有限元极限分析法在边坡中的应用

1、有限元极限分析法在边坡中的应用有限元极限分析法在边坡中的应用重庆市地质灾害防治工程技术研究中心重庆市地质灾害防治工程技术研究中心中国人民解放军后勤工程学院中国人民解放军后勤工程学院 教授教授郑颖人郑颖人一、一、有限元极限分析法有限元极限分析法 经典极限分析法适用工程设计经典极限分析法适用工程设计 但需要事先知道破坏面，适应性差但需要事先知道破坏面，适应性差 有限元法适应性广有限元法适应性广, ,但无法算但无法算 安全系数安全系数有限元极限分析法有限元极限分析法, ,既适用于工程既适用于工程 设计设计, ,且适应性广且适应性广 特别适用于岩土工程设计特别适用于岩土工程设计（边（边( (滑滑) )

2、坡、地基、隧道）坡、地基、隧道）1 1、有限元极限分析法的原理有限元极限分析法的原理安全系数定义安全系数定义强度储备安全系数强度储备安全系数 下滑力抗滑力sF边坡体的垂直条分法边坡体的垂直条分法 2 2、有限元强度折减法、有限元强度折减法1trialccF 有限元强度折减法有限元强度折减法不断降低岩土不断降低岩土C C、 值，直到破坏。值，直到破坏。自动生成破坏面，给出破坏信息。自动生成破坏面，给出破坏信息。1arctan(tan )trialF 强度降低，破坏面自动形成可求安全系数，还可求破坏面剪切应变增量云图剪切应变增量云图 a.a.滑面塑性区贯通滑面塑性区贯通b.b.滑动面上的位移与应变

3、将产生突变，滑动面上的位移与应变将产生突变，产生很大的且无限制的塑性流动产生很大的且无限制的塑性流动c.c.有限元计算都不收敛，采用力或位移有限元计算都不收敛，采用力或位移不收敛作为边坡破坏判据不收敛作为边坡破坏判据直线滑动面直线滑动面 3 3、有限元中边坡、有限元中边坡破坏的判据破坏的判据滑面上节点水平位移随荷载的增加而发生突变滑面上节点水平位移随荷载的增加而发生突变 两两安全安全系数系数比较比较1 1、具有两组平行节理面的岩质边坡、具有两组平行节理面的岩质边坡两组方向不同的节理，第一组软弱结构面倾两组方向不同的节理，第一组软弱结构面倾角角3030度，第二组软弱结构面倾角度，第二组软弱结构面

4、倾角7575度度. . 计算计算结果结果 首先贯通的滑动面首先贯通的滑动面 滑动面继续发展滑动面继续发展2. 岩土质二元边坡稳定分析结构面强度参数取结构面强度参数取c=10c=10、=20=20结构面强度参数取结构面强度参数取c= 30c= 30、=30=303岩质边坡倾倒稳定分析(离散元)结构面倾角结构面倾角强度折减系数强度折减系数1.301.30结构面倾角结构面倾角2 2，安全系数，安全系数1.961.96三维楔形体的计算 非对称楔形体模型非对称楔形体模型 非对称楔形体计算非对称楔形体计算 等效塑性应变图等效塑性应变图x有限元强度折减法安全系数为有限元强度折减法安全系数为1.601.60，

5、用理正岩土系列软件计算安全系数为用理正岩土系列软件计算安全系数为1.6361.636。两者的计算误差为两者的计算误差为2.2%2.2%。 4. 三维边坡稳定分析n5、边坡分类与破坏特征、边坡分类与破坏特征(11类类)n类均质土边坡类均质土边坡(可视、动态、定量可视、动态、定量)n 顺层边坡破坏特征示意图顺层边坡破坏特征示意图 n 溃屈边坡破坏特征示意图溃屈边坡破坏特征示意图 n双向顺层边坡破坏特征示意图双向顺层边坡破坏特征示意图n三维楔形体边坡破坏特征示意图三维楔形体边坡破坏特征示意图 n切层边坡破坏特征示意图切层边坡破坏特征示意图 n倾倒边坡破坏特征示意图倾倒边坡破坏特征示意图 n堆积层边坡

