建筑邊坡穩(wěn)定性分析

建筑邊坡穩(wěn)定性分析第1頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一穩(wěn)定性系數(shù)=可供利用的抗滑力/滑動力第2頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一邊坡穩(wěn)定性分析方法邊坡穩(wěn)定性分析方法極限分析法瑞典圓弧法Janbu條分法Bishop條分法物理模擬方法數(shù)學(xué)模擬方法其他方法極限平衡法數(shù)值分析方法

斯賓塞法摩根斯坦－普賴斯法沙爾瑪法法傳遞系數(shù)法有限單元法(FEM)

離散單元法(DEM)、塊體理論和不連續(xù)變形分析(DDA)

邊界元法

快速拉格朗日法(FLAC)流形元法第3頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》中的基本規(guī)定邊坡:巖質(zhì)邊坡與土質(zhì)邊坡。巖質(zhì)邊坡的破壞形式按下表劃分：確定巖質(zhì)邊坡的巖體類型應(yīng)考慮主要結(jié)構(gòu)面與坡向的關(guān)系、結(jié)構(gòu)面傾角大小和巖體完整程度等因素。確定巖質(zhì)邊坡的巖體類型時，由堅硬程度不同的巖石互層組成且每層厚度小于5m的巖質(zhì)邊坡宜視為由相對軟弱巖石組成的邊坡。當(dāng)邊坡巖體由兩層以上單層厚度大于5m的巖體組合時，可分段確定邊坡類型。第4頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》中的基本規(guī)定1）邊坡穩(wěn)定性評價應(yīng)在充分查明工程地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上，根據(jù)邊坡巖土類型和結(jié)構(gòu)，綜合采用工程地質(zhì)類比法和剛體極限平衡計算法進(jìn)行。2）對土質(zhì)較軟、地面荷載較大、高度較大的邊坡，其坡角地面抗隆起和抗?jié)B流等穩(wěn)定性評價應(yīng)按現(xiàn)行有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。3）在進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性計算之前，應(yīng)根據(jù)邊坡水文地質(zhì)、工程地質(zhì)、巖體結(jié)構(gòu)特征以及已經(jīng)出現(xiàn)的變形破壞跡象，對邊坡的可能破壞形式和邊坡穩(wěn)定性狀態(tài)做出定性判斷，確定邊坡破壞的邊界范圍、邊坡破壞的地質(zhì)模型，對邊坡破壞趨勢作出判斷。4）邊坡穩(wěn)定性計算方法，根據(jù)邊坡類型和可能的破壞形式，可按下列原則確定：(1)土質(zhì)邊坡和較大規(guī)模碎裂結(jié)構(gòu)巖質(zhì)邊坡宜采用圓弧滑動法計算；(2)對可能產(chǎn)生平面滑動的邊坡宜采用平面滑動法計算；(3)對可能產(chǎn)生折線滑動的邊坡宜采用折線滑動法計算；(4)當(dāng)邊坡破壞機制復(fù)雜時，宜結(jié)合數(shù)值分析法進(jìn)行分析。第5頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一§2.1.3邊坡穩(wěn)定性分析基本理論和假定分析方法很多，但可分為兩大類，即以極限平衡理論為基礎(chǔ)的條分法和以彈塑性理論為基礎(chǔ)的數(shù)值計算方法。條分法實際上是一種剛體極限平衡分析法。其基本思路是：假定邊坡的巖土體坡壞是由于邊坡內(nèi)產(chǎn)生了滑動面，部分坡體沿滑動面而滑動造成的。滑動面上的坡體服從破壞條件。假設(shè)滑動面已知，通過考慮滑動面形成的隔離體的靜力平衡，確定沿滑面發(fā)生滑動時的破壞荷載，或者說判斷滑動面上的滑體的穩(wěn)定狀態(tài)或穩(wěn)定程度。該滑動面是人為確定的，其形狀可以是平面、圓弧面、對數(shù)螺旋面或其他不規(guī)則曲面。隔離體的靜力平衡可以是滑面上力的平衡或力矩的平衡。隔離體可以是一個整體，也可由若干人為分隔的豎向土條組成。由于滑動面是人為假定的，我們只有通過系統(tǒng)地求出一系列滑面發(fā)生滑動時的破壞荷載，其中最小的破壞荷載要求的極限荷載與之相應(yīng)的滑動面就是可能存在的最危險滑動面。

