不同的边坡稳定分析方法在码头设计中的应用

1、参评论文（二）姓名：单位：二0二年六月不同的边坡稳定分析方法在码头设计中的应用摘要：介绍了边坡稳定分析常用的瑞典法和Bishop法， 通过比较两种不同的算法在浙江某码头的应用研究，验 证瑞典法由于忽略了土条侧面的作用力，计算出的稳定 安全系数比Bishop法偏低，建议进行码头稳定分析时采 用Bishop法计算，同时用瑞典法进行校核。关键词：边坡稳定；瑞典法；Bishop法；安全系数1引言随着我国国民经济的飞速发展和工业化水平的不断 提高，国内基础设施建设蓬勃发展。但在许多工程中， 由于各种原因造成边坡土体的变形、破坏，影响工程安 全，严重地甚至造成了巨大损失和灾难。所以，边坡的 稳定性分析计算

2、非常重要，它不仅可为工程施工提供科 学的理论依据，而且对滑坡预报和边坡加固也具有重要 的指导作用。边坡稳定问题是岩土工程中的一个很重要的研究课 题，涉及到道桥工程、水利工程、水运工程、建筑工程等诸多领域。边坡稳定分析方法很多，归纳起来可以分 为极限平衡法和有限元计算法两类。从应用角度来说， 以极限平衡方法为主。2极限平衡法的基本原理极限平衡法作为人们最早提出的一类方法，到目前 为止已经发展得比较完善，主要包括瑞典条分法、Bishop 法、简布法、传递系数法等，其中Bishop法（1955年） 和瑞典条分法（1936年）是工程中最常用的两种计算方 法，应用非常广泛。2.1瑞典条分法瑞典条分法，是

3、条分法中最古老而又最简单的方法， 它假定滑动面为圆柱面及滑动土体为不变形的刚体，不 考虑土条两侧面上的作用力，具体方法为：将滑动面以 上的土体分成n个垂直土条，对作用于各土条底面法向 力的平衡和整个滑动土体力矩平衡分析，求出在极限平 衡状态下土体稳定的安全系数。F =抗滑力矩5 滑动力矩tan 乙 W cos 以.cliT1乙W sin以.ii(1)Zc l.+ W u b ) c& s (panF iiiSZ W simii(2)图1瑞典条分法原理式中：Fs为安全系数；c 为第i 土条的有效粘聚力；气为第i 土条 的有效内摩擦角；可为第i 土条的重量；L为第i 土条滑弧弧长；成i为第i 土条

4、底面中点的法线与竖直线交角；七为第i 土条底面中点处的孔隙水应 力；bi为第i 土条的土条宽。该法由于忽略土条之间的相互作用力的影响，因此 是条分法中最简单的一种方法。当按滑动土体这一整体 力矩平衡条件计算分析时，由于滑面上各点的斜率都不 相同，自重等外荷载对弧面上的法向和切向作用分力不 便按整体计算，因而整个滑动弧面上反力分布不清楚； 另外，对于中0的粘性土坡，特别是土坡为多层土层 构成时，求W的大小和重心位置比较麻烦。瑞典法由于忽略了条间力的作用，不能满足所有静 力平衡条件，计算安全系数一般比其他较严格的方法偏 低 1020%。2.2 Bishop 法Bishop法也是条分法的一种，同样假

5、定滑动面为圆 弧面，它考虑了土条侧面的作用力，并假定各土条底部 滑动面上的抗滑安全系数均相同，即等于滑动面的平均 安全系数。Bishop忽略了条间切向力，即Xi+1-Xi=0。Bishop法土坡稳定系数的含义是整个滑动面上土的 抗剪强度tf与实际产生剪应力T的比，即K=tf/t，并考 虑了各土条侧面间存在着作用力，其原理为：假定滑动 面是以圆心为0,半径为R的滑弧，从中任取一土条i为 分离体，其分离体的周边作用力为：土条重Wi引起的切 向力Ti和法向反力Ni，并分别作用于底面中心处；土条 侧面作用法向力Ei、Ei+1和切向力Xi、Xl+i。根据静 力平衡条件和极限平衡状态时各土条力对滑动圆心的

6、力 矩之和为零等，可得Bishop法求土坡稳定系数的普遍公 式。乙 一 c b + (W - u b ) tan 中F =mJ-S乙W sin以I I(3)其中：m. = cos以+ 吁sin气；其余参数同瑞典法。s由于推导中只忽略了条间切向力，比瑞典条分法更 为合理，但该法与更精确的方法相比，可能低估安全系 数27%。3极限平衡法的局限性极限平衡条分法简单易用，对于简单边坡计算精度 也比较高，通过一些假定也能处理比较复杂的边坡，但 其终究具有自身的局限性，主要如下：（1）极限平衡条分法需要事先假定一滑裂面，所以 它最终的解一定依赖于初始假定的滑动面，寻找到的滑 动面不一定是全局最优的，即存在

