《赵尚毅安全系数讨论.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《赵尚毅安全系数讨论.ppt（84页珍藏版）》请在三一文库上搜索。
1、边（滑）坡工程稳定性 分析中几个问题的讨论,郑颖人 赵尚毅 后勤工程学院建筑工程系 重庆市地质灾害防治工程技术研究中心,一、边（滑）坡工程设计中 安全系数的讨论,1、引言,不同的计算方法, 边坡的安全系数 定义不同。,极限平衡法 有限元强度折减法 有限元法 有限元超载法,1 引 言,不同的安全系数定义引起边（滑）坡的稳定安全系数 与滑坡推力值不同 造成边（滑）坡设计的混乱。,传递系数法的两种表达形式,b 、显式表达式,a 、隐式表达式,设 ;安全系数定义改变。,2、边（滑）坡安全系数的定义,求 两种方法:直接解，降低 与,（1）强度储备 安全系数,(2) 超载储备安全系数,超载储备安全系数相当
2、于折减粘聚力c值的强度储备安全系数。 求安全系数两种方法：直接解；增大荷载。,（3）下滑力超载储备安全系数,算例1：均质土坡，坡高H=20m,粘聚力c=42kPa，土重度=20kN/ ，内摩擦角=17，求坡角=30、35、40、45、50、90时边坡的稳定安全系数，不同安全系数定义条件下的计算结果见下表。,3、不同定义对稳定安全系数的影响,解析方法,有限元法,4 不同安全系数的定义对滑坡推力计算的影响,由强度折减安全系数得到的滑坡推力,只增大下滑力安全系数得到的滑坡推力,岩土体下滑力；,岩土体抗滑力；,不平衡推力法中的推力分析,算例比较,不同安全系数下滑坡剪出口的剩余推力(kN) 稳定系数0.
3、808,算例2：滑体饱和重度= 20kN/ ，滑面土体强度参数：粘聚力c=16.9kPa，内摩擦角= 8.5，滑面如图1。,算例3：滑体饱和重度= 20kN/ ，滑面为一单一直线滑面，倾角30，滑面土体强度参数：粘聚力c=18kPa，内摩擦角= 20，如图2。,5 结 论,1）按照传统的计算方法采用目前国际上使用的强度储备安全系数是较合理的，也符合边（滑）坡受损破坏的实际情况，建议一般情况下采用强度储备安全系数作为边（滑）坡的稳定安全系数。,2）在特殊情况下，采用超载储备安全系数更能符合设计情况。例如，大坝水位升高超载导致坝基失稳，这种情况下可采用超载储备安全系数。,二、国内外常用稳定分析方法
4、 的比较与分析,条分法分类： 严格条分法力 全部平衡（4个未知数（ ）和 三个方程。 非严格条分法力部分平衡 （3个未知数（ ）和二个方程）,假设 。 超静定问题,非严格条分法的条间力假设,（ -边坡顶坡度）,（ -滑面倾角）,严格条分法的条间力假设,（ 常数）,（ 条间剪切力）,（ 条间剪切强度）,算 例 分 析,图1.2 算例边坡1,图1.3算例边坡2,表1.2 常用极限平衡条分法安全系数的比较,各种算法与Spencer法的相差值,6种严格法圆弧滑动面小于2% 一般滑动面小于4% 非严格法中瑞典法偏于过分安全 Bishop法误差很小, 不平衡推力法,滑面折角小时误差小 其它方法离散性太大，
5、不适用。 3. 推荐方法：严格解法或圆弧滑面采用 Bishop法；任意滑面采用不平衡推力法(滑面需修正)。,研究应用情况:,JTGD302004 公路路基设计规范 水利工程边坡规范 岩土工程勘察规范 方法: 圆弧形滑面简化毕肖普法 任意滑面不平衡推力法(隐式) 安全系数: 路堤1.3 不平衡推力法 路堑1.21.3 滑面折角小于10,三、不平衡推力法的稳定 安全系数分析,式中,a、隐式表达式,3.1 不平衡推力法的两种表达形式,b、显式表达式,式中,隐式与显式的不同:,1. 显式解是令隐式解中的传递系数中的 安全系数为1； 隐式解与显式解安全系数的含义不同， 隐式解采用国际常用的安全系数定义。
6、,4.2 圆弧滑面的比较,结论：对于光滑圆弧，传递系数法隐式的稳定系数在任何条件下均与Bishop法十分接近。显式的结果并不总是与Bishop法接近，其误差随中心角的增大而增大，最大达40以上。,1 计算或采用数值计算。,4.3 条间力倾角变化对稳定系数的影响,其滑面为一圆弧。为了研究条间力倾角对稳定性的影响，将滑面分别用圆弧的2、3、4、6、8、12、24等分点作为滑面的中间控制点，连接这些控制点就形成了7条滑面，折点处土条左右两侧条间力的倾角差分别为45、30、22.5、15、7.5、3.75。,误差分析结果,结论,滑移面直角很大时，显式与隐式解都有很大误差，必须进行修正。 即使滑面光滑时
