边坡计算范文

边坡计算范文（精选10篇）

边坡计算 第1篇

1 边坡稳定计算的方法概述

目前,工程中常用的方法有条分法。随着数值分析方法在工程领域应用技术的成熟,人们常用有限元法进行坡体稳定分析,另外,还有些学者尝试采用其他数学方法进行坡体稳定分析。目前边坡稳定性评价方法多种多样,但由于边坡稳定受多方面因素影响,而各因素具有不确定性(模糊性、随机性、信息不完全性和未确定性)和复杂性,故传统的确定性分析方法如极限平衡理论用于边坡分析,结果不十分理想。但不论是确定性分析如蒙特-卡洛模拟法、一次二阶矩法,还是不确定性方法如模糊数学、灰色理论、数量化理论、信息模型法等,其用于边坡稳定性评价的准确性与实际情况仍有差距。

条分法是边坡稳定分析理论中重要的内容。力学模型简单,可以对边坡进行定量的稳定性评价,已被工程人员广泛地采用。1916年瑞典人彼德森最早提出了条分法。假定土坡稳定问题是平面应变问题,并对圆柱形滑裂面以上的土体划分垂直条块,计算中不考虑土条间的作用力,定义安全系数为滑裂面上全部抗滑力矩与滑动力矩之比。之后,Fellenius(1936年)、Bishop(1955年)Morgenstem和Price(1965年)Jambu(1973年)等许多学者对条分法进行了进。其中,Bishop(1955年)重新定义安全系数为沿整个滑裂面的抗剪强度与实际产生剪应的比值,使得物理意义更明确。为了将坡体稳定分析中的超静定问题转化为静定问题,一些学者尝试将条块间的作用力做了人为假定。例如Bishop(1955年)假定土条左右面上的剪力相互抵消;Morgenstem和Price(1965年)假定了条分面上剪力和水平推力比值的函数关系f(x),并认为在垂直面上的应力分布不应破坏屈服条件并且保证土条接触面上不产生拉应力;Janbu(1973年)假定了推力线的位置。

经过长期工程实践,条分法已成为边坡稳定分析的主要方法之一。同时,也是一个非常活跃的研究对象,不断有学者对其进行完善和补充。

条分法也存在一些问题,所作的人为假定的合理性直接影响到稳定分析的准确性。针对这种情况,有学者针对条块间内力作任何假定。利用极限分析的方法,使用最优化技术直接调节条块间及滑裂面间的内力,使得对给定的滑裂面安全系数取最大值,对多个不同的滑裂面寻求使安全系数为最小的临界裂面,使采用的条分法模型更加合理。

由于条分法不能考虑坡体中的应力应变状态,目前,已有许多学者采用有限元法来分析坡体稳定问题。有限单元法是数值模拟方法在边坡稳定评价中应用得最早的方法,也是目前最广泛使用的一种数值方法,可以用来求解弹性、弹塑性、粘弹塑性、粘塑性等问题。其优点是部分地考虑了边坡岩体的非均质和不连续性,可以给出岩体的应力、应变大小和分布,避免了极限平衡分析法中将滑体视为刚体而过于简化的缺点,可近似地根据应力、应变规律去分析边坡的变形破坏机制;但它还不能很好地求解大变形和位移不连续问题,对于无限域、应力集中等问题的求解还不理想。

纵观边坡稳定分析方法的发展,各种方法均没有达到真正完满解决工程实际问题,对理论模型的辨识、本构关系、计算参数、仿真方法都需作进一步深入具体研究。同时,由于各种技术革新、数学、力学及计算机技术的快速发展等均向理论分析不断提出新挑战。针对岩土工程的如此多的不确定性,我们不能只沿用传统的思维方式处理,而应转换思维,不仅要正向思维,即从事物的必要性出发,根据试验建立模型,在特定条件下求解;也要逆向思维,

由于边坡工程的复杂性,边坡稳定评价不能依赖于单一方法,因此,依托于计算机技术,形成集成式智能评价系统,是未来发展的一种趋势。同时由于边坡工程常依赖于经验,故利用边坡工程的失稳和稳定实例来建立系统,考虑多种因素影响,使多学科交叉融合,研究开发基于案例推理的边坡稳定的综合集成式智能评价系统,也将是未来的发展方向之一。

2 工程上边坡稳定计算的常用方法

按工程经验,一般情况下,粘性土的中的形状与圆弧相似,砂性土破裂面一般为直线,而我们在珠三角地区,多为粘性土质,甚至是淤泥或淤泥质土,其破裂面一般近似为圆弧形,因此一般我们计算时推荐采用圆弧滑动法,这方法计算方便,容易被一般的工程技术人员接受,而且国内在确定强度指标和选取合适的安全系数方面积累了很多的经验。

在运用圆弧滑动法计算时,我们常用以下几种方法进行计算:

瑞典条分法。瑞典条分法不考虑土条的条间力;

简化Bishop法。此方法考虑土条的水平条间力,但计算比较复杂;

Janbu法。此法考虑土条的条间力,计算也比较复杂。

我们在工程中比较推荐瑞典条分法的计算成果,只是用简化Bishop法和Janbu法的计算结果作比较。

3 边坡稳定计算中常遇到的问题

在边坡的计算中,我们通常需要确定土的强度参数,如粘聚力c和内摩擦角φ。一般的确定方法是我们根据结果取值,土工试验是取样进行室内试验,然后统计得到,但有时由于土的结构性或取样的扰动影响,使得室内土工试验的结果离散性较大或与实际情况误差较大。当我们根据工程的岩土工程勘察报告中提供的数据取值时,常常发现淤泥或淤泥质土较深时,计算的边坡稳定很难满足要求。笔者认为,遇到这种情况,除了结合自身积累的工程经验来判断分析外,有条件时,还可以对工程所在地的现有边坡进行粘聚力c和内摩擦角φ的反算,即假设边坡稳定安全系数为1时反算现有边坡的粘聚力c和内摩擦角φ,与岩土工程勘察报告中的资料作对比分析,通常能把粘聚力c和内摩擦角φ的计算参数适度提高,达到节省工程费用的目的。笔者利用此方法已在罗村一河两岸景观挡土墙工程和漖表水闸等工程中应用,大大节省了工程的投资。

