水工建筑物專題邊坡穩(wěn)定分析

1、水工建筑物專題水工建筑物專題主主 講：康講：康 飛飛2022-7-5tancc、tan=()tanccuc、u一、一般情況下的無(wú)粘性土土坡一、一般情況下的無(wú)粘性土土坡 由于無(wú)粘性土土粒之間無(wú)粘聚力，因此，由于無(wú)粘性土土粒之間無(wú)粘聚力，因此，只要位于坡面上的土單元體能夠保持穩(wěn)定，則只要位于坡面上的土單元體能夠保持穩(wěn)定，則整個(gè)土坡就是穩(wěn)定的。整個(gè)土坡就是穩(wěn)定的。一、一般情況下的無(wú)粘性土土坡一、一般情況下的無(wú)粘性土土坡 對(duì)于均質(zhì)無(wú)粘性土坡，理論上只要坡角小于土的內(nèi)對(duì)于均質(zhì)無(wú)粘性土坡，理論上只要坡角小于土的內(nèi)摩擦角，土體就是穩(wěn)定的。摩擦角，土體就是穩(wěn)定的。F FS S=1=1時(shí)，土體處于極限平衡時(shí)，土

2、體處于極限平衡狀態(tài)，此時(shí)土坡的坡角就等于無(wú)粘性土的內(nèi)摩擦角，也狀態(tài)，此時(shí)土坡的坡角就等于無(wú)粘性土的內(nèi)摩擦角，也稱休止角。稱休止角。粘性土土坡條分法粘性土土坡條分法 粘性土由于土粒間存在粘聚力，發(fā)生滑坡時(shí)是整塊粘性土由于土粒間存在粘聚力，發(fā)生滑坡時(shí)是整塊土體向下滑動(dòng)。土體向下滑動(dòng)。假定滑坡體和滑面以下土體均為不變形假定滑坡體和滑面以下土體均為不變形的剛體的剛體，滑面為不連續(xù)面滑面為不連續(xù)面，滑面上各點(diǎn)的法向應(yīng)力采用，滑面上各點(diǎn)的法向應(yīng)力采用條分法獲得，分析每一土條受力，條分法獲得，分析每一土條受力，假定整個(gè)滑面上各點(diǎn)假定整個(gè)滑面上各點(diǎn)的安全系數(shù)相等的安全系數(shù)相等，根據(jù)滑塊剛體極限平衡條件，確定安

3、，根據(jù)滑塊剛體極限平衡條件，確定安全系數(shù)。全系數(shù)。fsF平均抗剪強(qiáng)度平均抗剪強(qiáng)度平均剪應(yīng)力平均剪應(yīng)力條分法示意圖條分法示意圖條分法受力分析條分法受力分析 將土坡作為平面問(wèn)題，對(duì)每個(gè)土條可分別列兩個(gè)正將土坡作為平面問(wèn)題，對(duì)每個(gè)土條可分別列兩個(gè)正交方向的靜力平衡方程和一個(gè)力矩平衡方程交方向的靜力平衡方程和一個(gè)力矩平衡方程 ，n個(gè)土條個(gè)土條共共3n個(gè)方程，未知數(shù)多個(gè)方程，未知數(shù)多n-2個(gè)，為超靜定問(wèn)題，需增加方個(gè)，為超靜定問(wèn)題，需增加方程個(gè)數(shù)或減少未知數(shù)。程個(gè)數(shù)或減少未知數(shù)。條分法未知數(shù)統(tǒng)計(jì)條分法未知數(shù)統(tǒng)計(jì)瑞典條分法：假設(shè)滑動(dòng)面為圓弧面，不考慮條間力，即瑞典條分法：假設(shè)滑動(dòng)面為圓弧面，不考慮條間力，

4、即Ei=Xi=0，減少，減少3n-3個(gè)未知數(shù)；個(gè)未知數(shù)；簡(jiǎn)化的簡(jiǎn)化的Bishop條分法：假設(shè)滑動(dòng)面為圓弧面，切向條間力條分法：假設(shè)滑動(dòng)面為圓弧面，切向條間力Xi=0，減少，減少n-1個(gè)未知數(shù)；個(gè)未知數(shù)；楊布條分法：假設(shè)滑動(dòng)面為任意面，條間法向作用力的作用楊布條分法：假設(shè)滑動(dòng)面為任意面，條間法向作用力的作用點(diǎn)在滑面以上點(diǎn)在滑面以上1/3土條高度處，減少土條高度處，減少n-1個(gè)未知數(shù)；個(gè)未知數(shù)；其他條分法：假設(shè)滑面為任意面，法向條間力和切向條間力其他條分法：假設(shè)滑面為任意面，法向條間力和切向條間力之間為某種函數(shù)關(guān)系，減少之間為某種函數(shù)關(guān)系，減少n-1個(gè)未知數(shù)。個(gè)未知數(shù)。一、基本假設(shè)和基本公式一、基

