高边坡应力场
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单项选择题下列关于均匀岩质边坡应力分布的描述，错误的是(
)。A．斜坡在形成中发生了应力重分布现象B．斜坡在形成中发生了应力集中现象C．斜坡形成中，最小主应力迹线偏转，表现为平行于临空面D．斜坡形成中，临空面附近岩体近乎处于单向应力状态
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1A．不均匀岩体 B．薄层脆性岩体C．厚层泥质岩体 D．多层异性岩体2A．地貌条件决定了边坡形态，但对边坡稳定性并没有直接影响B．岩石强度越低，完整性越差，抗风化能力越低，亲水性越强，边坡的稳定性越差C．岩体结构类型、结构面产状及其与坡面的关系是岩体边坡稳定性的控制因素D．岩石风化愈深，边坡的稳定性愈差，稳定坡角愈小3
D．小于或等于
4A．最大主应力垂直于坡面B．最小主应力平形于坡面C．坡角附近最小主应力显著增大D．坡面与坡顶面的交线附近可能出现张力带5A．提高抗渗性能 B．提高抗剪性能C．加强建筑物与基础的连接 D．弥补爆破施工造成的不平整度
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最新相关试卷[转载]边坡稳定分析的有限元法与极限平衡
边坡稳定分析的有限元法简介
传统方法的边坡稳定分析采用极限平衡法，极限平衡法现今已发展到非常系统完整，甚至可以说是精致，这些的分析方法大家可以看陈祖煜教授著作《土质边坡稳定分析—原理方法程序》。
极限平衡法对边坡稳定作出了巨大的贡献，但是该方法只能提供宏观的稳定性，不能对边坡的应力分布、变形大小作全面的分析，同时对于复杂的边坡，如当边坡由非均质和各向异性材料组成时，或边坡是由开挖再回填形成的等等，极限平衡法就无能为力了，甚至得出错误的结论。
很早以前就有用有限元法分析边坡的稳定性，我看过一本70年代美国矿产局编写的边坡手册，就简略的论述了该方法，80年代国内也有工程采用有限元法，但当时大都采用弹性理论，对于高度非线性的岩土材料，当然不能完全反映出边坡的真实情况。
随着计算机的高速发展，越来越多的工程采用有限元方法进行边坡分析，与传统的极限平衡法相比边，坡稳定分析的有限元法的优点可总结如下(陈祖煜)：&
破坏面的形状或位置不需要事先，假定破坏自然地发生在土的抗剪强度不能抵抗剪应力的地带&
由于有限元法引入变形协调的本构关系因此也不必引入假定条件保持了严密的理论体系&
有限元解提供了应力变形的全部信息&
采用有限元方法分析边坡的大概有以下几种：&
按照弹塑性理论，对边坡进行有限元分析，得出边坡完整的应力应变变形成果，可以预测边坡区域由弹性变为塑性的完整演进过程，为边坡的治理、施工方法提供依据。现在很多程序可以进行此类分析。&
首先采用传统的极限平衡法，找出最小安全系数的滑移面，或者已知滑移面，然后进行有限元分析，将滑移面位置设置薄层单元或接触单元，不断降低薄层单元的力学参数，直至边坡失去平衡，边坡的安全系数就是强度指标（摩尔库仑模型的凝聚力C和摩擦系数tanφ）降低的倍数。如《边坡抗滑稳定安全系数的有限元迭代解法》（李同春卢智灵姚纬明曹广德河海大学水利水电工程学院）一文就采用此方法。该方法需要预先定义滑移面位置，不能找出其他潜在滑移面，对已知滑移面的情况很适用，对一般边坡并不适用。很多程序可以完成此类分析。&
采用第一种方法分析后，然后按照传统的极限平衡法，搜索滑移面，找出最小安全系数。该方法安全系数的定义与传统方法相同，即为滑移面上的总抗剪强度（算术和）与总剪力的比值。这一方法源于传统方法，该方法滑移面是人为规定的，有可能找不出其他潜在滑移面。加拿大Geo-slope软件就是采用此方法，用Sigma/W进行有限元分析，用Slope/W进行边坡稳定分析。&
