边坡稳定性分析方法2011

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１概述２工程类比法３刚体极限平衡法４数值分析方法５稳定性判据６分析实例边坡稳定性分析方法3填方挖方１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。边坡稳定性分析方法61.1边坡稳定性综合评价方法流程分析模式现场观测地质勘探地质测量建立地质模型判定破坏模型选择稳定分析方法确定计算参数稳定性计算加固方案设计建立稳定性监测系统监测信息反馈修改加固方案（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。边坡稳定性分析方法7１.1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。现场观测地质勘探地质测量建立地质模型判定破坏模型选择稳定分析方法确定计算参数稳定性计算加固方案设计建立稳定性监测系统监测信息反馈修改加固方案边坡稳定性分析方法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１.2土坡与岩坡边坡稳定性分析方法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）平面滑动。3）双滑面（楔形）滑动。4）圆弧滑动。5）拉裂（倾倒）破坏。１.3岩质边坡破坏模式及影响稳定的因素1.3.1岩质边坡破坏模式边坡稳定性分析方法10边坡稳定性分析方法11平班水电站进场所公路滑坡平面滑坡边坡稳定性分析方法12漫湾“三洞”滑坡漫湾左坝肩滑坡弧面滑坡流纹岩边坡稳定性分析方法13三峡船闸边坡锦屏库区楔体滑动边坡稳定性分析方法14倾倒滑动边坡稳定性分析方法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。边坡稳定性分析方法16失稳模式判别有误边坡稳定性分析方法171.3.2边坡稳定影响因素因素综合反映表征参数备注序号大类中类小类Ⅰ岩体结构结构面发育程度组数岩体完整程度岩体结构类型、完整性指数间距结合程度结构体特征形状及大小咬合程度Ⅱ岩石强度岩性成分（胶结物）结构（胶结程度）构造（层厚）岩石坚硬等级饱和单轴抗压强度风化程度坚硬程度影响边坡稳定性主要因素及其表征参数边坡稳定性分析方法18１.4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80°∠45°）走向170°，傾向北東，傾角45°边坡稳定性分析方法1919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，简称大圆弧边坡稳定性分析方法2020一组结构面边坡稳定性分析方法2121边坡失稳的三种类型与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)倾倒破坏边坡稳定性分析方法22边坡稳定性分析方法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。１.5岩坡稳定性分析方法类型边坡稳定性分析方法24１.5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平面和弧面滑动－Sarma法;楔体滑动;倾倒破坏－Goodman－Bray法边坡稳定性分析方法251.5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。边坡稳定性分析方法边坡稳定性计算方法（31）（建筑边坡工程技术规范GB50330-2002）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）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。边坡稳定性分析方法272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边坡稳定性分析方法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刚体极限平衡法边坡稳定性分析方法29广泛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3.1.1整体圆弧法（瑞典圆弧法）边坡稳定性分析方法30（一）分析计算方法1．假设条件：•均质土•二维•圆弧滑动面•滑动土体呈刚性转动•在滑动面上处于极限平衡状态ORdW边坡稳定性分析方法312.平衡条件（各力对O的力矩平衡）000()[eeeRfnnMdeRctgdeRcActgdeRsMwd(1)滑动力矩：RussCAcRMFMWd抗滑力矩滑动力矩(3)安全系数：(2)抗滑力矩：ORdCBAW边坡稳定性分析方法323.1.2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0lntgde整体圆弧法：n是l(x,y)的函数AORCsbB-2-101234567边坡稳定性分析方法33(2)条分法中的和求解条件第i条土的作用力WihiPihi+1Pi+1Hi+1NiTiHi边坡稳定性分析方法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：NiTiti共3n个作用在边界上的力及作用点：PiHihi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WihiPihi+1Pi+1Hi+1NiTiHi边坡稳定性分析方法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个边坡稳定性分析方法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边坡稳定性分析方法373.1.3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=03n-3ti=li/2n未知数：(6n-2)-(4n-3)=2n+1AORCibBidiTiNiWi边坡稳定性分析方法38(2).安全系数计算•Ni方向静力平衡（n个）cosiiiNWcosiiiiiiiiiissClNtgClWtgTFFsRMM(cos)siniiiiiiiisClWtgWRTRRF(cos)siniiiiisiiClWtgFW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）NiiWTi边坡稳定性分析方法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liWii变化圆心O和半径R(cos)siniiiiisiiClWtgFWFs最小ENDNiiWTiAORCsbB-2-101234567边坡稳定性分析方法40(4).瑞典简单条分法的讨论*由于忽略条间力，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边坡稳定性分析方法413.2毕肖甫（Bishop）法PiiNiTiHiRiOWPi+1Hi+1bidiPi=Pi-Pi+1iiNiTiHi=Hi-Hi+1W边坡稳定性分析方法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Pi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，忽略条间切向力）边坡稳定性分析方法43求解条件平衡条件：2n+1未知数：6n-21）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1()siniiiiisiiCbWtgmFWsincosiiiistgmF其中边坡稳定性分析方法45(3)毕肖甫法计算步骤圆心O，半径R设Fs=1.0计算miYESFs最小END计算sFssFFNosssFFFYESNo边坡稳定性分析方法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。边坡稳定性分析方法471．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n3n+100oixyM3.3普遍条分法（简布Janbu法）边坡稳定性分析方法48AORCibBidiTiNiWiWihiPihi+1Pi+1Hi+1NiTiHiXih假定条块间水平作用力的位置边坡稳定性分析方法49普遍条分法（简布Janbu法）WihiPihi+1Pi+1Hi+1NiTiHiXihPi=Pi+1-PiH=Hi+1-HiWiNiii通过静力平衡求Pi边坡稳定性分析方法502345678910111P0=0P11=0Pi=Pi+1-Pi