简化Bishop法的扩展及其在非圆弧滑面中的应用

在众多边坡稳定分析方法中，经典简化Bishop法的应用最为广泛，但此法只能求解圆弧滑面的安全系数。笔者提出了扩展简化Bishop法，它不仅保留了经典简化Bishop法精度高、易使用等优点，且能够计算非圆弧滑面的安全系数，是较为实用的边坡稳定分析方法。     

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。     

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。     

基于动力学和材料软化特性的边坡渐进破坏特征研究

边坡的失稳是一个从量变到质变的动态渐进破坏过程,此问题也是边坡领域研究的重点与难点之一。在考虑岩土材料软化特性和动力学求解的基础上,建立了边坡渐进破坏仿真的理论框架;利用ABAQUS软件的动力显式求解模块实现了边坡的渐进破坏仿真;根据塑性应变揭露了剪切带的扩展过程,由软化本构确定了滑面材料的分区演化规律,根据等效塑性应变确定了边坡的滑面,通过滑面位置将边坡分为滑体、滑带、滑床,并分别研究了边坡各分区内部特征点运动学变量的发展过程,从而揭示了边坡的渐进破坏过程;基于材料参数沿滑面的时空分布,利用矢量和法得到了边坡不同演化阶段的安全系数。对比该方法与Bishop法确定的滑面位置与安全系数,发现两种方法峰值和残余强度对应的安全系数比较接近,该方法搜索所得滑面位于Bishop法自动搜索的滑面之间,验证了此方法的合理性及可靠性。最后分析了材料软化特征对边坡稳定性的影响,在保持其他参数不变的条件下,增大残余黏聚力,边坡的滑面位置加深,安全系数的初始值减小,安全系数的快速减小阶段有所推迟,并且快速减小阶段经历的时间有所延长,稳定后的安全系数有所增大。保持其他参数不变,增大残余黏聚力对应的等效塑性应变阈值,边坡的滑面位置加深,安全系数的初始值减小,安全系数的快速减小阶段有所推迟,但快速减小阶段经历的时间基本不变,达到稳定的时间有所推迟,同时稳定后的安全系数略微有所增大。     

LU Kun-lin,ZHU Da-yong,YANG Yang 均质边坡准三维安全系数实用计算曲线

针对三维极限平衡法计算边坡安全系数存在着分析过程繁琐、较难普及推广等诸多不足,建立了一套实用的三维边坡安全系数计算曲线。假设三维滑面为中间圆柱和两端为部分球面的组合滑面,采用基于滑面正应力修正的极限平衡分析方法,计算36 864个均质边坡,根据计算结果绘制该套曲线。依据该套曲线可以得到,（1）根据已知边坡体的相关指标快速获得三维安全系数,能够得到较二维分析方法更准确、更客观的稳定性评价;（2）根据实际坡体的稳定状况反分析获得滑面土体强度参数,有效地克服二维反分析得到滑面土体强度参数偏高的弊端。研究成果可为均质边坡三维稳定性初步评价提供简单、实用的参考依据。     

简化Bishop法的剩余下滑推力计算方法研究

简化Bishop法是评价圆弧形滑动面滑坡稳定性的"严格"方法,计算方法简便、精确,已有相关学者研究了其严格性,但却没有与之相适应的滑坡剩余下滑推力解析法,给滑坡（边坡）的综合治理带来了一定困难。本文从简化Bishop法计算原理出发,考虑坡体自重、外力、水平地震力、滑动面处的孔隙水压力等,利用力多边形法则,得到了两类简化Bishop法剩余下滑推力分析模型,即:Ⅰ型（T_i ≥ 0）和Ⅱ型（T_i < 0）;针对两类模型推导出了第i-1条块的下滑推力,然后,使F_i-1参与到第i条块的力多边形受力模型中,从上往下逐条块计算下滑推力,进而推导出条块i的剩余下滑推力解析计算公式。该解析法与传递系数法隐式解所计算的剩余下滑推力进行比较,总体上呈现出简化Bishop法剩余下滑推力高于传递系数法隐式解,两者的剩余下滑推力差值随着安全储备的增大而减小,且该解析法适用于安全储备要求较高的滑坡（边坡）,该解析法为圆弧形滑动面滑坡（边坡）治理设计提供了一定的理论依据。     

基于矢量和分析方法的边坡滑面搜索

基于力是矢量这个基本概念,给出了边坡矢量和法安全系数的矢量表达式。在边坡荷载已知的情况下,运用有限元法计算得到边坡真实的应力分布状态,使用矢量和法安全系数并采用优化算法中的直接法搜索边坡的临界滑面。计算结果表明,使用矢量和分析法搜索得到的临界滑面位置与极限平衡法得到的滑面位置基本吻合,且安全系数相对误差最大为2.09 %,验证了该方法在边坡稳定分析中的合理性与可靠性。矢量和分析方法与基于强度储备安全系数的分析方法不同,具有明确的物理和力学意义,且不需引入过多假设,公式简洁,易于进行三维边坡稳定分析,不需进行迭代计算,可在工程实际中得到广泛的运用。     