5、本假設(shè)和基本公式1.1.基本假設(shè)基本假設(shè)滑動(dòng)面為圓弧面滑動(dòng)面為圓弧面滑動(dòng)土體為剛體滑動(dòng)土體為剛體不考慮土條間的作用力，即認(rèn)不考慮土條間的作用力，即認(rèn)為左右兩端作用力的合力為一對(duì)為左右兩端作用力的合力為一對(duì)平衡力，作用相互抵消。平衡力，作用相互抵消。瑞典條分法受力分析瑞典條分法受力分析根據(jù)靜力平衡條件根據(jù)靜力平衡條件根據(jù)摩爾根據(jù)摩爾- -庫(kù)倫強(qiáng)度理論庫(kù)倫強(qiáng)度理論整個(gè)滑動(dòng)土體對(duì)圓心整個(gè)滑動(dòng)土體對(duì)圓心O O取力矩平衡得取力矩平衡得安全系數(shù)安全系數(shù) 當(dāng)已知土條當(dāng)已知土條i在滑動(dòng)面上的孔隙水應(yīng)力在滑動(dòng)面上的孔隙水應(yīng)力ui時(shí)，上式可時(shí)，上式可改寫為如下有效應(yīng)力進(jìn)行分析的公式：改寫為如下有效應(yīng)力進(jìn)行分析的公

6、式： 瑞典圓弧法忽略了條間力的作用，不能滿足所有靜瑞典圓弧法忽略了條間力的作用，不能滿足所有靜力平衡條件，計(jì)算安全系數(shù)一般比其他較嚴(yán)格的方法偏力平衡條件，計(jì)算安全系數(shù)一般比其他較嚴(yán)格的方法偏低低10%-20%，在滑弧圓心角較大，且孔隙水壓力較大時(shí)，在滑弧圓心角較大，且孔隙水壓力較大時(shí)，計(jì)算安全系數(shù)可能比其他較嚴(yán)格的方法小一半。計(jì)算安全系數(shù)可能比其他較嚴(yán)格的方法小一半。二、成層土和坡頂有超載時(shí)安全系數(shù)計(jì)算二、成層土和坡頂有超載時(shí)安全系數(shù)計(jì)算成層土計(jì)算圖示成層土計(jì)算圖示有超載計(jì)算圖示有超載計(jì)算圖示 有超載時(shí)，只要將超載分別加到有關(guān)土條的重有超載時(shí)，只要將超載分別加到有關(guān)土條的重量中去即可。量中去即

7、可。三、有地下水和穩(wěn)定滲流時(shí)安全系數(shù)計(jì)算三、有地下水和穩(wěn)定滲流時(shí)安全系數(shù)計(jì)算部分浸水土坡的安全系數(shù)，其計(jì)算公式與成層土坡完全部分浸水土坡的安全系數(shù)，其計(jì)算公式與成層土坡完全一樣，只要將坡外水位以下土的重度用浮重度一樣，只要將坡外水位以下土的重度用浮重度代替即可。代替即可。P1P1、P2P2的合力與的合力與Gw1Gw1大小相大小相等，方向相反，這相當(dāng)于等，方向相反，這相當(dāng)于水下土條按浮重度計(jì)算。水下土條按浮重度計(jì)算。 當(dāng)水庫(kù)蓄水或庫(kù)水降落，或碼頭岸坡處于低潮位而地下當(dāng)水庫(kù)蓄水或庫(kù)水降落，或碼頭岸坡處于低潮位而地下水位又比較高，或基坑排水時(shí)，都要產(chǎn)生滲流而經(jīng)受滲流力水位又比較高，或基坑排水時(shí)，都要

8、產(chǎn)生滲流而經(jīng)受滲流力的作用，在進(jìn)行土坡穩(wěn)定分析時(shí)必須考慮它的影響。的作用，在進(jìn)行土坡穩(wěn)定分析時(shí)必須考慮它的影響。四、考慮地震作用時(shí)安全系數(shù)計(jì)算四、考慮地震作用時(shí)安全系數(shù)計(jì)算 在地震區(qū)，由于地殼的振動(dòng)而引起動(dòng)力作用，將影響到在地震區(qū)，由于地殼的振動(dòng)而引起動(dòng)力作用，將影響到邊坡的穩(wěn)定性，在分析時(shí)必須予以考慮。根據(jù)規(guī)范推薦的方邊坡的穩(wěn)定性，在分析時(shí)必須予以考慮。根據(jù)規(guī)范推薦的方法，采用擬靜力法。法，采用擬靜力法。 假定在地震時(shí)每一土條重心處作用著一個(gè)水平向的地震假定在地震時(shí)每一土條重心處作用著一個(gè)水平向的地震慣性力，對(duì)于設(shè)計(jì)烈度為慣性力，對(duì)于設(shè)計(jì)烈度為8 8，9 9度的建筑物，則同時(shí)還要加上度的建筑

