CN111368483A - 一种基于有限元强度折减法的支护结构边坡稳定评价方法 - Google Patents

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CN111368483A CN202010255822.XA CN202010255822A CN111368483A CN 111368483 A CN111368483 A CN 111368483A CN 202010255822 A CN202010255822 A CN 202010255822A CN 111368483 A CN111368483 A CN 111368483A
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沈志平
余能彬
陈德茂
杨振杰
朱军
吴斌
付君宜
王鸿
刘慧�
靳颜宁
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Abstract

本发明公开了一种基于有限元强度折减法的支护结构边坡稳定评价方法，它包括根据支护结构边坡的设计文件，获取支护结构的极限承载能力；根据支护结构边坡设计文件中的模型建立有限元模型；对有限元模型土体单元的粘聚力c和内摩擦角
Figure DDA0002437269820000011
采用强度折减法进行折减，通过折减后得到的一组以上的粘聚力c和内摩擦角
Figure DDA0002437269820000012
对有限元模型进行弹塑性应力应变分析，试算出一组粘聚力c和内摩擦角
Figure DDA0002437269820000013
，使其对应的有限元模型中的任意一个支护结构最先达到极限承载能力即认为此时的粘聚力c和内摩擦角
Figure DDA0002437269820000014
对应的折减系数为该支护结构边坡的安全系数；解决了采用有限元强度折减法在计算支护结构边坡安全系数时安全系数严重失真等技术问题。

Description

一种基于有限元强度折减法的支护结构边坡稳定评价方法
技术领域
本发明属于支护结构边坡的安全系数计算方法，尤其涉及一种基于有限元强度折减法的支护结构边坡稳定评价方法。
背景技术
有限元强度折减法通过不停的折减土体强度参数来计算边坡的安全系数和滑面。通常有限元强度折减法对于边坡的破坏判据为(1)滑面塑性区域贯通；(2)滑面上的位移与应变将产生突变，产生很大的且无限制的塑性流动；(3)有限元计算不收敛，采用力或位移不收敛作为边坡破坏判据。上述做法在计算无支护结构的边坡时没有问题，但是在计算含有支护结构的边坡时，上述判据通常会导致计算结果严重失真，原因是支护结构通常采用弹性本构，无论受到多大外力，仅会产生变形而不会屈服，通常支护结构的弹性模量又远远大于周围土体，这样就导致边坡破坏时支护结构的内力和变形非常巨大，早已超出支护结构的承受极限，因此计算出的安全系数严重失真。如何解决有限元强度折减法计算含支护结构边坡安全系数失真的问题是岩土工程中需要解决的问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：一种基于有限元强度折减法的支护结构边坡稳定评价方法，以解决现有技术采用有限元强度折减法在计算支护结构边坡安全系数时存在严重失真的技术问题。
本发明的技术方案是：
一种基于有限元强度折减法的支护结构边坡稳定评价方法，它包括：
步骤1、根据支护结构边坡的设计文件，获取支护结构的极限承载能力；
步骤2、根据支护结构边坡设计文件中的模型建立有限元模型，支护结构采用弹性本构的结构单元进行模拟；
步骤3、对有限元模型土体单元的粘聚力c和内摩擦角
Figure BDA0002437269800000021
采用强度折减法进行折减，折减系数为Fs；通过折减后得到的一组以上的粘聚力c和内摩擦角
Figure BDA0002437269800000022
对有限元模型进行弹塑性应力应变分析，试算出一组粘聚力c和内摩擦角
Figure BDA0002437269800000023
使其对应的有限元模型中的任意一个支护结构最先达到步骤一中的极限承载能力，即认为此时的粘聚力c和内摩擦角
Figure BDA0002437269800000024
对应的折减系数Fs为该支护结构边坡的安全系数。
步骤1所述支护结构的极限承载能力包括抗弯能力、抗剪能力、抗拉抗压能力和变形能力；某些支护结构会有多种极限承载能力，其任意一种承载能力达到极限时就认为该支护结构达到极限承载能力。
所述强度折减法计算公式为：
Figure BDA0002437269800000025
Figure BDA0002437269800000026
步骤3中，有限元模型计算结果的滑面会出现三种情况(1)滑面塑性区域未贯通；(2)滑面塑性区域贯通且经过支护结构；(3)滑面塑性区域贯通且未经过支护结构。对于情况(1)和(2)本方法均适用，对于情况(3)本方法不适用。
本发明有益效果：
本发明将有限元强度折减法的破坏判据设置为支护结构的极限承载能力，经过改进的破坏判据可以根据结构单元的承载力极限获得准确的安全系数，解决了现有技术采用有限元强度折减法在计算支护结构边坡安全系数时收敛不及时导致安全系数严重失真的问题。
附图说明：
图1为本发明具体实施过程示意图；
图2为本发明具体实施方式中支护结构有限元模型；
图3为本发明具体实施方式中有限元模型的滑面塑性区域云图；
图4为本发明具体实施方式中有限元模型锚索的轴力图；
图5为本发明具体实施方式中有限元模型抗滑桩的弯矩图；
图6为本发明具体实施方式中有限元模型抗滑桩的剪力图；
图7为本发明具体实施方式中有限元模型抗滑桩水平位移云图。
具体实施方式
如图1所示，本发明一种基于有限元强度折减法的支护结构边坡稳定评价方法，其实施过程如下：
步骤一：根据支护结构边坡的设计文件，获取支护结构的极限承载能力。
步骤二：根据支护结构边坡设计文件中的模型建立有限元模型，支护结构采用弹性本构的结构单元进行模拟。
步骤三：对步骤二中有限元模型土体单元的粘聚力c和内摩擦角
Figure BDA0002437269800000041
采用强度折减法公式(如下式)进行折减，折减系数为Fs。通过折减后得到的一组以上的粘聚力c和内摩擦角
Figure BDA0002437269800000042
对有限元模型进行弹塑性应力应变分析，试算出一组粘聚力c和内摩擦角
Figure BDA0002437269800000043
使其对应的有限元模型中的任意一个支护结构最先达到步骤一中的极限承载能力，即认为此时的粘聚力c和内摩擦角
Figure BDA0002437269800000044
对应的折减系数Fs为该支护结构边坡的安全系数。
Figure BDA0002437269800000045
Figure BDA0002437269800000046
其中，步骤一中支护结构的极限承载能力通常包括抗弯能力、抗剪能力、抗拉抗压能力、变形能力；某些支护结构会有多种极限承载能力，其任意一种承载能力达到极限时就认为该支护结构达到极限承载能力。
其中，步骤三中，有限元模型计算结果的滑面会出现三种情况(1)滑面塑性区域未贯通；(2)滑面塑性区域贯通且经过支护结构；(3)滑面塑性区域贯通且未经过支护结构。对于情况(1)和(2)本方法均使用，对于情况(3)本方法不适用。
本发明以锚索抗滑桩支护结构为例，对本发明方案进行举例说明以便于本领域技术人员理解，具体实施过程如下：
步骤一：根据锚索抗滑桩支护结构的设计文件，得到锚索的极限抗拉承载能力为1293.6kN，抗滑桩的极限抗弯承载能力为2343.54kN·m，抗滑桩的极限抗剪承载能力为1028.4kN，桩顶极限水平位移为0.234m。
步骤二：根据支护结构边坡设计文件中的模型建立有限元模型如图2所示，材料参数如表1所示：
表1支护结构有限元边坡模型材料参数
Figure BDA0002437269800000051
步骤三：对步骤二中有限元模型土体单元的粘聚力c和内摩擦角
Figure BDA0002437269800000052
采用强度折减法公式(如下式)进行折减。
Figure BDA0002437269800000053
Figure BDA0002437269800000054
经过16次试算，当粘聚力c＝26.96kPa内摩擦角
Figure BDA0002437269800000055
时，滑面塑性区域未贯通如图3所示。此时锚索和抗滑桩的受力情况：上排锚索拉力达到1292kN，下排锚索拉力达到1239kN，如图4所示；抗滑桩最大弯矩达到1304kN如图5所示；抗滑桩最大剪力达到731kN如图6所示；抗滑桩顶水平位移达到0.0234m如图7所示。根据步骤一的极限承载能力，上排锚索拉力达到1292kN接近极限抗拉承载能力1293.6kN，此时的折减系数为1.150，即安全系数为1.150。
本发明将有限元强度折减法的破坏判据设置为支护结构的极限承载能力，经过改进的破坏判据可以根据结构单元的承载力极限获得准确的安全系数，解决了现有技术采用有限元强度折减法在计算支护结构边坡安全系数时收敛不及时导致安全系数严重失真的问题。