首先采用第一种方法对边坡进行分析，然后折减所有区域的强度指标，直至失去平衡。安全系数就是强度指标降低的倍数。该方法无须预先定义滑移面，可自动显示出滑移面位置，实际就是变形等值线。清华大学宋二祥教授《土工结构安全系数的有限元计算》一文对此有详细的说明，其与荷兰人合作开发的土工有限元程序PLAXIS程序专门有此功能，据说分析出的安全系数与Bishop
方法接近。&
随着计算技术和岩土理论研究的发展，相信有更多更好的边坡稳定计算方法问世。
以上的四种方法，实际上只有第二种方法在有限元分析边坡中是较好的方法。
第一种无法反映边坡的沿滑动面发生渐进破坏的机制。
第三种正如上所言是传统方法的延续，但它不适用于非匀质边坡
第四种与第一种近似，不符合边坡破坏的机制。
宋二祥的是对整个边坡分析区域进行强度折减，而赵尚毅的则是只对滑动面强度参数进行折减。
不过说实话，赵尚毅的也不是什么新方法，其他人早就提出过，如中科院武汉岩土力学研究所的王赓荪等，而且这种思想也是从传统的刚体极限平衡法直接照搬过来的。看了宋二祥的这篇论文觉得好熟悉呀，发觉这篇文章和一个荷兰人Brinkgreve
和 Baker在1991年写的一篇会议论文好类似呀。只是缺少了其中对sheet-pile
wall的稳定分析这一算例。大家如果能找得的话，可以去看一下。 Brinkgreve and Bakker (1991),
"Non-linear finite element analysis of safety factors", Computer
methods and advances in geomechanics, 1991. pp:
。赵尚毅、郑颖人等人的《岩质边坡破坏机制有限元数值模拟分析》（岩石力学与工程学报 22(12)
P）和《用有限元强度折减法求边坡稳定安全系数》（岩土工程学报 24(3)
P343~346）也介绍了类似的方法。
个人认为这四种方法都有各自的缺点：
方法1：很难得出安全系数以及滑裂面，因此无法与传统的极限平衡法比较。
方法2：既然已经用极限平衡法成功找到了最危险滑裂面以及相应的安全系数，为何还要基于有限元去再算一下安全系数，难道有限元算出的安全系数会更加准确？这个取决于土体模型，单元网格，边界条件等等。这个方法因此很不实用。
方法3：对于这个方法，有好多的论文可以查阅。但是有意思的是这种方法的准确性验证居然都是基于其得到的安全系数和传统的极限平衡法不相上下这一事实。问题是：既然我用传统的极限平衡法能够得到准确的最小安全系数以及相应的滑裂面，为何还需有限元这一复杂的工具呢？
方法4：这个方法的准确性基于程序是如何判断破坏已经发生。据我所知目前有三种判断标准：1）滑坡表面的水平位移（snitbhan and
chen 1976);2）最大极限剪应力 （duncan and dunlop 1969);3)收敛性 （zienkiewicz
1971).这也是Plaxis所采用的方法。总的来说，判断标准不一样，其得到的安全系数也就不同，没有统一的标准。
总体我的感觉是用目前极限平衡法已经积累了很多的经验而且结果合理，而有限元的在土坡稳定分析上的优越性实在值得商榷。
说到极限平衡法和有限元法，我想谈谈自己的看法：
1、极限平衡法和有限元参数折减法求安全系数的出发点都是一样的：统一的安全系数，延性材料（理想弹塑性材料），对应的是破坏时的应力状态，而不是真实的应力状态。因为他们都是采用Bishop安全系数的定义：可用剪切强度/坡体达到临界极限平衡状态时所需的强度。从这一点上说，在一般情况下两者求得的安全系数并无太大区别。
