郑颖人：有限元极限分析法在边坡与 隧道工程中的应用.ppt

有限元极限分析法在边坡与隧道工程中的应用重庆市地质灾害防治工程技术研究中心中国人民解放军后勤工程学院教授郑颖人 岩土材料的受力破坏过程分析屈服不是破坏，屈服是一个过程破坏要通过塑性发展，材料内部出现损伤，逐渐达到破坏弹性------塑性------破坏屈服准则破坏准则(弹性极限)(塑性极限) 一、有限元极限分析法介绍经典极限分析法适用工程设计但需要事先知道破坏面，适应性差有限元法适应性广,但无法算安全系数有限元极限分析法,既适用于工程设计,且适应性广特别适用于岩土工程设计（边(滑)坡、地基、隧道） 有限元极限分析法的原理两种安全系数定义强度储备安全系数边坡体的垂直条分和受力分析超载安全系数 两种有限元极限分析法有限元强度折减法不断降低岩土C、值，边降边算，直到破坏。自动生成破坏面，给出破坏信息。强度降低的倍数即为安全系数有限元增量加载法（超载法）不断增加荷载，直到破坏。 强度降低，破坏面自动形成可求安全系数，还可求破坏面剪切应变增量云图 二、边（滑）坡的分类与破坏机理（共11种）要求分类可视、动态、定量，而与工程地质分类不同。按物质种类分为土质边坡、岩质边坡和岩土混合边坡三类；按坡体的构造特征可分为：类均质边坡、层状边坡（顺层和反倾层边坡）和软硬互层边坡三类。 2.1各类边坡的变形破坏特征与滑动面形态一级分类二级分类变形破坏特征滑动面形态类均质边坡土质边坡旋转滑动圆弧型滑面碎裂散体岩石边坡 土质边坡算例有限元单元网格划分 （坡角）3035404550DP11.911.741.621.501.41DP31.641.491.381.271.19DP5非关联流动法则1.561.421.311.211.12极限平衡Spencer法1.551.411.301.201.12(DP1S)/S0.230.230.250.250.26(DP3S)/S0.050.060.060.060.06(DP5S)/S0.010.010.010.010.00关联流动法则下不同准则条件下的安全系数 层状边坡顺倾层状边坡顺层边坡顺层滑动直线型滑面屈曲边坡屈曲破坏折线型滑面 具有两组平行节理面的岩质边坡两组方向不同的节理，贯通率100%，第一组软弱结构面倾角30度，平均间距10m，第二组软弱结构面倾角75度，平均间距10m. 计算结果计算方法安全系数有限元法（外接圆屈服准则）1.49有限元法（等面积圆屈服准则）1.21极限平衡方法(Spencer)1.17 首先贯通的滑动面滑动面继续发展 层状边坡顺倾层状边坡双向顺层边坡顺层滑动,后部拉裂锯齿状滑面三维楔形体边坡楔形体滑动楔形体滑面 岩质边坡倾倒稳定分析(离散元)结构面倾角30°安全系数1.30结构面倾角2０°安全系数1.96 软硬互层边坡 2.2抗滑桩的有限元极限分析法采用传统计算方法，抗滑桩许多情况都无法计算。1、抗滑桩推力分布无法计算，要假设为矩形、梯形、三角形等；2、多排桩也无法计算，现在是主观估计；3、目前只能计算桩的截面尺寸，无法计算桩长。桩长伸到地面是否就安全了，不一定，坡体有可能从桩顶滑出。桩长缩短近一半，行不行，现在看来也行，目前的做法造成很大浪费。 滑坡推力与桩前抗力的计算重庆市奉节县内分界梁隧道出口处滑坡Ⅰ-Ⅰ断面，抗滑桩的截面尺寸为2.4m×3.6m。表1材料物理力学参数材料名称重度弹性模量泊松比粘聚力内摩擦角滑体土22100.352820滑带土22100.352017滑床26.160.28500039抗滑桩250.2按弹性材料处理 采用实体单元模拟或梁单元模拟桩 表2不同方法的滑坡推力与桩前抗力方法滑坡推力桩前抗力设计推力实体单元法539018303560梁单元法535017003650不平衡推力法（隐式解）5420258028401、三种算法，滑坡推力基本一致；2、实体单元法与梁单元法抗力与实际推力相近，不平衡推力法相差大；3、推荐采用实体单元法。 