（岩土工程专业论文）边坡稳定性分析及治理软件slide+cad的开发与工程应用.pdf

边坡稳定性分析及治理软件s f i d ec a d 的开发与工程应用 作者简介：王殉，男，1 9 8 1 年2 , e l 生，2 0 0 4 年从师于李树森教授聂德新 教授，于2 0 0 7 年7 月毕业于成都理工大学岩土工程专业 摘要 作为岩土工程中的一个重要分支，无论是在修建高速公路、铁路、机场等交 通设施，还是在建造矿井、大坝等大型建筑工程方面都需要分析土坡的稳定性。 如何设计开发一套具有较强通用性、适用性，操作简便的软件成为边坡软件开发 的趋势。本文通过基于v i s u a lb a s i c2 0 0 5 开发了边坡稳定性设计软件s l i d ec a d 本文以s l i d ec a d 软件的前处理，求解器、后处理三个方面对s l i d ec a d 软件所 采用的技术细节进行了详述。通过开发s l i d e c a d 实现了以下几个方面的目标： ( 1 ) 实现了圆弧、折线滑面、组合滑面的自动生成方法。 ( 2 ) 通过对m o r g e n s t e m - p r i c e 法与s p e n c e r 法的改进，在不影响计算精度的同 时，使原有的计算迭代时间大大缩短，计算步骤更加简单。 ( 3 ) 在滑动面的自动搜索中应用穷举法与退火遗传算法搜索滑面两种方法实 现自动搜索功能，两种方法互为补充。 ( 4 ) 在后处理模块中融入了可靠度分析，添加了安全系数云图与等直线，使 计算结果更加直观。 ( 5 ) 通过对a n s y s 的二次开发进行抗滑桩的优化设计，使优化设计的过程更 加的便捷与可靠。 通过对工程项目的实际运行，证明本文提交的研究成果和开发的边坡稳定性 计算软件s l i d ec a d 软件具有一定的理论价值和良好的工程实用性。 关键词：v i s u a lb a s i c 2 0 0 5 组合滑面m o r g e n s t e r n - p r i c e 法与s p e n c e r 法 退火遗传算法等值线云图a n s y s 开发优化设计 作者签字：王殉 s l o p es t a b l ea n a l y s i sa n dg o v e r n m e n t s o f e w a r es l i d ec a dd e v e l o p m e n ta n dp r o j e c t a p p l l c a t i o n i n t r o d u c t i o no f t h ea u t h o r ：w a n gx u n , m a l e ，w h ow a sh o mo nf e b r u a r yo f1 9 8 1 w h ow a sg u i d e d b yp r o l is h u s e na n dn i ed e x i ns i n c e2 0 0 4 h em a j o r si s g e o t e c h n i c a l e n g i n e e r i n ga n dw i l l b eg r a d u a t e df r o mc h e n g d uu n i v e r s i t yo f t e c h n o l o g ya tj u l yo f 2 0 0 7 a b s t r a c t a sg e o t e e h n i c a le n g i n e e r i n gi m p o r t a n tb r a n c h , r e g a r d l e s so f i si nt r a n s p o r t a t i o n f a c i l i t ya n d8 0o nc o n s t r u c t i o nh i g h w a y , r a i l r o a d a i r p o r t 。o ri nt h ec o n s t r u c t i o nm i n e p i t ，t h ed a ma n ds oo nt h el a r g e s c a l ea r c h i t e c t u r a le n g i n e e r i n ga s p e c ta l ln e e d st o a n a l y z et h es o i ls l o p et h es t a b i l i t y h o wd e v e l o p sa s e tt oh a v eas t r o n g e rv e r s a t i l i t y , t h es e r v i c e a b i l i t y , o p e r a t e ss i m p l es o f t w a r et ob e c o m et h et e n d e n c yw h i c hs l o p e s o f t w a r ed e v e l o p s t 1 1 i sa n i c l et h r o u g hh a sd e v e l o p