边坡稳定性分析方法.ppt

1,边坡稳定性分析方法,研究生课程边坡工程学讲座之二,2,授课大纲,边坡工程-边坡稳定性分析方法,概述工程类比法刚体极限平衡法数值分析方法稳定性判据分析实例,3,概述城市中的边坡问题（香港，重庆）,“房如积木顺坡盖”吊脚楼,治理8字方针减载、压脚、固腰、排水,4,研究生课程边坡工程学讲座之二,5,研究生课程边坡工程学讲座之二,边坡-指具有倾斜坡面的岩土体（天然边坡、人工边坡）。滑坡-边坡丧失其原有稳定性，一部分岩土体相对于另一部分岩土体发生滑动的现象称为滑坡。,6,1.1 边坡稳定性综合评价方法流程,分析模式,（1）通过工程地质勘察获取基础地质资料。（2）结合多种影响因素对边坡总体稳定性进行定性或半定量评价。（3）对边坡破坏模式作出判别，选择适当方法进行稳定分析计算。（4）制定加固及监测设计方案。,7,.1边坡稳定性综合评价方法流程,分析原则,边坡稳定性分析应遵循以定性分析为基础，以定量计算为重要辅助手段，进行综合评价的原则。,8,土坡：为土质边坡。通常可以视为均质体。其稳定性分析在土力学中有比较成熟的理论，其支挡结构设计也较为规范,岩坡：为岩质边坡。其稳定性通常受结构面控制。结构面的不同分布形式控制了边坡的稳定及对其控制方式,.2土坡与岩坡,9,岩质边坡破坏形式是指坡体结构面成为滑裂面的空间组合形态特征和滑动的机理。常见的、简单的破坏形式有：1）简单平面滑动。2）折线（阶梯形）平面滑动。3）双滑面（楔形）滑动。4）圆弧滑动。5）拉裂（倾倒）破坏。,.3岩质边坡破坏模式及影响稳定的因素,岩质边坡破坏模式,10,11,平班水电站进场所公路滑坡,平面滑坡,12,漫湾“三洞”滑坡,漫湾左坝肩滑坡,弧面滑坡,流纹岩,13,三峡船闸边坡,锦屏库区,楔体滑动,14,倾倒滑动,15,边坡稳定性分析和支护设计，首先应正确判断边坡可能破坏的形式、规模和边界条件。否则，支护设计必然具有盲目性，其结果或者使工程隐含安全风险，或者造成重大浪费。,建筑岩质边坡,岩质边坡稳定性分析的初步判定，可采用赤平极射投影与实体比例投影两种方法相结合的图解分析法。可反映出起控制作用的结构面和次要的结构面，反映出边坡可能失稳体的滑动方向、形状与规模。并可在此基础上，应用空间力学的分解法来验算可能失稳滑动岩体的稳定系数及抗滑力。,16,失稳模式判别有误,17,1.3.2 边坡稳定影响因素,影响边坡稳定性主要因素及其表征参数,18,.4岩坡破坏模式识别,赤平投影分析,结构面产状的地质术语 倾向/走向（相互垂直）倾斜/倾角（真倾角）真倾角视倾角 地质报告表示：倾向80，倾角45（或8045）走向170，傾向北東，傾角45,19,19,赤平投影,球面大圆与极射点的连线必然穿过赤平面，在赤平面上这些穿透点的连线即为该平面的相应大圆的赤平投影，简称大圆弧,20,20,一组结构面,21,21,边坡失稳的三种类型与相应的结构面赤平投影图的对应关系,(a)平面破坏(b)楔体破坏(C)倾倒破坏,22,23,第一类方法是根据滑裂面上的抗滑力和滑动力直接计算边坡安全系数。滑裂面上的力可以由滑体的静力平衡条件求解，这类方法包括刚体极限平衡法、关键块理论等。第二类方法首先采用数值分析方法 如有限元、离散元、块体元和DDA等,确定边坡的位移场和应力场，再采用超载法、强度储备法等使边坡达到极限状态，从而间接地得到稳定安全系数。这种方法不仅考虑了滑移体力的平衡，而且考虑了位移协调条件和岩体本构关系等。,.5岩坡稳定性分析方法类型,24,.5岩坡稳定性分析方法类型,定性、定量工程地质类比法刚体极限平衡法、数值分析法,平面和弧面滑动Sarma法;楔体滑动;倾倒破坏 GoodmanBray法,25,1.5边坡稳定性分析原则,缺点：没有考虑岩土体内部的应力应变关系 无法分析边坡破坏的发生和发展过程 无法考虑变形对边坡稳定的影响 没有考虑岩土体与支挡结构的共同作用及其变形协调,传统分析方法 能合理假定滑裂面形状，建立在极限平衡理论基础上,用途：求稳定系数时,当边坡破坏机制复杂或边坡分析需要考虑应力变形时，宜结合数值分析法进行分析。,边坡稳定性计算方法（31）（建筑边坡工程技术规范GB 50330-2002）根据边坡类型和可能的破坏形式，可按下列原则确定：,1）土质边坡和较大规模的碎裂结构岩质边坡宜采用圆弧滑动法计算；2）对可能产生平面滑动的边坡宜采用平面滑动法进行计算；3）对可能产生折线滑动的边坡宜采用折线滑动法进行计算；4）对结构复杂的岩质边坡，可配合采用赤平极射投影法和实体比例投影法分析；5）当边坡破坏机制复杂时，宜结合数值分析方法进行。