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2017届本科毕业论文 边坡破坏过程模拟 学 院 土木工程学院 专业班级 13地质班 学 号 13201070136 学生姓名 樊 凌 川 指导教师 沈 华 章 提交日期 2017年6月5日 边坡破坏过程模拟摘要边坡稳定性的评价对于地质灾害防治具有重要意义。本文比较了极限平衡法、强度折减法、极限分析法三种方法计算边坡稳定性及其数值分析。结合大量滑坡实例，分析边坡破坏的几种形式，总结出边坡稳定性评价准则；基于边坡稳定性计算方法的综合性分析，采用强度折减法，通过算例计算分析，证明该法是边坡稳定性分析的有效方法之一。 关键词 ： 强度折减法；滑坡；破坏模拟；边坡稳定性第一章 绪论 1.1 选题背景及研究意义 边坡稳定性分析是岩土工程的一项重要工作。在我国,尤其是三峡工程及西部大开发中,出现了许多岩质边坡工程,如三峡船闸高边坡、链子崖危岩体以及由于移民迁建用地、城市建设用地、水电建设形成的岩质边坡等等,为了减少和防止各种岩质边坡事故的发生,有必要加强这类边坡稳定性分析方面的研究工作。 随着城市建设及土地开发利用,城市里建筑物周边的环境边坡一城市岩质边坡在山地城市建设中日益增多。城市岩质边坡虽然规模较小,但由于其与周边环境、人类活动联系密切,会直接影响到城市中建筑主体工程的可行性论证、经济指标和正常使用等。目前对于一些城市岩质边坡的破坏机制认识尚不足,一方面过于保守的边坡设计造成工程造价过高,造成不必要的浪费另一方面边坡经常发生失稳事故,危及生命财产,给国家带来了巨大的损失。因此,须加强研究城市岩质边坡的稳定性及其控制。中国是一个滑坡灾害极为频繁的国家，其中大型和巨型滑坡占有突出重要的地位，尤其是在中国的西部地 区，大型滑坡更是以其规模大、机制复杂、危害大等特点著称于世，在全世界范围内具有典型性和代表性。收集 20 世纪以来发生在中国大陆的典型大型滑坡灾害实例，这些大型滑坡涉及到不同的地质环境条件和坡体地质结构，具有不同诱发机制和触发因素。分析结果表明，中国大陆大型 滑坡发育最根本的原因是具有有利的地形地貌条件，约 80%的大型滑坡发生在环青藏高原东侧的大陆地形第一个 坡降带范围内。同时，该地区也是世界上板内构造活动最为活跃的地区，其地壳内、外动力条件强烈的交织与转 化，促使高陡边坡发生强烈的动力过程，从而也促进大型滑坡灾害的发育。强震、极端气候条件和全球气候变化 构成大型滑坡发生的主要触发和诱发因素：中国南方暴雨强度达到 200300 mm/d 时就易于触发大滑坡的发生； 中国西北地区春季冻结层的融化，也是大规模黄土滑坡发生的诱因。近年来全球气候变化导致气温上升、雪线上移、冰川后退、冰湖溃决，也都成为特定地区大型滑坡灾害发生的诱发和触发因素。另外，70%以上大型滑坡发生与人类活动有密切的关系。滑坡机制分析结果表明，中国的大型滑坡通常具有复杂的生成机制：总的来看，大型滑坡发生的岩土介质主要有以下3类，即岩质滑坡、土层滑坡和松散堆积层滑坡。除松散堆积层滑坡，前两者 都涉及复杂的演化机制及过程，其典型的地质力学模式包括：滑移拉裂剪断“三段式”模式、“挡墙溃决” 模式、近水平岩层的“平推式”模式、反倾岩层大规模倾倒变形模式、顺倾岩层的蠕滑(弯曲)剪断模式等。每一类模式都具有其对应的岩体结构条件和特定的变形破坏演变过程。通常大型岩质滑坡的发生一般都伴随有滑动面 上“锁固段”的突发脆性破坏，“锁固段”在岩质边坡的变形控制和稳定性机制中具有重要地位，也是边坡地质灾 害评价与控制的关键。实践结果表明，查明边坡(滑坡)变形破坏的地质力学模式是滑坡地质灾害防治的基础所在。所以研究边坡破坏模拟过程有助于让我们了解边坡破坏的模式以及预防滑坡等灾害，有助于我国经济建设维护社会秩序稳定发展保障国家公民的生命和财产安全。 1.2国内外研究情况 法国学者工程师库伦于1776年提出计算挡土墙压力方法，之后英国学者朗肯于1857年在假定挡土墙后土体各点处于极限平衡状态的基础上建立了计算主动和被动土压力的方法，两人分析土压力的方法逐渐发展为一个体系，该体系即为极限平衡法。迄今为止，国内外对边坡稳定分析仍普遍采用该方法。 1916年，瑞典人彼得森研究出了瑞典圆弧法，在不久后1927年，瑞典学者费兰纽斯在基础上做出了修改：假定了土条底法向应力能够看作是土条重量在法线方向的投影，这个修改极大简化了计算的工作量。 伴随着土力学学科的发展，众多国内学者对极限平衡法进行了广泛而深入的研究，提出了许多修正方法。总结起来有两个显著的成果：其一，对最危险滑弧位置的规律进行重点探索，通过制作列表、曲线来减少工作量；其二，修改和补充基本假定，提出更符合实际的适用性更广泛的任意滑裂面的计算方法。 1.3本文的研究内容及技术路线本文主要以边坡为研究对象，从边坡的工程地质概况、水文地质背景出发，对边坡稳定性分析中使用的物理力学参数进行研究，研究粘聚力、内摩擦角对边坡稳定性的影响。然后根据文献总结结果，选择有代表性的边坡稳定性分析算例，采用选定的方法，研究这些边坡的破坏面位置，以及稳定性大小。由已经进行分析的算例及相关文献的总结，选取有代表性的工程案例开展边坡稳定性研究，研究该工程边坡潜在滑面位置，确定其抗滑稳定安全系数大小。如果边坡稳定性不满足要求，探讨采用何种方式对边坡进行加固，以及加固后边坡稳定安全系数。本文综合考虑之后决定采用强度折减法，采用ABAQUS软件来辅助完成论文。第二章 强度折减法1.1 边坡稳定性计算方法介绍一、极限平衡计算法是当前国内外边坡工程中边坡稳定计算常用的基本方法.用该方法能确定边坡滑动面位置和破坏型式,能根据边坡不同破坏形式和任意滑动面位置来计算边坡稳定系数,它适用于边坡体不同地质条件和边坡各类破坏形式.在国内露天矿边坡稳定性计算中,已得到广泛应用,如兰尖铁矿、大冶铁矿、海南铁矿、永平铜矿和行洛坑钨矿等边坡工程中边滑坡稳定计算均用此方法.