强度折减有限元法研究开挖边坡的稳定性_连镇营
强度折减法在边坡稳定性分析中的运用
３ ． ００ ｛ １ ． ８０ ｌ １ Ｏ １ ０．５ ２
常 形 可 行挡土墙 的抗倾覆 和抗滑移验算时 ， 可将挡 土墙 和基 础作 为一个 要 ， 常 会 出现 一 些 形 状 复杂 ， 式 多 变 的结 构 ， 以采 用 有 限 元
整体 ， 假定为 刚体 ， 这时 可采 用传统方 法验算 ， 经验算均满 足规范 方法 对其进行分析 ， 工程 中挡土墙 的设 计就 是一 个例 子 ， 本 有限
（ ） 性。考虑到在非线性 弹 性有 限元分 析 中无法 根据 计算 是否 收敛 ２ 来判断边坡处 于极 限状态 ， 以通过绘制 边坡 内某 一特征点 的位 所
２ 强 度折 减法 破坏 准则
移（ 或位 移增量 ） 与折减系数 的关 系曲线来 确定 稳定系数的方法 。
１ 以数 值计算不收敛作 为边坡失稳 的标志 ： ） 采用解 的不收敛
１ 有 限元 强度 折减 法 的原 理
等效塑性应变 区确定滑动面位置 ， 并认 为此前 的折减系数 即为边
所谓强度折减 ， 是在 理想 弹塑性 有 限元计 算 中 ， 边坡 岩 坡 的 稳 定 系数 。 就 将 ３ 以位移增 幅为标 准 ： ａｅ 为边 坡破坏和算法 的不 收敛是 ） Ｌｎ认 土体抗剪切 强度参数 同时除 以折减 系数 Ｆ， 使其 逐 渐降低 ， 后 然
性作为破坏标准 ， 在指 定 的收敛 准则 下算法 不 能收敛 ， 示应 力 表 分布不能满足 ＭｏｒＣ ｕｏ ｈ—ｏ ｌ ｍｂ破 坏准则 和极 限平衡 要求 ， 味着 意
３ 算例 分 析
本文采用 ｇｏｌ ｅ ｅｓ ｐ 有限元分 析软件 中边坡 稳定 性分 析算例 ， ｏ
基于有限元强度折减法的滑坡稳定性分析
基于有限元强度折减法的滑坡稳定性分析滑坡稳定性分析基于有限元强度折减法是一种用于确定滑坡极限稳定性的重要方法。
它主要是通过在滑坡稳定性分析中应用有限元强度折减法，以折减破坏面的形状，计算滑坡受力情况，以及滑坡自重，物质特性及岩土的摩擦特性的数值计算，最终用分析结果来判断滑坡稳定发展的可能性，以确定滑坡稳定状态。
一、有限元强度折减法1、折减原理：有限元强度折减法是一种直接定位破坏面的方法，其原理是通过折减岩体的强度，来确定破坏开裂的面。
在有限元中，折减的本质就是改变模型的材料参数，找到一个最小的一组有限元强度折减设定，以便确定所需的破坏面。
2、折减边界：有限元强度折减法的折减边界就是要折减的破坏开裂的面。
尽管可以采用自然边界，但是最好采用与实际条件有关的先进边界。
二、滑坡受力情况1、岩土特征：滑坡稳定分析包括对岩土特性的计算，例如土壤材料的屈服强度、弹性模量和泊松比以及岩土体内强度、摩擦以及连接情况等，并结合岩土稳定性理论，评价土坡稳定性。
2、受力、物质特性：另外，还需要考虑滑坡体的受力和物质特性，这些元素包含滑坡自重、坡面上的重力、地形力以及雨水等，它们也是滑坡稳定性分析的重要组成部分。
三、岩土的摩擦特性1、析出摩擦角：在滑坡稳定性分析中，析出岩土的摩擦角是计算极限稳定性的重要标准之一。
通过有限元强度折减法分析，可以精准计算出滑体内岩土摩擦角，从而得到表征滑坡发展可能性的结果。
2、摩擦和静定：岩土的摩擦力可以通过契约定理分析求得，它是由滑体摩擦角和坡度决定的，其大小可以被表达为“摩擦-坡度”系数。
此外，只有当滑体内岩土摩擦角足够大时，滑坡才具有静定发展的可能性。
四、滑坡稳定状态1、岩体状态：滑坡稳定状态可以根据岩体状态来评价，只有当滑坡稳定发展时，才能保证滑坡体状态稳定；2、计算结果：通过有限元强度折减法分析，可以根据折减的结果计算出滑体的受力状况，确定极限稳定性；3、应变计算：此外，还需要通过应变计算和时变分析，来评价滑坡稳定状态的发展趋势。
基于有限元强度折减法对某矿山边坡的稳定性分析与思考
基于有限元强度折减法对某矿山边坡的稳定性分析与思考发布时间：2023-02-03T06:10:11.846Z 来源：《工程建设标准化》2022年9月18期作者：柳群荣[导读] 以某矿山边坡为工程背景，选取某露天矿山终了边坡VI-V′I剖面，建立的平面二维模型。
柳群荣中检集团康泰安全科技有限公司广东分公司 518000摘要：以某矿山边坡为工程背景，选取某露天矿山终了边坡VI-V′I剖面，建立的平面二维模型。
基于有限元强度折减法分别对自重工况、自重+爆破工况、自重+地震工况不同条件下采场边坡进行稳定性分析。
计算得到采终了边坡在自重工况条件下边坡安全系数Fs为1.59、自重+爆破工况条件下边坡安全系数Fs为1.55、自重+地震工况条件下边坡安全系数Fs为1.43，仍然处于较为稳定的状态。
关键词：边坡；有限元强度折减法；稳定性分析引言露天开采相对于地下开采具有资源回收率高、安全条件好、劳动效率高、生产规模大等优点，所以露天开采在采矿业界为最主要的开采方式之一。
而在露天矿山开采过程中边坡问题是影响安全生产的最主要问题。
边坡失稳导致的矿山安全事故频发，给矿山企业造成了大量人员、经济损失，所以开展边坡稳定性工作对矿山企业安全开采具有极其积极的意义[1]。
赵尚毅[2]通过建立非线性有限元模型来分析节理岩质边坡的稳定性，验证了有限元强度折减法在节理岩质边坡稳定性分析的可行性。
王旭[3]结合某匀质边坡实例，利有限元强度折减法进行矿山边坡安全系数计算。
通过对比不同参数对边坡安全系数结果的影响，结合可靠度和确定性的方法，计算边坡安全系数，为矿山滑坡风险的评估提供参考依据。
本文以某露天矿山终了边坡为例，基于有限元强度折减法对不同工况条件下终了边坡稳定性进行分析，通过比较不同工况条件下终了边坡的安全系数，确定边坡的稳定性，为矿企日常边坡管理提供参考。
1.模型选取某露天矿山终采矿区所形成的边坡主要为岩质边坡，矿区区域上的褶皱、断裂构造较发育。
有限元强度折减系数法计算土坡稳定安全系数的精度研究
有限元强度折减系数法计算土坡稳定安全系数的精度研究摘要：有限元强度折减系数法在边坡稳定分析中的应用正逐渐受到人们的重视。
本文较为全面地分析了土体屈服准则的种类、有限元法自身计算精度以及H(坡高)、β(坡角)、C(粘聚力)、Φ(摩擦角)对折减系数法计算精度的影响，并给出了提高计算精度的具体措施。
通过对106个算例的比较分析，表明折减系数法所得稳定安全系数比简化Bishop法平均高出约5.7%，且离散度极小，这不仅验证了文中所提措施的有效性，也说明了将折减系数法用于分析土质边坡稳定问题是可行的。
关键词：强度折减系数边坡稳定屈服准则误差分析自弗伦纽期于1927年提出圆弧滑动法以来，至今已出现数十种土坡稳定分析方法，有极限平衡法、极限分析法、有限元法等。
不少研究表明，各种方法所得稳定安全系数都比较接近，可以说，这些方法已经达到了相当高的精度。
近年来，由于计算机技术的长足发展，基于有限元的折减系数法在边坡稳定分析中的应用备受重视。
与极限平衡法相比，它不需要任何假设，便能够自动地求得任意形状的临界滑移面以及对应的最小安全系数，同时它还可以真实的反映坡体失稳及塑性区的开展过程。
到目前为止，已有很多学者对折减系数法进行了较为深入的研究[1,2,3]，并在一些算例中得到了与极限平衡法十分接近的结果。
但总体说来，此法仍未在工程界得到确认和推广，究其原因在于影响该法计算精度的因素很多，除了有限元法引入的误差外，还依赖于所选用的屈服准则。
此论文');">论文的目的有两点：(1)力图全面分析屈服条件和有限元法本身对折减系数法计算精度的影响，并提出应选用何种屈服准则以及提高有限元法计算精度的具体措施；(2)结合工程实例，分析对边坡稳定安全系数影响最大的4个主要参数(H坡高、β坡角、C粘聚力、Φ摩擦角)对折减系数法计算精度的影响。
从以往的计算结果来看，严格法(Spencer)所得稳定安全系数比简化Bishop法平均高出约2%～3%，而通过106个算例的比较分析，表明：折减系数法所得稳定安全系数比简化Bishop法平均高出约5.7%，且误差离散度极小，可以认为是正确的解答[4]。
基于有限元局部强度折减法和开挖卸荷对土岩边坡的稳定性分析
基于有限元局部强度折减法和开挖卸荷对土岩边坡的稳定性分
析
邓军华
【期刊名称】《人民珠江》
【年(卷),期】2017(038)009
【摘要】利用有限元局部强度折减法,对岩土混合型边坡进行稳定性分析,对坡体的上覆土体进行开挖卸荷,分析不同的开挖形式下上覆土体开挖卸荷后的坡体稳定性.对上覆土体分别进行坡率开挖和平行开挖,计算结果显示,按坡率开挖时,随着坡率的增加,坡体安全系数增加,按平行开挖时,开挖到一定方量后,上覆土体的开挖对坡体的稳定性没有影响.根据坡率开挖和平行开挖的两种开挖形式,从开挖量分析,对坡体上覆土体进行综合开挖卸荷,计算结果显示坡率为0.9:1的综合开挖形式对坡体的安全系数影响最大.对于岩土质边坡,土体的开挖卸荷形式对坡体的影响很大,可根据实际工程灵活运用.