,27,2 工程地质类比法,2.1边坡稳定条件形态对比法,2.2边坡失稳条件对比法,28,目前边坡稳定分方法许多都是建立在极限平衡理论之上，而且大都采用刚体极限平衡法，这些方法简单易行。其基本出发点是把岩块作为一个刚体，为方便计算作一些假定，不考虑岩石的应力应变关系，因而这种建立在刚体极限平衡理论上的稳定分析方法无法考虑边坡的变形与稳定。,3 刚体极限平衡法,29,广泛使用的圆弧滑动法最初是由瑞典工程师提出的。用于冰川沉积厚层软粘土,3.1 瑞典圆弧条分法,整体圆弧法（瑞典圆弧法）,30,（一）分析计算方法 1假设条件：,W,31,2.平衡条件（各力对O的力矩平衡）,(1)滑动力矩：,(3)安全系数：,(2)抗滑力矩：,W,32,条分法的基本原理及分析,(1)原理,注:无法求理论解，是 一个边值问题，应通过数值计算解决。一个简化解决方法是将滑动土体分成条条分法。实际是一种离散化计算方法,整体圆弧法：n是l(x,y)的函数,33,(2)条分法中的和求解条件,第i条土的作用力,34,(2)条分法中的力和求解条件,Wi是已知的作用在土条体底部的力与作用点：Ni Ti ti 共3n个作用在边界上的力及作用点：Pi Hi hi 共3(n-1)个（两端边界是已知的）假设总体安全系数为Fs(且每条Fs都相等)Fs 共1个未知数合计=3n+3(n-1)+1=6n-2,共n条土的未知量数目,35,(3)力平衡条件（求解条件）,各条：水平向静力平衡条件：x=0 共n个垂直向静力平衡条件：y=0 共n个力矩平衡条件：M0=0 共n个在n个滑动面上各条处于极限平衡条件：共n个,求解条件共4n个,36,讨论,由于未知数为6n-2个求解条件为4n个二者相差(2n-2),因而出现了不同的假设条件，对应不同计算方法整体圆弧法：n=1,6n-2=4个未知数，4个方程其他方法：大多是假设力作用点位置或忽略一些条间力,几种分析计算方法的总结,37,3.1.3 简单条分法（瑞典条分法）,(1)基本原理：忽略了所有条间作用力，即：Pi=Hi=hi=0 3n-3ti=li/2n未知数：(6n-2)-(4n-3)=2n+1,38,(2).安全系数计算,Ni方向静力平衡（n个）,求解方程（2n+1）个,滑动面上极限平衡（n个）,总体对圆心的力矩平衡滑动力矩=抗滑力矩（1个）,39,(3).简单条分法计算步骤,圆心O，半径R（如图）,分条：b=R/10,编号：过圆心垂线为0#条中线,列表计算 li Wi i,变化圆心O和半径R,Fs最小,END,40,(4).瑞典简单条分法的讨论,由于忽略条间力，有些平衡条件不能满足,忽略了条间力，所计算安全系数Fs偏小，假设圆弧滑裂面，使Fs偏大，最终结果是Fs偏小，越大(条间力的抗滑作用越大),Fs越偏小,假设圆弧滑裂面，与实际滑裂面有差别,一般情况下，Fs偏小10%左右工程应用中偏于安全,41,3.2 毕肖甫（Bishop）法,42,(1).原理与特点,假设滑裂面为圆弧 不忽略条间作用力 在每条的滑裂面上满足极限平衡条件 每条上作用力在y方向（竖直）上静力平衡 总体对圆心O力矩平衡,DPi 不出现,注：（未考虑各条水平向作用力及各条力矩平衡条件，实际上条件不够：缺 Hi，共(n-1)个条件设Hi=0则条件够了简化Bishop法，忽略条间切向力）,43,求解条件,平衡条件：2n+1未知数：6n-2,1）由于竖向力平衡 Pi(Pi)不出现（n-1）,2）不计各条力矩平衡 ti 及 hi（2n-1）,3)假设 Hi=0（不计条间切向力）(n-1),44,(2)安全系数公式,其中,45,(3)毕肖甫法计算步骤,圆心O，半径R,设 Fs=1.0,计算 mqi,YES,Fs最小,END,计算,No,YES,No,46,方法的适用性,这类方法用于分析边坡岩体边坡稳定性，一般说来是不合适的只有在均质各向同性的岩或倾向反坡的薄层状结构的松散岩体构成的边坡中，才有某种近似的意义在其它一般情况下，岩质边坡的可能滑动面都是非圆弧状的。