9、物，則同時(shí)還要加上一個(gè)豎向的地震慣性力。由于這兩個(gè)慣性力的影響，邊坡的一個(gè)豎向的地震慣性力。由于這兩個(gè)慣性力的影響，邊坡的安全系數(shù)將減小。安全系數(shù)將減小。3.5 3.5 邊坡穩(wěn)定分析程序?qū)崿F(xiàn)邊坡穩(wěn)定分析程序?qū)崿F(xiàn)-SLOPE/W-SLOPE/W一、一、GeoStudioGeoStudio軟件簡(jiǎn)介軟件簡(jiǎn)介 該軟件是全球著名的加拿大巖土軟件開(kāi)發(fā)商該軟件是全球著名的加拿大巖土軟件開(kāi)發(fā)商GEO-GEO-SLOPESLOPE公司在七十年代開(kāi)發(fā)的面向巖土、采礦、交通、水公司在七十年代開(kāi)發(fā)的面向巖土、采礦、交通、水利等領(lǐng)域的一套仿真分析軟件。是全球最知名的巖土工利等領(lǐng)域的一套仿真分析軟件。是全球最知名的巖土工

10、程分析軟件之一。共有程分析軟件之一。共有8 8個(gè)模塊，常用的有下面四個(gè)。個(gè)模塊，常用的有下面四個(gè)。SLOPE/W-SLOPE/W-邊坡穩(wěn)定分析邊坡穩(wěn)定分析SEEP/W-SEEP/W-滲流分析滲流分析SIGMA/W-SIGMA/W-應(yīng)力變形分析應(yīng)力變形分析QUAKE/W-QUAKE/W-地震反應(yīng)分析地震反應(yīng)分析GeoStudioGeoStudio軟件主界面，輔助工具軟件主界面，輔助工具“有道桌面詞典有道桌面詞典”有道桌面詞典主窗口有道桌面詞典主窗口SLOPE/WSLOPE/W主界面主界面二、瑞典圓弧法邊坡穩(wěn)定分析例二、瑞典圓弧法邊坡穩(wěn)定分析例1 1 邊坡分為兩層，坡面長(zhǎng)高比為邊坡分為兩層，坡面長(zhǎng)

11、高比為2:12:1（水平：豎向）。（水平：豎向）。上層土厚度上層土厚度5m5m，坡面總高度，坡面總高度10m10m。孔隙水壓力條件由圖?？紫端畨毫l件由圖中虛線表示。土層的強(qiáng)度參數(shù)如圖所示。中虛線表示。土層的強(qiáng)度參數(shù)如圖所示。 目標(biāo)：采用瑞典圓弧法計(jì)算邊坡安全系數(shù)并確定滑目標(biāo)：采用瑞典圓弧法計(jì)算邊坡安全系數(shù)并確定滑動(dòng)面位置。動(dòng)面位置。瑞典圓弧法例瑞典圓弧法例1 11.1.創(chuàng)建一個(gè)新的項(xiàng)目創(chuàng)建一個(gè)新的項(xiàng)目2.2.分析設(shè)定分析設(shè)定3.3.設(shè)置工作區(qū)域尺寸設(shè)置工作區(qū)域尺寸選擇選擇SetSet下拉菜單中的下拉菜單中的PagePage選項(xiàng)，彈出如下對(duì)話框選項(xiàng)，彈出如下對(duì)話框4.4.設(shè)置比例設(shè)置比例選擇選

12、擇SetSet下拉菜單中的下拉菜單中的Set Units and ScaleSet Units and Scale選項(xiàng)，選項(xiàng)，彈出如下對(duì)話框彈出如下對(duì)話框5.5.設(shè)置繪圖網(wǎng)格設(shè)置繪圖網(wǎng)格選擇選擇SetSet下拉菜單中的下拉菜單中的GridGrid選項(xiàng)，彈出如下對(duì)話框選項(xiàng)，彈出如下對(duì)話框?qū)R到網(wǎng)格對(duì)齊到網(wǎng)格選上這兩個(gè)復(fù)選框選上這兩個(gè)復(fù)選框設(shè)置完以后的窗口設(shè)置完以后的窗口6.6.繪制坐標(biāo)軸繪制坐標(biāo)軸選擇選擇SketchSketch下拉菜單中的下拉菜單中的AxesAxes選項(xiàng)，或點(diǎn)擊菜單欄選項(xiàng)，或點(diǎn)擊菜單欄Sketch AxesSketch Axes按鈕，按鈕， 彈出如下對(duì)話框彈出如下對(duì)話框選擇選擇

