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2002年10月中国工程科学Oct12002
第4卷第10期EngineeringScienceVol14No110

研究报告

用有限元强度折减法进行边坡稳定分析

郑颖人,赵尚毅,张鲁渝
(后勤工程学院军事土木工程系,重庆400041)

[摘要]通过对边坡非线性有限元模型进行强度折减,使边坡达到不稳定状态时,非线性有限元静力计算将
不收敛,此时的折减系数就是稳定安全系数,同时可得到边坡破坏时的滑动面。传统条分法无法获得岩质边坡
的滑动面与稳定安全系数。该方法开创了求岩质边坡滑动面与稳定安全系数的先例。文章对此法的计算精度以
及影响因素进行了分析。算例表明采用摩尔-库仑等面积圆屈服准则求得的稳定安全系数与简化Bishop法的误
差为3%~8%,与Spencer法的误差为1%~4%,证实了其实用于工程的可行性。
[关键词]边坡稳定分析;有限元强度折减法;屈服准则
[中图分类号]TU457[文献标识码]A[文章编号]1009-1742(2002)10-0057-05

外水平大致相当。对于均质土坡,传统方法主要
引言
1有:极限平衡法、极限分析法和滑移线场法等。就
西部开发是我国实现地区平衡发展和可持续发目前工程应用而言,主要还是极限平衡法,但需要
展的重大战略举措。然而,我国西部地区山高坡事先知道滑动面位置和形状。对于均质土坡,可以
陡、沟壑纵横,城市建筑依山而立,公路、铁路翻通过各种优化方法来搜索危险滑动面。但是,对于
山越岭,复杂多变的地形地貌决定了我国西部开发岩质边坡,由于实际岩体中含有大量不同构造、产
将面临大量滑(边)坡工程,滑坡与边坡事故日益状和特性等不连续结构面(比如层面、节理、裂
增多。例如2001年,重庆市云阳县就发生两次大隙、软弱夹层、岩脉和断层破碎带等),给岩质边
型滑坡,重庆市武隆边坡失稳坍塌造成79人死亡。坡的稳定分析带来了巨大的困难。传统极限平衡方
重庆市近20年来累计发生地质灾害3133万处,仅法尚不能搜索出危险滑动面以及相应的稳定安全系
2000年就发生6371处,受灾19133万人,倒塌房数。而目前的各种数值分析方法,一般只是得出边
屋8168万间,直接经济损失7167亿元。重庆市已坡应力、位移、塑性区,也无法得到边坡危险滑动
经成为地质灾害的重灾区,尤其是随着三峡库区蓄面以及相应的安全系数。随着计算机技术的发展,
水和新兴城市的建设,有可能诱发更大的地质灾尤其是岩土材料的非线性弹塑性有限元计算技术的
害,隐患无穷。现在,国务院已经决定拨款40亿发展,有限元强度折减法近来在国内外受到关注,
元,用于三峡库区地质灾害治理,仅重庆三峡库区对于均质土坡已经得到了较好的结论,但尚未在工
计划的地质灾害治理工程就有143个。频发的地质程中实用。笔者采用有限元强度折减法[1],对均
灾害以及大量灾害治理资金的投入,使得滑(边)质土坡进行了系统分析,证实了用于工程的可行
坡稳定性问题成为西部开发中的热点与难点问题。性,得到了节理岩质边坡坡体的危险滑动面和相应
边坡稳定分析是经典土力学最早试图解决而至的稳定安全系数。该方法可以对贯通和非贯通的节
今仍未圆满解决的课题,各种稳定分析方法在国内理岩质边坡进行稳定分析,同时可以考虑地下水、

[收稿日期]2002-06-10
[作者简介]郑颖人(1933-),男,浙江镇海市人,中国工程院院士,后勤工程学院教授,博士生导师
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施工过程对边坡稳定性的影响,可以考虑各种支挡算例分析表明(表2):DP4准则与简化
结构与岩土材料的共同作用,为岩质边坡稳定分析Bishop法所得稳定安全系数最为接近。通过对误差
开辟了新的途径。进行统计分析可知,当选用DP4准则时,误差的
平均值为517%,最大误差小于8%,且离散度很
2有限元强度折减系数法基本原理
小,而DP1的平均误差为2915%,同时采用DP2、
有限元强度折减系数法的基本原理是将坡体强DP3准则所得计算结果的离散度也非常大。因此,
度参数:粘聚力c和内摩擦角U值同时除以一个折在数值分析中可用DP4准则代替摩尔-库仑准则。

减系数Ftrial,得到一组新的cc、Uc值,然后作为表2不同屈服准则所得最小安全系数
新的资料参数输入,再进行试算,当计算不收敛Table2Safetyfactorbydifferentmethod
时,对应的Ftrial被称为坡体的最小稳定安全系数,h=20mB=45bc=42kPa

此时坡体达到极限状态,发生剪切破坏,同时可得U/(b)01110253545

到坡体的破坏滑动面。DP10152511044117692125431051

cc=c/Ftrial,Uc=arctan(tanU/Ftrial)DP2015250193011332115301188