中文摘要：

工程实践表明，初始地应力条件对边坡的稳定性影响很大，但在目前常用的极限平衡法（包括强度折减有限元法）中只能计入岩体自重、表面载荷和孔隙水压的作用，不能考虑初始地应力这个关键的因素，而有限元仿真的方法又不能给出边坡的整体安全系数。为此，本项目首先通过数值模拟和物理模型试验等手段揭示初始地应力条件与边坡稳定性之间的内在联系，探索不同地应力状态下的破坏模式。在此基础上，根据塑性力学的上限定理，严格地推导新的功能平衡方程，从而给出考虑初始地应力条件的边坡稳定安全系数的计算方法。为了能够在数值上加以实现，引入一种新的边坡稳定上限分析方法- - 单元集成法。它采用单元网格离散边坡计算区域，根据有限元仿真给出的初始地应力条件，从功能平衡方程中求解边坡的整体安全系数。本项目提出的方法为研究初始地应力条件与边坡稳定性之间的关系提供了一条有效的途径。

结论摘要：

在边坡稳定性的研究中，传统的极限平衡方法与近年来流行的强度参数折减有限元法都不能考虑初始地应力场的影响，通常只是考虑重力场、表面荷载以及地下水的作用。本项目旨在发展有效的数值分析方法，既能考虑地应力这个重要因素，又能对边坡的稳定性直接给出工程师们最关心的安全系数。本项目首先在边坡稳定分析中引入了弹性补偿法，通过有选择性地调整材料的弹性模量来模拟极限状态的应力分布，同时由相应的速度场获得结构的上限载荷，最终经过迭代分别获得结构的极限下限和上限载荷。我们找到了一个简单而有效的途径，在线弹性有限元算法的基础上，以较小的计算代价实现了上述算法过程，而且还具有相当高的计算精度。通过对不同因素的考察，发现名义载荷和泊松比对计算结果的影响较大，并且名义载荷至少要比极限载荷大，才能使迭代计算很快地收敛于极限载荷。针对实际边坡为岩土类介质和主要承受重力或初始地应力载荷的特点，我们推导了弹性补偿法迭代过程中名义应力、等效应力、塑性耗散能、以及安全系数的表达式。同时，还实现了以强度折减步作为加载步的迭代算法。最终，通过弹性迭代直接求出边坡稳定的安全系数。通过考察初始地应力的影响发现，随着侧压力系数的增大，边坡的安全系数逐渐变小。本项目还基于塑性力学上限定理的理论框架，推导了考虑附加应力场的新的功－能平衡方程，并且发展和完善了单元集成法，统一地考虑遇水膨胀应力和地质构造应力对边坡稳定的影响。它对膨胀土边坡的超低安全性，对由小范围局部滑动带动并逐渐扩展而形成的渐进式浅层滑坡现象，以及对高地应力区一些水电工程的坝基和坝址岸坡开挖后出现的浅层破坏现象，可以用定量的计算结果（而不仅仅是靠概念性的分析）给出解释。同时还发现，对干湿循环条件下评价边坡安全性的安定分析中，循环载荷部分所对应的纯弹性应力场也可以纳入这种改进的极限分析方法统一地实现。我们还利用非线性有限元分析方法可以考虑初始地应力的特点，借用极限平衡的概念，给出了一个基于过载定义的安全系数。计算结果显示，不同初始地应力状态对安全系数的影响是不可忽略的。这从另外一个角度证实了本课题在立论时所提出的观点。为了探索初始地应力状态对边坡安全性的影响，本项目还研制了一套微波反射测量装置，以求利用微波的反射特性进行应力测量。本项目的研究，为评价初始地应力对边坡稳定的影响提供了一种有效的途径。