有限元強折減法及其在邊坡設計中的應用PPT學習教案

1、會計學1有限元強折減法及其在邊坡設計中的應有限元強折減法及其在邊坡設計中的應用用有限元單元網(wǎng)格劃分有限元單元網(wǎng)格劃分邊坡體的垂直條分和受力分析邊坡體的垂直條分和受力分析下滑力抗滑力sF 安全系數(shù)安全系數(shù)有限元法有限元法有限元強度折減法有限元強度折減法極限平衡法極限平衡法1. 前前 言言第1頁/共63頁1trialccF 1arctan(tan )trialF 至破壞時至破壞時C、 降低倍數(shù)就是安全系數(shù)，降低倍數(shù)就是安全系數(shù)，上世紀上世紀70年代末提出，至今未被廣泛應用。年代末提出，至今未被廣泛應用。tg第2頁/共63頁2 有限元強度折減法的優(yōu)越性有限元強度折減法的優(yōu)越性（1）具有有限元法的一切

2、優(yōu)點；）具有有限元法的一切優(yōu)點；（2）能算出無支護情況下邊坡滑動面與穩(wěn)定安全系數(shù)）能算出無支護情況下邊坡滑動面與穩(wěn)定安全系數(shù)?；瑒用鏋橐痪植克苄詰兗羟袔В谒轿灰仆蛔兊牡鼗瑒用鏋橐痪植克苄詰兗羟袔?，在水平位移突變的地方方.第3頁/共63頁 土質(zhì)邊坡的漸進破壞過程土質(zhì)邊坡的漸進破壞過程第4頁/共63頁（3）能對有支護情況下邊坡進行穩(wěn)定性評價。）能對有支護情況下邊坡進行穩(wěn)定性評價。 不加錨桿時的塑性區(qū)不加錨桿時的塑性區(qū) 加錨桿時的塑性區(qū)加錨桿時的塑性區(qū)邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)為邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)為1.1有錨桿支護時安全系數(shù)為有錨桿支護時安全系數(shù)為1.5第5頁/共63頁（4）能根據(jù)巖土介質(zhì)與支擋）能根據(jù)

3、巖土介質(zhì)與支擋結構共同作用計算出支擋結結構共同作用計算出支擋結構的內(nèi)力。構的內(nèi)力。（5）能模擬施工過程。）能模擬施工過程。第6頁/共63頁3.有限元強度折減法的兩個理論問題有限元強度折減法的兩個理論問題 什么是破壞什么是破壞?破壞是物體整體不能承載破壞是物體整體不能承載,物體部分發(fā)生分離。物體部分發(fā)生分離。 彈性彈性 塑性塑性 破壞破壞 滑面上每點達到極限平衡狀態(tài)是屈服滑面上每點達到極限平衡狀態(tài)是屈服不是破壞。不是破壞。 滑面上每點塑性應變都達到極限應變滑面上每點塑性應變都達到極限應變才是破壞。才是破壞。第7頁/共63頁3.1 有限元中邊坡破壞的判據(jù)。有限元中邊坡破壞的判據(jù)。 邊坡達到破壞狀態(tài)

4、時，滑動面上的位移邊坡達到破壞狀態(tài)時，滑動面上的位移將產(chǎn)生突變，產(chǎn)生很大的且無限制的塑將產(chǎn)生突變，產(chǎn)生很大的且無限制的塑性流動，有限元計算都不收斂，性流動，有限元計算都不收斂，因此采用力或位移因此采用力或位移不收斂作為邊坡不收斂作為邊坡破壞的判據(jù)是合理的。破壞的判據(jù)是合理的。 邊坡失穩(wěn)后形成的直線滑動面邊坡失穩(wěn)后形成的直線滑動面 第8頁/共63頁滑面上節(jié)點水平位移隨荷載的增加而發(fā)生突變滑面上節(jié)點水平位移隨荷載的增加而發(fā)生突變 第9頁/共63頁 塑性區(qū)貫通并不塑性區(qū)貫通并不一定意味著破一定意味著破壞，塑性區(qū)貫壞，塑性區(qū)貫通是破壞的必通是破壞的必要條件，但不要條件，但不是充分條件，是充分條件，還要

