1、 工程硕士论文参考资料：边坡分析之局部强度折减计算及工程应用第一章 绪论1.1 概述边坡稳定性是工程建设硕士论文范文中经常遇到的问题，例如天然形成的山坡或江湖海的岸坡，还有人工开挖或填筑形成的边坡。边坡塌滑是一种常见的工程现象，边坡由于丧失稳定性而滑动的现象通常称为滑坡。随着人类社会的发展，人们在工程建设中遇到的越来越多的边坡问题，而且边坡事故引起的社会和经济损失越来越严重。例如，1963 年意大利的托克山斜坡因蓄水而发生滑动，使库区内各种设施遭到毁灭性的破坏，同时产生的涌浪摧毁了水库下游的城镇，导致 2400 多人丧生1 ；1970 年，秘鲁的 Yungay 特大滑坡造成 25000 人死亡
2、；1981 年雨季，我国宝成铁路发生滑坡 289 次，导致行车中断两个月；1985 年，我国湖北省姊归县境内的新滩镇北发生较大规模的滑坡，滑坡毁灭了整个新滩镇，幸好由于预报及时，滑坡涉及区内无一人伤亡2；1991 年，我国云南省昭通头寨沟大型高速滑坡，覆盖农田 300 亩，摧毁了民房 200 多间，造成 216 人死亡3；2000 年，我国西藏的扎木弄巴特大滑坡长 2600 米，堵塞 1500 米，形成高 130 米的天然坝 4；2004 年，我国浙江省乐清市、磐安县、天台县等相继发生滑坡崩塌地质灾害，造成至少 47 人死亡；2008 年，汶川大地震引起大量山体滑坡，形成了 256 处堰塞湖，
3、其中最大的唐家山堰塞湖库容 1.45 亿立方米5，险情十分严峻。目前针对边坡的稳定性问题，很多学者提出了不同的分析方法，并且在实际工程运用中积累了较多的经验。早期对边坡稳定性的研究主要从两个方面进行，一是采用土力学中的极限平衡概念，由静力平衡条件计算边坡极限状态下的稳定性；二是从边坡所处的地质条件、影响因素和失稳现象上进行对比分析。随着计算机的发展，有限元技术的应用越来越广泛，人们提出了采用有限元法分析边坡的稳定性。目前研究较多的是有限元强度折减法，该方法克服了极限平衡法的很多缺点，因此得出的安全系数和滑动面位置较为可靠。但是，边坡工程中仍有大量问题有待深入研究，例如边坡变形场、稳定性与位移的
4、关系、预警位移等，这些问题仍然没有解决。1.2 边坡稳定性的研究现状最早提出极限平衡法的是 Fellenius7，该方法简称瑞典圆弧滑动法。该方法除了假定滑动面是个圆柱面之外，还忽略了条间力的相互作用，且在求安全系数时仅考虑对同一点的力矩平衡。由于不考虑条间力，该方法求出的安全系数一般偏小。Taylor8在 Fellenius 法的基础上，用图表的形式给出了确定简单粘性土坡最危险滑动面圆心位置和稳定系数的方法。简化 Bishop 法9 除了假定圆弧滑动面外，还假定条间力的方向为水平方向，条底反力通过垂直方向力的平衡求得，并通过对同一点的力矩平衡求解安全系数。简化 Bishop 法的安全系数方程
5、是一个隐式表达式，安全系数需要通过迭代求解。Morgenstern 和 Price10假定条间力方向的斜率为各种可能的函数，建立力和力矩平衡微分方程，通过 Newton-Raphson 迭代法求解安全系数，是一种严格条分法。Spencer 法11 是 Morgenstern-Price 法的一个特例，它假定推力倾角为常数，建立满足力与力矩平衡的方程组，然后迭代求解安全系数。Sarma 法12是分析岩质边坡中平面和弧面滑动的常用方法，它对土条侧向力大小的分布函数作假定，并引入临界加速度系数，在此基础上建立力和力矩平衡方程。我国学者郑宏13通过取整个滑体为受力体并基于滑面应力修正，实现满足所有 6
6、 个平衡条件的严格三维极限平衡法。极限平衡法的另一个难题是滑动面的确定，滑移面的形状包括圆弧滑移面、线性滑移面及圆弧和线性组合滑移面，具体情况与地质条件有密切关系。目前滑动面的常用搜索方法有变分法、数学规划法、动态规划法、随机搜索法、人工智能法、遗传算法、随机搜索法、模拟退火法等。Castillo 和 Revilla14，Baker 和 Garber15等利用变分法原理得到关于安全系数泛函，求出极小安全系数对应的滑动面，该滑动面即为最危险滑面。第二章 FLAC3D 简介及其建模技术2.1 FLAC3D 简介FLAC3D 是美国 Itasca Consulting Group, Inc.公司开发
