土体边坡稳定临界滑裂面研究

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人工或自然边坡的破坏会对建筑工程、经济活动以及生态环境产生不可忽视的影响,所以准确确定边坡临界滑裂面对边坡进行分析是一项重要的研究内容。现有的土体边坡稳定性分析方法或多或少都存在一些缺点,如基于极限平衡理论的简化方法通过预设滑裂面形状(平面、圆弧面、对数螺旋面、折线型等)对边坡进行稳定性分析,当预设的滑裂面形状与实际形状存在差异时,得到的结果不够精确;对滑裂面直接进行搜索的最优化方法虽然不需要预设滑裂面形状,但是当自由度过多时,搜索会陷入局部解或出现不收敛的问题;数值分析法在把握边坡的弹塑性本构关系和在确定初始应力方面存在缺陷。因此,有必要对边坡的稳定性问题进行进一步的分析。针对上述问题,本文做出了尝试性的改进:基于极限平衡理论,将条分法与搜索法进行了结合,通过预设潜在滑裂面剪出口位置来固定各条块的横坐标,降低自由度,减小计算量,搜索到的临界滑裂面也更加接近工程实际。本文主要工作和成果如下:(1)基于极限平衡理论,将条分法与搜索法相结合。通过预设出潜在滑裂面剪出口位置,以剪入口横坐标和各条块纵坐标为变量,以安全系数为目标函数,建立目标函数与变量之间的关系表达式,利用求驻点和极值的方式求解出滑裂面和安全系数。取不同的剪出口位置,得到其相对应的安全系数,通过拟合建立剪出口位置与其相对应的安全系数之间的函数关系,可以求出最小安全系数、临界滑裂面以及其剪出口和剪入口位置。(2)对国际经典边坡算例进行分析,通过将本文方法下的最小安全系数与其他不同方法的结果进行比较,验证了本文方法的可靠性。同时本文方法计算得到的安全系数最小,说明了此方法下的临界滑裂面更接近实际情况。且利用本文方法得到的临界滑裂面为过坡底的曲面,并非是坡脚破坏的圆弧面。(3)在本文方法下分析了粘聚力、内摩擦角、坡高、坡角、荷载等因素对边坡临界滑裂面和稳定性产生的影响,结果表明:随着粘聚力的增大,滑裂面向边坡内部延伸,滑裂面剪出口位置逐渐远离坡脚,剪入口位置逐渐远离坡肩。随着内摩擦角的增大,滑裂面向边坡浅层发展,滑裂面剪出口位置逐渐靠近坡脚,剪入口位置逐渐靠近坡肩。随着坡高的增大,滑裂面向边坡内部延伸,滑裂面剪出口位置逐渐靠近坡脚,剪入口位置逐渐靠近坡肩。随着坡比的增大,边坡临界滑裂面逐渐变陡,滑裂面向边坡内部延伸,滑裂面剪出口位置逐渐远离坡脚,剪入口位置逐渐远离坡肩。随着坡顶荷载的增大,滑裂面向边坡内部延伸,滑裂面剪出口位置逐渐靠近坡脚,剪入口位置逐渐远离坡肩。(4)分析边坡下卧层土体抗剪强度对边坡临界滑裂面和稳定性产生的影响,结果表明:当边坡位于软弱下卧层上时,滑裂面剪出口位置远离坡脚,剪入口位置远离坡肩,滑裂面深度加深,滑坡体积变大,边坡稳定性降低。当边坡位于坚硬下卧层上时,滑裂面剪出口位置靠近坡脚,剪入口位置靠近坡肩,滑裂面深度变浅,滑坡体积减小,边坡稳定性提高。
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