水平条分法下边坡稳定性分析与计算方法研究

极限平衡水平条分法较适用于成层岩土边坡,但较竖直条分法尚有不足之处。通过研究水平条分与竖直条分中条间力的关系,建立起水平与竖直条分法相对应的条间力假设条件;并针对水平条分法遇到滑动面存在弓形体时,采取水平条分和斜条分相结合的模式进行处理。在此基础上,推导出了瑞典法、简化Bishop法、简化Janbu法和Morgenster-Price（M-P）法在水平条分时的安全系数计算公式,其中,根据满足条件不同,得到了瑞典法的两种不同安全系数计算公式,并根据以往研究成果将一般简化Janbu法进行改进。当使用任意曲线和圆弧滑动面两种型式时,通过算例对比分析,验证了对水平条分法所做研究的可行性。同时,也表明了两种瑞典法得到的结果是一致的,改进的简化Janbu法在边坡稳定性分析上较一般简化Janbu法更优。     

两种滑动面型式下边坡稳定性计算方法的研究

基于圆弧和任意曲线两种滑动面型式,对边坡稳定性计算方法中的瑞典法、简化Bishop法、简化Janbu法、严格Janbu法、Morgenster-Price法、Sarma法和不平衡推力法进行研究。对上述各种方法的研究成果进行了总结,并对Morgenster-Price法中的条间力函数 选择了4种形式（即 为常数0.1、0.5、1.0及半正弦函数）,对不平衡推力法中的公式进行了改进。通过算例对比,及当条分数不同、边坡坡角和坡高变化时,分析了这些方法的特点,由分析结果可知：（1）瑞典法和简化Janbu法计算得的安全系数最小,简化Bishop法和不平衡推力法与严格法得到的结果颇为接近;（2）任意曲线滑动面方法较圆弧滑动面方法计算得的安全系数稍小,且得到的临界滑动面与临界圆弧滑动面相接近,因而表明,圆弧滑动面作为一种近似的临界滑动面能够满足实际工程需要;（3）均质边坡采用较少条分数即可获得较高的安全系数计算精度,非均质边坡需一定数量的条分保证结果的可靠性;（4）Sarma法对土条侧面法向力和剪切的假设,使得其在均质边坡计算得的安全系数比其他方法要大,有偏于不安全的考虑,但Sarma法能够考虑边坡非均质对条分法的影响;（5）当边坡外形（如坡角、坡高）变化时,严格Janbu法在两种滑动面型式下计算得的安全系数相差很小,而其他方法稍大一些;（6）Morgenster- Price法中,条间力函数 对计算得到的结果影响很小。     

圆弧滑动边坡改进条分法的数值分析

结合传统极限平衡方法和现代极限平衡方法,对圆弧滑动边坡进行垂直条分,将条块间的作用力一般化,提出了基于圆弧滑动的改进条分法。建立了圆弧滑动边坡的力学计算式,确定了一般化的条间力影响系数和边坡安全系数的关系式。运用数值计算和迭代程序,得出滑体分别在力平衡和力矩平衡下的安全系数随条间力影响系数变化情况,从而定量地描述了边坡稳定状态。结果表明,圆弧滑动垂直条分改进方法反映了滑动面和垂直面相互影响情况,数值计算简便,而且精度较高。     

求解边坡矢量和安全系数的条分法

矢量和安全系数物理、力学意义明确,通常采用有限元计算得到的应力场来求解。提出一种简便的求解方法,在通用条分法（GLE）的基础上,满足力和力矩平衡的严格条件,推导了基于条分法的矢量和安全系数。采用广义简约梯度法（GRG）搜索临界滑面,在极限抗滑合力矢方向上求解矢量和安全系数。整个计算过程都在电子表格软件Excel内实现,易于在工程实践中推广。对于圆弧滑面边坡,其计算结果表明：①矢量和安全系数与代数和安全系数非常接近,对应的滑面位置也相近。②不同的条间力函数假设（常数和半正弦函数）对边坡的矢量和安全系数影响很小。③极限抗滑合力矢方向? 小于边坡坡角,其值与假定条间力平行时的条间力方向非常一致。在极限平衡分析框架内,计算方法可进一步简化为：假设条间力平行,将条间力方向作为矢量和安全系数的计算方向。对于非圆弧滑面边坡,其计算结果表明：①均质边坡的矢量和安全系数与代数和安全系数相对误差小于3 %,滑面位置接近,而软弱层边坡两种方法的计算结果有一定差别。②不同的条间力函数假设对边坡的矢量和安全系数影响很小。     