二、有限单元法是应力、应变分析法,即用弹性理论分析边坡体的应力状态.它只能分析在弹性阶段边坡体应力、应变和位移分析情况,不能对边坡体的破坏情况给出定量的分析.因此,当前在国内露天矿边坡稳定计算中应用该方法时,常用极限平衡法计算进行对比校核（如海南铁矿、新桥铜矿）.该方法能适用于边坡岩体的复杂条件.三、概率分析法只能用数理统计方法,分析研究影响边坡稳定诸因素的规律,求出边坡不稳定概率,但不能完全定量地给出边坡稳定或不稳定的程度.当前在国内露天矿边坡稳定性计算中应用该方法时,常用极限平衡计算法进行对比校核,如攀钢石灰石矿边坡稳定性研究.该方法适用于边坡体的复杂条件,能根据边坡不同破坏类型用电子计算机算出边坡不稳定概率.采用以上三种方法都必须获得边坡稳定性计算分析所需的各项资料,并将计算结果和类似矿山进行对比；在不具备边坡稳定性计算分析资料的情况下,可根据设计工程的具体条件,用类比法确定边坡角.1.2强度折减法致谢时如逝水，不舍昼夜。美丽的时光总是走得那样快，那样让人来不及留恋便以成为永恒。转眼之间，我已站在了大学尾巴上，即将对自己的大学生活说再见，对这个美丽的母校说再见，对培育了我四年的和蔼的师长说再见。而这些告别将从这篇论文开始，它将为我的大学生活画上圆满的句号，同时也为我对这片土地的怀恋打上无限的省略号!回首来路，我为自己感到庆幸，因为在我最美丽的年华能在这样美丽的校园中度过（清晨，能伴着和风与笑声与室友漫步在教学楼的路上；中午；能与室友品尝到几个食堂的美食；而晚上则能与室友一起在足球场跑步或散步）；因为在我走向社会前，能有才华横溢的师长教导我，帮我丰满羽翼，让我在未来可以自由的翱翔在社会这片广阔的天空中；因为在这段走向成熟的路上遇到了那么多好朋友。在这宝贵的四年中，我在学习上和思想上都获益良多。而这些的获得则与各位老师，同学和朋友的关心与帮助是分不开的。本论文是在导师和研究员的悉心指导下完成的。导师精益求精的工作作风，严谨无误的治学态度，深入浅出的教学方法，渊博的专业科学知识，严以律己，宽以待人的崇高风范，诲人不倦的高尚师徳，朴实无华、和蔼可亲的人格魅力对我影响极其深远。他们不仅让我掌握了科学的研究方法，还使我树立了远大的学术目标，更使我明白了许多待人接物和为人处世的方法与道理。本论文从选题到完成，都是我根据导师的指导与自己平时的所学完成的，不光花费了我大量的时间与精力，更倾注了导师大量的心血。在此，请允许我再次向导师表示崇高的敬意与由衷的感谢！最后，愿师长岁岁安康，母校蓬勃发展。不论今后我身在何处，我都会记得你们，记得母校，记得这片我生活了四年的土地。情长纸短，千言万语尽在不言中！参考文献1.卡塔索诺夫；.梅斯希。 国外露天矿边坡稳定性研究现状。国外金属矿山J.1991(8)。2康平；穆伟；汪子杰；张德明。基于强度折减法的某公路边坡稳定性数值模拟。工土基础J。2012。3张社荣。强降雨特性对饱和非饱和边坡失稳破坏的影响。岩石力学与工程力学报J。2014。4Risk analysis of slope instability of levees under river sand mining conditions.Zhuo-fu WANG*, Ji-yong DING, Gao-sheng YANG.J5郑颖人；赵尚毅；邓卫东。岩质边坡破坏机制有限元数值模拟分析。岩石力学与工程学。J。2013。6刘传正。浙江遂昌县苏村崩塌滑坡灾害。中国地质灾害与防治学报。J。2016。7程谦恭,胡厚田,彭建兵,胡广韬. 高边坡岩体渐进性破坏粘弹塑性有限元数值模拟J. 工程地质学报,2000,(01):25-30.8CHEN ZuYu,GONG WenJun,MA GuoWei,WANG Jie,HE Lei,XING YiChuan,XING JianYing. Comparisons between centrifuge and numerical modeling results for slope toppling failureJ. Science China(Technological Sciences),2015,(09):1497-1508.9黄润秋。20世纪以来中国的大型滑坡及其发生机制。岩石力学与工程学。J。2007。10曹平; 张科; 汪亦显; 林杭.多层边坡破坏机制数值模拟研究。岩土力学。J。2011.11徐卫亚; 肖武。基于强度折减和重度增加的边坡破坏判据研究。J。2011.12倪武杰。土质边坡破坏过程机理及稳定性研究。长安大学。C。2010。13陈国庆,黄润秋,周辉,许强,李天斌。边坡渐进破坏的动态强度折减法研究J.。岩土力学,2013,(04):1140-1146。14王家臣; 谭文辉。边坡渐进破坏三维随机分析。煤炭学报。J。1997。15冯文凯,石豫川,柴贺军,冯学钢,兰波。 缓倾角层状高边坡变形破坏机制物理模拟研究J. 中国公路学报,2004,(02):33-37。16彭状.蒙库铁矿露天采场岩石边坡破坏模式分析。矿冶工程。J。2013。17林杭,曹平,李江腾,江学良,何忠明. 层状岩质边坡破坏模式及稳定性的数值分析J. 岩土力学,2010,(10):3300-3304.18李传宝; 程谦恭; 徐彩风.滇中红层地区边坡变形破坏模式研究。路基工程。J。2007。19冯君,周德培,李安洪. 顺层岩质边坡开挖稳定性研究J. 岩石力学与工程学报,2005,(09):1474-1478.20万少石,年廷凯,蒋景彩,栾茂田. 边坡稳定强度折减有限元分析中的若干问题讨论J. 岩土力学,2010,(07):2283-2288+2316.21汪小刚,张建红,赵毓芝,韩连兵. 用离心模型研究岩石边坡的倾倒破坏J. 岩土工程学报,1996,(05):18-25.22张国新,赵妍,石根华,彭校初. 模拟岩石边坡倾倒破坏的数值流形法J. 岩土工程学报,2007,(06):800-805.23杨天鸿; 芮勇勤; 唐春安等。阜新海洲露天矿顺层边坡变形破坏机理分析。