5、看應變是還要看應變是否達到一定的否達到一定的值值. 第10頁/共63頁 平面上的屈服曲線平面上的屈服曲線第11頁/共63頁 平面上的屈服曲線平面上的屈服曲線第12頁/共63頁a2 s i n3 ( 3s i n)2 s i n3 ( 3s i n)2s i n33s i n223 s in23( 9s in)k6c o s3 ( 3s i n)c6c o s3 ( 3s i n)c23c o s33s i nc263c o s23(9s in)c編號編號 準則種類準則種類DP1外角點外接外角點外接D-P圓圓 DP2內(nèi)角點外接內(nèi)角點外接D-P圓圓DP3內(nèi)切內(nèi)切D-P圓圓DP4等面積圓等面積圓DP

6、5非正交非正交匹配圓匹配圓表表3-1 各準則參數(shù)換算表各準則參數(shù)換算表 kJIF213sincosc強度準則強度準則第13頁/共63頁 圖圖3-2 有限元單元網(wǎng)格劃分有限元單元網(wǎng)格劃分4 在土坡與巖石邊坡中的應用4.1 在均質(zhì)土坡中的應用 第14頁/共63頁方法方法坡角坡角 （）3035404550FEM(DP1)1.911.741.621.501.41FEM(DP2)1.641.491.381.271.19FEM(DP3)1.561.421.311.211.12Spencer法法1.551.411.301.201.12(DP1-S)/S0.230.230.250.250.26(DP2-S)/

7、S0.050.060.060.060.06(DP3-S)/S0.010.010.010.010.00第15頁/共63頁兩組方向不同的結構面，第一組傾角30度，平均間距10m，第二組傾角75度，平均間距10m. 第16頁/共63頁圖(a)首先貫通的滑動面 圖(b)滑動面繼續(xù)發(fā)展 表3.2.1 計算結果 計算方法計算方法安全系數(shù)安全系數(shù)有限元法（外接圓屈服準則）有限元法（外接圓屈服準則）1.691.69有限元法（等面積圓屈服準則）有限元法（等面積圓屈服準則）1.391.39極限平衡方法極限平衡方法(Spencer)(Spencer)1.361.36第17頁/共63頁第18頁/共63頁 5 在支擋結

8、構中的應用 有限元強度折減法已應用于元磨高速、渝黔高速、福寧高速局部地段西合高速：竹林關陜豫界段巖質(zhì)高邊坡 第19頁/共63頁5.1 考慮樁-土共同作用的支擋結構計算新方法。 崇-遵高速公路高工天滑坡基開挖下切滑體才56米，即引起滑坡復活，滑面發(fā)育在土層和強風化帶內(nèi)。抗滑樁滑床滑體預應力錨索高速公路中線第20頁/共63頁 接觸單元接觸單元FEM連續(xù)介連續(xù)介質(zhì)質(zhì)FEM極限平衡法極限平衡法樁土粗樁土粗造接觸造接觸不平衡不平衡推力法推力法Spencer法法6770644069446400第21頁/共63頁抗滑樁水平推力分布抗滑樁水平推力分布(有限元有限元) 常規(guī)假定常規(guī)假定:三角形、矩形、梯形三角形

9、、矩形、梯形第22頁/共63頁只設置抗滑樁時樁的彎矩、剪力分布抗滑樁內(nèi)力計算結果第23頁/共63頁設置預應力錨索后樁的彎矩、剪力分布 第24頁/共63頁傳統(tǒng)方法傳統(tǒng)方法有限元有限元強度折強度折減法減法受荷段荷載分布受荷段荷載分布類型假定為三角類型假定為三角形分布形分布受荷段荷載受荷段荷載分布類型假分布類型假定為矩形分定為矩形分布布無預無預應力應力錨索錨索剪力剪力(kN)627683236560彎矩彎矩(kN.m)420625808248100有預有預應力應力錨索錨索剪力剪力(kN)87525732650彎矩彎矩(kN.m)53461132011900不同方法得到的樁內(nèi)力計算結果對比 第25頁/