2、极限平衡法的优点是简单，经过大量工程实践的检验（有人说过，尽管它的理论基础是不完备的，但是其结果是符合实际的，简直是个谜）。缺点是理论基础是不完善，需要假定滑面（搜索滑面也一样，只不过算一系列，求fs最小的那个）。有限元的优点是不需要事先假定滑面，不需假定条间力，通过静力平衡，应力-应变关系和位移边界条件求得应力场。缺点是复杂，当然如果软件开发人员的心血不算在内，有限元还是比较简单的。毕竟极限平衡法谁都可以自己编程，甚至可以手算。
3、有限元的优势在于变形。一般情况下极限平衡法和有限元参数折减法可以通用，是因为一般情况下边坡的破坏是自重作用下的长期问题/排水问题，强度与变形无关，所以我们不关心它的变形，只关心强度，只用简单的理想弹塑性本构关系（刚开始也有用线弹性模型加上强度参数求的，lem隐含的是刚塑性本构关系）就能求得fs。涉及到强度与变形有关的稳定性问题，极限平衡法是解决不了的，如脆性材料的渐进破坏问题，因为破坏时土体的强度不是同时发挥的；土-结构耦合问题，软硬材料相间的问题，这涉及到应变相容，因为系统破坏时，刚度大的材料在小变形时先破坏失效，而较软的材料在小变形时还没有发挥全部强度，强度也不是统一发挥的。第三类是土-水相互作用问题，如部分排水问题（不排水问题lem也可以用总应力法求得，因为加荷引起孔隙水压力包含在总应力强度里了），液化问题，因为有水在里面，而水是几乎不可
压缩的，若加荷过程中水的流动受到限制，必定产生超孔隙水压力。孔隙水压力的产生和消散除了与土体的渗透性，排水条件等渗流因素有关外，很大程度上决定于土体的变形特性，如剪胀剪缩。这个时候，就不是简单的理想弹塑性本构关系可以解决得了的，必须引入更能反映土体加荷过程复杂属性的本构模型。这就增加了问题的复杂性，问题的关键不在于模拟，而在于对土体力学行为的数学描述及其参数的确定，所以实验及提出模型比数值模拟本身更有意义，更容易出成果。
4、有限元的另一个优点是可以求得当前的工作应力状态，了解土体的破坏是怎么从局部屈服发展到整体失稳的。前面说到极限平衡法和有限元参数折减法对应的是破坏时的应力状态。除非是斜坡已经破坏，斜坡在当前大多处于稳定状态。工作应力状态下，土体并不是同时发挥同样比例抗剪强度。如在应力集中的区域土体已完全屈服，抗剪强度得到100%的发挥（表现为局部安全系数为1），而其他有些地方fs要远远大于1。GEO-SLOPE采用的这种通过求局部fs（抗减强度/减应力）得到整体平均fs的思想，也许比参数折减法更有意义，因为它反映的是斜坡真实的应力状态。新的问题出来了，这种平均的fs从概念是已经和传统的fs概念完全不一样了，它反映是什么一种东西？fs最小的圆弧面（均质）是真正的破坏面吗？
5、土体的强度与其应力历史，应力路径是相关的。极限平衡法并不能考虑这个。通过数值的方法求得坡体的整个加荷的过程、历史，以模拟其变形、破坏机理，是一种趋势。
6、总而言之，一般情况下，极限平衡法和有限元参数折减法求安全系数是一样的，后者并无特殊之处。当前各种计算方法算得的安全系数差别不大，安全系数的主要误差来源不是计算方法，而是斜坡的几何参数、物质边界条件、孔隙水压力、容重以及剪切强度参数。各种计算方法的计算精度已满足工程实践的要求。
首先,按照楼主的看法,有限单元法的一个优势是能够求出滑坡体的应力状态,但其实,任何地质体的初始应力目前尚没有一个好的解决办法,否则地震的预报就准确多了.其次,采用强度折减也是一种加载,也会引起变形和应力重分布,但这种应力状态和实际的应力状态根本不是一回事,这与极限方法没有很大的区别.第三,破坏的定义不明确,是不收敛,还是贯通的塑性区,这点与极限法有很大的差距.
如果一定要研究有限单元法,首先要明确:有限单元法的长处是材料对荷载的响应,那么就需要对引起边坡失稳的因素将其用荷载来反映,这样的应力也才是可信的.另外,要将折减的范围限定于可能发生滑动的区域,这样一来才能保证应力的可信.
最后,俺必须指出的是,目前采用有限单元法分析边坡稳定的主力都是高校和研究机构,是想使边坡的分析三维化,同时得到花花绿绿的等值线,呵呵.