e ds l o p es t a b l ed e s i g ns o f t w a r e s l i d ec a dw h i c hi sd e v e l o p e db a s e do nv i s u a lb a s i c 2 0 0 5 t h i sp a p e ri n t r o d u c et h e s o f t w a r ef r o n tp r o c e s s e s ，t h es o l u t i o n , t h ep o s t p r o c e s s i n gt h r e ea s p e c t st h et e c h n i c a l d e t a i lw h i c hs o f t w a r eu s e dt os l i d ec a dc a n yo nh a v er e l a t e di nd e t a i lt h r o u g h d e v e l o p e ds l i d ec a d t oa c h i e v ef o l l o w i n gs e v e r a la s p e c t sg o a l ： ( 1 ) a u t o m a t i cp r o d u c t i o nm e t h o da b o u tt h ec k c u l a ra r c 。t h eb r o k e nl i n es l i d e , t h ec o m b i n a t i o ns l i d ec a nb er e a l i z e db ys f i d ec a d ( 2 ) t h r o u g ht ot h em o r g e n s t e r n - p r i c el a wa n dt h es p e n c e r1 a wi m p r o v e m e n t ， w h i l ed o e sn o ta f f e c tt h ec o m p u t a t i o np r e c i s i o n , c a u s e st h eo r i g i n a lc o m p u t a t i o n i t e r m i o nt i m eg r e a t l yt or e d u c e ，t h ec o m p u t a t i o ns t 印i ss i m p l e r ( 3 ) i nt h es l i d i n gs u r f a c ea u t o m a t i cs c a nt h ea p p l i c a t i o ne x h a u s t i o nm e t h o da n d s a g am e t h o ds e a r c hs l i d at w om e t h o d sr e a l i z a t i o ma u t o m a t i cs c a nf u n c t i o i l ，t w o m e t h o d sm u t u a l l yi st h es u p p l e m e n t ( 4 ) m e l t e di n t op o s i b i l i t yt h ea n a t y s i si nt h ep o s t p r o c e s s i n gm o d u l e ，i n c r e a s e d t h es a f e t yt o e 伍c i e n tc l o u dc h a r ta n dt h ei s o l i n e c a u s e dt h ec o m p u t e dr e s u l tt ob e m o r ed i r e c t v i e w i n g ( 5 ) t h r o u g hc a r r i e so nt h ea n t i - s l i d ep i l e t ot h ea n s y sd e v e l o p m e n t st h e o p t i m i z e dd e s i g n , c a u s e st h eo p t i m i z e dd e s i g nt h ep r o c e s se v e nm o r ec o n v e n i e n c e a n dt h er e l i a b i l i t y t h r o u g ht ot h ee n g i n e e r i n gp r o j e c ta c t u a lm o v e m e n t ，p r o v e dt h i sa r t i c l es u b m i t s t h er e s e a r c hr e s u h sa n dt h ed e v e l o p m e u ts l o p es t a b l ec o m p u t a t i o ns o f t w a r es l i d e c a ds o f