第6頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一條分法的基本假定如下：把滑動土體豎向分為n個土條，在其中任取1條記為i，如圖2.1所示，在該土條上作用的已知力有：土條本身重力Wi，水平作用力Qi(如地震產(chǎn)生的水平慣性力等)，作用于土條兩側(cè)的孔隙水壓力Ui及Ui+1，作用于土條底部的孔隙水壓力Udi。土條上的力矢多邊形如圖2.2所示。當(dāng)滑面形狀確定后，土條的有關(guān)幾何尺寸也可確定，如底部坡角ai，底弧長li，滑面上的土體強度，也已確定。要使整個土體達(dá)到力的平衡，其未知力還有：每一土條底部的有效法向反力，共n個；兩相鄰?fù)翖l分界面上的法向條間力Ei，共n-1個，切向條間力Xi，共n-1個；兩相鄰?fù)翖l間力Xi及Ei合力作用點位置Zi，共n-1個；每一土條底部切力Ti及法向力Ni的合力作用點位置ai，共n個。另外，滑體的安全系數(shù)Fs，l個。第7頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一綜合上述分析，我們得到共計有5n-2個未知量，我們能得到的只有各土條水平向及垂直向力的平衡以及土條的力矩平衡共計3n個方程。因此，邊坡的穩(wěn)定分析實際上是一個求解高次超靜定問題。要使問題有唯一解就必須建立新的條件方程。解決的途徑有兩個：一個是利用變形協(xié)調(diào)條件，引進(jìn)土體的應(yīng)力～應(yīng)變關(guān)系，另一個是作出各種簡化假定以減少未知量或增加方程數(shù)。前者會使問題變得異常復(fù)雜，工程界基本上不采用，后者采用不同的假定和簡化，而導(dǎo)出不同的方法。假定n-1個Xi值，更簡單地假定所有Xi=0(條塊間的合力是水平的),這就是常用的畢肖普方法。假定Xi與Ei的交角或條間力合力的方向，而有斯賓塞(Spencer.E)法(條塊間力的合力的方向相互平行)，摩根斯坦－普賴斯法(Morgenstem—N.R，Price.V.E)(兩相鄰條塊法向條間力和切向條間力之間存在一個對水平方向坐標(biāo)的函數(shù)關(guān)系)、沙爾瑪法(Sarma.S.K.)(沿條塊側(cè)面達(dá)到極限平衡)以及不平衡推力傳遞法。假定條間力合力的作用點位置，而有簡布(N.Janbu)提出的普遍條分法。第8頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一大量研究表明，為減少未知量所作的各種假設(shè)，在滿足合理性要求的條件下，求出的安全系數(shù)差別都不大。因此，從工程實用觀點來看，在計算方法中無論采用何種假定，并不影響最后求得的穩(wěn)定安全系數(shù)值。我們進(jìn)行邊坡穩(wěn)定分析的目的，就是要找出所有既滿足靜力平衡條件，同時又滿足合理性要求的安全系數(shù)解集。從工程實用角度看，就是找尋安全系數(shù)解集中最小的安全系數(shù)，這相當(dāng)于這個解集的一個點，這個點就是邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)。極限平衡法長期在工程中應(yīng)用，各行業(yè)應(yīng)用不同的方法，都積累了大量的經(jīng)驗，工程界就用這種虛擬狀態(tài)，來近似模擬實際工作狀態(tài)，再加上工程經(jīng)驗從而作出工程設(shè)計判斷。第9頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一§2.2瑞典圓弧法§2.2.1基本假定

瑞典圓弧法又簡稱為瑞典法或費倫紐斯法，它是極限平衡方法中最早而又最簡單的方法，其基本假定如下：(1)假定土坡穩(wěn)定屬平面應(yīng)變問題，即可取其一縱剖面為代表進(jìn)行分析計算。(2)假定滑裂面為圓柱面，即在剖面上滑裂面為圓?。换∶嫔系幕瑒油馏w視為剛體，即計算中不考慮滑動土體內(nèi)部的相互作用力(Ei，Xi不考慮)。(3)定義安全系數(shù)為滑裂面上所能提供的抗滑力矩之和與外荷載及滑動土體在滑裂面上所產(chǎn)生的滑動力矩和之比；所有力矩都以圓心O為矩心。

