边坡处治基本理论及稳定性分析.ppt

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1、第2章 边坡处治基本理论及稳定性分析,本章重点 （1）边坡稳定性概念 （2）边坡稳定性分析基本理论和假定 （3）条分法 （4）不平衡推力传递系数法 （5）有限元法 （6）非线性有限元 （7）有限元计算成果和安全判定准则,2.1 概 述 边坡处治，首先要进行稳定性分析。边坡稳定分析的方法很多，目前在工程中广为应用的是传统的极限平衡理论。近几年，基于不同的力学模型而建立起来的各种数值分析计算方法也越来越受到工程界的重视。 2.1.1边坡稳定性概念 边坡一般是指具有倾斜坡面的土体或岩体，由于坡表面倾斜，在坡体本身重力及其他外力作用下，整个坡体有从高处向低处滑动的趋势，同时，由于坡体土(岩)自身具有一

2、定的强度和人为的工程措施，它会产生阻止坡体下滑的抵抗力。一般来说，如果边坡土(岩)体内部某一个面上的滑动力超过了土(岩)体抵抗滑动的能力，边坡将产生滑动，即失去稳定；如果滑动力小于抵抗力，则认为边坡是稳定的。,在工程设计中，判断边坡稳定性的大小习惯上采用边坡稳定安全系数来衡量。l955年，毕肖普(A.W.Bishop)明确了土坡稳定安全系数的定义： (2.1) 式中： 沿整个滑裂面上的平均抗剪强度； r沿整个滑裂面上的平均剪应力； 边坡稳定安全系数。 按照上述边坡稳定性概念，显然，1，土坡稳定；1，土坡失稳；=1，土坡处于临界状态。 毕肖普的土坡稳定安全系数物理意义明确，概念清楚，表达简洁，应

3、用范围广泛，在边坡工程处治中也广泛应用。其问题的关键是如何寻求滑裂面，如何寻求滑裂面上的平均抗剪强度和平均剪应力。,边坡的稳定是一个比较复杂的问题，影响边坡稳定性的因素较多，简单归纳起来有以下几方面： (1)边坡体自身材料的物理力学性质 边坡体材料一般为土体、岩体、岩土及其他材料混合堆积或混合填筑体(如工业废渣、废料等)，其本身的物理力学性质对边坡的稳定性影响很大，如抗剪强度(内摩擦角，凝聚力)、容重(包括天然容重和饱和容重等)。 (2)边坡的形状和尺寸 这里指边坡的断面形状、边坡坡度、边坡总高度等。一般来说，边坡越陡，边坡越容易失稳，坡度越缓，边坡越稳定；高度越大，边坡越容易失稳，高度越小，

4、边坡越稳定。,(3)边坡的工作条件 边坡的工件条件主要是指边坡的外部荷载，包括边坡和边坡顶上的荷载、边坡后传递的荷载，如公路路堤边坡顶上的汽车荷载、人行荷载等，储灰场后方堆灰传递的荷载，水坝后方水压力等。 边坡体后方的水流及边坡体中水位变化情况是影响边坡稳定的一个重要因素，它除自身对边坡产生作用外，还影响边坡体材料的物理力学指标。 (4)边坡的加固措施 边坡的加固是采取人工措施将边坡的滑动传送或转移到另一部分稳定体中，使整个边坡达到一种新的稳定平衡状态，加固措施的种类不同，对边坡稳定的影响和作用也不相同，但都应保证边坡的稳定。,2.1.3边坡稳定性分析基本理论和假定 边坡稳定分析的方法比较多，

5、但总的说来可分为两大类，即以极限平衡理论为基础的条分法和以弹塑性理论为基础的数值计算方法。 条分法以极限平衡理论为基础，由瑞典人彼得森(K.E.Petterson)在1916年提出，20世纪3040年代经过费伦纽斯(W.Fellenius)和泰勒(D.W.Taylor)等人的不断改进，直至l954年简布(N.Janbu)提出了普遍条分法的基本原理，l955年毕肖普明确了土坡稳定安全系数，使该方法在目前的工程界成为普遍采用的方法。,条分法实际上是一种刚体极限平衡分析法。其基本思路是：假定边坡的岩土体坡坏是由于边坡内产生了滑动面，部分坡体沿滑动面而滑动造成的。滑动面上的坡体服从破坏条件。假设滑动面