,47,1原理与特点,（3）6n-2 个未知数,(1)任意形式滑裂面，不一定圆弧,共计 6n 个条件,(2)假设Ni作用点 nPi作用点 n-1极限平衡条件 n 3n+1,3.3 普遍条分法（简布 Janbu法）,48,49,普遍条分法（简布 Janbu法）,通过静力平衡求Pi,50,P1=P1P2=P1+P2=P1+P2 Pi=Pi(i=1,j)Pn=Pi=0(i=1,n),51,2安全系数公式,计算比较繁杂,52,3.4 几种分析计算方法的总结,方法的适用性,这类方法用于分析边坡岩体边坡稳定性，一般说来是不合适的只有在均质各向同性的岩或倾向反坡的薄层状结构的松散岩体构成的边坡中，才有某种近似的意义在其它一般情况下，岩质边坡的可能滑动面都是非圆弧状的。,53,3.5 传递系数法,折线法，是验算山区土层沿着岩面滑动最常用的边坡稳定验算法基本假定：每个分条范围内的滑动面为一直线段，即整个滑体是沿着折线进行滑动。进行边坡稳定验算时，可根据岩面的实际情况，分割成若干直线，每个直线段则成为一分条。分条间的反力平行于该分条的滑动面，且作用点在分隔面的中央。如第i块与下面i+1块间的反力Pi，平行于第i块的滑动面。,54,根据滑动面上力的平衡条件，可获得分条间的反力Pi计算式,i-1称为传递系数，即对第i块而言，上面第i-1块对第i块作用力的传递系数。计算时从边坡顶部第1块开始，顺次一直往下进行计算，直算至最末一块，便可计算出该边坡最后一块的推力P。如果最后一块的推力P为小于0的数值，说明该边坡是稳定的。,55,k-Pn关系,1)上列各式中的抗剪强度安全分项系数kf、kc，在数值上是不相同的。摩擦角比较稳定，而粘聚力的破坏因素较多，所以通常采用较高的安全分项系数。在边坡工程计算中，摩擦角安全分项系数kf常采用1.251.67；粘聚力安全分项系数kc常采用2.55.0。在工程设计中，同一个项目的计算中采用两个不同的安全分项系数，计算比较麻烦，通常采用一个统一的安全分项系数k来进行计算。2)利用上式来计算边坡的安全分项系数，为减少计算工作量，可先假定若干个安全分项系数k，分别计算出最后一块的块间推力Pn值，然后在座标纸上绘制k与Pn的关系曲线，对应于Pn=0的安全分项系数k，就是边坡的实际安全分项系数。为提高计算的精度，可利用该安全分项系数，再逐条进行核算，核对最后分条的Pn值是否为0。,56,k-Pn关系曲线,57,国家规范方法：一般不采用上述抗剪强度指标折减的办法，而是采用将各分条的条间推力乘以一个大于1.0的系数k向下传递，各分条间的推力，即为下滑力。计算到最后一块的推力，即为边坡的最后下滑力。为此传递系数法的计算式改写为：,系数k1.25，甲级；1.15，乙级；1.05，丙级,58,指边坡上具有一组倾向大致与边坡坡向相同的结构面，结构面以上的岩体，很容易沿着结构面滑动。,结构面的倾角,3070小于30大于70,稳定性破坏的可能性,可能性最大不太容易不容易,3.6 单结构面外倾边坡,59,地下水位线以上V1部份:W1=V11 法向力：N1=W1cos 下滑力：T1=W1sin V3部份长期处于地面水位以下，计算其重力时采用浮重度，则该部份的重力为：W3=V3 法向力：N3=W3cos 下滑力：T3=W3sin V2部份长期处于地下水位以下，应采用饱和重度sat，则该部份的重力为：W2=V2sat 法向力：N2=W2cos 下滑力：T2=W2sin,60,由于结构面上存在着孔隙水压力，在边坡稳定中，将出现负面影响，可在上列法向力N2减去孔隙水压力，孔隙水压力U可采用下式进行计算：,61,指边坡岩体中具有两组结构面，且两组结构面的倾向都与边坡的坡向基本一致的边坡,主滑面 层面 较长辅滑面构造性裂隙或卸荷裂隙较陡,3.7双结构面外倾边坡,62,两个联立方程，3个未知量：N1、N2和k辅滑面结构面，结构面能承受的拉力值是很微弱的，即其中的N1值可假定为0,63,边坡岩体中存在着两组结构面，该两组结构面的走向和倾向，均与边坡呈斜交状态。但两组结构面有可能在边坡上形成一棱形体，在一定的时空条件下，将沿着棱形体的棱线向下滑塌。,3.8 双结构面棱形体破坏,64,在棱形体的两个结构面上，可能出现的最大剪力值，是结构面上的抗剪强度，即Nf+cA（其中：f=tan，A为结构面的面积），前者是由于法向压力产生的摩擦阻力，后者是由于结构面上的粘聚力。棱形体的下滑力为T,则该边坡的安全分项系数可由下式计算：,3个未知量：N1、N2、T，可按空间力系的平衡原理,65,该方法可用于任意形状滑面的边坡稳定问题。目前在工程地质界被认为是滑坡计算考虑比较全面、比较合理的一种边坡稳定性评价方法。这种方法具有以下三个特点：1）可根据滑体的地质特性、结构面构造，对滑体进行按节理构造的斜分条及不等距分条使各条块尽量模拟实际风化岩体。