(4)采用條分法進(jìn)行計算。第10頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一§2.2.2計算公式圖2.3表示一均質(zhì)土坡，按瑞典法假定，其中任一豎向土條i上的作用力。土條高為hi，寬為bi，Wi為土條本身的自重力，Ni為土條底部的總法向反力，Ti為土條底部(滑裂面)上總的切向阻力；土條底部坡角為ai；長為li，坡體容重為γi，R為滑裂面圓弧半徑，AB為滑裂圓弧面，xi為土條中心線到圓心O的水平距離。第11頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一§2.2.3滲流影響當(dāng)土坡內(nèi)部有地下水滲流作用時，滑動土體中存在滲透壓力。邊坡穩(wěn)定分析計算時應(yīng)考慮地下水滲透壓力的影響。同樣，在滑動坡體中任取一豎向土條i，如圖2.4所示，如果將土條和土條中的水體一起作為脫離體時，此時土條重力就包括土條和土條中的水體重力，即第12頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一第13頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一設(shè)計計算時，滑裂面是任意給定的。因此，需要對各種可能的滑裂面均進(jìn)行計算，從中找出安全系數(shù)最小的滑裂面，即認(rèn)為是存在潛在滑動最危險的(或最有可能的)滑裂面。用計算機編程計算邊坡穩(wěn)定時，我們先在坡頂上方根據(jù)邊坡特點或工程經(jīng)驗，先設(shè)定一個各種可能產(chǎn)生的圓弧滑裂面的圓心范圍，畫成正交網(wǎng)格，網(wǎng)格長可根據(jù)精度要求而定，網(wǎng)格交點即為可能的圓弧滑裂面的圓心，如圖2.5所示。對每個網(wǎng)結(jié)點，分別取不同的半徑用式(2.7)或式(2.10)進(jìn)行計算，得到該圓心點的最危險滑裂面(Fs最小對應(yīng)的滑裂面)。比較全部網(wǎng)結(jié)點(不同的圓心位置)的Fs值，最小的Fs值對應(yīng)的圓心和圓弧即為所求的邊坡最危險滑裂面。為了更精確的計算，可將該圓心為原點，再細(xì)分小區(qū)域網(wǎng)絡(luò)，按前述方法再進(jìn)行計算，類似可找出該小區(qū)域網(wǎng)絡(luò)中最小的Fs。

第14頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一§2.3Bishop條分法第15頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一§2.4Janbu條分法§2.4.1基本假定簡布(Janbu)法又稱普遍條分法，它適用于任意形狀的滑裂面。如圖2.7所示土坡滑動的一般情況，坡面是任意的，坡面上作用有各種荷載，在坡體的兩側(cè)作用有側(cè)向推力Ea和Eb，剪力Ta和Tb，滑裂面也是任意的。土條間作用力的合力作用點連線稱為推力線。在土坡斷面中任取一土條，其上作用有集中荷載△P，△Q及均布荷載q，△Wr為土條自重力，土條兩側(cè)作用有土條條間力E、T及E+△E，T+△T，滑裂面上的作用力△S和△N。如圖2.8所示。第16頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一

