教学幻灯片-边坡工程(边坡稳定性评价分析概述)

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1、,边坡工程(2)-边坡稳定性分析评价 本章重点: 边坡稳定性分析 极限平衡法 瑞典圆弧法 Bishop条分法 Janbu条分法 不平衡推力传递系数法 土坡稳定分析中的图解法简介,边坡稳定性分析：衡量、判定边坡的稳定程度。 一般来说，如果边坡土(岩)体内部某一个面上的滑动力超过了土(岩)体抵抗滑动的能力，边坡将产生滑动，即失去稳定；如果滑动力小于抵抗力，则认为边坡是稳定的。 在工程设计中，判断边坡稳定性的大小习惯上采用边坡稳定安全系数来衡量。1955年，毕肖普(A.W.Bishop)明确了土坡稳定安全系数的定义： (2.1) 式中： 沿整个滑裂面上的平均抗剪强度； 沿整个滑裂面上的平均剪应力；

2、边坡稳定安全系数。 按照上述边坡稳定性概念，显然， 1，土坡稳定； 1，土坡失稳； =1，土坡处于临界状态。 问题的关键:如何寻求滑裂面，如何寻求滑裂面上的平均抗剪强度和平均剪应力。,2.1 概 述（1/2）,近年来，随着经济的日益发展，在诸如水电、露天采矿、能源及交通等地质工程活动领域出现了越来越多的高陡边坡；边坡往往成为制约工程是否经济合理乃至成败的重要因素。 如何经济、安全可靠地设计合理的边坡工程或分析评价天然边坡的稳定性，其重大的意义越发显得突出。 建筑边坡工程技术规范GB50330-2002第5.1.1规定：下列建筑边坡应进行稳定性评价： (1)选作建筑场地的自然斜坡； (2)由于开

3、挖或填筑形成并需要进行稳定性验算的边坡； (3)施工期出现不利工况的边坡； (4)使用条件发生变化的边坡。,2.1 概 述（2/2）,评价方法,定量分析,定性分析,自然(成因)历史分析法 工程类比法 边坡稳定性分析数据库和专家系统 图解法：赤平极射投影、实体比例投影、摩擦圆法,极限平衡分析法 数值分析方法 模型模拟试验法等。,2.1 边坡稳定性分析评价方法概述(1/19),1、定性分析方法 定性分析方法主要是通过工程地质勘察，对影响边坡稳定性的主要因素、可能的变形破坏方式及失稳的力学机制等的分析，对己变形地质体的成因及其演化史进行分析，从而给出被评价边坡一个稳定性状况及其可能发展趋势的定性的说

4、明和解释。 优点:能综合考虑影响边坡稳定性的多种因素，快速地对边坡的稳定状况及其发展趋势作出评价。 常用的方法主要有下面几种。 (1)自然(成因)历史分析法 (2)工程类比法 (3)边坡稳定性分析数据库和专家系统 (4)图解法,2.1 边坡稳定性分析评价方法概述(2/19),2、定量分析法 严格地讲，边坡稳定性分析还远远没有走到完全定量这一步，它只能算是一种半定量的分析方法。常用的边坡稳定性分析方法土要有下述几种： （1）极限平衡分析法 （2）数值分析方法,2.1 边坡稳定性分析评价方法概述(3/19),(1)极限平衡法 块体极限平衡法是当前国内外应用最广的边坡稳定分析方法。它是传统边坡稳定分

5、析方法的代表。 块体极限平衡法首先假定滑移面已知、同时假定滑动体为刚体，即忽略滑动体的变形对稳定性的影响，在以上假定条件下对边坡进行静力平衡计算，从而求出边坡稳定系数.,2.1 边坡稳定性分析评价方法概述(4/19),块体极限平衡法的基本思路： 首先，确定滑动面的位置和形状。实际的滑动面将取决于结构面的分布、组合关系及其所具有的剪切强度。实践证明，均质土坡的破坏面都接近于圆弧形，岩体中存在软弱结构面时，边坡岩体常沿某个软弱结构面或某几个软弱结构面的组合面滑动，因此，根据具体情况假定的滑动面与实际情况是很接近的。 其次，确定极限抗滑力和滑动力，并计算其稳定性系数。所谓稳定性系数即指可能滑动面上可