加筋土边坡安全评价的简化水平条分法

对于加筋土填方边坡圆弧滑动安全系数的计算,传统垂直条分法难以合理考虑水平向加筋力和地震力,造成计算结果偏保守;而基于Morgenstern-Price假设的水平条分法在验算加筋土边坡稳定性时,虽严格满足极限平衡条件,但需进行双重迭代,使计算过程过于复杂,不适合工程应用.本文参考Janbu假设来定义条间切向力Xi,简化了法向条间力Ei的计算,重新推导出只需单个迭代的加筋土边坡水平条分法安全系数计算公式,使计算过程更简洁.采用Bishop垂直条分法和简化水平条分法分别计算了某工程的两个实例,并进行了比较和分析,证明本文提出的方法合理易行.     

边坡稳定性分析的条块稳定系数法

鉴于传统条分法对边坡安全系数定义和使用的局限性,引入了条块稳定系数的概念。分析了条间力推力线高度的影响因素,假定条间力传递时都具有相同的条间力稳定系数 ,并考虑了条块重力偏心矩的影响。根据条块的力和力矩平衡关系以及条间力假定,建立了求解条块稳定系数的四元方程组。在此基础上,求得条块稳定系数随滑动面的分布状况。根据条块稳定系数随滑动面的分布规律划分了滑体的主滑段、抗滑段和牵引段,大致判断滑坡的滑动模式。根据滑面上抗滑力和下滑力之比的定义,求解边坡整体稳定系数。采用传统条分法和所建立的条块分析法分别以圆弧滑动和折线形滑动的两个实例进行了验算,说明了条块分析法的优越性和可靠性。     

基于严格平衡的安全系数统一求解格式

在边坡稳定性分析中宜采用严格极限平衡条分法,特别是对于任意形状滑动面。由于条间力假设的不同,产生了不同的边坡稳定安全系数求解格式,既造成计算及应用的不方便,又掩盖了各自方法的优劣。首次将现有严格极限平衡条分法对条间力的假定表示成统一形式,根据力和力矩的平衡,导出简单明了的条间力递推方程和条间力矩递推方程。根据这2个方程,通过Newton-Raphson法建立了传统意义下基于严格平衡的安全系数统一求解格式。所需有关导数均可用递推公式计算,其性质为解析解,因而计算格式具有良好的稳定性与收敛性。所有公式均为代数式,便于在工程中推广应用。     

圆弧滑动条分法在滑坡稳定分析中的应用

由均质黏土组成的滑坡,其真正最危险滑动面形状接近于圆弧,同时在最危险滑动面附近的滑弧,其安全系数变化很小,因而可以采用圆弧滑动条分法计算。通过应用圆弧滑动条分法对某煤矿生活区挡墙前缘处一均质黏土滑坡的稳定安全系数进行计算,结果显示该滑坡处于不稳定状态。通过顺边坡倾向和沿边坡走向设置方格状格构进行护坡,并采用锚杆进行加固,辅之以方格形骨架内草皮护坡、坡脚矮脚墙支挡的工程处治措施,治理效果良好,达到了对边坡综合处治的目的。     

基于附加应力扩散效应的新型预应力路堤稳定性分析

稳定性分析是路堤设计中的关键环节。针对新型预应力路堤,提出一种基于极限平衡状态计算其边坡安全系数的新方法。该方法主要包含滑动面附加应力计算法与等效条间力计算法。基于弹性理论近似推导预应力路堤内潜在滑动面上的附加应力解析公式,并通过应力状态分析得到滑动面上任一点处的法向和切向附加应力计算式。结合滑动面附加应力计算法、条分法及等效条间力计算法,并考虑铁路路基受荷特点,提出新型预应力路堤稳定性分析的极限平衡法。该方法适用于任意形状滑裂面,计算公式简便,且分析过程无需迭代试算。算例分析表明：预应力在路堤潜在滑动面上引起的附加应力并非全部起抗滑作用,局部小区域存在促滑效应。相较于传统极限平衡法对预压应力的处理方式,提出的方法考虑了预应力的连续扩散效应,所得安全系数偏于安全。最后,采用数值方法进一步论证了方法的可靠性。     