t w a r eh a st h ec e r t a i nt h e o r yv a l u ea n dt h eg o o dp r o j e c tu s a b i l i t y k e y w o r d s ：v i s u a lb a s i c 2 0 0 5 c o m b i n es l i d es u r f a c e m o r g e n s t e r n - p r i c el a w a n dt h es p e n c e rl a ws a g am e t h o dc o n t o u rc l o u dd i a g r a ma n s y s d e v e l o p m e n to p t i m i z a t i o nd e s i g n s i g n a t u r e ：w a n gx u n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得盛鳌堡王盍堂或其他教 育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者导师签名： 学位论文作者签名： b 了年s 月z 牛日 l i 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盛壑堡王去堂有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅。本人授权盛壑堡三太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数 据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 一虢萎捐 sr 砖 日 弘 柳婀 夯扩王 年 ， b 第1 章前言 第l 章前言 1 1 选题依据及研究意义 1 1 1 选题依据 在岩土工程中，边坡稳定性分析是个经常遇到的问题，不论是高速公路、铁 路和机场等交通设施的建设，露天矿井、废渣处理和土坝工程等天然资源的开发， 还是许多其它的人为活动包括房屋建筑和开挖工程等都需要进行边坡稳定性分 析。 边坡稳定性受到以下几个方面的影响：土质条件、地形地貌及边坡发育史、 地下水、地震或爆破振动和各种人为因素等i l 】。天然边坡、人工填土或兼有上述 二者的土体的运动导致边坡的破坏。一般说来，从运动规律上讲边坡具有五种基 本类型：倒塌、倾覆、滑动、扩展及流动，第六种是复合的运动，即边坡同时产 生上述五种基本类型中的两种及两种以上的运动【2 】。土体滑动破坏则是边坡尤其 是人工边坡的主要破坏形式。 目前边坡稳定性分析通常分为以下三大类：极限平衡法，能量法以及有限元 法。极限平衡法在7 0 多年的工程实践中得到不断地发展，对于广大工程技术人 员来说易于掌握与接受，但受其自身理论的限制，不能考虑土体的应力应变关系。 能量法则在一定程度上考虑了土体的应力应变关系，但只能给出假定滑移面的应 力场与速度场，其计算精度未有根本的提高。有限元法能够考虑应力应变关系， 不仅满足了力的平衡，也考虑了变形协调，但是有限元法也存在这一些不足之处， 材料本构关系与真实的岩土特性差异较大【3 】，且近年来，岩土本构关系无突破性 的进展，造成此法在描述岩土特性方面的不准确性。理论的发展需要工程实践的 检验，极限平衡法虽然有自身的局限性，但是其理论本身却日趋完善，并在大量 工程实践中得到了检验与发展，在岩土工程界得到了广泛的认可。当前国际上对 极限平衡法在边坡稳定性的分析中有两大发展趋势： 0 ) - - - 维向三维分析的转换m 1 ； ( 2 ) 引入新的计算分析理论进行边坡临界滑移面的搜索【6 7 】。 目前国内各设计院使用的较多边坡稳定型分析软件普遍存在以下几个方面 的问题： ( 1 ) 供用户选择的计算方法与可考虑的工况较少。 ( 2 ) 软件提供的搜索算法在处理复杂的边坡的工程实践中存在一些不足之 处，常规的搜索计算方法难以得到较精确的计算结果，且对于多极值问题容易在 成都理工大学硕士学位论文2 0 0 7 局部最小值处收敛。随着非线性科学理论与非连续介质理论发展，随机可靠性理 论以及计算机技术的发展，呈现出多学科的紧密融合与互相渗透现象，在边坡分 析中以m o n t e rc a r l o 法为代表的随机理论和以遗传算法为代表的，基于非线性的 人工智能技术的引入则为非规则的复杂滑动面的搜索提供了更为有效的算法。 ( 3 ) 边坡的稳定性分析与设计同处于一个系统之中，是紧密结合，不可分割 的。但国内的边坡稳定型分析软件对于这一方面比较脱节，稳定计算以后的设计 通常不考虑，或考虑甚少，对结构设计进行优化更无从提及。 ( 4 ) 软件的后处理能力较之国外的同类软件存在一定的差距。计算结果的正 确性固然重要，但是其表现形式也不容忽视。国内的计算程序仅有计算结果，无 安全云图或等值线图等，表现能力不强，缺乏直观的表现形式；且对边坡的结果 无法进行可靠度分析。 