第三讲:滑坡稳定性计算的几个问题

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fos M r M0
• 式中:M r 为滑动面上可能提供的抗滑力矩;
• M 0滑动力矩。
• 1、《堤防工程设计规范》(GB50286-98)8.2.4规 定土堤抗滑稳定计算可采用瑞典圆弧滑动法(主 要适用于在较为均质的土质边坡中进行最危险滑 动面搜索并进行抗滑稳定计算,同时用于已知为 圆弧型滑动面的滑坡的稳定性评价,适用该类滑 坡的评价方法还有Bishop法、Spencer法等)。
第三讲:滑坡稳定性计算方法研究
苏爱军
中国地质大学(武汉) 2013年12月6日
滑坡稳定性计算的几个问题
内容
一、滑坡稳定计算方法分类 二、稳定性计算的几个基本概念 三、稳定性计算方法的改进 四、孔隙水压力计算
(一)滑坡稳定计算方法分类
类型
亚类
备注
现行主要适应土体的条分法:如瑞典条分法,Bishop法,
Morgenstern (Morgenstern
& &
SpeSnpceenrc,er19法65)适 衡 系(,用X垂/于E=直任λf与何(x水形))允平状许作滑侧用动向力面力之,方比满向(足变X力/化E矩),平存常衡在遇,与到满水数足平值垂方问直向题、坐水标平的力函的数关平
Spencer法(Spencer,1965)
质边坡产生滑坡而开发的。对于受结构面控制的 规模不大岩质边坡具有独特的优越性。
主要条分法的特点
方法
应用条件及特征
稳 定 图 法 ( Janbu , 1968 ; Duncan等,1987)
对大多数分析来说,精度足够,比详细的计算机分析速度快
瑞 典 条 分 法 ( Fellenius , 1927 ,圆弧滑面,定转动中心,各块间作用合力平行滑面,满足力矩平
圆弧滑面,或拟合中心圆弧。垂直与水平作用力之比(X/E)为一 给定常值
条分法的分类及其适用条件
类型
亚类及分类原则 具体方法与假设条件 适用条件
1、精确 条分法 (条块和
(1)条块间水 平作用力与垂直 作用力之比满足 一定的函数关系
斯摩和简定向)宾摩根化条塞根斯潘块法斯坦一间(坦孙力—S陈法的普pe祖等作莱nc煜用斯(er法)方法 假、、主滑动型收敛要滑坡面性适动,。问用面弧对题土存型非
fos2 fos1
fos2W costg CL W costg CL
fos2
CL1 fos2
W costg CL

fos1
fos2 W costg CL 1
fos2W costg CL
CL fos2 1
fos2W costg CL
由上式可知,当滑带土的内摩擦角和内聚力均不等于零时,强

×
×
×
圆弧
简化毕肖普法

×

×
圆弧
简布法



×
任意
斯宾塞法




任意
摩根斯坦—




任意
普赖斯法
沙尔玛法




任意
不平衡推力法
×
×


任意
滑坡稳定性计算方法研究
内容
一、滑坡稳定计算方法分类 二、稳定性计算的几个基本概念 三、稳定性计算方法的改进 四、孔隙水压力计算
(一)稳定系数与安全系数
1936)
衡,不满足水平、垂直力平衡
改 进 Bishop 法 ( Bishop , 1955 )圆 零弧,满滑足面力,矩拟平合衡圆,弧满与足转垂心直,力各平块衡间,作不用满力足水水平平,力条平间衡切向力X为
Janbu 普 通 条 分 法 ( Janbu , 1968)
适用于任何形状滑动面,满足力矩平衡,满足垂直、水平力的平 衡,允许侧向力方向变化,常遇到数值问题。简化计算条间切向 力X=0,再对稳定系数作修正
(二)极限平衡分析法
• 极限平衡分析法(包括现行的各种条分法)研究历史可 追溯到上世纪20年代或更早。自上世纪三十年代 Fellenius(1927,1936)提出土坝圆弧滑动稳定分析之 后,经Bishop(1952),Morgenstern和Price(1965), Spencer(1966),Janbu(1973),Sarma(1979), Chen(1983)等的改进,迄今已经形成能够满足静力、 静力和力矩平衡的几十种滑坡稳定性评价方法,其中包 括适用于各种形状滑动面的通用条分法。
半 精 静 力 平 传递系数法(假定条块间合力的作用 滑坡,任何形状的滑动面
确 条 衡 ( 条 方向平行于上一条块的滑动面)
分法
块间水 平作用 力与垂
Sarma法(假定条块间水平作用力与 垂直作用力之比满足摩尔--库仑定理, 垂直条分上限解法)
直作用
力 之 比 简化的简布法(垂直条分下限解法,
满 足 一 假定条块间垂直作用力等于零)
可靠度 稳定性计算时,通过引入各种荷载分项系数求得稳定系
分析法 数fos值的可靠度
• 非确定性方法是以极限平衡法为基础,通 过引入稳定性计算参数的分布概率求得稳 定系数的概率,从而判断滑坡的稳定性。
• 与此同时,伴随近代土力学的发展,在确 定边坡不同工作条件下的强度指标、孔隙 水压力等方面也形成了一些行之有效的办 法。这一完备的理论体系也随着非确定性 分析的耦合而更加完善。近年来,三维力 学模型的改善、可靠度理论的引入,使得 边坡稳定性分析服务于工程的能力得到较 大改善。
弹塑性 理论法
数值分析法:适于岩土质斜坡,用弹塑(粘)有限元等数 值法,计算斜坡应力分布状况,按Mohr-Coulomb破坏
准则计算出破坏点和塑性区分布状况,据此确定稳定系