10、共63頁 錨固力優(yōu)化錨固力優(yōu)化 分別計算不同錨固力時樁的內(nèi)力，計算結果如下：分別計算不同錨固力時樁的內(nèi)力，計算結果如下： 錨固力錨固力(kN)樁的彎矩樁的彎矩(kN.m)有限元法有限元法傳統(tǒng)方法傳統(tǒng)方法16001970078532268328001190053461131039004550145165583495026501724929675100034101998276061100730025447811071200117003091313575注：表中為傳統(tǒng)抗滑樁計算的地基系數(shù)法中假定滑坡推力分布為三角形，為矩形第26頁/共63頁050001000015000200002500030000

11、350001234567樁彎矩(kN.m)有限元法不同錨固力時樁的彎矩折線分布不同錨固力時樁的彎矩折線分布 第27頁/共63頁第28頁/共63頁第29頁/共63頁 （3）支擋后的滑動面及其安全系數(shù) 采用有限元強度折減法得到采用預應力錨索加固后滑動面出現(xiàn)在樁頂，不過此時的強度折減系數(shù)為1.39。第30頁/共63頁5.2 5.2 在元磨高速公路高邊坡工程中的應用在元磨高速公路高邊坡工程中的應用計算采用的典型斷面 第31頁/共63頁試驗段施工現(xiàn)場 第32頁/共63頁有限元網(wǎng)格劃分有限元網(wǎng)格劃分 第33頁/共63頁邊坡的破壞模式 第34頁/共63頁有限元得到的框架豎肋彎矩分布 2#豎肋理論彎矩和現(xiàn)場實

12、測彎矩分布 第35頁/共63頁錨索錨索錨固力錨固力（kN）豎肋最大豎肋最大彎矩彎矩（kN.m）豎肋最豎肋最大軸力大軸力（kN）豎肋最豎肋最大土抗大土抗力力(kPa)有限元結果有限元結果(設計工況設計工況)600140265424有限元結果有限元結果(實際工況實際工況)480112216348現(xiàn)場實測現(xiàn)場實測48064254351有限元計算結果與現(xiàn)場實測結果有限元計算結果與現(xiàn)場實測結果第36頁/共63頁 5.3 在抗滑樁長度設計中的應用抗滑樁長度設計中的應用 為什么要作樁的長度設計?1、保證樁不出現(xiàn)“越頂”破壞2、采用合理的樁長第37頁/共63頁第38頁/共63頁第39頁/共63頁圖圖1 邊坡示

13、意圖邊坡示意圖Fig.1 Model of the slope第40頁/共63頁第41頁/共63頁樁位于樁位于公路下方公路下方 第42頁/共63頁表表2樁長、樁的位置與邊坡安全系數(shù)之間的關系樁長、樁的位置與邊坡安全系數(shù)之間的關系樁樁位位置置樁位于公路下方樁位于公路下方樁樁長長(m)79111315全全長長樁樁安全安全系系 數(shù)數(shù)1.13 1.15 1.19 1.19 1.191.19第43頁/共63頁表表2樁長、樁的位置與邊坡安全系數(shù)之間的關系樁長、樁的位置與邊坡安全系數(shù)之間的關系(續(xù)續(xù))樁樁位位置置樁位于公路上方樁位于公路上方樁樁長長(m)791117192123全全長長樁樁安全安全系系 數(shù)數(shù)

14、1.14 1.171.191.19 1. 23 1. 251.29 1.34第44頁/共63頁第45頁/共63頁單位（單位（kN）全長樁全長樁9米樁米樁15米樁米樁19米樁米樁抗滑段滑坡抗滑段滑坡推力推力16085114051523716167最大剪力最大剪力76773212724903764095最大彎距最大彎距18077046619112910149540滑坡推力比滑坡推力比例例10046.783.4100.5剪力比例剪力比例10027.763.883.5彎距比例彎距比例0025.762.582.7第46頁/共63頁第47頁/共63頁6. 6. 基于有限元強度折減法確定基于有限元強度折減法

