邊坡穩(wěn)定性分析.ppt

1、3.1 邊坡穩(wěn)定性分析概述3.2 土質邊坡穩(wěn)定性分析3.3 巖質邊坡穩(wěn)定性分析3.4 規(guī)范的一些規(guī)定,第三章 邊坡穩(wěn)定性分析,邊坡穩(wěn)定性分析定性方法 邊坡穩(wěn)定性分析定量方法 邊坡穩(wěn)定極限平衡分析的條分法,3.1 邊坡穩(wěn)定性分析概述,邊坡穩(wěn)定性分析方法簡介,對于大型或地質條件復雜的邊坡，其穩(wěn)定性分析一般分兩階段(定性+定量)進行。 第階段(定性) ，對初勘所取得的地質資料進行研究，由于這階段試驗資料少，多用定性分析對邊坡穩(wěn)定性作出估計，分析時應按不同的構造區(qū)段及邊坡的不同方位分別進行； 第二階段(定量) ，對經上階段分析認為是不穩(wěn)定的或不滿足規(guī)范安全系數要求的邊坡進行詳勘，取得包括巖土或軟弱結構

2、面強度、地下水流和水壓等方面的資料后，經定量分析對邊坡穩(wěn)定性作出判斷,3.1 邊坡穩(wěn)定性分析概述,對于新設計的大型邊坡，根據建筑設計對邊坡的要求及邊坡的荷載情況，分別預選23個坡角并按坡高段進行穩(wěn)定性驗算，作出包括開挖、支護費用在內的技術經濟比較，然后從中選出最優(yōu)的坡角、坡形。 目前，針對不同類型的邊坡，已經提出一種或多種分析方法。在具體應用中，根據具體邊坡工程地質條件，選取一種或幾種方法進行綜合分析,3.1 邊坡穩(wěn)定性分析概述,定性方法,包括地質分析法(歷史成因分析、過程機制分析)、工程地質類比法、圖解法、 邊坡穩(wěn)定專家系統(tǒng)等,3.1 邊坡穩(wěn)定性分析概述,1)地質分析法(歷史成因分析法、過程

3、機制分析法,根據邊坡的地形地貌形態(tài)、地質條件和邊坡變形破壞的基本規(guī)律，追溯邊坡演變的全過程，預測邊坡穩(wěn)定性發(fā)展的總趨勢及其破壞方式，從而對邊坡的穩(wěn)定性做出評價；對已發(fā)生過滑坡的邊坡，則判斷其能否復活或轉化,3.1 邊坡穩(wěn)定性分析概述,定義：該法是將已有的天然邊坡或人工邊坡的研究經驗(包括穩(wěn)定的或破壞的)，用于新研究邊坡的穩(wěn)定性分析，如坡角或計算參數的取值(如坡率法)、邊坡的處理措施等。 類比法具有經驗性和地區(qū)性的特點，應用時必須全面分析已有邊坡與新研究邊坡兩者之間的地貌、地層巖性、結構、水文地質、自然環(huán)境、變形主導因素及發(fā)育階段等方面的相似性和差異性，同時還應考慮工程的規(guī)模、類型及其對邊坡的特

4、殊要求等,2)工程地質類比法(定性,3.1 邊坡穩(wěn)定性分析概述,根據經驗，存在下列條件時對邊坡的穩(wěn)定性不利： 邊坡及其鄰近地段已有滑坡、崩塌、陷穴等不良地質現象存在。 巖質邊坡中有頁巖、泥巖、片巖等易風化、軟化巖層或軟硬交互的不利巖層組合。 土質邊坡中裂隙發(fā)育、有軟弱夾層，或邊坡由膨脹土等不良巖土構成。 軟弱結構面與坡面傾向一致且結構面傾角小于坡角，或基巖面傾向坡外且傾角較小。 地層滲透性差異大，地下水在弱透水層或基巖面上積聚流動；斷層及裂隙中有承壓水出露。 水流沖刷坡腳或因河水位急劇升降引起岸坡內動水力的強烈作用。 邊坡處于強震區(qū)或鄰近地段采用大爆破施工,3.1 邊坡穩(wěn)定性分析概述,注意：采

5、用工程地質類比法選取的經驗值(如坡角、計算參數等)僅能用于地質條件簡單的中、小型邊坡。下表是可供選取的邊坡坡度容許值,巖質和土質邊坡允許坡度值(道路規(guī)范,3.1 邊坡穩(wěn)定性分析概述,注：使用本表時應考慮地區(qū)性水文、氣象等條件，結合具體情況予以修正。本表不適用于巖層層面或主要節(jié)理面有順坡向滑動可能的邊坡,土的飽和度Sr ：土中孔隙水的體積與孔隙總體積之比，以百分數表示. 飽和度描述土中孔隙被水充滿的程度。干土Sr=0,飽和土Sr=100,3.1 邊坡穩(wěn)定性分析概述,3) 圖解法,用一定的曲線和圖形來表征邊坡有關參數之間的定量關系，由此求出邊坡穩(wěn)定性系數，或已知穩(wěn)定系數及其它參數（f 、c、r、結

6、構面傾角、坡角、坡高）僅一個未知的情況下，求出穩(wěn)定坡角或極限坡高。這是力學計算的簡化,圖解法可以分為兩類,不同條件下均質巖坡 坡高與坡角關系曲線,3.1 邊坡穩(wěn)定性分析概述,利用圖解求邊坡變形破壞的邊界條件，分析軟弱結構面的組合關系，為力學計算創(chuàng)造條件。常用的有赤平極射投影分析法及實體比例投影法。 赤平極射投影分析法、實體比例投影法與摩擦圓等方法用于巖質邊坡的穩(wěn)定分析，可快速、直觀地分辨出控制邊坡的主要和次要結構面，確定出邊坡結構的穩(wěn)定類型，判定不穩(wěn)定塊體的形狀、規(guī)模及滑動方向。 對用圖解法判定為不穩(wěn)定的邊坡，需進一步用計算加以驗證。下面簡要介紹利用赤平極射投影圖初步判斷邊坡穩(wěn)定性,3.1 邊

