渗流作用下边坡稳定性分析强度折减弹塑性有限元法.pdf

水 利 学 报 年 月 第 卷 第 期 文章编号 渗流作用下边坡稳定性分析的强度折减弹塑性有限元法 李湛 栾茂田 刘占阁 范庆来 大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室 辽宁大连 摘要 将边坡渗流的有限元计算和稳定分析的强度折减弹塑性有限元法相结合 对渗流作用下边坡的稳定性进行 有限元计算与分析 基于有限元计算所得到的堤坝各单元结点水头 通过面力法和体力法两种等效方法计算渗流 作用力 即通过单元结点水头计算作用于单元周边的孔隙水压力及其等价结点力或通过单元结点水头计算作用在 单元上的渗透力及其等价结点力 将所确定的渗流等价结点力与土的自重 地震力等其它荷载共同施加于边坡 上 采用强度折减弹塑性有限元数值分析确定边坡的临界失稳状态及其所相应的安全系数 应用实例表明该方法 是有效的 关键词 堤坝 边坡 稳定性分析 渗流 强度折减有限元法 中图分类号 文献标识码 塑性极限平衡方法在边坡稳定性分析中无法考虑土的实际变形与强度特性 不能严格地满足本构 关系 只是从某些方面满足土的破坏准则或流动法则 因此所得到的结果不严密 有限元方法在边坡分 析中的应用已日益广泛 其主要应用在下列两个方面 首先通过有限元数值计算确定给定荷载作用 下边坡中的实际应力场 由此可以确定沿某一潜在滑裂面上的正向有效应力与剪应力 并进一步地确定 沿该潜在滑裂面失稳时边坡的某种意义上的整体安全系数 进而按照极限平衡法原理 通过有哪些信誉好的足球投注网站或试 算确定临界滑裂面及其相应的安全系数 将 的安全系数定义 与弹塑性有限元法相结合 按 照某一系数逐步将土的实际抗剪强度参数进行折减 基于折减后的抗剪强度进行一系列的弹塑性有限 元分析 直至所选定的抗剪强度折减系数使得边坡达到临界失稳状态 与之相应的抗剪强度折减系数与 所定义的整体安全系数是一致的 这类方法通常称为强度折减弹塑性有限元方法 其能够 考虑复杂的边界条件 适宜于无法通过经验或试验等方法事先确定滑裂面的复杂边坡 同时在理想弹塑 性理论的框架下全面而严密地考虑了土的本构关系 实际的边坡稳定性分析一般需要合理地考虑土与水的相互效应和渗流作用 毛昶熙等 认为以 土骨架为对象 结合有限元渗流计算所得的渗透力进行边坡稳定分析更为合理简便 并将有限元渗流计 算与刚体极限平衡法结合 提出边坡稳定计算方法 黄春娥等 将有限元渗流分析所得到的单元渗透 力与极限平衡条分法相结合 计算边坡的安全系数 在这些方法中 虽然能够通过有限元渗流计算较为 合理地考虑渗流作用力 但基本上仍采用极限平衡法 本文将渗流计算的有限元分析与边坡稳定性分 析的强度折减弹塑性有限元法相结合 得出渗流作用下边坡稳定性的强度折减有限元方法 渗流分析与等效渗流荷载 堤坝中渗流场与渗流作用力 在一定的水头差作用下 水会在土骨架之间的孔隙中发生流动 水 收稿日期 基金项目 国家自然科学基金资助项目 教育部跨世纪优秀人才培养计划研究基金资助项目 教技函 作者简介 李湛 男 河南永城人 博士 主要从事土动力学与岩土地震工程 土工数值计算与分析等方面的科研工作 流对土骨架产生渗透力 这种渗透力与土骨架对水的渗流所产生的阻力构成一对作用力与反作用力 对 土体能产生一定的破坏作用 渗流作用在土颗粒表面的力可分为垂直于土颗粒周围的表面水压力和与 土颗粒表面相切的水流摩阻力 将这两种形式的作用力对土颗粒的表面进行积分 并分别以 与 表示 其合力为 代表渗流对土体的有效作用力 考虑体积为 的微单元土体 将所有土颗粒受到的 渗流作用力求和后得到其合力 则单位体积内渗流作用力 为 ? 渗流作用力 竖向上的分量通常称为浮力 在计算中 浮力与土体的重力的合力直接采用浮重度考 虑 渗流作用力 沿流线方向的驱动水压力称为渗透力 这是一个体积分布力 单位渗透力为 式中 为水的容重 为水力坡降