為了求出一般情況下土坡穩(wěn)定安全系數(shù)以及滑裂面上的應(yīng)力分布,簡布做了如下假定：(1)假定邊坡穩(wěn)定為平面應(yīng)變問題。(2)假定整個滑裂面上的穩(wěn)定安全系數(shù)是一樣的,可用式(2.1)表達(dá)。(3)假定土條上所有垂直荷載的合力△W:△Wr+q△x+△P,其作用線和滑裂面的交點與△N的作用點為同一點。(4)假定已知推力線的位置,即簡單地假定土條側(cè)面推力成直線分布,如果坡面有超載,推力成梯形分布,推力線應(yīng)通過梯形的形心;如果無超載，推力線應(yīng)選在土條下三分點附近,對非粘性土(c′=0)可在三分點處,對粘性土(c′>0),可選在三分點以上(被動情況)或選在三分點以下(主動情況)。第17頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一§2.5不平衡推力傳遞法在滑體中取第i塊土條，如圖2.9所示，假定第i-1塊土條傳來的推力Pi-1的方向平行于第i-1塊土條的底滑面，而第i塊土條傳送給第i+1塊土條的推力Pi平行于第i塊土條的底滑面。即是說，假定每一分界上推力的方向平行于上一土條的底滑面，第i塊土條承受的各種作用力示于圖2.9中。將各作用力投影到底滑面上，其平衡方程如下：第18頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一式(2.44)中第1項表示本土條的下滑力，第2項表示土條的抗滑力，第3項表示上一土條傳下來的不平衡下滑力的影響，稱為傳遞系數(shù)。在進(jìn)行計算分析時，需利用式(2.44)進(jìn)行試算。即假定一個Fs值，從邊坡頂部第1塊土條算起求出它的不平衡下滑力P1(求P1時，式中右端第3項為零)，即為第l和第2塊土條之間的推力。再計算第2塊土條在原有荷載和P1作用下的不平衡下滑力P2，作為第2塊土條與第3塊土條之間的推力。依此計算到第n塊(最后一塊)，如果該塊土條在原有荷載及推力Pn-1作用下，求得的推力Pn剛好為零，則所設(shè)的Fs即為所求的安全系數(shù)。如Pn不為零，則重新設(shè)定Fs值，按上述步驟重新計算，直到滿足Pn=0的條件為止。一般可取3個Fs同時試算，求出對應(yīng)的3個Pn值，作出Pn～Fs曲線，從曲線上找出Pn=0時的Fs值，該Fs值即為所求。為了使計算工作更加簡化，在工程單位常采用快捷的簡化方法：即對每一塊土條用下式計算不平衡下滑力：不平衡下滑力=下滑力×Fs－抗滑力。由此，式(2.44)可改寫為：第19頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一求解Fs的條件仍是Pn=0。由此可得出一個含F(xiàn)s的一次方程，故可以直接算出Fs而不用試算。所得結(jié)果與前述復(fù)雜的試算方法有時相差不大，但計算卻大為簡化了。如果采用總應(yīng)力法，式(2.46)中可略去uili項，c、φ值可根據(jù)土的性質(zhì)及當(dāng)?shù)亟?jīng)驗，采用勘測試驗和滑坡反算相結(jié)合的方法來確定。Fs值可根據(jù)滑坡現(xiàn)狀及其對工程的影響等因素確定，一般取l.05～1.25。另外，要注意土條之間不能承受拉力，當(dāng)任何土條的推力Pi如果出現(xiàn)負(fù)值，則意味著Pi不再向下傳遞，而在計算下一塊土條時，上一塊土條對其的推力取Pi-1=0。傳遞系數(shù)法能夠計及土條界面上剪力的影響，計算也不繁雜，具有適用而又方便的優(yōu)點，在我國的鐵道部門得到廣泛采用。本法只考慮了力的平衡，對力矩平衡沒有考慮，這存在不足。但因其計算簡捷，在很多實際工程問題中，F(xiàn)s的計算結(jié)果比較貼近實際，滿足工程設(shè)計需求。所以，該方法還是為廣大工程技術(shù)人員所樂于采用。第20頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一計算方法所滿足的平衡條件滑面形式條塊法向與切向力的關(guān)系整體力矩條塊力矩垂直力水平力Push××√√任意假定條塊間力的方向Sarma√√√√任意滿足莫爾-庫侖準(zhǔn)則瑞典圓弧法√×××圓弧無條間力Bishop√×√×圓弧僅考慮水平力Janbu√√√√任意假定條塊間作用力的位置Spencer√√√√任意認(rèn)為水平力與切向力的比值為常數(shù)表

各種極限平衡分析法的比較第21頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一邊坡破壞的基本類型滑坡(剪破壞)傾倒破壞邊坡破壞的基本類型楔形體滑動圓弧形滑動單平面滑動雙平面滑動多平面滑動平面滑動崩塌(拉破壞)劃分依據(jù)：滑面形態(tài)、數(shù)目、組合特征和力學(xué)機理。第22頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一第23頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一單平面滑動穩(wěn)定性計算圖一、單平面滑動1、僅有重力作用時滑動面上的抗滑力：Fs=Gcosβtgφj+CjL

滑動力：

Fr＝Gsinβ穩(wěn)定性系數(shù)：第24頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一滑動體極限高度Hcr為：忽略滑動面上內(nèi)聚力(Cj=0)時

