[PPT]公路工程路塹邊坡穩(wěn)定分析（院士講座）_ppt

1、xx工程學(xué)院院 士博士生導(dǎo)師路 塹 邊 坡 穩(wěn) 定 分 析 1、前言2、用極限平衡法求邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)的 統(tǒng)一求解格式 3、邊(滑)坡穩(wěn)定安全系數(shù)的分析4、不平衡推力法的穩(wěn)定安全系數(shù)分析5、不平衡推力法中的推力分析1、前言 邊坡危害： 2002年5月武隆，邊坡坍塌死79人 1972年6月香港，邊坡坍塌死138人滑坡危害： 1963年意大利，瓦依昂水庫死2600人 1983年中國，東鄉(xiāng)縣灑勒黃土滑坡死227人技術(shù)不成熟： 勘察搞不清，設(shè)計(jì)憑經(jīng)驗(yàn)，資金花費(fèi)大。 云南元磨高速公路147公里， 30米以上高邊坡370余個(gè)，修建時(shí)已滑177次以上。邊坡分類： 一般邊坡：土坡、巖石邊坡 高邊坡：土坡（高于

2、15米） 巖石邊坡（高于30米） 邊坡穩(wěn)定分析方法：有限元單元網(wǎng)格劃分邊坡體的垂直條分和受力分析 安全系數(shù)有限元法有限元強(qiáng)度折減法極限平衡法用極限平衡法求邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)的 統(tǒng)一求解格式 平面滑面解析解 圓弧滑面和任意滑面條分法(求每一條塊體滑面上的下滑力與抗滑力，然后加起來。) 若已知整個(gè)滑面上下滑力等于抗滑力F=1條件，則問題為靜定。 超靜定問題：未知數(shù)多于方程數(shù)，都需作假定。常用13種方法。 條分法分類： 嚴(yán)格條分法力全部平衡（4個(gè)未知數(shù)（ ,N ）和三個(gè)方程，假設(shè) 或 h 非嚴(yán)格條分法力部分平衡 （3個(gè)未知數(shù)（ ,N ）和二個(gè)方程）,假設(shè) 整體力及力矩平衡方程 (包含各種方法的假設(shè)條件

3、) 條底法向力方程 條間力及條間力矩逆推方程 安全系數(shù)統(tǒng)一求解格式 2.1 平衡條件 （1）考慮所有平衡條件（水平、垂直方向、力矩平衡）：HVM：Spencer法（條間力傾角為常數(shù)）Morgenstern-Price法（條間力傾角為某一函數(shù)）Sarma （）法（界面上剪切強(qiáng)度與界面上強(qiáng)度成比例） (a)圖2.1 邊坡體的垂直條分及條塊體的幾何尺寸和受力分析ixi(xb,i-1,yb,i-1)(xw,i-1,yw,i-1)(xbi,ybi)(xwi,ywi)(xti,yti)(xt,i-1,yt,i-1)iKsWiWiWiQiUiNiSiTi-1Tipw,i-1pwiEi-1Ei(b)(c)Co

4、rreia法 （假設(shè)條間力 分布） 嚴(yán)格Janbu法 （假設(shè)條間力作用點(diǎn)位置)Sarma （）法 （界面上剪切強(qiáng)度與滑面上強(qiáng)度成另一函數(shù)關(guān)系）（2）考慮垂直力方向與力矩平衡（VM法） 簡化Bishop法（設(shè)條間力合力作用方向水平）（3）考慮垂直方向與水平方向力平衡（VH法） 簡化Janbu法 （設(shè)條間力合力方向水平） 羅厄法（設(shè)條間力傾角為底面角與頂面角之和之半）陸軍工程師團(tuán)法 （設(shè)條間力方向與坡面平行） 不平衡推力法（傳遞系數(shù)法） (條間力方向與底面方向平行） Sarma （）法 （界面上剪切力為界面剪切強(qiáng)度）（4）僅考慮求矩中心平衡（M）瑞典法（不考慮條間力）圖2.2 算例邊坡1算例1：表

5、2.4 算例邊坡1中土的材料參數(shù)土層容重g (kN/m3)粘結(jié)力c (kPa)內(nèi)摩擦角j ()15.05.020.018.010.025.0表2.5 安全系數(shù)迭代計(jì)算過程編號計(jì)算方法迭代次數(shù)FsEn(kN)Mn(kNm)1瑞典法11.28032簡 化Bishop法11.476021.495131.496741.49693簡 化Janbu法11.2803-27.574521.4803106.173331.32163.014941.31750.077651.3174-2.2410e-004 表2.5 安全系數(shù)迭代計(jì)算過程 4陸軍工程師團(tuán)法11.2803-329.190521.4803-156.17

6、4331.6609-43.944641.7315-7.626251.7464-0.442661.7473-0.004771.7473-2.9496e-0065羅厄法11.2803-117.578021.4803-31.527131.5536-4.489441.5658-0.200051.5663-0.001361.5663-3.9641e-0076不平衡推力法（傳遞系數(shù)法）11.2803-82.904921.4803-2.252531.4859-0.235041.4866-7.4705e-004表2.5 安全系數(shù)迭代計(jì)算過程（續(xù)）7Sarma法（）11.2803-89.876121.4803-