水文地质工程地质。J。2001。24王志伟,王庚荪. 裂隙性粘土边坡渐进性破坏的FLAC模拟J. 岩土力学,2005,(10):116-119.25李克钢. 岩质边坡稳定性分析及变形预测研究D.重庆大学,2006.26李连崇,唐春安,邢军,唐烈先. 节理岩质边坡变形破坏的RFPA模拟分析J. 东北大学学报,2006,(05):559-562.安徽建筑大学土木工程学院开题报告 21附录Slope Stability Analysis withNonlinear Failure CriterionIntroductionThe determination of the slope stability is a very important issue to geotechnical engineers. Many researchers have attempted to develop and elaborate the methods for slope stability evaluation. The proposed methods in the past for stability analysis may be classied into the following four categories: 1： the limit equilib-rium including the traditional slices method, 2：the characteristic line method,3：The limit analysis method including upper andlower bound approaches, and4： the nite element or nite difference numerical techniques. Among them, the slices method has almost dominated the geotechnical profession for estimating the stability of soil and rock slopes. This is due to the fact that the slices method is very simple, cumulated on the use of the method, and the method is the most known and widely accepted by practicing engineers.Until now, a linear MC failure criterion is commonly used in the limit analysis of stability problems. The reason is probably that a linear MC failure criterion can be expressed as circles. This characteristic makes it possible to approximate the circles by a failure surface, which is a linear function of the stresses in the stress space for plane strain problems. Thus, based on the upperand lower bound theorems, formulations of the stability or bearing capacity problems are linear programming problems.However, experiments have shown that the strength envelope of geomaterials has the nature of nonlinearity Hoek 1983; Agaret al. 1985; Santarelli 1987!. When applying an upper bound theorem to estimate the inuences of a nonlinear failure criterion on bearing capacity or stability, the main problem, which many researchers have encountered, is how to calculate the rate of work done by external forces and the rate of energy dissipation alongvelocity discontinuities. Suitable methods for solving this problem can be mainly classied into two types. The rst type of method is using a variational calculus technique. Baker and Frydman 1983! applied the variational calculus technique to derive the governing equations for the bearing capacity of a stripfooting resting on the top horizontal surface of a slope. Zhang and Chen1987!converted the complex differential equations obtained using the