边坡工程处治技术02建筑边坡稳定性分析

1、1会计学边坡工程处治技术边坡工程处治技术02建筑边坡稳定性分建筑边坡稳定性分析析稳定性系数=可供利用的抗滑力/滑动力边坡稳定性分析方法极限分析法 瑞典圆弧法瑞典圆弧法Janbu条分法条分法 Bishop条分法条分法 物理模拟方法数学模拟方法其他方法极限平衡法数值分析方法 斯宾塞法斯宾塞法 摩根斯坦普赖斯法摩根斯坦普赖斯法 沙尔玛法法沙尔玛法法 传递系数法传递系数法 有限单元法有限单元法(FEM) 离散单元法离散单元法(DEM)、块体理论和不连续变块体理论和不连续变形分析形分析(DDA) 边界元法边界元法 快速拉格朗日法快速拉格朗日法(FLAC)流形元法流形元法确定岩质边坡的岩体类型应考虑主要结

2、构面与坡向的关系、结构面倾角大小和岩体完整程度等因素。确定岩质边坡的岩体类型时，由坚硬程度不同的岩石互层组成且每层厚度小于5m的岩质边坡宜视为由相对软弱岩石组成的边坡。当边坡岩体由两层以上单层厚度大于5m的岩体组合时，可分段确定边坡类型。2.2.3渗流影响当土坡内部有地下水渗流作用时，滑动土体中存在渗透压力。边坡稳定分析计算时应考虑地下水渗透压力的影响。同样，在滑动坡体中任取一竖向土条i，如图2.4所示，如果将土条和土条中的水体一起作为脱离体时，此时土条重力就包括土条和土条中的水体重力，即(cos)sini iiii iisiiclWul tgFW2cossecsiniiiiiiiisiiii

3、chubtgFhbiiiiWhb取单宽，即有，则21212()cossec()siniiimiiiiiisiimiiichhhbtgFhhb区别：（1）饱和重度Wi；（2）考虑滑带底部浮托力。2.3 Bishop条分法 1iE1iXiEiX10,0iiXX假定()siniiiiiiisiiiicbWub tgFeWQR1sincosiiiistgFiQ11111cossin(sincos)(2.44)cos()sin()(2.45)i iiii iiiiiiiiiiissiiiiiisclWulQPWQtgPFFtgF式中：11111(sincos)(cossin)(2.46)cos()sin

4、()(2.47)isiiiii iiii iiiiiiiiiiiiPF WQclWulQtgPtg式中：计算方法所满足的平衡条件滑面形式条块法向与切向力的关系整体力矩条块力矩垂直力水平力Push任意假定条块间力的方向Sarma任意满足莫尔-库仑准则瑞典圆弧法圆弧无条间力Bishop圆弧仅考虑水平力Janbu任意假定条块间作用力的位置Spencer任意认为水平力与切向力的比值为常数表 各种极限平衡分析法的比较滑坡(剪破坏)倾倒破坏边坡破坏的基本类型楔形体滑动圆弧形滑动单平面滑动双平面滑动多平面滑动平面滑动崩塌(拉破坏)划分依据：滑面形态、数目、组合特征和力学机理。划分依据：滑面形态、数目、组合特

5、征和力学机理。判断下列斜坡破坏属于哪种类型？判断下列斜坡破坏属于哪种类型？单平面滑动稳定性计算图sincosGLCtgGFFjjrs)sin()sin(cossin2jjjcrgCHtgtgj忽略滑动面上内聚力(Cj=0)时当Cj=0，j时，1，Hcr 0沉积岩层面、泥化面的Cj值均很小，因此，在这些软弱面倾角大于j的条件下，即使边坡高度仅在几米之间，也会引起岩体发生相当规模的平面滑动。)sin(sinsin2gHCtgtgjjsincosGLCtgGjj作用于CD上的静水压V为：25 . 0wwgZV作用于AD上的静水压力U为：sin21wwwwZHgZU边坡稳定性系数为：cossin)si