6、已知，通过考虑滑动面形成的隔离体的静力平衡，确定沿滑面发生滑动时的破坏荷载，或者说判断滑动面上的滑体的稳定状态或稳定程度。该滑动面是人为确定的，其形状可以是平面、圆弧面、对数螺旋面或其他不规则曲面。隔离体的静力平衡可以是滑面上力的平衡或力矩的平衡。隔离体可以是一个整体，也可由若干人为分隔的竖向土条组成。由于滑动面是人为假定的，我们只有通过系统地求出一系列滑面发生滑动时的破坏荷载，其中最小的破坏荷载要求的极限荷载与之相应的滑动面就是可能存在的最危险滑动面。,条分法的基本假定如下： 把滑动土体竖向分为n个土条，在其中任取1条记为i，如图2.1所示，在该土条上作用的已知力有：土条本身重力Wi，水平作

7、用力Qi(如地震产生的水平惯性力等)，作用于土条两侧的孔隙水压力Ui及Ui+1，作用于土条底部的孔隙水压力Udi。土条上的力矢多边形如图2.2所示。当滑面形状确定后，土条的有关几何尺寸也可确定，如底部坡角ai，底弧长li，滑面上的土体强度，也已确定。要使整个土体达到力的平衡，其未知力还有：每一土条底部的有效法向反力，共n个；两相邻土条分界面上的法向条间力Ei，共n-1个，切向条间力Xi，共n-1个；两相邻土条间力Xi及Ei合力作用点位置Zi，共n-1个；每一土条底部切力Ti及法向力Ni的合力作用点位置ai，共n个。另外，滑体的安全系数Fs，l个。,综合上述分析，我们得到共计有5n-2个未知量，

8、我们能得到的只有各土条水平向及垂直向力的平衡以及土条的力矩平衡共计3n个方程。因此，边坡的稳定分析实际上是一个求解高次超静定问题。如果土条比较薄(bi较小)，Ti与Ni的合力作用点可近似认为在土条底部的中点，ai变为已知，未知量变为4n-2个。与已有的方程数相比，还有n-2个未知量无法求出，要使问题有唯一解就必须建立新的条件方程。解决的途径有两个：一个是利用变形协调条件，引进土体的应力应变关系，另一个是作出各种简化假定以减少未知量或增加方程数。前者会使问题变得异常复杂，工程界基本上不采用，后者采用不同的假定和简化，而导出不同的方法。 假定n-1个Xi值，更简单地假定所有Xi=0，这就是常用的毕

9、肖普方法。,假定Xi与Ei的交角或条间力合力的方向，而有斯宾塞(Spencer.E)法，摩根斯坦普赖斯法(MorgenstemN.R，Price.V.E)、沙尔玛法(Sarma.S.K.)以及不平衡推力传递法。 假定条间力合力的作用点位置，简布(N.Janbu)提出普遍条分法。 考虑土条间力的作用，可以使稳定安全系数得到提高，但有两点必须注意：一是在土条分界面上不能违反土体破坏准则，即切向条间力得出的平均剪应力应小于分界面土体的平均抗剪强度；二是不允许土条间出现拉应力，如果这两点不能满足，就必须修改原来的假定，或采用别的计算办法。,研究表明1，为减少未知量所作的各种假设，在满足合理性要求的条件

10、下，求出的安全系数差别都不大。因此，从工程实用观点来看，在计算方法中无论采用何种假定，并不影响最后求得的稳定安全系数值。我们进行边坡稳定分析的目的，就是要找出所有既满足静力平衡条件，同时又满足合理性要求的安全系数解集。从工程实用角度看，就是找寻安全系数解集中最小的安全系数，这相当于这个解集的一个点，这个点就是边坡稳定安全系数。,需要说明的是，采用极限平衡法来分析边坡稳定，由于没有考虑土体土身的应力应变关系和实际工作状态，所求出土条之间的内力或土条底部的反力均不能代表边坡在实际工作条件下真正的内力和反力，更不能求出变形。我们只是利用这种通过人为假定的虚拟状态来求出安全系数而已。由于在求解中做了许

