类土质路堑边坡失稳判据的研究.doc
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1、分类号 U416 单位代码 10618密 级 学 号 106250408 硕 士 学 位 论 文论文题目: 类土质路堑边坡失稳判据的研究 Study on Failure Criteria for soil-similar cutting slope 研究生姓名: 高翀 导师姓名、职称: 唐树名 研究员 申请学位门类: 工 学 专 业 名 称: 道 路 与 铁 道 工 程论文答辩日期: 2009年3月30日学位授予单位: 重 庆 交 通 大 学答辩委员会主席: 高峰 评阅人: 王成 刘涌江2009年3月重庆交通大学学位论文原创性声明本人郑重声明:所呈交的学位论文,是本人在导师的指导下,独立进行
2、研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外,本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名: 日期: 年 月 日 重庆交通大学学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定,同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许论文被查阅和借阅。本人授权重庆交通大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本人学位论文收录
3、到中国学位论文全文数据库,并进行信息服务(包括但不限于汇编、复制、发行、信息网络传播等),同时本人保留在其他媒体发表论文的权利。 学位论文作者签名: 指导教师签名:日期: 年 月 日 日期: 年 月 日 本人同意将本学位论文提交至中国学术期刊(光盘版)电子杂志社CNKI系列数据库中全文发布,并按中国优秀博硕士学位论文全文数据库出版章程规定享受相关权益。学位论文作者签名: 指导教师签名:日期: 年 月 日 日期: 年 月 日摘 要类土质边坡是当前路堑边坡工程领域的一个主要和重要的边坡工程类型,其工程特性与公知的土质边坡或岩质边坡具有明显区别,故其变形失稳是工程技术人员最难把握的。为了解决在公路建
4、设中遭遇的大量类土质路堑边坡的稳定性分析评价等问题,利用ANSYS有限元分析软件,结合有限元的强度折减理论,对类土质路堑边坡的失稳判据展开了研究。研究内容涉及了边坡的类型,变形破坏方式,变形破坏发展规律和特征,联系工程实例,针对两种常见的边坡破坏方式,探讨基于迭代收敛判据、突变性判据和塑性区贯通判据等三种不同的失稳判据下边坡安全系数失稳判据和变形失稳判据的确定问题,及其影响因素等。获得的主要成果及结论如下:(1)得出了类土质路堑边坡破坏方式的各异性,不同类型的边坡滑裂面剪出口位置具有不同的特征;(2)提出了两种不同屈服准则之间的转换关系式,结合两个工程实例,比较了与最常用的三个屈服准则的计算结
5、果,并与极限平衡法相对比,结果表明采用平面应变条件下和非关联流动法则()下的等面积圆D-P准则作为分析类土质路堑边坡的屈服准则最为合适。(3)就边坡常用的三类判据(计算的收敛性、塑性区的贯通和特征部位位移的突变性)展开了讨论,提出以边坡的最大水平位移或最大塑性应变的突变值为主要判据,辅以计算收敛性判据和塑性区贯通判据进行分析,有较好的精确度,并得出了实例中的安全系数失稳判据和变形失稳判据。(4)分析了影响此类边坡失稳判据的几个因素,得出:计算范围并不是越大越好,应该根据所研究的具体问题具体分析;网格应疏密得当,对可能滑动范围进行局部加密可提高计算时间与精度;粘聚力及内摩擦角对边坡的稳定性影响最
6、大,边坡的安全系数随着粘聚力(或内摩擦角)的减小而减小,而边坡的临界位移值随着粘聚力(或内摩擦角)的增大而减小;弹性模量和泊松比对安全系数的影响可以忽略不计,条件是岩土体弹性模量值不能过小,若很小,很有可能导致部分土体变形过大而使有限元计算不收敛,最终对安全系数产生很大影响;弹性模量对边坡体的变形却有很大的影响;计算中考虑剪涨角的影响可使计算结果更符合实际。并通过二次曲线拟合得出了影响因素与失稳判据值的关系式。关键词:类土质路堑边坡;失稳判据;极限平衡法;有限元分析;强度折减法;安全系数;变形失稳 ABSTRACTThe soil-similar cutting slope is one of
7、 the primary and important types of cutting slopes at present, its engineering properties are obviously different from the well-known soil slopes or rock slopes, so its deformation and failure is the most difficult in geotechnical engineering. To resolve the numerous problems about stability analysi
8、s etc during the process of constructing expressways, the research on failure criteria of soil-similar cutting slopes was worked out by finite element method ANSYS in this paper based on shear strength reductionve methods. The investigation contents invovle slope type, deformation and failure mode,
9、and its characteristics,the law of development. In view of two common destructive ways of slope, the research contact project examples, based on three main criterias for evaluating instability:the convergence of equations solution, the abruptness of the displacement or deformation at a certain chara
10、cteristic, location and the connectivity of plastic zone, in order to determine the safety factor and deformation of slopes failure criteria. The main results and conclusions of the thesis are as follows:(1)The soil-similar cutting slopes have different distructive ways, different types of slope sli
11、p surface shear export position has different characteristics;(2)This paper presents the conversion relationship between two different yield criterion. Combine two project examples, compared with three most frequently used yield criterion for the calculation of results, and with the limit equilibriu