Claims (4)

1.一种基于有限元强度折减法的支护结构边坡稳定评价方法，它包括：
步骤1、根据支护结构边坡的设计文件，获取支护结构的极限承载能力；
步骤2、根据支护结构边坡设计文件中的模型建立有限元模型，支护结构采用弹性本构的结构单元进行模拟；
步骤3、对有限元模型土体单元的粘聚力c和内摩擦角
Figure FDA0002437269790000011
采用强度折减法进行折减，折减系数为Fs；通过折减后得到的一组以上的粘聚力c和内摩擦角
Figure FDA0002437269790000012
对有限元模型进行弹塑性应力应变分析，试算出一组粘聚力c和内摩擦角
Figure FDA0002437269790000013
使其对应的有限元模型中的任意一个支护结构最先达到步骤1中的极限承载能力，即认为此时的粘聚力c和内摩擦角
Figure FDA0002437269790000014
对应的折减系数Fs为该支护结构边坡的安全系数。
2.根据权利要求1所述的基于有限元强度折减法的支护结构边坡稳定评价方法，其特征在于：步骤1所述支护结构的极限承载能力包括抗弯能力、抗剪能力、抗拉抗压能力和变形能力；某些支护结构会有多种极限承载能力，其任意一种承载能力达到极限时就认为该支护结构达到极限承载能力。
3.根据权利要求1所述的基于有限元强度折减法的支护结构边坡稳定评价方法，其特征在于：所述强度折减法计算公式为：
Figure FDA0002437269790000015
Figure FDA0002437269790000021
4.根据权利要求1所述的基于有限元强度折减法的支护结构边坡稳定评价方法，其特征在于：步骤3中，有限元模型计算结果的滑面会出现三种情况(1)滑面塑性区域未贯通；(2)滑面塑性区域贯通且经过支护结构；(3)滑面塑性区域贯通且未经过支护结构。
对于情况(1)和(2)本方法均适用，对于情况(3)本方法不适用。
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