一种边坡多滑动面搜索的新方法

近，局部边坡安全系数误差不到 1% ，整体边坡安全系数误差不到 4% ，由此论证了该方法的合理性和可行性。
关键词： 多条滑动面； 强度折减法； FLAC-3D
中图分类号： TU47
文献标识码： A
文章编号： 1000-3665（ 2011） 06-0024-05
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稳定性分析是边 坡 设 计 的 基 础，它 显 示 边 坡 是 否 失稳以及失稳时具有 多 大 下 滑 力，以 便 为 支 护 结 构 设 计提供依据。然而这个问题至今仍未得到妥善解决， 因为除了需要查清坡体的地质状况及其强度参数外， 科学合理的分析方法也十分重要［1 ～ 2］。边 坡 常 见 破 坏 形式之一是弧线滑动，有学者通过 20 000 个实 例 比 较 得出圆弧 滑 动 安 全 系 数 最 低［3］。 近 年 来 大 量 学 者 的 研究集中于采用优化算法来搜索边坡内最危险的滑动 面或临界滑动面［4 ～ 10］，但是 往 往 边 坡 中 次 级 滑 动 面 也 可 能 不 满 足 设 定 的 安 全 系 数 ，这 也 是 值 得 关 注 的 对 象 ， 所以考虑边坡内多条潜在滑动面也很有必要。
1 强度折减法
随着计算机技术 的 飞 速 发 展，有 限 元 数 值 分 析 方 法 在 工 程 领 域 应 用 越 来 越 广 泛。 Matsui 等［13］ 通 过 等
比率折减岩土体的粘聚力 c 和内摩擦角 φ 正切值的方
法分析边坡的稳定性，把 使 边 坡 达 到 临 界 稳 定 状 态 的
材料强度折减系数值 作 为 边 坡 的 最 小 安 全 系 数，并 把
的搜索也有必要，而目前相关研究并不多。本文提出一种在 FLAC-3D 中通过控制强度 折 减 法 中 的 折 减 系 数 来 实 现 多 条
滑动面 搜 索 的 新 方 法，并 通 过 算 例 来 说 明。 同 时 采 用 Bishop 法 与 该 方 法 作 对 比 分 析，结 果 表 明 两 者 的 计 算 结 果 十 分 接
第6期
水文地质工程地质
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图 1 简单二级边坡平面布置图（ 单位： m） Fig． 1 Geometry of the benched slope case （ m）
体单元和楔形 体 单 元。 边 界 条 件： 模 型 底 部 x、y、z 三 个方向位移约束，模型左右侧 x 方向位移约束，垂直纸 面 y 方向位移约 束。 计 算 模 型 中，模 型 土 体 总 单 元 数 1 960 个，土体单元节点 4 098 个（ 图 2） 。
2. 1 边坡算例 以简单二级均质土坡为例，上级台阶边坡高 10m，
坡比 1∶ 1. 2，下 级 台 阶 边 坡 高 10m，坡 比 1 ∶ 1，马 道 宽 15m（ 仅为示意） ，整个模型长 73m，高 35m。其平面 布 置图见图 1。 2. 2 网格模型
边坡计算区域 为 73m × 1m × 35m，网 格 采 用 六 面
推出的 FLAC － 3D 基 于 有 限 差 分 数 值 方 法，擅 长 于 计
算 非 线 性 、大 变 形 、局 部 不 稳 定 等 问 题 。 它 在 确 定 最 危
险滑动面后可以继续 计 算，即 使 模 型 部 分 区 域 已 经 破
坏。如此，通过控制强 度 折 减 法 中 的 折 减 系 数 即 可 实
现多条潜在滑动面的搜索。
2 FLAC － 3D 数值分析
收稿日期： 2011-04-18； 修订日期： 2011-07-21 作者简介： 毕港（ 1987-） ，男，硕士，从事边坡工程与数值模拟方
面的研究。 E-mail： 051150002@ 163． com 通讯作者： 陈 征 宙 （ 1957-） ，男，教 授，博 导，长 期 从 事 边 坡 工 程 研究。 E-mail： czz@ nju． edu． cn
（ 4） 对每一个折减 倍 数 FS，运 行 FLAC － 3D 计 算 1. 1Nr 步，之后通过位移矢量 图 或 位 移 云 图、剪 切 应 变 率分布图判断除第一条潜在滑动面以外的其它潜在滑 动面的 存 在，其 安 全 系 数 FSi = FS1 × FS （ i = 2，3，4， …） 。
边坡 稳 定 性 计 算 一 般 采 用 二 维 极 限 平 衡 法 （ LEM） 或数值分 析。 极 限 平 衡 法 在 考 虑 多 条 滑 动 面 时需要定义滑动面的形状和位置。数值分析方法无需 任何假定，依靠强度 折 减 即 可 精 确 计 算 安 全 系 数 及 其 对应滑动面的位置。然而数值分析方法搜索边坡内多 条滑动面的相关研究却不多，刘 明 维 等［11］通 过 依 次 约 束剪出口位置的方式利用 ANSYS 来实现多条滑动面 的 查 找 ，但 是 搜 索 过 程 繁 琐 ，耗 时 过 长 。 本 文 通 过 控 制 强度折减法中 的 折 减 系 数 来 实 现 在 FLAC-3D［12］ 中 多 条 滑 动 面 的 快 速 搜 索 ，优 化 了 搜 索 方 法 ，提 高 搜 索 速 度 和精度。
Vol． 38 No． 6 Nov． 2011
水文地质工程地质 HYDROGEOLOGY ＆ ENGINEERING GEOLOGY
第 38 卷 第 6 期 2011 年 11 月
一种边坡多滑动面搜索的新方法
毕 港，陈征宙，姜玉平，黄彬彬 （ 南京大学地球科学与工程学院，南京 210093）
摘要： 近年来关于边坡最危险滑动面的搜索的研究方法主要 集 中 在 算 法 的 优 化 方 面 ，事 实 上 对 边 坡 内 次 级 潜 在 滑 动 面
该 方 法 命 名 为“强 度 折 减 技 术 ”。 即 ：
c' = c F
φ'
= arctan tanφ F
式中： F———折减系数。
一般，在数值分析 中 强 度 折 减 法 只 得 到 所 有 潜 在
滑动面中最危险的一 个，而 以 往 多 条 滑 动 面 的 确 定 一
般只能通 过 极 限 平 衡 法。Itasca Consulting Group，Inc