11、多假定，不同的假定求出的结果是不相同的，但由于极限平衡法长期在工程中应用，各行业应用不同的方法，都积累了大量的经验，工程界就用这种虚拟状态，来近似模拟实际工作状态，再加上工程经验从而作出工程设计判断。,为了克服极限平衡法的不足，人们提出了以有限元法为代表的各种数值计算方法。有限元法，是将边坡体离散成有限个单元体，或者说，用有限个单体所构成的离散化结构代替原来的连续体结构，通过分析单元体的应力和变形来分析整个边坡的稳定。与极限平衡法所不同的是，数值计算是以弹性(塑性)理论为基础，需要首先弄清楚岩土体的本构关系，即应力应变关系，它既要求出单元体的力的平衡，也要考虑单元体的变形协调，同时还要考虑岩土

12、体的破坏准则。由于岩土体应力应变关系是非线性的，它使边坡的数值计算变得十分复杂。数值计算发展到今天，由于计算机的普及和大量应用，复杂而又精细的计算方法已不再是数值计算的障碍了，而计算成果的优劣取决于岩土体的主要构造和有关参数的获得情况。,2.2瑞典圆弧法 2.2.1基本假定 瑞典圆弧法又简称为瑞典法或费伦纽斯法，它是极限平衡方法中最早而又最简单的方法，其基本假定如下： (1)假定土坡稳定属平面应变问题，即可取其某一横剖面为代表进行分析计算。 (2)假定滑裂面为圆柱面，即在横剖面上滑裂面为圆弧；弧面上的滑动土体视为刚体，即计算中不考虑滑动土体内部的相互作用力(Ei，Xi不考虑)。 (3)定义安全

13、系数为滑裂面上所能提供的抗滑力矩之和与外荷载及滑动土体在滑裂面上所产生的滑动力矩和之比；所有力矩都以圆心O为矩心。 (4)采用条分法进行计算。,2.2.2计算公式 图2.3表示一均质土坡，土条高为hi，宽为bi，Wi为土条本身的自重力，Ni为土条底部的总法向反力，Ti为土条底部(滑裂面)上总的切向阻力；土条底部坡角为ai；长为li，坡体容重为i，R为滑裂面圆弧半径，AB为滑裂圆弧面，xi为土条中心线到圆心O的水平距离。 根据摩尔一库仑准则，滑裂面AB上的平均抗剪强度为 (2.2) 式中：法向总应力； u孔隙应力； ， 坡体有效抗剪强度指标。,如果整个滑裂面AB上的平均安全系数为Fs，按照式(2

14、.1)定义，土条底部的切向阻力Ti为 (2.3),取土条底部法线方向力的平衡，可得 (2.4) 取所有土条对圆心的力矩平衡，有 (2.5) 如图所示，根据几何关系 将式(2.3)、(2.4)代入式(2.5)，整理后有 (2.6) 计算时土条厚度均取单宽，即有，因此式(2.6)可写为 (2.7) 式(2.6)或式(2.7)就是瑞典法土坡稳定计算公式，它也可以从第(3)条假定中直接导出。,2.2.3渗流影响 当土坡内部有地下水渗流作用时，滑动土体中存在渗透压力。边坡稳定分析计算时应考虑地下水渗透压力的影响。 同样，在滑动坡体中任取一竖向土条i，如图2.4所示，如果将土条和土条中的水体一起作为脱离体

15、时，此时土条重力就包括土条和土条中的水体重力，即 (2.8) 式中： 土的湿容重； 土的饱和容重(包括了土体和水体)。 土条的两侧和底部都作用有渗透水压力，在稳定的情况下，土体均已固结，由附加荷载引起的孔隙应力均已消散，土条底部的孔隙应力也就是渗透水压力。设土条底部中点处的渗透水水头hw(一般根据流网确定)，则有,(2.9) 式中： 水的容重。 一般地，bi较小，即土条取得很薄，地下水面与滑裂面接近平行，土条两侧的渗透水压力几乎相等，可认为相互抵消，这也是为了计算的简化。 将式(2.8)和式(2.9)代入式(2.7)，有 (2.10),2.2.4稳定计算分析 设计计算时，滑裂面是任意给定的，即