2）可较详尽地模拟侧面节理、断层造成的滑体强度特点。3）滑体滑动时，不仅滑动面上的各种力达到了极限平衡，侧面也达到了极限平衡。,3.9 岩质边坡Sarma法,66,Sarma条分法假定滑裂面为任意形状，在每一岩土条重心位置作用着一个水平地震惯性力KWi,由于它的作用，使滑裂面恰好达到极限状态，也就是使滑裂面上的稳定安全系数Fi=1。在解题时，可以不用试算或迭代，而以临界地震加速度Kc作为判断边坡稳定程度的标准，使工作量大为减轻。如果Kc0，则Fi1，边坡不稳定;反之，边坡稳定。同时,SARMA条分法还假定沿两相邻土条的垂直分界面，所有平行于土条底面的斜面均处于极限平衡状态，在这个前提下，推导出切向土条间力X的分布，从而使超静定问题变成静定问题。,3.9 岩质边坡Sarma法,67,3.9 岩质边坡Sarma法,68,3.9 岩质边坡Sarma法,69,针对极限平衡法国内外学者进行大量的研究，如H.Kumsar等(Stability Assessment of Rock Slopes Against Wedge Failures，Rock Mech.Rock Engng，2000，33介绍了静力和动力荷载条件下楔体滑坡模型实验研究情况，在极限平衡分析方法中考虑了动力的作用，并且在严格的实验条件和实际工程中得到验证；,3.10 极限平衡法的发展,70,杨松林(岩体稳定分析的广义条分法初步探讨,岩土工程学报,1999,20（1）针对传统竖直条分法和萨尔玛法应用于岩体边坡的稳定性分析的缺点，提出了适用范围更广的广义条分法，广义条分法考虑了条块间分界面的应力变形关系，采用条块间分界面的应力变形本构关系代替传统的两类条分法对条块分界面上力的大小、方向或作用点的人为假定，这一做法更加符合岩土工程的实际情况，并采用优化搜索的方法给出了相对最危险的潜在滑动面及其稳定系数,71,李冬田（岩坡的层分析方法与抗滑系数图谱,岩土工程学报,2001,23(1)）提出一种三维的岩坡极限平衡法，即应用岩坡多层DEM几何模型，参照简化Bishop法的假定，进行岩坡稳定性分析的层分析方法，进而提出了抗滑系数谱的概念，以反映碎裂岩体稳定因素的不均匀性。,72,4、边坡稳定性分析数值分析方法,数值分析法又称应力应变分析法，,运用数值方法进行岩质边坡的稳定性计算分析有许多优点如由于边坡工程所处的边界条件和地质环境一般比较复杂，加之岩体的不连续性、不均匀性、各向异性等特性，造成边坡工程问题复杂，而数值分析方法可以方便地处理这些问题；数值分析法可以根据岩体的破坏准则，确定边坡的塑性区、拉裂和压碎区；分析边坡渐进破坏过程和确定边坡起始破坏部位；可以得到岩质边坡的应力场、应变场和位移场，可用于分析边坡工程的分步开挖、边坡岩体与加固结构的相互作用，地下水渗流、爆破和地震等因素对边坡稳定性的影响等,73,4、边坡稳定性分析数值分析方法,数值分析法又称应力应变分析法，,用离散单元法可以仿真边坡整体滑移过程，对于预测边坡的破坏规模和方向具有重要意义。随着计算机技术的飞速发展，数值方法发展很快，在岩质边坡稳定性分析中正发挥着越来越重要的作用。不连续变形分析(DDA)方法,74,其基本思想是利用结构离散化的概念，将连续介质体或复杂结构体划分成许多有限大小的子区域的集合体，每一个子区域称为单元（或元素），单元的集合称为网格，实际的连续介质体（或结构体）可以看成是这些单元在它们的节点上相互连接而组成的等效集合体；通过对每个单元力学特性的分析，再将各个单元的特性矩阵组集成可以建立整体结构的力学方程式，即力学计算模型；按照所选用计算程序的要求，输入所需的数据和信息，运用计算机进行求解。,4.1有限元法的基本概念,75,1)计算范围当以稳定分析为主，主要弄清坡体内应力分布规律。若十分关心坡面位移，则应充分考虑计算范围，计算误差在允许范围内。2）单元划分平面问题通常为三角形或四边形单元；主要结构面可用节理单元或夹层单元；三维问题常用四面体和不规则六面体单元。单元大小应按地质条件，计算部位及计算机容量来确定。单元越细，精度越高，但占机时越长。应合理考虑。,4.2计算范围与单元划分,76,4.2计算范围与单元划分,77,3）当有限元程序现成时，需准备节点数据：节点坐标、编号；单元数据：单元编号，组成单元的节点号及其顺序；材料数据；材料种类及其数值，该材料所在的单元组数等；受外力情况：重力、集中力等；边界条件。