斜率稳定性分析对于确保大坝路堤的可靠性和人们的安全性至关重要。通过在ComsolMultiphysics®软件中使用剪切强度降低方法，民用和岩土工程师可以评估大坝路堤的稳定性，以预测失败和预防悲剧。
为什么分析大坝故障？
当大坝失败时，结果可能是毁灭性的 - 甚至致命。例如，奥斯汀大坝建于1800年代后期，在得克萨斯州奥斯汀附近，既昂贵又难以建造。但是，许多公民认为大坝会吸引商业并为城市供电。1900年4月7日，前一周的大雨和洪水导致大坝后面的湖泊膨胀。这大坝无法抵抗水的力，最终破裂了。大坝的部分陷于洞穴，释放出水的洪流并造成死亡，并对500多个房屋造成严重损害。
倒塌一小时后，奥斯汀大坝故障造成的损害。在公共领域中的图像，通过Wikimedia Commons。
在被称为“大花岗岩大坝故障”之后大坝的结构完整性受到质疑。人们推测，由于其次优的设计和建设，大坝的崩溃是不可避免的。
但是，考虑大坝的稳定性和可靠性，甚至可以在建造大坝建造之前就开始。例如，由于各种负载和环境条件，可以使用斜率稳定性分析来预测大坝路堤中土壤的沉降，变形和滑移。
有许多进行坡度稳定性分析的方法。在这里，我们讨论了一种使用COMSOL多物理学和附加的地质力学模块建模此过程的技术大坝路堤教程模型中的斜率稳定性从应用程序库。
剪切强度降低和安全系数
稳定是指斜率抵抗将地球材料沿坡度推向斜坡的力的能力。剪切强度降低（SSR）方法用于在故障点或不稳定点。
在此处讨论的模型中，我们使用SSR方法对大坝路堤进行了坡度稳定性分析。该模型还使用平面应变近似来对2D的大坝路堤进行建模，这比3D分析更有效。
安全因子（FOS）的定义为在整个表面上保持平衡所需的土壤可用剪切强度的比率。FOS比例证明了一个结构（在这种情况下为大坝）可以承受多少。在斜率稳定性的背景下，理想情况下，FOS将不会导致斜坡上的材料滑动（在这种情况下为大坝路堤）。
FOS不是衡量路堤的可靠性的衡量标准，而是斜率稳定性分析中对任何驱动力的抗性的相对指示。如果FOS等于1，则结构或部分支持其应承受的确切应力，并且增加或使零件承受任何更高的应力（或负载）将导致结构失败。对于2为2的FOS值，结构或部分将在工作应力的两倍上失败。如果FOS小于1，则意味着结构不稳定。
想想您小时候在海滩上建造一座沙堡。如果您形成一堆沙子，然后以一定角度慢慢将手放在它上，则在某种力量下，手下的沙子压缩会导致沙子“滑动”并转移到斜坡的底部。现在，图片在沙堡周围的沙子上挖一条护城河：如果您越深入到沙滩上，护城河最终会由于斜坡的强度降低而倒塌。
斜率土壤行为由以下要素表示：
- 达西定律：
- 孔隙压力
- 流体通过多孔介质流动
- Mohr – Coulomb标准：
- 弹性分析
包括达西（Darcy）的土壤定律，占路堤中压力头的占主导地位，还可以区分饱和或不饱和条件。然后，通过在固体力学接口，您可以确定斜率的稳定性。
Mohr – Coulomb标准
Mohr – Coulomb理论是一个数学模型，它描述了材料（脆弱的材料）如何应对剪切应力和正常应力。MOHR – Coulomb标准是岩土工程中的常见故障标准，它证明了在失败点处正常应力和剪切应力之间的线性关系。
在SSR方法中，MOHR – Coulomb材料参数是FOS的函数。使用SSR技术，FOS会影响凝聚以及内摩擦角。
凝聚力描述了材料将如何粘在一起。想想将沙子包装到沙堡的模具中。如果沙子是湿的或潮湿的，那么当模具翻转时，散落的可能性就较小。
内部摩擦的角度描述了土壤的摩擦剪切抗性。如果您将沙子倒入表面上的一个特定位置，则沙子会积聚，但是如果您尝试使用其他物品（例如大理石）执行相同的任务，则不会产生相同的结果。由于其更高的内部摩擦角（正确的视频），沙子被收集成一堆，但是大理石圆形，将彼此滑落以倒入所倒在其上的表面（左视频）。
在Mohr – Coulomb标准下，这些因素指定了土壤的剪切强度，并可以预测大坝路堤坡度滑落或保持在一起的可能性。
解释仿真结果
为了找到大坝路堤达到不稳定性的点，我们可以系统地运行该模型以增加FOS值，直到其不收敛为止。这一点表明坡度何时不再稳定。也就是说，我们已经确定了其预期的FOS。
最大位移的图与大坝路堤安全性因素相比。
左：大坝路堤中的压头。中间：倒塌之前有效的塑性应变。右：在倒塌之前滑动圆圈。
在这里，弹性塑料分析不会收敛于1.915以上的FOS值。如前所述，FOS接受的最低值是1，一个2表示结构的失败是工作应力的两倍。土壤的可用剪切强度几乎是维持坡度所需的两倍。在这一点上，由于应变增加和随后的剪切强度降低，斜坡将塌陷。这种崩溃是由塑性应变将其定位到剪切带中引起的，从而导致滑动圆的形成。
斜率塌陷之前的总位移。
通常，斜率稳定性可用于评估人造和天然大坝和斜率的稳定性和安全性。这种类型的分析可用于观察由于加载条件而引起的故障机制，并引起人们对其他因素（例如植被和土壤变异性）的关注，这可能会影响自然发生的斜率。
下一步
自己尝试：单击下面的按钮以访问教程模型。
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