4 结语

作为工程人员,在实际的分析计算中,利用圆弧滑动法中的瑞典条分法已基本能满足一般工程的设计要求,这种方法已通过国内的实践证明。为了贯彻“多种方法、综合分析、合理选定”方针,同时可采用其他的方法计算,并对结果进行比较。而在边坡的稳定分析计算中,常通过对现状的自然边坡反算粘聚力c和内摩擦角φ,往往能将稳定计算时的c值和φ值适度提高,达到节省工程投资的目的。但应用这种方法时需结合当地的工程经验和岩土的特性,否则容易造成工程事故。

摘要：边坡稳定的分析计算是工程人员常常需做的工作,笔者结合工作的经验积累,结合国内现在边坡稳定计算的现状和发展,对边坡稳定的分析计算方法作了概述,并结合工程的经验,指出了工程人员较为适用的计算方法,同时对在实际工程中进行边坡的稳定分析计算时遇到的工程问题作了简述。

边坡计算 第2篇

谈公路边坡稳定性可靠度的蒙特卡罗计算方法

以工程实际为例,用MATLAB编制了公路边坡工程蒙特卡罗可靠度求解程序,通过计算结果分析表明模拟次数选择为3 000次～5 000次、土条数目划分为8条～10条较为合理,这时计算精度能够满足工程要求.

作 者：周泉宇 杨仕教 罗辉 ZHOU Quan-yu YANG Shi-jiao LUO Hui  作者单位：南华大学核资源与安全工程学院,湖南衡阳,421001 刊 名：山西建筑 英文刊名：SHANXI ARCHITECTURE 年，卷(期)：2009 35(3) 分类号：U417 关键词：公路边坡   圆弧滑动边坡   可靠度分析   蒙特卡罗法   土条数目划分  

土体边坡仿真分析 第3篇

摘要:文章选用模拟单元对边坡施工过程中的土体受力问题进行了有限元分析。通过对边界条件的真是模拟,清晰的的获得了应力、应变、位移等信息,得出了土体开挖过程中的受力状态,为安全施工提供了保障。

关键词:边坡;模拟单元;仿真

中图分类号:TV698.17 文献标识码:A文章编号:1006-8937(2009)24-0139-01

边坡的防护对于边坡的稳定、安全使用、美化道路、保护环境和经济效益都起着重要的作用。根据地质条件,合理选择边坡的设计坡度,对于边坡的稳定性非常关键。边坡过陡,难以稳定,导致经济指标高;过缓虽对稳定有利,但是会增大土石方量,甚至会占用更多的土地。边坡的防护设计是道路设计、施工中的重要环节,尤其实在修建山区道路时更为突出。由于边坡防护工程与地质条件有关,很难通过手工计算来验证防护措施。因此,随着计算机模拟数值技术的发展,有限元方法以其强大的通用性在路基处理方面占据了重要作用。

1边坡施工中的研究

①建模与加载。挡土墙选用Beam3[1]单元,Beam3单轴元素,具有拉,压,弯性能。在每个节点有3个自由度。X,y,方向以及绕z轴的旋转。;围岩地址模拟选用PLANE 42单元,Plane42元素即可用于平面单元(平面应力或平面应变)也可用于轴对称单元。该元素由4个节点定义,每个节点2个自由度:x,y方向。具有塑性,徐变,膨胀,应力强化,大变形,大应变能力。。对挡土墙以上的部分的围岩地址定义为“KILL ELEMENT”,更加真实的模拟边坡来挖工程。对边坡边界施加约束荷载和重力加速度,具体如图1所示(图1中挡土墙部分以上为不被激活的单元)。

②位移变形图。运行求解命令进行求解,进入后处理提取出位移变形与云图如下图所示。从图中可以看出土体的位移变化,随着深度的增加位移值越来越大,但是在挡土墙附近的位移最小,这是因为挡土墙以上的单元处于未被激活的状态,与实际工程相吻合。

③应力云图。节点应力云图[2]如下图所示,在平均应力图中挡土墙周围的应力降低,整个挡土墙成为分界点,在挡土墙左部应力几乎为零;除了挡土墙其余部分的应力随着深度的增加而增大,直至到达端部道道最大。表明边坡施工过程中的设计、施工重点是挡土墙背后产生的应力突变问题,这也印证了单元生死法将挡土墙以上的围岩“冻结”,不参与计算的假定。

2 结 语

注浆微型桩加固边坡计算方法探讨 第4篇

微型钢管桩是一种将钢管桩和注浆体结合起来使用的技

术, 采用压力灌注的水泥浆通过微型钢管桩向周围土体渗透, 与土体充分混合, 提高了钢管周围土体的黏聚力和内摩擦角, 从而提高了微型钢管桩加固区域岩土体的抗剪强度。微型桩直径一般在90~300mm, 桩长不超过30m, 布置形式有各种排列的直桩和网状结构的斜桩。具有承载力高、沉降量小、施工场地小、施工噪音小、施工对土层扰动小、适用土质条件广等特点, 得到广泛应用。

国内外不少学者对微型桩组合抗滑结构进行了试验和研究[1~4], 有学者认为, 需要考虑破坏机制、相邻桩之间土体的塑性变形等, 按滑面抗剪进行抗滑稳定性验算, 按等价换算截面积和惯性矩进行内力计算[5]。也有学者把桩与土的复合结构当作“有筋土墙”, 给出不考虑桩土黏结和考虑桩土黏结的理论计算公式, 也给出了考虑桩土部分黏结的经验计算公式[6]。

尽管存在一些理论方法, 但其现都还难以满足设计要求, 国内也还没有合适的计算软件。根据多年的设计施工经验, 开展了本文的研究工作。

2 微型桩加固土体理论分析

微型组合桩结构的抗滑机制主要表现在两个方面:其一是桩在滑面处提供了较大的抗剪力, 增大了滑面的抗剪能力;其二是桩与土形成了一个抗滑体, 共同抵抗滑坡推力[7]。

目前, 对于抗滑桩加固边坡设计, 通常采用的计算方法有悬臂桩法 (m法, K法) , 地基系数法 (m法, K法, m-K法) [8]及有限单元法 (矩阵分析法) [9]等。但微型桩和抗滑桩具有一定的区别, 相比抗滑桩, 微型桩桩径小, 抗剪强度低, 抗变形能力弱。若采用抗滑桩的计算方法计算微型桩, 那么所得到抗滑桩内力及边坡安全系数则不能反映实际情况。为此, 本论文提出了以下两种经验计算方法。