,78,4.3计算结果的整理,79,神经网络方法从模拟人脑形象思维入手，具有非线性性、并行性和强泛化性等特点。目前，用于地质体的神经网络主要是BP网络，许多文献研究了这种方法的应用。如卢才金等（1999）（改进的BP网络在岩质边坡稳定性评价中的应用,岩石力学与工程学报,1999,18（3）:303307）结合前人的研究成果对神经网络中的BP算法进行综合改进，并将其运用于岩质边坡稳定性评判，并建立了评判模型。,其它新方法,80,应用系统科学、人工智能、神经网络、进化计算和模糊数学等新兴学科理论，综合研究岩质边坡工程系统的不确定性和工程经验，发展出一套切实可行的智能力学分析方法，这可能是解决复杂的边坡工程涉及问题的一条有效途径。李章明等（露天矿边坡实用性专家系统PESOPS V1.0设计及应用,岩土力学,1996,17(4)）开发了露天矿边坡实用的专家系统,用于边坡问题的智能化研究；冯夏庭（智能岩石力学导论,科学出版社,2000）对影响边坡稳定性的因素进行了分析，提出了边坡稳定性分析的综合集成理论和方法,其它新方法,81,吴振君;王水林;葛修润;约束随机场下的边坡可靠度随机有限元分析方法，岩土力学,2009年 10期 把随机场理论和地质统计中的区域化变量理论结合起来,建立约束随机场,并在此基础上进行Monte-Carlo随机有限元分析。计算实例表明,在高变异性条件下约束随机场能有效降低完全随机场的模拟方差,得到更低的破坏概率。对比了随机有限元和简化法的计算结果表明,简化法在土体强度变异性很高时其结果并非偏于保守。另外也指出了可靠度分析中存在的边坡尺度效应和简化法的适用条件。,其它方法,边坡工程中的岩体结构控制理论,岩质边坡结构十分复杂，其稳定性取决于边坡的各类结构面的特征。中国科学院地质研究所孙广忠提出了“岩体结构控制论”，并出版了岩体结构力学，将赤平投影法和实体比例投影法应用于边坡工程。美国华裔学者石根华提出了“关键块体理论”，南京大学等提出了岩坡优势面控制论，认为岩坡的变形破坏受岩坡内的优势面所控制。王思敬等把断裂力学引入岩体结构。,边坡工程中的分形理论,分形理论是美国数学家(BBMandelbort)在1973年首次提出来的，主要研究自然界中一些具有相似但没有特征长度的图形或现象，其研究方法是通过确定图形或现象的分维数，以揭示该现象或图形的内在本质和规律。我国谢和平做出了重要的突破，周维垣、张公瑞将分形技术引入岩体网络生成，孙钧等提出了分形块体力学。研究表明，边坡岩体结构常呈不规则分形体态，可以用分维来表征，利用分维可以定量地描述断层、层理、节理、泥化夹层等宏观结构面的形态特征、分布、产状及粗糙度等。同样，岩体的微观结构面或破坏面也呈不规则的分形状态，这种不规则反应了岩体破坏时的能量耗散及微观结构效应，也可用分维来表示。分维数是岩体变形破坏的某一统计特征量，分维数可以充当岩体变形破坏变量的角色进行岩体的强度和稳定性演化过程的分析。,边坡工程中的3S理论,在信息社会中，全球是一个开放系统，3S系统已在地学领域取得初步尝试，1996年国际岩石力学学会年会上，利用3S技术在岩石工程建设中的作用已引起极大注意。所谓3S系统是指地理信息系统(GIS-Geography Information System)、遥感系统(RS-Remote Sensing system)和全球卫星定位系统(GPS Global Positioning System)。三者融为一体为边坡工程的防治与预测预报提供了新一代观测手段、描述语言和思维工具。从1997年开始，崔政权、何满潮着手建立“三峡库区边坡稳态3S实时工程分析系统”。,边坡工程的人工神经网络方法,人工神经网络(简称NN-Neural Network)是指由大量简单神经元经广泛互连构成的一种计算结构，是一种广义的并行处理系统。白占平针对露天矿发生的顺层滑坡，使用BP神经网络原理，建立了边坡系统状态识别人工神经网络模型，选择海州露天矿66次滑坡实例和34个典型非失稳边坡模型作为样本进行训练和预测，取得了显著成果。