极限平衡法介绍

基于极限平衡法原理的边坡稳定计算有多种方法 根据不同的适用条件 主要有摩根斯坦 普瑞斯 Morgenstern Price 法 毕肖普 Bishop 法 简布 Janbu 法 推力法 萨尔玛 Sarma 法等 摩根斯坦 普瑞斯 摩根斯坦 普瑞斯 Morgenstern Price 法 法 该方法考虑了全部平衡条件与边界条件 消除了计算方法上的误差 并对 Janbu 推导出来的近似解法提供了更加精确的解答 对方程式的求解采用数值解 法 即微增量法 滑面形状任意 通过力平衡法所计算出的稳定系数值可靠程 度较高 Z i 1 Z i l i b i KWi Wi Ni Ei Xi Xi 1 i i Ei 1 力 力5 5 1 1 S S a ar rmma a 力 力力 力力 力力 力力 力力 力力 力力 力 Ti y x 图图 12 1 力学模型示意图力学模型示意图 根据其力学模型和几何条件以及静力平衡方程 0 0 Y X 可解得平衡条件 2311121 2311121 eeeePeePePP eeeeeee K nnnnnnnn nnnnnnnn c 12 1 式中 siisiibiii Qe sec cos cos ieiiai WQP tan siiisii PWdCS 11111 siiisii tnPWdCS tansec biiiibii ubCR 11 cos sec sisiibii Q 条块底面摩擦角 bi 条块底面粘聚力 bi c 条块侧面摩擦角 si 条块侧面粘聚力 si c 式 12 1 分成 n 块滑体达到静力平衡的条件 该式物理意义是 使滑体 达到极限平衡状态 必须在滑体上施加一个临界水平加速度 Kc Kc 为正时 方向向坡外 Kc 为负时 方向向坡内 Kc 的大小由式 12 1 确定 在对该方法应用中 对其进行了进一步完善 充分考虑了分层作用 并使 不同层位赋予不同的强度参数 同时它还要求对解的合理性进行校核 使分析 计算更趋合理 从而显示了该方法很强的适用性 Bishop 法概述 法概述 目前 在工程上常用的两种土坡稳定分析方法仍为瑞典圆弧法 Fellenius 法 和 简化毕肖普法 它们均属于极限平衡法 瑞典圆弧法的土条间作用力的假设不 太合理 得出的安全系数明显偏低 而简化毕肖普法的假设较为合理 计算也 不复杂 因而在工程中得到了十分广泛的应用 当土坡处于稳定状态时 任一土条内滑弧面上的抗剪强度只发挥了一部分 并与切向力相平衡 见图 1 a 其算式为 1 如图 1 b 所示 将所有的力投影到弧面的法线方向上 则得 2 1 cos 1 sin 当整个滑动体处于平衡时 图 1 c 各土条对圆心的力矩之和应为零 此时 条间推力为内力 将相互抵消 因此得 3 0 图 1 毕肖普法计算图 将式 2 代入式 3 且 最后得到土坡的安全系数为 sin 4 1 cos 1 sin tan sin 实用上 毕肖普建议不计分条间的摩擦力之差 即 式 4 将 1 0 简化为 5 cos 1 sin tan sin 所有作用力在竖直向和水平向的总和都应为零 即 并结 0 0 合摩擦力之差为零 得出 6 1 1 cos tan sin tan sin cos 代入式 5 简化后得 7 cos tan 1 tan sin cos sin 当采用有效应力法分析时 重力项将减去孔隙水压力 并采用有效 应力强度指标有 8 cos tan 1 tan sin cos sin 在计算时 一般可先给假定一值 采用迭代法即可求出 根据经验 通 常只要迭代 3 4 次就可满足精度要求 而且迭代通常总是收敛的 简布 简布 janbu 法 法 简布 janbu 法是假定条块间的水平作用力的位置 每个条块都满足全部 的静力平衡条件和极限平衡条件 滑动土体的整体力矩平衡条件也满足 而且 它适用于任何滑动面而不必规定滑动面是一个圆弧面 所以又称为普遍条分法 简布 janbu 法条块作用力分析 o BC A W N Ti i i i i Xi i H N Ti i i 1 oi Pi 1 hi 1 Hi P hi i Wi hi Wi Ti Ni P i i i a b c 其中 8 i 1 tg ii ii s TclN F 1 8 1iii PPP 2 8 1iii HHH 3 第 i 条块力平衡条件 得 8 0 Z F cossin iiiiii WHNT A 4 得 8 0 X F cossin iiiii PTN A 5 将 8 1 式 8 2 式 8 3 式和 8 5 式代入到 8 41 式中 得 8 6 2 i ii sec1 cos tg tg0 tgtg 1 i ii iiiiiii s a PclWHWH F F AAA A 条块侧面的法向力 P 显然有 依次类推 11 PP A 21212 PPPPP AAA 有 i ii j i PP A 若全部条块的总数为 n 则有 8 1 0 n ni i PP A 7 将 8 6 式代入 8 7 得 8 2 i sec tg 1tg tg tg i i iiii is s iii clWH F F WH A A 8 由以上公式 利用迭代法可以求得普遍条分法的边坡稳定性安全系数 其 步骤如下 1 假定 利用 8 8 公式求得第一次近似的安全系数 Fs1 0 i H 2 将 Fs1和代入 8 6 式 求相应得 对每一条块 从 1 到 n 0 i H i P 3 用公式 8 7 求条块的法向力 对每一条块 从 1 到 n 4 将和代入公式 8 2 和 8 3 种 求得条块间的切向作用力 对 i P i P i H 每一条块 从 1 到 n 和 i H 5 将重新代入到 8 8 公式中 迭代求新的稳定安全系数 Fs2 i H 如果 为规定的安全系数计算精度 重新按照上述步骤进行 21ss FF AA 新的一轮计算 如是反复进行 直到为止 此时就是假定滑 1 s ks k FF A s k F 面的安全系数 Sarma 法法 Sarma 法属于刚体极限平衡分析法 其基于以下的 6 条假设 1 将边坡稳定性问题视为平面应变问题 2 滑动力以平行于滑动面的剪应力和垂直于滑动面的正应力集中作用于 滑动面上 3 视边坡为理想刚塑性材料 认为整个加荷过程中 滑体不会发生任何 变形 一旦沿滑动面剪应力达到其剪切强度 则滑体即开始沿滑动面产生剪切 变形 4 滑动面的破坏服从 Mohr Coulomb 破坏准则 即滑动面强度主要受粘 聚力和摩擦力控制 5 条块间的作用力合力 剩余下滑力 方向与滑动面倾角一致 剩余下 滑力为负值时则传递的剩余下滑力为零 6 沿着滑动面满足静力的平衡条件 但不满足力矩平衡条件 i 1 i i 1 i 1 i i 1 n i i Ei 1 Wi Ri 图 7 1 Sarma 法岩体破坏形式 图 7 2 Sarma 法力学破坏模型 将上一条块剩余下滑力向下一条块滑动面逐块投影法计算边坡的稳定性及 滑坡推力 滑坡的稳定性及推力计算同时满足当剩余下滑力小于零时令其等于 零的条件 即条块间不出现拉应力的条件 单元极限平衡公式为 cos sin st WtgCL I F W 7 1 第 i 条块剩余下滑力 1 11 sin cos iii istististiiii st tg EFEFTFER F 7 2 当 i E小于零时 令0 i E 此时 11istii EFTR 7 3 公式 8 9 也可表达为 1111 1111 sin sin cos cos innnninnnn stnnnstnnnnstn Et