12、m method. The results show that its the most appropriate yield criterion to analyse soil-similar cutting slopes with the equal-area circle D-P criterion under the conditions of plane strain and non-associated flow rule(=0).(3)This paper discusses the slope commonly used three criterion(the convergen
13、ce of equations solution, location and the connectivity of plastic zone, the abruptness of the displacement at a certain characteristic), propose its better accuracy to use the largest horizontal displacement or maximum value of plastic strain of the slope as the main criterion, and supported by cal
14、culating the convergence criterion and the plastic zone through the criterion for analysis. Finally, the safety factor of instability criterion and deformation instability criterion are obtained in the examples.(4)This paper analyzes the impact factors of such slope instability criterion, obtain: it
15、 is not better that it is the greater calculating range,it should be studied in accordance with concrete analysis of concrete problems; The grid spacing should be appropriate, encrypt the part in slipping the range will improve and calculate the time and precision; Cohesion and internal friction ang
16、le have the greatest impact in slope stability.The safety factor of the slopes decrease with the cohesion(or internal friction angle) decrease, the critical displacement values of the slopes decrease with the cohesion(or internal friction angle)increase; Elastic modulus and poissions ratio of the im
17、pact factor of safety can be neglected, the condition is that the elastic modulus value of rock and soil should not be too small, if small, its likely to result in part of soil deformation is too large to converge, eventually to have a significant impact on the safety factor; Elastic modulus have a
18、great impact on deformation of slope; Consider the effects of shear angle will enable the calculation results more in line with the actual. And obtained the relational expression between influence factor and failure criteria values through quadratic curve fitting.KEY WORDS: soil-similar cutting slop
19、e; failure criteria; limit equilibrium method; analysis of finite element; strength reduction method; safety factor; deformation and failure目 录第一章 绪论11.1问题的提出11.2国内外研究现状21.2.1边坡失稳判据的研究21.2.2边坡稳定性分析51.2.3类土质路堑边坡的研究91.3本文的工作101.3.1研究对象及研究内容101.3.2研究思路及方法11第二章 类土质路堑边坡的特性及其变形破坏机理122.1引言122.2类土质路堑边坡的类型12
20、2.2.1坡残积土边坡122.2.2风化土边坡132.2.3崩滑流堆积边坡152.2.4复杂结构边坡162.3类土质路堑边坡的变形破坏方式162.3.1平面破坏172.3.2圆弧或似圆弧破坏172.3.3崩塌破坏182.3.4坡面冲刷182.4边坡的变形破坏机理192.4.1力学基础192.4.2变形破坏过程202. 5小结22第三章 边坡弹塑性有限元分析及安全系数的定义233.1引言233.2岩土弹塑性变形的特点和基本假设233.2.1塑性变形的基本特性233.2.2岩土材料性质的基本假设243.3弹塑性分析的基本理论243.3.1弹塑性本构模型243.3.2屈服准则的选取253.3.3屈服
21、准则的转换283.3.4塑性状态的加载卸载准则和流动准则293.3.5硬化规律313.4边坡稳定安全系数的定义323.4.1极限平衡法所定义的安全系数323.4.2有限元法所定义的安全系数333.5小结34第四章 类土质路堑边坡安全系数失稳判据的分析354.1Ansys软件介绍354.2强度折减有限元法分析边坡失稳判据的研究354.2.1强度折减有限元法基本思想354.2.2边坡失稳判定标准的研究364.3算例分析1384.3.1 计算模型384.3.2计算结果分析404.4算例分析2464.4.1计算模型464.4.2计算结果分析484.5边坡安全系数的影响因素534.5.1计算范围的影响5
22、44.5.2不同网格密度的影响544.5.3计算参数对边坡安全系数的影响554.6小结58第五章 类土质路堑边坡变形失稳判据的分析605.1引言605.2算例分析605.2.1算例1605.2.2算例2625.3边坡变形失稳判据的影响因素分析655.3.1不同网格密度的影响655.3.2计算参数对边坡稳定性的影响655.3.3水对边坡稳定性的影响685.4小结70第六章 结论与建议716.1主要结论716.2建议72致 谢74参考文献75在学期间发表的论著及取得的科研成果7811第一章 绪论第一章 绪论1.1问题的提出边坡是人类生存的重要环境,甚至是工程建筑的重要组成部分。随着西部大开发和基础
23、设施建设的不断实施,山区高等级公路的修建中,不可避免地会遇到大量的路堑边坡。边坡在演变过程中,可出现不同形式、不同规模的变形与破坏,如滑坡、崩塌等。我国是一个滑坡、崩塌灾害较为频发的国家,据不完全统计,近十年来几乎平均每年有一次重大崩塌,造成灾害事故。边坡变形破坏过程和它所造成的不良地质环境均可对人类工程活动带来十分重要的危害,并且还可能引起生态环境的失调和破坏,造成更大范围和更为深远的影响。如:1980年7月3日,成昆线路西车站发生大滑坡,滑体总量达2.2106m2,掩埋铁路、堵塞隧道入口,使铁路营运中断达40天之久,造成了重大经济损失。1982年7月17日,四川省云阳县天宝村发生大滑坡,滑
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