破坏概 通过引入稳定性计算参数的分布概率(如C、Φ概率分
非 确 定 性 方 率法 布等),计算滑坡稳定系数fos值的理论分布

• 强度储备法的稳地系数fos1:
• 1=(Wcosα·tgφ/fos1 +c ·L /fos1)/ Wsinα
• 超载法的稳定系数fos2:
W
• 1=(fos2·Wcosα·tgφ+c · L )/ fos2·Wsinα
α
• 其中:Fos1、Fos2分别为强度储备法、超载法的滑坡稳定系数 ;
• W为滑体重量(kN); • α为滑动面倾角(°); • φ为滑动面内摩擦角(°) • C为滑动面内聚力(kPa); • L为滑动面长度(m)。
Hoek楔体分析法(1974) 传递系数法(1977)
楔形滑面,各滑面均为平面,以各滑面总抗滑力和楔体总下滑力 确定稳定系数 圆弧或非圆弧滑面。条块间合力方向与上一条块滑面平行
(Xi/Ei=tgαi-1)
Sarma法(1979)
非圆弧滑面或楔形滑面等复杂滑面。认为除平面和圆弧面外,滑 体必先破裂成相互滑动的块体才能滑动,该方法以保证块体处于 极限平衡状态为准,确定稳定系数
极限平 衡法
Janbu 法 , Spencer 法 , Morgenstern-Spencer 法 等 ; 对 岩 土体均适应的条分法:如传递系数法,改进的传递系数 法,Hoek楔体分析法,Sarma法,实用递推法,精确递
推法等
确定性方法
塑性极限平衡法:适于土质斜坡,假定土体为理想刚塑 性体,按Mohr-Coulomb屈服准则确定稳定系数
• 2、《建筑地基基础设计规范》(PGB50007- 2002)和《岩土工程勘察规范》(GB50021-2001 )规定采用传递系数法。类似的评价方法有美国
陆军师团法、罗厄法等,主要是针对已知滑动面
的滑坡而言的,可用于滑动面形状各异的土质、 岩土质滑坡。Janbu法、普通条分法、Morgenstern & Spencer法(Morgenstern & Spencer,1965)等 同样适用该类滑坡。Sarma法(1979)建立在斜分条 基础上,是专门针对通常受软弱结构面切割的岩
1、稳定系数
• 就单纯满足静力平衡条件而言,稳定系数可定 义为沿可能滑动面上的抗剪强度 f c f累积 值与剪应力τ累积值之比值。在既满足静力平 衡同时又满足力矩平衡的条件下,还应同时满 足在此稳定系数条件下可能滑动岩土体对其重 心的力矩平衡。
• 从理论上讲,滑坡体或边坡在特定荷载下 的应力、变形关系可以采用合适的数学模 型如实表达(例如应力-应变间的非线性 性质,卸荷增荷性质,屈伏破坏性质等等 )。通过合适的数学模型精确合理地给出 各点应力、变形值,从而得到滑坡或边坡 稳定问题的精确解。
• 就滑坡这种抗剪问题而言,采用合适的数学模型 可以得到每一点上的剪应力τ,并求得每一点上的 抗剪强度τf ,同时可算出每一点上的局部稳定系 数。如果每一点上的稳定系数fos均大于1,整个
滑坡从抗剪切方面来说是安全的。如果有个别点 的稳定系数fos小于1,则这些部位的τ将自动等于 τf,应力向临近点转移,这些部位进入屈伏(甚至 破坏)状态。由于这些屈伏区是孤立的,局限于
定 的 函 美国陆军师团法(条块间合力倾角坡
数 关 系 )度和滑面平均倾角相等)
罗厄法(条块间合力倾角与上一条块 坡面和滑面倾角的相等)
( 2 ) 瑞典圆弧法(满足围绕滑动面wk.baidu.com心的 适用土质滑坡,圆弧型滑
力 矩 平 力矩平衡,不考虑静力平衡和条块的 动面
衡 或 力 力矩平衡)
矩 平 衡 毕肖普法1(满足围绕滑动面圆心的 适用土质滑坡,圆弧型滑
有关滑坡或边坡稳定性评价及其防治方面的文献,对 于稳定系数与安全系数的概念应用比较混乱,许多文 献将安全系数与稳定系数混为一谈。早期很多学者将 稳定系数称之为稳定安全系数,如毕肖普等将土坡沿 整个滑裂面的抗剪强度τf与实际产生的剪应力τ之比定 义为稳定安全系数,而后来的学者,如陈祖煜[2]、钱 家欢[3]等直接称其为安全系数。因此,有必要厘清稳 定系数与安全系数的概念,以免给初学者的学习带来 困难。
及 部 分 力矩平衡,条块间垂直作用力平衡) 动面,个别情况不收敛
静 力 平 毕肖普法2(条块和整体满足力矩平 适用土质、岩土质和岩质