6、供利用的抗滑力与滑动力的比值。由于滑动面是预先假定的，因此就可能不止一个，这样就要分别试算出每个可能滑动面所对应的稳定性系数，取其中最小者作为最危险滑动面。 最后以安全系数为标准评价边坡的稳定性。,2.1 边坡稳定性分析评价方法概述(5/19),当滑移面为一简单平面时，静力平衡计算可采用解析法计算，因而可获得解析解。著名的库仑公式就是一例，一直沿用至今。 当滑移面为圆弧、对数螺线、折线或任意曲线时，无法获得解析解，通常要采用条分法求解。此时坡体为一静不定问题，通过对某些未知量作假定，使方程式的数目与未知数数目相等从而使问题成为静定，这种方法十分简便，而且计算结果能满足工程要求而被广为应用。 目

7、前工程中常用的条分法有：Fellenius法（.Fellenius，1963）、Bishop法（.Bishop，1955）、Janbu法（N.Janbu，1954，1973）。Morgestern-Price法、（Morgestern-Price，1965）、Spencer法（Spencer，1973）、Sarma法（Sarma，1979）、传递系数法等,2.1 边坡稳定性分析评价方法概述(6/19),由于假设条件与应用的方程不同，条分法分为非严格条分法与严格条分法. 在非严格条分法中，通常只满足一个平衡条件，而不管另一个平衡条件。在土条的平衡中只满足力的平衡，而不满足力矩平衡，在总体平衡中只

8、满足力的平衡或者力矩平衡。可见，非严格条分法的计算结果是有一定误差的。非严格条分法有两个末知数(安全系数和条间力的作用方向)。但只有一个方程.因而尚需作一个假定。非严格条分法通常是假定条间力的方向，由于假定不同而形成各种方法，有瑞典法、简化Bishop法、简化Janbu法、陆军工程师团法、罗厄法、Sarma法、不平衡推力法(传递系数法)等。 严格条分法满足所有的力的平衡条件，它有三个末知数(安全系数、条间力作用方向和作用点)和两个方程，因而也要做一个假定。如果假定合理，其解答十分接近准确解。根据所用假设的不同，又分Morgenstern-Price法、Spencer法、Janbu法等.,2.1

9、 边坡稳定性分析评价方法概述(7/19),块体极限平衡法的优点： 方便简单，适用于研究多变的水压力及不连续的岩体和土体。 块体极限平衡法的缺点： 不能反映岩土体内部真实的应力应变关系，所求稳定性参数是滑动面上的平均值，带有一定的假定性。 难以分析岩土体从变形到破坏的发生发展全过程; 难以考虑累进性破坏对岩土体稳定性的影响。,2.1 边坡稳定性分析评价方法概述(8/19),(2)数值分析方法 数值分析方法是目前岩土力学计算中使用最普遍的分析方法。 3.2.1有限元(FEM)法 3.2.2边界元(BEM)法 3.2.3快速Lagrangian分析(FLAC)法 3.2.4离散元(DEM)法 3.2

10、.5块体理论(BI）与不连续变形分析(DDA) 3.2.6无界元(TDEM）法,2.1 边坡稳定性分析评价方法概述(9/19),各种方法的原理不同，作出的分析结果表示方式不一，各有其优缺点； 不同的边坡稳定性分析方法又各具特点，有一定的适用条件； 不同的边坡工程常常赋存于不同的工程地质环境中，有极其复杂多变的特性，同时又有较强的隐蔽性。因而，在实际工程中，应根据边坡工程的具体特点及使用目的，最好能同时利用多种分析方法进行综合分析验证，力求得出一个更加客观、可靠、合理的评价结果。,2.1 边坡稳定性分析评价方法概述(10/19),边坡稳定性计算方法选择: 根据边坡类型和可能的破坏形式，可按下列原

11、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，宜结合数值分析法进行分析。,2.1 边坡稳定性分析评价方法概述(11/19),GB50330-2002有关规定: 5.1.2边坡稳定性评价应在充分查明工程地质条件的基础上，根据边坡岩土类型和结构，综合采用工程地质类比法和刚体极限平衡计算法进行。 5.2.1在进行边坡稳定性计算之前，应根据边坡水文地质、工程地质、岩

