有限元强折减法及其在边坡设计中的应用PPT学习教案

1、会计学1有限元强折减法及其在边坡设计中的应有限元强折减法及其在边坡设计中的应用用有限元单元网格划分有限元单元网格划分边坡体的垂直条分和受力分析边坡体的垂直条分和受力分析下滑力抗滑力sF 安全系数安全系数有限元法有限元法有限元强度折减法有限元强度折减法极限平衡法极限平衡法1. 前前 言言第1页/共63页1trialccF 1arctan(tan )trialF 至破坏时至破坏时C、 降低倍数就是安全系数，降低倍数就是安全系数，上世纪上世纪70年代末提出，至今未被广泛应用。年代末提出，至今未被广泛应用。tg第2页/共63页2 有限元强度折减法的优越性有限元强度折减法的优越性（1）具有有限元法的一切

2、优点；）具有有限元法的一切优点；（2）能算出无支护情况下边坡滑动面与稳定安全系数）能算出无支护情况下边坡滑动面与稳定安全系数。滑动面为一局部塑性应变剪切带，在水平位移突变的地滑动面为一局部塑性应变剪切带，在水平位移突变的地方方.第3页/共63页 土质边坡的渐进破坏过程土质边坡的渐进破坏过程第4页/共63页（3）能对有支护情况下边坡进行稳定性评价。）能对有支护情况下边坡进行稳定性评价。 不加锚杆时的塑性区不加锚杆时的塑性区 加锚杆时的塑性区加锚杆时的塑性区边坡稳定安全系数为边坡稳定安全系数为1.1有锚杆支护时安全系数为有锚杆支护时安全系数为1.5第5页/共63页（4）能根据岩土介质与支挡）能根据

3、岩土介质与支挡结构共同作用计算出支挡结结构共同作用计算出支挡结构的内力。构的内力。（5）能模拟施工过程。）能模拟施工过程。第6页/共63页3.有限元强度折减法的两个理论问题有限元强度折减法的两个理论问题 什么是破坏什么是破坏?破坏是物体整体不能承载破坏是物体整体不能承载,物体部分发生分离。物体部分发生分离。 弹性弹性 塑性塑性 破坏破坏 滑面上每点达到极限平衡状态是屈服滑面上每点达到极限平衡状态是屈服不是破坏。不是破坏。 滑面上每点塑性应变都达到极限应变滑面上每点塑性应变都达到极限应变才是破坏。才是破坏。第7页/共63页3.1 有限元中边坡破坏的判据。有限元中边坡破坏的判据。 边坡达到破坏状态

4、时，滑动面上的位移边坡达到破坏状态时，滑动面上的位移将产生突变，产生很大的且无限制的塑将产生突变，产生很大的且无限制的塑性流动，有限元计算都不收敛，性流动，有限元计算都不收敛，因此采用力或位移因此采用力或位移不收敛作为边坡不收敛作为边坡破坏的判据是合理的。破坏的判据是合理的。 边坡失稳后形成的直线滑动面边坡失稳后形成的直线滑动面 第8页/共63页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 第9页/共63页 塑性区贯通并不塑性区贯通并不一定意味着破一定意味着破坏，塑性区贯坏，塑性区贯通是破坏的必通是破坏的必要条件，但不要条件，但不是充分条件，是充分条件，还要

5、看应变是还要看应变是否达到一定的否达到一定的值值. 第10页/共63页 平面上的屈服曲线平面上的屈服曲线第11页/共63页 平面上的屈服曲线平面上的屈服曲线第12页/共63页a2 s i n3 ( 3s i n)2 s i n3 ( 3s i n)2s i n33s i n223 s in23( 9s in)k6c o s3 ( 3s i n)c6c o s3 ( 3s i n)c23c o s33s i nc263c o s23(9s in)c编号编号 准则种类准则种类DP1外角点外接外角点外接D-P圆圆 DP2内角点外接内角点外接D-P圆圆DP3内切内切D-P圆圆DP4等面积圆等面积圆DP

6、5非正交非正交匹配圆匹配圆表表3-1 各准则参数换算表各准则参数换算表 kJIF213sincosc强度准则强度准则第13页/共63页 图图3-2 有限元单元网格划分有限元单元网格划分4 在土坡与岩石边坡中的应用4.1 在均质土坡中的应用 第14页/共63页方法方法坡角坡角 （）3035404550FEM(DP1)1.911.741.621.501.41FEM(DP2)1.641.491.381.271.19FEM(DP3)1.561.421.311.211.12Spencer法法1.551.411.301.201.12(DP1-S)/S0.230.230.250.250.26(DP2-S)/