【总页数】4页(P94-97)
【作者】邓军华
【作者单位】上饶市科信水利水电勘察设计咨询有限公司,江西安福334000
【正文语种】中文
【中图分类】TU457
【相关文献】
1.基于局部强度折减法的某水电站边坡稳定性分析 [J], 赵川;付成华
2.有限元局部强度折减法在反倾岩质库岸边坡中的应用 [J], 陈园
3.基于M-C与D-P屈服准则及局部强度折减法的边坡稳定性分析 [J], 廖敏;魏海;吴建森;王新;陶开云
4.基于有限元强度折减法的岩质边坡稳定性分析 [J], 李冬冬
5.基于局部强度折减法的非均质边坡稳定性分析 [J], 廖敏;谢意;陈阳;王荣和
因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
有限元强度折减法在边坡稳定性分析中的运用
山 西 建 筑
Ｓ ＡＮＸＩ ＡＲＣＨＩ ＥＣ Ｈ ｒ ＴＵＲＥ
Ｖｏ ． Ｎｏ． ５ １３７ １
Ｍａ ． ２ １ ｙ ０１
ห้องสมุดไป่ตู้
・５３ ・
文章 编 号 ：０ ９ ６ ２ （０ ）５ ０ ５ —２ １ ０ — ８ ５ ２ １ １－ ０ ３ ０ １
各 种 方法 均 有 其 适 用 的 范 围 、 点 和 不 足 ， 此 不 再 赘 述 。 优 在
目前 ， 求解边坡稳定 主要 用有 限元 法 ， 具体 为有 限元滑 面搜索 法
始 出 现 水 平 方 向 的 剪 应 力 ， 总 趋 势 是 由 内 向 外 增 多 ， 近 坡 脚 和 有 限元 强 度 折减 法 。 其 越 有 限 元 强 度折 减 法 已 经 在 边 坡 稳 定 分 析 中有 了 广 泛 的研 究 越高 ， 向坡 内逐渐恢复 到原始应力状 态。 ４ 其基本思想是 ， 先选取 初始折 减系数 ， 岩体强 度 Ｊ 首 将 ２ 在 坡 脚 逐 渐 形成 明 显 的 应 力 集 中 带 。边 坡 越 陡 ， 力 集 中 和运用 ． ， ） 应 将折减后 的参数作为 输入 ， 进行 有 限元计 算 ， 程 若 越严重 ， 最大最小 主应 力 的差 值也 越大 。此 外 ， 在边 坡下 边分 别 参数 进行 折减 ，
有 限 元强 度 折减 法 在 边 坡 稳 定性 分析 中 的运 用
钟 燕
摘 要 ： 究 了边坡 变形 破 坏 基 本 原 理 ， 研 通过 对 边坡 稳 定 性 分 析 方 法 的 分 析 比较 ， 出 了有 限元 强 度 折 减 法 的 应 用 ， 结 提 并
合 工程 实例 进 行 了说 明 ， 而 证 实 了该 方 法 的 实 用性 和 可行 性 。 进
开挖边坡变形和稳定性有限元分析
ｏ ｅｅ ｃｖ ｔ ｌｐ ｓｃｍｐ ｔ ｆｈ ｘ ａａｅ ｓ ｅｉ ｏ ｕｅ ｔ ｄ ｏ ｄ．Ｔ ｅｆｃ ｒ ｆ ａｅ ｆｈ ｌ ｅｉ ｓｌｅ ｙｕ ｉｇｓｅ ｒｓ ｅｇｈ ｒ— ｈ ａｔ ｆｔ ｏ ｅｓ ｐ ｓ ｏｖｄ ｂ ｓ ｈ ａ ｔ ｎ ｔ ｅ ｏｏｓ ｙ ｔ ｏ ｎ ｒ
Ｍ Ｎ ｉｇ ｉ Ｅ Ｇ Ｑｎ－ ｎ ｙ
（ ｅａｍ ｍ ｏ ｕ ａ ｃｉｅ ｍ ｎｇｍ ｎ ｏ ｉｈｒ ｉ ，Ｈ ｉｎｊｎ ｉ￣ １１０ ， ｈ ａ Ｄ ｐｒ ｅ ｒ ｎｆ ｉｉ ａａｅ ｅｔ ｆ ｑ ａ ｔ ｅｏｇａｇ ｑ ｔ ｆ ｂ ａｌ ｓ ｔ Ｑ ｉ ｃ ｙ ｌ ｉ Ｑ ｉ ６０５ Ｃ ｉ ） ｎ
Ａ ｓ ａｔＴ ｅＦｎ ｅ ｌ ｅｔＭｅ ｏ Ｆ Ｍ） ｓｍ ｌｅ ｍ ｌ ｅ ｘａａ ｏ ｏｅ Ｔ ｅ ｅ ｒ ａｏ ｂｔ ｃ：ｈ ｉ ｔ Ｅｅ ｎ ｔ ｄ（Ｅ ｒ ｉ ｍ ｓ ｈ ｉ ｉｐ ｒｄｔ ｓ ｕ ｔ ｅｃｖｔ ｎｏ ｓ ｐ ． ｈ ｆ ｍ ｔ ｎ ｏ ｏ ｉ ａ ｉ ｆｌ ｄｏ ｉ
第 ２卷 第 ３ ７ 期 ２１年 ９ ００ 月
基于Plaxis强度折减法的开挖边坡稳定分析
基于Plaxis强度折减法的开挖边坡稳定分析吴丽君【摘要】The paper adopts the Plaxis finite element software, simulates the two consolidation methods for the slopes without support by applying the finite element strength reduction method and the adoption of the prestressed anchor cable consolidation, and proves by the simulation result that the safe coefficient of the slopes without support is less than 1 with worse stability, so it can not meet the requirement of the regulation ; its safe coefficient is strengthened 'after the prestressed anchor cable consolidation is adopted and the slope stability increases when the potential slipping surface of the slope move towards to lower layers from the superficial weathering rock, and compares the accuracy of the calculated structures, and its error is within 2 percent, compared with structure of the limit equilibrium Bishop method, illustrates the potential hazardous slip surface is consistent with shape and the locations, and proves its correctness and the engineering application value.%利用Plaxis 有限元软件,针对某开挖高边坡地质地形特征,采用有限元强度折减法对边坡无支护的情况和采用预应力锚索加固两种方案进行了模拟,模拟结果表明,无支护边坡其安全系数小于1,稳定性较差,无法满足规范要求;采用预应力锚索加固后,安全系数增加,且边坡潜在滑裂面从浅层风化岩体向下部岩体移动,边坡稳定性增加。
边坡稳定性评价方法综述
边坡稳定性评价方法综述摘要：随着岩土工程技术的进步，涌现了许多新的边坡稳定性分析方法，本文梳理了常见的边坡稳定性分析方法，分析与归纳各类评价方法的优缺点与适用条件，为合理选择边坡稳定性评价方法提供借鉴。
关键词：边坡稳定性，评价方法1引言随着人类工程活动对工程地质条件改造的日趋频繁和范围的不断扩展，在露天矿开采、水利水电、陆地交通和城市开发建设等方面都出现了大量的边坡工程。
边坡稳定性问题一直是岩土工程的一个重要研究内容，而边坡稳定性评价结果的正确与否直接关系到边坡工程的成败。
本文在分析总结近年来边坡稳定性评价方法的基础上，对边坡稳定性评价方法进行分类，旨在为合理选择边坡稳定性评价方法提供借鉴。
2边坡稳定性评价方法分类边坡稳定性评价应分析边坡的变形破坏模式，确定不同评价方法的适用范围与条件，才能对边坡工程的设计与施工恰当地选用评价方法提供指导意义。
