基于强度双折减系数法的邯郸粉质黏土综合系数法研究

来源: www.sblunwen.com 作者:lgg 发布时间:2017-03-18 论文字数:38592字
论文编号: sb2017031420434916330 论文语言:中文 论文类型:硕士毕业论文
本文是建筑论文,本文以邯郸地区新近沉积均质粉质黏土为研究对象,对重塑土土样进行了试验,进行了影响边坡稳定性因素的敏感度分析,提出了基于权重分析法的边坡综合安全系数。
第 1 章   绪  论 
 
1.1   课题研究的背景及意义
随着社会经济的迅速发展和科学技术的不断提高,很多工程项目都与边坡产生紧密的联系,因此,边坡失稳,特别是大型自然边坡失稳所带来的灾害也越来越严重,造成世界各个地区出现了大量的人员伤亡以及财产损失。根据资料显示,2013 年 6 月 16 日至 18 日,强暴雨袭击了印度北部的北阿肯德邦、北方邦等地区,并引发洪水和泥石流等次生灾害,造成至少 822 人死亡。9 月 14 日,墨西哥西南部格雷罗州山区一个村庄在强降雨引发的山体滑坡中被埋,至少 68 人失踪  [1]。2014年 5 月 2 日,阿富汗东北部巴达赫尚省的阿布巴里克村发生山体滑坡,连日的暴雨引发山体滑坡至少 2500 人失踪。造成 300 户房屋被掩埋,约占该区域房屋量的三分之一[2]。2015 年 6 月 10 日夜间至 11 日凌晨,“高山之国”尼泊尔东北部因大雨引发山体滑坡,当地 6 个村庄的数十所房屋被冲毁,滑坡已导致 47 人遇难,数十人受伤[3]。 中国人民饱受滑坡灾害之苦,中华人民共和国国土资源部公布的《全国地质灾害通报》显示[4],2014 年全国共发生地质灾害 10907 起,造成 349 人死亡、51人失踪、218 人受伤,直接经济损失达 54.1 亿元,其中滑坡 8128 起,崩塌 1872起、泥石流 543 起、地面塌陷 302 起、地裂缝 51 起和地面沉降 11 起,在地质灾害总数中滑坡所占的比例高达 74.5%,见图 1-1。2016 年 9 月 28 日 17 时 28 分,浙江省遂昌县北界镇苏村发生山体滑坡,山体滑坡塌方量 40 余万立方米,20 户房屋被埋,17 户房屋进水,  27 名人员失联[5]。2016 年 10 月 10 日 12 时左右,丽水市缙云县大源镇吾丰村柿坑自然村发生滑坡灾害,造成 2 人死亡[6]。由此可见,边坡失稳导致了重大人员伤亡和巨大的经济损失,成为仅次于地震灾害的第二大地质灾害。因此,滑坡灾害的有效预防是关系到国计民生的一项重要内容。 
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1.2   国内外研究现状
Zienkiewics [7](1975)初次提出有限元强度折减法,该方法因其不需要预先假定边坡滑动面的形状和位置,也无需进行条分,而且物理意义明确,还能够体现出边坡的逐渐破坏的过程,被广大学者所认可。Giam 和 Donald[8](1988)运用 CRISS 法基于有限元软件进行计算分析,从变形协调出发建立运动许可速度场,按照能量耗散相平衡的原理确定安全系数。 Sloan 等[9](1988)将变分原理应用于边坡稳定性分析,利用求极值的方法求解边坡稳定性的上限解,对上限原理的深入研究有很大的帮助。 Cundall[10](1989)提出了分析颗粒状材料性质的 DEM 方法(离线单元法),它是一种处理非连续、非均匀、各向异性和非线性的数值方法。 Duncan[11](1996)指出边坡安全系数可以定义为边坡初始抗剪强度参数与边坡刚好处于临界失稳状态时抗剪强度参数的比值,即边坡抗剪强度的折减程度。 Kim 和 Lee[12](1997)根据有限元计算结果随机选择一个边坡初始滑动面,然后将初始滑动面分为 n 段,开始 n 可以很小以便减少自由度,运用非线性单点定向移动法需找滑动面,即将每个滑面从中点分开,分为 2n 段,逐渐寻找直至滑动面为光滑曲面为止,然后利用找到的滑动面,求解出最小安全系数。 Dawson 等[13](1999)利用强度折减法,研究了网格粗细程度对边坡安全系数的影响,研究得出细网格求得的安全系数,接近于极限分析的上限解。 A.Rahimi 等[14](2010)对降雨雨水入渗土质边坡的条件下,土体强度参数对边坡稳定安全系数敏感性分析,探究土体强度参数对边坡稳定性的影响。 
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第 2 章   有限元强度折减法原理 
 
