临界滑动场法理论和工程应用(精品)

单击以编辑,母版标题样式,单击以编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,临界滑动场法理论和工程应用,第一章 绪论,第二章 边坡稳定性极限平衡法显式解答,第三章,边坡稳定性极限平衡法统一计算框架,第四章 锚固边坡稳定性计算分析方法,第五章,Morgenstern,-Price,法的改进,第六章 严格,Janbu,法的改进,第七章 边坡临界滑动场的提出与数值模拟方法,第八章 基于严格条分法的边坡临界滑动场,第九章 边坡临界滑动场法的工程应用,第十章 应用临界滑动场法计算土压力,第十一章,应用临界滑动场法计算地基承载力,第十二章 总结,边坡临界滑动场的提出,与数值模拟方法,研究背景,确定边坡任意形状临界滑动面位置，得到边坡最小安全系数，是边坡稳定性分析的关键之一，也是岩土工程界研究的热门课题之一。大致有,4,类方法：,1.,变分法,Castillo,等、,Ramamurthy,等、,Narayan,等。实际应用极有限，但可检验其它方法的优劣。,2.,动态规划法,Baker,、,Yamagami,等。算法非常繁复，不能在工程中普及，但能得到全局最优结果。,3.,非线性规划法,主流方法，,Cellestino,等,和,Nguyen,用单纯性法，,Li,等,用交替变量法，,Arai,等,和邹广电用共轭梯度法；,Basudhar,等用序列无约束极小化方法,SUMT,。,陈祖煜分别用单纯性法、,Powell,法、负梯度法和,DFP,法,。由于目标函数不光滑甚至不连续，优化结果往往是局部极值，且依赖初始面的选择。,4.,随机搜索法,Boutrup,、,Greco,、,陈祖煜。,缺乏理论依据，效率不高，不能保证能到全局临界滑动面。,CSF,定义与推力最大原理,求最小安全系数的问题可归结为最优化问题：,G,为目标函数，,P,n,为剩余推力。引入,Lagrange,函数,目标函数,G,取极值的必要条件,F,s,最小化问题可转化为,P,n,最大化问题（约束条件为,P,n,=0,）。,即,确定安全系数最小的临界滑动面问题等价于确定剩余推力最大且为零的滑面。,由于,极值必要条件：,危险滑动场,(,DSF, Dangerous Slip Field),：,固定安全系数，所有剩余推力极大的滑动面组成的场；,临界滑动场,(,CSF, Critical Slip Field),：,最小安全系数下，最大剩余推力为零的危险滑动场，其中包括临界滑动面；,全局临界滑动面,(,GCSF, Global Critical Slip Field),：,所有局部临界滑动面组成的场。,推力最大原理,：,危险滑动面上滑体的任一点条块间推力都尽可能达到最大。,推论,：如果一个滑面是危险滑动面（出口处剩余推力最大），则该面上任一点至坡顶部分的子滑面也必构成危险滑动面（将此点作为子滑面的出口，其剩余推力也必最大）。,Bellman,最优性原理,：作为整个过程的最优策略具有这样的性质：即无论过去的状态和决策如何，对前面的决策所形成的状态而言，余下的诸决策必须构成最优性决策；简言之，一个最优策略的子策略总是最优的。,CSF,的数值模拟（基于力平衡）,DSF,、,CSF,、,GCSF,数值计算步骤：,（,1,）圈定计算范围，潜在滑体入口段、出口段；,（,2,）边坡体分条与离散；,（,3,）设定安全系数,Fs,，,按最大推力原理计算各离散点的危险滑动方向及最大推力；,（,4,）从离散点的危险滑动方向场，通过线性插值追踪出各出口危险滑动面，得危险滑动场,DSF,；,（,6,）,选定剩余推力最大危险滑面，计算其安全系数，重新模拟,DSF,，,直至最大的剩余推力为零，得,CSF,，,临界滑动面，最小安全系数；,（,7,）针对各出口，分别计算局部临界滑动面，最后得全局临界滑动场,GCSF,。