7、坡穩(wěn)定性分析概述,3.1 邊坡穩(wěn)定性分析概述,當結構面的傾向與坡面傾向相反時，邊坡為穩(wěn)定結構。 當結構面的傾向與坡面傾向基本一致但其傾角大于坡角時，邊坡為基本穩(wěn)定結構。 當結構面的傾向與坡面傾向之間夾角小于30且傾角小于坡角時，邊坡為不穩(wěn)定結構。 下圖為1組結構面構成的邊坡赤平極射投影,1組結構面構成的邊坡 (a)不穩(wěn)定結構；(b)基本穩(wěn)定結構；(c)、(d)穩(wěn)定結構；(e)不穩(wěn)定結構,3.1 邊坡穩(wěn)定性分析概述,2組結構面構成的邊坡 (a)不穩(wěn)定結構；(b)基本穩(wěn)定結構；(c)穩(wěn)定結構,下圖為2組結構面構成的邊坡赤平極射投影,3.1 邊坡穩(wěn)定性分析概述,3組結構面構成的邊坡 (a)不穩(wěn)定結構

8、；(b)基本穩(wěn)定結構；(c)不穩(wěn)定結構；(d)基本穩(wěn)定結構；(e)穩(wěn)定結構,下圖為3組結構面構成的邊坡赤平極射投影,3.1 邊坡穩(wěn)定性分析概述,工程地質領域最早研制出的專家系統(tǒng)是用于地質勘察的專家系統(tǒng) Propecter，由斯坦福大學于70年代中期完成的。 在國內，許多單位進行了相關研究工作，并取得了較多的成果。專家系統(tǒng)使得一般工程技術人員在解決工程地質問題時能象有經驗的專家給出比較正確的判斷并做出結論，因此，專家系統(tǒng)的應用為工程地質的發(fā)展提供了一條新思路,4)邊坡穩(wěn)定專家系統(tǒng),3.1 邊坡穩(wěn)定性分析概述,實質是一種半定量的方法，雖然評價結果表現為確定的數值，但最終判定仍依賴人為的判斷。目前，

9、所有定量的計算方法都是基于定性方向之上,極限平衡法在工程中應用最為廣泛，這個方法早期以摩爾庫侖抗剪強度理論為基礎，將滑坡體劃分為若干條塊(主要為垂直條分)，建立作用在這些條塊上的力的平衡方程式，求解安全系數,1)極限平衡法,3.1 邊坡穩(wěn)定性分析概述,定量分析方法,垂直條分法就是將滑動土體豎直分成若干土條，把土條當成剛體，分別求作用于各土條上的力對圓心的滑動力矩(或力)和抗滑力矩(或力) ，然后求土坡的穩(wěn)定安全系數,條間切向力,3.1 邊坡穩(wěn)定性分析概述,極限平衡方法，沒有象傳統(tǒng)的彈、塑性力學那樣引入應力應變關系來求解本質上為靜不定的問題，而是直接對某些多余未知量作假定，使得方程式的數量和未知

10、數的數量相等，因而使問題變得靜定可解。 根據邊坡破壞的邊界條件，應用力學分析的方法，對可能發(fā)生的滑動面，在各種荷載作用下進行理論計算和抗滑強度的力學分析。通過反復計算和分析比較，對可能的滑動面給出穩(wěn)定性系數。 目前，剛體極限平衡方法已經從二維發(fā)展到三維,3.1 邊坡穩(wěn)定性分析概述,剛體極限平衡分析方法很多，在處理上，各種條分法在以下幾個方面引入簡化條件： (a) 對滑裂面的形狀作出假定，如假定滑裂面形狀為折線、圓弧、對數螺旋線等；(b) 放松靜力平衡要求，求解過程中僅滿足部分力和力矩的平衡要求；(c) 對多余未知數的數值和分布形狀做假定。 該方法比較直觀、簡單，對大多數邊坡的評價結果比較令人滿

11、意。 該方法的關鍵在于對滑體的范圍和滑面的形態(tài)進行分析、正確選用滑面計算參數、正確分析滑體的各種荷載。 基于該原理的方法很多，如Bishop法、Janbu法、M-P法、不平衡傳遞系數法等,3.1 邊坡穩(wěn)定性分析概述,常見條分法及其相應的假定,陸軍工程師團法、羅厄法、通用(或稱廣義)Janbu法、GLE法等,3.1 邊坡穩(wěn)定性分析概述,主要是利用某種方法求出邊坡的應力分布和變形情況，研究巖體中應力和應變的變化過程，由此判斷邊坡的穩(wěn)定性。主要有以下幾種,2)數值分析方法,有限單元法（FEM） 該方法是目前應用最廣泛的數值分析方法。其解題步驟已經系統(tǒng)化，并形成了很多通用的計算機程序。 其優(yōu)點是部分地