7、一定的人为误差。（2）对于均质边坡比较容易假定出可能的滑动面， 而对于土层性质差异较大的非均质地层，以及存在节理 裂隙的岩体边坡，其潜在滑动面并非圆弧形，很难通过 假设确定。极限平衡条分法只能给出边坡的安全系数及其 相应的滑动面位置、形状，无法考虑边坡内部岩土体的 应力一应变关系，所以得到的安全系数只是所假定的滑 动面上的平均安全系数，而不能求得滑体内部或滑动面 上的真实内力或反力。大量的工程实际计算结果表明，瑞典法与Bishop法 的计算结果在中心角较小时差别很小，可视为结果相似， 但在中心角较大时，则瑞典法与Bishop法差距明显，有 时可达10 %以上，用瑞典法计算得出的稳定系数偏小，

8、与经验法对比，应是瑞典法计算偏于安全。下面通过工 程实例来讨论这两种方法的精度。4工程实例分析浙江某码头位于杭嘉湖平原河网地区，拟建3个300 吨(兼靠500吨级)泊位，码头采用挖入式港池布置， 码头泊位总长度135m，为重力式挡墙结构。装卸设备采 用2台8T固定吊和1台20T固定吊。4.1计算参数根据岩土工程勘察报告，原场地土层自上而下分别 为：素填土、1粉质粘土、-2淤泥质粉质粘土、-3粉质粘土与粉土互层、-4粉砂夹粉土。各层土的 物理力学指标详见表1。表1稳定性计算所选土层及参数土的物理指标土的力学指标断面土层孔 隙 比e含水率3干 密 度P d饱 和 密 度P湿 密 度P tsat粘聚

9、 力 c，内摩擦角，%g/cm3g/cm3g/cm3kPaII0.82529.91.461.921.902121.6-10.84228.91.481.941.913315.4-21.00939.11.361.861.8912.18.2-30.913331.411.881.879.825.4-40.64222.41.632.021.995.435.2IIII0.86527.11.431.901.822121.6-10.83629.81.491.941.9326.98.5-21.02340.81.351.861.9012.47.9-30.97832.61.351.841.791718.3-40.5

10、6517.21.712.072.00633.1根据码头设计条件，码头设计高水位为2.96m，设计 低水位0.66m，墙背与墙后填土摩擦角：17度，地基土 容重：18（KN/m3），浮容重：10（KN/皿）；墙底摩擦系数: 0.35，宕渣内摩擦角25度，抛石棱体45度，码头前沿 均布荷载10Kpa。4.2计算工况工况一：设计高水位2.96m条件下，考虑系缆 力+均布荷载；工况二：设计低水位0.66m条件下，考虑系缆 力+均布荷载；4.3计算结果码头稳定性计算分别选取码头不同部位的两个断面 在不同工况条件下，根据码头设计条件，采用瑞典条分 法和Bishop法，自动搜索最危险滑裂面，岸坡稳定性计 算

11、结果见表2。表2岸坡稳定计算结果计算断面工况最小安全系数瑞典法Bishop 法断面I工况一1.4571.523工况二1.3121.387断面II工况一1.5041.562工况二1.3881.437通过分析该码头稳定性分析计算结果，得出以下结论:(1)码头稳定性分析时，瑞典条分法计算由于不考 虑土条两侧的作用力，因此计算结果偏于安全。它较之 简化的毕肖普(Bishop)法求得的码头稳定性安全系数 偏小，在算例中可以看出偏小3 %6%。(2)简化的毕肖普(Bishop)法考虑到了土条间的 推力，受力更符合实际情况，故计算的稳定系数也更加 接近实际。但从计算原理可知此方法存在不收敛的问题， 特别是条

12、块划分密度过大时，收敛性难以得到保证。5结论瑞典法和Bishop法是目前一般工程单位常用的土坡 稳定分析方法，通过浙江某码头工程稳定性分析计算实 例说明两种方法由于采用了不同的假定条件而导致结果 的误差，这是由于瑞典条分法忽略了土条侧面的作用力， 并不能满足所有的平衡条件，由此算出的稳定安全系数 比其它严格的方法可能偏低10 %20 %。而简化的Bishop 法求得的码头稳定性系数在工程应用中更接近实际，对 于圆弧滑面，该方法的计算结果与满足所有平衡条件的 严格极限平衡法的计算结果较为一致，且其计算过程相 对简单。因此，建议进行码头稳定性分析时采用Bishop 法计算，同时用瑞典法进行校核。参考文献胡辉，磊华，董梅.瑞典圆弧法和毕肖普法评价边坡稳定性的比较J.路