,86,破坏（失稳）定义,5 稳定性判别,计算的边坡稳定（安全）系数,设计（允许）安全系数,（一般由规范规定）,87,5.1 稳定性判别方法,（）剩余下滑力法,剩余下滑力 F=下滑力抗滑力,若 F=0 边坡处于极限平衡状态,若 F 0 边坡处于安全状态,若 F 0 边坡处于不稳定状态,88,（2）应力应变计算结果规律判断法 数值计算,89,FS=抗滑力/下滑力,若 FS=1.0 边坡处于极限平衡状态,若 FS1.0 边坡处于安全状态,若 FS1.0 边坡处于不稳定状态,力、力矩,（）稳定系数法抗滑力与下滑力比值法,90,（）稳定系数法材料强度储备系数、折减系数,土坡沿着某一滑裂面的安全系数F将土的抗剪强度指标降低为c/F,tan/F,则土体沿着此滑裂面处处达到极限平衡，即=ce+e tanece=c/Ftane=tan/F,91,数值分析 强度折减法的基本原理,不断降低岩土C、值，直到破坏。,至破坏时C、降低倍数就是安全系数，上世纪70年代末提出。,92,数值分析 中边坡破坏的判据。边坡达到破坏状态时，滑动面上的位移将产生突变，产生很大的且无限制的塑性流动，有限元计算都不收敛，因此采用力或位移不收敛作为边坡破坏的判据是合理的。,边坡失稳后形成的直线滑动面,有争议，完善中,93,数值分析 强度折减法的优越性。（1）具有数值分析方法的优点；（2）能算出无支护情况下边坡滑动面与稳定安全系数。,滑动面为一局部塑性应变剪切带，在水平位移突变的地方,94,（3）能对有支护情况下边坡进行稳定性评价。,不加锚杆时的塑性区 加锚杆时的塑性区,边坡稳定安全系数为1.1,有锚杆支护时安全系数为1.5,95,（4）能根据岩土介质与支挡结构共同作用计算出支挡结构的内力。（5）能模拟施工过程。,96,数值分析 强度折减系数法精度分析,（1）要有一个成熟的数值分析 程序；（2）可供实用的弹塑性模型和强度屈服准则；（3）计算范围、边界条件、网格划分要满足计算要求；,应用数值分析强度折减法需要满足的条件：,97,屈服准则的影响,模型：理想弹塑性体.准则：莫尔库仑（近似）；德鲁克普拉格（DP）外角圆、内角圆；等面积圆；平面应变莫尔库仑匹配圆内切圆（正交）、匹配圆（非正交）；平面上的屈服曲线。,平面上的屈服曲线,98,（）稳定系数法 超载系数（加载系数、荷载增量系数）,超载法是在假定边坡岩体强度参数不变的前提下，逐级增加荷载，通过量测边坡临界失稳相应荷载与边坡正常工作荷载之比来推求稳定系数。,99,（5）设计（允许）安全系数,在边坡稳定性分析中,边坡稳定与否,常用稳定（安全）系数表示。稳定（安全）系数的定义为滑坡体上滑动面的抗滑力与滑动力之比。安全系数大于1,意味着边坡是稳定的;小于1则是不稳定的;等于1时说明边坡处于临界状态。由于稳定性计算中含有若干不确定性,为保证设计的边坡处于稳定状态,应使计算的安全系数大于1,以使其具有一定的安全储备,也就是要规定一个设计限值。计算的边坡稳定（安全）系数与设计（允许）安全系数（一般由规范规定）进行对比的方法来加以判断，当边坡稳定系数大于设计安全系数时边坡安全稳定，否则，就认为是不稳定、不安全的。,100,（5）设计（允许）安全系数,香港边坡岩土工程手册）推荐的边坡稳定系数值设计（允许）安全系数。,101,（5）设计（允许）安全系数,我国大陆相关规范规定的边坡稳定系数值设计（允许）安全系数。,102,（5）设计（允许）安全系数,取值规律建议的Fs值多取在l.051.50之间；新设计边坡Fs的取值大于己有边坡稳定演算时的值；造成生命财产损失风险高的边坡取值大于风险低的值；要求长期保持稳定边坡的取值大于要求短期保持稳定边坡的值；采用峰值抗剪强度参数计算时取大值采用残余抗剪强度参数计算时取小值；Fs取值时需要考虑所采用的计算方法及勘察（包括试验）资料的可靠性。,103,（6）其他方法可靠度及风险分析法,稳定（安全）系数法是一种基于极限平衡理论的定数论方法,它未考虑边坡体的可变性。然而,恰恰是这种可变性妨碍了边坡稳定性的精确程度,造成某些设计计算是稳定的边坡,却发生了不稳定。,104,6、边坡稳定性分析实例 实例1：,重庆石板坡边坡立体绿化工程稳定性分析,105,工程概况,106,107,立体绿化分三个层次：第一个层次是边坡基部绿化，主要是利用基部人行道上绿化带，补植高大、直立的常绿乔木。第二层次是边坡绿化，主要是利用边坡有一定宽度的自然台阶，用普通砖砌筑高3040公分栽植藤蔓植物及低矮花灌木。第三层次是边坡顶部绿化，主要是利用顶部居住群与便道之间的大块空地，开辟修建绿带，种植大乔木。设置一休闲观景平台。,108,剖面图（部分）,109,边坡稳定性分析方法,边坡稳定性分析采用了规范法进行支护设计验算(极限平衡分析)及数值模拟分析二种方法进行综合评价。（1）极限平衡分析按照重庆市地方规范建筑边坡支护技术规范（DB5050182001）中的有关规定，对施加绿化工程荷载后的边坡支护设计进行复核验算(极限平衡分析)。