水工建筑物專題邊坡穩(wěn)定分析

1、水工建筑物專題水工建筑物專題主主 講：康講：康 飛飛2022-7-5tancc、tan=()tanccuc、u一、一般情況下的無粘性土土坡一、一般情況下的無粘性土土坡 由于無粘性土土粒之間無粘聚力，因此，由于無粘性土土粒之間無粘聚力，因此，只要位于坡面上的土單元體能夠保持穩(wěn)定，則只要位于坡面上的土單元體能夠保持穩(wěn)定，則整個土坡就是穩(wěn)定的。整個土坡就是穩(wěn)定的。一、一般情況下的無粘性土土坡一、一般情況下的無粘性土土坡 對于均質(zhì)無粘性土坡，理論上只要坡角小于土的內(nèi)對于均質(zhì)無粘性土坡，理論上只要坡角小于土的內(nèi)摩擦角，土體就是穩(wěn)定的。摩擦角，土體就是穩(wěn)定的。F FS S=1=1時，土體處于極限平衡時，土

2、體處于極限平衡狀態(tài)，此時土坡的坡角就等于無粘性土的內(nèi)摩擦角，也狀態(tài)，此時土坡的坡角就等于無粘性土的內(nèi)摩擦角，也稱休止角。稱休止角。粘性土土坡條分法粘性土土坡條分法 粘性土由于土粒間存在粘聚力，發(fā)生滑坡時是整塊粘性土由于土粒間存在粘聚力，發(fā)生滑坡時是整塊土體向下滑動。土體向下滑動。假定滑坡體和滑面以下土體均為不變形假定滑坡體和滑面以下土體均為不變形的剛體的剛體，滑面為不連續(xù)面滑面為不連續(xù)面，滑面上各點的法向應(yīng)力采用，滑面上各點的法向應(yīng)力采用條分法獲得，分析每一土條受力，條分法獲得，分析每一土條受力，假定整個滑面上各點假定整個滑面上各點的安全系數(shù)相等的安全系數(shù)相等，根據(jù)滑塊剛體極限平衡條件，確定安

3、，根據(jù)滑塊剛體極限平衡條件，確定安全系數(shù)。全系數(shù)。fsF平均抗剪強度平均抗剪強度平均剪應(yīng)力平均剪應(yīng)力條分法示意圖條分法示意圖條分法受力分析條分法受力分析 將土坡作為平面問題，對每個土條可分別列兩個正將土坡作為平面問題，對每個土條可分別列兩個正交方向的靜力平衡方程和一個力矩平衡方程交方向的靜力平衡方程和一個力矩平衡方程 ，n個土條個土條共共3n個方程，未知數(shù)多個方程，未知數(shù)多n-2個，為超靜定問題，需增加方個，為超靜定問題，需增加方程個數(shù)或減少未知數(shù)。程個數(shù)或減少未知數(shù)。條分法未知數(shù)統(tǒng)計條分法未知數(shù)統(tǒng)計瑞典條分法：假設(shè)滑動面為圓弧面，不考慮條間力，即瑞典條分法：假設(shè)滑動面為圓弧面，不考慮條間力，

4、即Ei=Xi=0，減少，減少3n-3個未知數(shù)；個未知數(shù)；簡化的簡化的Bishop條分法：假設(shè)滑動面為圓弧面，切向條間力條分法：假設(shè)滑動面為圓弧面，切向條間力Xi=0，減少，減少n-1個未知數(shù)；個未知數(shù)；楊布條分法：假設(shè)滑動面為任意面，條間法向作用力的作用楊布條分法：假設(shè)滑動面為任意面，條間法向作用力的作用點在滑面以上點在滑面以上1/3土條高度處，減少土條高度處，減少n-1個未知數(shù)；個未知數(shù)；其他條分法：假設(shè)滑面為任意面，法向條間力和切向條間力其他條分法：假設(shè)滑面為任意面，法向條間力和切向條間力之間為某種函數(shù)關(guān)系，減少之間為某種函數(shù)關(guān)系，減少n-1個未知數(shù)。個未知數(shù)。一、基本假設(shè)和基本公式一、基