∴當(dāng)Cj=0，φj≤β時，η≤1，Hcr0沉積巖層面、泥化面的Cj值均很小，因此，在這些軟弱面傾角大于φj的條件下，即使邊坡高度僅在幾米之間，也會引起巖體發(fā)生相當(dāng)規(guī)模的平面滑動。第25頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一2、有水壓力作用有地下滲流時邊坡穩(wěn)定性計算圖作用于CD上的靜水壓V為：作用于AD上的靜水壓力U為：邊坡穩(wěn)定性系數(shù)為：第26頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一3、有水壓力作用與地震作用時邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)FEK=1G水平地震作用第27頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一楔形體滑動的滑動面由兩個傾向相反、且其交線傾向與坡面傾向相同、傾角小于邊坡角的軟弱結(jié)構(gòu)面組成。二、楔形體滑動第28頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一首先將滑體自重G分解為垂直交線BD的分量N和平行交線的分量(即滑動力Gsinβ)，然后將N投影到兩個滑動面的法線方向，求得作用于滑動面上的法向力N1和N2，最后求得抗滑力及穩(wěn)定性系數(shù)?？赡芑瑒芋w的滑動力為Gsinβ，垂直交線的分量為N＝Gcosβ。將Gcosβ投影到△ABD和△BCD面的法線方向上，求得法向力N1、N2穩(wěn)定性系數(shù)計算的基本思路第29頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)邊坡的抗滑力第30頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一三、同向雙平面滑動(折線滑動)第一種情況為滑動體內(nèi)不存在結(jié)構(gòu)面，視滑動體為剛體，采用力平衡圖解法計算穩(wěn)定性系數(shù);第二種情況為滑動體內(nèi)存在結(jié)構(gòu)面并將滑動體切割成若干塊體的情況，這時需分塊計算邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)。第31頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一1.滑動體為剛體的情況

ABCD為可能滑動體，根據(jù)滑動面產(chǎn)狀分為Ⅰ、Ⅱ兩個塊體。FⅠ為塊體Ⅱ?qū)K體Ⅰ的作用力，F(xiàn)Ⅱ為塊體Ⅰ對塊體Ⅱ的作用力，F(xiàn)Ⅰ和FⅡ大小相等，方向相反，其作用方向的傾角為θ?；瑒用鍭B以下巖體對塊體Ⅰ的反力R1(摩阻力)與AB面法線的夾角為φ1。第32頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一2.滑動體內(nèi)存在結(jié)構(gòu)面的情況

在滑動過程中，滑動體除沿滑動面滑動外，被結(jié)構(gòu)面分割開的塊體之間還要產(chǎn)生相互錯動。采用分塊極限平衡法和不平衡推力傳遞法進(jìn)行穩(wěn)定性計算。AB面BC面BD面第33頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一塊體Ⅰ塊體Ⅱ塊體Ⅰ塊體Ⅱ第34頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一四、多平面滑動邊坡巖體的多平面滑動，分為一般多平面滑動和階梯狀滑動兩個亞類。階梯狀滑動，破壞面由多個實際滑動面和受拉面組成，呈階梯狀，其穩(wěn)定性的計算思路與單平面滑動相同，即將滑動體的自重(僅考慮重力作用時)分解為垂直滑動面的分量和平行滑動面的分量。第35頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一