1 2 国内外研究历史及现状 1 2 1 边坡计算方法与搜索算法研究历史及现状 边坡计算作为岩土工程学科中的一个非常重要的分枝，在其自身发展的历程 中不断的自我完善，呈现出欣欣向荣的景象，下面就国内外研究历史及现状做一 个简单的综述和概括，已期达到掌握边坡软件的技术发展动向。 在边坡的计算中按性质可分为定性分析与定量分析两大类：定性的边坡分析 通常用来对其稳定性做出评估；而符合设计需求的计算数据仍需通过边坡的定量 的分析来获得。而定量分析的过程就是确定其临界滑动面的过程，其具体计算操 作过程如下： 对于一个指定的边坡，对所有可能的滑动面试算，比较找出最小安全系数所 对应的滑动面即为临界滑动面，在传统的边坡临界滑动面搜索中此方法得到广泛 的应用。由此我们不难看出，滑动面的搜索与安全系数计算的方法关系到临界滑 动面确定正确与否。 极限平衡法作为边坡稳定分析中的最常用的计算方法，该法的基本前提是将 滑体视为刚体，不考虑其变形，以及变形协调问题，以平面破坏模式为主，且认 为滑体的破坏服从摩尔库仑准则。当边坡安全系数处于k = i 时，滑体处于极限 平衡状态；k 1 时，滑体处于安全状态；k 1 则反之处于破坏状态。刚体极限平衡 法最常用的是条分法，条分法又可分为垂直条分与斜条分( s a r m a 法) 两种。条分 法是f e l l e n i u s ( 1 9 2 7 ) 在瑞典条分法的基础上发展起来的。其操作过程大致如下： 假如边坡分成n 个条块，通常土条宽度较小，则可假定土条底部合力作用点o 位于底面中点，则未知量总数为4 n - 2 个。每一条块上有2 个力平衡方程和1 个 2 第1 章前言 力矩平衡方程，共3 个平衡方程，n 个条块就有3 n 个平衡方程，这样未知量比 方程数多出n - 2 ，一般条分法计算中，1 1 在1 0 以上，因此，这是一个高次非静定 问题。要解决这个非静定问题，就必须做出一些相应的简化假设，以增加方程数 目或减少未知数。 瑞典条分法是f e l l e n i u s t s l 提出的，假设不考虑条问力的作用，通过力矩平衡 来确定安全系数，并认为土坡滑动面的形状为圆弧。 上世纪5 0 , - 6 0 年代，众多学者对条分法研究的主要方向分为两个方向：一是 如何在计算中考虑滑动土体内部条间力的作用：二是研究如何将条分法推广到任 意形状的滑动面。这样考虑的结果使得土坡稳定性分析的理论和方法更趋于合理 化。 1 9 5 5 年b i s h o p 侈疆出一个考虑条块侧向作用力的土坡稳定性安全系数计算 方法，称为b i s h o p 法。该法假定条间作用力为水平方向，同样，通过力矩平衡 来确定安全系数，仅适用于圆弧滑动面。 1 9 5 4 年j a n b u i l 0 1 提出了j a n b u 法( 也称为普遍条分法) ，该法假定土条间推力 作用点位置己知 通常取l 3 条块高度) ，适用于任意形状滑动面的土坡稳定性安 全系数的计算。 1 9 6 5 年，m o r g e n s t e m 和p r i c e l 1 提出了“多余未知函数的合理要求”，假定 条间切向力x 和法向力e 存在一定的函数关系( 函数关系式有) ，从而使结果更趋 合理，即m o r g e n s t e mp r i c e 法，此外，还有s p e n c e r 法【1 2 】、力平衡法( l o w ek a m f i a t h 法【”1 和美国陆军师团法1 1 4 1 ) ，s a r m a 法【1 5 】，在这之后，又出现了一些改进方法 1 6 , 1 7 , 1 8 ，其中经陈祖煜和摩根斯坦改进m o r g e n s t e m - p r i c e 法是唯一在滑动面的形 状、静力平衡要求、对于未知数的选定均不做假定的严格方法。近年来，仍然有 一些学者致力于极限平衡方法的研究工作。e n o k i 和y a g z ( 1 9 9 0 ) ”9 】等基于与 s a r m a 法不同的关于楔体问内力变化模式，在滑楔间界面上引入局部强度发挥 度，运用滑块离散格式提出了广义极限平衡法。架茂田【2 0 l 等( 1 9 9 5 ) 提出了土坡稳 定分析的改进滑楔模型。这些方法的不同之处在于各自简化条件不同，主要反映 在滑动面形状、分块方法和条间力处理等。 根据计算假定的不同，可分为： ( 1 ) 假定条块间作用力的作用方向； ( 2 ) 假定条块问作用力的作用位置； ( 3 ) 假定条块底面法向正应力的分布及大小。 根据平衡条件满足的不同，可分为： ( 1 ) 满足力矩平衡； ( 2 ) 仅满足力平衡条件； ， 成都理工大学硕士学位论文2 0 0 7 ( 3 ) 满足力平衡和力矩平衡条件。 为寻找边坡特别是复杂情况下的临界滑动面，众多学者结合计算机数值模拟 技术与数学优化方法提出多种搜索方法，并编制了相应的计算机程序。 早期的计算机辅助边坡稳定性分析中最常用的是穷举法，s i e g e l ( 1 9 7 5 ) 1 2 1 1 对 该方法进行了详细的论述。 l e f e b v r e ( 1 9 7 1 ) 2 2 1 ，h u a n g ( 1 9 8 3 ) 1 2 3 ；3 1 , k 模式搜索方法来确定临界滑面，莫 海鸥( 1 9 9 9 ) 2 4 1 改进了这种方法，加快7 搜索速度，并且突破了搜索限制，并应用 于临界圆弧滑动面的搜索中取得很好的效果。 