7、31.789331.58981.316841.58540.004951.5854-1.5175e-0068Spencer法11.28030.1708-110.2594-69.478221.46220.2208-7.7872217.555531.50180.2547-0.6144-1.210741.50330.2552-7.6800e-004-5.5869e-0049Morgenstern-Price法11.28030.1708-79.4333841.769521.47220.220819.6548700.299431.50160.270818.1017378.277441.50190.3208

8、2.668754.777051.50190.32950.01270.2477表2.5 安全系數(shù)迭代計(jì)算過程（續(xù)）表2.5 安全系數(shù)迭代計(jì)算過程（續(xù)） 61.50190.32952.7646e-0075.4375e-00610Sarma法（）11.28030.5000-64.62422.4473e+00321.48030.55005.8188219.067231.50320.60009.0001-8.210241.50350.65004.3377-5.912451.50350.69580.0677-0.274561.50350.69651.5617e-005-6.9678e-00511Sarma

9、法（）11.28031.000-89.40302.4652e+00321.48030.9500-9.1200227.781931.50220.9355-0.02771.693041.50230.9359-3.4094e-0061.4254e-00412Correia法11.280395.6067-147.8511-506.431421.471895.5908-18.0105-56.217131.502895.6408-0.00405.993041.503495.69080.29215.979651.503495.74080.22994.705461.503495.79080.16773.430

10、771.503495.84080.10542.156181.503495.89080.0431-2.8299e-0130.881491.503495.9254-3.1997e-012表2.5 安全系數(shù)迭代計(jì)算過程（續(xù)） 13嚴(yán) 格Janbu法11.2803-182.292021.4803-18.592531.503011.811841.4942-5.522251.4970-1.620261.49820.285071.4980-0.013681.4980-1.1140e-004算例2 ：圖2.3 算例邊坡2 土層 rd容重g (kN/m3)粘結(jié)力c(kPa)內(nèi)摩擦角j ()上土層18.8428.

11、4520.0軟弱夾層18.840.010.0下土層18.8428.4520.0表2.7 安全系數(shù)迭代計(jì)算過程編號計(jì)算方法迭代次數(shù)FsEn(kN)Mn(kNm)3簡 化Janbu法11.5000121.487221.3000-30.932231.34063.154741.33680.074651.3367-1.8428e-0044陸軍工程師團(tuán)法11.500040.256021.3000-95.667831.44083.974241.4343-0.183851.43468.0201e-004表2.6 算例邊坡2中土的材料參數(shù)表2.7 安全系數(shù)迭代計(jì)算過程（續(xù)） 5羅厄法11.500047.7243

12、21.3000-63.539731.41423.448341.4075-0.202751.40798.1236e-0046不平衡推力法11.500041.566221.3000-59.280031.41763.000541.4112-0.164551.41156.1657e-0047Sarma法（）11.500082.873821.3000472.254231.5426-6.120441.53960.059351.53974.0721e-0058Spencer法11.50000.182790.87951.5825e+00321.36800.2287-6.2172-202.797231.3708

13、0.19860.0044-5.013841.37040.1968-1.8345e-004-0.006551.37040.1968-6.2262e-013-6.2788e-009表2.7 安全系數(shù)迭代計(jì)算過程（續(xù)）9Morgenstern-Price法11.50000.182793.37971.0822e+00321.35410.2126-6.8887-22.676431.36630.2337-0.1429-3.758241.36640.23266.5625e-0050.002751.36640.23262.3884e-0119.6463e-01010Sarma法（）11.50000.1827-

14、310.2037-1.3823e+00421.36390.13271.0497-5.265231.36180.1204-0.0052-0.100541.36180.1204-4.7448e-008-1.2752e-00611Sarma法（）11.50000.1827-341.5321-1.4975e+00421.36500.1730-5.7898-274.789031.36160.16580.00260.105741.36160.1658-1.0785e-009-4.4480e-00812Correia法11.500023.5000102.67221.3476e+00321.346823.45

15、00-10.1432-132.839731.359323.4517-0.0806-1.027341.359423.4530-5.3248e-006-6.8045e-00513嚴(yán) 格Janbu法不收斂2.3 各種算法的比較算例2.01.030.00.0任意滑動(dòng)面圓弧滑動(dòng)面算例邊坡圖2.42.8 算例邊坡中土的材料參數(shù)土層容重g (kN/m3)粘結(jié)力c(kPa)內(nèi)摩擦角j ()18.220.032.018.025.030.018.540.018.018.840.028.0表2.9 各種極限平衡條分法安全系數(shù)的比較計(jì)算方法安 全 系 數(shù)圓 弧 滑 動(dòng) 面一 般 滑 動(dòng) 面瑞典法1.066簡化Bish