（2）数值模拟分析,110,地质条件、边坡支护设计概况及计算参数,地质条件 石板坡边坡场地属丘陵河流侵蚀地貌，为黄花园大桥石板坡立交的北侧，原地形起伏较大，为陡崖、悬崖及阶梯状陡边坡，地面标高在221.40253.22m之间，最大高差31.82m。场地地层自上而下按堆积年代主要有第四系松散沉积和侏罗系中统沙溪庙组岩层。第四系松散土层包括填筑土和厚度约01.65m的残坡积粉质粘土层；侏罗系中统沙溪庙组砂、泥岩互层，产状较缓，倾向135，倾角16。场地位于川东弧形构造带龙王洞背斜东翼，岩质边坡主要发育有三组软弱结构面，两组“X”节理和岩层面，其产状分别为：I组22065、II组29070，III组（层面裂隙）13516。场地内无断裂构造、滑坡等不良地质现象。地下水主要补给来源于大气降水和少量生活废水，由于坡度较大，大部地段覆盖层较薄，岩层的倾向与坡向同向斜交，坡体不具地下水赋存条件，勘察钻孔中未见地下水。,111,边坡支护设计概况,112,计算参数,113,计算荷载,立体绿化分三个层次进行，对原有边坡稳定性构成影响的是第二、三层次的绿化荷载。据绿化设计资料，第二层次的绿化作用于边坡的台阶上，绿化荷载为：22kN/m30.4m=8.8kPa，考虑施工影响，取为8.82=17.6kPa。第三层次的绿化作用于边坡的顶部，绿化荷载主要是种植的大乔木、修建的观景平台及人群荷载，考虑施工影响，总体荷载可取为：14kN/m22=28kPa（相当于两层砖混房屋的荷重）。,114,边坡支护设计验算结果分析(极限平衡分析),115,极限平衡分析,116,边坡稳定性数值模拟分析,计算方案、网格划分及边界条件,117,绿化工程实施前边坡的竖向位移分布等值线图,绿化工程实施后边坡的竖向位移分布等值线图,118,绿化工程实施前边坡的水平位移分布等值线图,绿化工程实施后边坡的水平位移分布等值线图,119,绿化工程实施前边坡大主应力等值线图,绿化工程实施后边坡大应力等值线图,120,绿化工程实施前的拉应力、塑性点分布图,绿化工程实施后的拉应力、塑性点分布图,121,最大不平衡力历时曲线图,122,滑坡工程稳定性分析,实例2：,123,工程概况:工程地质条件,（1）地形及地貌 长江横贯万州城区，地貌特征为沿河谷地势低缓，向南北两岸地势则逐渐增高。主峰高达2118m，相对高差500800m，局部地带可达10001500m，属高中山深切河谷区，区域地形地貌受岩性及构造的控制，背斜呈长条状低中山，两侧则形成梳状及块状中、低山。台状山地与条状山涧为宽谷丘陵。地壳的间歇性抬升。在长江两岸造就了多级平台及河流阶地、断续分布于长江两岸。（2）地层及岩性 区内出露地层为侏罗系和第四系地层。而测区出露基岩为侏罗系上统遂宁组(J3S1)和中统上沙溪庙组(J2S3)地层。1）第四系：成因分为滑坡堆积（Qdel），残坡堆积（Qel+dl）及人工堆积（Qml）。2）基岩：出露基岩为侏罗系中统上沙溪庙组第三段(J2S3)中上部地层，为一套以紫红色为主的碎屑岩相沉积。岩性以紫红色粘土岩为主。其次为泥质粉砂岩与紫灰色长石砂岩。侏罗上统遂宁组(J3S1)的地层，岩性为黄褐色粘土岩与长石砂岩不等厚互层。,124,滑带土的物理力学性质,125,岩土物理力学指标建议值,126,滑坡灾害体基本特征及稳定性分析,滑坡灾害体基本特征,分布特征、规模及主要变形特征,（1）分布特征、规模,127,裂缝示意,128,滑体变形特征,滑体变形破坏主要产生于滑体东部，顺新建移民小区公路外侧分布，形成东西宽约250m、纵向长150m的变形破坏区。古滑体分为未变形区（I）、轻微变形区（II）、弱变形区（III）和强变形区（IV）四个区域，如图所示。,129,变形区,130,滑坡体稳定性评价,计算剖面选用地质剖面33,经计算，其稳定系数FOS=1.1246，稳定系数大于1，表明轻微变形区整体是处于稳定状态。其公路内侧房屋的轻微变形是由于弱变形区发生滑动，导致12条块处地下水位下降，使12、11条块渗透压力增大所至。通过分析，万州区大河坝滑坡整体是稳定的，人工活动和雨季水的作用是滑坡体局部变形失稳的诱发因素。弱变形区的变形是自身的稳定性差，它的变形或蠕滑受轻微变形区的影响较小。,131,滑坡数值模拟分析,滑坡稳定性数值分析方法较多，如有限单元法、边界元法、有限差分法等，但目前而言，有限单元法在滑坡稳定计算中是最为成熟而广泛应用，因此应用平面弹塑性有限元法对治理与不治理两种情况位移应力情况作一简单分析比较，以研究治理工程的效果。