江见鲸( 1 9 8 7 ) 等瞄j 基于简化b i s h o p 法，采用消去法中的二分法来搜索临界圆 弧滑动面及其安全系数，因其效率高，收敛快的特点，随后被大量应用于圆弧滑 面的搜索。 n g u y e n ( 1 9 8 5 ) 脚1 和d en a t a l e ( 1 9 9 1 ) 2 7 1 采用了单形体映射法搜索临界滑动 面。 c e l e t i n o 和d u n c a r 1 9 8 1 ) 1 2 8 1 采用单点定向移动法，阎中华( 1 9 8 3 ) r 9 采用黄金 分割法，周文通( 1 9 8 4 ) 1 3 0 采用鲍威尔法，孙君实( 1 9 8 4 ) p 1 i 采用复形法，a r a i 和 t a g y o ( 1 9 8 5 ) 3 2 1 采用梯度法，l i 和w h i t e ( 1 9 8 n1 3 3 1 在前者的基础上加以改进提高 了搜索效率，这些方法在各自给定的条件下得到了满意的结果。 y a m a g m i 与u e t a ( 1 9 8 8 ) 3 4 1 采用了单纯形法、鲍威尔法、d f p 法和扩展的d f p 法即b p c s 法四种方法对同一边坡的临界滑动面位置，滑动面自由度数以及所对 应的安全系数的定义函数等对临界滑面的影响；陈祖煜和邵长明( 1 9 8 8 ) 1 3 s l 采用的 单纯形法、负梯度法、d f p 法分别就同一边坡的临界滑动面进行搜索；g r e c o ( 1 9 8 8 ) 3 6 1 采用单纯形法、单点定向移动法、负梯度法鲍威尔法以及模式搜索法在内的5 种方法就同一边坡进行比较分析，研究各个方法迭代计算的收敛速度以及影响因 素如滑动面移动步长等，通过对比分析，临界滑面的位置误差一般在1 0 - 一2 0 之间。 b a k e r ( 1 9 8 0 ) p7 l 首先采用了动态规划法结合s p e n c e r 法来确定非圆弧临界滑 动面和最小安全系数。z h o u 和w i l l i a m s ( 1 9 9 4 ) p s i 在有限元分析结果基础上，通 过另设阶段和状态点而不利用己有单元网格，运用动态规划法对临界滑动面进行 搜索并计算相应的最小安全系数，得出了比较理想的结果。曹文贵和颜荣贵p 卵 0 9 9 5 ) 结合j a n b u 法采用了类似的搜索方法，并取得了较满意的结果。y a m a g a m i 和j i a n g ( 1 9 9 7 ) m 】贝q 按三维简化j a n b u 法，结合采用随机数生成技术，首次将动 态规划法应用于三维边坡的稳定分析中。史恒通( 2 0 0 0 ) l 在采用d u n c a nc h a n g 模型按总应力法对边坡进行变形与稳定性分析中，采用了类似的动态规划搜索过 程。针对多种复杂边坡情况，按动态规划法的搜索结果与二分法搜索结果做了对 4 第1 章前言 比分析，证明了动态规划法有较好的适用性而二分法有较大的误差。金小惠( 2 0 0 2 ) 【4 2 l 在饱和开挖边坡的有效应力法分析中，运用动态规划法跟踪追查临界滑动面的 随时空的变化，也取得了较为满意的结果。 b o u t r o p 和l o v e l l ( 1 9 8 0 ) t 4 3 1 ，s i e g e l ( 1 9 8 1 ) 0 4 采用了随机搜索法来确定临界 滑动面，即随机地产生巨大数量的一系列潜在滑动面，分别进行计算比较，认为 其中安全系数最小的滑动面即为临界滑动面。g r e c o ( 1 9 9 6 ) f 4 5 】，n u s e i nm a l k a i w i 和h a s s a n ( 2 0 0 1 ) 1 4 6 ，陆峰( 2 0 0 3 ) 4 7 1 改进了上述方法，即在当前最优解基础上进 行微小的随机修改，然后把新滑动面与原滑动面进行比较，依次搜索下去，从而 提高了搜索效率。 陈祖煜( 1 9 9 2 ) 【4 3 l 把随机搜索与数学规划方法结合起来，根据数学规划方法易 于陷入局部极值的情况提出了置信区间的概念，认为数学规划方法搜索起始滑动 面落入这个区间，其搜索的最终结果就会趋于全局极小值点，并采用一定次数的 随机搜索，保证概率置信区滑动面会按一定概率出现，再把随机搜索的结果作为 数学规划方法搜索的起始滑动面。邹广电( 2 0 0 2 ) f 4 9 l 也应用了随机搜索和数学规划 相结合的搜索方法搜索边坡全局临界滑动面，并编制了计算程序，得到了令人满 意的结果。 肖专文等( 1 9 9 8 ) 1 5 0 用遗传算法在瑞典条分法的基础上对边坡的圆弧的滑动 面进行搜索，并与二分法比较，得出了满意的结果。a n t h o n y ( 1 9 9 9 ) 结合滑动楔 体理论，运用遗传算法对多折线形滑动面进行搜索，也得出了较满意的结果。 朱大勇等( 2 0 0 0 ) 【5 1 5 2 , 5 3 1 提出了“临界滑动场法”的概念，即认为边坡在临 界状态下由众多任意形状的危险滑动面组成的剩余推力极值曲线，在这个场中包 含边坡真正的临界滑动面， 1 2 2 优化设计研究历史及现状 近年来能源的危机和产品的竞争越来越激烈，如何在满足功能要求的前提下 降低生产成本，已成为一个非常重要的课题。