土质边坡稳定分析原理方法课件.ppt

1、边坡稳定分析方法和程序边坡稳定分析方法和程序 水利水电工程滑坡案例分析和加固方法的新进展 岩土材料的抗剪强度理论和设计指标 土质边坡稳定分析的原理和方法 岩质边坡稳定分析的原理和方法 边坡稳定分析程序使用方法简介Bishop法Morgenstern-Price法传递系数法Sarma法能量法楔体稳定分析法土质边坡稳定分析的土质边坡稳定分析的极限平衡分析方法极限平衡分析方法 严格方法严格方法 简化方法简化方法 圆弧滑裂面圆弧滑裂面-Fellemnius,Bishop 任意形状滑裂面任意形状滑裂面 工程师团法工程师团法,Lowe-Karafiath,简化简化Janbu法法,传递系数法传递系数法 Fc

2、ceFetantanenectan边坡稳定极限平衡法（垂直条分法边坡稳定极限平衡法（垂直条分法)Conditions of Physical AdmissibilityFXzycEFavavv)(tanzyzyAtc00)cos(cossinGQTN0)sin()(sincosGxqWTN)()sin()cos(xpGdxddxdGee)cos(cossecsinsec)sin()()(eeeeuedxdWcdxdWrqdxdWxpForce Equilibrium AnalysisMoment Equilibrium Analysis0sin)21(cos21)()(cos()(tttthd

3、xdWxGyyyGyyyyyGGtthdxdWGydxdGdxdyG)cos()cos(sinbaxsxp0)()(baeMdxxtxsxp0)()()()()(tanxfxfoxaeedddxs)tan(exp)sec()(xaaeddddxt)tan(exp)tancos(sin)(Solutions to the Force and Moment Equilibrium EquationsChen&Morgenstern,1983nnnnnnnniiiMFGFMGGMMGFFF1nnnnnnnniiiMFGFMGFGMFMG1badxxsxpFG)()(),(badxxtxsxpFM)(

4、)()(),(Iteration by the Newton-Raphson MethodSpencer 法0d/dxbaexxp 0d)sec()(baexyxxp 0d)cossin)(sec()(tan基本假定力平衡力平衡力矩平衡力矩平衡迭代步迭代步GnMnF 1-.570101E+03.341694E+06.122454E+01.293377E+002.549303E+02-.212623E+05.119380E+01.252562E+003-.161491E+01.751152E+02.119598E+01.254412E+004-.193615E-01.103906E+01.119

5、594E+01.254435E+00 浸润线 Example:The Clay Deposit of the Zipingpu ReservoirNndNnuQRWxcQrWF11sinsectansin)sec(cosNndNnuQRWFxcrWF11sin)/tantan1(/sectan)1(Sweden MethodBishops simplified method圆弧滑裂面的简化方法圆弧滑裂面的简化方法a2)()cos(cossecsinsec)sin()()cos()sec(eeeeeReRLeLQxc xuVWGGbaxsxp0)()(Corps of Engineers Met

6、hodLowe&Karafiath MethodSolutions任意形状滑裂面的简化方法任意形状滑裂面的简化方法11,tan)sincos()cossin(iieeiiiiiiieiiiiiiGQLuWLcQWG)sin(tan)cos(111,iieiiiie )cossin(tan)sincos(11nijjiiiinininijjiiiiiiiiQWLcQLuWF11tan)sincos()cossin(iiiiiiiiiiiiiiiGQLuWLcQWFG传递系数法隐式隐式显式显式有关问题的讨论有关问题的讨论 关于稳定分析中考虑渗透力的问题 坡外有水情况的处理;上、下游水位的处理 稳定

7、渗流条件下孔隙水压力的简化处理 拉力缝关于稳定分析中考虑渗透力的问题关于稳定分析中考虑渗透力的问题关于研究对象的讨论 在进行边坡稳定分析时，首先需要解决一个研在进行边坡稳定分析时，首先需要解决一个研究对象问题。即当分析一个土体或土条的力学究对象问题。即当分析一个土体或土条的力学平衡时，是把土和水的混合体当作研究对象，平衡时，是把土和水的混合体当作研究对象，还是把土骨架作为分析对象。近代土力学的回还是把土骨架作为分析对象。近代土力学的回答是可以把土骨架作为分析对象，也可以把包答是可以把土骨架作为分析对象，也可以把包括水在内的浸水土体作为研究对象。许多学者括水在内的浸水土体作为研究对象。许多学者（

8、TaylorTaylor，19481948；中濑敏男，；中濑敏男，19721972）把浸水土体当作研究对象0UGWWbaD把土骨架当作研究对象0GDWWabwbWWWbD计算渗透力的公式VvddDgradwdhuwVwwVvv dgrad dWUdDD计算渗透力的公式VwwVvv dgrad dWUdD0GDWWabwbWWWb0UGWWba1)bhb浮力；2)Jbhw渗透力。将土骨架作为研究对象将土骨架作为研究对象sin)(tancosbhbcbhFbwb将水、土混合体作为研究对象将水、土混合体作为研究对象1)土条自重 bhWbw)(；2)条间作用力 E 应平行于边坡，并有E=0，X=0。s