,数值模拟方法的选择,132,计算参数、计算模型及数值模拟网格划分,计算采用Ansys软件进行平面计算分析，岩土材料强度准则采用D-P准则，抗滑桩假设为弹性体，计算参数是根据勘察成果及经验进行取值,133,网格单元划分,计算中取3-3地质剖面作为典型计算剖面，整个范围长192.75m，最高为49.41m，滑带土取0.3m厚，单元采用三角形六节点单元，有限元网格划分有2347个单元，节点总数为4902个，网格单元划分情况如图。,模型的左右边界的水平位移被约束，底面边界沿垂直方向约束位移。地表建筑荷载，砖混每层每平方米14kN，即四层为56kN/m2。有限元计算分步、分工况进行，以模拟天然状态下和饱和状态无抗滑设施的边坡情况，及有抗滑设施的边坡情况。,134,计算结果分析,天然状态下的水平位移及竖向位移等值线云图。由图中可知，古滑体岩土在自重及地表荷载继续作用下，产生的最大水平位移及竖向位移分别为8.6cm和39.3cm。,135,上图为天然状态下边坡岩土体产生的塑性区情况图，从图结果中可以看出，在地表荷载作用下的古滑体内部产生了一定的塑性变形。,136,饱和状态下无抗滑设施时,左图分别是饱和状态下无抗滑设施时的水平位移及竖向位移等值线云图。由图中可知，古滑体岩土在降雨时，岩土性质进一步弱化，物理力学参数降低，在自重及地表荷载继续作用下，从而使建筑场地范围内地基土发生了较大位移，最大的水平位移及竖向位移分别为26.8cm和56.8cm，饱和状态条件下比天然状态条件下的水平位移及竖向位移新增值分别为18.6cm和17.5。由此也说明了水对岩土体的弱化作用致使古滑体的进一步滑移，且直接导致了建筑场地范围内地基土的变形不均衡，致使房屋及公路路面开裂。,137,饱和状态下无抗滑设施时,上图为饱和状态下无抗滑设施时岩土体产生的塑性区分布图，从图中可以看出，岩土体性质在弱化后，在建筑场地范围内地基土的塑性变形进一步扩大化，基本贯穿了地表建筑物附加应力作用范围。由此可见，该滑坡若不治理，其后果是非常严重的。,138,饱和状态下设了抗滑桩时的水平位移及竖向位移等值线云图,139,饱和状态下、设置抗滑桩后,由图可知，在临近建筑场地设置了抗滑桩后，即使古滑体岩土在降雨时，岩土性质进一步弱化，物理力学参数也随之降低，在自重及地表荷载继续作用下，岩土体继续要发生变形，但由于抗滑桩的有效阻滑作用，从而使建筑场地范围内地基土的位移比无抗滑结构时的位移发生了很大的变化，古滑体前缘的水平位移成了整个位移场中的最大水平位移，而建筑场地范围内地基土的水平方向和竖向方向的位移最大值分别为9.3cm和40.6cm，比天然状态下的位移分别新增0.7cm和1.3cm。显然，设置抗滑桩后其治理效果是明显的，且由于滑坡治理是综合治理，排水治理必将是有效的，因此，经治理后，即使在降雨条件下，岩土体的弱化现象是必将是有限的，所以滑坡工程综合治理效果将是显而易见的。,140,实例强度折减法,141,边坡在强度折减下的渐进破坏过程,142,实例4超载法,重庆市桂花园小区旧城改造工程计划修建5幢12层的高层住宅楼，总建筑面积近二万平方米。建筑物下面五层为钢筋混凝土剪力墙结构，上面七层为砖混结构。建筑场地位于嘉陵江东岸的岸坡顶部，场地西侧为高达2030 m的陡崖边坡，坡面倾角为6080。,场地西侧为厚层及巨厚层状砂岩与薄层砂质泥岩的嘉陵江陡峭岸坡，具有高、陡、长的特点。但崖坡的倾向与岩层倾向近于正交，岩层在崖坡剖面上的视倾角仅56，且向内倾，沿岩层层面的稳定性较好。陡崖顶部边缘附近较发育的裂隙，虽与边坡平行，倾向与边坡坡向一致，但裂隙倾角大于边坡坡面倾角，不会在陡崖面上出露，形成下滑楔体。,143,实例4超载法,计算方案为分析坡顶修建高层建筑情况下边坡的失稳过程及破坏规律，计算分步进行，采用超载法进行数值模拟。模拟计算分三步进行：第一步：模拟坡顶建房前边坡的应力场、位移场；第二步：作用上部建筑物实际荷载；第三步：逐步加大坡顶建筑物荷载，直至破坏。,144,实例4超载法 拟采用的安全控制指标,主要根据边坡的整体稳定和局部稳定两个方面确定：1)边坡整体剪切破坏模式的安全控制指标。以边坡关键承载区损伤度，即以塑性区在承载区开展度来判断。边坡关键承载区是指坡顶建筑基底至坡脚间的岩体。塑性区主要是坡顶拉应力区拉裂破坏塑性区和坡脚剪切破坏塑性区。在坡顶加载的情况下，主要根据坡脚剪切破坏塑性