有限元分析的发展趋势
摘要：1965年“有限元”这个名词第一次出现，到今天有限元在工程上得到广泛应用，经历了三十多年的发展历史，理论和算法都已经日趋完善。有限元的核心思想是结构的离散化，就是将实际结构假想地离散为有限数目的规则单元组合体，实际结构的物理性能可以通过对离散体进行分析，得出满足工程精度的近似结果来替代对实际结构的分析，这样可以解决很多实际工程需要解决而理论分析又无法解决的复杂问题。
　　关键词：有限元分析 结构计算 结构设计
　　近年来随着计算机技术的普及和计算速度的不断提高，有限元分析在工程设计和分析中得到了越来越广泛的重视，已经成为解决复杂的工程分析计算问题的有效途径，现在从汽车到航天飞机几乎所有的设计制造都已离不开有限元分析计算，其在机械制造、材料加工、航空航天、汽车、土木建筑、电子电器，国防军工，船舶，铁道，石化，能源，科学研究等各个领域的广泛使用已使设计水平发生了质的飞跃，主要表现在以下几个方面：
　　增加产品和工程的可靠性；
　　在产品的设计阶段发现潜在的问题
　　经过分析计算，采用优化设计方案，降低原材料成本
　　缩短产品投向市场的时间
　　模拟试验方案，减少试验次数，从而减少试验经费
　　国际上早在60年代初就开始投入大量的人力和物力开发有限元分析程序，但真正的CAE软件是诞生于70年代初期，而近15年则是CAE软件商品化的发展阶段，CAE开发商为满足市场需求和适应计算机硬、软件技术的迅速发展，在大力推销其软件产品的同时，对软件的功能、性能，用户界面和前、后处理能力，都进行了大幅度的改进与扩充。这就使得目前市场上知名的CAE软件，在功能、性能、易用性﹑可靠性以及对运行环境的适应性方面，基本上满足了用户的当前需求，从而帮助用户解决了成千上万个工程实际问题，同时也为科学技术的发展和工程应用做出了不可磨灭的贡献。目前流行的CAE分析软件主要有NASTRAN、ADINA
、ANSYS、ABAQUS、MARC、COSMOS等。MSC-NASTRAN软件因为和NASA的特殊关系，在航空航天领域有着很高的地位，它以最早期的主要用于航空航天方面的线性有限元分析系统为基础，兼并了PDA公司的PATRAN，又在以冲击、接触为特长的DYNA3D的基础上组织开发了DYTRAN。近来又兼并了非线性分析软件MARC,成为目前世界上规模最大的有限元分析系统。ANSYS软件致力于耦合场的分析计算，能够进行结构、流体、热、电磁四种场的计算，已博得了世界上数千家用户的钟爱。ADINA非线性有限元分析软件由著名的有限元专家、麻省理工学院的K.J.Bathe教授领导开发，其单一系统即可进行结构、流体、热的耦合计算。并同时具有隐式和显式两种时间积分算法。由于其在非线性求解、流固耦合分析等方面的强大功能，迅速成为有限元分析软件的后起之秀，现已成为非线性分析计算的首选软件。
纵观当今国际上CAE软件的发展情况，可以看出有限元分析方法的一些发展趋势：
1、与CAD软件的无缝集成
　　当今有限元分析软件的一个发展趋势是与通用CAD软件的集成使用，即在用CAD软件完成部件和零件的造型设计后，能直接将模型传送到CAE软件中进行有限元网格划分并进行分析计算，如果分析的结果不满足设计要求则重新进行设计和分析，直到满意为止，从而极大地提高了设计水平和效率。为了满足工程师快捷地解决复杂工程问题的要求，许多商业化有限元分析软件都开发了和著名的CAD软件（例如Pro/ENGINEER、Unigraphics、SolidEdge、SolidWorks、IDEAS、Bentley和AutoCAD等）的接口。有些CAE软件为了实现和CAD软件的无缝集成而采用了CAD的建模技术，如ADINA软件由于采用了基于Parasolid内核的实体建模技术，能和以Parasolid为核心的CAD软件（如Unigraphics、SolidEdge、SolidWorks）实现真正无缝的双向数据交换。
2、更为强大的网格处理能力