12、考慮了邊坡巖體的非均質、不連續(xù)介質特征，考慮了巖體的應力應變特征，因而可以避免將坡體視為剛體、過于簡化邊界條件的缺點，能夠接近實際地從應力應變分析邊坡的變形破壞機制，對了解邊坡的應力分布及應變位移變化很有利,3.1 邊坡穩(wěn)定性分析概述,快速拉格朗日有限差分法(FLAC,FLAC（Fast Lagrangian Analysis of Continue）由美國Itasca Consulting Group，Inc.為地質工程應用而開發(fā)的連續(xù)介質顯式有限差分計算程序，主要適用模擬計算巖土工程地質材料的力學行為，特別是材料達到屈服極限后產生的塑性流動,FLAC程序建立在拉格朗日算法基礎上，特別適合模

13、擬大變形及扭曲變形。FLAC程序設有多種本構模型，可解算地質類材料的高度非線性(包括應變硬化/軟化)、 不可逆剪切破壞、粘彈(蠕變)、孔隙 介質的固流耦合、熱力耦合 以及動力學行為等,3.1 邊坡穩(wěn)定性分析概述,該方法只需對已知區(qū)的邊界極限離散化，因此具有輸入數據少的特點。 由于對邊界極限離散，離散化的誤差僅來源于邊界，區(qū)域內的有關物理量是用精確的解析公式計算的，故邊界元法的計算精度較高，在處理無限域方面有明顯的優(yōu)勢。 其不足之處為：一般邊界元法得到的線性方程組的關系矩陣是不對稱矩陣，不便應用有限元中成熟的 對稱矩陣的系列解法。另外，邊界元法 在處理材料的非線性和嚴重不均勻的邊 坡問題方面，遠

14、不如有限元法,邊界單元法（BEM,3.1 邊坡穩(wěn)定性分析概述,是由Cundall（1971）首先提出的。該方法利用中心差分法解析動態(tài)松弛求解，為一種顯式解法，不需要求解大型矩陣，計算比較簡便，其基本特征在于允許各個離散塊體發(fā)生平動、轉動、甚至分離，彌補了有限元法或邊界元法的介質連續(xù)和小變形的限制。因此，該方法特別適合塊裂介質 的大變形及破壞問題的分析。其缺點是 阻尼系數難以確定等。 離散單元法可以直觀地反映巖體變化 的應力場、位移場及速度場等各個參量的 變化，可以模擬邊坡失穩(wěn)的全過程,離散元法(UDEC-DEM,3.1 邊坡穩(wěn)定性分析概述,是由Goodman和Shi（1985）提出的，該方法利

15、用拓撲學和群論評價三維不連續(xù)巖體穩(wěn)定性。 該法建立在構造地質和簡單的力學平衡計算的基礎上。利用塊體理論能夠分析節(jié)理系統(tǒng)和其它巖體不連續(xù)系統(tǒng)，找出沿規(guī)定臨空面巖體的臨界塊體。塊體理論為三維分析方法，隨著關鍵塊體類型的確定，能找出具有潛在危險的關鍵塊體在臨 空面的位置及其分布。 塊體理論不提供大變形下的解答，能 較好地應用于選擇邊坡開挖的方向和形狀,塊體理論(BT,3.1 邊坡穩(wěn)定性分析概述,無粘性土坡穩(wěn)定性分析 邊坡穩(wěn)定極限平衡分析的條分法,3.2 土質邊坡穩(wěn)定性分析,無粘性土坡穩(wěn)定性分析,1）微單元A自重: W=V,2）沿坡滑動力,3）對坡面壓力,由于無限土坡兩側作用力抵消,4）抗滑力,5）抗

16、滑安全系數,W,T,N,坡與水平夾角為 砂土內摩擦角為,W,R,N,A,3.2 土質邊坡穩(wěn)定性分析,破壞形式：表面淺層滑動,當=時，Fs=1.0，天然休止角,安全系數與土容重無關,與所選的微單元大小無關,思考：在干坡及靜水下坡中， 如不變，Fs有什么變化,坡內任一點或平行于坡的任一滑裂面 上安全系數Fs都相等,3.2 土質邊坡穩(wěn)定性分析,有沿坡滲流情況,正常蓄水土壩下游,水位驟降的土壩上游,逸出段,3.2 土質邊坡穩(wěn)定性分析,A,1) 自重,滲透力： （方向：平行于土坡,2) 滑動力,3) 抗滑力,4) 抗滑安全系數,取微單元 A，以土骨架為隔離體,l,h,J,J,3.2 土質邊坡穩(wěn)定性分析,

17、討論,意味著原來穩(wěn)定的坡，有沿坡滲流時可能破壞,與所選V大小無關，亦即在這種坡中各點安全系數相同,與容重有關,與無滲流比較Fs減小近一倍,3.2 土質邊坡穩(wěn)定性分析,其它,1) 與坡面成一定角度,2) 垂直向內滲流,3) 部分浸水無粘性土坡,4) 非線形強度指標的影響,3.2 土質邊坡穩(wěn)定性分析,粘性土坡的穩(wěn)定分析(邊坡穩(wěn)定極限平衡分析的條分法,破壞特點,由于存在粘聚力C，與無粘性土坡不同； 其危險滑裂面位置在土坡深處； 對于均勻土坡，在平面應變條件下，其滑動面可用一圓?。▓A柱面）近似,思考： 為什么粘性土坡通常不會發(fā)生表面滑動,3.2 土質邊坡穩(wěn)定性分析,1 整體圓弧滑動法（瑞典Petter