variational calculus technique into an initial value problem and presented an effective numerical procedure, called an inverse method, for solving a plane strain stability problem using a general nonlinear failure criterion. They gave numerical results of stability factors of a simple innite homogenous slope without surcharge. The second type of method is using a tangential technique. Drescher and Christopoulos1988!and Collinset al. 1988! proposed a simpler alternative tangent technique to evaluate the stability factors of an innite and homogeneous slope without surcharge. They showed that upper bound limit analysis solutions could be obtained by means of a series of linearfailure surfaces which are tangent to an exceed the actual nonlinear failure surface, together with utilizing the previously calculated linear stability factors, NL, given by Chen 1975!.This paper develops an improved method using a generalized tangential technique. This method employs the tangential line a linear MC failure criterion!, instead of the actual nonlinear failure criterion, to formulate the work and energy dissipation.A Generalized Tangential Technique A limit load computed from a linear failure surface, which always circumscribes the actual nonlinear failure surface, will be an upper bound value on the actual limit load Chen 1975!. This is due to the fact that the strength of the circumscribing the actual nonlinear failure surface is equal to or larger than that of the actual failure surface. In the present analysis, a tangential line to a nonlinear failure criterion at point M is used and shown in Fig.It can be seen that the strength of the tangential line equals or exceeds that of a nonlinear failure criterion at the same normal stress. Thus, the linear failure criterion represented by the tangential line will give an upper bound on the actual load for the material, whose failure is governed by a nonlinear failure criterion.In fact, many researchersLymser 1970; Sloan 1989; Sloan andKleeman 1995; Yu et al. 1998; Kim et al. 1999, 2002! Have adopted this approach in their limit analyses. Upper Bound Solutions with a Nonlinear Failure CriterionIn an upper bound limit analysis, solutions depend on the choices of kinematically admissible velocity elds. To obtain better solutions lower upper bounds!, work has to be done for trial kinematically admissible velocity elds, as many as possible. Rotational failure mechanisms have been considered when using an upper bound approach Chen 1975!. In the