推力与抗力的分布规律计算机可显示滑面以上桩后推力与桩前抗力的水平应力分布。图5推力分布图6抗力分布 2.3埋入式桩的设计计算抗滑桩合理桩长的确定桩长设计存在的问题：(1)桩长延伸到地面是否能确保边坡的稳定；(2)桩长延伸到地面是否必要会不会造成浪费。(3)桩长设计保证土不从桩顶滑出 桩长与滑面的关系算例安全系数1.02 桩长变化与滑动面的位置（桩位于公路上方）桩长为7，9m时，滑动面通过桩顶并经剪出口滑出；桩长为11，13，15，17m时形成次级滑动面，沿次级滑动面在公路内侧滑出； 桩长大于17m~25m时，滑动面沿桩顶滑出，安全系数增大随桩长增长，滑动面逐渐上移。 桩的长度与滑坡体安全系数的相互关系桩长与稳定安全系数有关，桩长变短，滑动面不断下移，桩长稳定安全系数逐渐降低，容易从桩顶滑出当稳定安全系数低于设计中规定的安全系数时，桩的安全储备不足桩长稳定安全系数达到设计规定安全系数，即为埋入式桩的合理桩长保证土不从桩顶滑出和桩折断 桩长与边坡安全系数之间的关系 埋入式抗滑桩滑坡推力与抗力计算抗滑桩在同一安全系数下，桩长缩短，桩身抗滑段所受滑坡推力比全长桩低，桩顶滑体自身可承担一部分滑坡推力。 桩长与内力关系 模型尺寸:3.5×2.8×2.02米模型桩长:2.2米,1.8米,1.5米,1.2米抗滑桩室内模型试验 模型计算与数值计算比较(1)当试验加载到某一荷载时，计算结果与试验结果同时发生破坏(2)试验获得的破坏面与计算获得的破坏面相同(3)沉埋桩顶上土体所受推力，试验与计算基本相同 (4)沉埋桩所受的推力，试验与计算基本相同，推力分布也相同(5)沉埋桩所受的桩前抗力，试验与计算基本相同，抗力分布也相同 云阳分界梁隧道出口段滑坡(1)工程概况两条隧道通过滑坡地段平面布置图 合理桩长的确定地质剖面图 合理桩长下滑动面位置滑动面位于隧道上方 监测结果：（1）4根桩前后地层位移表面最大，安装时变动大，目前最大50mm。6＃桩后监测孔监测滑坡水平位移曲线 （2）桩上位移监测结果：两根桩桩顶位移，最大3.8mm（3）桩上推力测试，最大推力90KPa，呈拱形（4）桩上抗力测试，最大抗力80KPa，呈三角形 已应用于云阳、武隆、奉节、石柱等五个工地，投资额3.2亿元，约节省1个多亿，纳入国土资源部滑坡防治工程设计与施工技术规范埋入式抗滑桩与全长抗滑桩比较比值桩长缩短22m40%推力减少725KＮ／m16%弯矩减少123400KN.m36%桩体积减少(估算)450m365%以上 武隆滑坡图每个剖面上4排桩，3排为埋入式桩，节省投资6千余万元。 加筋土挡墙的三种破坏形式a内部破坏b内、外部破坏c外部破坏2.4有限元极限分析法在加筋土挡墙的应用 有限元极限分析法在加筋土挡墙的应用，60米高加筋土边坡广西河池机场节省经费约六千万高强加筋材料，粗粒土，精施工，严格力学计算 加筋土与桩联合支挡方案示意图 三、传统隧洞破坏机理（基于松散体理论）1、深埋隧洞破坏机理地层形成普氏压力拱,承受压力拱下土体重量2、浅埋隧洞破坏机理隧洞上部土体坍塌，存在应力传递深埋隧洞的压力拱太沙基浅埋理论 现代隧洞破坏机理(基于弹塑性理论)2004年郑颖人等应用有限元极限分析法求破裂楔体拉布希维兹楔体喷混凝土破裂面隧洞围岩安全系数 深埋隧洞的模型试验水泥、石膏、滑石粉的比例为0.2：0.6：0.2密度（kpa）E(MPa)C(Kpa)1.78342700.3211621.8隧洞跨度8cm洞高12cm洞深15cm40×52×15cm模型尺寸： 隧洞模型试验方案方　案隧洞跨度/cm侧墙高/cm拱高/cm方案一882方案二883方案三884方案四864方案五844 模型试验与数值模拟结果对比分析(a)方案一(b)方案二 模型试验与数值模拟结果方案侧墙高拱高模型试验极限荷载/kN数值模拟极限荷载/kN模型试验数值模拟破裂面与洞壁最大距离一82625713.413.1二83595514.314.1三84565315.615.3四64616012.912.8五44686611.711.5 均质隧洞破坏状态 土质深埋隧洞侧向破坏的工程监测（1）隧洞拱顶锚杆受力小，两侧受力大。