12、体结构特征以及已经出现的变形破坏迹象，对边坡的可能破坏形式和边坡稳定性状态做出定性判断，确定边坡破坏的边界范围、边坡破坏的地质模型，对边坡破坏趋势作出判断。,2.1 边坡稳定性分析评价方法概述(12/19),边坡稳定性系数和安全系数 稳定性系数：反映滑动面上抗滑力与滑动力的比例关系，用以说明边坡岩体的稳定程度; 安全系数：简单地说就是允许的稳定性系数值，安全系数的大小是根据各种影响因素人为规定的； 安全系数的选取是否合理，直接影响到工程的安全和造价。它必须大于1才能保证边坡安全，但比1大多少却是很有讲究的。,2.1 边坡稳定性分析评价方法概述(13/19),安全系数选取的影响因素： 主要有以下

13、几方面： 岩体工程地质特征研究的详细程度； 各种计算参数，特别是可能滑动面剪切强度参数确定中可能产生的误差大小； 在计算稳定性系数时，是否考虑了岩土体实际承受和可能承受的全部作用力； 计算过程中各种中间结果的误差大小； 工程的设计年限、重要性以及边坡破坏后的后果如何等等。 一般来说，当岩土体工程地质条件研究比较详细，确定的最危险滑动面比较可靠，计算参数确定比较符合实际，计算中考虑的作用力全面，加上工程规模等级较低时，安全系数可以规定得小一些；否则，应规定得大一些。通常，安全系数在1.05-1.5之间选取。,2.1 边坡稳定性分析评价方法概述(14/19),边坡稳定安全系数要求: 建筑边坡工程技

14、术规范GB50330-2002规定：边坡工程稳定性验算时，其稳定性系数应不小于表5.3.1 规定的稳定安全系数的要求，否则应对边坡进行处理。,2.1 边坡稳定性分析评价方法概述(15/19),2.1 边坡稳定性分析评价方法概述(16/19),2.1 边坡稳定性分析评价方法概述(17/19),几点结论： （1）边坡安全系数高于滑坡安全系数 （2）建筑边坡高于道路边坡 （3）重要建筑物高于次要建筑物 （4）不同边坡稳定分析方法采用不同安全系数,2.1 边坡稳定性分析评价方法概述(18/19),边坡稳定性破坏的滑动面： 对于已出现稳定性破坏的边坡：可按勘探确定的滑动面，逐点进行抗剪强度验算。 对于目

15、前还属于稳定的边坡：一般是根据经验首先假定一个可能的滑动面进行验算。 现行的边坡验算，常假定滑动面为平面、圆柱面、对数螺旋曲面、折面等多种形式。,2.1 边坡稳定性分析评价方法概述(19/19),指边坡破坏时其滑裂面近似平面，在断面上近似直线。 能形成直线破裂面的土类包括：均质砂性土坡；透水的砂、砾、碎石土；主要由内摩擦角控制强度的填土。 1、仅有重力作用时 滑动面上的抗滑力 滑动力 稳定性系数,2.3 单平面滑动边坡稳定性分析（1/3）,2、有水压力作用,作用于CD上的静水压力V,作用于AD上的静水压力U为,边坡稳定性系数为,2.3 单平面滑动边坡稳定性分析（2/3）,3、有水压力作用与地震

16、作用,边坡的稳定性系数,FEK=1G,水平地震作用,2.3 单平面滑动边坡稳定性分析（3/3）,条分法以极限平衡理论为基础，由瑞典人彼得森(K.E.Petterson)在1916年提出; 20世纪3040年代经过费伦纽斯(W.Fellenius)和泰勒(D.W.Taylor)等人的不断改进; 直至l954年简布(N.Janbu)提出了普遍条分法的基本原理; 1955年毕肖普(Bishop)明确了土坡稳定安全系数，使该方法在目前的工程界成为普遍采用的方法。,2. 4 条分法(1/7),1、条分法的基本思路： (1) 假定边坡岩土体的坡坏:是由于边坡内产生了滑动面，部分坡体沿滑动面而滑动造成的。 (2)滑动面上的坡体服从破坏条件。 (3)假设滑动面已知:通过考虑滑动面形成的隔离体的静力平衡，确定沿滑面发生滑动时的破坏荷载，或者说判断滑动面上的滑体的稳定状态或稳定程度。该滑动面是人为确定的，其形状可以是平面、圆弧面、对数螺旋面或其他不规则曲面。 (4)隔离体静力平衡:可以是滑面上力的平衡或力矩的平衡。隔离体可以是一个整体，也可由若干人为分隔