2.1 等效土体法

注浆微型桩是将水泥浆通过高压经钢管冲进土体里, 改善了土体性质, 由此可以将微型桩加固土作为复合加固土, 重新定义加固土体的参数, 按照常规边坡计算方法计算加固后的边坡, 即为微型桩等效土体法。

设原土体黏聚力c, 摩擦角φ, 微型桩置换率ω, 注浆体黏聚力ck, 摩擦角φk, 那么加固后的土体等效黏聚力为:

等效摩擦角为:

注浆体的抗剪强度可以通过试验确定, 没有试验可以根据经验确定。等效黏聚力范围一般为0.5~1.5MPa, 等效摩擦角范围一般可取40~60°

2.2 抗剪强度法

微型桩抗剪强度法是将注浆微型桩作为抗剪结构物, 在土体下滑时提供抗剪力, 边坡安全系数公式定义为:

式中, ΣTi R'为土条所受到的抗滑力;ΣTi R为土条所受到的下滑力;ΣTs为微型桩抗剪值。

如果采用瑞典条分法, 边坡安全系数Fs即为:

由于注浆微型桩所能承受的剪力由微型桩的水泥浆体和钢管两部分组成, 可按水泥浆体抗剪力T1s, 和钢管抗剪力T2 s进行计算:

式中, Ts为微型桩单桩所能承受的抗剪力, k N;T1s为桩体中水泥浆体部分所能承受的抗剪力, k N;T2s为桩体中钢管部分所能承受的抗剪力, k N;f1为浆体抗剪强度设计值, k N/m2;f2为钢管抗剪强度设计值, k N/m2;d为钻孔直径, m;d1为钢管外径, m;d2为钢管内径, m。

实际上, 边坡发生破坏时, 微型桩并为完全发生剪断, 而是出现倾斜或弯曲, 其抗剪强度并未完全发挥出来, 微型桩抗剪强度一般需进行折减。根据工程经验, 折减系数一般可取0.3~0.5。

3 实例计算

3.1 计算边坡状况

以广东某边坡为例, 该边坡为填土边坡, 坡高9m, 坡脚采用2m高的挡土墙, 坡率为1:1.0。坡顶为一条交通道路, 交通荷载可按30k Pa考虑。填土采用碎石土, 主要地层从上向下依次为:素填土, 淤泥质土, 黏土, 粉砂, 参数如表1所示。因为坡脚软弱层的存在, 所以, 需要通过计算决定是否对该边坡采取加固措施。

3.2 坡脚未加固计算结果

对该边坡未进行处理进行分析, 采用国内设计计算常用的理正岩土软件, 瑞典条分法下的计算结果见图1。

从图1中可以看出, 坡底未处理时的安全系数为1.232,

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摘要：注浆微型桩是一种将注浆体与钢管桩联合使用的技术, 在地基处理、边坡治理等工程中得到越来越广泛的应用。关于微型桩的理论, 主要集中在地基加固等领域承受竖向荷载的微型桩, 对于承受水平荷载的微型桩, 现其理论还不成熟, 对设计带来不便。论文从设计的角度考虑, 简化了微型桩的计算方式。首先对微型桩等效土体法和微型桩抗剪强度法进行理论分析, 再通过实例计算, 得到两种方法的安全系数。最后对比分析两种方法, 证明该方法的可靠性和实用性, 对微型桩加固边坡设计具有一定的帮助。

关键词：注浆微型桩,填土边坡,安全系数,等效土体,抗剪强度

参考文献

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[3]黄伟钦.微型桩在边坡支护中的综合应用[J].岩土力学与工程学报, 2001, 20 (增1) :1218-1220.

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[5]丁光文.微型桩处理滑坡的设计方法[J].西部探矿工程, 2001, 71 (4) :15-17.

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边坡监测技术浅谈 第5篇

关键词:边坡监测;作用;内容;原则;方法

中图分类号:P642.2 文献标识码:A 文章编号:1000-8136(2010)27-0027-02

边坡工程的开挖、加固和防护,是交通、矿山、建筑和水利等土木工程建设中经常涉及的工程项目。由于边坡内部岩土力学作用的复杂性,从地质勘察到处治设计均不可能完全考虑边坡内部的真实力学效应,我们的设计很大程度上都是在简化计算上进行的。为了反映边坡岩土真实力学效应、检验设计施工的可靠性和处治后边坡的稳定状态,边坡监测具有极其重要的意义。

1边坡监测的作用

边坡监测的主要任务就是检验设计施工、确保安全,通过监测数据反演分析边坡的内部力学作用,同时积累丰富的资料作为其他边坡设计和施工的参考资料。边坡监测的作用在于:

①为边坡设计提供必要的岩土工程和水文地质等技术资料;②获得更充分的地质资料和边坡发展的动态,从而圈定可疑边坡的不稳定区段;③确定不稳定边坡的滑落模式,确定不稳定边坡滑移方向和速度,掌握边坡发展变化规律,为采取必要的防护措施提供重要的依据;④通过对边坡加固工程的监测,评价治理措施的质量和效果;⑤为边坡的稳定性分析提供重要依据。

2边坡监测的内容与原则

边坡监测一般包括:地表大地变形监测、地表裂缝位错监测、地面倾斜监测、裂缝多点位移监测、边坡深部位移监测、地下水监测、孔隙水压力监测、边坡地应力监测等。边坡监测的项目,见表1。

表1边坡监测项目表

监测项目测试内容测点布置仪器

变形监测地表大地变形、地表裂缝位错、边坡深部位移、支护结构变形边坡表面、裂缝、滑带、支护结构顶部经纬仪、全站仪、GPS、伸缩仪、位错仪、钻孔倾斜仪、多点位移计、应变仪等