18、son） 2 瑞典條分法（瑞典Fellenius） 3 畢肖普法（ Bishop） 4 Janbu法 5 不平衡推力傳遞法 6 Sarma方法 7 Spencer方法 8 Morgenstern-Price方法 9 陳祖煜的通用條分法,計算方法,3.2 土質邊坡穩(wěn)定性分析,1 整體圓弧滑動法（瑞典圓弧法,均質土,二維,圓弧滑動面,滑動土體呈剛性轉動,在滑動面上處于極限平衡條件,假設條件,3.2 土質邊坡穩(wěn)定性分析,平衡條件（各力對圓心O的力矩平衡,1) 滑動力矩,3) 安全系數,2) 抗滑力矩,d,3.2 土質邊坡穩(wěn)定性分析,均勻粘性土坡 =0時,最危險滑動面確定,3.2 土質邊坡穩(wěn)定性分析,

19、公路路基設計手冊路基,3.2 土質邊坡穩(wěn)定性分析,討論,1 當 0 時，n 是 l(x,y) 的函數，無法得到 Fs 的理論解,2 其中圓心 O 及半徑 R 是任意假設的，還必須計算若干組（O, R）找到最小安全系數 最可能滑動面,3 適用于飽和軟粘土，即 =0 情況,3.2 土質邊坡穩(wěn)定性分析,2 條分法的基本原理及分析,源起,整體圓弧法 ： n 是 l(x,y) 的函數,思路,離散化,分條,條分法,3.2 土質邊坡穩(wěn)定性分析,安全系數定義,Ti,Ni,3.2 土質邊坡穩(wěn)定性分析,1) 極限平衡假設：當坡體的強度指標降低F倍以后，坡體內存在一達到極限平衡狀態(tài)的滑面，滑體處于臨界失穩(wěn)狀態(tài)。其中

20、，F為坡體的安全系數。 (2) 條塊剛性假設：對滑體進行條分后，各條塊為剛性塊體，只發(fā)生整體運動而不產生條塊內部的變形,極限平衡重直條分法的基本假設,3.2 土質邊坡穩(wěn)定性分析,極限平衡方程的求解,對于有n個條塊的滑體來說，在極限平衡狀態(tài)下，滑體的未知量有： (1) 安全系數Fs，1個； (2) 條塊底面上的法向力Ni ，切向力Si及合力作用點，共3n個； (3) 條分面上的法向力Ei ，切向力Xi及合力作用點，共3n-3個； 因此，整個滑體就有6n-2個未知量,3.2 土質邊坡穩(wěn)定性分析,Pi,Hi,Ti,Ni,i,hi+1,Wi,Pi+1,Hi+1,未知數,條塊剪力作用點位置2(n-1)+

21、(n-1) 3n-3,滑動面上的力作用點位置3n,安全系數 F 1,6n-2,hi,3.2 土質邊坡穩(wěn)定性分析,而對于每一個條塊而言，可以建立的方程有4個，其中三個為平衡方程,另一個為在滑面上滿足摩爾庫侖準則的破壞方程,3.2 土質邊坡穩(wěn)定性分析,Pi,Hi,Ti,Ni,i,hi+1,Wi,Pi+1,Hi+1,方程數,靜力平衡力矩平衡3n,滑動面上極限平衡條件n,4n,未知數方程數2n-2,hi,3.2 土質邊坡穩(wěn)定性分析,已知量：4n個 未知量：6n-2個 2n-2個,這是一個超靜定問題，求解此方程組有兩條途徑： (1) 引入變形協(xié)調條件，增加方程數； (2) 通過對多余變量或相互之間的關系

22、進行假定，以減少變量數。 極限平衡法常采用第二種方法求解，并且一致認可當條塊寬度足夠小時，可以認為底滑面合力作用點位于底滑面中心，這就減少了n個未知量。 目前的極限平衡各種算法的不同之處也就在于對其余n-2個變量的處理上,3.2 土質邊坡穩(wěn)定性分析,常見條分法及其相應的假定,陸軍工程師團法、羅厄法、簡化Janbu法、GLE法等,3.2 土質邊坡穩(wěn)定性分析,根據極限平衡垂直條分法所滿足的平衡條件，將極限平衡條分法分為4 大類： (1) M類：僅考慮對選定求矩中心的力矩平衡 (2) VM 類：考慮垂直方向力的平衡和對選定求矩中心的力矩平衡 (3) HV 類：考慮水平方向力的平衡和垂直方向力的平衡

23、(4) HVM 類：考慮所有平衡條件 其中，M 類(瑞典法)有顯式解，VM 類(簡化Bishop 法)有隱式的安全系數表達式，迭代并不困難,3.2 土質邊坡穩(wěn)定性分析,3 瑞典條分法（簡單條分法、費倫紐斯法,忽略所有條間作用力：2(n-1)+(n-1) 3n-3,4n-3,假定滑動面上作用點位置：n,未知數: 2n+1 方程數: 4n,假定,圓弧滑裂面；不考慮條間力,3.2 土質邊坡穩(wěn)定性分析,徑向力平衡,極限平衡條件,整體對圓心的力矩平衡,滑動力矩=抗滑力矩,顯式 表達,3.2 土質邊坡穩(wěn)定性分析,3.2 土質邊坡穩(wěn)定性分析,圓心 O，半徑 R（如圖,分條：b=R/10,編號：過圓心垂線為

24、0# 條中線,列表計算 li Wi i,變化圓心 O 和半徑 R,Fs 最小,END,計 算 步 驟,3.2 土質邊坡穩(wěn)定性分析,最危險滑動面確定,3.2 土質邊坡穩(wěn)定性分析,瑞典條分法的討論,1) 一些平衡條件不能滿足,未知數: 2n+1 方程數: 4n,對0#土條,0,3.2 土質邊坡穩(wěn)定性分析,瑞典條分法的討論,2) 假設圓弧滑裂面，與實際滑裂面有差別,忽略條間力，使得計算安全系數 Fs 偏小 假設圓弧滑裂面，使 Fs 偏大,最終結果是 Fs 偏小， 越大 Fs 越偏小,一般情況下，Fs偏小 10% 左右,工程應用中偏于安全,3.2 土質邊坡穩(wěn)定性分析,方法的特點,1) 忽略條間力的作用