,CSF,追踪,DSF,GCSF,边坡体分条与,离散,CSF,法：,Fsmin=1.021,变分法：,Fsmin=1.04,CSF,法：,Fsmin=0.789,变分法：,Fsmin=0.91,GCSF,GCSF,岩体边坡,GCSF,（,顺坡层面）,岩体边坡,GCSF,（,顺坡层面,+1,组顺坡节理，倾角,15,；,1,组逆坡节理，倾角,-30,）,岩体边坡,GCSF,（,断层）,基于严格条分法的边坡临界滑动场,CSF,的数值模拟（基于力与力矩平衡）,计算步骤：,（,1,）,设定初始值,F,s0,和,0,，可直接取,F,s0,=1,0,=0,，,计算所有离散点的危险滑动方向以及坡面出口点的剩余推力，追踪对应最大剩余推力的最危险滑面或依次预定出口的危险滑面；,（,2,）,选取上步的滑动面，按严格计算安全系数,F,s1,和条间力函数的形状系数,1,。为了得到精确的严格解，计算固定滑面安全系数时，可进一步细分条块；,(,（,3,）,以,F,s1,和,1,为设定值，重复,(1),与,(2),步，直至前后两次,F,s,差值小于预设范围。对于介质复杂的边坡，预设范围较难选定，可规定迭代最多步数，一般取,5,步就足够了。,CSF,的计算在本步结束；,（,4,） 选定下一个出口，重复,(1),至,(3),步计算对应的局部临界滑动面，此时初始值,F,s0,和,0,可直接取前一个局部临界滑面的对应值，这时只需,12,步就收敛。如此重复，最终得,GCSF,。,严格法安全系数最小性的论证,目标函数,G,亦即,F,s,取极值的必要条件为,：,由于,极值必要条件：,严格法安全系数最小性的检验,曼谷机场试验路堤的验证,天生桥二级水电站首部右岸滑坡验证,CSF,法安全系数比非线性规划法低,10%,左右,安徽,怀洪新河某堤段滑坡验证,复合滑面计算模式,(,原文,),:Fs=,0.707,实际滑坡施工断面,GCSF Fs=,1.07 (Morgenstern-Price,法,),设计第一期施工断面,GCSF Fs=,1.057 (Morgenstern-Price,法,),CSF,法与,FLAC,的比较,美国垦务局土石坝专家,A.K. Chugh,博士例用,FLAC,程序计算,CSF,法算例，得到的结论是结果非常接近,CSF: 1.395,FLAC: 1.398,SSTAB2: 1.430,CSF:,1.016,FLAC:,1.015,SSTAB2:,1.026,CSF:,0.947,FLAC:,1.096,SSTAB2:,0.960,边坡临界滑动场法的工程应用,峨口铁矿露天采场边坡设计,采场平面布置简图,4,号剖面,DSF,4,号剖面不同坡角的临界滑动面,（坡角,=45,，,F,s,=1.25,，,干坡） （,F,s,=1.25,，,干坡）,4,号剖面坡角,-,临界坑底标高关系曲线图,新桥硫铁矿下盘边坡设计,新桥矿边坡极限高度,邵三高速公路三明市境内,MA1,标段,K31+920,K32+260,段左侧高边坡稳定性分析,CSF,最小安全系数,Fs,1.278,GEO-SLOPE,最小安全系数,Fs,1.302,加固方案,:,第三级采用锚索框架，锚索拉力,700,KN ;,第五级采用锚杆框架，锚杆拉力,250,KN,加固后边坡,最小安全系数,CSF,：,1.388,GEO-SLOPE,：,1.436,京福高速公路,SA11,合同段,YK236+740+840,段路堑右边坡稳定性分析,最小安全系数,加固前,: 1.118,加固后,: 1.369,最小安全系数,加固前,: 1.085,加固后,: 1.214,京福国道主干线三明市境内高速公路,SA6,合同段,K192+970,K193+205,段路堑右侧高边坡防护加固工程,最小安全系数,加固前,: 1.002,加固后,: 1.167,邵三高速公路三明市境内,MA3,标段,ZK45+191,+390,段左侧高边坡防护加固工程稳定性验算,最小安全系数,加固前,: 1.027,加固后,: 1.116,长江三峡库区湖北省巴东县官渡口镇,滩坪滑坡（上滩坪边坡）稳定性验算,百色水利枢纽,边坡稳定性分析,某国防工程地下指挥所深基坑加固方案设计,CSF,法优点：,（,1,） 无需设定初始滑动面；,（,2,） 理论严密，确定性解答，全局最优；,（,3,） 编程简单，便于应用；,（,4,） 适应性强，可考虑复杂的岩土介质；,（,5,） 可同时评价边坡局部和整体稳定性。,第十章 应用临界滑动场法计算土压力,土体,CSF,推测,(,a) CSF,示意图；,(,b),典型滑体上的作用力,推力极值原理,土体,CSF,中的任一点的推力都必须达到极值，主动时（,ACSF,）,推力达到最大，被动时（,PCSF,）,推力达到最小。要使,P,A,在主,(,被,),动时达到最大,(,小,),，,P,B,也必须达到最大,(,小,),。,达到极值的推力称为临界推力，对应的临界滑面的切线斜率称为临界滑动方向。,A(P)CSF,数值模拟示意,小结：,基于推力极值原理（等价于最优性原理）和极限平衡条分法的,CSF,法计算出的临界滑动场与基于严格塑性力学的滑移线场出乎意料的吻合，且土压力值几乎完全相等,。,可以预计,CSF,法解其它没有解析解的土压力问题会具有足够的计算精度。,土,压力系数比较,任意土层的,ACSF,及主动土压力,挡墙线顶转动时土压力分布,第十章 应用临界滑动场法计算地基承载力,等效性原理,： 承载力系数,N,对于特定的,值,，,只与,基础超载比,有关。,Terzaghi,公式：,超载比：,修正系数：,九、,CSF,法特例：三角条块法,对于无超载的无粘性均质土体，,A(P)CSF,是由一簇几何相似临界滑动面组成，可用三角条块法直接临界滑动面及土压力值。三角条块同样要利用最优原理确定临界滑动方向,推力倾角函数,:,被动状态土体临界滑裂面,主动状态土体临界滑裂面,基于上限解的三角条块法,基底倾斜,地震作用,荷载倾斜,地震作用,荷载倾斜修正,:,地面倾斜修正,:,地震作用修正,:,第十二章 总 结,1.,边坡极限平衡显式解答与统一计算框架,通过假设滑面正应力分布，建立并化简力与力矩平衡方程，推导出关于安全系数的,3,次代数方程，直接得到满足严格意义下的边坡极限平衡显式解答。这个显式解是首次获得的，而传统的极限平衡条分法是假定条间力作用方式，建立平衡方程，然后通过复杂的迭代求解安全系数。用滑面正应力分布修正模式，将现有,12,种极限平衡条分法纳入统一计算框架。将这些分法的条间力假设统一转化为滑面正应力的初始分布，通过自动迭代不断修正这个分布，最终得到稳定收敛的边坡安全系数。新的统一计算格式抓住了各种条分法的本质，体现了它们的共性与区别，理论上更为严密，应用上更加方便,。,2.,锚固边坡稳定性计算方法,基于滑面正应力修正模式，将加固后边坡滑面上的正应力视为加固前滑面正应力（仍用传统方法获取）与锚固力引起的滑面正应力（近似弹性力学解析解）之和，然后通过修正，直接得到加固后边坡安全系数或满足给定安全系数的所需锚固力，并且这两种算式完全等价。