基于耦合欧拉-拉格朗日有限元的滑坡全过程数值分析方法研究

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滑坡是我国主要的地质灾害,严重影响国家经济建设和社会发展。由于物理力学过程的复杂性、影响因素的多样性等原因,现有滑坡分析方法存在明显的缺陷和不足,主要包括:(a)边坡稳定性分析的强度折减法采用拉格朗日有限元,网格畸变问题造成数值不收敛的失稳判定准则得到的安全系数不可靠;(b)对于渗流-应力耦合作用显著的降雨诱发滑坡,现有研究将失稳前后两阶段完全割裂并独立分析,未考虑物理状态发展的连贯性和一致性,(c)对于空间变异性土坡,现有研究集中在稳定性分析,而对失稳后大变形行为缺乏认识。本文针对上述不足,以拓展耦合欧拉-拉格朗日有限元方法(Coupled Eulerian-Lagrangian method,CEL)在滑坡中的应用为核心,通过ABAQUS软件平台二次开发,开展了以下三个方面工作:(1)将CEL方法与强度折减法相结合,引入能量突变的失稳判断准则计算安全系数,提出了基于CEL和强度折减法的边坡稳定性分析方法。该方法可以避免传统有限元强度折减法的网格畸变问题,从边坡系统能量守恒和能量转化的角度判断失稳,能处理复杂的非线性边坡稳定性分析问题。通过三个算例研究证明了该方法的适用性与有效性。(2)将CEL方法与非饱和土渗流-应力耦合数值模拟方法相结合,提出了降雨诱发滑坡的全过程数值分析方法,该方法由滑前阶段的渗流-应力耦合分析和滑后阶段的大变形滑动分析组成,利用等效状态的概念建立了失稳前后两阶段之间的物理联系,保证了土体状态和参数的连续性。通过三峡库区红岩子滑坡和日本Tokai-Hokuriku高速公路滑坡的案例研究,证明了该方法的有效性。(3)将CEL方法与随机场理论相结合,提出了随机耦合欧拉-拉格朗日方法(Random Coupled Eulerian-Lagrangian method,RCEL),在此基础上考虑非饱和渗流影响,进一步提出了降雨诱发滑坡的RCEL方法。通过滑坡冲击管线和降雨诱发滑坡的算例,研究了空间变异性对滑坡破坏模式、滑后变形以及滑坡对管线的冲击作用等的影响,明确了强度参数的变异系数、相关距离、渗流边界条件等的影响规律。
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