25、 (2) 滿足滑動土體整體力矩平衡條件 (3) 不滿足條塊的靜力平衡條件 (4) 滿足極限平衡條件 (5) 得到的安全系數偏低，誤差偏于安全,3.2 土質邊坡穩(wěn)定性分析,或,3.2 土質邊坡穩(wěn)定性分析,3.2 土質邊坡穩(wěn)定性分析,3.2 土質邊坡穩(wěn)定性分析,4 簡化畢肖甫（Bishop）法,忽略條間切向力：n-1,2n-1,假定滑動面上作用點位置：n,未知數: 4n-1 方程數: 4n,假定,圓弧滑裂面；條間力切向力=0,3.2 土質邊坡穩(wěn)定性分析,Fz=0,極限平衡條件,方程組求解，得到,3.2 土質邊坡穩(wěn)定性分析,整體力矩平衡,Ni 過圓心； Pi 互相抵消,licosi = bi,隱式

26、表達,3.2 土質邊坡穩(wěn)定性分析,隱式 表達,迭代法求解隱式方程的根,3.2 土質邊坡穩(wěn)定性分析,迭代法求解隱式方程的根,3.2 土質邊坡穩(wěn)定性分析,圓心 O，半徑 R,設 Fs=1.0,計算 mqi,變化圓心 O 和半徑 R,Fs 最小,END,計算,No,計 算 步 驟,3.2 土質邊坡穩(wěn)定性分析,畢肖甫法的討論,2) 大多數情況下是精確的,未知數: 4n-1 方程數: 4n,1) 假設圓弧滑裂面,3.2 土質邊坡穩(wěn)定性分析,1) 假設條塊間作用力只有法向力沒有切向力； 滿足滑動土體整體力矩平衡條件； 滿足各條塊力的多邊形閉合條件，但不滿足條塊的力矩平衡條件； (4) 滿足極限平衡條件；

27、(5) 得到的安全系數比瑞典條分法略高一點,簡化Bishop方法的特點,3.2 土質邊坡穩(wěn)定性分析,5 詹布（Janbu）法,條塊間力的作用點位置：n-1,2n-1,假定滑動面上作用點位置：n,未知數: 4n-1 方程數: 4n,推力線,假定,假定各土條間推力作用點連線為光滑連續(xù)曲線 “推力作用線,即假定了條塊間力的作用點位置,3.2 土質邊坡穩(wěn)定性分析,極限平衡條件,Fz=0,Fx=0,Ni Ti Pi,方程組求解,P1 = P1 P2 = P1 + P2 = P1 + P2 Pj = Pi ( i=1, j ) Pn = Pi = 0 ( i=1, n,與 Hi 有關，但 Hi 可以通過每

28、個土條的力矩平衡由 hi 得到,3.2 土質邊坡穩(wěn)定性分析,詹布法的討論,1) 任意形狀滑裂面，不一定是圓弧,未知數: 4n-1 方程數: 4n,2) 計算較復雜,3.2 土質邊坡穩(wěn)定性分析,幾種方法總結,3.2 土質邊坡穩(wěn)定性分析,3.2 土質邊坡穩(wěn)定性分析,3.2 土質邊坡穩(wěn)定性分析,邊坡工程作業(yè)-瑞典條分法計算邊坡安全系數,基本條件,3.2 土質邊坡穩(wěn)定性分析,作 業(yè) 要 求,1.僅計算沿通過坡腳的滑面產生滑動時的安全系數； 2.僅取一個圓心進行計算，但要求圓心與O點距離為10-15m(不能為整數)，且保留2位小數(為學號末兩位數)； 3.條塊數不少于8塊； 4.要求用Autocad作圖

29、，便于準確計算； 5.作業(yè)提交打印版(原始條件、計算過程、相關圖表等)，并注明：學號+姓名,3.2 土質邊坡穩(wěn)定性分析,平面滑動分析 多平面滑動分析,3.3 巖質邊坡穩(wěn)定性分析,一般情況下：現實工程中滑坡的后緣出現拉裂縫,3.3 巖質邊坡穩(wěn)定性分析,平面滑移的后緣拉裂縫,3.3 巖質邊坡穩(wěn)定性分析,平面滑動分析方法,3.3 巖質邊坡穩(wěn)定性分析,傳統(tǒng)分析方法-受力條件分析,在工程使用期間，可能滑動巖體或其邊界面上承受的力的類型及大小、方向和合力的作用點統(tǒng)稱為受力條件。 邊坡巖體上承受的力常見有：巖體重力、靜水壓力、動水壓力、建筑物作用力及震動力等。 (1) 地震作用 水平地震作用：FEK=1G,

30、3.3 巖質邊坡穩(wěn)定性分析,2) 水壓力：包括滲透靜水壓力和滲透動水壓力。 靜水壓力水對巖體的靜壓力，等于巖體受到的浮力。 動水壓力與水力梯度有關，等于巖體受到的滲流阻力,3.3 巖質邊坡穩(wěn)定性分析,滑動面上的抗滑力R=Gcostgj+CjL 滑動力TGsin 穩(wěn)定性系數,傳統(tǒng)分析方法-單平面滑動計算過程,3.3 巖質邊坡穩(wěn)定性分析,滑動體極限高度Hcr為,當Cj=0，j時，Ks1,忽略滑動面上內聚力(Cj=0)時,3.3 巖質邊坡穩(wěn)定性分析,適用范圍,a) 巖石和土； b) 邊坡下滑是沿著一個相對平緩的滑動面. (像節(jié)理面、破壞面、連接縫以及巖床與浸蝕巖之間的分界面類型的一些不連續(xù)結構面)；

