匀质粘性土体边坡稳定性计算

匀质粘性土体边坡稳定性计算中 极限平衡法与强度折减法数值分析比较

1边坡的种类和滑面类型

边坡按形成的原因大致可以分为三类：自然边坡、人工开挖边坡和人工填筑边坡；边坡按土层的种类也大致可以分为三种：匀质黏土边坡（人工填筑边坡一般为匀质边坡）、非匀质粘性土边坡（自然的黏砂性土边坡，或者人工开挖黏土边坡）和存在潜在软弱面或层面强度差异较大的边坡（如存在既有滑面的滑坡和上层为黏土层下为岩层的边坡）。使边坡失稳的外因大致有：外荷载（地震、列车荷载、房屋和填土等）、重力和水的渗流、岩土的膨胀力等。边坡失稳时滑动及滑面类型主要取决于边坡的外部荷载和边坡土层的类别，匀质粘土边坡的失稳滑面主要为圆弧型，非匀质边坡的失稳滑面主要是曲面型（复合型、对数螺旋型等），存在潜在软弱面或层面强度差异较大的边坡一般沿既有软弱面或者沿强度差异较大的两层面层间滑动（一般多为折线型，也有直线型）。本将对匀质边坡进行有限差分强度折减法数值分析法和经典极限平衡法进行稳定性分析计算，并就安全系数的计算及粘性土边坡潜在滑动面的确定进行比较分析。

2匀质边坡的极限平衡法计算和数值模拟

2.1匀质粘土边坡的极限平衡法概述

粘性土边坡中,危险滑动面在土体的内部,常与圆弧面相似。经典的基于圆弧滑动面的边坡稳定分析方法称为圆弧滑动法,属极限平衡法[1]，本文对几种常用的经典分析方法进行简单概述如下。

（1)整体圆弧滑动法。又称瑞典圆弧法,用于分析均质黏性土边坡的稳定性,即只能分析内摩擦角υ=0时的边坡稳定问题。边坡稳定安全系数为抗滑力矩与滑动力矩之比,

一般公式为:11

(sin )

n

i

i r n

s

i

i

i cl

M K M W α

===

=

∑∑

（2)简单圆弧条分法。又称瑞典条分法,仍假定滑动面为一个圆弧面。为分析摩擦角υ>0时粘性土边坡的稳定性,将土坡分成若干个条块,但只考虑作用在条块上的重力、滑弧面上的法向力和切向抗滑力,忽略条块侧面法向力和切向力的作用。一般公式为：

1

1

(cos tan )

(sin )

n

i

i

i i r n

s

i

i

i W cl M K M W α

φα

==+=

=

∑∑

（3)简化毕肖普(Bishop)法。简化毕肖普法仍假设滑动面为圆弧,将滑动土体分为若干个条块。在进行第ｉ个条块的受力分析时,考虑条块侧面法向力的作用,但忽略切向力的作用。一般公式为：

1[tan ]sin i i i i i

i

i

i i

c b W m K e W Q

R

φα+=

+

∑

∑∑，式中tan sin cos i i

i i m K

φαα=+

由以上简化毕肖普法的安全系数计算公式中可以看出,K 不是显函数,需采用试算迭代法求解。

（4)简布（Janbu ）法。简布法又称普遍条分法,其特点是对条块间正压力和切向力都给予考虑,由于滑动面不必是圆弧而可以是任何滑动面，其稳定安全系数也需要采用迭代方式求解（公式略）。

上面四种方法中，瑞典圆弧法和瑞典条分法由于不考虑条间力的影响，公式简单，计算速度快，但安全系数计算偏低10％～20％；后两种方法由于考虑条间力的作用，力学平衡较为合理，计算精度较高，但是计算公式较复杂，需要进行迭代试算，计算速度较慢。本文采用Bishop 法进行匀质粘性土坡稳定性的极限平衡分析。 2.2粘性土边坡稳定性的Bishop 法分析

Bishop 法作为一种条分法，发展了最初瑞典条分法将土坡按力与力矩极限平衡确定安全系数K 的思想，考虑了条间力的作用，并将土坡稳定安全系数确定为沿整个滑裂面的抗剪强度τf 与实际产生的剪应力τ之比，即：K=τ f /τ。应用中还需要假定各土条之间的切向条间力均略去不计，即土条间的合力水平，这就是简化的Bishop 法。Bishop 的公式推导及具体计算步骤请参见文献[2]。

现以新建铁路久长至永温线DK33+840～DK33+980段高填方路堤工点为例，采用 Bishop 法对铁路人工填筑路堤边坡进行稳定性分析： (1)工程地质概况

DK33+840～DK33+980段路堤，长140m ，边坡填方最大高度25m ，站内为段内上覆坡残积（Q 4dl+el ）红黏土，下伏基岩为寒武系中上统娄山关群（∈ol ）白云岩夹泥质白云岩、角砾状白云岩。地质建议基底岩土物理力学参数如下：

岩土物理力学参数建议值

（2）计算参数

本工点选取填方边坡最高处DK33+970为代表断面，总填土高H=20m ，第一级填高12m 按1:1.75填筑,中间设2m 平台，第二级填高8m 按1:1.5填筑至坡顶，路基面宽度12.9m 。坡脚换算角度 α＝arctan(1/1.75)=29.74度，填土重度γ＝20KN/m 3, υ＝20度，

c=10kpa ；填方基底为石灰岩地基(上部粘土考虑换填硬质岩W2)，厚度为20m ，γ＝

25KN/m 3

, 综合υ＝60度。荷载按铁路列车活载及轨道等静载换算为宽3.5m ，高3.2m 的土柱。

（３）计算过程

边坡稳定性分析按照单线有列车荷载、双线有荷载、及双线均无列车荷载四种工况进行稳定性分析，将稳定性安全系数最小值作为设计值。这里仅列出铁路双线均有列车行驶时的工况，计算简图如图1。每条分宽度1m ，采用自动搜索最危险滑面的办法，搜索时的圆心步长0.5m ，半径步长0.5m 。求得安全系数为1.01，最危险滑面滑动圆心O ＝(-0.040,51.700), 滑动半径R=51.7m ，最危险滑面见图2：Bishop 计算成果图。从计算成果图上看，最危险滑面下部经过坡角附近，上部与第一个换算土柱结点相交。

X

图2：Bishop 计算成果图

2.2匀质边坡的数值模拟 边坡稳定的数值分析，可以得到到土体本身的全范围应力－应变关系，从微观上分析和计算边坡的稳定性。基于有限差分的强度折减法，可以通过力和位移边界，应用合适的岩土模型和相应的屈服、破坏以及流动法则，能较准确的模拟匀质边坡的变形过程和应力分布，得到塑性位移等值线，根据塑性位移等值线图分析潜在滑移面及求得边坡安全系数。这里利用2.1节所述算例进行数值模拟计算，填筑土体及下部岩石均采用摩尔－库仑屈服准则与非关联流动法则的弹塑性本构模型，应用世界著名的ITASCA 岩土