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三维极限平衡法研究与应用

作　者: 袁富强
导　师: 姚磊华
学　校: 中国地质大学（北京）
专　业: 地质工程
关键词: 三维极限平衡法边坡稳定性安全系数三维滑裂面遗传算法
分类号: TU43
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

我国乃多山国家,山地约占国土面积的2/3;经济发展,开山填土,必然造就大量新的边坡。据国土资源部统计,2010年全国共发生滑坡灾害22329起,占总地质灾害发生数的72.8%。建立在Mohr-Coulomb屈服准则与静力平衡基础上的二维极限平衡法目前广泛应用于边坡稳定性分析,但二维极限平衡法将边坡近似地作为平面应变问题考虑,忽略滑裂面侧面的阻滑力作用,使得计算过于保守。而现实边坡本身就是三维问题,作为二维问题来分析,必然会有局限性及不完善性,因此将二维分析扩展为三维分析,计算结果才能更符合实际。根据实际研究需要,本文对三维极限平衡法进行了研究,并将本文模型应用到工程实例计算中,论文主要包括以下几个方面内容:1)边坡稳定性分析的三维极限平衡法模型建立在水科院三维极限平衡分析方法模型基础之上提出本文的边坡稳定性分析的三维极限平衡法模型,主要表现在建立本文的三维极限平衡法力学模型和几何模型,对条柱受力情况进行了局部改进,增加了条柱列界面上的剪切力R,并规定R的大小及方向。2)建立力、力矩平衡方程并求解安全系数分析条柱所受力情况,求解条柱底滑面法向力N i;建立S方向上的整体静力平衡方程,建立y方向上的整体静力平衡方程,以及建立绕y轴的整体力矩平衡方程。根据牛顿-勒普生法迭代求解安全系数F、行界面条间力E与x轴夹角为β、底滑面剪切力T与xoz平面的夹角为ρ。3)建立边坡三维滑裂面搜索模型建立以双二次曲面贝塞尔曲面为滑裂面的边坡三维滑裂面搜索模型,简化曲面的控制参数S = S ( w, h, v , d , x , y , z ,θ,φ),以便于利用遗传算法对最危险滑裂面进行搜索。4)程序实现与算例测试编程实现滑裂面的搜索以及边坡安全系数的计算,并通过Zhang Xing椭球滑裂面边坡算例检测分析本文模型的合理性以及程序的可靠性。5)工程实例应用以昆明小哨国际机场高填方路基边坡稳定性评价为工程分析实例,对其进行二维、三维稳定性评价,并提出相应的边坡防护意见。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-10
第1章绪论  10-22
  1.1 选题背景及意义  10-14
  1.2 国内外研究现状  14-19
    1.2.1 三维极限平衡法研究现状  14-17
    1.2.2 边坡三维分析程序  17
    1.2.3 滑裂面搜索技术  17-19
  1.3 本文主要研究内容  19-20
  1.4 本文研究思路及技术路线  20-22
第2章二维、三维极限平衡分析方法  22-38
  2.1 极限平衡法的基本原理  22-24
    2.1.1 安全系数的定义  22
    2.1.2 静力平衡条件  22-24
    2.1.3 合理性要求  24
  2.2 二维极限平衡法的几种简化方法  24-31
    2.2.1 瑞典法  24-25
    2.2.2 简化毕肖甫法  25
    2.2.3 简布法  25-27
    2.2.4 斯宾斯法  27-28
    2.2.5 剩余推力法  28-29
    2.2.6 几种二维简化方法的比较  29-31
  2.3 三维极限平衡法的几种简化方法  31-38
    2.3.1 基于二维 Fellenious 法扩展的三维方法  32-33
    2.3.2 基于二维 Bishop 法扩展的三维方法  33-34
    2.3.3 基于二维 Janbu 法扩展的三维方法  34-35
    2.3.4 基于二维 Sarma 法扩展的三维方法  35-36
    2.3.5 基于二维 Spencer 法扩展的三维方法  36-38
第3章边坡三维极限平衡法模型  38-52
  3.1 三维极限平衡法模型  38-39
    3.1.1 力学模型  38-39
    3.1.2 几何模型  39
  3.2 静力平衡方程的建立与求解  39-46
    3.2.1 几何关系  40
    3.2.2 平衡方程  40-41
    3.2.3 方程求解  41-46
  3.3 初始值的给出与合理性条件设定  46-48
    3.3.1 初始值的给出  46-47
    3.3.2 合理性条件设定  47-48
  3.4 算例测试  48-52
    3.4.1 椭球滑裂面均质边坡算例  48-50
    3.4.2 算例测试与结果分析  50-52
第4章边坡三维临界滑裂面的确定  52-59
  4.1 三维临界滑裂面概述  52-53
  4.2 三维临界滑裂面搜索的几何模型  53-54
    4.2.1 三维贝塞尔曲面滑裂面  54
  4.3 遗传算法  54-59
    4.3.1 遗传算法概述  54-55
    4.3.2 遗传算法的基本思想  55
    4.3.3 遗传算法的特点  55-56
    4.3.4 遗传算法的基本操作  56-57
    4.3.5 遗传算法的设计与实现  57-59
第5章工程实例  59-69
  5.1 工程概况  59-60
  5.2 工程地质条件  60-64
    5.2.1 地形地貌  60-61
    5.2.2 地层岩性  61-63
    5.2.3 地质构造  63-64
    5.2.4 水文地质条件  64
  5.3 高填方路基边坡稳定性分析  64-68
    5.3.1 二维稳定性分析  64-67
    5.3.2 三维稳定性分析  67-68
  5.4 高填方路基边坡防护建议  68-69
第6章结论和展望  69-71
  6.1 本文结论  69-70
  6.2 展望  70-71
致谢  71-72
参考文献  72-75

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