因此最优化设计的概念已逐渐受到 各行各业的重视。1 6 3 8 年g a l i e o 曾对悬臂梁的外形做过优化设计，目的是使梁 的每一截面的应力均匀分布。此后的学者也做过类似的尝试，从而减少了材料的 耗，降低了生产成本，也大大提高了效率。然而这类设计工作有许多非线性问题 与约束条件，因此在发展的初期的最优化设计工作仍然要依靠设计者的直觉与经 验来完成。 近2 0 年来，计算机软件工程和有限元分析软件已相当成熟，因此运用计算 机手段实现结构的最优化设计再度引起了工程师与研究人员的兴趣，1 9 7 3 年 z i e n k i e e w i c z 5 4 就利用有限元法做结构的计算分析，b r a i b a n t 则利用节点的坐标 成都理工大学硕士学位论文2 0 0 7 当作设计变量做有限元分析，研究结果发现上述的几何表示法无法维持一个平滑 的边界形态。后来部分研究者利用多项式函数来描述边界形态，建立平滑边界。 但是由于曲线的局部控制能力不强，使设计者很难自由地修改设计和边界曲线。 美国的大型通用有限元程序a n s y s 以其无与伦比的解题广度与深度，以及性价 比在各行各业中得到了越来越广泛的应用。a n s y s 软件除了可以进行一般的结 构应力分析，动态系统模拟外，同样也可以用来进行优化设计分析，具有功能强 大且使用简单的特点。 在边坡的整治工程中锚索桩以及新型支挡结构如“人”字型、“h ”型抗滑 桩已经广泛应用到边坡治理中。其结构中内力在结构上部互相的传递，而不同的 截面组合形式，造成了结构体系中各截面的线刚度系数与构件连接处的分配系数 产生很大的变化，用常规的办法难以迅速准确地找到一个经济、合理的截面组合 方案，但利用a n s y s 提供的优化方法，可以较容易的找到在不同荷载大小以及 不同环境作用下的抗滑桩结构最佳截面组合形式，从而满足工程实际的需要。 作者应用此方法在锚索桩【茆坞“人”字型5 6 1 、“h ”型抗滑桩之中，并取得 良好的效果。 1 3 论文研究内容、研究思路、技术路线及预期目标 1 3 1 主要研究内容 ( 1 ) 圆弧、折线滑面、组合滑面的生成方法。 ( 2 ) m o r g e n s t e m - p r i c e 法与s p e n c e r 法的改进。 ( 3 ) 退火遗传算法搜索滑面。 ( 4 ) 等值线生成与云图消隐算法。 ( 5 ) 优化设计在抗滑桩中的应用。 ! 3 2 研究思路和技术路线 本文的研究以软件开发的重要原则一易用性为出发点，在正确理解当前各 种边坡稳定分析理论的基础上，应用新的边坡计算方法、搜索方法以及结构设计 中的优化设计，在v i s u a lb a s i c 2 0 0 5 环境下开发了具有w m d o w s 风格一致的对话 框、界面的边坡稳定分析设计系统s l i d ec a d 。使该具有软件操作简单，输出计 算结果更直观、形象。 基于上述内容，本文采用了以下的技术路线见图l - l ： 6 第1 章前言 1 3 3 预期目标 通过本论文的研究，预期达到以下几个方面的目标i ( 1 ) 使该边坡软件具有较强的适用性。 ( 2 ) 通过改进计算方法以及新的搜索计算方法使计算结果更加的迅速准确。 ( 3 ) 通过优化设计使结构优化设计更加合理，避免过分的经验化。 图1 - 1 论文技术路线图 成都理工大学硕士学位论文2 0 0 7 第2 章边坡稳定性计算 2 。1 初始滑面的生成 2 1 1圆弧、组合滑面的生成方法 极限平衡法的基本原理适用于任意形状的边坡滑面，无论坡体具有何种地质 构造，只要确定了临界滑面，极限平衡法便可方便地得出有益的结果，因此稳定 分析的关键便在于确定临界滑面。各国学者对此进行了深入的分析研究1 57 删， 取得了丰硕的成果。然而现有l | 盎界滑面的搜索算法不能很好地考虑地质构造对滑 面几何形状的影响，导致滑面形状仅取决于理论算法而不是实际地质构造。为克 服这类缺陷，不少学者进行了有益的尝试【洲2 】，提出了组合滑面的分段模型及 相应搜索技术，但因其分析过程一般较为复杂，且只适用于地质构造较为简单的 情况，实用性不强。实际坡体介质通常具有复杂的地质构造，而现有稳定分析理 论不能很好地解决该类问题，为此付出了沉重的社会、经济及环境代价。对于地 质构造较为复杂的坡体，其失稳破坏通常具有组合性。如土坡中存在软弱夹层或 透水层 6 3 】，它们很可能是滑面的一部分；又如下伏基岩的堆积层边坡 6 4 l 、层状岩 质边坡瞄1 等，其软弱层的分布具有随机性和交叉性。上述边坡的失稳滑移面往往 由两部分组成：一部分呈光滑曲线型( 如圆弧，但不仅限于圆弧) ，它们不受地质构 造的影响；另一部分则完全受控于软弱结构面，其形状取决于结构面的形状。因 此，此类滑面不再是一个简单曲面，而是由不同几何类型的滑面连接组合而成。 s l i d ec a d 基于分段思想提出了r 个能够描述复杂组合滑面的构造模型，其主要 特点在于： ( 1 ) 能够模拟各种复杂组合滑面，如圆弧、折线组合滑面，这些成果为研究 复杂临界组合滑面的搜索算法奠定了基础。 ( 2 ) 不仅可以考虑单条软弱结构面构成的组合滑面，而且可以考虑多条软弱 结构面交叉并存的情况，这是本模型较为突出的优点。 ( 3 ) 具有较高的通用性。本模型可以方便地嵌入大多数搜索算法，只需要将 它们产生的试算滑面用本文建议的方法进行处理，而搜寒算法的结构则无需改 动。 ( 4 ) 原理简单，操作方便。只需要输入或者画出初始滑面及其软弱结构面的 何位置，便可以计算中自动生成组合滑面。 8 第2 章边坡稳定性计算 2 1 2 组合滑面的数学模型 ， 2 1 2 1 基本概念 本节所有推导均基于二维边坡模型，在建立组合滑面的数学模型需要明确以 下几个概念： ( 1 ) 软弱结构面：一种对滑面几何形状起决定性作用的地质构造，即滑面只能 沿软弱结构面运动，而不能贯穿软弱结构面。它的形式包括软弱夹层、不透水层、 岩质边坡的节理等，其几何形状限定在折线类型，包括直线，经过此方法的处理 足以满足实际工程的需要。 ( 2 ) 初始滑面：滑面由单一曲线类型描述其几何形状，可以是圆弧或折线中的 任一种。 ( 3 ) 组合滑面：由初始滑面与软弱结构面相交而成，软弱结构面可以不止一条。 2 1 2 2 数学模型 如图2 1 所示，模型可以在二维坐标系中按如下方式描述： y = s l o p e ( 曲坡面曲线。 y = l a y e r ( x ) 土层分隔线，刀= 1 , 2 ，所，埘代表m 条土层分隔线，土层 分隔线可模拟软弱结构面。 】，= b a s e ( x ) 模型基层水平线。 】，= s l i d e ( x ) 初始滑面。 】，= c o m b i n e s l i d e ( x ) 组合滑面，图2 - 1 未标出。 图2 - 1 边坡数学模型示意图 每一种曲线均由若干节点构成： ，2 ，啊，虬j ( 2 - t ) 其中力为节点数，每个节点由二维坐标描述“，咒) ，也，致) ，如，乃) ， k ，) 。 曲线可以表述为一维矩阵： k ，舅，而，儿，而，弘，j ( 2 2 ) 模型中任一曲线的顶点坐标应满足 9 成都理工大学硕士学位论文2 0 0 7 x 。h 而 “ 9 0 。时，此时可认为a 嘲妇一= 9 0 。以上的那部 分将产生垂直开裂区。将其转化为情况( 2 ) 进行分析如图2 1 0 。 成都虐工大学硕士学何论文2 0 0 7 2 2 边坡稳定计算 图2 - 1 0 特殊情况三 在已有的十几种计算方法中，s l i d ec a d 选择了其中的9 种计算方法，因为 瑞典条分法、b i s h o p 法、简化j a n b u 法在很多文章中已有详细的介绍，本节就不 再重复。本节主要就s l i d ec a d 采用的不平衡推力法，并就不平衡推力法在计算 中可能出现的问题进行探讨分析。最后对改进m o r g e n s t e m - p r i c e 法与s p e n c e r 法 的计算推导过程进行介绍 2 2 1传递系数法介绍及其适用条件 传递系数法作为一种只满足力平衡或力矩平衡的方法( 这类方法也称为简化 法) 。因其具有简单、快捷等特点，故在工程中得到了广泛应用。与其类似的方 法还有美国陆军工程师团法、罗厄法嗍。此三种简化计算方法均适用于圆弧和非 圆弧滑面。其中陆军工程师团法和罗厄法在国外较为常用，而不平衡推力法则在 我国工业与民用建筑及铁道部门广为应用。上诉三种方法区别在于条间力方向的 假设上( 见表2 1 ) 。 表2 1 三种计算方法条间力假设 陆军工程师团法条间力方向与坡面平行 传递系数法 条问力方向与底面方向平行 罗厄法条闻力倾角为底面角与顶砸角之和之半 力平衡方程的建立： 土条受力分析简图( 如图2 1 1 ) 。 1 4 第2 章边坡稳定性计算 图2 - 1 1 计算简图 取土条底面切线方向的力平衡方程为 s 。l + 只只1 c o s ( a 一a 1 1 ) 一形s i n a ，= 0 ( 2 - 8 ) 首先依据土体的莫尔一库仑强度准则，有 瓯，= 了s o , = 等+ m 1 t a n 厂妒e = + m t a l l 妒。 ( ”) 式中：c l = c 。，。将式( 2 - 9 ) 代入式( 2 8 ) 得 f t a n 妒。f = 丘i c o s ( a f 一口f i ) 一只+ 形s i n q c 柳i ( 2 1 0 ) 其次取土条底面法线方向的力平衡方程为 ，+ u “一彬s i n a ，一足lc o s ( a j q 1 ) = 0 ( 2 - 1 1 ) 将式( 2 1 1 ) 代入式( 2 - 1 0 ) 得 p i = w ls i nn i 一秽| c 0 5 c 1 i u ) t a n q , 1 一c + p l v t ( 2 - 1 2 ) 其中， 一 l f ，i = c o s ( a j 一口，一1 ) 一t a i l 妒ms i n ( a i l 一口j ) ( 2 1 3 ) 或： l f ，：c o s ( a ，1 一1 ) 一竺粤洲l q ) ( 2 - 1 4 ) 式( 2 8 ) ( 2 1 4 ) 中：各分量下标i 代表土条编号；f 为安全系数，s 。为条底 可获得的抗剪力，= q + f t a ng o ，。