应力监测边坡地应力、锚杆(索)应力、支护结构应力边坡内部、外锚头、锚杆主筋、结构应力最大处压力传感器、锚索测力计、压力盒、钢筋计等

地下水监测孔隙水压力、扬压力、动水压力、地下水水质、地下水、渗水与降雨关系以及降雨、洪水与时间关系出水点、钻孔、滑体与滑面孔隙水压力仪、抽水试验、水化学分析等

边坡监测的具体内容应根据边坡的等级、地质及支护结构的特点进行考虑,针对不同的工程背景,一般遵循以下基本原则:

2.1重点突出、全面兼顾

在监测项目上,影响边坡稳定性的因素很多,但工程实际中不可能对所有项目进行全面监测,故需要找出主要反映指标和主要影响因素,对其进行重点监测。在监测点的布置上,既要保证监测系统对整个边坡的覆盖,又要确保关键部位和敏感部位的监测需要,在这些重点部位应优先布置监测点。

2.2及时有效、安全可靠

监测系统应及时埋设、及时观测、及时整理分析监测资料和及时反馈监测信息,反映工程的需要和进度,有效地反馈边坡的变形情况,确保边坡安全;仪器安装和测量过程应当安全,测量方法和监测仪器应当可靠,整个监测系统应具有较强的可靠性。

2.3方便易行、经济合理

监测系统现场使用应当便于操作和分析,力求简单易行,仪器不易损坏,适用于长期观测;应充分利用现有设备,仪器在满足工程实际需要的前提下尽可能考虑造价的合理,建立监测系统费用应比较低,力争经济适用。

3边坡监测的方法

目前,边坡监测技术已由过去的人工皮尺简易工具的监测手段过渡到仪器监测,又正在向自动化、高精度及远程系统发展。边坡监测的方法主要有简易观测法、设站观测法、仪表观测法和远程监测法4种。

3.1简易观测法

简易观测法是通过人工直接观测边坡中地表裂缝、地面鼓胀、沉降、坍塌、建筑物变形及地下水位变化、地温变化等现象。此法对于正在发生病害的边坡进行观测较为合适,也可结合仪器监测资料进行综合分析,用以初步判定滑坡体所处的变形阶段及中短期滑动趋势。

3.2设站观测法

设站观测法是指在充分了解了现场的工程地质背景的基础上,在边坡上设立变形观测点(成线状、网络状等)。在变形区影响范围之外稳定地点设置固定观测站,使用测量仪器(经纬仪、水准仪、测距仪、摄影仪及全站型电子速测仪、GPS接收机等)定期测量变形区内网点的三维(X,Y,Z)位移变化的一种监测方法。这种方法远离变形区,且无主观成分,比简易观测法客观、精密,观测、比较的范围大,选点方便。

3.3仪表观测法

仪表观测法是指用精密仪表对变形斜坡进行地表及深部的位移、倾斜(沉降)动态,裂缝相对张、闭、沉、错变化及地声、应力应变等物理参数与环境影响因素进行监测。目前按监测仪器的类型,一般可分为位移监测、地下倾斜监测、地下应力测试和环境监测四大类。按所采用的仪表可分为机械式仪表观测法和电子仪表观测法。使用该方法监测的内容丰富、精度高、测程可调,仪器便于携带,可避免恶劣环境对测试仪表的损害,观测成果直观,可靠度高,适用于斜坡变形的中、长期监测。

3.4远程监测法

随着空间技术和网络技术的飞速发展,各种先进的自动遥测系统相继问世,为边坡工程,特别是边坡崩塌和滑坡的自动化连续遥测创造了有利条件。由于其自动化程度高,可全天连续观测,故省时、省力和安全,是当前和今后一个时期滑坡监测发展的方向。

4结束语

通过边坡监测可了解边坡的实际状况及其稳定性,既为工程安全提供了科学依据,又为修改设计、指导施工提供了可靠资料,能帮助人类规避风险,把滑坡灾害损失降低到最小程度。随着科学技术的发展,各种先进的检测仪器设备、监测方法和监测手段的不断更新,未来边坡监测系统能够监测的信息种类和监测手段将越来越丰富,监测精度、采集信息的直观性和操作简便性将日趋提高。

参考文献

1 赵明阶.边坡工程处治技术[M].北京:人民交通出版社,2003

2 罗志强.边坡工程监测技术分析[J].公路,2002(5):45～48

The Side Slope Monitor Technology Discussed

Liang Quanhui

Abstract:After the side slope monitor is reflects the side slope ground real mechanics effect, the examination design construction reliability and the punishment stability of slope condition basis. The article elaborated the side slope monitor function, the content and the principle, and has carried on the introduction to the side slope monitor’s 4 methods.

一种边坡稳定系数的改进计算方法 第6篇

中国是一个地质灾害极为频繁的国家, 特别是随着经济建设的高速发展及自然因素的限制, 滑坡、泥石流等地质灾害呈逐年加重的趋势。滑坡稳定性分析作为边坡研究核心的部分, 在预防滑坡地质灾害, 保护人民生命和财产安全等方面具有重大的意义。目前国内外常用的滑坡稳定性分析方法主要是极限平衡法和基于有限元的强度折减法。卢应发教授在前人研究的基础上提出了一种新的节理本构模型[1], 并在此基础上提出了几种边坡稳定系数计算方法。

传统滑坡的稳定计算方法主要是采用极限平衡法, 对于给定的边坡, 为了使问题变得静定可解, 均对边坡的受力情况进行了一系列的假定, 使计算方法的严密性受到一定损害, 因此, 基于有限元的稳定计算方法也逐渐被引入到边坡的稳定计算当中。但是, 以上的分析均是建立在临界状态之上即是滑坡的所有条块均达到峰值应力状态, 从而得到滑坡的稳定系数。然而事实上, 滑坡的破坏过程并非如此, 滑坡的破坏是一个渐进的过程, 以推移式滑坡为例, 在滑坡处于临界状态时, 滑面的真实受力状态是一部分处于临界应力前状态、一部分处于残余应力状态, 显然, 传统的计算模型无法解决这些问题的不足, 为了真实的反映滑坡的稳定状态, 卢应发教授针对推移式滑坡提出了几种新的滑坡稳定系数计算方法[1], 本文作者受到以上研究成果的启发, 提出了一种改进的滑坡稳定计算方法。