16、前述的虚拟工作状态。因此，需要对各种可能的滑裂面均进行计算，从中找出安全系数最小的滑裂面，即认为是存在潜在滑动最危险的(或最有可能的)滑裂面。这种计算工作量是相当大的，特别是当边坡外形和土层分布都比较复杂时，寻找最危险滑裂面位置相当困难。以前，在计算手段有限的情况下，许多学者在寻找最危险滑裂面位置方面作了很大努力，通过各种途径探索最危险滑弧位置的规律，制作图表、曲线，或将某类边坡归类分别总结出滑弧圆心的初始位置，以减少试算工作量并尽可能找到最危险滑裂面。在今天，由于计算机的普遍采用，这些问题已经变得并不那么重要了。我们可充分利用计算机及编制相应的程序，而使这种计算变得异常简单。,用计算机编程计

17、算边坡稳定时，我们先在坡顶上方根据边坡特点或工程经验，先设定一个各种可能产生的圆弧滑裂面的圆心范围，画成正交网格，网格长可根据精度要求而定，网格交点即为可能的圆弧滑裂面的圆心，如图2.5所示。对每个网结点，分别取不同的半径用式(2.7)或式(2.10)进行计算，得到该圆心点的最危险滑裂面(Fs最小对应的滑裂面)。比较全部网结点(不同的圆心位置)的Fs值，最小的Fs值对应的圆心和圆弧即为所求的边坡最危险滑裂面。为了更精确的计算，可将该圆心为原点，再细分小区域网络，按前述方法再进行计算，类似可找出该小区域网络中最小的Fs。,2.3 Bishop条分法 2.3.1基本假定和计算公式 毕肖普考虑了土条

18、间力的作用，如图2.6所示，Ei及Xi分别表示土条间的法向和切向条间作用力，Wi为土条自重力，Qi为土条的水平作用力，Ni、Ti分别为土条底的总法向力和切向力，ei为土条水平力Qi的作用点到圆心的垂直距离，图中其余符号意义同前。,分析土条i的作用力，根据竖向力平衡条件，有 从而得 （2.11） 将前述的安全系数定义和摩尔库仑准则，即式(2.3)代入式(2.11)，整理后有 （2.12） 式中： （2.13）,根据各土条力对圆心的力矩平衡条件，即所有土条的作用力对圆心点的力矩之和为零，此时土条问的作用力将相互抵消，从而有 （2.14） 将式(2.3)、(2.12)代入式(2.14)，得 （2.1

19、5）,式(2.15)中有3个未知量；Fs和Xi、Xi+1，要么补充新的条件，要么做一些简化消除两个未知量，问题才得有解。毕肖普采用了假定各土条之间的切向条间力Xi和Xi+1，略去不计的方法，即假定条间力的合力为水平力，这样，式(2.15)简化为 （2.16）,2.3.2稳定计算方法 式(2.16)为使用相当普遍的简化毕肖普法。注意，在该表达式中，Fs待求，等式右边的中间参数中含有Fs，只能采用试算或迭代计算的方法求出Fs。在迭代计算时，一般可先假定Fs=1(或预先估计一个接近于l的数)，求出i，代入右边计算出新的Fs，再用此Fs求出及另一新的Fs，如此反复计算，直至前后相邻两次算出的Fs非常接

20、近(或满足预先设定的精度要求)时为止。在毕肖普法的迭代计算中，每次迭代所求的是同一个滑面的Fs值，所以每次计算中，各土条的 等均为定值，在式(2.16)中的分母和分子中除以i外的各项一次算后就不再变动，因此，这种迭代计算通常收敛很快。根据经验，一般迭代34次即可满足精度要求。,2.3.3注意问题 毕肖普法迭代计算时要注意两点： (1)毕肖普法适用于任意形状的滑裂面，尽管我们的推导是从圆弧面开始的。土条的滑面倾角ai有正负之分，当滑面倾向与滑动方向一致时，ai为正；当滑面倾向与滑动方向相反时，ai为负。由式(2.13)可知，当ai为负时，有可能使式(2.13)分母趋近于零，从而使i趋近于无穷大，