13、OK,OK,鼠標(biāo)變?yōu)槭中?，窗口狀態(tài)中顯示出鼠標(biāo)變?yōu)槭中?，窗口狀態(tài)中顯示出Sketch AxesSketch Axes，表明目前正在進(jìn)行的操作為繪制坐標(biāo)軸。表明目前正在進(jìn)行的操作為繪制坐標(biāo)軸。改變坐標(biāo)軸字體大小改變坐標(biāo)軸字體大小選擇選擇ViewView下拉菜單中的下拉菜單中的PreferencesPreferences選項(xiàng)，彈出如下對(duì)話框選項(xiàng)，彈出如下對(duì)話框改變字體改變字體7.7.繪制模型繪制模型繪制第一個(gè)材料區(qū)繪制第一個(gè)材料區(qū)繪制第二個(gè)材料區(qū)繪制第二個(gè)材料區(qū)單擊右鍵，結(jié)束操作，并點(diǎn)擊單擊右鍵，結(jié)束操作，并點(diǎn)擊Zoom ObjectiveZoom Objective按鈕按鈕8.8.定義材料屬

14、性定義材料屬性在在KeyinKeyin下拉菜單中選擇下拉菜單中選擇MaterialsMaterials選項(xiàng)，在彈出的對(duì)話框選項(xiàng)，在彈出的對(duì)話框中點(diǎn)擊中點(diǎn)擊AddAdd，添加材料。，添加材料。9.9.給材料區(qū)域賦值給材料區(qū)域賦值在在DrawDraw下拉菜單中選擇下拉菜單中選擇MaterialsMaterials選項(xiàng)。選項(xiàng)。同樣將同樣將LowerLower賦值給第二個(gè)材料區(qū)域，單擊右鍵結(jié)束操作。賦值給第二個(gè)材料區(qū)域，單擊右鍵結(jié)束操作。10.10.繪制孔隙水壓力線繪制孔隙水壓力線在在DrawDraw下拉菜單中選擇下拉菜單中選擇Pore water pressurePore water pressur

15、e選項(xiàng)。選項(xiàng)。11.11.繪制滑動(dòng)面入口和出口范圍繪制滑動(dòng)面入口和出口范圍為了控制滑動(dòng)面的位置，在滑動(dòng)面設(shè)置中有很多選項(xiàng)可以為了控制滑動(dòng)面的位置，在滑動(dòng)面設(shè)置中有很多選項(xiàng)可以選擇，其中一個(gè)方便的選項(xiàng)就是定義滑動(dòng)面的入口和出口選擇，其中一個(gè)方便的選項(xiàng)就是定義滑動(dòng)面的入口和出口范圍。在入口和出口間可以產(chǎn)生無(wú)數(shù)的滑動(dòng)面，范圍。在入口和出口間可以產(chǎn)生無(wú)數(shù)的滑動(dòng)面，SLOPE/WSLOPE/W能能夠根據(jù)入口和出口范圍自動(dòng)搜索最危險(xiǎn)滑動(dòng)面。夠根據(jù)入口和出口范圍自動(dòng)搜索最危險(xiǎn)滑動(dòng)面。選擇選擇DrawDraw下拉菜單中的下拉菜單中的Slip SurfaceSlip Surface，在彈出的子菜單中，在彈出的子

16、菜單中選擇選擇Entry and ExitEntry and Exit。12.12.模型檢驗(yàn)?zāi)Ｐ蜋z驗(yàn)所有的模型參數(shù)定義完之后，要檢查模型是否定義正確，確保以后的所有的模型參數(shù)定義完之后，要檢查模型是否定義正確，確保以后的計(jì)算正常進(jìn)行。計(jì)算正常進(jìn)行。13.13.保存模型保存模型 現(xiàn)在已經(jīng)完成了模型的繪制和參數(shù)的設(shè)置，選擇現(xiàn)在已經(jīng)完成了模型的繪制和參數(shù)的設(shè)置，選擇FileFile菜單下的菜單下的SaveSave來(lái)保存文件，或者來(lái)保存文件，或者Save asSave as另存為一個(gè)文件。另存為一個(gè)文件。14.14.計(jì)算求解計(jì)算求解用用SLOPE/WSLOPE/W的求解函數(shù)，計(jì)算邊坡的安全系數(shù)。的求解函數(shù)，計(jì)算邊坡的安全系數(shù)。選擇選擇ToolsTools下拉菜單中的下拉菜單中的Solve analysesSolve analyses，彈出如下對(duì)話框，彈出如下對(duì)話框點(diǎn)擊點(diǎn)擊StartStart開(kāi)始求解，求解完成后顯示如下對(duì)話框開(kāi)始求解，求解完成后顯示如下對(duì)話框關(guān)閉求解對(duì)話框關(guān)閉求解對(duì)話框15.15.查看結(jié)果查看結(jié)果ContourContour函數(shù)可以采用圖形化的方式