这种新的算法，克服了传统做法导致滑面正应力反常等严重的理论缺陷，充分保证了锚固边坡稳定性计算结果的合理性，在边坡加固工程中有广泛的应用前景。,3.,两个著名边坡稳定性计算方法的改进,在众多边坡稳定性计算方法中，,Morgenstern,-Price,法和严格,Janbu,法是为著名的严格条分法；前者理论严密、收敛性好，但计算过程繁复，不能为一般边坡设计人员掌握；后者较为简单，但极易出现不收敛等数值困难，只适合手工试算，编制程序困难。通过研究，我们建立了条间力与条间力矩的简单递推方程，提出极为简明的迭代算法，迅速得到,Morgenstern,-Price,法安全系数；提出用光滑样条函数描述条间力矩，使严格,Janbu,法在任何情况下都能稳定收敛。两个方法的改进，极大地方便工程设计人员应用，有利于改变我国边坡工程界长期使用不严格条分法计算边坡稳定性的局面。,4.,边坡临界滑动场法理论基础与数值模拟,在国内外首创边坡临界滑动场法，建立了完整的边坡临界滑动法的理论基础与数值模拟，圆满地解决了长期困扰边坡工程界的确定任意形状滑动面位置这一重大理论难题。临界滑动场是由众多危险滑动面组成，通过剖析条间力推递关系，提出与最优性原理等价的推力最大原理即危险滑动面上滑体的任一条块间推力都尽可能达到最大。以推力最大原理为理论基础，完整地发展了边坡临界滑动场法数模拟方法，编制了通用程序。大量算例比较与实例验证表明临界滑动场法能给出比其它优化法更危险的临界滑动面，并可充分逼近变分理论解。临界滑动场法原理简单，计算方便，计算结果稳定唯一，还可考虑介质复杂特性如不连续性、各向异性以及强度的非线性，可以显示边坡整体与局部的稳定性程度及潜在滑面位置，有利于全面评价边坡稳定性，这些是传统与当今所有其它方法所不能比拟的，非常值得在边坡工程特别是重要边坡工程中大力推广应用。,5.,边坡临界滑动场法的工程应用,临界滑动场法自提出并在以后的改进过程中，一直应用于实际边坡工程设计与加固，涉及领域有矿山、交通、水利水电、国防与人防工程。临界滑动场法特别适合进行多剖面的大型边坡工程设计与优化，先后完成了安徽新桥硫铁矿二期下盘边坡、山西峨口铁矿边坡稳定性评价与优化设计，计算工作效率成,10,倍以上的提高，且计算精度与可靠性远远超过工程中使用的其它方法。在京福高速公路福建境内、,深汕高速公路西段高路堑边坡稳定性评价与加固设计中，临界滑动场法与锚固边坡稳定性计算方法发挥了重要作用，由于计算精度高且方便迅速，全路段多处边坡设计都可在极短时间内完成，并且根据工程给出的信息，可及时变更设计，达到缩短工期、节省投资、保证质量的目的。我们应用临界滑动场法进行了国防与人防工程深基坑支护设计。,6.,临界滑动场法计算土压力与地基承载力,边坡临界滑动场方法的基本原理同样适合解决一类岩土稳定性课题，我们将此方法进行改进与拓展，成功地用于土压力与地基承载力计算。计算结果表明，基于极限平衡条分法与推力最大原理的临界滑动场法可以得到与严格塑性力学几乎一致的土压力与地基承载力解答，在此前，单纯的极限平衡条分法只能得到精度很差的近似解答。而与塑性力学方法相比，临界滑场法可适用复杂地层和外载条件。应用临界滑动场法以及它的特例三角条块法，我们对各种情况的土压力与地基承载力进行了系统的研究，得出了一些很有理论意义的结论，编制了一些有实用价值的图表，供工程设计应用。目前的研究显示，临界滑动场法完全可以成为自成一体、具有普遍意义的岩土稳定性新的分析方法体系。,谢谢各位专家指导！,