2.1  安全系数的定义 
边坡的稳定性评价常用的安全系数的定义有很多种方式,当前被广大学者公认和应用较多的有三种方式[29]:(1)基于强度储备的安全系数;(2)超载储备安全系数;(3)下滑力超载储备安全系数。 当土体下滑力增大 FS3倍,也就是土体重力增大 FS3倍,而实际上,土体重力增大下滑力的的同时,土体的摩擦力也会增大。因此在实际工程中不宜采用下滑力超载安全系数。 综上所述,采用不同的安全系数定义会导致边坡的稳定安全系数的取值是不同的,传统的强度折减计算方法采取强度储备安全系数的定义形式,是被国内外广大学者所认可的,也与实际工程中边坡的破坏相一致,本文所分析的有限元强度折减法就是基于强度储备安全系数法。 
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2.2  有限元强度折减法的定义 
英国科学家 Zienkiewicz 在 20 世纪 70 年代末,就已经提出在有限元中采用降低岩土强度的方法来计算岩土工程的安全系数,实质上它就是极限分析有限元法。 传统的强度折减法分析边坡破坏时,强度参数 c、φ 采用同一安全系数,使其各自的安全储备相同,在强度折减法中也采用同一折减系数。但是边坡实际发生滑动时,其滑面土体的粘聚力和内摩擦角的作用机理与对边坡安全系数贡献的大小是不同的,因此采用传统的同一折减系数是不切合实际的。 当边坡发生滑动时,其滑面土体的粘聚力与内摩擦角的作用机理是存在差别的,发挥程度和先后顺序也是不一致的。当边坡滑动时,粘聚力和内摩擦角会发生衰减,但折减速度和程度是有所区别的,而且折减的先后顺序也不尽相同。因此自身的安全储备也是存在差异的,即粘聚力和内摩擦角的安全系数就是不相等的,因此强度参数 c、φ 的折减也是有差异的。
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第 3 章   边坡稳定性因素的敏感度分析 .............. 17 
3.1   土的液塑限试验 .......... 17 
3.2   土的击实试验 .............. 19 
3.2.1   试验目的 ........ 19 
3.2.2   试验操作步骤 ........... 19 
3.2.3   试验注意事项 ........... 21 
3.2.4   结果计算 ........ 22 
3.3   土的剪切试验 .............. 24
3.4   影响边坡稳定性因素的敏感度分析 ........... 28 
3.5   本章小结 ........... 33 
第 4 章   基于权重分析法综合安全系数的验证与分析 ............ 35
4.1   有限元 MIDAS/GTS 简介 ..... 35 
4.2   MIDAS/GTS 二维边坡模型的建立 ..... 35 
4.4   SLIDE 介绍及计算结果分析 ............ 46
4.5   边坡坡高对强度双折减法的影响 ............... 50 
4.6   边坡坡角对强度双折减法的影响 ............... 53 
4.7   算例分析 ........... 57 
4.8   本章小结 ........... 58 
 