9、intanWbcNFcoscosbhUWNb有关问题的讨论有关问题的讨论 关于稳定分析中考虑渗透力的问题 坡外有水情况的处理;上、下游水位的处理 稳定渗流条件下孔隙水压力的简化处理 拉力缝坡外有水时的处理坡外有水时的处理坡外有水时的处理坡外有水时的处理有关问题的讨论有关问题的讨论 关于稳定分析中考虑渗透力的问题 坡外有水情况的处理;上、下游水位的处理 稳定渗流条件下孔隙水压力的简化处理 拉力缝稳定渗流条件下孔隙水压力的简化处理上、下游水位的处理有关问题的讨论有关问题的讨论 关于稳定分析中考虑渗透力的问题 坡外有水情况的处理;上、下游水位的处理 稳定渗流条件下孔隙水压力的简化处理 拉力缝)245

10、tan(2cht关于拉力缝的处理关于拉力缝的处理State of the art:Limit equilibrium and finite element analysis of slopes.Duncan,J.M.Journal of Geotechnical Engineering.1996.Vol.122,No.7,July.577-596.关于极限平衡方法的适用范围的讨论关于极限平衡方法的适用范围的讨论 传统的瑞典法在平缓边坡高孔隙水压情传统的瑞典法在平缓边坡高孔隙水压情况下进行有效应力法分析时是非常不准况下进行有效应力法分析时是非常不准确的。确的。该法的安全系数在该法的安全系数在“=

11、0”=0”分析中分析中是完全精确的，对于园弧滑裂面的总应是完全精确的，对于园弧滑裂面的总应力法可得出基本正确的结果。此法的数力法可得出基本正确的结果。此法的数值分析不存在问题。值分析不存在问题。Bishop简化法在所有情况下都是精确的(除了遇到数值分析困难情况外)，其局限性表现在仅适用于园弧滑裂面以及有时会遇到数值分析问题，如果使用 Bishop简化法计算获得的安全系数反而比瑞典法小，那么可以认为Bishop法中存在数值分析问题。在这种情况下，瑞典法的结果比 Bishop法好。基于这个原因，同时计算瑞典法和 Bishop法，比较其结果，也许是一个好主意。仅使用静力平衡的方法的结果对所假定的条间

12、力方向极为敏感，条间力假定不合适将导致安全系数严重偏离正确值。与其它考虑条间作用力方向的方法一样，这个方法也存在数值分析问题。满足全部平衡条件的方法满足全部平衡条件的方法(如如JanbuJanbu法，法，SpencerSpencer法法)在任何情况下都是精确的在任何情况下都是精确的(除除非遇到数值分析问题非遇到数值分析问题)。这些方法计算的。这些方法计算的成果相互误差不超过成果相互误差不超过12%12%，相对于一般可，相对于一般可认为是正确的答案的误差不会超过认为是正确的答案的误差不会超过6%6%，所有这些方法都有数值分析问题。所有这些方法都有数值分析问题。金河土堤的稳定分析金河土堤的稳定分析

13、 Case Method Sweden Bishop Lowe 1 使 用 实 际 重使 用 实 际 重,实 际 孔 压实 际 孔 压 -0.149 1.024 1.003 2 使 用 浮 重使 用 浮 重,超 孔 压超 孔 压,考 虑 了 负考 虑 了 负面 积面 积 0.583 1.021 0.922 3 使 用 浮 重使 用 浮 重,超 孔 压超 孔 压,未 考 虑 负未 考 虑 负面 积面 积 0.576 1.002 0.897 采用不同处理方案的安全系数采用不同处理方案的安全系数 63.2 70.9 81.1 95.2 117.6说明简化方法误差的一个算例说明简化方法误差的一个算例

14、相应不同孔压系数和圆弧中心角的安全系数相应不同孔压系数和圆弧中心角的安全系数NOTE：Bishop 法法,Sweden法法,(a)ru=0.0;(b)ru=0.2;(c)ru=0.4;(d)ru=0.6;22.22.42.62.8360708090100110120中心角（度）安全系数1.71.92.12.32.560708090100110120中心角（度）安全系数1.21.41.61.8260708090100110120中心角（度）安全系数0.70.91.11.360708090100110120中心角（度）安全系数(a)(b)(c)(d)泰安抽水蓄能上池面板坝泰安抽水蓄能上池面板坝 F

