基于有限元剩余剪力递推法的岩质边坡抗滑稳定研究

发布时间：2017-08-18 04:01

  本文关键词：基于有限元剩余剪力递推法的岩质边坡抗滑稳定研究

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【摘要】：我国为多山国家,存在大量的自然边坡,随着公路、铁路、露天煤矿、水库建设等基础工程的实施,近年来又出现了大量的人工边坡,使得边坡稳定问题日益突显。在地质活动过程中成岩、构造等作用的影响下,断层、节理和软弱夹层等不连续结构面在岩质边坡中大量出现,改变了边坡的力学性状,对岩质边坡的抗滑稳定提出严峻挑战。加上外界环境的多变性和复杂性,使得岩质边坡的抗滑稳定问题仍然没能形成统一规范的分析方法。大量的工程实例表明,岩质边坡的临界滑裂面经常会由各种不连续的结构面相互贯通形成,所以在对岩质边坡进行稳定性分析时,应该充分考虑到软弱结构面的影响。本文针对实际中常见的一类工程问题,将刚体极限平衡法和有限元法进行结合。提出适用于折线形临界滑裂面的有限元剩余剪力递推法,研究软弱结构面未贯通至地表造成主抗滑面位置未知时的岩质边坡抗滑稳定问题,并结合自编Fortran程序对主抗滑面准确位置进行精确搜索。具体的研究内容如下:1.提出有限元剩余剪力递推法原理:考虑到边坡失稳时内部应力转变都会通过滑裂面下滑力及抗滑力的改变表现出来,将边坡失稳问题概化为研究滑裂面力的极限平衡问题,包括滑裂面的受力计算以及极限平衡分析。(1)滑裂面受力计算:考虑到岩体结构的复杂性及材料强度的流变特性,用有限元软件ansys建立边坡模型并进行弹塑性分析,得到边坡的初始应力场;提出基于ansys的应力积分法,充分考虑滑裂面粘聚力c及内摩擦角?的影响,直接积分得到折线形滑裂面自然状态下的受力情况(下滑力及抗滑力)。(2)极限平衡分析:结合刚体极限平衡的思想,假设在失稳时每段滑裂面都达到相同的极限平衡状态,将由此产生的剩余剪力沿滑裂面逐级向下传递,对各段滑裂面建立极限平衡方程,不断试算直至滑裂面整体达到极限平衡状态时解得安全系数。2.结合fortran语言将有限元剩余剪力递推法编制成程序,研究主抗滑面起点位置和倾角对边坡稳定性的影响规律,快速找到使边坡安全系数达到最小值时的主抗滑面,从而得到边坡整体的临界滑裂面的准确位置。3.采用不同的方法进行对比后发现:有限元剩余剪力递推法计算结果与有限元强度折减法相近,但克服了其受折减方式和人为判断突变点等的影响,具有更客观唯一的特性;比采用有限元应力代数和法计算的安全系数大,但是避免了对矢量力代数求和的不合理问题;比采取有限元剩余推力法算得的安全系数小,但是从建立力的平衡方式上来看方法更为合理;和不平衡推力法相比,克服了对滑裂面人为划分刚性条块求解计算的不足。4.利用程序计算的高效性,改变软弱夹层中的材料参数,研究粘聚力c、内摩擦角?及泊松比?对安全系数及主抗滑面位置的影响,找到了一定的规律。本文提出的有限元剩余剪力递推法的计算结果合理可靠,能够为岩质边坡的稳定性分析提供一定的参考,有待于在实际工程中进行应用和完善。
【关键词】：岩质边坡 软弱结构面 有限元应力积分 剩余剪力递推法 主抗滑面搜索 Fortran程序
【学位授予单位】：太原理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TV223
【目录】：

• 摘要3-6
• ABSTRACT6-12
• 第一章 绪论12-21
• 1.1 研究目的及意义12-13
• 1.2 分析方法的研究现状13-18
• 1.2.1 刚体极限平衡法13-15
• 1.2.2 有限元分析法15-18
• 1.3 问题的提出18-19
• 1.4 本文的主要工作19-20
• 1.5 本论文创新点20-21
• 第二章 弹塑性有限元分析原理21-32
• 2.1 有限元理论21-23
• 2.1.1 有限元历史21
• 2.1.2 有限元基本思想21-23
• 2.2 有限元软件23-27
• 2.2.1 ANSYS软件简介23-24
• 2.2.2 APDL语言24
• 2.2.3 plane 82单元24-27
• 2.3 弹塑性理论27-32
• 2.3.1 弹塑性本构关系27
• 2.3.2 屈服准则27-30
• 2.3.3 流动法则和强化准则30-32
• 第三章 岩质边坡稳定性分析32-39
• 3.1 软弱夹层的影响32-34
• 3.1.1 软弱夹层的特征32
• 3.1.2 软弱夹层的分类32-33
• 3.1.3 含软弱夹层的边坡破坏形式33-34
• 3.2 岩质边坡稳定性分析方法34-39
• 3.2.1 不平衡推力法34-36
• 3.2.2 有限元强度折减法36-37
• 3.2.3 有限元应力分析法37-39
• 第四章 有限元剩余剪力递推法39-54
• 4.1 Fortran语言简介39
• 4.2 剩余剪力递推法39-43
• 4.2.1 安全系数定义39-41
• 4.2.2 剩余剪力递推法力学原理41-43
• 4.3 应力积分原理及程序简介43-54
• 4.3.1 单元搜索44-47
• 4.3.2 有限元应力积分47-53
• 4.3.3 安全系数计算53-54
• 第五章 含软弱夹层的岩质边坡稳定性分析54-67
• 5.1 边坡模型54-55
• 5.2 有限元分析55-59
• 5.2.1 单元选择55-56
• 5.2.2 材料参数56-57
• 5.2.3 单元划分57
• 5.2.4 模型加载求解57-58
• 5.2.5 有限元计算结果58-59
• 5.3 Fortran程序分析59-63
• 5.3.1 数据处理59-61
• 5.3.2 滑裂面搜索61-63
• 5.4 计算结果63-64
• 5.5 应力积分精度分析64-67
• 第六章 方法对比和参数敏感性分析67-80
• 6.1 方法对比分析67-74
• 6.1.1 有限元强度折减法67-70
• 6.1.2 有限元应力分析法70-72
• 6.1.3 不平衡推力法72-73
• 6.1.4 对比总结73-74
• 6.2 参数敏感性分析74-80
• 6.2.1 粘聚力的影响74-76
• 6.2.2 内摩擦角的影响76-77
• 6.2.3 泊松比的影响77-80
• 第七章 结语及展望80-82
• 7.1 结语80
• 7.2 展望80-82
• 参考文献82-86
• 致谢86-87
• 攻读硕士学位期间公开发表的学术论文87

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