1 绪论
1.1 选题背景
边坡失稳所引起的灾害属于全球三大地质灾害之一，其失稳造成的后果严重威胁到该地区人类的安全、生活和经济的发展。有相关文献记录可知，我国每年都会因为地质灾害带来大量的经济损失。根据相关国家部门给出的统计数据，从 2010 年至今，全国各省市以及各自治区范围内出现的地质灾害总数为 260779 起。在所有的灾害事件中，山体滑坡、岩层崩塌是影响力最大的灾害之一。如图 1-1 可知不同的灾害类型占事件总数的比例。而其中滑坡占比为 73.78%，可以看出边坡失稳已成为我国最主要的地质灾害类型。另外根据统计结果了解到，有超过 7000 人因为灾害事件而死亡或者失踪，这些事件给国家全社会带来超过 450 亿元的损失。所以说对地质灾害的起因以及相关预防措施的研究，无论是对国家经济还是国民安全都有极其重要和关键性的作用。
黄土主要形成在第四纪的地质运动中，是一类黄色的粉土沉积物。该类土壤颗粒较小并且分布均匀，一般表现为黄色，其中化学组成主要是碳酸盐类无机化合物。黄土粉末的粒径通常在 5 μm 到 50 μm 之间，由风力搬运沉积而成，呈现出带状分布。同时内部空隙较多，易溶于水，存在湿陷性、结构性等工程特性。作为世界上黄土分布最为广阔的大陆国家，中国黄土区域分布面积约为 64 万 km2，占比中国国土总面积的 6.3%，其主要分部在北纬 34°至 41°之间的甘肃、陕西等省份，北部的省份也有少量的分布[1-2]。 根据毛同夏[3]等人的研究，本世纪前期在黄土高原生活的人群数量将超过 3 亿，占到国家人口数量的 20%以上。所以说对该区域内造成地质滑坡的原因进行调查和研究，对于保证人民生命安全和财产具有重要意义。
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1.2 本课题
在国内外的研究现状在西方发达国家，边坡稳定性一直都是土木工程领域重点研究的课题。通过使用科学的分析手段，能够让人们对边坡的稳定程度有较为全面的了解。首先是力学模型的建立，然后是借助理论公式进行计算，最后得到合理且精确的结果。其中使用科学的方法得到计算数据是最为关键的环节。边坡稳定性问题是最重要的内容，也是分析研究的基础，总体上可以归纳为定性分析与定量分析这两种方法。
1.2.1 定性分析法
定性分析法属于一种预测分析方法，其主要流程是：首先提前进行现场地质勘察，考察多种环境或者人为因素所带来的影响，接着再研究边坡在地质运动过程中的成型周期。进而对边坡未来的发展趋势进行预测判断，以达到分析边坡稳定性的目的。
（1）图解法
通过检测装置收集有关边坡地质的原始数据，借助理论公式进行计算，通过图表将数据结果生动的表现出来，让人们对边坡的特征有直观的了解。
（2）历史周期法
首先依据标准选择合适的研究对象，在较长的一段周期内对该研究对象进行持续的观察和研究，推测其在未来的变化趋势。
（3）工程类比法
这是一类较为常用的方法，就是将所要研究的边坡或拟设计的人工边坡与已研究过的边坡或人工边坡进行类比，以评定其稳定性或确定其坡角和坡高。第一步通过专业的检测手段对周围的地质情况有全面的了解，主要有边坡覆盖的范围、土层结构、土壤组分以及气候等多方面的因素。第二步对前人的成熟经验进行总结，找到研究对象和成熟案例之间的不同点，分析本文所研究边坡的特征以及力学参数。第三步对收集到的原始数据进行整理和分析，进一步了解边坡稳定性的相关特征。依据相关理论和参考资料，对土层的变化进行合理预测。这些方面的工作需要相关人员具备一定的专业素养和实践能力，只有这样才能更好的发现研究对象的稳定性特征，进而得出更为精确的预测结果。
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2 有限元双参数非等比例相关联不同步强度折减法
2.1 强度折减法(SRM)基本理论
有限元强度折减法，其主要作用于其抗剪强度，对于边坡而言，由粘聚力以及内摩擦角这两大指标来表征其抗剪强度，因此折减将主要围绕这两者进行。经由有限元计算，除能够求出判定边坡稳定性的安全系数外，还能够由此判定出在哪些位置将有最危险滑动面的出现。有限元强度折减法在 1970 年率先由英国科学家 Zienkiewicz[17]提出，其具有开创性的在边坡稳定性的分析当中引入了该方法，自此为该方法在岩土工程中的大规模应用奠定了基础。为了使该方法不断趋于完善，并具有更高的应用价值，国内外众多学者都曾进行过多种尝试，试图将其应用到其他工程领域。
综合来看，该方法在对土体的应力、应变大小进行计算时，考虑了包含边界条件、岩土体材料的不连续性和非均质特性、以及各种本构关系，由此弥补了传统极限平衡法只是简单的将土体视为刚体而导致的不足。此外，借助于该方法还能对边坡的变形破坏机制进行描述。
黄土边坡土体的物理力学性质非常复杂，具有湿陷性、非线性、各向异性、剪胀性、压硬性、与应力历史和应力路径相关性等特点，因此在对其进行稳定性分析时，需要首先将土体视为适用 Mohr-Coulomb 准则、Druck-Prager 系列准则的理想弹塑体，随后借助于数值分析的方法来进行相关分析。实践证明，最终所求得的边坡稳定安全系数将在很大程度上受到强度准则的影响。
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2.2双参数非等比例强度折减法(DRM)
传统的强度折减法中未考虑到强度参数差异折减的真实状况，这种折减方法认为，在边坡累积渐进破坏过程中，粘聚力和内摩擦角的折减程度是相同的，两者的强度储备亦相等 ，这明显不符合实际情况并由此使得计算出的安全系数与实际之间存在差异，因此，