6、ncos(VGADCtgVUGjjcoscossin)sinsincos(EKjjEKFVGADCtgFVUGFEK=1G水平地震作用sincosGLCtgGFFjjrscossin)sincos(VGADCtgVUGjjcoscossin)sinsincos(EKjjEKFVGADCtgFVUG水压和地震效应：减小抗滑力、增大下滑力稳定性系数计算的基本思路)sin(sincos)sin(sin)sin(sincos)sin(sin21121122122121GNNGNN；n边坡的抗滑力BCDABDsSCSCtgNtgNF212211sin212211GSCSCtgNtgNBCDABD222|

7、12222222|12cossin)sincos)GtgFtgC LGF（AB面BC面BD面1111tgNABCS2222tgNBCCS33QtgBDCS块体)cos()()sin()()sin(cos)cos(sin1311312131111113112tgtgtgtgBDCtgtgWABCBDCWQ0cos)sin()cos(0sin)cos()sin(1111111111WSQNWSQS)cos()()sin()()sin(cos)cos(sin2232322232222223222tgtgtgtgBDCtgtgWBCCBDCWQ块体块体块体)sin(sinsin)sin(2)cos(2

8、gHCtgtgtjj（b）极限平衡分析 （a）SLIDE V. 5.0界面 （c）滑动面搜索 （d）加固效果分析 图1 SLIDE软件及其分析结果边坡研究框图边坡研究框图开挖后的重分开挖后的重分布应力、大小布应力、大小力学模型建立力学模型建立（介质模型、应力、力学参数、变形破坏机理、边界条件（介质模型、应力、力学参数、变形破坏机理、边界条件.）稳定性分析计算稳定性分析计算（刚体极限平衡理论、有限元（刚体极限平衡理论、有限元.）数学、数学、力学力学分析分析法法边坡岩体地质特征边坡岩体地质特征（地层、岩性、结构面特地层、岩性、结构面特征及分布、地下水等征及分布、地下水等）地质模型建立地质模型建立（

9、平、剖面图）（平、剖面图）工工程程地地质质研研究究方方法法岩块、结构面力岩块、结构面力学性质学性质（室内试验：（室内试验：求变形、强度参数）求变形、强度参数）应力条件应力条件（建筑物（建筑物作用力、天然应力、作用力、天然应力、水压力、地震力等）水压力、地震力等）岩体力学性质，力学参数岩体力学性质，力学参数（现场试验、模拟试验）（现场试验、模拟试验）试试验验法法综合评价综合评价工程设计要求工程设计要求安全系数安全系数不稳定、不合理不稳定、不合理综合综合评价评价法法稳定、合理稳定、合理其它判别指标工程设计工程设计修改方案或修改修改方案或修改 角角施工施工有限元强度折减系数法的基本原理1trialc

10、cF 1arctan(tan )trialF 具有两组平行节理面的岩质边坡算例 如图所示，两组方向不同的节理，贯通率100%，第一组软弱结构面倾角30度，平均间距10m，第二组软弱结构面倾角75度，平均间距10m，岩体以及结构面计算物理力学参数见表2.4.1。按照2维平面应变问题建立有限元模型。材料名称重度弹性模量泊松比内聚力内摩擦角kN/m3MPa MPa度岩体25100000.21.038第一组节理17100.30.1224第二组节理17100.30.1224 表2.4.1 计算采用物理力学参数 表2.4.2 计算结果 计算方法安全系数有限元法（外接圆屈服准则）1.62有限元法（等面积圆屈

11、服准则）1.33极限平衡方法(Spencer)1.36 通过有限元强度折减，求得的滑动面如图2.4(a)所示,它是最先贯通的塑性区。塑性区贯通并不等于破坏，当塑性区贯通后塑性发展到一定程度，岩体发生整体破坏，同时出现第二、三条贯通的塑性区，如图2-(b)，程序还可以动画模拟边坡失去稳定的过程，从动画演示过程可以看出边坡的破坏过程也整体破坏的过程。 图2.4(a)首先贯通的滑动面 图2.4(b)滑动面继续发展计算方法安全系数澳大利亚莫纳什大学土坡稳定分析软件GWEDGEM1.288陈祖煜和邵长明1.242Donald和Giam1.270加拿大边坡计算程序slope/w（Spencer) 1.25