1 滑坡稳定性分析

如前文所说, 滑坡破坏实际上是渐进式破坏。但是现行临界状态稳定性分析都是建立在滑面所有点都处于临界状态基础之上。显然这样的假定计算出的稳定系数并不能反映真实的情况。下面为卢应发教授针对推移式滑坡, 对临界状态稳定性进行的分析。

顾名思义推移式滑坡就是滑坡的变形发展是由后缘变形推动前部滑坡向下运动。在二维平面内, 推移式滑坡应该只有一个点处于临界应力状态 (峰值应力状态) , 这个点到后缘部分的所有点处于残余应力状态, 临界点到前缘的点处于峰值应力之前的状态, 整个滑面应力处于渐进式的变化。图1为推移式滑坡渐进破坏图。

运用条分法对滑坡进行受力分析, 求出滑坡后缘到Ppeak点 (Ppeak是滑面临界点, 即该点的滑动力刚好等于临界摩擦力, 这里假设第m滑块便是临界条块) 之间的每一个滑块的剩余下滑力Pi, 然后将Pi投影到水平和竖直方向, 再将所有滑块的水平和竖直投影力分别求和得Pxsm和Pysm。Pxsm和Pysm的矢量和为Psm, Psm与水平轴所成最小夹角为αsm, 表达式如下。这里可以采用新型节理本构模型来分析计算后缘到临界条块m。图2为边坡稳定分析条块划分图。

同理, 在滑坡前缘到第m+1条块之间内, 将沿滑面上各单元的临界抗滑力Ticrit (用摩尔库仑准则计算) 和此时的抗滑力Ti的差值投影在水平和竖直方向, 分别求出水平和竖直方向矢量和分别为Tmx和Tmy, Tmx和Tmy综合矢量和为Tm, 且与水平轴所成的最小夹角为αfm。表达式如下:

计算方法一:

在水平方向和竖直方向上分别定义稳定系数FxMPM与FyMPM。该定义法的物理意义是滑坡在水平方向和竖直方向具有的富余稳定程度。

水平方向富余系数:

竖直方向富余系数:

计算方法二:

也可以沿着主下滑方向来定义富余系数FsMPM。此定义方法的物理意义是滑坡在主下滑力方向的富余稳定程度。

2 改进滑坡稳定系数计算方法

目前, 滑坡稳定系数定义的方法很多, 但是被学术界认可且大量采用的还是下面几种[2]:

1) Bishop等人提出的方法:

其中, τ为滑面上的剪应力;[τ]为土体的容许剪切强度。

对于Mohr-Coulomb材料:

该方法物理意义明确, 但是只能描述一点的稳定性。在对整个滑坡进行稳定系数定义的时候, 根据不同的理解[3], 主要产生了下面两种系数定义方法。

理解一:强度储备稳定系数F1。

该方法是假设滑面每个点的稳定系数均为同一个值。

其中, 。

式 (14) 可以理解成将滑面上的抗剪强度参数同时除以一个值, 即按同比例降低, 使得滑面处达到极限平衡状态。表面上看该方法只是对抗剪强度参数进行调整, 不违背力的分解与合成原理, 可以建立条块力平衡方程。同时, 滑坡的产生一般也是因为外界条件改变使得岩土体强度降低, 比较符合工程实际情况。因此, 多年以来此方法被广泛采用。但是, 由前文论述可知, 强度折减法也存在明显的弊端。

理解二:F2。

这种方法广泛运用于有限元法中。

该方法物理意义十分明确, 并且可以考虑应力路径的影响, 还能避免强度折减法的弊端。但是, 深入分析该定义的意义不难发现它既不是力在某个方向上的代数和也不是力的矢量和, 因此该方法也存有疑义。

2) 超载储备稳定系数F3。

该方法的原理是将以自重为主的荷载增大F3倍, 从而使得滑体处于极限平衡状态:

式中:F3———稳定系数;

δ———滑面正应力;

τ———滑面剪应力;

c———滑面粘聚力;

φ———滑面内摩擦角。

由式 (16) 可知, 超载储备稳定系数等于对c进行折减。对于粘聚力c为零的土, 超载储备稳定系数大小对于滑坡稳定性没有影响。

3) 下滑力超载储备稳定系数F4。

该方法的原理是保持滑面上抗滑力不变, 增大荷载引起的下滑力, 从而使得滑体处于极限平衡状态:

实际上, 当下滑力增大F4倍, 一般也是滑体质量增大了F4倍, 从而滑面的正应力δ也增大了F4倍。显然下滑力超载储备稳定系数与工程实际情况不符合, 因此不宜采用。

考虑到总下滑力本质上由边坡的自重、地下水等条件所决定, 与所采用的计算方法并无关系, 作者受到常用方法1) 中理解二F2系数定义方法的启发, 将该方法进行改进。根据不同的定义, 提出两种新方法。这两种方法可以用新型节理本构模型分析计算。下面分别介绍这两种定义方法:

1) 滑坡前后缘剪应力均采用新型节理本构模型计算, 首先对滑坡进行受力分析, 分别在x与y方向上定义稳定系数F'x与F'y:

式中:[τi]———第i条块的临界剪应力, 这里采用摩尔库仑准则计算;

li———第i条块的底边长度;

θi———第i条块的底边倾角;

τi———第i条块的现状剪应力, 采用新型节理本构模型计算。

然后定义综合力方向的稳定系数F':

其中:

2) 首先对滑坡进行受力分析, 假设临界条块为m, 此时后缘第一条块到m条块处于破坏后区状态, m+1到前缘最后一个条块n处于临界状态前的状态, 此时临界条块至前缘之间的条块间剪应力也可以采用摩尔库仑准则计算。分别在x与y方向上定义稳定系数F″x与F″y:

式中:li———第i条块的底边长度;

lj———第j条块的底边长度;

θi———第i条块的底边倾角;