　　有限元法求解问题的基本过程主要包括：分析对象的离散化、有限元求解、计算结果的后处理三部分。由于结构离散后的网格质量直接影响到求解时间及求解结果的正确性与否，近年来各软件开发商都加大了其在网格处理方面的投入，使网格生成的质量和效率都有了很大的提高，但在有些方面却一直没有得到改进，如对三维实体模型进行自动六面体网格划分和根据求解结果对模型进行自适应网格划分，除了个别商业软件做得较好外，大多数分析软件仍然没有此功能。自动六面体网格划分是指对三维实体模型程序能自动的划分出六面体网格单元，现在大多数软件都能采用映射、拖拉、扫略等功能生成六面体单元，但这些功能都只能对简单规则模型适用，对于复杂的三维模型则只能采用自动四面体网格划分技术生成四面体单元。对于四面体单元，如果不使用中间节点，在很多问题中将会产生不正确的结果，如果使用中间节点将会引起求解时间、收敛速度等方面的一系列问题，因此人们迫切的希望自动六面体网格功能的出现。自适应性网格划分是指在现有网格基础上，根据有限元计算结果估计计算误差、重新划分网格和再计算的一个循环过程。对于许多工程实际问题，在整个求解过程中，模型的某些区域将会产生很大的应变，引起单元畸变，从而导致求解不能进行下去或求解结果不正确，因此必须进行网格自动重划分。自适应网格往往是许多工程问题如裂纹扩展、薄板成形等大应变分析的必要条件。
3、由求解线性问题发展到求解非线性问题
　　随着科学技术的发展，线性理论已经远远不能满足设计的要求，许多工程问题如材料的破坏与失效、裂纹扩展等仅靠线性理论根本不能解决，必须进行非线性分析求解，例如薄板成形就要求同时考虑结构的大位移、大应变（几何非线性）和塑性（材料非线性）；而对塑料、橡胶、陶瓷、混凝土及岩土等材料进行分析或需考虑材料的塑性、蠕变效应时则必须考虑材料非线性。众所周知，非线性问题的求解是很复杂的，它不仅涉及到很多专门的数学问题，还必须掌握一定的理论知识和求解技巧，学习起来也较为困难。为此国外一些公司花费了大量的人力和物力开发非线性求解分析软件，如ADINA、ABAQUS等。它们的共同特点是具有高效的非线性求解器、丰富而实用的非线性材料库，ADINA还同时具有隐式和显式两种时间积分方法。
4、由单一结构场求解发展到耦合场问题的求解
　　有限元分析方法最早应用于航空航天领域，主要用来求解线性结构问题，实践证明这是一种非常有效的数值分析方法。而且从理论上也已经证明，只要用于离散求解对象的单元足够小，所得的解就可足够逼近于精确值。现在用于求解结构线性问题的有限元方法和软件已经比较成熟，发展方向是结构非线性、流体动力学和耦合场问题的求解。例如由于摩擦接触而产生的热问题，金属成形时由于塑性功而产生的热问题,需要结构场和温度场的有限元分析结果交叉迭代求解，即/"热力耦合/"的问题。当流体在弯管中流动时，流体压力会使弯管产生变形，而管的变形又反过来影响到流体的流动……这就需要对结构场和流场的有限元分析结果交叉迭代求解，即所谓/"流固耦合/"的问题。由于有限元的应用越来越深入，人们关注的问题越来越复杂，耦合场的求解必定成为CAE软件的发展方向。
5、程序面向用户的开放性
　　随着商业化的提高，各软件开发商为了扩大自己的市场份额，满足用户的需求，在软件的功能、易用性等方面花费了大量的投资，但由于用户的要求千差万别，不管他们怎样努力也不可能满足所有用户的要求，因此必须给用户一个开放的环境，允许用户根据自己的实际情况对软件进行扩充，包括用户自定义单元特性、用户自定义材料本构（结构本构、热本构、流体本构）、用户自定义流场边界条件、用户自定义结构断裂判据和裂纹扩展规律等等。
　　关注有限元的理论发展，采用最先进的算法技术，扩充软件的能，提高软件性能以满足用户不断增长的需求，是CAE软件开发商的主攻目标，也是其产品持续占有市场，求得生存和发展的根本之道。
以上网友发言只代表其个人观点，不代表新浪网的观点或立场。　　【学员问题】：岩质边坡有哪些应力分布特征？
　　【解答】：
　　岩质边坡的应力分布特征：
　　由有限元法分析的结果知，形成边坡后，岩体中的应力有如下变化特性：由于应力重新分布，边坡周围的主应力迹线发生明显偏转，其总的特征为愈靠近临空面，最大主应力（&1）愈接近平行临空面。坡脚附近最大主应力（相当于临空面的切向应力）显著增高，且愈近表面愈高；最小主应力则显著降低，于表面处降为零，甚至转为拉应力。坡缘（坡面与坡顶的交线）附近，在一定的条件下，坡面的径向应力和坡顶的切向应力可转化为拉应力，形成张力带。坡体内最大剪应力迹线由原来的直线变为近似圆弧形，弧的凹面朝向临空方向。坡面处于单向应力状态（不考虑坡面走向方向的&2）向内渐变为双向（若考虑&2则是三向）应力状态。另外，应注意到，以上特征只能使用于均质各向同性的岩体中，如果边坡内存在大的断层或层状岩体，则应力分布必有较大的差异。影响应力分布的主要因素有；原岩应力状态、岩坡形态、岩体的变形特征和结构特征等。其中，以原岩应力状态的影响最为显著。
　　以上内容均根据学员实际工作中遇到的问题整理而成，供参考，如有问题请及时沟通、指正。 责任编辑：天蓝
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