[發(fā)明專利]基于極限平衡理論和應力分析的土坡穩(wěn)定分析方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 200910103528.0
• 申請日: 2009-04-03
• 公開（公告）號: CN101514553A
• 公開（公告）日: 2009-08-26
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 王俊杰;劉濤;柴賀軍;林新
• 申請（專利權(quán)）人: 重慶交通大學
• 主分類號: E02D17/20
• 分類號: E02D17/20
• 代理公司: 重慶市恒信知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司
• 代理人: 侯懋琪

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種土坡穩(wěn)定性分析技術(shù)，尤其涉及一種基于極限平衡理論和應力分析的土 坡穩(wěn)定分析方法。

背景技術(shù)

土力學中，土坡穩(wěn)定分析是和另外兩個分支即土壓力和地基承載力同時發(fā)展起來的。庫 侖和朗肯分析土壓力的方法后來被推廣到地基承載力和邊坡穩(wěn)定分析中，這就是極限平衡方 法。在土坡穩(wěn)定性分析中，盡管還有有限元等其它方法，但極限平衡方法由于具有理論簡單、 概念清晰且容易掌握等許多優(yōu)點而被廣大工程技術(shù)和研究人員偏愛。

經(jīng)典極限平衡方法的計算步驟可歸納為兩步：首先是假定一個滑裂面，計算邊坡沿該面 發(fā)生失穩(wěn)的安全系數(shù)；然后是尋找最小的安全系數(shù)，也就是尋找臨界滑面。

為了計算邊坡的安全系數(shù)，假定邊坡土體因某種擾動因素從目前的穩(wěn)定狀態(tài)進入極限平 衡狀態(tài)。此時，坡體內(nèi)出現(xiàn)一個假想的滑裂面。在該滑面上，每一點的法向應力和切向應力 都滿足摩爾-庫侖強度準則。

Fellenius于1927年提出了邊坡穩(wěn)定分析的圓弧滑動分析方法，也就是瑞典圓弧法。該 方法中，滑裂面假定為圓弧，土條底面的法向應力被看作是土條重力在土條底面法線方向的 投影，因此對圓心取矩時不出現(xiàn)，使計算工作量大大簡化。但該法由于忽略了條間力的作用， 不能滿足所有靜力平衡條件。當滑裂面不是圓弧時，該法不再適用。

Bishop法是在瑞典圓弧法基礎(chǔ)上的發(fā)展，該法也假設(shè)滑裂面為圓弧，但它考慮了條間力。 通過土條的豎向力平衡及力矩平衡推出求解安全系數(shù)的公式。Bishop法由于考慮了條間力， 比瑞典圓弧法前進了一大步，對于均質(zhì)土坡，目前普遍認為該法可以得到比較合理的解。但 是，滑面為圓弧的假定限制了該法的應用范圍。

Janbu法假定滑面形狀為任意形狀，且假定條間力的作用點位置(即推力線位置)為已 知。對每一土條，可列出兩個靜力平衡方程和一個力矩平衡方程，因此屬于嚴格方法。但其 推力線的假定必須符合條間力的合理性要求。盡管該法的滑面為任意形狀，但必須事先假定， 因此該法僅適用于滑面位置、形態(tài)均基本確定的邊坡穩(wěn)定分析。

不平衡推力傳遞法是按照折線滑動面將滑動土體分塊，假定塊間力的合力與上一土塊底 面平行。該法對滑體僅進行分塊，而沒有分條，因而計算工作量大大降低。同樣，該法也僅 適用于滑面位置、形態(tài)均基本確定的邊坡穩(wěn)定性分析。

屬于極限平衡方法范疇的邊坡穩(wěn)定分析方法很多，以上僅列舉了幾種典型的方法，從以 上分析可知：在經(jīng)典極限平衡法中，無論是假定滑面為圓弧形，還是任意形狀；無論是嚴格 方法，還是非嚴格方法，都必須首先假定滑面的形態(tài)(如Fellenius法和Bishop法)，或者 同時假定滑面的形態(tài)和位置(如Janbu法和不平衡推力傳遞法)。當土坡結(jié)構(gòu)較復雜時，比如 由多層土構(gòu)成的土坡并受地下水和外部荷載作用的情況，實際滑面的形態(tài)和位置均很可能不 能事先確定，此時，經(jīng)典極限平衡方法的可靠性問題就突顯出來了。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明提出了一種基于極限平衡理論和應力分析的土坡穩(wěn)定分析方法，其步驟如下：1) 分別在邊坡的坡底和坡面近坡頂位置預設(shè)兩個滑裂面起點(根據(jù)經(jīng)驗值，選取邊坡上可能成 為滑裂面起點的兩個端點位置)；2)再在步驟1)中的兩個滑裂面起點之間的邊坡自然界面 上，采用0.618法預設(shè)多個滑裂面起點；3)設(shè)置各個滑裂面起點所對應的預設(shè)安全系數(shù)，通 過計算找到滿足條件的預設(shè)安全系數(shù)，求得各個滑裂面起點所對應的臨界滑裂面；4)選取預 設(shè)安全系數(shù)最小的臨界滑裂面作為整個土坡的臨界滑裂面，此最小預設(shè)安全系數(shù)作為整個邊 坡的穩(wěn)定安全系數(shù)。

步驟3)中，計算單個滑裂面起點所對應的臨界滑裂面的方法包括：

針對某一滑裂面起點(包括最初設(shè)定的兩個滑裂面起點和由0.618法確定的滑裂面起點)， 設(shè)置該滑裂面起點對應的滑裂面的預設(shè)安全系數(shù)和土條寬度，通過計算求得滑裂面的理論安 全系數(shù)，判斷理論安全系數(shù)和預設(shè)安全系數(shù)的差值是否在誤差范圍內(nèi)：如果是，所得到的滑 裂面即為經(jīng)過該滑裂面起點的臨界滑裂面；如果不是，重新設(shè)定預設(shè)安全系數(shù)并計算其理論 安全系數(shù)，直至找到和理論安全系數(shù)的差值在誤差范圍內(nèi)的預設(shè)安全系數(shù)；前述部分是對計 算單個滑裂面起點所對應的臨界滑裂面的方法的文字概括，定量計算時按如下步驟進行：

用DABC所圍成的四邊形來表示土條范圍，