5、本假設(shè)和基本公式1.1.基本假設(shè)基本假設(shè)滑動面為圓弧面滑動面為圓弧面滑動土體為剛體滑動土體為剛體不考慮土條間的作用力，即認不考慮土條間的作用力，即認為左右兩端作用力的合力為一對為左右兩端作用力的合力為一對平衡力，作用相互抵消。平衡力，作用相互抵消。瑞典條分法受力分析瑞典條分法受力分析根據(jù)靜力平衡條件根據(jù)靜力平衡條件根據(jù)摩爾根據(jù)摩爾- -庫倫強度理論庫倫強度理論整個滑動土體對圓心整個滑動土體對圓心O O取力矩平衡得取力矩平衡得安全系數(shù)安全系數(shù) 當已知土條當已知土條i在滑動面上的孔隙水應(yīng)力在滑動面上的孔隙水應(yīng)力ui時，上式可時，上式可改寫為如下有效應(yīng)力進行分析的公式：改寫為如下有效應(yīng)力進行分析的公

6、式： 瑞典圓弧法忽略了條間力的作用，不能滿足所有靜瑞典圓弧法忽略了條間力的作用，不能滿足所有靜力平衡條件，計算安全系數(shù)一般比其他較嚴格的方法偏力平衡條件，計算安全系數(shù)一般比其他較嚴格的方法偏低低10%-20%，在滑弧圓心角較大，且孔隙水壓力較大時，在滑弧圓心角較大，且孔隙水壓力較大時，計算安全系數(shù)可能比其他較嚴格的方法小一半。計算安全系數(shù)可能比其他較嚴格的方法小一半。二、成層土和坡頂有超載時安全系數(shù)計算二、成層土和坡頂有超載時安全系數(shù)計算成層土計算圖示成層土計算圖示有超載計算圖示有超載計算圖示 有超載時，只要將超載分別加到有關(guān)土條的重有超載時，只要將超載分別加到有關(guān)土條的重量中去即可。量中去即

7、可。三、有地下水和穩(wěn)定滲流時安全系數(shù)計算三、有地下水和穩(wěn)定滲流時安全系數(shù)計算部分浸水土坡的安全系數(shù)，其計算公式與成層土坡完全部分浸水土坡的安全系數(shù)，其計算公式與成層土坡完全一樣，只要將坡外水位以下土的重度用浮重度一樣，只要將坡外水位以下土的重度用浮重度代替即可。代替即可。P1P1、P2P2的合力與的合力與Gw1Gw1大小相大小相等，方向相反，這相當于等，方向相反，這相當于水下土條按浮重度計算。水下土條按浮重度計算。 當水庫蓄水或庫水降落，或碼頭岸坡處于低潮位而地下當水庫蓄水或庫水降落，或碼頭岸坡處于低潮位而地下水位又比較高，或基坑排水時，都要產(chǎn)生滲流而經(jīng)受滲流力水位又比較高，或基坑排水時，都要

8、產(chǎn)生滲流而經(jīng)受滲流力的作用，在進行土坡穩(wěn)定分析時必須考慮它的影響。的作用，在進行土坡穩(wěn)定分析時必須考慮它的影響。四、考慮地震作用時安全系數(shù)計算四、考慮地震作用時安全系數(shù)計算 在地震區(qū)，由于地殼的振動而引起動力作用，將影響到在地震區(qū)，由于地殼的振動而引起動力作用，將影響到邊坡的穩(wěn)定性，在分析時必須予以考慮。根據(jù)規(guī)范推薦的方邊坡的穩(wěn)定性，在分析時必須予以考慮。根據(jù)規(guī)范推薦的方法，采用擬靜力法。法，采用擬靜力法。 假定在地震時每一土條重心處作用著一個水平向的地震假定在地震時每一土條重心處作用著一個水平向的地震慣性力，對于設(shè)計烈度為慣性力，對于設(shè)計烈度為8 8，9 9度的建筑物，則同時還要加上度的建筑