衡,条块间垂直作用力平衡)
滑坡,任何形状的滑动面,
个别情况不收敛
计算方法
表2
条分法各种方法比较表
所满足的平衡条件 整体力矩 土条力矩 垂直力
水平力
滑面形式
瑞典圆弧法
• 一直以来,在工程界进行滑坡稳定性评价及滑坡治理的 滑坡推力求解时,基本上都是采用基于极限平衡原理的 条分法的各种方法。
• Petterson K.E首先提出了瑞典圆弧法,Fellenius W. 和Taylor D.W.对其进行了改进。该方法最初在瑞典 被采用,故此称为瑞典圆弧法(或瑞典条分法) 。瑞典圆弧法的两个最重要的假定是:(1)滑动 面为圆弧,稳定系数fos是围绕圆心的抗滑力矩与 滑动力矩之比值;(2)计算时不考虑土条之间的 相互作用力,每个土条底部的反作用力可以直接 由该土条上的荷载算出。
• (2) 超载法
• 超载法是将荷载乘以fos,并将fos逐渐增大 或缩小,每取一个fos值就进行一次稳定性 分析,直到滑坡或边坡沿某一连贯性可能 滑动面达到所设定的平衡条件为止。这个 fos值就是沿某一连贯性可能滑动面产生滑 动的稳定系数。所求解稳定系数的方法称 为超载法。
• 强度储备法的稳定系数fos1与超载法的稳地系数fos2不相等, 与准超载法稳定系数fos2相等:
质 滑 弧 在
整体满足
静力与力 矩平衡)
(2)条块间作 用力合力作用点 的位置满足一定 的函数关系
简 布 法 ( Janbu 法 ) ( 条块间作用力合力作 用点位于条块高度的 约三分之一处)
适用土质、岩 土质和岩质滑 坡,任何形状 滑动面,常遇 到收敛性问题
2 、 ( 1 ) 不平衡推力法、传递系数法、改进的 适用土质、岩土质和岩质
• (1)强度储备法
• 强度储备法是将岩土体的抗剪强度参数(φ 、c)除以fos,并将fos逐渐增大或缩小。每 取一个fos值就进行一次稳定性分析,直到滑 坡或边坡沿某一连贯性可能滑动面达到所设 定的平衡条件为止。这个fos值就是沿某一连 贯性可能滑动面产生滑动的稳定系数。所求 解稳定系数的方法称为强度储备法。
小范围内,没有形成连贯的破坏面,因此,在特
定荷载下该滑坡仍是稳定的。相反,如果屈伏的
部位已经连成一个连贯性的破坏面,甚至得不到
一个满足平衡要求的解答,说明该滑坡在特定荷 载下已不能维持稳定。
• 基于刚体极限平衡理论,采用条分法求解 稳定系数可通过三个途径实现:
• 强度储备法; • 超载法; • 准超载法。
度储备法和超载法的滑坡稳定系数是不相等的。对于滑带土为 非坡不粘处适土于合(临计C界算=状滑0 态带)(土的为f滑os非坡2=粘,1,土fo即s(2=αC=fo=φs01))成,的立否滑的则坡充的。分稳因必定此要系超条数载件。法是只也滑有 滑带土为纯粘土( φ=0)时,强度储备法和超载法的滑坡稳定 系(数φ才=0相)等,(强,度f储os备2=法fos和1 超)载。法综的上滑所坡述稳,定除系了数极相个等别外条,件用下 超载法求得的滑坡稳定系数与用强度储备法求得的滑坡稳定系
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