12、2有限元强度折减法1.256不同方法求得的稳定安全系数 用有限元强度折减法求得的滑动面用有限元强度折减法求得的滑动面碎石土强风化晶屑凝灰岩堆土弱风化晶屑凝灰岩 未开挖前的原始地貌（断面一）原设计开挖断面 稳定安全系数未开挖前1.31按照原设计开挖0.92按照修改设计开挖（未加锚索）1.06按照修改设计开挖（加锚索）2.45滑动面具有多条非贯通结构面岩质边坡算例如图所示，结构面AB,CD倾角均为45度,AB=21.21m,CD=14.14m,CE=35m,AD=10m。此时的强度折减系数为2.7。 材料材料弹性弹性内摩内摩名称名称模量模量擦角擦角kN/mkN/m3 3PaPaMPaMPa度度岩体

13、251.00E+100.2130结构面181.00E+070.30.0618重度重度泊松比泊松比内聚力内聚力 物理力学参数计算取值如图所表示，在上图的基础上增加与AB平行结构面FG，FG与CD共线，FG=AB=21.21m，DF=14.14m,AF=AD=10m。通过有限元计算得到边坡的稳定安全系数为2.3 。将FG向右移动5m，使AF=15m，DF=18.03m，AD=10m，左下图是最先贯通的滑动面，然后滑动面继续发展，AB和CD也出现贯通，如右下图,此时的强度折减系数为2.6。 若将FG再向右移动5m，使AF=20m，此时AD=10m，FD=22.36m，如图所表示，此时结构面从AD贯通

14、，对应的强度折减系数为2.7。 通过对比计算发现，在岩体及结构面参数相同的情况下，结构面之间的贯通机制受结构面几何位置、倾角、结构面之间岩桥的倾角、岩桥长度等因素的影响。岩桥倾角与两端结构面倾角越接近时，岩桥越容易贯通形成滑动面。如下图，结构面1到3的距离最近，AD=21.21m,FD=15.81m，但是滑动面却没有从1-3之间贯通，而是1和2之间贯通，这是因为从DA贯通后形成的直线了滑动面。岩桥长度越短时，岩桥也越容易贯通形成滑动面，如下图，结构面AB倾角71.6，AD与CE平行，虽然结构面1和结构面3之间的岩桥倾角与结构面相同，但是结构面1和2之间的岩桥距离（AD=10m）比1和3的距离（

15、FD=21.21m）小，滑动面从结构面1和2之间贯通。 下图的计算表明，滑动面并没有从岩桥之间贯通，而是从坡脚开始，出现一个局部的圆弧滑动面并与结构面3贯通。虽然结构面1和3之间的岩桥长度最小，FD=10m，但是其方向水平，与外倾结构面1、3的夹角较大，形成的是折线滑动面。结构面1和2的滑动方向一致，且二者之间的距离(AD=21.21m)虽然小于结构面3到坡脚的距离（FH=25m），但是，由于边坡坡脚处的受力最大，滑动面没有从AD通过，而是从坡脚处贯通破坏。 (d)能够模拟土体与支护的共同作用，图7为无锚杆（锚杆单元被杀死）时边坡稳定安全系数为1.1，图8为有锚杆支护时安全系数为1.5，且塑性

16、区后移。(e)求解安全系数时，可以不需要假定滑移面的形状，也无需进行条分。图7 不加锚杆时的塑性区 图8 加锚杆时的塑性区未支护位移等值线未支护位移等值线锚杆支护后位移等值线锚杆支护后位移等值线未支护塑性区未支护塑性区锚杆支护后塑性区锚杆支护后塑性区A(0,0)B(280,100)C(400,260)D(100,260)ABCD课外习题一 1、采用Push法推导任一条块的剩余推力。 2、如下图所示的同向双平面滑体，滑体尺寸见各点坐标（单位：m），岩体天然密度=2300kg/m3，岩体强度m=25，Cm=40kPa，结构面强度j=20，Cj=25kPa。试计算存在结构面BD和不存在结构面BD两种情况下滑体的稳定性系数。11111cossin(sincos)(2.44)cos()sin()(2.45)i iiii iiiiiiiiii