9、物，則同時還要加上一個豎向的地震慣性力。由于這兩個慣性力的影響，邊坡的一個豎向的地震慣性力。由于這兩個慣性力的影響，邊坡的安全系數(shù)將減小。安全系數(shù)將減小。3.5 3.5 邊坡穩(wěn)定分析程序?qū)崿F(xiàn)邊坡穩(wěn)定分析程序?qū)崿F(xiàn)-SLOPE/W-SLOPE/W一、一、GeoStudioGeoStudio軟件簡介軟件簡介 該軟件是全球著名的加拿大巖土軟件開發(fā)商該軟件是全球著名的加拿大巖土軟件開發(fā)商GEO-GEO-SLOPESLOPE公司在七十年代開發(fā)的面向巖土、采礦、交通、水公司在七十年代開發(fā)的面向巖土、采礦、交通、水利等領(lǐng)域的一套仿真分析軟件。是全球最知名的巖土工利等領(lǐng)域的一套仿真分析軟件。是全球最知名的巖土工

10、程分析軟件之一。共有程分析軟件之一。共有8 8個模塊，常用的有下面四個。個模塊，常用的有下面四個。SLOPE/W-SLOPE/W-邊坡穩(wěn)定分析邊坡穩(wěn)定分析SEEP/W-SEEP/W-滲流分析滲流分析SIGMA/W-SIGMA/W-應(yīng)力變形分析應(yīng)力變形分析QUAKE/W-QUAKE/W-地震反應(yīng)分析地震反應(yīng)分析GeoStudioGeoStudio軟件主界面，輔助工具軟件主界面，輔助工具“有道桌面詞典有道桌面詞典”有道桌面詞典主窗口有道桌面詞典主窗口SLOPE/WSLOPE/W主界面主界面二、瑞典圓弧法邊坡穩(wěn)定分析例二、瑞典圓弧法邊坡穩(wěn)定分析例1 1 邊坡分為兩層，坡面長高比為邊坡分為兩層，坡面長

11、高比為2:12:1（水平：豎向）。（水平：豎向）。上層土厚度上層土厚度5m5m，坡面總高度，坡面總高度10m10m?？紫端畨毫l件由圖。孔隙水壓力條件由圖中虛線表示。土層的強度參數(shù)如圖所示。中虛線表示。土層的強度參數(shù)如圖所示。 目標：采用瑞典圓弧法計算邊坡安全系數(shù)并確定滑目標：采用瑞典圓弧法計算邊坡安全系數(shù)并確定滑動面位置。動面位置。瑞典圓弧法例瑞典圓弧法例1 11.1.創(chuàng)建一個新的項目創(chuàng)建一個新的項目2.2.分析設(shè)定分析設(shè)定3.3.設(shè)置工作區(qū)域尺寸設(shè)置工作區(qū)域尺寸選擇選擇SetSet下拉菜單中的下拉菜單中的PagePage選項，彈出如下對話框選項，彈出如下對話框4.4.設(shè)置比例設(shè)置比例選擇選

12、擇SetSet下拉菜單中的下拉菜單中的Set Units and ScaleSet Units and Scale選項，選項，彈出如下對話框彈出如下對話框5.5.設(shè)置繪圖網(wǎng)格設(shè)置繪圖網(wǎng)格選擇選擇SetSet下拉菜單中的下拉菜單中的GridGrid選項，彈出如下對話框選項，彈出如下對話框?qū)R到網(wǎng)格對齊到網(wǎng)格選上這兩個復(fù)選框選上這兩個復(fù)選框設(shè)置完以后的窗口設(shè)置完以后的窗口6.6.繪制坐標軸繪制坐標軸選擇選擇SketchSketch下拉菜單中的下拉菜單中的AxesAxes選項，或點擊菜單欄選項，或點擊菜單欄Sketch AxesSketch Axes按鈕，按鈕， 彈出如下對話框彈出如下對話框選擇選擇