θj———第j条块的底边倾角;

τi———第i条块的现状剪应力, 采用新型节理本构模型计算;

[τj]———m+1~n之间的条块 (j条块) 的临界剪应力, 这里采用摩尔库仑准则计算。

然后定义综合力方向的稳定系数F″:

其中:

F'x与F″x可以理解成滑坡在x方向所具有的稳定性, F'y和F″y可以理解成滑坡在y方向所具有的稳定性, F'与F″则是在综合下滑方向所具有的稳定性。

3 结语

这两种稳定系数定义方法由F2定义法改进得来, 具有F2定义法所有的优点, 同时解决了专家们对该方法力相加所表示的意义不明确的质疑。两种方法计算大体一致, 最大的不同就在于对极限摩阻力的计算。F″定义法的极限摩阻力包括两部分:后缘到临界条块m采用的是现状摩阻力, 临界条块以后到前缘部分采用的是极限摩阻力。这样处理的最大好处就是尽量模拟滑坡真实的稳定状态, 同时减少计算量, 事实上推移式滑坡后缘到临界条块m这一部分可以看作正处于极限平衡状态, 滑坡的稳定性大小就是靠临界条块以后的条块到前缘这一部分的极限摩阻力提供的。计算时, 如果采用新型节理本构模型可以真实模拟滑坡应力应变状态, 再结合F″定义方法将更加接近滑坡真实的稳定状态。

参考文献

[1]卢应发, 杨丽平, 华国辉.一种新的节理本构模型及几种新的滑坡稳定系数计算方法[J].岩石力学与工程学报, 2013 (12) :433-454.

[2]郑颖人, 赵尚毅.边 (滑) 坡工程设计中安全系数的讨论[J].岩石力学与工程学报, 2006, 25 (9) :79.

[3]郑宏, 田斌, 刘德富.关于有限元边坡稳定性分析中安全系数的定义问题[J].岩石力学与工程学报, 2005, 24 (13) :2225-2230.

[4]卢应发, 路韬, 周建军, 等.一种新的节理模型及其在基桩分析中的应用[J].岩土力学, 2013, 34 (4) :967, 973.

边坡计算 第7篇

目前,随着西部大开发战略的实施,黄土高原正在进行大规模的开发与建设,在许多大型工程和基础设施的建设中,必然会遇到许多黄土自然边坡和人工边坡的稳定性问题。工程活动影响的土体大多属于非饱和土,土中气相的存在,显著影响着黄土的工程性质。由于黄土高原处于干旱半干旱地区,地下水位较深,边坡中的土体具有负孔隙水压力,负孔压的存在加大了土颗粒间的压力,土的抗剪强度从而提高。然而在非饱和土中的负孔压很容易受到外界环境变化的影响,特别是受含水量的变化。含水量的增大对边坡的稳定极为不利,甚至可能因此失稳。除含水量外,坡高及坡角对边坡稳定性也有显著的影响,考虑此三种影响因素,本文对非饱和黄土边坡稳定性问题进行研究。在工程实际中,分析土坡稳定性时大多采用极限平衡法,包括瑞典法、毕肖普法、简布法等。但由于假设条件不同,瑞典法、毕肖普法、简布法所得到的安全系数有所不同,因此,在对非饱和黄土边坡进行稳定性分析时,有必要对这三种方法的稳定性分析结果进行比较研究,以便于工程应用时对三种方法的安全度有一个全面了解。

1 土坡稳定性分析原理

条分法最初是由H.Hultin和Petterson提出的,以后经过了W.Fellennius和Tyler等人不断改进并在世界各国普遍使用。条分法假定土坡稳定问题是一个平面应变问题,滑动面是一个圆柱形,土坡稳定的安全系数定义为用滑动面上的全部抗滑力矩与滑动力矩之比。

随着土力学的发展,不少学者对条分法的改进进行了研究。他们的研究主要有两个方面:一种是探索最危险滑动弧位置的规律,以减少工作量;另一种是对基本假设作些修改和补充,提出新的计算方法,使之更加符合实际。其中Bishop等人把安全系数Fs定义为沿整个滑动面上土体的抗剪强度τf与实际突破滑动面上的剪应力τ之间的比,即Fs=τf/τ。这就使得安全系数的物理意义更明确,而且适用的范围更加广泛。为以后的非圆弧滑动面分析及考虑土条件的相互作用力的假定提供了有利条件。

2 计算流程

由于上述方法工作量相当大,故利用FORTRAN语言,编写三种方法计算程序进行计算。限于篇幅,仅以瑞典条分法为例介绍计算流程(见图1),其他两种方法与之类似。

3 计算结果与分析

取黄土地区的简单均质土坡进行计算分析,坡高分别为5 m,7 m,9 m,11 m,含水量取15%,坡角为60°,土体内摩擦角为22°,分别采用瑞典法,毕肖普法和简布法计算上述不同参数组合的黄土边坡的稳定性系数。考虑到黄土抗剪强度随含水量的变化主要在于粘聚力随含水量的变化,黄土内摩擦角随含水量的变化不大,因此,计算时根据含水量确定粘聚力。对黄土边坡的稳定性系数计算结果如表1所示。

前文采用瑞典法、毕肖普法和简布法对黄土边坡的稳定性进行了计算,根据计算结果绘制不同条件下稳定性系数随坡高变化关系曲线如图2所示。

从图2可以看出,无论用何种方法,边坡安全系数均随着坡高的增大而减小,这与人们对边坡稳定性的认识是相同的,说明此种计算方法是合理的也是可靠的。进一步分析可以看出,简布法与毕肖普法均为随着坡高的增加,安全系数降低的速度逐渐放缓。但瑞典法与二者不同:随着坡高的增加,安全系数的变化趋势为开始降低的很平缓,在坡高超过某一值时安全系数出现陡降的趋势。变化其他土性参数后进一步表明,对简单均质的非饱和黄土边坡,无论土性参数和边坡几何参数如何变化,三种方法所计算出来的结果大致相同。在条件相同时,简布法计算所得安全系数始终大于毕肖普法,瑞典法与此二者比较大小关系较复杂;三者计算所得安全系数的差值是不容忽视的,该差值可高达0.7。

摘要：介绍了一种运用Fortran语言进行编程实现边坡稳定分析计算的方法和流程,并选用合理的黄土参数分别用瑞典法、毕肖普法、简布法对不同坡高的黄土边坡进行分析,分析结果表明,简布法计算所得安全系数始终大于毕肖普法,瑞典法与此二者比较大小关系较复杂。

关键词：水泥黄土,强度特性,影响因素

参考文献

[1]朱丽娟.降雨影响下的非饱和黄土边坡稳定性分析[J].科技风,2010(19):220-221.