在現(xiàn)有支擋結(jié)構(gòu)工程的設(shè)計中，均將滑坡推力作為抗滑結(jié)構(gòu)上的外荷載，只要確定了此荷載，結(jié)構(gòu)設(shè)計是很容易的。因此，滑坡推力計算是支擋結(jié)構(gòu)工程設(shè)計的重要內(nèi)容之一。對滑坡推力的計算，當(dāng)前國內(nèi)外普遍采用的做法是利用極限平衡理論計算每米寬滑動斷面的推力，同時假設(shè)斷面兩側(cè)為內(nèi)力而不計算側(cè)向摩阻力。目前按滑移面形狀大致可歸納為單一滑面、圓弧形滑面、折線形滑面三種類型。下面概述每一種滑面（也稱為滑帶）類型中滑坡推力的現(xiàn)有計算方法。第36頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一第37頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一第38頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一第39頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一第40頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一SLIDE軟件－邊坡的極限平衡分析系統(tǒng)SLIDE是一種功能強大的邊坡穩(wěn)定性分析軟件，主要針對土質(zhì)或巖石邊坡進(jìn)行圓弧或非圓弧失效面的穩(wěn)定性計算。SLIDE運用垂直剖面的極限平衡原理分析滑動面的穩(wěn)定性。它既能分析單一的滑動面，也能針對一給定邊坡確定出其危險滑動面的位置?？梢杂貌煌姆绞侥M外載、地下水以及各種支護(hù)措施的作用。主要特色特色包括：圓弧或非圓弧滑動面的滑面搜尋法；Bishop、Janbu、Spencer、GLE/Morgenstern-Price以及其它分析方法；包含各向異性、非線性莫爾-庫侖材料和其它多種材料模型；地下水－皮茲面、Ru因子、孔隙壓力網(wǎng)格和有限單元滲流分析；邊坡穩(wěn)定性概率分析，給出邊坡失效的概率（或可靠指標(biāo)）；外載－線性、均布以及地震力的作用等；支護(hù)－土釘、錨索（桿）、樁等的前后處理與分析；可視化功能強大。第41頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一邊坡研究框圖開挖后的重分布應(yīng)力、大小力學(xué)模型建立（介質(zhì)模型、應(yīng)力、力學(xué)參數(shù)、變形破壞機理、邊界條件…..）穩(wěn)定性分析計算（剛體極限平衡理論、有限元…..）數(shù)學(xué)、力學(xué)分析法邊坡巖體地質(zhì)特征（地層、巖性、結(jié)構(gòu)面特征及分布、地下水等）地質(zhì)模型建立（平、剖面圖）工程地質(zhì)研究方法巖塊、結(jié)構(gòu)面力學(xué)性質(zhì)（室內(nèi)試驗：求變形、強度參數(shù)）應(yīng)力條件（建筑物作用力、天然應(yīng)力、水壓力、地震力等）巖體力學(xué)性質(zhì)，力學(xué)參數(shù)（現(xiàn)場試驗、模擬試驗）試驗法綜合評價工程設(shè)計要求安全系數(shù)不穩(wěn)定、不合理綜合評價法穩(wěn)定、合理其它判別指標(biāo)工程設(shè)計修改方案或修改角施工第42頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一有限元強度折減系數(shù)法的基本原理進(jìn)行強度折減非線性有限元分析要有一個過硬的非線性有限元程序和收斂性能良好的本構(gòu)模型。因為收斂失敗可能表明邊坡已經(jīng)處于不穩(wěn)定狀態(tài)，也可能僅僅是有限元模型中某些數(shù)值問題造成計算不收斂。第43頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一具有兩組平行節(jié)理面的巖質(zhì)邊坡算例

如圖所示，兩組方向不同的節(jié)理，貫通率100%，第一組軟弱結(jié)構(gòu)面傾角30度，平均間距10m，第二組軟弱結(jié)構(gòu)面傾角75度，平均間距10m，巖體以及結(jié)構(gòu)面計算物理力學(xué)參數(shù)見表2.4.1。按照2維平面應(yīng)變問題建立有限元模型。第44頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一材料名稱重度彈性模量泊松比內(nèi)聚力內(nèi)摩擦角kN/m3MPa

MPa度巖體25100000.21.038第一組節(jié)理17100.30.1224第二組節(jié)理17100.30.1224

表2.4.1計算采用物理力學(xué)參數(shù)

表2.4.2計算結(jié)果

計算方法安全系數(shù)有限元法（外接圓屈服準(zhǔn)則）1.62有限元法（等面積圓屈服準(zhǔn)則）1.33極限平衡方法(Spencer)1.36第45頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一

通過有限元強度折減，求得的滑動面如圖2.4(a)所示,它是最先貫通的塑性區(qū)。塑性區(qū)貫通并不等于破壞，當(dāng)塑性區(qū)貫通后塑性發(fā)展到一定程度，巖體發(fā)生整體破壞，同時出現(xiàn)第二、三條貫通的塑性區(qū)，如圖2-(b)，程序還可以動畫模擬邊坡失去穩(wěn)定的過程，從動畫演示過程可以看出邊坡的破壞過程也整體破壞的過程。

圖2.4(a)首先貫通的滑動面圖2.4(b)滑動面繼續(xù)發(fā)展第46頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一帶軟弱夾層的土坡穩(wěn)定分析算例這個算例最早是由Frelund和Krahn(1977)提出的，隨后被廣泛引證。該土坡在坡底1m深處含有一個0.5m厚的軟弱夾層。第47頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一計算方法安全系數(shù)澳大利亞莫納什大學(xué)土坡穩(wěn)定分析軟件GWEDGEM1.288陳祖煜和邵長明1.242Donald和Giam1.27加拿大邊坡計算程序slope/w（Spencer)1.252有限元強度折減法1.256不同方法求得的穩(wěn)定安全系數(shù)

