边坡稳定性分析方法.ppt
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1、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
2、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
3、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
4、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
5、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
6、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
7、)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
8、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 T
9、i 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
10、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
11、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
12、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
13、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
14、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
15、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
16、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
17、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
18、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
19、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
20、,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,
21、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
22、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
23、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
24、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
25、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
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