qt 竹，分别为条底有效粘聚力、内 摩擦角、长度；s 。，为条底发挥的抗剪力；u 。为孔隙水压力；形为土条重力；n ， 为条底有效法向力；a 为条底倾角；只，只分别为土条左、右条间力。 在s l i d ec a d 中对安全系数的求解采用迭代法，具体步骤如下： 首先假定，的迭代初值，通常假设为1 ，由坡顶第1 个土条开始，已知第1 个土条的条间力只一。z0 ，由式( 2 - 1 2 ) 可求得第1 个土条的只，并以此作为第2 个 土条的只一，。以此递推，可求得坡足土条的条间力只，如，满足力平衡条件，则 坡脚土条的只= 0 ( 容差陋i s l 0 4 ，否则调整，再按式( 2 - 1 2 ) 递推求解，反复 进行上述计算，直到坡足土条的p = 0 ，此时f 即为坡体的安全系数。 1 5 成都理工大学硕士学位论文2 0 0 7 工程应用中不平衡推力法有以下3 种形式： ( 1 ) 不平衡推力法l ：由于土条之间不能承受拉力，所以当条间力只 0 时， 取只= 0 ，即此只不再向下传递，此时力平衡条件受到一定程度的破坏。 ( 2 ) 不平衡推力法2 ：为保证满足力平衡条件，当只 0 时，不对其进行归零 处理。 ( 3 ) 不平衡推力法3 ：当只 0 时，取只= 0 ，将式( 2 1 1 ) 右边乘以f ，利用式 ( 2 9 ) ，可简化得： p = 研l s i n a i l f i c o s , t j u 。) t a n q o j c 。七p i 一 v f = c o s ( q q t ) 一t a n 9 is i n ( q i q ) f 一言( r ，州+ 吃 i ，兀l f ，l + 吃 弘藕衔荟一旦妒矿l ( 1 5 ) ( 2 - 1 6 ) 岩土工程勘 ( 2 - 1 7 ) 通过其他学者做的对比研究可以总结如下： 当采用不平衡推力法1 法计算出的边坡安全系数总是偏高。而简化不平衡推 力法3 也不是一个好方法，其误差较大，建议工程中不要采用。所以s l i d ec a d 选择第二种方法即平衡推力法2 作为其计算方法。 在运用s l i d ec a d 进行的计算分析比较中发现采用不平衡推力法在计算圆 弧滑面的时候与严格解( 如s p e n c e r ) 得到的结果是趋近一致的。但因其受条间力 倾角假设的约束，在计算诸如折线，组合滑面的时候会产生比较大的误差( 相对 于严格解法) ，且得到的安全系数值总是偏高的( 不安全) ，其具体的根源在于条底 面有效法向力的确定上： f = 形c o s q + 只一ls m ( a , 一a t 1 ) 一( 名 ( 2 1 8 ) 当对其他值选择一固定值时， 一珥一。) 越大( 即滑面相邻段倾角变化过大) 会 导致偏大。由上式可知，偏大从而导致滑体底部发挥的抗剪力s 。，偏大， 最终使安全系数偏大。 所以不平衡推力法的最大缺陷不在于通常认为的单个土条的条间力倾角假 设值过大，而在于所假设的条问力倾角曲线不平滑，且依赖于滑面形状。如果采 用陆军工程师团法或罗厄法这两种采用不同条问力倾角的办法，这种偏大的趋势 将会减缓。 s f i d ec a d 中通过对条间力倾角参数的修改，在提供不平衡推力法的同时也 提供陆军工程师团法和罗厄法，为工程中得到合理的计算结果提供了多种参考计 算比较方式。 1 6 第2 章边坡稳定性计算 2 2 2 m o r g e n s t e r n - p r i e e 法与s p e n c e r 法的改进 m o r g e n s t e r n p r i c e 法与s p e n c e r 法作为严格解的种，适用于任何形状的滑 面形式，具有很强的适应性、准确性。但在国内边坡工程治理计算中此方法并不 被普及，就其原因还需要从m o r g e n s t e r n p r i c e 法的基本假设说起，在m o r g a a s t e r n p r i c e 法中假设：条块间的法向力与剪切力的比值用条间力函数g ) 与1 个待定 比例系数a 的乘积表示。根据条块力与力矩平衡条件，得到其中含有安全系数e 和比例系数a 这2 个未知数的2 个平衡方程。正是这个方程组，由于具有高度 非线性，f 和a 的求解过程相当复杂。尽管一些学者提出各种各样的迭代方法来 进行求解1 6 7 t , 1 ，但仍难被一般工程技术人员掌握，这也是m o r g e n s t e r n p r i c e 法 与s p e n c e r 法在我国不被普及的主要原因。 上面讲述了m o r g e n s t e m - p r i c e 法的基本假设，而s p e n c e r 法与之不同之处在 于条问力函数的假设上，s p e n c e r 法被视为m o r g e n s t e r n - p r i c e 法的特例，其假设 条问力函数为常数，即厂( x ) = l 。而在m o r g e n s t e r n - p r i c e 法中条问力可取多种函 数，文本主要假设其条问力函数服从半正弦函数，其函数形式具体形式如图2 1 2 所示： 图2 1 2条问力函数 以下为改进的m o r g e n s t e r n - p