31、 c) 破壞面應該近似平行于滑坡面； d) 破壞面的傾角應該小于滑坡面的傾角,平面滑動計算方法,3.3 巖質邊坡穩(wěn)定性分析,基本假設,1) 滑體沿滑動面做剛體下滑。 (2) 滑塊不發(fā)生剛體轉動。 (3) 假定作用在滑塊上的所有力都通過質心。 (4)滑動面上的所有點都處于臨界破壞狀態(tài)。 (5) 滑面上力的分布是均勻的。 (6) 沿著整個破壞面的巖體強度是相等的。 (7) 滑塊側面的阻力可以忽略不計,3.3 巖質邊坡穩(wěn)定性分析,安全系數計算公式,3.3 巖質邊坡穩(wěn)定性分析,計算包括 ,水壓力 外部力和地震力 主動或被動錨固力,3.3 巖質邊坡穩(wěn)定性分析,典型的平面幾何,1. 滑坡的表面 2. 破壞

32、面 3. 上表面 4. 張裂縫 (可選擇的,坡面傾角、邊坡高度、滑體重量 上表面傾角及其寬度 (可選擇的) 破壞面的傾角及其粗糙程度 破壞面的強度 張裂縫的角度、位置(可選擇的) 水壓力 地震系數 外部力,計算要素,3.3 巖質邊坡穩(wěn)定性分析,計算過程,1)滑體重量,沒有張裂縫的情況,已知參數: H邊坡高度 邊坡角 上表面傾角 滑面傾角 O原點 巖塊的比重,未知參數: B邊坡面與上表面的交點 C滑面線與上表面線的交點 N邊坡坡面長度，即OB的長度 MBC長度 LOC的長度 A楔體面積 W楔體重量,3.3 巖質邊坡穩(wěn)定性分析,應用矢量相加計算L和M的長度,得出以下兩個方程,由方程(4)得,將(5

33、)代入(3)得,1) (2) (3) (4) (5) (6,3.3 巖質邊坡穩(wěn)定性分析,由方程(3)得,通過方程(6)和(7)計算L和M。不用方程(5)，因為當=0時，無法計算出M,面積計算,計算過程,1.計算N (通過方程(1) 2.計算B (通過方程(2) 3.計算L (通過方程(6) 4.計算M (通過方程(7) 5.計算C (通過方程(8) 6.計算A (通過方程(9) 7.計算W (通過方程(10,7,8,9,10,3.3 巖質邊坡穩(wěn)定性分析,有張裂縫的情況,已知參數 H邊坡高度 邊坡傾角 滑面傾角 上表面傾角 T張裂縫距邊坡面的距離 張裂縫傾角 O原點(0,0) 巖塊重量,未知參數

34、 B邊坡面與上表面的交點 C張裂縫與上表面線的交點 D滑面線與張裂縫的交點 NOB的長度 MBC長度 LOD的長度 QDC的長度 A楔體面積 W楔體重量,3.3 巖質邊坡穩(wěn)定性分析,和沒有張裂縫的情況類似,得,然后計算D、Q、L,由方程(15)，(16)得,或,13,14,15,16,17,3.3 巖質邊坡穩(wěn)定性分析,和,由方程(17)和(18)得出計算Q的式子,面積及體積計算,計算過程,1.計算N (通過方程(1) 2.計算B (通過方程(2) 3.計算C (通過方程(13) 4.計算M (通過方程(14) 5.計算Q (通過方程(19) 6.計算L (通過方程(17) 7.計算D (通過方

35、程(16) 8.計算A (通過方程(20) 9.計算W (通過方程(10,18,19,20,3.3 巖質邊坡穩(wěn)定性分析,2)水壓力計算,水壓力峰值邊坡中部高度,水壓力分布形式,3.3 巖質邊坡穩(wěn)定性分析,水壓力峰值坡腳,3.3 巖質邊坡穩(wěn)定性分析,水壓力峰值張裂縫底部,3.3 巖質邊坡穩(wěn)定性分析,水壓力分布自定義,3.3 巖質邊坡穩(wěn)定性分析,地下水充填率=50% (峰值位于邊坡中部、底部及拉裂縫底部,3.3 巖質邊坡穩(wěn)定性分析,無張裂縫情況,條件1：邊坡中間高度處水壓力最大,3.3 巖質邊坡穩(wěn)定性分析,條件 2：坡腳處水壓力最大,3.3 巖質邊坡穩(wěn)定性分析,有張裂縫情況,條件1：邊坡中間高度處

36、水壓力最大,3.3 巖質邊坡穩(wěn)定性分析,3.3 巖質邊坡穩(wěn)定性分析,3.3 巖質邊坡穩(wěn)定性分析,條件2：邊坡坡腳處水壓力最大,3.3 巖質邊坡穩(wěn)定性分析,條件3：張裂縫底部水壓力最大,3.3 巖質邊坡穩(wěn)定性分析,3)外力計算,外力相當于一預應力錨桿，使用主動錨固模型,外力,3.3 巖質邊坡穩(wěn)定性分析,4)地震力計算,3.3 巖質邊坡穩(wěn)定性分析,5)錨固力計算,被動錨固力,式中K = 被動錨固力,主動錨固力,3.3 巖質邊坡穩(wěn)定性分析,6)主動水壓力計算,主動水壓力(張裂縫,V=張裂縫水壓力,3.3 巖質邊坡穩(wěn)定性分析,7)滑面受力計算,滑動面上的法向力與切向力,僅考慮主動力,3.3 巖質邊坡穩(wěn)