土坡等圆心角斜条分稳定性分析法

在土坡稳定性计算中,条分法作为一种简单而又实用的方法在实际工程中得到了广泛的应用。传统的条分法大多采用垂直条分,等圆心角斜条分法以斜条分代替垂直条分,使得条间力的假设更为合理。在斜条分的基础上,结合重新定义的应力水平安全系数,使问题的求解也更为简单、迅速,并且求解的结果还可以反映出土条应力状态的差异。     

基于力平衡的安全系数统一求解格式

基于力平衡求解安全系数的极限平衡条分法在边稳定分析和设计中得到了广泛地应用。然而,由于条间力假设的不同,各种方法的计算格式也不同,既不便于程序的编写,也不便于人们理解各自方法的优缺点。首次将现有基于力平衡求解安全系数的极限平衡条分法对条间力的假定表示成统一形式,根据力的平衡,导出了简单明了的条间力递推方程。根据条间力递推方程,建立了传统意义下基于力平衡的安全系数统一求解格式,使计算原理更为清晰,计算过程更为简单。在此基础上,如果将严格Janbu法所满足的条块力矩平衡方程表示成条间力的假定,严格Janbu法也可采用基于力平衡的安全系数统一求解格式。     

基于M-P法的抗滑桩支护边坡稳定性分析

为评价采用抗滑桩支护后的边坡稳定性,从设计和验算两个角度着手,基于Morgenstern-Price（M-P）法建立了抗滑桩支护边坡的分析模型,进而得到了抗滑桩下滑力和边坡安全系数的表达式;通过引入自适应遗传优化算法,建立边坡稳定性分析优化模型,搜索采用抗滑桩支护边坡的非圆弧最危险滑动面;从确定安全系数求抗滑桩所受下滑力和确定抗滑桩抗力求边坡最小安全系数两种情况出发,探讨了抗滑桩位置对边坡稳定性的影响。结果表明：该方法可搜索出更加符合实际情况的边坡非圆弧最危险滑动面,并且能够得到抗滑桩的下滑力或边坡的最小安全系数,相同条件下抗滑桩应设置在边坡中部较为适合,才能最大发挥抗滑桩的加固作用。     

基于改进遗传算法的地下空区边坡稳定性分析

以边坡稳定性计算的非圆弧滑动面条分法为基础,提出一种改进的遗传算法。在无需对边坡最危险滑动面的几何形状进行假设的前提下,自由搜索最危险滑动面及其对应的最小安全系数。通过工程实例,将改进方法与其他方法进行对比分析,结果表明：该方法不仅准确可靠,而且总能搜索到全局最优解。该实例也表明：在其他条件不变的情况下,地下空区是导致边坡失稳的主要因素。     

一般条分法的安全系数显示解

对于边坡稳定性分析中的安全系数方案,根据条底法向力方程,对条底法向力进行假定,使得假定后的条底法向力具有两个待定参数.与传统的条间力假定相比,该假定理论根据更充分,物理意义更明确.通过假定后的条底法向力,化简三个整体极限平衡方程(水平方向、垂直方向力的平衡及力矩平衡),得到安全系数Fs的三次代数方程,其有意义的根为严格满足可能滑动体整体平衡条件的一般条分法的安全系数Fs的显示解.参与计算的有关参数尽管偏多,但都是简单的代数求和.因此,在不损失计算精度的同时,大大简化了一般条分法计算安全系数Fs的过程.算例分析表明,所给一般条分法的安全系数显示解是正确的.     

地震荷载作用下土钉支护边坡稳定性拟静力分析

在极限平衡分析框架内,使用滑动面搜索新方法和圆弧滑动面方法对地震作用下的土钉支护边坡进行稳定性分析。考虑地震作用时,采用拟静力分析方法,并根据不同的条分模式,推导出水平地震动态分布系数的计算公式。针对地震效应下圆弧滑动面竖直条分法的不足,采用水平和竖直条分法相结合的改进方式。通过算例对比分析,并研究土钉支护间距与不同地震烈度条件下土钉长度的变化对边坡静力和动力稳定性的影响,结果表明,滑动面搜索新方法计算得的最小安全系数与圆弧滑动面方法的计算结果颇为接近,且比以往研究成果要小,可说明滑动面搜索新方法的可行性;在土钉支护边坡的静力和动力稳定性分析中,滑动面搜索新方法计算得的临界滑动面与临界圆弧滑动面接近,但表现出非圆弧特性;在一定程度上可减小土钉支护间距和增大土钉长度,可有效地改善土钉支护边坡在地震作用下的稳定性。     