7、S0.050.060.060.060.06(DP3-S)/S0.010.010.010.010.00第15页/共63页两组方向不同的结构面，第一组倾角30度，平均间距10m，第二组倾角75度，平均间距10m. 第16页/共63页图(a)首先贯通的滑动面 图(b)滑动面继续发展 表3.2.1 计算结果 计算方法计算方法安全系数安全系数有限元法（外接圆屈服准则）有限元法（外接圆屈服准则）1.691.69有限元法（等面积圆屈服准则）有限元法（等面积圆屈服准则）1.391.39极限平衡方法极限平衡方法(Spencer)(Spencer)1.361.36第17页/共63页第18页/共63页 5 在支挡结

8、构中的应用 有限元强度折减法已应用于元磨高速、渝黔高速、福宁高速局部地段西合高速：竹林关陕豫界段岩质高边坡 第19页/共63页5.1 考虑桩-土共同作用的支挡结构计算新方法。 崇-遵高速公路高工天滑坡基开挖下切滑体才56米，即引起滑坡复活，滑面发育在土层和强风化带内。抗滑桩滑床滑体预应力锚索高速公路中线第20页/共63页 接触单元接触单元FEM连续介连续介质质FEM极限平衡法极限平衡法桩土粗桩土粗造接触造接触不平衡不平衡推力法推力法Spencer法法6770644069446400第21页/共63页抗滑桩水平推力分布抗滑桩水平推力分布(有限元有限元) 常规假定常规假定:三角形、矩形、梯形三角形

9、、矩形、梯形第22页/共63页只设置抗滑桩时桩的弯矩、剪力分布抗滑桩内力计算结果第23页/共63页设置预应力锚索后桩的弯矩、剪力分布 第24页/共63页传统方法传统方法有限元有限元强度折强度折减法减法受荷段荷载分布受荷段荷载分布类型假定为三角类型假定为三角形分布形分布受荷段荷载受荷段荷载分布类型假分布类型假定为矩形分定为矩形分布布无预无预应力应力锚索锚索剪力剪力(kN)627683236560弯矩弯矩(kN.m)420625808248100有预有预应力应力锚索锚索剪力剪力(kN)87525732650弯矩弯矩(kN.m)53461132011900不同方法得到的桩内力计算结果对比 第25页/

10、共63页 锚固力优化锚固力优化 分别计算不同锚固力时桩的内力，计算结果如下：分别计算不同锚固力时桩的内力，计算结果如下： 锚固力锚固力(kN)桩的弯矩桩的弯矩(kN.m)有限元法有限元法传统方法传统方法16001970078532268328001190053461131039004550145165583495026501724929675100034101998276061100730025447811071200117003091313575注：表中为传统抗滑桩计算的地基系数法中假定滑坡推力分布为三角形，为矩形第26页/共63页050001000015000200002500030000

11、350001234567桩弯矩(kN.m)有限元法不同锚固力时桩的弯矩折线分布不同锚固力时桩的弯矩折线分布 第27页/共63页第28页/共63页第29页/共63页 （3）支挡后的滑动面及其安全系数 采用有限元强度折减法得到采用预应力锚索加固后滑动面出现在桩顶，不过此时的强度折减系数为1.39。第30页/共63页5.2 5.2 在元磨高速公路高边坡工程中的应用在元磨高速公路高边坡工程中的应用计算采用的典型断面 第31页/共63页试验段施工现场 第32页/共63页有限元网格划分有限元网格划分 第33页/共63页边坡的破坏模式 第34页/共63页有限元得到的框架竖肋弯矩分布 2#竖肋理论弯矩和现场实

12、测弯矩分布 第35页/共63页锚索锚索锚固力锚固力（kN）竖肋最大竖肋最大弯矩弯矩（kN.m）竖肋最竖肋最大轴力大轴力（kN）竖肋最竖肋最大土抗大土抗力力(kPa)有限元结果有限元结果(设计工况设计工况)600140265424有限元结果有限元结果(实际工况实际工况)480112216348现场实测现场实测48064254351有限元计算结果与现场实测结果有限元计算结果与现场实测结果第36页/共63页 5.3 在抗滑桩长度设计中的应用抗滑桩长度设计中的应用 为什么要作桩的长度设计?1、保证桩不出现“越顶”破坏2、采用合理的桩长第37页/共63页第38页/共63页第39页/共63页图图1 边坡示