传统的边坡稳定性评价方法分为两大类：定性评价方法与定量评价方法。
3定性评价方法工程地质定性分析法是边坡稳定性评价中起源最早，主要用于工程早期确定方案时的一种定性评价方法。
工程地质定性分析法以岩土工程勘察资料为基础，分析边坡岩土体的地质成因，筛选出影响边坡稳定性的主要因素，建立边坡工程地质模型，推测其可能的变形破坏模式，定性评价稳定性及其演变趋势。
对于地质条件相对简单的岩土质边坡，该法可直接得出可供工程设计和施工使用的结论；对于地质条件相对复杂的情形，该法在确定滑坡模式和变形机制方面具有明显优势，可为进一步定量计算边坡稳定性奠定基础。
定性评价方法中最常用的为工程地质类比法和边坡稳定性图解法。
3.1工程地质类比法工程地质类比法属于定性分析，其内容有历史分析法、因素类比法、类型比较法和边坡评比法等。
该方法主要通过岩土工程勘察，首先对工程地质条件进行分析。
如对有关地层岩性、地质构造、地形地貌等因素进行综合调查、分类，对已有的边坡破坏现象进行广泛的调查研究，了解其成因、影响因素、发展规律等；并分析研究工程地质因素的相似性和差异性；然后结合所要研究的边坡进行对比，得出稳定性分析和评价结果。
强度折减有限元法在边坡稳定性分析中的应用研究
ｌｉｓｈｅｄ ｆｏｒ ａｎａｌｙｓｉｓ. Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｍｅｔｈｏｄ ( ｆｅｍ) ｉｓ ｒｅｌｉａｂｌｅꎬａｎｄ ｔｈｅ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｓｌｏｐｅ ｓａｆｅｔｙ
束ꎬ底部为全约束ꎮ 计算单元采用修正四边形单元ꎬ在边坡易
于变形的区域进行网格细化ꎬ该模型共分 ５５９０ 个单元ꎮ
福建建设科技 ２０２０ Ｎｏ ３
６４
■岩土工程
表 １ 岩石的初始计算参数
岩石类别
强风化岩石
很强的非线性分析能力 [６] ꎮ ＡＢＡＱＵＳ 软件在世界范围内有
度折减有限元法 [１] ꎮ 该方法在边坡稳定性计算中通过不断
全系数ꎮ 本文使用有限元分析软件结合强度折减法对某工
程中的岩质边坡进行了稳定性计算ꎬ得到了该边坡的稳定性
安全系数和潜在滑动面范围ꎮ
２ 强度折减有限元法理论
强度折减有限元法进行边坡稳定性分析的原理
至破坏特征出现ꎬ再根据计算得出相应的安全系数ꎮ 将岩土
体强度指标 ｃ 值、φ 值同时除以一个折减系数 Ｋꎬ得到一组新
的 ｃ′值、φ′值ꎬ在下一次计算中作为新的岩土体参数输入有限
元中进行计算ꎬ当计算结果符合给定的临界破坏判定条件
时ꎬ其对应的折减系数 Ｋ 可作为该边坡的稳定安全系数ꎮ 其
中ꎬ岩土体参数 ｃ′值、φ′值分别由式(１) 和(２) 求得ꎬ其余参数
基于ABAQUS强度折减法的边坡稳定性分析
Ｋｅ ｒ ｓ ｔｂ ｌ ｙ ｏ ｌｐ ；ｔ ｂｌ ｙ ｃ ｅｆｃｅ ｔ ＡＢＡＱＵＳ； ｔｅ ｇ ｈ ｒｄ ｃ ｉｎ Ｆ ｙｗｏ ｄ ：ｓａ ｉ ｔ ｆｓｏ ｅ ｓａ ｉ ｔ ｏ ｆｉｉｎ ； ｉ ｉ ｓｒ ｎ ｔ ｅ ｕ ｔｏ ＥＭ
我 国是 滑坡 等地 质灾 害多 发 的 国家 ， 每年 都带来 巨大 的经 济损 失 。 因此对 边坡 的稳 定性 分析 具有 非 常
Ａｎ ｌ ｓｓ ｏ ｌ ｐ ｔ ｂ ｌｔ ｙ ｓ ｒ ｎ ｔ ｅ ｕ ｔｏ ａ ｙ ｉ ｆ ｓｏ ｅ ｓ ａ ｉｉｙ ｂ ｔ ｅ ｇ ｈ ｒ ｄ ｃ ｉ ｎ
Ｆ ＥＭ ａ ｅ ｎ ＡＢ ｂ ｓ ｄ ｏ ＡＱＵＳ
ＤＵ ｉ ｇ ｑ ｎ ， ＡＮＧ — ｈ ｎ ’ ， ＡＮＧ ｎ Ｍ ｎ —ｉｇ Ｗ Ｘｕ ｃ ｕ 一 Ｗ 。 Ｎｉ ｇ
重 要 的意义 ． 目前边坡 稳 定性分 析 的方法 主要 有极 限平 衡 法 和数 值 分 析法 ． 然而 极 限平衡 法 并 没 有 考 虑 岩土 体边 坡 的变形 和应 力应 变关 系． 值分 析法 中以有 限元 法 的应用 最 为成熟 ， 数 它不 但 可 以求 出各 单元
收稿 日期 ：０ １１ 一３ ２ １—Ｏ１
第 ３ 第 ４期 ３卷
Ｖｏ ． ３ Ｎｏ ４ ２ １ １３ ． ０ ２
青 岛 理 工 大 学 学 报
Ｊ ｕ ｎ ｌｏ ｎ ｄ ｏＴｅ ｈ ｏｏ ｉａ ｉｅ ｓｔ ｏ ｒ ａ ｆＱｉｇ ａ ｃ ｎ ｌｇｃ ｌＵｎｖ ｒｉｙ
基 于 Ａ ＡＱＵ Ｂ Ｓ强 度 折 减 法 的 边 坡 稳 定 性 分 析
别 求得
ｃ 一
手
（ １ ）
（ ２ ）
一ｒａ ￣ ａ ） ａｔ （ ｔ ｃｎ ｎ
FLAC3D软件原理及特点
FLAC3D软件原理及特点FLAC3D[1]是三维岩土力学有限差分计算机程序，是国际通用的岩土工程专业分析软件。
FLAC 代表连续介质快速拉格朗日分析，是由国际著名学者、英国皇家工程院院士、离散元法的发明人彼得库德尔Peter Cundall 博士在70年代中期开始研究开发的面向土木建筑、采矿、交通、水利、地质、核废料处理、石油及环境工程的通用软件系统，是美国艾塔斯Itasca国际咨询集团公司的软件核心产品最知名的软件系统之一。
自20世纪90年代中页，中国开始引进FLAC及FLAC3D等Itasca系列软件，许多工业部门都在应用FLAC系统进行工程设计、计算及科学研究；今天，FLAC已经成为我国岩土力学与工程界发展最快、最具有影响的数值分析软件系统。
FLAC程序将单元之间的不平衡力重新分配各节点之上，再进行下一步的迭代运算，直到不平衡力足够小或者各节点的唯一区域平衡为止，如下图1所示：图2 迭代求解过程图3 FLAC3D的特点3.1应用范围广泛FLAC3D是帮助土木、交通、采矿、水利工程师进行分析、测试及设计的连续介质程序。
由于其分析能力并不局限于某一类特殊问题或分析类型，FLAC3D得到了广泛的应用。
FLAC3D的设计思想是针对任何需要连续介质力学分析的岩土工程项目。
在分析岩土工程问题时，边界条件是最重要的考虑因素，而FLAC3D有多种边界条件，并且边界方位可以任意变化，边界条件可以是速度边界、应力边界，单元内部可以给定初始应力，节点可以给定初始位移、速度等，还可以给定地下水位以计算有效应力、所有给定量都可以具有空间梯度分布。
功能强大：FLAC3D是一个利用显示有限差分法为岩土工程提供精确有效分析的工具，可以解决诸多有限元程序难以模拟的复杂的工程问题。
另外，FLAC3D具有强大的内嵌语言FISH，使得用户可以定义新的变量或函数，以适应用户的特殊需要。
FISH可以做如下事情：（1）用户可以自定义材料的分布变化情况；（2）用户可以定义变量，追踪其变化规律并绘图表示；（3）用户可以自己设计FLAC3D内部所没有的单元形态；（4）在数值试验中可以检测控制；（5）用户可以指定特殊的边界条件；（6）自动进行参数分析；（7）利用FLAC3D内部定义的FISH变量或者函数，用户可以获得计算过程中的节点、单元参数，如坐标、位移、速度、材料参数、应力、应变和不平衡力等。
基于强度折减有限元法的边坡稳定性计算
基于强度折减有限元法的边坡稳定性计算
陈可文;潘海琳
【期刊名称】《黑龙江大学工程学报》
【年(卷),期】2010(037)003
【摘要】弹塑性有限元强度折减法是一种非常有效的边坡稳定性计算方法,从增量有限元方程出发,分析了该方法的特点,并且讨论了滑动面的确定方法和失稳破坏特征,并通过对一具体工程的边坡稳定性计算,表明该方法简单有效,对实际工程具有很强的指导意义.