[2]宋锦鹏,刘银霞,鲍迎水.陕北黄土边坡稳定性分析[J].延安大学学报(自然科学版),2010,29(1):50-52.

[3]张少宏.黄土边坡稳定计算中参数的敏感性分析[J].水利与建筑工程学报,2003,1(3):40-42.

边坡计算 第8篇

随着人们对地质灾害防治重视程度的提高,大量滑坡与边坡得到治理,滑坡与边坡支挡结构在山区随处可见。由于坡形的自然或人为改变、地质条件变化、坡上新增建筑物或坡上建筑物增层及其他因素引起的荷载变化、支挡结构的损伤与改造、地震设防烈度变化、工程重要性变化等多种原因,常常需要回答与滑坡或边坡治理工程加固有关的两个问题:一是是否需要加固;二是如何加固。解决第一个问题需要计算有支挡结构时滑坡与边坡的稳定系数,当稳定系数不满足要求时,需要对支挡结构进行加固。解决第二个问题需要计算作用在加固结构上的荷载。

目前关于这两种计算的研究还很少也无相关标准可循,一些工程勘察设计人员的做法是:根据现行标准进行工程条件变化前及变化后的支挡结构荷载计算,由此获得工程条件变化引起的支挡结构荷载变化量,以此间接、粗略地判断稳定性,并在支挡结构荷载变化量大于0时将其作为加固结构的荷载。这种做法在稳定系数计算和加固结构荷载计算这两个议题上都存在问题:一是没有给出稳定系数;二是加固结构荷载计算延续了目前滑坡与边坡支挡结构荷载计算方法的诸多缺陷[1,2],比如:滑坡支挡结构荷载计算与滑坡稳定系数计算不匹配、边坡支挡结构荷载计算与边坡稳定系数计算不匹配、滑坡支挡结构荷载计算与边坡支挡结构荷载计算不匹配。

笔者近年提出的以稳定性为基础确定滑坡与边坡支挡结构荷载的方法[1,2]能弥补目前滑坡与边坡支挡结构荷载计算方法的缺陷。本文在此基础上对滑坡或边坡治理工程加固涉及的前述两个计算问题进行探讨。

1 有支挡结构的滑坡与边坡稳定性计算

1.1 有支挡结构的滑坡与边坡稳定性计算式

滑坡与边坡有支挡结构时,支挡结构对滑坡与边坡起有利于稳定的作用,支挡结构的作用可视为对滑坡与边坡提供的抗力,也就是有利于滑坡与边坡稳定的荷载。这样,有支挡结构的滑坡与边坡稳定性计算就是抗力这个有利荷载作用下滑坡与边坡稳定性计算的正问题,即已知荷载求稳定系数的问题。在以往滑坡与边坡稳定性一般计算式[1~7]中都有竖向荷载(如重力)和水平荷载(如地震力),而支挡结构抗力这个有利荷载无论方向如何都可以分解为水平分力和竖向分力,这样,将支挡结构抗力这个有利荷载的水平分力和竖向分力分别加入到计算式中的水平荷载项和竖向荷载项中去,就能获得有支挡结构的滑坡与边坡稳定性计算式。现以精确度相对较高且计算相对较简便的方玉树法[8,9]为例,给出有支挡结构的滑坡与边坡稳定性系数计算式。

1.1.1 一般滑面

对一般滑面,有支挡结构的滑坡与边坡稳定性系数计算式为(图1):

式中:Fs—滑坡与边坡稳定性系数;c'i—第i计算条块滑面有效粘聚力(k Pa);φ'i—第i计算条块滑面有效内摩擦角(°);Li—第i计算条块滑面长度(m);θi—第i计算条块滑面倾角(°),滑面倾向与滑动方向相同时取正值,滑面倾向与滑动方向相反时取负值;Ui—第i计算条块滑面单位宽度总水压力(kN/m);Gi—第i计算条块单位宽度岩土体自重(kN/m);Gbi—第i计算条块单位宽度附加竖向荷载(kN/m),方向指向下方时取正值,指向上方时取负值;Qi—第i计算条块单位宽度水平荷载(kN/m),方向指向坡外时取正值,指向坡内时取负值;R0i—第i计算条块所受单位宽度抗力(kN/m),当只在最末一个条块上作用有抗力R0时,取R0i=0(i<n),R0n=R0;αi—第i计算条块抗力倾角(°),抗力方向指向斜下方时取正值,指向斜上方时取负值;h'i—第i计算条块与第i+1计算条块界面处滑面水深(m);hwi—第i计算条块与第i+1计算条块界面水头高度(m),当水位面平缓时可取hwi=h'i;γw—水重度,取10kN/m3;En—第n条块单位宽度剩余水平推力(kN/m);Ei—第i计算条块与第i+1计算条块单位宽度水平条间力(kN/m),当Ei<0(i<n)时取Ei=0;c'vi、φ'vi—分别为第i计算条块与第i+1计算条块界面有效粘聚力和有效内摩擦角;Pwi—第i计算条块与第i+1计算条块界面处单位宽度水压力(kN/m);hi—第i计算条块与第i+1计算条块界面长度;λi—第i计算条块与第i+1计算条块界面处滑面折角,对圆弧形滑面为0,对折线形滑面为第i计算条块与第i+1计算条块滑面倾角差即λi=θi-θi+1;κ—指数,一般取1,当两端土条外侧无水平力时也可取0;x'i—第i计算条块与第i+1计算条块界面处到滑面前端的相对水平距离,是到滑面前端的水平距离与滑面前后端之间水平距离的比值,在滑面前端为0,在滑面后端为1;i—计算条块号,从后方起编;n—条块数量。