为解决这一问题，国内外相关领域的专家以及学者进行了尝试，如国内较早研究双折减法的唐芬等认为[19-20]c 、tan? 应该采用各自不同的折减系数。然而，当采用两个折减系数时，可能的折减路径有无穷多个，如何来确定双参数的折减路径是不明确的，即使找到了折减路径，得到的折减系数也不再等于最终的安全系数，此时如何定义边坡的安全系数也未见统一的论证。袁维等[21]提出基于参数拟合的配套折减原则从而建立了一个双折减法，以避免对c 和 tan? 进行盲目地折减。最近，白冰等[23]又提出了一个新的双强度折减法，不仅给出了确定的折减路径，而且新定义了双折减法的安全系数。
为了充分体现粘聚力和内摩擦角对边坡稳定性产生不同的影响机制以及在折减过程中各自折减程度不同，二者采用不同的折减系数，因此，人们在有限元强度折减法的基础上提出了有限元双参数非等比例强度折减法，这一理论分析方法打破了原有传统强度折减法认为的粘聚力和内摩擦角具有相同的折减系数，即弱化程度相同的结论。
由于双参数非等比例强度折减法采用双折减技术，因此双折减系数在确定安全系数方面的缺陷始终未能被弥补。为了能在双安全系数的基础上表现边坡的整体安全储备，于是在假定强度参数服从线性衰减分布的前提下，基于弹性理论提出了依据两个强度参数在边坡稳定性分析中的贡献比例确定综合安全系数的方法，即有限元双参数非等比例相关联强度折减法。
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3 结构性黄土抗剪强度随应变发展演化过程.........................27
3.1 非饱和黄土的抗剪强度................................27
3.2 应变软化变化引起土体材料强度衰减........................30
4 均质黄土边坡稳定性数值算例分析...........................37
4.1 均质黄土地质条件.......................38
4.2 静力作用下均质黄土边坡极限状态数值模拟.....................38
5 非均质黄土边坡稳定性数值算例分析...............................43
5.1 非均质黄土边坡的工程地质条件..................................43
5.2 静力作用下非均质黄土边坡极限状态数值模拟..................43
6 延安某高填方边坡稳定性研究
6.1 工程概况
延安地区位于华北陆台鄂尔多斯单斜构造的东南角，土体在成份和构造上属中生代的沉积岩系，地理位置位于黄河中游地区，属黄土高原丘陵沟壑区，地区地貌以黄土高原、丘陵为主。地势西北高东南低，平均海拔大约 1200 m 左右。全区工程区域地貌类型为延河冲洪积河谷阶地河川台地，一级阶地高出河床 5 至 10m，主要由砂砾石、亚粘土组成，保存完整。二级阶地下的基岩面积较小，高出河床 15 至 20m。
延安新区的西部是新建场地的坐落地，杜家沟路在其北面，杨家岭路在其东侧。从地貌特征来看，黄土梁峁沟壑区属于典型地貌特征，场地位置可见图6-1。鉴于工程实际需求，可以平整相关工程场地，在周边环境采用工程填坡处理，根据1：2的坡度比例进行填坡，以植草护坡方式对填方坡面进行处理。按照地质查勘情况，按照区域不同和地层差异，从上往下来看，主要有风积类土壤、残积类土壤、中更冲积类土壤、沙砾岩土壤其他类型组成。
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7.结论与展望
7.1 结论
鉴于目前常用的边坡稳定性分析方法存在的问题，本文以边坡的渐进破坏特性以及土体应变软化为切入点，以一系列均质及非均质滑坡案例为研究背景，选择延安高边坡填土为研究对象，从黄土抗剪强度参数衰减规律出发，通过有限元双参数非等比例不同步强度折减法研究，提出适用于黄土边坡稳定性分析的最新理论方法。取得的主要成果与结论如下：
（1）研究了黄土边坡在破坏过程中粘聚力和内摩擦角各自的衰减规律，粘聚力和内摩擦角的衰减速度不同，针对结构性黄土,c衰减的速度远大于? 的衰减速度，对于砂性土,其c，? 都会迅速地衰减；黄土边坡粘聚力和内摩擦角的衰减时机不一致，在变形发展初期，粘聚力就迅速发生衰减，而内摩擦角的衰减需要在土体经历较大变形以后才会发生。
（2）利用数学方法推导出粘聚力和内摩擦角在应变不同阶段发挥程度不同而产生非等比例不同步折减的计算结果，并且建立起粘聚力安全系数和内摩擦角安全系数之间的非等比例相关联关系式，满足关于双折减系数中双变化关系转变为单变量的要求，根据弹性理论提出了依据两个强度参数在边坡稳定性分析中的贡献比来确定安全系数的路径。
（3）对有限元商业计算软件 ABAQUS 进行了二次开发，实现了双参数非等比例不同步强度折减法的程序计算。
（4）结合算例，采用 ABAQUS 有限元分析软件，将边坡稳定性分析的几种不同强度折减方法对应的计算结果与 Geo-Studio 刚体极限平衡分析方法结果进行对比分析，从结果来看有限元双参数非等比例异步折减方式相对误差最小，且无论是位移滑面还是塑性图潜在滑动面其所得区域均处于传统有限元强度折减法和极限平衡法两种折减方式所得滑面之间，都从而验证了有限元双参数非等比例不同步强度折减法的合理性及可靠性。
参考文献（略）