【总页数】3页(P56-58)
【作者】陈可文;潘海琳
【作者单位】四会市下茆镇水利水电管理站,广东,四会,526200;北京木联能工程科技有限公司,北京,100038
【正文语种】中文
【中图分类】TV698
【相关文献】
1.基于强度折减有限元法分析边坡稳定性 [J], 张政杰;王宏权;李幼辉
2.基于强度折减有限元法的边坡稳定性分析 [J], 吴思雄;孙涛
3.基于ANSYS的强度折减有限元法边坡稳定性分析 [J], 李强
4.基于强度折减有限元法的排土场边坡稳定性分析 [J], 张利军;母传伟;何方维
5.基于强度折减有限元法的边坡稳定性计算 [J], 陈可文;潘海琳
因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
基于强度折减有限元法的土坡稳定性分析研究的开题报告
基于强度折减有限元法的土坡稳定性分析研究的开题报告一、选题背景随着城市化进程不断加快，土地资源日益紧缺，开采山地土石方成为常见的工程方式。
与此同时，山体工程的安全性成为亟待解决的问题。
综合考虑不同土质、地形条件下的因素，通过数值模拟分析山体稳定性显得十分必要。
强度折减有限元法（SRFE）是一种较为先进的数值模拟方法，是土体力学分析领域的前沿研究方向之一。
二、研究目的和意义本研究旨在基于强度折减有限元法，对土坡稳定性进行深入研究，通过建立稳定性模型，分析不同土质、地形条件下的稳定性变化，为山体工程设计提供科学依据和可靠保障。
三、研究内容和方法（1）内容：研究内容主要包括以下几个方面：1. SRFE原理及其在土体力学分析中的应用；2. 基于SRFE的土坡稳定性分析方法及其建模过程；3. 根据实际工程，进行案例分析研究，多角度分析土坡稳定性变化情况。
（2）方法：本研究主要采用以下研究方法：1. 文献研究法，对国内外相关文献进行综合分析；2. 数值模拟计算法，运用SRFE方法进行土坡稳定性分析；3. 实地调查与案例分析法，结合实际工程进行多维度分析。
四、预期研究成果（1）完善SRFE方法在土坡稳定性方面的应用体系；（2）建立土坡稳定性模型，实现基于SRFE的土坡稳定性分析方法；（3）提出增强土坡稳定性的可行方案，并在实际工程中予以验证。
五、进度安排本研究计划于2022年3月开始，预计于2024年6月完成。
具体进度安排如下：1. 2022年3月-2022年6月：文献综述和研究方法确定；2. 2022年7月-2023年6月：基于SRFE的土坡稳定性分析方法研究和模型建立；3. 2023年7月-2024年3月：土坡稳定性案例分析和稳定性改善方案研究；4. 2024年4月-2024年6月：论文撰写、答辩和提交。
强度折减有限元法中边坡失稳判据的研究
第42卷第1期2008年1月浙 江 大 学 学 报(工学版)Journal of Zhejiang University (Engineering Science )Vol.42No.1J an.2008收稿日期:2006-10-07.浙江大学学报(工学版)网址:/eng基金项目:国家自然科学基金资助项目(4067218540502026);浙江省重大科技专项社会发展重点资助项目(2006C13027);中国博士后科学基金资助项目(20070421201).作者简介:吕庆(1978-),男,安徽马鞍山人,博士后,从事边坡稳定性分析与评价方面的研究.E 2mail :lvqing @通讯联系人:孙红月,女,副教授.E 2mail :shy @强度折减有限元法中边坡失稳判据的研究吕 庆,孙红月,尚岳全(浙江大学建筑工程学院,浙江杭州310027)摘 要:为了研究强度折减有限元法中各种边坡失稳判据的适用性,在典型算例分析计算的基础上,提出了“失稳判据的选择应和所采用的数值计算的迭代方法、应变模式假定等问题相匹配”的观点.研究结果表明,当采用数值计算不收敛判据时,应采用小应变模式假定,并利用弧长控制方法;当采用坡面位移突变判据时,应采用大应变模式假定;塑性应变区贯通判据可作为上述两种判据的参考.大量算例的计算结果表明,强度折减有限元法计算获得的边坡稳定性系数和极限平衡法计算结果的相对差小于3%.关键词:边坡稳定性;强度折减有限元法;失稳判据;稳定系数中图分类号:TU457 文献标识码:A 文章编号:1008-973X (2008)0001-0083-05Slope failure criteria of shear strength reduction f inite element methodL V Qing ,SUN Hong 2yue ,SHAN G Yue 2quan(College of Civil Engineering and A rchitecture ,Zhej iang Universit y ,H angz hou 310027,China )Abstract :A viewpoint t hat failure criterion should be matched wit h numerical calculation ’s iterative algo 2rit hm ,st rain mode assumption and ot her corresponding p roblems was p ut forward based on calculation and analysis of typical examples to st udy t he applicability of different slope failure criterion in shear strengt h reduction finite element met hod (SSRFEM ).When t he divergence criterion of numerical calculation is used ,small st rain mode and arc 2lengt h control met hod should be employed ;when t he criterion of muta 2tional displacement on slope surface is used ,large st rain mode should be employed.Plastic st rain zone con 2nection criterion can be used as a reference of t he above two criteria.The result s of some slope stability ex 2amples showed t hat t he relative difference of stability factors o btained by SSRFEM and limit equilibrium met hod was less t han 3%.K ey w ords :slope stability ;shear strengt h reduction finite element met hod (SSRFEM );failure criterion ;stability factor 和传统的极限平衡法相比,基于强度折减有限元法(shear st rengt h reduction finite element met h 2od ,SSRFEM )的边坡稳定性分析不仅可以得出土体中应力应变的分布情况,而且能够考虑土体的非线性本构关系,由于考虑了土体和加固结构之间的相互作用和变形协调,可以直接得出加固结构的内力、变形等设计参数.尽管有限元方法具有诸多的优势,但是到目前为止,这种边坡稳定性的分析方法并未在工程界中得到广泛的认可.其中一个重要原因是:对有限元中边坡破坏的力学机理不清楚,对边坡达到极限破坏状态的失稳判据没有统一的标准.目前边坡的失稳判据主要有3种:(1)有限元计算不收敛;(2)坡体或坡面位移突变;(3)潜在滑移面塑性区贯通.作为强度折减有限元法的关键技术问题,边坡失稳判据的问题直接影响强度折减有限元法的计算准确性,很多学者对失稳判据的问题进行过研究,但到目前为止尚未形成统一的认识[127].本文在强度折减有限元法的基础上,利用岩土工程有限元分析软件PLA XIS,通过典型算例的计算分析,研究了应变模式假定、非线性计算迭代方法等问题对计算结果的影响,讨论了3种边坡失稳判据的适用条件.1 强度折减有限元法的基本算法在数值分析有限元计算的过程中,如果计算模型本身是不稳定的,如当出现局部土体的坍塌或存在过大的刚体位移时,数值计算的结果将不收敛.基于此原因,当用有限元法分析边坡的稳定性时,通过强度折减法,逐渐提高折减系数F,相应地逐渐减小土体的抗剪强度指标,反复对边坡进行试算,直至边坡处于极限平衡的临界状态.在折减后的某个抗剪强度条件下,边坡发生失稳,数值计算出现收敛性问题,即计算结果发散,只要试算的F的增量足够小,则可以认为发生计算发散前的那个F值为该边坡的稳定系数F s,这就是强度折减有限元法的基本原理.强度折减有限元法的算法可以分成以下3步:1)建立边坡的有限元分析模型.坡体各种材料采用不同的单元材料属性;计算边坡的初始应力场,初步分析在重力作用下,边坡的变化和应力;记录边坡的最大变形.2)增大F.将折减后的强度参数赋给计算模型,重新计算.