13、OK,OK,鼠標變?yōu)槭中?，窗口狀態(tài)中顯示出鼠標變?yōu)槭中停翱跔顟B(tài)中顯示出Sketch AxesSketch Axes，表明目前正在進行的操作為繪制坐標軸。表明目前正在進行的操作為繪制坐標軸。改變坐標軸字體大小改變坐標軸字體大小選擇選擇ViewView下拉菜單中的下拉菜單中的PreferencesPreferences選項，彈出如下對話框選項，彈出如下對話框改變字體改變字體7.7.繪制模型繪制模型繪制第一個材料區(qū)繪制第一個材料區(qū)繪制第二個材料區(qū)繪制第二個材料區(qū)單擊右鍵，結(jié)束操作，并點擊單擊右鍵，結(jié)束操作，并點擊Zoom ObjectiveZoom Objective按鈕按鈕8.8.定義材料屬

14、性定義材料屬性在在KeyinKeyin下拉菜單中選擇下拉菜單中選擇MaterialsMaterials選項，在彈出的對話框選項，在彈出的對話框中點擊中點擊AddAdd，添加材料。，添加材料。9.9.給材料區(qū)域賦值給材料區(qū)域賦值在在DrawDraw下拉菜單中選擇下拉菜單中選擇MaterialsMaterials選項。選項。同樣將同樣將LowerLower賦值給第二個材料區(qū)域，單擊右鍵結(jié)束操作。賦值給第二個材料區(qū)域，單擊右鍵結(jié)束操作。10.10.繪制孔隙水壓力線繪制孔隙水壓力線在在DrawDraw下拉菜單中選擇下拉菜單中選擇Pore water pressurePore water pressur

15、e選項。選項。11.11.繪制滑動面入口和出口范圍繪制滑動面入口和出口范圍為了控制滑動面的位置，在滑動面設(shè)置中有很多選項可以為了控制滑動面的位置，在滑動面設(shè)置中有很多選項可以選擇，其中一個方便的選項就是定義滑動面的入口和出口選擇，其中一個方便的選項就是定義滑動面的入口和出口范圍。在入口和出口間可以產(chǎn)生無數(shù)的滑動面，范圍。在入口和出口間可以產(chǎn)生無數(shù)的滑動面，SLOPE/WSLOPE/W能能夠根據(jù)入口和出口范圍自動搜索最危險滑動面。夠根據(jù)入口和出口范圍自動搜索最危險滑動面。選擇選擇DrawDraw下拉菜單中的下拉菜單中的Slip SurfaceSlip Surface，在彈出的子菜單中，在彈出的子

16、菜單中選擇選擇Entry and ExitEntry and Exit。12.12.模型檢驗?zāi)Ｐ蜋z驗所有的模型參數(shù)定義完之后，要檢查模型是否定義正確，確保以后的所有的模型參數(shù)定義完之后，要檢查模型是否定義正確，確保以后的計算正常進行。計算正常進行。13.13.保存模型保存模型 現(xiàn)在已經(jīng)完成了模型的繪制和參數(shù)的設(shè)置，選擇現(xiàn)在已經(jīng)完成了模型的繪制和參數(shù)的設(shè)置，選擇FileFile菜單下的菜單下的SaveSave來保存文件，或者來保存文件，或者Save asSave as另存為一個文件。另存為一個文件。14.14.計算求解計算求解用用SLOPE/WSLOPE/W的求解函數(shù)，計算邊坡的安全系數(shù)。的求解函數(shù)，計算邊坡的安全系數(shù)。選擇選擇ToolsTools下拉菜單中的下拉菜單中的Solve analysesSolve analyses，彈出如下對話框，彈出如下對話框點擊點擊StartStart開始求解，求解完成后顯示如下對話框開始求解，求解完成后顯示如下對話框關(guān)閉求解對話框關(guān)閉求解對話框15.15.查看結(jié)果查看結(jié)果ContourContour函數(shù)可以采用圖形化的方式