21、亦即Ni趋近于无穷大，这显然是不合理的。此时，毕肖普法就不能用。这是因为毕肖普法在计算中略去了Xi的影响，又要令各土条维持极限平衡，前后并不完全一致，根据某些学者的意见，当任一土条的i 5时，就会使求出的Fs值产生较大误差，此时应考虑Xi的影响或采用别的计算方法。,(2)由于毕肖普法计入了土条间作用力的影响，多数情况下求得的Fs值较瑞典法为大，一般来说，瑞典法简单，但偏于安全；毕肖普法较接近实际，求得的Fs值较高，似可节省工程造价。两种方法的设计计算国内外都积累了大量经验，在设计准则及安全系数的确定上两者是有差别的，设计时应注意计算方法和相应的设计准则的一致，更不可张冠李戴。,2.4 Janb

22、u条分法 2.4.1基本假定 简布(Janbu)法又称普遍条分法，它适用于任意形状的滑裂面。如图2.7所示土坡滑动的一般情况，坡面是任意的，坡面上作用有各种荷载，在坡体的两侧作用有侧向推力Ea和Eb，剪力Ta和Tb，滑裂面也是任意的。土条间作用力的合力作用点连线称为推力线。在土坡断面中任取一土条，其上作用有集中荷载P，Q及均布荷载q，Wr为土条自重力，土条两侧作用有土条条间力E、T及E+E，T+T，滑裂面上的作用力S和N。如图2.8所示。,为了求出一般情况下土坡稳定安全系数以及滑裂面上的应力分布，简布做了如下假定： (1)假定边坡稳定为平面应变问题。 (2)假定整个滑裂面上的稳定安全系数是一样

23、的，可用式(2.1)表达。 (3)假定土条上所有垂直荷载的合力W：Wr+qx+P，其作用线和滑裂面的交点与N的作用点为同一点。 (4)假定已知推力线的位置，即简单地假定土条侧面推力成直线分布，如果坡面有超载，侧自推力成梯形分布，推力线应通过梯形的形心；如果无超载，推力线应选在土条下三分点附近，对非粘性土(c=0)可在三分点处，对粘性土(c0)，可选在三分点以上(被动情况)或选在三分点以下(主动情况)。,2.4.2计算公式 根据以上假定和图2.8，单位土条上作用的总垂直荷载为 （2.17） 式中： 土的容重； z土条高度； q土条顶部的均布荷载； 其余符号见前述。,根据力及力矩平衡条件，对每一土

24、条，有 （2.18） （2.19） （2.20） （2.21） 式中：u滑裂面上的孔隙压力； t中间变量， 其余符号意义见前述及图2.8所示。,对整个边坡滑动土体，总水平力平衡，有 将其代入式(2.20)，有 将式(2.18)代入上式，有 （2.23） （2.24） 式(2.23)两边均含有Fs项，须用迭代法计算。,由式(2.24)得 （2.25） 令 （2.26） （2.27） 将式(2.25)代入式(2.26)，并令 （2.28） （2.29）,则得到 （2.30） 可将表达式制成的关系曲线备用，将上述各中1剐参数M、N及代入式(2.23)，有 （2.31） 滑裂面上的剪应力r由下式求出

25、正应力盯由下式求出,在上列各式中，T及t=T/x均为未知。将式(2.26)和式(2.27)代入式(2.20)，得 （2.33） 每一土条侧向水平力可由A点开始(见图2.7)，从上往下逐条推求，即 （2.34） 求出E以后，T即可由式(2.21)求得，当土条两侧的T均已知时，该土条的T及t也就容易求出。但因为求M、N的计算式中均含有t项，所以t无法直接解出，也必须采用迭代法来计算。,2.4.3王复来改进条分法 根据土压力的特点，如果假定土条的水平土压力呈三角形分布，则其合力作用点在界面高度的下三分点处，这就是王复来的改进条分法。任取一土条进行分析，根据力的平衡条件导出基本方程组： （2.38）

26、（2.39）,对上述基本方程进行整理代换后有 （2.40） 当土条宽度足够小时，认为xi、Ti、Ei均趋于零，再忽略二次微量，则有 （2.41 将式(2.41)代入式(2.40)，整理后有,（2.42） 安全系数公式同式(2.23)。如果土坡两端无外力，即Ea、Eb、Ta、Tb均为零，土坡共划分为n个土条，则有： （2.43） 计算时仍采用试算法或迭代法。,迭代法步骤要比Janbu法简单一些。先假设Fs0，根据边界条件E1=0，Tl=0，由式(2.42)、式(2.41)从下往上逐条推求侧向推力直至n-1号土条，分别求出E2，T2，E3，T3，En，Tn；再根据Tn+1=0的条件，算出各土条的T