13、意图边坡示意图Fig.1 Model of the slope第40页/共63页第41页/共63页桩位于桩位于公路下方公路下方 第42页/共63页表表2桩长、桩的位置与边坡安全系数之间的关系桩长、桩的位置与边坡安全系数之间的关系桩桩位位置置桩位于公路下方桩位于公路下方桩桩长长(m)79111315全全长长桩桩安全安全系系 数数1.13 1.15 1.19 1.19 1.191.19第43页/共63页表表2桩长、桩的位置与边坡安全系数之间的关系桩长、桩的位置与边坡安全系数之间的关系(续续)桩桩位位置置桩位于公路上方桩位于公路上方桩桩长长(m)791117192123全全长长桩桩安全安全系系 数数

14、1.14 1.171.191.19 1. 23 1. 251.29 1.34第44页/共63页第45页/共63页单位（单位（kN）全长桩全长桩9米桩米桩15米桩米桩19米桩米桩抗滑段滑坡抗滑段滑坡推力推力16085114051523716167最大剪力最大剪力76773212724903764095最大弯距最大弯距18077046619112910149540滑坡推力比滑坡推力比例例10046.783.4100.5剪力比例剪力比例10027.763.883.5弯距比例弯距比例0025.762.582.7第46页/共63页第47页/共63页6. 6. 基于有限元强度折减法确定基于有限元强度折减法

15、确定滑坡多滑面方法研究滑坡多滑面方法研究 确定可能存在多个潜在剪出口和滑动面的复杂滑坡。第48页/共63页当只有少量钻孔发现滑带特征时，依当只有少量钻孔发现滑带特征时，依据少量滑带位置来判定整个滑带有时可据少量滑带位置来判定整个滑带有时可能出现差错；能出现差错；当滑坡体处于蠕变阶段，滑面尚未形当滑坡体处于蠕变阶段，滑面尚未形成，更无法通过勘查找出滑面；成，更无法通过勘查找出滑面；即使查明了滑带和剪出口，还可能存即使查明了滑带和剪出口，还可能存在次级滑面和潜在剪出口，有时还不止在次级滑面和潜在剪出口，有时还不止一个，容易造成遗漏滑面。一个，容易造成遗漏滑面。 传统滑坡滑动面确定方法存在的问题传统

16、滑坡滑动面确定方法存在的问题第49页/共63页可能潜在剪出口1前沿剪出口滑体滑带下伏稳定层可能潜在剪出口2可能潜在剪出口3第50页/共63页要求：对滑坡有详细勘察资料，即知道坡体及其结构面（含滑面）的位置、形状与强度值。方法：依次约束已知滑面剪出口。确定滑坡多滑面的有效方法确定滑坡多滑面的有效方法有限元强度折减法有限元强度折减法第51页/共63页图图2 2 滑坡模型示意图滑坡模型示意图 滑带滑体滑体下伏稳定岩层第52页/共63页 算例算例表表1 1材料物理力学参数材料物理力学参数 计算模型及材料参数材料材料名称名称重度重度弹性弹性模量模量泊松泊松比比内聚内聚力力内摩内摩擦角擦角kN/m3MPa

17、kPa滑滑 体体20.5300.33024.0滑滑 带带20.0300.326.519.9滑体下伏滑体下伏稳定岩层稳定岩层23.71.61030.220032第53页/共63页基本模型计算结果基本模型计算结果计算安全系数计算安全系数有限元强度折减法 F=F=1.00极限平衡法(Spencer) F F1.002。 图图3 3 滑坡极限状态的滑动面滑坡极限状态的滑动面 滑动面贯通情况滑动面贯通情况沿滑带与稳定层相接触处滑动，是最先的滑动面第54页/共63页表表4 4 约束剪出口示意图约束剪出口示意图（约束剪出口附近ABC段水平位移）MNECABDFGH滑带滑体滑体下伏稳定岩层第55页/共63页图

18、图5 5 约束约束ABCABC段滑坡极限状态的滑动面段滑坡极限状态的滑动面( (F F=1.032)=1.032) 约束ABC段水平位移 滑动面与剪出口情况滑面上移C点以上剪出 F=1.0321.2F=1.0321.2第56页/共63页图图6 6 增加约束增加约束CDECDE段滑坡极限状态的滑动面段滑坡极限状态的滑动面( (F F=1.104) =1.104) 增加约束CDE段水平位移滑面上移E点以上剪出 F=1.1041.2F=1.1041.2滑动面与剪出口情况第57页/共63页图图7 7 增加约束增加约束EFGEFG段滑坡极限状态的滑动面段滑坡极限状态的滑动面( (F F=1.145) =1.145) 增加约束剪出口EFG段水平位移滑面在上段贯通M点以上剪出 F=1.1451.F=1.1451.2 2滑动面与剪出口情况第58页/共63页图图8 8 增加约束增加约束MNMN段滑坡极限状态的滑动面段滑坡极限状态的滑动面 ( (F F=1.163) =1.163) 约束MN段水平位移滑面