極限平衡法的幾種方法介紹

基于極限平衡法原理的邊坡穩(wěn)定計算有多種方法，根據不同的適用條件，主要有摩根斯坦－普瑞斯〔Morgenstern-Price〕法、畢肖普〔Bishop〕法、簡布〔Janbu〕法、推力法、薩爾瑪〔Sarma〕法等。Bishop法概述：目前，在工程上常用的兩種土坡穩(wěn)定分析方法仍為瑞典圓弧法(Fellenius法)和簡化畢肖普法，它們均屬于極限平衡法。瑞典圓弧法的土條間作用力的假設不太合理，得出的平安系數明顯偏低，而簡化畢肖普法的假設較為合理，計算也不復雜，因而在工程中得到了十分廣泛的應用。當土坡處于穩(wěn)定狀態(tài)時，任一土條內滑弧面上的抗剪強度只發(fā)揮了一局部，并與切向力Ti相平衡，見圖1(a)Ti=c如圖1(b)所示，將所有的力投影到弧面的法線方向上，那么得Ni=W當整個滑動體處于平衡時〔圖1(c)〕，各土條對圓心的力矩之和應為零，此時，條間推力為內力，將相互抵消，因此得Wi圖1畢肖普法計算圖將式(2)代入式(3)，且xi=RsiFs實用上，畢肖普建議不計分條間的摩擦力之差，即Hi+1-Fs所有作用力在豎直向和水平向的總和都應為零，即FxPi代入式(5)，簡化后得Fs當采用有效應力法分析時，重力項Wi將減去孔隙水壓力uilFs在計算時，一般可先給Fs假定一值，采用迭代法即可求出。根據經驗，通常只要迭代3~4次就可滿足精度要求，而且迭代通?？偸鞘諗康摹ＤΩ固梗杖鹚埂睲orgenstern-Price〕法該方法考慮了全部平衡條件與邊界條件，消除了計算方法上的誤差，并對Janbu推導出來的近似解法提供了更加精確的解答；對方程式的求解采用數值解法〔即微增量法〕，滑面形狀任意，通過力平衡法所計算出的穩(wěn)定系數值可靠程度較高。圖12—1力學模型示意圖根據其力學模型和幾何條件以及靜力平衡方程可解得平衡條件：〔12—1〕式中：——條塊底面摩擦角——條塊底面粘聚力——條塊側面摩擦角——條塊側面粘聚力式〔12—1〕分成n塊滑體到達靜力平衡的條件。該式物理意義是：使滑體到達極限平衡狀態(tài)，必須在滑體上施加一個臨界水平加速度Kc。Kc為正時，方向向坡外，Kc為負時，方向向坡內，Kc的大小由式〔12—1〕確定。在對該方法應用中，對其進行了進一步完善，充分考慮了分層作用，并使不同層位賦予不同的強度參數，同時它還要求對解的合理性進行校核，使分析計算更趨合理，從而顯示了該方法很強的適用性。簡布〔janbu〕法簡布〔janbu〕法是假定條塊間的水平作用力的位置，每個條塊都滿足全部的靜力平衡條件和極限平衡條件，滑動土體的整體力矩平衡條件也滿足，而且它適用于任何滑動面而不必規(guī)定滑動面是一個圓弧面，所以又稱為普遍條分法。簡布〔janbu〕法條塊作用力分析?！瞐〕〔b〕〔c〕其中：〔8-1〕〔8-2〕〔8-3〕第i條塊力平衡條件：得〔8-4〕得〔8-5〕將8-1式、8-2式、8-3式和8-5式代入到8-41式中，得〔8-6〕條塊側面的法向力P，顯然有，，依次類推，有假設全部條塊的總數為n，那么有〔8-7〕將8-6式代入8-7，得〔8-8〕由以上公式，利用迭代法可以求得普遍條分法的邊坡穩(wěn)定性平安系數。其步驟如下：〔1〕假定，利用8-8公式求得第一次近似的平安系數Fs1?！?〕將Fs1和代入8-6式，求相應得〔對每一條塊，從1到n〕?！?〕用公式8-7，求條塊的法向力〔對每一條塊，從1到n〕?！?〕將和代入公式8-2和8-3種，求得條塊間的切向作用力〔對每一條塊，從1到n〕和?！?〕將重新代入到8-8公式中，迭代求新的穩(wěn)定平安系數Fs2。如果，為規(guī)定的平安系數計算精度，重新按照上述步驟進行新的一輪計算。如是反復進行，直到為止。此時就是假定滑面的平安系數。Sarma法Sarma法屬于剛體極限平衡分析法，其基于以下的6條假設：〔1〕將邊坡穩(wěn)定性問題視為平面應變問題；〔2〕滑動力以平行于滑動面的剪應力和垂直于滑動面的正應力集中作用于滑動面上；〔3〕視邊坡為理想剛塑性材料，認為整個加荷過程中，滑體不會發(fā)生任何變形，一旦沿滑動面剪應力到達其剪切強度，那么滑體即開始沿滑動面產生剪切變形；〔4〕滑動面的破壞服從Mohr-Coulomb破壞準那么，即滑動面強度主要受粘聚力和摩擦力控制；〔5〕條塊間的作用力合力〔剩余下滑力〕方向與滑動面傾角一致，剩余下滑力為負值時那么傳遞的剩余下滑力為零；〔6〕沿著滑動面滿足靜力的平衡條件，但不滿足力矩平衡條件。圖7-1Sarma法巖體破壞形式圖7-2Sarma法力學破壞模型將上一條塊剩余下滑力向下一條塊滑動面逐塊投影法計算邊坡的穩(wěn)定性及滑坡推力，滑坡的穩(wěn)定性及推力計算同時滿足當剩余下滑力小于零時令其等于零的條件。即條塊間不出現拉應力的條件。單元極限平衡公式為：〔7.1〕第i