边坡稳定计算斜条分法机理分析

利用较严格的通用条分法的分析思路,将边坡条块划分一般化,即采用斜条分法。重新建立了斜条分法的各种平衡方程式,并在此基础上假定斜条块间切向力与法向力满足Mohr-Coulomb准则的函数关系。算例分析表明该方法所求的安全系数与通用条分方法的结果相近,得到的简化计算是可行的。     

基于Janbu法的边坡整体稳定性滑动面搜索新方法

对于边坡整体稳定分析,找到了一种用随机角来搜索随机滑动面的新方法。在此过程中,采用简化Janbu法计算安全系数。这种新方法产生随机滑动面的过程是：先假定滑动面与边坡上、下缘的交点,在某一初始方向的情况下,以下缘交点为基点开始每随机一个角度方向,使其与对应的滑动体土条划分竖线相交,直到随机角度方向与上、下缘交点的连线重合,将这些交点依次连接,即可得到一条随机曲线（或随机滑动面）。通过随机模拟曲线,发现随机角物理意义明确,具有以下两个独特优点：①只有一个随机条件,随机因素易于控制,便于计算机编程;②为保证其随机曲线为一光滑曲线,可对随机角进行适当优化,并且在条分数足够大时,能够模拟任何曲线。针对以往随机搜索精度不高的问题,采用近似曲线来代替随机曲线的方法加以改进,并且将近似曲线的生成进行了简化。经各种实例对比分析后,得出此方法计算得出的安全系数与以往研究成果颇为接近,得到的最危险滑动面亦与实际情况相符,因而可说明此方法能够适用于边坡整体稳定性分析。     

滑坡稳定性分析与安全系数取值研究

在地质灾害中,滑坡灾害分布最广、发生频率最高、危害最大,是我国地质灾害防治的主要对象。滑坡研究的主要任务之一是稳定性分析。论文针对三板溪水电站进水口滑坡和水布垭水电站大岩淌滑坡,分别采用刚体极限平衡法、块体单元法、有限单元法对稳定安全系数和条间推力分布曲线进行分析和比较,研究各种方法的差异和计算精度,以及各种方法稳定安全系数的取值标准,希望为水利水电工程边坡设计规范有关有限单元法、块体单元法条目的编写和相应的允许安全系数取值标准的制定提供一定的参考。研究结果表明:①块体单元法计算的安全系数与刚体极限平衡法计算的安全系数可以采用相同的取值标准,而有限单元法计算的安全系数取值标准可适当降低;②块体单元法计算的条间水平推力、条间剪切力与刚体极限平衡法(尤其是Sarma法)计算的条间水平推力、条间剪切力非常相近,有限单元法计算的条间水平推力、条间剪切力较小;③分析方法、力学模型与参数取值应与安全系数取值标准相匹配。     

禁忌搜索在确定土坡危险滑动面中的应用

在土坡稳定的计算过程中常采用经典的极限平衡法。对每一条可能的圆弧滑动面通过条分法计算其安全系数,最小的安全系数就代表了土坡的实际安全系数。在此过程中,滑动面的圆心坐标和半径可以视为安全系数的函数,滑动面的圆心坐标和半径是自变量,安全系数就是函数值。这样,土坡安全系数的计算过程实际上是对安全系数这个函数求极值的过程。通过将土坡的安全系数视为圆心坐标和滑弧半径的函数,应用连续变量的禁忌搜索技术计算土坡稳定安全系数,提高土坡稳定计算的可靠性。     

土坡稳定分析圆弧法的解析解及应用

土坡稳定性分析的圆弧条分法的原理简单,公式简洁,至今仍被工程界广泛应用。但该方法的具体计算过程烦琐,在搜索最危险滑动面时,每给定一个滑动面,都要重新确定分条的边界、高度、宽度和分条数目等参数;而且要反复试算,存在着不确定性。为此,笔者曾提出了搜索最危险滑动面的一种方法,本文结合该方法对圆弧法作了进一步推导。首先是将地面线用分段直线方程表示,将滑动面用一圆弧方程表示,这样可以将原公式中的求和部分化为积分式,从而推导出了求解稳定系数的解析式,进一步推导出用于具有后缘拉裂的边坡稳定性计算式。