7、，显式解也有较大误差， 偏于不安全，因而显式解不适用。,4.4 滑面控制点超限的处理,最下面一个滑面倾角为-30.96， 建议滑面进行修正，实际倾角小于10 。,5、不平衡推力法中的推力分析,隐式与显式的推力比较 ，,隐式,显式,，,不平衡推力法中的推力分析,算例比较,表3 不同安全系数下滑坡剪出口的剩余推力(KN) 稳定系数0.808,推力比较,采用1.15时, 实际为6184, 采用1.3时, 变为10029 增大近4000。,结论,1. 显式解推力近似为隐式解推力的 倍， 偏于安全。 2. 显式解安全系数为1.15时, 隐式解安全系数为 大于1.2 显式解安全系数为1.2时, 隐式解安全
8、系数为 大于1.4 显式解安全系数为1.3时, 隐式解安全系数为 大于1.6,四、库水作用下 浸润线的确定,1、存在问题,上述方法都缺乏理论依据。导致不同的单位作出的评价不同，治理经费相差很大。,实际工程中浸润线确定的方法有： 1）用下降前后的一条直线来定； 2）有的以滑体的下三分之一线作为 浸润线；,目前的分析方法中，孔隙水压力的计算都依据坡体中的浸润线来确定。,水位下降时边（滑）坡稳定性分析,库水作用下浸润线的确定,现行算法,水位下降前后的一条连线,根据右图和包辛涅斯克微分方程，可以得到下面的数学模型：,模型的建立,一维情况下的理论公式,x处t时间, 浸润线高度,模型的求解,数学模型通过拉
9、普拉斯(Laplace)正变换和逆变换求解，得到下面的计算公式 ：,-计算参数,有关因素:,下降速度 给水度 渗透系数 含水层厚度,公式的修正,当水平距离大于一倍下降高度时， 一维公式的计算结果大于有限元结果，并且两者的曲线大致相互平行。,(数值解修正:二维代替一维),公式的修正,修正系数,试验验证,长4米, 高1.5米, 宽1.2米,浸 润 线,水位下降速度与渗透系数对浸润线的变化 算例分析,在库水位的下降过程中，坡体存在一个最不利的水位，在这个水位坡体的稳定系数最小，这个位置一般在下降水位的下1/3处。,水位下降速度影响,渗透系数影响,计算结果与数值方法的比较,计算结果与数值分析的比较,误
10、差3.9%,水位下降对边（滑）坡稳定性分析的影响,不考虑水位下降过程中超孔隙水压力的影响 （土体设置为排水条件）,初始水位为40m，安全系数为1.878的滑面位置示意图,坡体前部水位下降至30m，安全系数为1.267的滑面位置和浸润面位置示意图,水位下降对边（滑）坡稳定性分析的影响,坡体前部水位下降至20m， 安全系数为1.112的滑面位置和浸润面位置示意图,坡体前部水位下降至10m， 安全系数为1.217的滑面位置和浸润面位置示意图,表2 安全系数的计算结果,图12 水位下降与其对应 的安全系数的拟合曲线,考虑水位下降过程中超孔隙水压力的影响 （土体设置为不排水条件）,a.水位下降速率的影响
11、 PLAXIS程序无法考虑水位的变化的时间因素， 采用结合固结计算的方法来考虑时间因素，如水位下降速率为1m/d，先用不排水程序按下降m计算，然后固结一天时间，消散孔隙水压力。,不同水位下降速率对应的安全系数,表4 是否考虑坡体内超孔隙水压力 的安全系数计算结果表,图13 不同的水位下降速率所对应的水位和安全系数的关系曲线,水位下降快，安全系数低,“现用工程采用值”（经验概化，排水计算） 稳定系数为.227 GEO-SLOPE（渗流计算，不排水计算） 稳定系数为0.995 误差：18.91%，偏危险 “现用工程采用值”（经验概化，排水计算） 稳定系数为.227 PLAXIS（渗流计算，不排水计
12、算） 稳定系数为1.047 误差：1.67%，偏危险,b土体渗透系数的影响,表5 土体不同渗透系数对应的安全系数计算结果表,渗透系数大，安全系数小,五、地下水作用下滑坡的,稳定性分析的两种表达式,静水压力表达式 动水压力表达式 两种表达式可以互换,两种表达式,滑面BC上的下滑力T,滑面BC上的抗滑力R,1、静水压力表达式 (瑞典条分法计算公式的推导),-饱和重力,下面对上式中分子、分母中的下面两项做进一步研究。 分子项： 分母项：,2、土条边界水压力与渗透力的关系,对上式做下列变化：,式中：,D几何意义是土条中饱浸水面积、水的重度、水力坡降的乘积 。其大小等于渗透力，其方向与水流方向一致，与水
13、平向的夹角为 。,浮重,土条计算简图（用周边压力） 土条计算简图(用渗透力）,浸润线以上取天然重量，浸润线 以下取土条浮重和渗透压力。,3、动水压力表示的三种计算公式的比较,（1）隐示解公式,（2）显示解公式,式中,三种计算公式的比较,（3）中华人民共和国国土资源部，长江三峡工程库区滑坡 防治工程设计与施工技术规则（试行）提供的公式，2000.8,式中：,，为孔隙水压力；,，为渗透压力；,稳定系数。,4、算例,图1所示的滑坡体，已知滑体的天然重度为,饱和重度为,滑带土的抗剪强度指标，天然状态下：,，,饱和状态下：,，,计算中浸润线以下取滑带土,滑坡简图,饱和强度，浸润线以上取,滑带土天然强度。,稳定系数的计算结果,三种方法的稳定系数,不同安全系数下滑坡剪出口的剩余推力（kN),三种方法的剩余推力,谢谢大家！,