【摘要】：穩(wěn)定分析是土力學中的經(jīng)典問題,也是巖土工程師在設計中經(jīng)常遇到的問題,例如,土壩、堆石壩、重力壩、堤防等建筑物的穩(wěn)定；地基的承載力和基礎的穩(wěn)定；主動、被動土壓力的確定及支擋結構的穩(wěn)定；隧洞的破壞和圍巖的穩(wěn)定：等等。從理論的角度看,很多學者認為邊坡穩(wěn)定、土壓力和地基承載力這三個領域的分析方法屬于同一理論體系,并主張建立統(tǒng)一的數(shù)值方法。隨著電子計算機和數(shù)值計算方法在巖土及相關工程領域的廣泛應用,穩(wěn)定分析數(shù)值方法獲得蓬勃發(fā)展,其中,有限元極限平衡法成為極具代表性的方法。其應用范圍從均質土坡擴大到土石壩、基坑支護等相關穩(wěn)定問題。該方法適用性廣、實用性強,前景廣闊。本文在對穩(wěn)定分析方法的研究成果及最新進展進行總結評述的基礎上,介紹了有限元極限平衡法的基礎理論,采用該方法分析土力學中的三大穩(wěn)定問題：土壓力、地基承載力和邊坡穩(wěn)定。另外,針對硬化／軟化圍巖,提出采用有限元極限平衡法模擬隧洞的開挖損傷區(qū)。最終,完善這一用于土工結構穩(wěn)定分析的統(tǒng)一數(shù)值方法。主要包括以下研究成果：(1)提出一種二維滑動面優(yōu)化搜索方法。發(fā)展了粒子群與模式搜索串聯(lián)混合滑動面搜索方法,并應用于土工結構穩(wěn)定分析,提高了計算程序的使用效率與計算精度。(2)邊坡穩(wěn)定分析及相關問題研究。分析了土材料參數(shù)對有限元極限平衡法計算結果的影響及相對復雜的邊坡的穩(wěn)定問題。具體分析了泊松比及剪脹角對該方法的影響,并給各自出了解釋。在使用有限元極限平衡法過程中,基于有限元應力場確定的滑動面上的剪應力可能出現(xiàn)反轉,針對這種情況提出一個的有效的解決方案。針對幾個典型的邊坡穩(wěn)定算例,驗證了所提出的搜索方法。另外,論證了采用有限元極限平衡法分析多級邊坡的可行性。(3)確定主動、被動土壓力及其對應的滑動面形狀。朗肯和庫侖理論是解決土壓力問題中的主要方法,但在計算中,常常假設其滑動面為平面(直線)是不合理的。所以,提出了采用有限元極限平衡法求解土壓力問題,并揭示了合理的滑動面形狀。同時,拓展了Terzaghi的被動土壓力對數(shù)螺線法,使其使用范圍更加廣泛；并提出主動土壓力對數(shù)螺旋線法。進而,對比了有限元極限平衡法與對數(shù)螺旋線法,結果顯示二者計算所得的滑動面位置、形狀一致。(4)確定地基承載力及其滑動面形狀。分析了考慮基礎寬度、地基重度和地基與基礎間的摩擦的地基承載力問題,并與多種方法求得的地基承載力系數(shù)對比,有限元極限平衡法計算結果除了顯示其可信性,還揭示了對于光滑基礎,地基破壞滑動面形狀與極限分析中的"Hill"破壞機理類似,而對于粗糙基礎,滑動面形狀與"Prandtl"破壞機理相似。(5)研究了考慮土體軟化的穩(wěn)定問題和土工結構局部剪切破壞面問題。首先針對有限元極限平衡法提出了考慮土體軟化的邊坡穩(wěn)定安全系數(shù),并與基于峰值強度和殘余強度的極限平衡法對比,證明了該方法及所提安全系數(shù)的合理性。其次,提出了局部剪切破壞面的搜索方法,分析了土工結構加載過程中的逐步破壞過程,便于理解和解釋結構內部的剪切破壞機理。(6)專項研究,進行隧洞各向異性開挖損傷區(qū)的數(shù)值模擬。結合比利時高放核廢料深埋處置庫圍巖的相關研究,通過有限元法極限平衡分析了處置庫圍巖Boom clay的開挖損傷區(qū)的特征。首先,通過有限元軟件ABAQUS子程序實現(xiàn)了一個改進的考慮硬化／軟化的各向異性的Drucker-Prager彈塑性模型。其次,研究Boom clay的彈塑性各向異性性質對開挖損傷區(qū)范圍的影響。最后,采用有限元極限平衡法預測開挖損傷區(qū)內可能存在的裂隙的形狀,并解釋深埋處置隧洞開挖損傷區(qū)的破壞機理。
【圖文】：