15、確定滑坡多滑面方法研究滑坡多滑面方法研究 確定可能存在多個潛在剪出口和滑動面的復雜滑坡。第48頁/共63頁當只有少量鉆孔發(fā)現(xiàn)滑帶特征時，依當只有少量鉆孔發(fā)現(xiàn)滑帶特征時，依據(jù)少量滑帶位置來判定整個滑帶有時可據(jù)少量滑帶位置來判定整個滑帶有時可能出現(xiàn)差錯；能出現(xiàn)差錯；當滑坡體處于蠕變階段，滑面尚未形當滑坡體處于蠕變階段，滑面尚未形成，更無法通過勘查找出滑面；成，更無法通過勘查找出滑面；即使查明了滑帶和剪出口，還可能存即使查明了滑帶和剪出口，還可能存在次級滑面和潛在剪出口，有時還不止在次級滑面和潛在剪出口，有時還不止一個，容易造成遺漏滑面。一個，容易造成遺漏滑面。 傳統(tǒng)滑坡滑動面確定方法存在的問題傳統(tǒng)

16、滑坡滑動面確定方法存在的問題第49頁/共63頁可能潛在剪出口1前沿剪出口滑體滑帶下伏穩(wěn)定層可能潛在剪出口2可能潛在剪出口3第50頁/共63頁要求：對滑坡有詳細勘察資料，即知道坡體及其結構面（含滑面）的位置、形狀與強度值。方法：依次約束已知滑面剪出口。確定滑坡多滑面的有效方法確定滑坡多滑面的有效方法有限元強度折減法有限元強度折減法第51頁/共63頁圖圖2 2 滑坡模型示意圖滑坡模型示意圖 滑帶滑體滑體下伏穩(wěn)定巖層第52頁/共63頁 算例算例表表1 1材料物理力學參數(shù)材料物理力學參數(shù) 計算模型及材料參數(shù)材料材料名稱名稱重度重度彈性彈性模量模量泊松泊松比比內(nèi)聚內(nèi)聚力力內(nèi)摩內(nèi)摩擦角擦角kN/m3MPa

17、kPa滑滑 體體20.5300.33024.0滑滑 帶帶20.0300.326.519.9滑體下伏滑體下伏穩(wěn)定巖層穩(wěn)定巖層23.71.61030.220032第53頁/共63頁基本模型計算結果基本模型計算結果計算安全系數(shù)計算安全系數(shù)有限元強度折減法 F=F=1.00極限平衡法(Spencer) F F1.002。 圖圖3 3 滑坡極限狀態(tài)的滑動面滑坡極限狀態(tài)的滑動面 滑動面貫通情況滑動面貫通情況沿滑帶與穩(wěn)定層相接觸處滑動，是最先的滑動面第54頁/共63頁表表4 4 約束剪出口示意圖約束剪出口示意圖（約束剪出口附近ABC段水平位移）MNECABDFGH滑帶滑體滑體下伏穩(wěn)定巖層第55頁/共63頁圖

18、圖5 5 約束約束ABCABC段滑坡極限狀態(tài)的滑動面段滑坡極限狀態(tài)的滑動面( (F F=1.032)=1.032) 約束ABC段水平位移 滑動面與剪出口情況滑面上移C點以上剪出 F=1.0321.2F=1.0321.2第56頁/共63頁圖圖6 6 增加約束增加約束CDECDE段滑坡極限狀態(tài)的滑動面段滑坡極限狀態(tài)的滑動面( (F F=1.104) =1.104) 增加約束CDE段水平位移滑面上移E點以上剪出 F=1.1041.2F=1.1041.2滑動面與剪出口情況第57頁/共63頁圖圖7 7 增加約束增加約束EFGEFG段滑坡極限狀態(tài)的滑動面段滑坡極限狀態(tài)的滑動面( (F F=1.145) =1.145) 增加約束剪出口EFG段水平位移滑面在上段貫通M點以上剪出 F=1.1451.F=1.1451.2 2滑動面與剪出口情況第58頁/共63頁圖圖8 8 增加約束增加約束MNMN段滑坡極限狀態(tài)的滑動面段滑坡極限狀態(tài)的滑動面 ( (F F=1.163) =1.163) 約束MN段水平位移滑面