记录计算收敛后的边坡最大变形和塑性应变发展情况.3)重复第2)步,不断增大F值,降低坡体的材料参数,直至计算模型不收敛,则认为边坡发生失稳破坏.计算发散前一步的F值就是边坡的安全系数.对于边坡本来就不稳定,第1)步计算就不收敛的情况,在进行第2)步和第3)步计算时,F应该逐渐减小,直至计算收敛、边坡重新稳定.2 校验算例及极限平衡法结果1987年,澳大利亚计算机应用协会(ACADS)设计了5道总计10个经典的关于边坡稳定问题的考核题.向全世界120个单位发出了计算邀请,有28个单位发回了计算答案[8].同时还邀请了国际上在边坡稳定分析程序方面作过较多工作的研究者提供“裁判程序”答案.由于这次调查工作规模较大,所获得的成果比较可靠,为边坡稳定性分析提供了很好的校验资料[9].本文首先选择了其中的一个算例,利用强度折减有限元法来比较各种失稳判据获得的边坡稳定性系数,并和不同的条分法的计算值及参考答案值进行比较.综合比较各种判据的适用条件.算例选用ACADS的考核题EX1(b),此算例为一均质边坡.坡高H=10m,坡角β=26.6°,土体密度ρ=2000kg/m3.为了和传统的极限平衡法的计算结果进行比较,采用小应变平面应变分析.土体采用理想弹塑性本构模型、摩尔2库仑屈服准则和相关联流动法则.黏聚力c=32kPa,内摩擦角φ=10°,膨胀角ψ=φ,弹性模量E=1.0×104kPa,泊松比μ=0.25.本例的有限元分析模型如图1所示,其中15节点平面应变三角形单元856个,节点数7029个.分析模型的左右边界均采用水平向光滑约束,底面采用固定位移边界.计算结果表明,强度折减有限元法搜索到的潜在滑动面和传统的极限平衡法具有一致的结果.如图2所示.对于该算例,ACADS给出的边坡F s参考值为1.65～1.70.本文采用加拿大边坡分析软件SLO PE/W按照不同的极限平衡法计算的结果见表1.从极限平衡法的结果分析,由于Bishop法和J an2 bu法仅满足部分平衡条件,计算所得的F s较小,后图1 ACADS算例的有限元分析模型Fig.1 Finite element model of ACADS example slope图2 强度折减有限元法和极限平衡法的比较Fig.2 Comparison between SSRFEM and limit e2quilibrium method48浙 江 大 学 学 报(工学版) 第42卷 表1 用不同极限平衡法计算的F s比较Tab.1 Comparison of stability factors calculated by differ2 ent limit equilibrium methods分析方法F s分析方法F sBishop 1.658G L E 1.695Spencer 1.696M2P 1.695J anbu 1.558——3种满足全部平衡条件方法的计算结果相互间差别较小,且和ACADS给出的参考值较为接近.3 边坡失稳判据的讨论对该算例按照强度折减有限元法进行分析,不同的失稳判据获得了不同的F s.3.1 数值计算不收敛判据当采用数值计算的不收敛作为失稳判据时,边坡F s的计算值和非线性计算中所采用的平衡迭代法,以及每步计算收敛容限大小有很大的关系.当采用增量法求解非线性有限元问题时,往往采用两种平衡迭代方法,即牛顿2拉普森方法(Newto n Rap h2 son met hod,N R)和弧长控制方法(arc2lengt h con2 t rol met hod,弧长法).对于一般的非线性问题的求解,NR法通过对荷载步内不平衡量进行线性迭代求解,最终获得问题的收敛解.但对于边坡稳定这类物理意义上不稳定系统的非线性静态分析,如果仅仅使用NR法,切线刚度矩阵可能变为降秩矩阵,导致严重的收敛问题.这种情况包括系统的完全崩溃或者“突然通过”至另一个稳定状态等非线性问题.因此,当用强度折减有限元法来分析极限状态下边坡的F s时,采用NR法可能最终得不到真正意义上的极限状态,同时当边坡达到极限状态时,计算将不收敛.采用弧长法,有助于迭代计算的收敛.弧长法使NR平衡迭代沿一段弧收敛,从而即使当切线刚度矩阵的斜率为零或负值,也往往能阻止发散.图3为单自由度非线性分析中两种平衡迭代方法的迭代过程示意图[10].不同的迭代方法对计算步长和每一步计算收敛容限的依赖程度也不相同.NR法对步长和收敛容限非常敏感,不同的设置将导致计算结果相差较大.相比较而言,采用弧长法的计算结果较稳定.以上述算例为例,若采用常用的NR法计算,当收敛容限为0.0005时(即每一荷载步内节点不平衡力和外荷载的比值不大于0.05%),边坡的F s为1.6388;当收敛容限为0.03时,边坡的F s为1.7500,变化较大.若采用弧长法计算,当收敛容限图3 NR法和弧长法比较[10]Fig.3 Comparison between NR and arc2length controlmethod同样变化时,边坡的F s基本没有变化(如表2所示).表2 不同迭代方法在不同收敛容限下计算的F s比较Tab.2 Comparison of stability factors calculated by differ2 ent iterative algorithms with different convergencetolerances收敛容限F sNR法弧长法0.03 1.7500 1.67180.01 1.7050 1.67270.005 1.6850 1.67260.001 1.6638 1.67250.0005 1.6388 1.6723从上面的分析结果可以看出,当采用数值计算不收敛作为边坡失稳的判据时,计算的结果与所用的迭代计算方法和收敛容差有很大关系.普通的NR法对收敛容限的变化非常敏感,很难得到一致的结果.而弧长法由于采用了不同迭代搜索方法,解决了对收敛容限的依赖问题,可以获得较为稳定的计算结果.因此,当采用数值计算不收敛判据时,应采用弧长法.3.2 坡面位移突变判据坡面位移突变判据最早由Tan等人[11]提出.若以边坡坡面的位移突变作为边坡的失稳判据,同样面临着数值计算的收敛问题.按照前面的分析,采用小应变模式进行分析,在边坡失稳破坏后,若继续增加F,计算将不收敛,无法获得后续安全系数下的坡面位移,从而无法判断位移发生突变的具体位置.由58第1期吕庆,等:强度折减有限元法中边坡失稳判据的研究于大应变分析考虑了单元形状和取向改变对计算系统刚度的影响,具有更强的收敛能力.当采用位移突变作为边坡的失稳判据时,应采用大应变模式假定.图4为当采用大应变分析时,算例边坡的坡面位移U x随F变化的情况.图4 算例的U x随F的变化规律Fig.4 U x with F of example slope从计算的结果看,随着F增加,坡面位移曲线呈陡降型曲线分布形式.在边坡破坏前后,曲线均呈近似线性分布的特征.将破坏前后的坡面位移点按照直线拟合并延长,其交点可认为是坡面位移的突变点,对应的F即为边坡的稳定系数F s.在上述算例中,计算过程中追踪了坡面上的3个特征点的位移变化情况(3点的位置如图4所示).按照上述方法对各点的位移曲线分析,按A点突变点获得的F s 为1.675,B点为1.672,C点为1.671,平均为1.6727,和前面按照数值计算不收敛判据获得的F s=1.6725非常接近.可见数值不收敛判据和位移突变判据的计算结果是一致的.应该说明的是,数值不收敛判据采用的是小应变分析,主要是为了和传统的极限平衡法一致,同时使分析的结果具有可比性.从两种方法的力学原理和理论基础看,强度折减有限元法和极限平衡法实质上都是基于塑性力学理论的极限分析方法,因此两种方法的分析计算结果应该具有一致性,并可以互相校验.位移突变判据采用的是大应变分析,主要是为了使数值计算在边坡破坏后能收敛.大应变分析应看作是一种假定.从分析计算和收敛判据结果一致的情况分析,可认为采用这种大应变的假定是合理的.但大应变分析不应用于收敛判据的分析,否则会获得比极限平衡法大很多的结果[6].3.3 塑性区贯通判据塑性区贯通判据是边坡失稳的第3种判据.一般塑性区是通过塑性应变的发展来表示的.边坡破坏后,滑移面处的塑性应变必然是贯通的.但是由于整个滑移面上的塑性应变是渐进发展的,当塑性应变贯通时,塑性破坏点并未贯通,边坡并不一定马上就发生破坏,局部塑性应变发展滞后区域的塑性应变还可能进一步发展,这种情况在边坡接近极限状态时常能出现(如图5所示).当F较小时,塑性应变没有贯通,并且随着F的减小,塑性区域逐渐扩展(图5(a)、(b)).当边坡接近极限状态时,塑性应变贯通,但边坡仍未破坏(图5(c),最大塑性剪应变εp=0.045).当边坡最终破坏时,滑移面上的塑性应变达到极限应变状态,此时的F为边坡的稳定系数F s(图5(d),εp=0.085).郑颖人等人[12]指出,塑性应变贯通是边坡土体破坏的必要条件,但不是充分条件.图5(c)、(d)中εp的大小变化反映了上述结论的正确性.尽管从塑性区域贯通到最终边坡破坏时,F的变化很小.但考虑到塑性区贯通的客观指标很难确定,目前只能通过人的主观认识去判断,因而不可避免地会增加不确定的人为因素.基于以上原因,在实际应用过程中,塑性应变区贯通的判据可作为前两种判据的补充.上面讨论了3种失稳判据的适用条件.在此基础上,通过7组共48个边坡实例的计算分析,比较了在不同失稳判据下强度折减有限元法和极限平衡法的计算值.