基于离散元的边坡矢量和稳定分析方法研究

基于离散元方法对获取的块体单元、节理的应力场处理后得到坡体整体应力场,结合矢量和法安全系数的定义提出了一种边坡稳定性分析方法即VSM-UDEC法。首先通过滑块试验验证了多种情况下UDEC接触应力计算和单元应力的精确性,结果表明,UDEC接触应力和块体单元应力的精确程度很高（接触应力相对误差基本低于0.2%）,能够满足矢量和安全系数计算要求。采用VSM-UDEC法分别对直线型滑面和圆弧型滑面算例进行了分析,并与相应的理论解和严格极限平衡法（Morgenstern-Price法）进行了对比。结果表明,对于直线型滑面VSM-UDEC法安全系数与理论解几乎相同,而对于圆弧型滑面该方法与极限平衡法结果基本一致。最后将VSM-UDEC法运用到锦屏I级水电站左岸边坡工程实例中,结果表明,假设块体为刚体时VSM-UDEC法安全系数与极限平衡法（Sarma法、Morgenstern-Price法）结果吻合较好,此外,VSM-UDEC法能够考虑坡体内结构面对稳定性的影响,较极限平衡法更能反映边坡的变形分布情况。鉴于UDEC在模拟边坡破坏方面优点较多且矢量和法安全系数物理意义明确,VSM-UDEC法有望在边坡稳定性分析中有较好的应用前景。     

边坡可靠度分析的一种新的优化求解方法

介绍了Low & Tang提出的一种新的可靠度优化求解方法,并将之用于边坡可靠度分析中：该方法适用于任何概率分布的相关变量,不必计算当量正态均值和方差、相关变量独立变换,直接在变量的原始空间内搜索边坡的最小可靠指标和概率临界滑面,可采用任何合适的约束优化方法进行求解,方法清晰简洁。边坡可靠度分析常用的滑面有2个：最小安全系数（变量均值处）对应的确定性临界滑面和最小可靠指标对应的概率临界滑面,但这2个滑面在有些情况下差别较大,Hassan & Wolff提出了一种简化方法可以方便地获得概率临界滑面,但由于方法简单,受到质疑。通过一系列算例分析,优化求解方法得到的概率临界滑面和Hassan & Wolff的简化方法滑面非常接近,显示了简化方法的有效性,值得在工程实践中推广。     

土坡稳定分析简化Bishop法的数值解

建立了适于边坡稳定分析简单的平面直角坐标系,得到了该坐标系下的边坡稳定分析瑞典圆弧法的积分表达式,与张天宝法进行了验证和对比;提出了基于边坡稳定分析简化Bishop法原理的积分法,推导了其安全系数Fs积分表达式,编制了数值积分计算和图形处理程序,并进行了工程应用,实践证明该方法的正确性。     

边坡安全系数的多解性讨论

边坡安全系数计算结果直接影响边坡工程设计,而极限平衡法不能给出唯一的安全系数值,研究边坡安全系数的多解性,有助于对边坡稳定性计算结果有一个合理地判断与取舍。先假定滑面正应力的初始分布,然后采用含有3个待定参数的拉格朗日函数对其修正,保证滑体满足所有的力与力矩平衡条件;设定一系列安全系数分别求解平衡方程组,得到对应的待定参数值;最后根据滑面正应力分布的合理性判断边坡安全系数的合理范围。算例表明,圆弧滑面合理安全系数范围在5 %以内,而任意形状滑面安全系数最大取值范围可达15 %。     

http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1674987114001637

In this study, Imperialistic Competitive Algorithm(ICA) is utilized for locating the critical failure surface and computing the factor of safety(FOS) in a slope stability analysis based on the limit equilibrium approach. The factor of safety relating to each trial slip surface is calculated using a simplified algorithm of the Morgenstern-Price method, which satisfies both the force and the moment equilibriums. General slip surface is considered non-circular in this study that is constituted by linking random straight lines.To explore the performance of the proposed algorithm, four benchmark test problems are analyzed. The results demonstrate that the present techniques can provide reliable, accurate and efficient solutions for locating the critical failure surface and relating FOS. Moreover, in contrast with previous studies the present algorithm could reach the lower value of FOS and reached more exact solutions.     