第48頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一福寧高速公路A15-2標(biāo)段二埔塘2號深路塹高邊坡算例

碎石土強風(fēng)化晶屑凝灰?guī)r堆土弱風(fēng)化晶屑凝灰?guī)r

未開挖前的原始地貌（斷面一）第49頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一福鼎至寧德高速公路A15-2標(biāo)段K102+720--K102+900右側(cè)路塹高邊坡位于霞浦縣鹽田鄉(xiāng)二鋪村西側(cè)，邊坡設(shè)計最高為50m，長180m，工點附近屬丘陵剝蝕地貌，地形陡峭，路塹穿過的山體平均坡度大于25度。該路塹的施工是先清除表層植被，設(shè)置坡頂截水溝后從上向下逐級開挖，當(dāng)挖到第二級邊坡后（標(biāo)高約103m，路基設(shè)計標(biāo)高85m），2000年10月12日坡頂開始出現(xiàn)裂縫；10月15日，k102+740--k102+770段第五級邊坡跨塌，此后坡頂裂縫發(fā)展較快，裂縫達(dá)到10--50cm。自出現(xiàn)裂縫后便停止施工，進(jìn)行了詳細(xì)的地質(zhì)勘察，然后修改設(shè)計，清除已經(jīng)發(fā)生滑坡破碎體，放緩邊坡坡度，同時進(jìn)行防滑加固，主要措施為預(yù)應(yīng)力錨索格子梁加固，修筑截排水天溝。第50頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一原設(shè)計開挖斷面

第51頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一修改設(shè)計后開挖斷面及加固措施

第52頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一不同工況下的穩(wěn)定安全系數(shù)穩(wěn)定安全系數(shù)未開挖前1.31按照原設(shè)計開挖0.92按照修改設(shè)計開挖（未加錨索）1.06按照修改設(shè)計開挖（加錨索）2.45第53頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一按照原設(shè)計開挖后的滑動面

滑動面第54頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一具有多條非貫通結(jié)構(gòu)面巖質(zhì)邊坡算例如圖所示，結(jié)構(gòu)面AB,CD傾角均為45度,AB=21.21m,CD=14.14m,CE=35m,AD=10m。此時的強度折減系數(shù)為2.7。

第55頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一如圖所表示，在上圖的基礎(chǔ)上增加與AB平行結(jié)構(gòu)面FG，F(xiàn)G與CD共線，F(xiàn)G=AB=21.21m，DF=14.14m,AF=AD=10m。通過有限元計算得到邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)為2.3

。第56頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一將FG向右移動5m，使AF=15m，DF=18.03m，AD=10m，左下圖是最先貫通的滑動面，然后滑動面繼續(xù)發(fā)展，AB和CD也出現(xiàn)貫通，如右下圖,此時的強度折減系數(shù)為2.6。

第57頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一若將FG再向右移動5m，使AF=20m，此時AD=10m，F(xiàn)D=22.36m，如圖所表示，此時結(jié)構(gòu)面從AD貫通，對應(yīng)的強度折減系數(shù)為2.7。

第58頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一通過對比計算發(fā)現(xiàn)，在巖體及結(jié)構(gòu)面參數(shù)相同的情況下，結(jié)構(gòu)面之間的貫通機制受結(jié)構(gòu)面幾何位置、傾角、結(jié)構(gòu)面之間巖橋的傾角、巖橋長度等因素的影響。巖橋傾角與兩端結(jié)構(gòu)面傾角越接近時，巖橋越容易貫通形成滑動面。如下圖，結(jié)構(gòu)面1到3的距離最近，AD=21.21m,FD=15.81m，但是滑動面卻沒有從1-3之間貫通，而是1和2之間貫通，這是因為從DA貫通后形成的直線了滑動面。第59頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一巖橋長度越短時，巖橋也越容易貫通形成滑動面，如下圖，結(jié)構(gòu)面AB傾角71.6°，AD與CE平行，雖然結(jié)構(gòu)面1和結(jié)構(gòu)面3之間的巖橋傾角與結(jié)構(gòu)面相同，但是結(jié)構(gòu)面1和2之間的巖橋距離（AD=10m）比1和3的距離（FD=21.21m）小，滑動面從結(jié)構(gòu)面1和2之間貫通。第60頁，共