6、破坏特征示意图堆积层边坡破坏特征示意图 n岩土二元边坡破坏特征示意图岩土二元边坡破坏特征示意图 n软岩挤出边坡破坏特征示意图软岩挤出边坡破坏特征示意图 三、三、有限元极限分析法在抗滑桩有限元极限分析法在抗滑桩设计中的应用设计中的应用抗滑桩设计中存在的问题抗滑桩设计中存在的问题: :1 1、无法计算桩前抗力（假设为、无法计算桩前抗力（假设为0 0或剩余抗滑力）或剩余抗滑力）2 2、无法计算推力分布规律、无法计算推力分布规律3 3、不能进行桩长设计、不能进行桩长设计4 4、不能计算埋入式抗滑桩的推力与抗力、不能计算埋入式抗滑桩的推力与抗力5 5、不能计算多排抗滑桩与抗滑桩间距、不能计算多排抗滑桩与

7、抗滑桩间距1 1、滑坡推力与桩前抗力的计算滑坡推力与桩前抗力的计算 重庆市奉节县内分界梁隧道滑坡，重庆市奉节县内分界梁隧道滑坡，抗滑桩截面尺寸为抗滑桩截面尺寸为2.4m2.4m3.6m3.6m。 表表1 1 材料物理力学参数材料物理力学参数材料名称材料名称重度重度 弹性弹性模量模量泊松比泊松比粘聚力粘聚力内摩擦角内摩擦角滑体土滑体土22100.352820滑带土滑带土22100.352017滑床滑床26.160.28500039抗滑桩抗滑桩250.2按弹性材料处理按弹性材料处理采用实体单元模拟或梁单元模拟桩采用实体单元模拟或梁单元模拟桩 不同方法滑坡推力与桩前抗力不同方法滑坡推力与桩前抗力方法

8、方法滑坡推力滑坡推力 桩前抗力桩前抗力设计推力设计推力实体单元法实体单元法539053901830183035603560梁单元法梁单元法535053501700170036503650不平衡推力法不平衡推力法（隐式解）（隐式解）5420542025802580284028401 1、三种算法，滑坡推力基本一致；、三种算法，滑坡推力基本一致；2 2、实体单元法与梁单元法抗力与实际推力、实体单元法与梁单元法抗力与实际推力 相近，不平衡推力法相差大；相近，不平衡推力法相差大；2 推力与抗力的分布规律推力与抗力的分布规律 n 计算机可显示滑面以上桩后推力与计算机可显示滑面以上桩后推力与桩前抗力的水平

9、应力分布。桩前抗力的水平应力分布。 图图5 推力分布推力分布 图图6 抗力分布抗力分布3、抗滑桩长度的确定、抗滑桩长度的确定安全系数安全系数1.01.0 桩长：桩长： 7米米 9米米 11米米安全系数安全系数: 1.14 1.17 1.19桩增长桩增长, 滑面升高、安全系数增加滑面升高、安全系数增加合理桩长合理桩长: 桩长安全系数大于设计安全系数桩长安全系数大于设计安全系数-设计要求设计要求安全系数安全系数1.15模型尺寸模型尺寸: 3.52.82.02米米模型桩长模型桩长: 2.2米米, 1.8米米, 1.5米米, 1.2米米抗抗滑滑桩桩室室内内模模型型试试验验合理桩长的确定合理桩长的确定

10、断地质剖面图 桩长桩长24m24m，滑坡的稳定性已达到设计安全要求，滑坡的稳定性已达到设计安全要求 四、四、 有限元极限分析法在加筋土挡墙有限元极限分析法在加筋土挡墙应用应用, ,6060米高加筋土边坡是重大突破米高加筋土边坡是重大突破规范采用经验法计算，坡高小于规范采用经验法计算，坡高小于2020米米广西河池机场节省广西河池机场节省经费约六千万经费约六千万已稳定三年已稳定三年边坡剖面示意图边坡剖面示意图跑道总长为跑道总长为3800米米 土工格栅示意图土工格栅示意图 加筋土挡墙与原方案工程费用对比表加筋土挡墙与原方案工程费用对比表 土地价格土地价格100万元万元/亩，土方的单价取亩，土方的单价取10元元/m3 加筋土与桩联合支挡方案示意图加筋土与桩联合支挡方案示意图边坡高边坡高75m75m，加筋土高，加筋土高50m50m，桩悬臂长桩悬臂长25m(25m(正在施工正在施工) )现羽状裂缝。坡体现羽状裂缝。坡体中上部出现下沉、中上部出现下沉、下错等现象。下错等现象。缝再出现垂直滑动方向缝再出现垂直滑动方向的鼓胀裂缝，有时有坍的鼓胀裂缝，有时有坍塌，泉水增多或减少塌，泉