缺陷。(2)强度参数弱化的区域与边坡破坏区域位置一致,坡脚处滑面最先出现软化,随着塑性剪切破坏的发展,其由软化状态变为残余状态,邻近部分滑面开始出现新的软化,接着进入残余状态,边坡破坏由坡脚向坡项发展,随着这个过程的持续进行,边坡的渐进性破坏不断发展,边坡安全系数不断降低,直至渐进性破坏过程结束。(3)随着残余软化参数的增加,滑面位置逐渐变浅,矢量和法安全系数逐渐增加。该方法能够较好地分析边坡的渐进性破坏过程,具有较好的应用前景。  四、基于离散元方法,对获取的块体单元、节理的应力场处理后得到坡体整体应力场,结合矢量和法安全系数的定义提出了一种边坡稳定性分析方法即VSM-Udec法。首先通过滑块试验验证了多种情况下Udec接触应力计算和单元应力的精确性,结果表明,Udec接触应力和块体单元应力的精确程度很高(接触应力相对误差基本低于0.2%),能够满足矢量和安全系数计算要求。采用VSM-Udec法分别对直线型滑面和圆弧型滑面算例进行了分析,并与相应的理论解和严格极限平衡法(Morgenstern-Price法)进行了对比,结果表明,对于直线型滑面VSM-Udec法安全系数与理论解几乎相同,而对于圆弧型滑面该方法与极限平衡法结果基本一致。对一应变软化边坡算例分析表明,VSM-Udec方法能够合理地评价应变软化介质边坡的稳定性。最后将VSM-Udec法运用到锦屏I级水电站左岸边坡工程实例中,结果表明,假设块体为刚体时VSM-Udec法安全系数与极限平衡法(Sarma法、Morgenstern-Price法)结果吻合较好,此外,VSM-Udec法能够考虑坡体内结构面对稳定性的影响,较极限平衡法更能反映边坡的变形分布情况。鉴于Udec在模拟边坡破坏方面优点较多且矢量和法安全系数物理意义明确,VSM-Udec法有望在边坡稳定性分析中有较好的应用前景。  五、针对规范中不平衡推力法在实际工程应用的不合理现象,根据边坡抗滑稳定矢量和分析方法原理,提出了基于矢量分析的三维边坡矢量下滑推力计算方法,推导了三维边坡强度储备型和超载储备型矢量下滑推力表达式。编制了基于有限元(ABAQUS)应力场和差分法(Flac3D)应力场的三维边坡矢量下滑推力计算程序。单位厚度三维圆弧形滑面边坡算例的结果表明:矢量下滑推力方向受滑面倾角变化影响较剩余下滑推力小,矢量下滑推力在滑面不同位置处的变化比剩余下滑推力光滑,避免了剩余下滑推力精度受折线形滑面倾角变化影响过大的问题。三维非对称楔形体算例结果表明三维矢量下滑推力与对边坡稳定的已有认识保持一致。接着采用该方法对三维应变软化边坡的下滑推力进行了分析,结果表明,应变软化边坡的矢量下滑推力与常规边坡矢量下滑推力表现出相似的特征,但计算三维矢量下滑推力需要考虑材料的应变软化特性,仅使用峰值或残余强度参数会低估或高估边坡的矢量下滑推力。对于牵引式滑坡,三维矢量下滑推力不存在剩余下滑推理法中安全系数达到稳定但仍然存在较大的剩余下滑推力的矛盾。最后讨论了矢量下滑推力的潜在优势。
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