（2）钢架水平收敛位移平均19mm，拱顶与拱脚收敛位移平均9.8mm跨度13米黄土隧洞 浅埋隧洞的滑裂破坏面模型破坏(压力28KN)数值模拟（压力26KN）浅埋隧洞破坏面洞跨8m，埋深3m 不同埋深隧洞破坏过程（1）矩形洞室埋深3米，安全系数0.52洞跨12m高5m埋深3m，在肩部破坏，安全系数随埋深增大。c=40kpa埋深9米，安全系数0.66埋深０~9m,浅埋阶段埋深9m形成浅埋压力拱 埋深18米，安全系数0.7埋深30米，安全系数0.6718m以后，侧向破坏阶段明显出现两侧先破坏安全系数随深度减少埋深10m~18m，普氏压力拱阶段安全系数基本不变埋深10米，安全系数0.69浅埋压力拱逐渐消失形成深埋压力拱 矩形隧洞破坏的三个阶段：埋深０~9m,逐渐形成浅埋压力拱埋深10~18m，浅埋压力拱消失，形成深埋压力拱，安全系数不变，10m可以作为深浅埋的分界线埋深18m后，破坏从拱顶转至两侧，安全系数随埋深逐渐减少 埋深30米，安全系数0.77侧向破坏后形成塌落平衡拱埋深9米，安全系数0.82埋深０~9m,浅埋阶段浅埋压力拱形成拱顶破坏埋深9m后,侧向破坏不存在普氏拱，安全系数随深度而降低（2）拱形洞室 普氏拱理论存在的问题(1)普氏压力拱认为围岩压力与埋深无关，实际围岩压力是形变压力，随埋深而增加(2)拱形洞室，拱形不存在压力拱，不然黄土窑洞必然需要修建衬砌；(3)深埋隧洞的破坏，不在拱顶，而在两侧 土木工程风险现状:道路交通事故排第一位；采矿巷道事故排第二位；土木工程（含隧洞、地铁）事故排第三位；隧洞地铁事故在土木工程事故中占60%.破坏机理不清造成隧洞施工风险 隧洞事故原因：隧道、地铁的地质条件与环境复杂、技术不够完善、规范，加上管理不善，造成各类事故，坍塌占68%（1）地质条件复杂（2）勘察不到位（3）机理不清（4）设计欠科学（5）施工不当(６)管理不善矿山法施工事故类型分布图 软弱围岩地铁车站坍塌举例：某地铁车站开挖跨度27m，最大32m，埋深7~15m，软岩和软弱结构面，拱顶二衬完成，开挖侧墙下半部时，发生长30m坍塌，损失1千万。 开挖断面破坏状况 事故原因：A、不良地质条件。砂质泥岩Rc=6.4~9.4MPa，软弱结构面，近水平与垂直节理，遇水软化B、环境原因。雨季地表水渗入，结构面软化，前面为明挖段，无支撑作用 C、擅自改变施工方案，采用全断面开挖，二衬未紧跟。主要是认为拱部二衬已施作，不会有问题，不知道深埋隧洞压力主要来自两侧，造成重大失误D、锚杆太短，临空时间长，初支强度不足E、监理、监测不到位，未提供监测数据，擅自停止监测工作。 1、满足设计要求，保证隧洞施工、运行安全，改变不重视初衬的理念，不良地层情况加强初衬厚度，安全系数不小于1.15~1.2。2、按隧洞实际受力状况确定设计计算模型深埋隧洞不存在普氏压力拱，承受围岩形变压力，针对不同围岩状况，采用不同计算模型，改变单一设计标准的理念四、隧洞设计新理念 3、设计必须符合现代支护原理围岩必须按弹塑性或粘弹塑性计算，既要求围岩尽可能进入塑性，发挥围岩自承能力，又要保证围岩不破坏，采用可缩性让压支护，双初衬等。4、按照新奥法观点和实际施工状况，改变二衬主要承压理念，初衬进入塑性，承受主要荷载；二衬按弹性计算，承受少量荷载。荷载释放90%后施加二衬 ５、基于严格力学理论,确保设计计算科学合理①应采用数值极限分析方法②应考虑施工过程中的时空效应，合理采用初衬前与二衬前的荷载释放系数③应合理采用岩土力学强度参数④应采用合理的混凝土　　　值，通过试验确定 谢谢