7、的专门针对岩土工程的三维有限差分法分析软件，该程序具有强大的计算分析功能，在岩土工程数值分析领域享有盛誉。2.1.1 FLAC3D 的基本特点该程序的力学基础主要包括两个方面：拉格朗日分析力学和连续介质力学。拉格朗日数值分析方法的基本特点与求解思想，可概括为以下三个方面：(1) 将连续介质离散为拉格朗日单元网格，并将每个单元的质量集中于节点上，这样连续介质系统就转化为多质点体系。(2) 质点体系在质点不平衡力作用下运动，采用牛顿运动定律确定质点加速度。基于对时间的差分确定质点运动速度和位移，进而确定单元应变与应力，如图 2-1 所示。(3) 作用于质点上的外荷载和内力组成质点不平衡力，质点体系
8、在不平衡力作用下发生运动。FLAC3D 在质点体系运动过程中加入充分的阻尼，使质点振动逐渐衰减，并最终停留在平衡位置。在计算中，可以通过设定不平衡力的最小值来判断体系是否达到平衡。FLAC3D 内置丰富的弹塑性材料本构模型，有静力、动力、蠕变、渗流、温度 5 种计算模式，各种模式间可以相互耦合，以模拟各种复杂的工程力学行为。此外，FLAC3D 可以模拟多种结构形式，如梁、锚杆、桩、壳和土工格栅等。通过设置界面单元，FLAC3D可以模拟节理、断层或虚拟的物理边界等。FLAC3D 另一个显著的优点，是它几乎是一个完全开放的系统，这为用户提供了广阔的研究平台。利用其内置的 FISH 程序语言，用户几
9、乎能参与从网格模型的建立、边界条件的设置、参数的调整到计算结果的输出等全部求解过程。用户也可以定义自己的材料本构模型，并且调试十分方便。在计算过程中，用户也可以获得节点或单元的参数，如坐标、位移、速度、应力和不平衡力等。此外，FLAC3D 还支持 C+编译的本构模型，通过 C+编译成动态链接库，在 FLAC3D 中载入即可计算，而且运行速度与内置模型相差不大。第三章 局部强度折减法. 29-523.1 前言. 293.2 局部强度折减法的相关概念. 29-313.3 强度折减法的失稳判据. 31-323.4 边界范围的选取原则. 32-353.4.1 塑性区的开展深度. 32-333.4.2
10、算例说明. 33-353.5 简单算例说明局部强度折减法. 35-373.6 局部强度折减法与全局强度折减法. 37-443.7 工程实例验证. 44-503.8 本章小结. 50-52第四章 边坡破坏过程研究. 52-644.1 前言. 524.2 变模量弹塑性模型 .52-544.3 变模量弹塑性模型的验证. 54-584.3.1 原位压板试验.54-564.3.2 条形基础的沉降计算 .56-574.3.3 简单边坡的失稳过程. 57-584.4 工程实例验证 .58-634.5 本章小结 .63-64第五章 乐昌峡鹅公带古滑坡的稳定性. 64-855.1 工程背景 .64-665.2
11、土层参数的确定. 66-705.3 加固前的稳定性分析. 70-735.4 加固后的稳定性分析. 73-815.5 极限位移与预警位移 .81-845.6 本章小结. 84-85结论边坡稳定性分析是一个历史悠久的岩土工程课题。目前边坡变形与稳定的关系是一个非常重要但又未很好解决的问题，针对边坡变形与稳定性研究中存在的一些问题，本文借鉴前人的研究成果，提出采用局部强度折减法并结合变模量弹塑性模型分析边坡稳定性，初步探究了边坡在强度弱化过程中的位移变化过程，并将该方法应用于乐昌峡鹅公带古滑坡的稳定性分析中，总结出了如下有益的结论：(1) 本文基于 Midas/GTS 的强大建模功能，通过编制 Mi
12、das/GTS 与 FLAC3D 的模型转换接口，从 Midas/GTS 导入网格到 FLAC3D 中，从而实现复杂边坡模型高效、高质量的建立，解决了 FLAC3D 前处理的不足和困难，为 FLAC3D 构建复杂的工程模型提供新的思路。(2) 本文提出的局部强度折减法能反映实际边坡的破坏过程，因为实际边坡主要是滑带区的弱化而破坏的。某水库大坝的实际情况表明，全局强度折减法得出的滑动面与实际不符，而局部强度折减法符合实际破坏情况。(3) 为更好地获得边坡的变形场，采用局部强度折减法并结合合理的本构模型所得出的变形场，比通常的全局强度折减法和不考虑折减过程中变形模量变化的变形场更接近实际情况。(4) 采用局部强度折减法和变模量弹塑性模型分析了乐昌峡鹅公带古滑坡，并验证了该方法的合理性，同时提出了初步的位移预警值，为该滑坡的安全监控提供参考。