37、定性分析,8)滑面抗剪力及安全系數,滑動面上的抗剪力,安全系數,3.3 巖質邊坡穩(wěn)定性分析,9)滑面強度準則,在前述計算過程中采用的強度準則為莫爾庫侖準則,巴頓準則 巴頓強度模型確定的滑動面上的剪切強度為,其它可供使用的強度準則,3.3 巖質邊坡穩(wěn)定性分析,廣義Hoek-Brown 準則確定強度根據下列公式,指數曲線,3.3 巖質邊坡穩(wěn)定性分析,1) 錨桿通過承載力和定位(角度)影響安全系數。 2) 錨固承載力和定位作為矢量，僅作用于滑體形心作用到模型中。 3) 多個錨桿可以用一個具有相等總容許力和方位的等效錨桿代替,10)錨桿承載力和定位,3.3 巖質邊坡穩(wěn)定性分析,11)錨固長度和位置,1

38、) 只要錨桿穿過滑動面，全部的錨桿承載力都發(fā)揮作用。 (2) 但是, 如果錨桿的錨固長度=0(例如錨桿沒有穿過滑面), 那么在計算模型中錨桿將沒有作用-錨桿的錨固力為零。 (3) 錨桿位置對計算結果沒有影響，因為始終其假定作用于滑體型心,3.3 巖質邊坡穩(wěn)定性分析,一般情況下，安全系數采用抗滑力(粘聚力、摩擦角引起)和滑動力(包括塊體重力、地震力、水載荷)的比值進行定義。 主動支護指在安全系數的計算中降低下滑力。 預應力錨索或巖石錨桿在邊坡變形前即已施加荷載，故認為是主動支護方法,12)主動和被動錨固模型,3.3 巖質邊坡穩(wěn)定性分析,被動支護假定在安全系數計算公式中表現為增加抗滑力的形式。 非

39、預應力錨索和注漿錨桿，僅在坡體產生一定變形后產生抗力，故被認為是被動支護。 一般來說，被動支護的安全系數總是低于主動支護的安全系數,3.3 巖質邊坡穩(wěn)定性分析,當輸入參數所起作用不確定時可使用敏感性分析進行探討。 敏感性圖表是根據指定模型參數百分比的改變對安全系素的影響繪制的。 陡峭上升或下降的曲線顯示參數改變對安全系數影響較大,13)敏感性分析,3.3 巖質邊坡穩(wěn)定性分析,3.3 巖質邊坡穩(wěn)定性分析,Geometry: 邊坡高度= 80 m 巖體比重 = 2.(學號后2位) t/m3 邊坡角 = 45 滑動面傾角= 35 上部平面傾角= 25 拉裂縫傾角= 60 拉裂縫位置(離坡頂水平距離)

40、 = 30 m Strength(滑面): 強度模型: Mohr-Coulomb 摩擦角 = 30 粘結力 = 10 t/m2 Water Pressure: 水比重 = 1 t/m3 拉裂縫充水: 100% ，最大位于拉裂縫底部 滑動面無水 External Forces : 外力 = 200 t 方位角(與水平面夾角) = 30,課后作業(yè),3.3 巖質邊坡穩(wěn)定性分析,3.3 巖質邊坡穩(wěn)定性分析,平面滑動分析 多平面滑動分析,3.3 巖質邊坡穩(wěn)定性分析,雙平面滑動分析,3.3 巖質邊坡穩(wěn)定性分析,同向雙平面滑動,第一種情況為滑體內不存在結構面，視滑動體為剛體，采用力平衡圖解法計算穩(wěn)定性系數

41、第二種情況為滑體內存在結構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,滑體沿同向雙平面產生滑動，包括2種情況,3.3 巖質邊坡穩(wěn)定性分析,滑體內不存在結構面,滑體內存在結構面,3.3 巖質邊坡穩(wěn)定性分析,ABCD為可能滑動體，根據滑動面產狀分為、兩個塊體。 F為塊體對塊體的作用力，F為塊體對塊體的作用力，F和F大小相等，方向相反，其作用方向的傾角為。 滑動面AB以下巖體對塊體的反力R1(摩阻力) 與AB面法線的夾角為1,無內部結構面,3.3 巖質邊坡穩(wěn)定性分析,3.3 巖質邊坡穩(wěn)定性分析,上式F1的確定,假設F1的方向平行于滑塊1的底滑面，對于上部滑塊1,得,3.3 巖質

42、邊坡穩(wěn)定性分析,滑動體內存在結構面的情況（了解） 在滑動過程中，滑動體除沿滑動面滑動外，被結構面分割開的塊體之間還要產生相互錯動。 采用分塊極限平衡法和不平衡推力傳遞法進行穩(wěn)定性計算,BC面,BD面,AB面,3.3 巖質邊坡穩(wěn)定性分析,塊體,塊體,3.3 巖質邊坡穩(wěn)定性分析,多平面滑動(傳遞系數法,一般采用折線滑動法（傳遞系數法） 建筑邊坡規(guī)范、公路路基規(guī)范、水利規(guī)范等,3.3 巖質邊坡穩(wěn)定性分析,j塊傳遞至j+1塊 隱含假設：j塊對j+1塊的作用力方向平行于j塊底邊,3.3 巖質邊坡穩(wěn)定性分析,地下水滲透坡降,計算條塊地下水流線平均傾角，一般情況下取浸潤線傾角與滑面傾角平均值 ()，反傾時取