结果表明,按照前面讨论的边坡失稳判据,一般情况下强度折减有限元法计算结果和极限平衡法的相对误差小于3%[13].说明采用本文建议的失稳判据可获得和传统极限平衡法一致的结果.图5 不同F下塑性剪应变的变化情况Fig.5 Plastic shear strain under different reduction factors68浙 江 大 学 学 报(工学版) 第42卷 4 结 语当利用强度折减有限元法计算边坡的稳定性系数时,边坡的失稳判据对计算结果有很大的影响.失稳判据的选择应和所采用的数值计算迭代方法、应变模式假定以及流动法则等问题相匹配.当采用小应变模式假设时,应用数值计算不收敛判据,并利用弧长控制迭代算法;当采用大应变模式假设时,应用坡面位移突变判据分析问题.计算结果表明,采用大应变分析的位移突变判据和数值计算不收敛判据具有一致性,并和极限平衡法的计算结果非常吻合.由于塑性应变区贯通判据是边坡失稳的非充分必要条件,同时塑性区贯通的判据缺乏客观的判断指标,更多地依赖于人的主观判断,作者认为塑性区判据可以作为前两种判据的参考,不适合单独作为边坡失稳的判断依据.参考文献(R eferences):[1]GRIFFITH D V,LANE P A.Slope stability analysis by fi2nite elements[J].G eotechniqu e,1999,49(3):387-403.[2]DAWSON E M,RO T H W H,DRESCH ER A.Slopestability analysis by strength reduction[J].G eotech2 nique,1999,49(6):835-840.[3]郑颖人,赵尚毅.有限元强度折减法在土坡与岩坡中的应用[J].岩石力学与工程学报,2004,23(19):3381-3388.ZH EN G Y ing2ren,ZHAO Shang2yi.Application of strength reduction FEM in soil and rock slope[J].Chi2 nese Journal of R ock Mechanics and E ngineering,2004,23(19):3381-3388.[4]赵尚毅,郑颖人,时为民,等.用有限元强度折减法求边坡稳定安全系数[J].岩土工程学报,2002,24(3):343-346.ZHAO Shang2yi,ZH EN G Y ing2ren,SHI Wei2min,et al.Analysis on safety factor of slope by strength reduction FEM[J].Chinese Journal of G eotechnical E ngineering, 2002,24(3):343-346.[5]栾茂田,武亚军,年廷凯.强度折减有限元法中边坡失稳的塑性区判据及其应用[J].防灾减灾工程学报,2003, 23(3):1-8.L UAN Mao2tian,WU Ya2jun,N IAN Ting2kai.A crite2 rion for evaluating slope stability based on developmentof plastic zone by shear strength reduction FEM[J].Journal of Disaster Prevention and Mitigation E ngineer2 ing,2003,23(3):1-8.[6]刘金龙,栾茂田,赵少飞,等.关于强度折减有限元方法中边坡失稳判据的讨论[J].岩土力学,2005,26(8): 1345-1348.L IU Jin2long,L UAN Mao2tian,ZHAO Shao2fei,et al.Discussion on criteria for evaluating stability of slope in elastoplastic FEM based on shear strength reduction technique[J].Rock and Soil Mechanics,2005,26(8): 1345-1348.[7]连镇营,韩国城,孔宪京.强度折减有限元法研究开挖边坡的稳定性[J].岩土工程学报,2001,23(4):407-411.L IAN Zhen2ying,HAN Guo2cheng,KON G Xian2jing.Stability analysis of excavation by strength reduction FEM[J].Chinese Journal of G eotechnical E ngineering, 2001,23(4):407-411.[8]DONALD I B,GIAM P.The ACADS slope stabilityprograms review[C]∥Proceedings of the6th I nterna2 tional Symposium on Landslides.Christchurch:[s.n.], 1992,3:1665-1670.[9]陈祖煜.土质边坡稳定分析———原理、方法、程序[M].北京:中国水利水电出版社,2003:335-377.[10]BRIN KGREV E R B J.Plaxis version8reference m anu2als[M].Netherlands:A. A.Balkema Publishers, 2002:4-18.[11]TAN C P,DONALD I B.Finite element calculation ofdam stability[C]∥Proceedings of the11th I nternation2 al Conference on Soil Mechanics and Found ation E ngi2 neering.San Francisco:[s.n.],1985,4:2041-2044.[12]郑颖人,赵尚毅,宋雅坤.有限元强度折减法研究进展[J].后勤工程学院学报,2005,3:1-6.ZH EN G Y ing2ren,ZHAO Shang2yi,SON G Ya2kun.Advance of study on the strength reduction finite ele2 ment method[J].Journal of Logistical E ngineering U2 niversity,2005,3:1-6.[13]吕庆.边坡工程灾害防治技术研究[D].杭州:浙江大学,2006:63-69.L V Qing.Study on controlling principle and prevention technology of slope engineering[D].Hangzhou:Zhe2 jiang University,2006:63-69.78第1期吕庆,等:强度折减有限元法中边坡失稳判据的研究。
有限元强度折减法在边坡稳定性分析中的应用
有限元强度折减法在边坡稳定性分析中的应用有限元强度折减法在边坡稳定性分析中的应用边坡是山地地形中常见的地质体，其稳定性分析对于保护山体和预防地质灾害具有重要意义。
近年来，随着计算机技术的快速发展，有限元强度折减法逐渐成为边坡稳定性分析中的一种有效工具。
本文将介绍有限元强度折减法的原理和在边坡稳定性分析中的应用，并对其优缺点进行了探讨。
有限元强度折减法是一种基于强度准则的边坡分析方法。
它的基本原理是将岩土体的强度按照某个准则进行折减，并在有限元分析中采用折减后的强度参数进行计算。
其中，常用的强度准则有摩尔-库伦准则、维特曼准则等。
有限元强度折减法综合考虑了岩土体的强度特性和应力分布情况，相比传统的极限平衡法和全面滑动面法，能够更准确地评估边坡的稳定性。
有限元强度折减法在边坡稳定性分析中主要包括以下几个步骤：首先，确定边坡的几何形态和岩土体的材料性质。
其次，选择适当的强度准则，并对岩土体的强度参数进行合理的折减。
然后，根据边坡的几何特征和荷载情况，建立有限元模型，并进行边坡的数值计算。
最后，根据计算结果评估边坡的稳定性，并在必要时采取相应的加固措施。
有限元强度折减法在边坡稳定性分析中的应用具有以下优点：首先，有限元方法可以灵活地建立边坡的复杂几何模型，能够较准确地模拟实际工程中的复杂边坡形态。
而且，有限元强度折减法可以根据实际情况对岩土体的强度参数进行合理的折减，准确地反映岩土体的强度特性。
这些都为边坡稳定性分析提供了可靠的基础。
其次，有限元强度折减法可以综合考虑边坡的多种破坏机制，能够对于复杂的边坡情况进行全面的分析。
相比传统的极限平衡法和全面滑动面法，有限元强度折减法在考虑边坡的多种破坏机制时更加灵活准确。
此外，有限元强度折减法在计算过程中可以得到边坡内部的应力和位移分布情况，为边坡的设计和加固提供了参考依据。
通过对边坡各部分的应力和位移分布情况进行分析，可以找到边坡破坏的薄弱环节，并调整加固措施以提高边坡的稳定性。
基于有限元强度折减法多级边坡稳定性研究