第 4 章   基于权重分析法综合安全系数的验证与分析 
 
4.1  有限元 MIDAS/GTS 简介 
MIDAS 软件是韩国 POSCO 公司开发的一款用于土木工程、机械和建筑领域的有限元分析软件[41-42]。MIDAS/GTS 是针对边坡、隧道等结构分析的特点而开发的软件。GTS 是“Geotechnical&Tunnel analysis System”的缩写[43-44]。MIDAS/GTS具有世界上先进的的可视化操作界面系统,利用可视化操作界面系统,可以对几何模型进行直观的可视化的建模。MIDAS/GTS 是完全中文化的软件,并且应用于许多实际的工程,其数值模拟计算具有很高的精度。用有限元软件 MIDAS/GTS 建立边坡模型,定义边坡材料属性时不仅需要有土容重? 、抗剪强度内聚力 c 和内摩擦角 φ 等参数,还需要填入泊松比? 、弹性模量E 等变形参数。郑颖人等[45]研究表明? 对边坡的塑性区分布范围有影响,? 的取值越小,边坡的塑性区范围越大。但是计算表明,? 的取值对安全系数计算结果的影响极小。E 对边坡的变形和位移的大小有影响,但是对于稳定安全系数基本无影响。由此可见,只需按经验来选取 E,即使选取有所不当,也不会影响稳定分析的结果。所以边坡参数选取容重? =20KN/m3,泊松比? =0.3,弹性模量 E=1MPa。 
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结论 
 
传统的强度折减法分析边坡破坏时,强度参数 c、φ 均采用同一安全系数,使其各自的安全储备相同,在强度折减法中也采用同一折减系数。但是边坡实际发生滑动时,粘聚力和内摩擦角会发生衰减,但折减速度和程度是不同的,而且折减的先后顺序也不尽相同,其滑面土体的粘聚力和内摩擦角对边坡安全系数贡献的大小是不同的,因此采用边坡强度双折减法更加符合工程实际情况。 本文以邯郸地区新近沉积均质粉质黏土为研究对象,对重塑土土样进行了试验,进行了影响边坡稳定性因素的敏感度分析,提出了基于权重分析法的边坡综合安全系数,并与传统强度折减法和最短路径法进行了比较分析,同时进行了案例分析。通过对以上内容的研究,本文的主要结论有: 
(1)传统的强度折减法分析边坡破坏时,强度参数 c、φ 采用同一安全系数,使其各自的安全储备相同,即在强度折减法中也采用同一折减系数是不准确的。 
(2)对粘聚力 c 和内摩擦角正切值 tanφ 进行边坡稳定性敏感度分析,得出粘聚力 c 对边坡的敏感度为 0.02074,内摩擦角正切值 tanφ 对边坡的敏感度为 1.5238,可得出内摩擦角正切值的敏感度大于粘聚力的,即边坡安全系数变化相同的范围,粘聚力比内摩擦角正切值对边坡安全稳定性的贡献要大。同时也分析了边坡坡高 H和坡角 β 对边坡稳定性的敏感度分析,得出坡高 H 边坡稳定性敏感度为 0.04118,坡角 β 对边坡稳定性的敏感度为 0.02048,即坡高的敏感度大于坡角的。 
(3)基于强度双折减系数法提出了权重分析的综合安全系数,并与利用SLIDE 中极限平衡法得出的结果进行对比分析,得到稳定安全系数都比极限平衡法得到的结果要高,但相差不是很大。分析边坡坡高和坡角对最短路径法和权重分析法的影响,得出坡高为 15m 时,坡角为 35°时,最短路径法和权重分析法较传统的强度折减法有优势的含水量范围是最大的。 
(4)运用最短路径法和权重分析法得到边坡稳定综合安全系数,并将两种方法与传统的强度折减法对比分析得出:权重分析法适用范围广,但是只是在边坡处于临界失稳状态附近时相对于传统强度折减法精度有所提高;最短路径法适用范围小,只适用于未达到临界失稳状态的边坡,对已经达到失稳状态的边坡不再适用,有一定的局限性,但在边坡含水量较低时分析边坡综合安全系数最短路径法优势很明显。 
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参考文献(略)

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