stability analysis of a slope, comparing with different translational failure mechanisms,Chen 1975! concluded that a rotational failure mechanism is the most efcient one and that the rotational failure mechanisms lead to lower critical heights or stability factors than those obtained by using other translational failure mechanisms. The kinematical admissibility condition in the upper bound theorem requires that therotational failure surface for a perfect-plastic body collapse must be a log-spiral surface log-spiral line for plane strain problems!.Basic ideas in Chen 1975! on the rotational log-spiral surfacesare adopted in the method of the paper.ConclusionsAn improved method using a generalized tangential technique approximating a nonlinear failure criterion is developed based on the upper bound theorem of plasticity and is used to analyze the stability of slopes in this paper. For a slope as shown in Fig. without surcharge, the values of the stability factor calculated using the proposed upper bound method are almost equal to those obtained by Zhang and Chen1987!For a translational failure mechanism of the vertical cut slope identical solutions are obtained using the present upper bound method and a lower bound method.非线性破坏准则的边坡稳定性分析介绍： 边坡稳定对于土质工程来说是一个非常重要的问题。许多研究人员试图开发并且详尽阐述边坡稳定评估的方法。对于所提出的方法概括起来可分为四个类别： 1 传统切片方法 2 特征线方法 3 上部和下部固定途径的限制分析方法 4 有限元或有限差分数法 其中，切片方法几乎控制了土壤和岩石边坡的稳定土质技术的行业。因为传统的切片方法比较简单且贴近现实。通过众多的实践证明并被广泛采用。直到现在，这个判定标准仍然被大家普遍采用于对稳定问题的极限分析。原因是线形MC判定标准可以被表示为一个圆。将稳定性这个问题表达成一个线形函数在二维空间的平面变形问题，更加形象的解决非线形稳定问题。 然而，在1983年，实验证明有关于非线形稳定性的问题本质。当应用一个最高界面时要估计在非线形故障判定标准的承受能力或稳定性时，许多研究员遇到了同一个问题；如何计算外力完成的工作率和消能率速度的断性。解决的这问题适当的方法，可以分为两个类型。 1使用一个变化微积分技术。Baker和Frydman申请了变化微积分技术与非劈裂小条的承受能力的治理的等式基于倾斜的顶面水平面的立足处。张和陈于1987转换了复杂微分方程，使用变化微积分技术反县一个初值问题和提出一个有效的数字做法，叫一个相反方法，解决的一个平面变形稳定问题使用一般非线形问题的判定标准。他们给了数字刚性 的结果一简单在没有额外费的finite同源倾斜。 2 使用一个“tangen-tial”技术。Drescher和Christopoulos.Colins等于1988提出更加简单的供选择的“正切”技术评估刚性系数。 “广义正切”技术 从先行表面计算的极限负载，总是包围实际非线性表面，讲师在实际极限负载的最高界面价值- 这归结于事实包围实际非线性判定标准的一条正切线在点M使用并且显示。能看到正切线的力量总和和超出非线性故障判定标准在同一个正应力。实际上，许多研究员（Lymser 1970年；Sloan 1989年；Sloan和Lleeman 1995年；kim等1999年）也采取了在他们的极限分析的这种方法。 非线性稳定最高界面解答 在一个最高界面极限分析，解答取决于运动学上可接受速度范围的选择。获得更好的土路基最高界面。工作必须在实验可接受速度范围内完成，越多越好。基于Chen(1975)失效机理最高界面方法。在对倾斜的稳定性分析，和不同的平移失效机理相比，陈认为一个旋转的失效机理是一个降低重要高度或刚性系数的平移失效机理。在 最高界面，定理要求完善塑料身体崩溃的旋转的失败表面必须是平面问题的一条螺旋线，这个结论最终被人们认可并采取。 结论 在可塑性最高界面定理和使用分析边坡稳定时，使用提出的最高界面方法计算的刚性系数的价值与张和陈获得的那些是几乎相等的。对于垂直裁减边坡的一个平移失效机理，相同解答是使采用当前最高界面方法和一个最低界面方法。
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