基于有限元强度折减法多级边坡稳定性研究陈寅春;胡文亮【摘要】采用有限元强度折减法研究了多级边坡的级数、坡率、平台宽度等因子对边坡稳定性的影响,总结了各因子对边坡稳定性影响的规律,分析了边坡临界失稳时最大剪应变区.研究表明:各因子对多级边坡稳定性的影响实质是改变边坡临界失稳时受剪区域而影响边坡的抗滑力.【期刊名称】《重庆交通大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2014(033)006【总页数】4页(P100-103)【关键词】岩土工程;多级边坡;强度折减法;级数;坡率;平台宽度【作者】陈寅春;胡文亮【作者单位】重庆市设计院,重庆400015;重庆市设计院,重庆400015【正文语种】中文【中图分类】U453.5在我国西部交通事业的发展中，道路工程建设往往伴随着高边坡的出现。
高边坡在具有放坡条件的情况下多采用多级边坡的形式，以提高边坡稳定性。
20世纪末，有限元数值解法以其适用性强的优点在岩土工程领域广泛应用，同时国内外多个研究采用有限元强度折减法求解均质土质边坡的稳定系数，因其结果与传统方法求解结果比较接近，逐渐得到学术界的认可。
赵尚毅，等[1]采用有限元法不需做滑动面假设计算边坡稳定性，其结果满足应力应变关系，表明该分析方法的可靠性；韩爱民，等[2]采用强度折减法分析台阶宽度对边坡破坏形式的影响；郑颖人，等[3]采用强度折减法计算分析岩质边坡和土质边坡，并与传统方法作对比，说明强度折减法的广泛适用性；刘文治，等[4]对多级边坡挡墙应力进行实验测量，发现多级边坡挡墙后水平推力有别于单级边坡挡墙；周应华，等[5]分析认为多级边坡平台宽度达到一定值时，各级边坡的相互影响较小，当某级边坡产生局部失稳时不会导致其他级边坡破坏。
鉴于目前多级边坡在工程中应用较多而又缺少对其稳定性的系统研究，笔者采用有限元强度折减法分析边坡级数、边坡坡率及边坡平台宽度对多级边坡稳定性的影响，为今后类似工程提供参考。
1 有限元强度折减法基本原理1.1 强度折减法原理强度折减法的原理就是不断降低岩土强度指标直到边坡数值计算达到失稳状态[6]。
基于强度折减法的边坡稳定性有限元分析
基于强度折减法的边坡稳定性有限元分析发表时间：2016-12-05T10:29:18.577Z 来源：《基层建设》2016年19期作者：赵龙，高精伟[导读] 摘要：将有限元强度折减法与ABAQUS软件相结合，对夹层和均质边坡进行数值计算，利用软件的后处理功能分析水平位移、塑性区分布和扩展情况，以此来评价该边坡稳定性。
浙江省地球物理地球化学勘查院 310000摘要：将有限元强度折减法与ABAQUS软件相结合，对夹层和均质边坡进行数值计算，利用软件的后处理功能分析水平位移、塑性区分布和扩展情况，以此来评价该边坡稳定性。
并用极限平衡法对强度折减法计算结果进行验证，指出强度折减法的优越性。
此外，还分析软弱夹层、泊松比、剪胀角和网格划分技术对边坡在自重应力场作用下强度折减系数的影响。
结果表明：含若夹层的强度安全系数比不含弱夹层的边坡安全系数明显减小；若以位移拐点作为边坡稳定的评价标准：强度安全系数几乎不受泊松比的影响；若以数值计算不收敛作为评价标准，则强度安全系数随着泊松比的增大而增大；此外，强度安全系数随着剪胀角的增大而增大。
关键词：强度折减法，边坡稳定性分析，极限平衡法 0 引言边坡稳定性研究一直是岩土工程领域的热点研究问题。
正确得对边坡稳定性进行综合评价分析，对高阶工程的经济建设具有重要的指导和实践意义。
传统的边坡稳定性分析是极限平衡原理，方法简单，以及容易掌握，但其假设的条件较多，且不能考虑岩土内部的应力应变关系，无法分析边坡破坏发展的过程，且滑动面的确定需要一定经验等缺陷[1-2]。
然而，强度折减法概念明确，结果直观，将其与有限元相结合，既保持了有限元在模拟复杂问题上的优点，又能获得可靠的安全系数结果，在工程上得到了越来越多的应用。
如：栾茂田等[3]采用广义塑性应变与塑性开展区作为失稳判据可以比较准确地预测边坡潜在破坏面的形状与位置及相应的稳定安全系数, 并验证了这种失稳判据的合理性；卜林等[4]应用强度折减法对含软弱结构面岩坡进行稳定性分析，证明了软弱结构面是控制岩质边坡破坏的主要因素。
基于双折减系数强度折减法的边坡稳定性分析
基于双折减系数强度折减法的边坡稳定性分析基于双折减系数强度折减法的边坡稳定性分析摘要：有限元强度折减法对内摩擦角及粘聚力采用同一系数同时进行折减分析边坡的稳定性，而实际工程中当边坡产生滑动时，摩擦角及粘聚力均会发生衰减，但是衰减的速度与程度是不一样的，利用强度折减法计算的安全系数与实际工程将会有较大出入。
本文考虑两参数的不同衰减程度，对内摩擦角及粘聚力采用不同的折减系数，对边坡进行稳定性分析。
关键词：有限元强度折减法；双折减系数；边坡稳定性分析1.概述有限元强度折减法[1，2]是现在使用较多的边坡稳定性分析方法，基本原理就是将、值同时除以同一个折减系数，得到新的、值，当两参数折减至边坡稳定的临界状态[3 ，4 ，5]时，此时的折减系数就是边坡的安全系数，而实际工程中当滑坡产生滑动时，两参数所起的作用不同，它们发挥的程度及秩序也不同。
当滑坡发生滑动时，摩擦角及粘聚力均会发生衰减，但是衰减的速度与程度是不一样的。
所以有限元强度折减的这与工程实际并不相符，利用强度折减法计算的安全系数与实际工程将会有较大出入，故此法并不能准确反映、的安全储备，所以考虑对两参数采用不同的折减系数是十分必要的。
2.基本原理为了更好的模拟土体的内摩擦角及粘聚力在边坡滑动时的变化情况，双折减系数法通过对内摩擦角及粘聚力取不同的折减系数、进行折减，将折减后的参数代入分析边坡的稳定性，直至边坡恰好处于稳定的极限状态为止，此时的、称为双折减系数。
为了简化运算，这里定义另外一个比例系数，，这样在一定的值下，两个折减参数之间的关系是确定的，这样对于不同的边坡，我们只要找到合适的值就能确定边坡的双折减系数。
本文重点研究不同坡角下，边坡的双折减系数。
通过对典型边坡实例分析，在给定的不同值下，利用大型有限元软件ABAQUS计算内摩擦角及粘聚力的折减系数、，并得到两折减系数的平均值。
将三者绘制在同一个坐标系中，对曲线进行拟合得到光滑曲线，分析系数与折减系数之间的关系。
基于强度折减的边坡稳定安全系数有限元迭代解法
基于强度折减的边坡稳定安全系数有限元迭代解法周桂云【摘要】讨论有限元强度折减法的失稳判据,结果表明:失稳判据对安全系数影响较大,对临界滑动面形状和位置的确定影响不大.在此基础上,提出基于强度折减的边坡稳定安全系数有限元迭代解法,先用强度折减法搜索滑动面,再按滑动面已知边坡用迭代解法求解稳定安全系数.该方法充分结合了强度折减法和迭代解法的优点,求解边坡稳定安全系数时效率快、精度高,可为实际工程参考应用.【期刊名称】《水利水电科技进展》【年(卷),期】2010(030)003【总页数】5页(P58-61,94)【关键词】强度折减法;迭代解法;边坡稳定安全系数;有限元法【作者】周桂云【作者单位】金陵科技学院建筑工程学院,江苏,南京,211169;中国人民解放军理工大学工程兵工程学院,江苏,南京,210007【正文语种】中文【中图分类】TU311.320世纪60年代以来,有限元法被广泛应用于边坡稳定分析,已成为近年来边坡稳定分析的新趋势。
有限元法克服了极限平衡法的不足,并有其独特的优点:①能够充分考虑土体的非线性本构关系、土体的非均质性和各向异性等复杂特性;②能模拟施工过程,可考虑变形体中泥化夹层的渗流效应、孔隙水压力等;③能给出边坡内的应力场、位移场,可以了解边坡的逐步破坏机理和塑性区的开展情况;④能适应复杂的边界条件,比如复杂的几何形状、结构物的作用、有支护的边坡稳定;⑤可以真实考虑水库水位骤降、地震荷载等对边坡稳定性的影响。
Duncan[1]对有限元法在边坡和堤坝稳定分析中的应用研究进行了详细的归纳总结,按照所采用的本构模型将它们分为4类,即:①线弹性模型;②折线弹性模型;③双曲线弹性模型;④弹塑性或弹黏塑性模型。
从这些总结可以看出,大部分研究工作是对边坡进行有限元分析,对计算范围内各单元上积分点的应力进行强度判别,凡应力状态达到剪切破坏或拉破坏判别标准的部位称之为破坏区,根据破坏区的分布位置和范围的大小可以对边坡的稳定性进行评价,为边坡的治理、施工方法提供依据。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
强度折减有限元法研究开挖边坡的稳定性Stability analysis of excavation by streng th redu ction FEM连镇营,韩国城,孔宪京(大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室,辽宁大连116024)摘要:用强度折减有限元方法对开挖边坡的稳定性进行了较为全面的研究。
分析结果表明:当折减系数达到某一数值时,边坡内一定幅值的广义剪应变自坡底向坡顶贯通,认为边坡破坏,定义此前的折减系数为安全系数;和强度指标相比,弹性模量、泊松比、剪胀角和侧压力系数对边坡的安全系数影响不大;开挖边坡和天然边坡具有相似的破坏形式,表明强度折减有限元方法适用于开挖边坡的稳定性分析。
最后指出,强度折减有限元法具有广泛的适用性和良好的应用前景。
关键词:强度折减技术;弹-完全塑性有限元;开挖边坡;稳定分析中图分类号:TU441;U416.1文献标识码:A文章编号:1000-4548(2001)04-0407-05作者简介:连镇营,男,1972年生,1998年获大连理工大学硕士学位,现在该校攻读博士。
主要从事土工建筑物数值计算方面的研究。