27、l，T2，Tm。，用假设的Fs0及Tl，T2，TN代入式(2.43)算得Fs的第一次近似值Fs1比较Fs1和Fs0，看是否满足精度要求。如不满足，则以Fs1当作Fs0，重复上述步骤的计算，直到前后两次的Fs值满足精度要求时为止。,2.5不平衡推力传递系数法 在滑体中取第i块土条，如图2.9所示，假定第i-1块土条传来的推力Pi-1的方向平于第I-1块土条的底滑面，而第i块土条传送给第i+1块土条的推力Pi平行于第i块土条的底滑面。即是说，假定每一分界上推力的方向平行于上一土条的底滑面，第i块土条承受的各种作用力示于图2.9中。将各作用力投影到底滑面上，其平衡方程如下：,(2.44) 式中： (

28、2.45) 式(2.44)中第1项表示本土条的下滑力，第2项表示土条的抗滑力，第3项表示上一土条传下来的不平衡下滑力的影响，称为传递系数。在进行计算分析时，需利用式(2.44)进行试算。,即假定一个Fs值，从边坡顶部第1块土条算起求出它的不平衡下滑力P1(求P1时，式中右端第3项为零)，即为第l和第2块土条之间的推力。再计算第2块土条在原有荷载和P1作用下的不平衡下滑力P2，作为第2块土条与第3块土条之间的推力。依此计算到第n块(最后一块)，如果该块土条在原有荷载及推力Pn-1作用下，求得的推力Pn刚好为零，则所设的Fs即为所求的安全系数。如Pn不为零，则重新设定Fs值，按上述步骤重新计算，直

29、到满足Pn=0的条件为止。一般可取3个Fs同时试算，求出对应的3个Pn值，作出PnFs曲线，从曲线上找出Pn=0时的Fs值，该Fs值即为所求。,为了使计算工作更加简化，在工程单位常采用快捷的简化方法：即对每一块土条用下式计算不平衡下滑力： 不平衡下滑力=下滑力Fs-抗滑力 由此，式(2.44)可改写为：,上式中，传递系数改用下式计算 (2.46) (2.47) 求解Fs的条件仍是Pn=0。由此可得出一个含Fs的一次方程，故可以直接算出Fs而不用试算。 如果采用总应力法，式(2.46)中可略去Uili项，c、值可根据土的性质及当地经验，采用勘测试验和滑坡反算相结合的方法来确定。Fs值可根据滑坡现

30、状及其对工程的影响等因素确定，一般取l.051.25。另外，要注意土条之间不能承受拉力，当任何土条的推力Pi如果出现负值，则意味着Pi不再向下传递，而在计算下一块土条时，上一块土条对其的推力取Pi-1=0。,各土条分界面上的Pi求出后，可求出此分界面上的抗剪安全系数： (2.48) 式中：UPj作用土条侧面的孔隙水压力； hi土条侧面高度； 土条侧面各土层的平均抗剪强度指标。,传递系数法能够计算土条界面上剪力的影响，计算也不繁杂，具有适用而又方便的优点，在我国的铁道部门得到广泛采用。但传递系数法中Pi的方向被硬性规定为与上分块土条的底滑面(底坡)平行，所以有时会出现矛盾，当较大时，求出的Fvi

31、可能小于l。同时，本法只考虑了力的平衡，对力矩平衡没有考虑，这也存在不足。尽管如此，传递系数法因为计算简捷，在很多实际工程问题中，大部分滑裂面都较为平缓，对应垂直分界面上的c、值也相对较大，基本上能满足式(2.48)的要求。即使滑体顶部一、二块土条可能满足不了式(2.48)的要求，但也不致对Fs产生很大影响。所以，该方法还是为广大工程技术人员所乐于采用。,2.6边坡稳定分析有限元法 2.6.1有限元法概述 有限元法的突出优点是适于处理非线性、非均质和复杂边界等问题，而土体应力变形分析就恰恰存在这些困难问题，有限元方法的应用，能比较好的解决这些困难，在处理边坡稳定分析中开辟了新的途径。 有限元法

