水位变化和降雨条件下的边坡稳定性分析

发布时间：2017-09-10 23:15

  本文关键词：水位变化和降雨条件下的边坡稳定性分析

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【摘要】：边坡稳定问题是岩土工程领域经典的三大问题之一。边坡一般包括天然边坡和人工边坡。在高速公路路基、水坝和库岸堤坝等工程设计中,需要研究分析边坡的稳定性。通常用边坡的滑动稳定安全系数来评价其稳定性。在考虑水位变化及降雨等复杂因素影响时,准确确定边坡的安全系数一般比较困难。本文主要采用邵龙潭教授发展的有限元极限平衡法,在饱和与非饱和条件下,进行边坡结构的流-固耦合有限元分析的基础上确定边坡的最危险滑动面和安全系数。有限元极限平衡法是一种基于极限平衡条件进行稳定性分析的确定性方法。该方法首先应用数值计算方法(有限元、离散元或边界元等)得到计算区域的应力场,然后依据安全系数定义采用数学规划法搜索最危险滑动面。该方法安全系数定义物理意义明确,结合了极限平衡法和有限元法的优点,只要得到分析对象的应力场,即可方便快速地求出其相应的安全系数和最危险滑动面。它非常适合于实际工程计算,而且在复杂条件下的稳定性分析中优势更加明显。论文整体分为三部分：一、考虑渗流作用的边坡稳定性研究背景及国内外研究现状综述,包括库水位变化,降雨引起的边坡失稳的数值分析实验研究。概述本论文的研究思路和研究内容。二、边坡稳定分析方法综述。从传统方法和有限元法两方面进行阐述,重点介绍有限元极限平衡法和有限元强度折减法。以一个简单均质边坡的标准算例,对传统方法和有限元法得到的结果进行对比,采用引入场变量的方法进行强度折减计算并验证其结果合理性。三、非饱和渗流条件下的边坡稳定分析,内容包括：1)非饱和土固结理论与数值分析方法,介绍非饱和土的有效应力、饱和土和非饱和土渗流应力耦合分析以及非饱和非稳定渗流中边界条件和初始条件的处理等。2)基于1999年Griffith算例进行稳态渗流条件下的边坡稳定性分析,采用有限元强度折减法,有限元极限平衡法及传统方法计算并对结果进行对比。3)基于Griffith算例进行库水位下降过程中的边坡稳定分析,并借鉴以前学者的研究成果,在三种模式(库水位理想骤降、库水位理想缓降、非饱和非稳定条件下的库水位下降)下进行计算,考虑下降高度比等对安全系数的影响,计算水位骤降后超静孔隙水压力消散过程中安全系数的变化。计算分别采用有限元极限平衡法和有限元强度折减法,对比两种方法的计算结果,并阐述两种方法的特点。4)边坡在降雨条件下的稳定性分析。a)选取实际公路边坡土体参数进行计算,采用有限元法计算得到不同降雨强度下路基边坡的孔压场、渗流速度和等效塑性应变的时空变化,反映边坡在降雨条件下的渐进破坏过程；b)采用有限元极限平衡法和有限元强度折减法计算降雨历时边坡安全系数变化,并对两种方法得到的安全系数和滑弧形状进行对比,降雨条件分别为100mm/d.200mm/d和300mm/d;c)采用有限元极限平衡法,选取降雨强度接近边坡饱和渗透系数的水力参数进行降雨条件下边坡稳定分析,考虑坡角、水力参数等对边坡稳定性的影响。
【关键词】：边坡稳定 有限元极限平衡法 有限元强度折减法 降雨 水位下降
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TU43
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-10
• 1 绪论10-19
• 1.1 引言10-12
• 1.2 非饱和土边坡稳定性的研究现状12-17
• 1.2.1 降雨条件下的边坡稳定分析研究现状12-14
• 1.2.2 库水位变化渗流稳定性研究现状14-16
• 1.2.3 小结16-17
• 1.3 主要研究内容及研究方法17-19
• 2 边坡稳定性分析方法综述19-35
• 2.1 传统方法19-20
• 2.1.1 极限平衡条分法19-20
• 2.1.2 滑移线法20
• 2.1.3 极限分析法20
• 2.2 有限元法20-28
• 2.2.1 有限元强度折减法21-22
• 2.2.2 有限元极限平衡法22-28
• 2.3 均质边坡对比算例28-31
• 2.4 引入场变量进行有限元强度折减计算的合理性分析31-34
• 2.5 本章小结34-35
• 3 非饱和渗流条件下的边坡稳定性分析35-42
• 3.1 非饱和土固结理论与数值方法35-40
• 3.1.1 非饱和土有效应力35-36
• 3.1.2 饱和土和非饱和土的渗流-应力耦合分析36-39
• 3.1.3 非饱和土的土水特征曲线39-40
• 3.2 渗流-应力耦合方程的数值求解40
• 3.2.1 间接耦合40
• 3.2.2 直接耦合40
• 3.3 瞬态分析的时间步长与初始条件40-42
• 3.3.1 时间步长选择40-41
• 3.3.2 非饱和非稳定渗流分析中边界条件和初始条件的处理41-42
• 4 有限元极限平衡法在库水位下降时边坡稳定分析中的应用42-68
• 4.1 模型及参数选取42-44
• 4.2 稳态渗流状态下稳定性分析44-49
• 4.3 库水位理想变化对坝体稳定性影响49-63
• 4.3.1 库水位理想缓降对坝体稳定性影响50-57
• 4.3.2 库水位理想骤降对坝体稳定性影响57-63
• 4.4 骤降后超静孔隙水压消散过程稳定性分析63-67
• 4.4.1 渗流计算结果63-66
• 4.4.2 有限元极限平衡法的计算结果66-67
• 4.5 本章小结67-68
• 5 有限元极限平衡法在降雨条件下边坡稳定分析中的应用68-91
• 5.1 算例一69-81
• 5.1.1 模型及参数选取69-70
• 5.1.2 边界条件及初始状态的建立70-72
• 5.1.3 有限元计算结果72-77
• 5.1.4 结果对比77-81
• 5.2 算例二81-90
• 5.2.0 模型及参数选取81-83
• 5.2.1 渗流应力耦合计算结果83-85
• 5.2.2 降雨对不同坡角边坡稳定性影响85-90
• 5.3 本章小结90-91
• 6 结论与展望91-93
• 6.1 结论91-92
• 6.2 展望92-93
• 参考文献93-98
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况98-99
• 致谢99-100

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本文编号：827207