43、負值,3.3 巖質邊坡穩(wěn)定性分析,改進的傳遞系數法,改進的傳遞系數法亦屬剛體極限平衡分析法，基于以下6條假設： 將滑坡穩(wěn)定性問題視為平面應變問題； 平行于滑動面的剪應力和垂直于滑動面的正應力集中作用于滑動面上； 視滑坡體為理想剛塑材料，認為整個加荷過程中，滑坡體不會發(fā)生任何變形，一旦滑動面上剪應力達到其剪切強度，則滑坡體即開始沿滑動面產生剪切變形； 滑動面的破壞服從mohr-coulomb破壞準則，即滑動面強度主要受粘聚力及摩擦力控制； 條塊間的作用力合力（剩余下滑力）方向與滑動傾角一致，剩余下滑力為負值時則傳遞的剩余下滑力為零； 沿整個滑動面滿足靜力的平衡條件，但不滿足力矩平衡條件,3.3

44、巖質邊坡穩(wěn)定性分析,采用上一條塊剩余下滑力向下一條塊滑動面逐塊投影法，計算滑坡的穩(wěn)定性及滑坡推力； 滑坡推力計算滿足當剩余下滑力小于零時令其等于零的條件，即條塊之間不出現拉應力的條件,改進的傳遞系數法滑坡體單元極限平衡公式為,3.3 巖質邊坡穩(wěn)定性分析,采用上一條塊剩余下滑力向下一條塊滑動面逐塊投影法得到,注：當Ei 小于零時，令Ei =0,滑坡體單元極限平衡公式為,3.3 巖質邊坡穩(wěn)定性分析,則穩(wěn)定系數,當所有1到n-1條塊的剩余下滑均大于等于零時，利用數學歸納法可以證明,3.3 巖質邊坡穩(wěn)定性分析,設安全系數為KS，則通過各條塊的滑坡推力為,改進的傳遞系數法依據的原理正確，物理意義明確，計

45、算結果穩(wěn)定、可靠。計算的滑坡推力滿足設計要求，克服了傳統(tǒng)的傳遞系數法的不足,3.3 巖質邊坡穩(wěn)定性分析,1) 當滑面形狀不規(guī)則，局部凸起而使滑體較薄時，宜考慮從凸起部位剪出的可能性，可進行分段計算； (2) 由于不平衡推力傳遞法的計算穩(wěn)定系數實際上是滑坡最前部條塊的穩(wěn)定系數，若最前部條塊劃分過小，在后部傳遞力不大時，邊坡穩(wěn)定系數將顯著地受該條塊形狀和滑面角度影響而不能客觀地反映邊坡整體穩(wěn)定性狀態(tài)。因此，在計算條塊劃分時，不宜將最下部條塊分得太小,關于不平衡推力傳遞法，計算中應注意如下可能出現的問題,3.3 巖質邊坡穩(wěn)定性分析,3) 當滑體前部滑面較緩，或出現反傾段時，自后部傳遞來的下滑力和抗滑

46、力較小，而前部條塊下滑力可能出現負值而使邊坡穩(wěn)定系數為負值，此時應視邊坡為穩(wěn)定狀態(tài)； 當最前部條塊穩(wěn)定系數不能較好地反映邊坡整體穩(wěn)定性時，可采用倒數第二條塊的穩(wěn)定性系數，或最前部2個條塊穩(wěn)定系數的平均值,3.3 巖質邊坡穩(wěn)定性分析,一般規(guī)定 邊坡穩(wěn)定性分析定量方法 邊坡穩(wěn)定極限平衡分析的條分法,3.4 規(guī)范的一些規(guī)定,1) 選作建筑場地的自然斜坡； (2) 由于開挖或填筑形成并需要進行穩(wěn)定性驗算的邊坡； (3) 施工期出現不利工況的邊坡； (4) 使用條件發(fā)生變化的邊坡,一般規(guī)定,下列建筑邊坡應進行穩(wěn)定性評價,施工期存在不利工況的邊坡系指在建筑和邊坡加固措施尚未完成的施工階段可能出現顯著變形或

47、破壞的邊坡,3.4 規(guī)范的一些規(guī)定,1) 邊坡穩(wěn)定性狀態(tài)的定性判斷； (2) 邊坡穩(wěn)定性計算； (3) 邊坡穩(wěn)定性綜合評價； (4) 邊坡穩(wěn)定性發(fā)展趨勢分析,一、邊坡穩(wěn)定性評價應包括下列內容,3.4 規(guī)范的一些規(guī)定,二、邊坡穩(wěn)定性評價應在充分查明工程地質條件的基礎上，根據邊坡巖土類型和結構，綜合采用工程地質類比法和剛體極限平衡計算法進行。 三、對土質較軟、地面荷載較大、高度較大的邊坡，其坡腳地面抗隆起和抗?jié)B流等穩(wěn)定性評價應按現行有關標準執(zhí)行,3.4 規(guī)范的一些規(guī)定,一、在進行邊坡穩(wěn)定性計算之前，應根據邊坡水文地質、工程地質、巖體結構特征以及已經出現的變形破壞跡象， (1) 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， (2) 確定邊坡破壞的邊界范圍、邊坡破壞的地質模型， (3) 對邊坡破壞趨勢作出判斷,邊坡穩(wěn)定性分析,根據已經出現的變形破壞跡象對邊坡穩(wěn)定性狀態(tài)做出定性判斷時，應十分重視坡體后緣可能出現的微小張裂現象，并結合坡體可能的破壞模式對其成因作細致分析。 若坡體側邊出現斜列裂縫，或在坡體中下部出現剪出或隆起變形時，可做出不穩(wěn)定的判斷,3.4 規(guī)范的一些規(guī)定,1)