32、就是用有限个单元体所构成的离散化结构代替原来的连续体结构来分析土体的应力和变形，这些单元体只在结点处有力的联系。一般材料应力应变关系或本构关系可表示为 (2.49) 由虚位移原理可建立单元体的结点力与结点位移之间的关系，进而写出总体平衡方程,(2.50) 式中：K劲度矩阵； 结点位移列向量； R结点荷载列向量。 利用有限单元法，可考虑土的非线性应力一应变关系，求得每一个计算单元的应力及变形后，便可根据不同强度指标确定破坏区的位置及破坏范围的扩展情况。若设法将局部破坏与整体破坏联系起来，求得合适的临界滑面位置，再根据力的平衡关系推得安全系数，这样，就能将稳定问题与应力分析结合起来。或者求出在各种

33、工作状态下边坡内部的应力分布状况，由边坡土的性质确定一个破坏标准，以此来衡量边坡的安全程度。,土体的应力应变关系是非线性的，反映到式(2.49)中，矩阵D就不是常量，而随着应力或应变的变化，由此推得的劲度矩阵K也将发生变化，使得土坡有限元的计算比一般弹性有限元计算要复杂。 影响土体应力应变关系的因素是很多的，有土体结构，孔隙、密度、应力历史、荷载特征、孔隙水及时间效应等。这些因素使得土体在受力后的行为非常复杂，而且往往是非线性的。 土体在应力作用下产生的变形一般是非线性的，在各种应力状态下都有塑性变形；土体在受力后有明显的塑性体积变形，而且在剪切时也会引起塑性体积变形(剪胀性)；土体受剪时发生

34、剪应变，其中一部分为弹性剪应变，另一部分与土颗粒间相对错动滑移而产生塑性剪应变，剪应力引起剪应变，体积应力也会引起剪应变；土体还表现出硬化和软化特性，应力路径和应力历史对变形有影响，中主应力和固结压力对变形也有影响，而且表现出各向异性。,2.6.2有限元计算成果和安全判定准则 有限元法计算获得了土坡各土体单元的应力、应变和变位，如何根据这些计算结果来判定土坡的稳定性，目前有以下一些安全判定准则和方法。 工程实践表明，土坡稳定和变形有着十分密切的关系，一个土坡在发生整体稳定破坏之前，往往伴随着相当大的变形垂直沉降和侧向变形。因此，有人建议根据土坡大主应变等值线图来确定最危险滑面，或根据各单元的最

35、大剪应变值而勾绘的最大剪应变等值线图来确定最危险滑动面，再辅以判定单元体破坏的应变标准来判定土坡的稳定性。,通过有限元计算得到坡体各单元体上的应力后，再在坡体断面图上画出试算的滑动面，利用滑动面上力的平衡关系来计算安全系数。此时，安全系数的计算式中的法向应力和切向应力均根据有限元法计算的结果取值。对平面问题，按下式计算,式中：x，y单元体上x、y方向的法向应力，以拉力为正； xy单元体上xy面上的剪应力； 单元体中的滑面与水平面的夹角(近似取滑面计算点的切线与水平面夹角)。 对于圆弧滑面，第i条土条滑动面上滑动力矩为iliRi，而抗滑力矩为 ，该圆弧滑面的安全系数为 式中各符号意义同前。 为了充分利用有限元计算的结果，有人提出了“单元安全度”概念。单元安全度的定义如下：,式中：Fi单元安全度系数； (13)第i单元计算所得的最大和最小主应力之差； (13)if第i单元土体发生剪切破坏时最大和最小主应力之差。 显然，如果Fi1，表明该单元体是稳定的，Fi=1，表明该单元体已处于极限平衡。(由于我们在有限元计算中已考虑了土体单元达极限平衡后的应力修正和迁移，计算结果中不含出现Fi1，土坡应是稳定的。如果Fi=1的单元体在坡体中贯穿，则可认为在坡体中存在极限平衡带，即潜在滑裂带或危险带。如果仅有部分单元体满足Fi1。则可在坡体断面图中画出Fi的等值线图。,