LI AN Zhen-ying,HAN Guo-cheng,KONG Xian-jing(State Key Laboratory of Coas tal and Offs hore Engineering,Dalian University of Technology,Dalian116024,China)Abstract:An elas to-plastic shear strength reduction FEM is us ed to analy ze the stability of excavation slope.A well defined failu re shear s train zone is formed in the excavation slope.It is found that elastic modules,Poisson c s ratio,dilation angle and lateral pressure coefficient,compared w i th cohesion and friction ang le,have little effect on s afety factor of slope.As failure pattern of excavation slope is similar with that of natural slope,it is concluded that the method is appropriate for s tability analysis of excavation slope.It is believed that the shear strength reduction FE method can be widely applied in the engineering practice because this method benefits over limit equilibrium method.Key words:strength reduction technique;elas to-plastic FEM;excavation slope;s tability1前言用有限元方法分析边坡稳定问题克服了极限平衡方法中将土条假设为刚体的缺点,考虑了土体的非线性本构关系,能模拟边坡的施工过程,可适用于任意复杂的边界条件。
通常,用有限元法分析边坡稳定的步骤是首先计算出边坡内每一单元的应力,然后按沿整个滑裂面的抗剪强度与实际产生的剪应力之比来求得安全系数。
Duncan(1996)[1]指出边坡安全系数可以定义为使边坡刚好达到临界破坏状态时,对土的剪切强度进行折减的程度,即定义安全系数是土的实际剪切强度与临界破坏时折减后的剪切强度的比值。
这种强度折减技术特别适合用有限元方法来实现,早在1975年Zienkie wice[2]就用此方法分析边坡稳定,只是由于需要花费大量的机时而在具体应用中受到限制,Wong (1984)[3]给出了用有限元方法分析边坡稳定性误差产生的原因。
现在,随着微机的发展和有限元计算技术的提高,强度折减有限元法正成为边坡稳定分析研究的新趋势。
例如,Ugai(1989)[4],Matsui和San (1992)[5],Ugai和Leshchinsky(1995)[6],Griffiths和Lane (1999)[7],Da wson和Roth(1999)[8],Manzari和Nour (2000)[9]等都对此做了进一步的研究,国内的宋二祥(1997)[10]也进行了相应的研究工作,尽管方法的具体细节各有不同,但是数值结果均表明,强度折减有限元法能得到与极限平衡法几乎接近的安全系数和临界滑动面。
以上的研究分析大多是针对天然边坡和填筑边坡。
对于开挖产生的边坡,由于土体处于卸荷状态,其受力状态与天然边坡和填筑边坡不同,强度折减技术是否完全适用于开挖边坡的稳定性分析,文献[5]和[9]的观点不尽相同。
本文采用强度折减有限元方法,对开挖边坡的稳定性进行了较为全面的研究。
土体的本构关系采用弹-完全塑性模型,屈服和强度准则采用Mohr-C oulomb准则,计算方法为增量迭代有限元方法。
主要研究了安全系数F s的定义标准;土体参数对安全系数F s的影响;以及开挖边坡与天然边坡的稳定性分析比较。
2计算原理2.1强度折减技术强度折减技术[8]的要点是利用公式(1)和(2)调整土体的强度指标c,U,其中F t为折减系数,然后对土坡进行有限元分析,通过不断地增加折减系数F t,反复分析土坡,直至其达到临界破坏,此时得到的折减系*收稿日期:2001-01-02第23卷第4期岩土工程学报Vol.23No.4 2001年7月Chinese Journal of Geotechnical Engineering July,2001数即为安全系数F s。
上述公式为c t=c/F t(1)U t=arctan(tan U/F t)(2)强度折减法的优点是安全系数可以直接得出,不需要事先假设滑裂面的形式和位置,另外可以考虑土坡的渐进破坏过程。
2.2破坏标准的定义用强度折减有限元方法分析边坡的稳定性,通常采用解的不收敛性(Zienkie wicz和Tayor,1989)做为破坏标准[4,7,8],在用户指定的收敛准则下算法不能收敛,表示应力分布不能满足土体的破坏准则和总体平衡要求,意味着出现破坏。
文献[4]指定迭代次数为500,超过这个限值则认为土体破坏,这个迭代次数限值有很大的人为因素。
文献[8]假定当节点的不平衡力与外荷载的比值超过10-3来确定安全系数,其中隐含着必须以某一迭代次数作为收敛准则。
也就是说,当采用解的不收敛性作为破坏的判别标准,物理意义不是十分明确,需要进行一定的计算假定。
文献[7], [9]和[10]通过绘制边坡内某一点的位移(或位移增量)与折减系数的关系曲线来确定安全系数,文献[7]把这种判别方法归为解的不收敛性范畴。
在一些模型试验中[3,11],研究者们发现边坡破坏时形成了明显的剪切破坏带,在边坡内自坡底向上贯通。
文献[11]同时对土石坝的破坏进行了数值模拟,破坏时形成的明显剪切破坏区域与模型试验的结果相一致。
根据这一思路,为了克服以解的不收敛性作为破坏标准的缺点,本文尝试着利用图形可视化技术绘制边坡内广义剪应变的分布图,如果在某一折减系数下,土体内某一幅值的广义剪应变自坡角底部下方向坡顶上方贯通,则认为此前的折减系数为安全系数。
该方法图形显示清楚,物理意义较为明确。
2.3土体的本构模型土体的本构关系采用弹-完全塑性模型,屈服准则为Mohr-Coulomb准则,在三维空间的表达形式如公式(3)所示,假设屈服准则和破坏准则相同。
式(3)表示为f(I1,J2,J3)=12{3(1-sin U)sin H+3(3+sin U)# cos H}J2-I1sin U-3c cos U=0(3)式中c,U为强度指标;I1为第一应力不变量,J2和J3为第二、三应力偏张量;H为应力洛德角。
在对土体进行弹-完全塑性有限元分析时,如果高斯点上的应力在破坏面之内,该区域处于弹性状态;如果正好位于破坏面上,则处于屈服状态;如果在破坏面外,则必须进行应力修正。
为了克服Mohr-Coulomb屈服面上的奇异线或尖角,塑性势函数的表达式如公式(4)所示:<(I1,J2)=J2-A#I1(4)式中A=tan W/9+12tan2W,W为剪胀角。
2.4弹塑性有限元计算要点增量理论的弹塑性应力和应变关系如下:{d R}=([D e]-(1-r)[D p]){d E}(5)式中[D e]为弹性矩阵,[D p]为塑性矩阵,具体形式如公式(6)所示。
[D p]=[D e]5g5R5f5RT[D e]5f5RT[D e]5g5R(6)当r=1时,使用弹性矩阵;当r=0时,使用完全弹塑性矩阵;当0<r<1时,表示单元由弹性状态向弹塑性状态过渡,使用弹-塑性矩阵。
根据文献[12],r 可近似采用下式进行计算:r=-f0/(f1-f0)(7)式中f0为初始应力状态(弹性)对应的屈服函数值; f1为试探应力状态(塑性)对应的屈服函数值。
由于刚度矩阵计算时的近似性,由此计算的应力一般来说不会严格满足屈服条件。
在计算中,这种误差是会累积的,因此必须进行修正,使应力回到屈服面上,限于篇幅,这里不再赘述,具体的计算步骤参见文献[12]。
2.5开挖荷载的数值处理认为在开挖过程的任意时刻,体系始终处于平衡状态,方程式如下:(F i nt)t=(F e x t)t(8)内力(F int)t=Q8t B T t{R}t d8(9)其中{R}t为t时刻土体单元的总应力。
外力(F ext)t=Q8t N T t f d8+Q#ht N T t h d#(10)其中f为体力,h为面力。
开挖是对上述平衡体系的破坏,由此产生的不平衡力如下:F$t=Q8$t B T t{R}t d8-Q8$t N T t f d8-Q#h$t N T t h d#(11)其中8$t,#h$t为由于开挖变化的域和边界。
3计算步骤在弹-完全塑性有限元分析中,单元采用八节点408岩土工程学报2001年(a)折减系数1.13(b)折减系数1.16(c)折减系数1.18(d)折减系数1.19图1各种折减系数对应的广义剪应变分布Fig.1Reduction factor versus shear strain六面体等参元,高斯点个数为2@2@2,小应变假设。