15、 FS S=l.44,=l.44,F FB B=1.10,=1.10,Relative difference=24%Relative difference=24%。葛孝椿，1999,怀洪新河某堤段滑坡前的稳定分析与滑坡后的验证,岩土工程学报，21卷,1期，115-118编 号K N/m3ckP a度119.1 11 1.026.0213.032.670317.12272.84 F0.0 1.0 1 31.5 5*1.0 2 75.0 1.0 7 01 0.0 1.1 4 71 5.0 1.2 3 22 0.0 1.3 4 1安 全 系 数 初 始 滑 裂 面临 界 滑 裂 面01.8021.5

16、3452.0211.605102.3211.687152.7061.78320-1.898M orgenstern-P rice 法1.9671.638L ow e-K arafiath 法1.5491.546Comparisons of factors of safety-Xiaolangdi Dam临界滑裂面：临界滑裂面：1.1.毕肖普法，毕肖普法，F F=1.046=1.046；2.2.瑞典法瑞典法,F F=0.786=0.786花桥水库大坝加固下游坝坡稳定分析花桥水库大坝加固下游坝坡稳定分析仅满足静力平衡条件的简化法仅满足静力平衡条件的简化法对传递系数法的讨论1.当滑面较陡时土条侧向力

17、倾角不合理2.滑裂面转折时土条侧向力倾角发生突变 63.2 70.9 81.1 95.2 117.6考察传递系数法误差的一个算例考察传递系数法误差的一个算例 表表 8.1 比比 较较 传传 递递 系系 数数 法法 的的 计计 算算 精精 度度 传 递 系 数 法 显 式 传 递 系 数 法 隐 式 ru 圆 弧 中 心 角 Fb Ft1(Fb-Ft1)/Fb Ft2(Fb-Ft2)/Fb 0 117.600 3.020 4.421 -46.4%3.025 -0.2%95.200 2.614 3.199 -22.4%2.620 -0.2%81.100 2.451 2.800 -14.2%2.45

18、6 -0.2%70.900 2.371 2.613 -10.2%2.375 -0.2%63.200 2.332 2.514 -7.8%2.335 -0.1%0.2 117.600 2.444 3.483 -42.5%2.442 0.1%95.200 2.121 2.552 -20.3%2.127 -0.3%81.100 1.994 2.252 -12.9%2.001 -0.4%70.900 1.936 2.115 -9.2%1.942 -0.3%63.200 1.910 2.045 -7.1%1.915 -0.3%0.4 117.600 1.876 2.546 -35.7%1.872 0.2%

19、95.200 1.634 1.905 -16.6%1.643 -0.6%81.100 1.542 1.703 -10.4%1.552 -0.6%70.900 1.504 1.616 -7.4%1.513 -0.6%63.200 1.490 1.576 -5.8%1.498 -0.5%0.6 117.600 1.325 1.608 -21.4%1.327 -0.2%95.200 1.157 1.258 -8.7%1.176 -1.6%81.100 1.098 1.155 -5.2%1.118 -1.8%70.900 1.078 1.118 -3.7%1.095 -1.6%63.200 1.076

20、 1.107 -2.9%1.091 -1.4%注：Fb,Ft1和 Ft2分 别 为 使 用 毕 肖 普 法，传 递 系 数 法 显 式 和 隐 式 的 安 全 系 数。()F00.8 6 91 01.1 8 82 01.6 7 43 02.5 2 0M o rg e n ste rn1.4 7 0简 化 法 11.4 9 0传 递 系 数 法2.0 3 8不同方法计算小浪底左岸出口边坡 c()0 1 0 2 0 3 0 S p e n c e r法 S a r ma 法 传递系数法 显式 传递系数法 隐式 F 0.8 6 9 1.1 8 8 1.6 7 4 2.5 2 0 1.4 7 0 1.

21、6 9 1 -5.1 4 2 7.4 5 8 文件 n-x l d.d a t n-x l d.e mu n-x l d 1.d a t n-x l d 2.d a t 不同方法计算小浪底左岸出口边坡 标准 名称 编号 方法 国家标准 建筑地基设计规范 GB 5007-2002 隐式 国家标准 岩土工程勘察规范.GB 50021-94 显式 国家标准 建筑边坡工程技术规范.GB50330-2002 显式 行业标准 公路路基设计规范 JTJ013-95 隐式 行业标准 铁路路基支挡结构设计规范 JB10025-2001 显式 行业标准 水利边坡设计规范（送审稿）隐式 我国规定使用传递系数法的规范 软弱夹层mmyxyxyxFF,2211搜索临界滑裂面的最优化方法211 Broken line mode,Fm=1.489;2 Smooth curve mode,Fo=1.364使用光滑曲线模拟滑裂面搜索临界滑裂面的最优化方法搜索临界滑裂面的最优化方法 模式搜索法模式搜索法 牛顿法牛顿法 随机搜索法随机搜索法确定临界滑裂面的随机搜索法确定临界滑裂面的随机搜索法 随机搜索区域 1 2临界滑裂面 Fm=1.364