16、op法1.278簡化Janbu法1.1121.022陸軍工程師團(tuán)法1.3771.059Lowe-Karafiath法1.2901.077Sarma法（）1.3401.229Spencer法1.2931.155Morgenstern-Price法1.3031.119Sarma法（）1.2891.154Sarma法（）1.3031.112Correria法1.2841.119嚴(yán)格Janbu法1.3181.137表2.10 各種算法與Spencer法的相差值 計(jì)算方法 算 例（圓弧滑動(dòng)面）（一般滑動(dòng)面）（圓弧滑動(dòng)面）（一般滑動(dòng)面）嚴(yán)格法SpencerSarmar()Sarmar()Morgenste

17、rn-PriceCorreriaJanbu00.013304-0.06652-0.093130.006652-0.352560-0.62755-0.64215-0.29189-0.80269不收斂0-0.309360.7733950.773395-0.696061.9334880-0.08658-3.72294-3.11688-3.11688-1.55844非嚴(yán)格法瑞典法簡化Bishop簡化Janbu陸軍工程師羅厄法Sarmar()不平衡推力法-19.6235-0.42573-12.366116.230964.190785.461318-1.11089-2.459144.6847642.736

18、42712.354062.999124-17.5561-1.16009-13.99856.49652-0.232023.634957-11.5152-8.31169-6.753256.406926 6種嚴(yán)格法圓弧滑動(dòng)面小于2% 一般滑動(dòng)面小于4% 非嚴(yán)格法中瑞典法偏于過分安全 不平衡推力、 Bishop法誤差很小、 其它方法離散性太大，不適用。 推薦方法：嚴(yán)格解法或圓弧滑面采用 Bishop法；任意滑面采用不平衡推力法。3、 邊(滑)坡穩(wěn)定安全系數(shù)的分析 影響邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)的因素： 1. 邊坡的失穩(wěn)概率 2. 邊坡重要性: 土石壩1.5，公路1.25 3. 計(jì)算穩(wěn)定安全系數(shù)方法：瑞典法1.3

19、 解析法1.35 4. 滑裂面形狀與位置 當(dāng)前采用狀況：邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)與穩(wěn)定分析方法部門工程名稱安全系數(shù)分析方法備 注建筑地基邊坡1.2瑞典法建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范(GB5007-2002)滑坡甲級建筑物1.25不平衡推力法(顯式解)建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范（GB50330-2002）乙級建筑物1.15丙級建筑物1.05建 筑邊 坡一級邊坡1.30-1.35前面數(shù)據(jù)瑞典園弧法后面數(shù)據(jù)平面解析法建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范（GB50330-2002）二級邊坡1.25-1.30三級邊坡1.20-1.25邊坡重要工程1.30-1.50采用多種方法綜合評價(jià)巖工工程勘察規(guī)范（GB50021-2001）一級工程1.1

20、5-1.30次要工程1.05-1.15 邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)與穩(wěn)定分析方法（續(xù)）1 計(jì)算或采用數(shù)值計(jì)算。交通路堤邊坡1.35畢肖普法公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范（新規(guī)范）1.30路塹邊坡高速公路、一級公路1.2 1.3公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范（新規(guī)范）二級公路二級以下公路鐵 路滑 坡一級邊坡1.25不平衡推力法顯式解鐵路工程不良地質(zhì)勘察規(guī)程（ TB10027/J125 -2001）二級邊坡1.15三級邊坡1.05水利土石壩 1.50畢肖普法與嚴(yán)格法土石壩規(guī)范1.151.25不平衡推力法隱式解同上香港新開挖邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)（十年降雨重現(xiàn)期）生命危害程度經(jīng)濟(jì)風(fēng)險(xiǎn)程度微低高微1.01.21.4低1.21.21.4高1.4

21、1.41.4幾點(diǎn)結(jié)論： （1）邊坡安全系數(shù)高于滑坡安全系數(shù) （2）建筑邊坡高于道路邊坡 （3）重要建筑物高于次要建筑物 （4）不同邊坡穩(wěn)定分析方法采用不同安全系數(shù) 式中a、隱式表達(dá)式4 不平衡推力法的穩(wěn)定安全系數(shù)分析4.1 不平衡推力法的兩種表達(dá)形式b、顯式表達(dá)式式中隱式與顯式的不同:1. 顯式解是令隱式解中的傳遞系數(shù)中的 安全系數(shù)為1；隱式解與顯式解安全系數(shù)的含義不同， 隱式解采用國際常用的安全系數(shù)定義。4.2 圓弧滑面的比較結(jié)論：對于光滑圓弧，傳遞系數(shù)法隱式的穩(wěn)定系數(shù)在任何條件下均與Bishop法十分接近。顯式的結(jié)果并不總是與Bishop法接近，其誤差隨中心角的增大而增大，最大達(dá)40以上。1 計(jì)算或采用數(shù)值計(jì)算。4.3 條間力傾角變化對穩(wěn)定系數(shù)的影響其滑面為一圓弧。為了研究條間力傾角對穩(wěn)定性的影響，將滑面分別用圓弧的2、3、4、6、8、12、24等分點(diǎn)作為滑面的中間控制點(diǎn)，連接這些