理论教育 有限元强度折减法判据及超高边坡失稳

有限元强度折减法判据及超高边坡失稳

时间:2023-08-29 理论教育 版权反馈
【摘要】:Matsui在模拟填方边坡时,以剪应变超过15%作为边坡失稳的判据。因此,采用有限元计算是否收敛作为超高边坡失稳的判据是比较合理的。

有限元强度折减法判据及超高边坡失稳

采用强度折减有限元方法分析超高边坡稳定性时,如何判断边坡是否达到极限平衡状态,十分关键。这种有限元失稳判据的选取,没有获得共识,常见的失稳判据主要有下列三种。

1.特征点位移发生突变

边坡失稳最直观的表现就是边坡体内位移场的突变。首先建立边坡体内特征点处的水平位移或竖向位移与强度折减系数之间的函数关系曲线,这个曲线出现的拐点就是作为超高边坡处于临界破坏状态的判据。

2.有限元计算的收敛性

非线性有限元计算中,在给定的求解迭代次数和收敛标准内一直不能收敛,这时就作为超高边坡达到的临界破坏状态的判据。如Ugai认为迭代上限以500次为限,残差位移的收敛标准为105,国内学者赵尚毅、张鲁渝等人也采用过迭代计算是否收敛作为边坡失稳判据。(www.daowen.com)

3.广义剪应变或塑性应变的贯通

超高边坡的破坏过程总是伴随着塑性应变区域、广义剪应变区域等等的发生、发展直到贯通的。该失稳判据认为,当超高边坡体内的塑性应变或广义剪应变达到某一值或其他的分布基本贯通时,此时边坡达到极限破坏状态,以此作为超高边坡达到的临界破坏状态的判据,此时相对应的折减系数即可作为边坡的安全系数。Matsui在模拟填方边坡时,以剪应变超过15%作为边坡失稳的判据。连镇营等利用数学手段绘制边坡内广义剪应变分布图,若某一幅值广义剪应变的区域在边坡中出现了相互贯通,则意味边坡已经失稳破坏。刘祚秋等在某供水改造工程中边坡分析时,提出了以某一幅值的总等效塑性应变区从坡脚到坡顶贯通时为边坡破坏的判据。

中国工程院院士郑颖人等人对超高边坡失稳的判据做了详细的研究。研究结果认为边坡破坏的特征是边坡失去稳定,滑体滑出,滑体由稳定静止状态变为运动状态,同时产生很大的位移和塑性应变,且此位移和塑性应变不再是一个定值,而是处于无限塑性流动状态。边坡塑性区从坡角到坡顶贯通并不一定意味着边坡整体破坏,塑性区贯通是破坏的必要但不充分条件,还需要分析塑性应变是否具备继续发展的边界条件。通过有限元强度折减,边坡如果达到破坏状态,滑动面上的位移将产生突变,产生很大的塑性流动,有限元程序无法从有限元方程组中找到一个既能满足静力平衡又能满足应力-应变关系和强度准则的解。此时,不管是从力的收敛标准,还是从位移的收敛标准来判断,有限元计算都不收敛。研究表明,塑性区的贯通并不一定代表超高边坡产生破坏,塑性区的贯通是破坏的必要条件,但不是充分条件。边坡土体的破坏标志应该是部分土体出现无限移动,此时有限元计算中塑性应变或位移出现突变;与此同时有限元计算发生不收敛的现象。因此,采用有限元计算是否收敛作为超高边坡失稳的判据是比较合理的。

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