當邊坡失穩(wěn)并且開始滑動時，滑動體應滿足運動許可，滑動面必須是向上凹的。二逡逑維問題中，對于一個離散的滑動面（包含《個控制點），從坡腳到坡頂，其上的微線段與逡逑水平方向上的夾角遞增ｔ５９ｌ，如圖１．１。Ｓａｒｍａ和Ｔａｎｔｗｉ則認為夾角應遞增或相等，，即逡逑公｜邋＜０：２邐＜．．．＜巧邐１邐（１．２）逡逑邐＾邐逡逑／邐ａｎ？廣邋Ｊ逡逑／邐６９．８。逡逑／邋。刮逡逑／邐７邋５７．０°逡逑２６．４°逡逑－２３．４°逡逑．１０．７。邐１２．９。逡逑圖１．１邊坡滑動運動許可逡逑Ｆｉｇ．邋１．１邋Ｋｉｎｅｍａｔｉｃａｌｌｙ邋ａｃｃｅｐｔａｂｌｅ邋ｆａｉｌｕｒｅ邋ｍｅｃｈａｎｉｓｍ逡逑－７邋－．逡逑

Ｓｏｕｂｒａ邋等［７４’７５］采用極限分祈上限方法卿ｅ邋ｕｐｐｅｒ－ｂｏｕｎｄ邋ｍｅｔｈｏｄ邋ｉｎ邋ｌｉｍｉｔ邋ａｎａｌｙｓｉｓ），也逡逑稱運動法腳ｌｅｍａｔｉｃａｌａｐｐｒｏａｃｈ），分別研究了Ｈ維被動止壓力問題和二維主動、被動止u#逡逑力問題。在三維問題中，假設Ｓ種運動許可破壞機理：Ｍｉ、如和ＭＷ。如圖１．２所示，逡逑－９邋－逡逑
【學位授予單位】：大連理工大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TU43

【參考文獻】

相關期刊論文 前10條

1 于斯瀅;邵龍?zhí)?劉士乙;;基于有限元極限平衡法的尾礦壩壩體穩(wěn)定分析[J];巖土力學;2013年04期

2 邵龍?zhí)?劉士乙;;基于極限平衡條件的土體局部穩(wěn)定分析[J];西北地震學報;2011年03期

3 邵龍?zhí)?劉士乙;李紅軍;;基于有限元滑面應力法的重力式擋土墻結構抗滑穩(wěn)定分析[J];水利學報;2011年05期

4 李紅軍;邵龍?zhí)?;有限元極限平衡法在三維邊坡中的應用研究[J];鐵道工程學報;2011年05期

5 唐洪祥;李錫夔;;土工結構物漸進破壞過程Cosserat連續(xù)體有限元分析[J];大連理工大學學報;2010年03期

6 李亮;遲世春;林皋;;改進和聲搜索算法及其在土坡穩(wěn)定分析中的應用[J];土木工程學報;2006年05期

7 李亮;遲世春;林皋;;禁忌魚群算法及其在邊坡穩(wěn)定分析中的應用[J];工程力學;2006年03期

8 殷宗澤,呂擎峰;圓弧滑動有限元土坡穩(wěn)定分析[J];巖土力學;2005年10期

9 楊維,李歧強;粒子群優(yōu)化算法綜述[J];中國工程科學;2004年05期

10 王成華,夏緒勇,李廣信;基于應力場的土坡臨界滑動面的遺傳算法搜索[J];清華大學學報(自然科學版);2004年03期

相關博士學位論文 前1條

1 陳頁開;擋土墻上土壓力的試驗研究與數(shù)值分析[D];浙江大學;2001年

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1 成長青;邊坡穩(wěn)定有限元分析及程序設計[D];大連理工大學;2008年

本文編號：2557392