物质点法及其在边坡稳定性评价中的应用

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当前边坡稳定性研究内容可以总结为两点:1)极限平衡法,容易实现,物理意义明确,关注其滑动面搜索技术及在三维中的实现;2)强度折减法,无需搜索滑动面,关注其失稳判据的选用及意义。两种方法在工程中得到了广泛应用,但二者都无法给出滑坡全过程及此过程中的真实应力场,无法评价滑坡对其邻近构筑物的影响。物质点法可以模拟边坡破坏过程,在物质点法中实现强度折减法可用于评估滑坡对临近构筑物的影响。本文基于描述大变形的物质点法,实现强度折减法与局部折减法,用于评价滑坡后果,核心内容如下:  (1)物质点法是结合欧拉与拉格朗日双重描述的大变形新算法,详细介绍了物质点法理论及应用情况;  (2)通过再现两个室内试验:铝棒堆积体坍塌终了状态及砂堆坍塌全过程,说明了物质点法在模拟无粘性砂土颗粒材料上的适用性。在一定情况下,使用常规D-P本构即可描述无粘性砂土边坡的破坏过程,当破坏过程中存在与速度相关的相态转态时,常规本构已不再适用,需在开发更合适的本构反映颗粒体在破坏过程中的三态(弹性—塑性-颗粒流)转换;  (3)在MPM中实现强度折减法,通过与有限元强度折减法、极限平衡法的对比,计算结果一致,并以等效塑性应变为0.05的区域贯通坡项为失稳判据。通过分析有限元强度折减法通用的三种判据,指出在物质点法中,失稳时的等效塑性应变分布及其大小是与弹性模量相关的,应慎用等效塑性应变贯通作为判据。最后以坡顶最大竖向位移随时步增长是否趋向稳定作为判据,并给出此判据的物理意义与实现方法;  (4)基于边坡失稳机理,首次提出物质点局部强度折减法(Local StrengthReduction Method,LSRM),用于评价边坡稳定性。认为LSRM仅折减滑动面强度,实现过程与边坡破坏机理一致。LSRM可以用于评价边坡稳定性,与有限元强度折减法相比,其失稳标准物理意义明确,安全系数计算值、滑动面位置与极限平衡法结果一致;建议以最大位移随计算时步变化曲线中的位移突变分界曲线时的折减系数作为安全系数。同时,凭借MPM在大变形计算上的优势,LSRM可以模拟边坡失稳破坏的真实过程。由此,LSRM可以评价边坡破坏后果,如不同安全系数下的滑坡堆积形态与滑移距离,尤其是定量评价滑坡对坡内、坡表及临近设施的影响程度。最后以滑坡对坡顶建筑物的影响为例,说明了采用LSRM可以评价边坡失稳时,建筑物离坡顶的安全距离;同时讨论了极限平衡、一般强度折减法及局部强折减法的相对优势及局限性,指出了在复杂破坏形式下,三种方法都面性较大局限性:  (5)介绍了所开发的的PyMPM2D程序的简化版。此版程序简洁完整,注释详细,方便用于理解MPM基本算法概念。
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