PSO-based stability analysis of unreinforced and reinforced soil slopes using non-circular slip surface

Slope stability analysis is one of the most intricate problems of geotechnical engineering because it is mathematically difficult to search the critical slip surface of earth slopes with complex strata owing to the involved multimodal function optimization problem. At present, a minimum factor of safety for a non-circular slip surface in a uniform and unreinforced earth slope can be calculated using several methods; however, for a reinforced soil slope, it cannot be easily calculated because of the additional effect of the reinforcement. One efficient method to search the critical slip surface is particle swarm optimization (PSO). PSO can solve complex non-differentiable problems, and its increasing ease of use has facilitated its application to multimodal function optimization problems in a variety of fields. However, the recommended PSO parameters to calculate the safety factors of unreinforced and reinforced soil slopes, namely the inertia and local and global best solution weighting coefficients, have not been sufficiently investigated. Moreover, the computational efficiency of PSO for safety factor calculation, including computational accuracy and time, has not been clarified. To calculate the unreinforced and reinforced soil slope safety factors, this study considers force and moment equilibriums, including the tensile force of the reinforcement. Firstly, the computational efficiency of the calculation process by PSO was shown to increase the maximum number of slip surface nodes in the calculation of the safety factor. Then, an analysis was carried out to investigate the safety factor sensitivity to the PSO parameters. Based on this analysis, appropriate PSO parameters for the safety factor calculation of unreinforced and reinforced soil slopes were proposed.

     

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。     

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.     

Determination of the critical failure surface for slope stability analysis using ant colony optimization

Slope stability analysis of any natural or artificial slope aims at determining the factor of safety of the slip surface that possesses the lowest factor of safety. In this study, an ant colony optimization (ACO) algorithm is developed to solve this factor-of-safety minimization problem. Factors of safety of slip surfaces are found by using the Morgenstern–Price method, which satisfies both force and moment equilibrium. Nonlinear equations from the Morgenstern–Price method are solved numerically by the Newton–Raphson method. In the proposed ACO algorithm, the initiation point and the shape of the slip surface are treated as the search variables. The proposed heuristic algorithm represents slip surfaces as piecewise-linear curves and solves for the optimal curve yielding the minimum factor of safety. To demonstrate its applicability and to investigate the validity and effectiveness of the algorithm, four examples with varying complexity are presented. The obtained results are compared with the available literature and are found to be in agreement.     

基于局部强度折减法的边坡多滑面分析方法及应用研究

边坡最危险滑动面的搜索方法一直是研究的热点,但边坡内部次级滑动面也可能不满足安全设计要求,因此,考虑边坡多条滑动面的分析方法亦应得到关注。在传统强度折减法中,对边坡整个区域的抗剪强度参数进行折减,此方法仅可得到一个临界滑动面和最小安全系数。提出了一种基于局部强度折减法的多滑面分析方法,即首先定义单元安全系数的概念,并且计算边坡每个单元的安全系数,然后自动搜索出单元安全系数处于不同范围内的单元集合,对各个单元集合的强度参数进行折减计算,即可得到不同安全系数对应的滑动面。通过单台阶和双台阶边坡算例验证了该方法的可行性,结果表明,随着安全系数的增大,潜在滑面的深度和潜在滑动区域亦增大。最后把该方法应用到某隧道进口仰坡的稳定性评价中, 通过该方法得到的多级滑动面与现场监测数据吻合较好。     

边坡锚固力计算方法及工程应用

假定滑面正应力分布为含2个待定参数的拉格朗日插值函数,推导出含锚固力作用的滑体水平力、垂直力和力矩平衡方程,直接得到满足给定安全系数要求的锚固力系数解析解。这种锚固边坡计算方法克服了传统方法导致滑面正应力突变的缺点,且计算过程极为简便,并成功应用于实际边坡加固工程。     

Identification of representative slip surfaces for reliability analysis of soil slopes based on shear strength reduction

Although a slope may have numerous potential slip surfaces, its failure probability is often governed by several representative slip surfaces (RSSs). Previous efforts mainly focus on the identification of circular RSSs based on limit equilibrium methods. In this paper, a method is suggested to identify RSSs of arbitrary shape based on the shear strength reduction method. Monte Carlo simulation is used to generate a large number potential slip surfaces. The RSSs are identified through analyzing the failure domains represented by these samples. A kriging-based response surface model is employed to enhance the computational efficiency. These examples shows that the RSSs may not always be circular, and that the suggested method can effectively locate the RSSs without making prior assumptions about the shape of the slip surfaces. For the examples investigated, the system failure probabilities computed based on the shear strength reduction method are comparable to, but not the same as those computed based on the limit equilibrium methods. The suggested method significantly extends our capability for identifying non-circular RSSs and hence probabilistic slope stability analysis involving non-circular slip surfaces.