1.1.2 圆弧形滑面

对圆弧形滑面(图2),因λi=0,得Ai=0,Xi=0,Bi=Ci=cos(θi-φ'mi),(1)、(2)式可简化为:

或简化为(简化过程参见笔者另一篇文章[8]):

(14)式与(15)式与忽略各种力引起的平行滑面分力(即滑弧切向分力)的力臂差异(即这些力臂均取滑弧半径)时的简化毕晓普法相同。计算圆弧形滑面滑坡与边坡稳定系数时用(14)式与(15)式较为方便,进行迭代即可。

1.1.3 直线型滑面

对直线型滑面(即平面滑面),将θi=θ,c'i=c',φ'i=φ'代入(14)和(15)式,令,,将后缘裂缝总水压力V这个水平荷载单列(即从滑体水平荷载Q中分离出来),并加以整理,得到有支挡结构的滑坡与边坡稳定性系数计算式为(图3):

式中:T—滑体单位宽度重力及其他外力引起的下滑力(kN/m);R—滑体单位宽度重力及其他外力引起的抗滑力(kN/m);c'—滑面的有效粘聚力(kPa);φ'—滑面的有效内摩擦角(°);L—滑面长度(m);G—滑体单位宽度重力(kN/m);Gb—滑体单位宽度附加竖向荷载(kN/m);方向指向下方时取正值,指向上方时取负值;θ—滑面倾角(°);U—滑面单位宽度总水压力(kN/m);V—后缘裂缝单位宽度总水压力(kN/m);Q—滑体单位宽度水平荷载(kN/m),方向指向坡外时取正值,指向坡内时取负值;R0—滑体所受单位宽度抗力(kN/m);α—单位宽度抗力倾角(°),抗力方向指向斜下方时取正值,指向斜上方时取负值;hw—后缘裂缝充水高度(m),根据裂缝情况及汇水条件确定。

上式与根据单块力平衡方程得到的公式相同。

1.2 支挡结构抗力计算

在有支挡结构的滑坡与边坡的稳定性计算中,需要首先确定支挡结构提供的单位宽度抗力。

一些结构(如桩和重力式挡墙)对边坡提供的抗力实际上是分布力,但在计算中所用的单位宽度抗力是它们的合力,因为极限平衡条分法系建立在力平衡的基础上,作用在条块上的各种分布力(如条底法向力与切向力、条间法向力与切向力)都只用到它们的合力。单位宽度抗力的确定包括力的方向、作用点和大小的确定。

单位宽度抗力的方向对悬臂桩(板)、锚拉桩和重力式挡墙可视为指向坡内的水平方向(挡墙背面倾斜时可视为墙背法向),对格构式锚杆和锚索可视为指向内端的锚杆和锚索轴向。

单位宽度抗力的作用点对悬臂桩(板)、锚拉桩和重力式挡墙可根据不同类型土(岩)体和结构的特点按经验在半高处上下取定,对格构式或独立的锚杆和锚索可设在各个锚杆和锚索的外端[1,2]。

单位宽度抗力的大小就是支挡结构或其构件的单位宽度容许荷载,单位宽度容许荷载是实际容许荷载(常称容许承载力)与桩距、锚杆和锚索间距之比。实际容许荷载对悬臂桩(板)和锚拉桩是容许水平荷载,根据桩截面尺寸、钢筋截面及强度、桩长、悬臂长度、嵌固深度、荷载分布、单桩水平承载力反算而得;对锚杆和锚索是容许拔力,根据锚筋截面及抗拉强度、锚筋锚固长度及锚固段砂浆与锚筋粘结强度、锚杆锚固长度及锚固段岩土与锚杆粘结强度反算而得;对重力式挡墙是满足抗倾覆抗滑移要求的墙背法向推力,根据挡墙断面尺寸、挡墙重度、基底土抗剪强度参数反算而得。

当支挡结构尺寸、埋深等情况未改变时,该支挡结构设计之时算得的支挡结构单宽荷载的反力可视为其单宽抗力,二者大小相等、方向相反并作用在同一条线上。

当支挡结构有损伤时,可根据损伤情况对支挡结构或其构件的容许荷载进行折减乃至忽略不计。

当一个条块上有几个抗力时(如最后一个条块临空面上有一列锚杆和锚索的情形),可先根据这几个抗力的大小、方向和作用点求出其合力的大小、方向和作用点,再代入计算式中。

2 滑坡与边坡加固结构荷载计算

2.1 滑坡与边坡加固结构荷载计算式

当按上述方法对有支挡结构的滑坡与边坡进行稳定性计算后,如果稳定系数小于设定的安全系数,则需要对滑坡与边坡进行加固,而加固设计则需要计算作用在加固结构上的荷载。现有滑坡与边坡支挡结构计算方法存在着滑坡稳定系数计算与滑坡支挡结构荷载计算有矛盾、边坡稳定系数计算与边坡支挡结构荷载计算有矛盾、滑坡支挡结构荷载计算与边坡支挡结构荷载计算有矛盾等诸多问题[1,2],将这些方法用于加固结构荷载计算是不适宜的。上一节已经指出,有支挡结构的滑坡与边坡稳定性计算是支挡结构提供的抗力这个有利荷载作用下滑坡与边坡稳定性计算的正问题,即已知荷载求稳定系数的问题,显然,作用在加固结构上的荷载计算就是在支挡结构提供的抗力这个有利荷载作用下滑坡与边坡稳定性计算的反问题,即已知稳定系数求荷载的问题,这个已知的稳定系数就是安全系数,这个未知的荷载就是加固结构这个新支挡结构或加固结构与原支挡结构组合成的支挡结构提供的抗力,而所采用的公式与正问题相同。

当待求的抗力是加固结构这个新支挡结构的抗力时,应将原支挡结构提供的抗力作为已知荷载列入计算式中。当待求的抗力是加固结构与原支挡结构组合成的支挡结构提供的抗力时,加固结构提供的抗力是组合支挡结构提供的抗力与原支挡结构提供的抗力之差。是将加固结构提供的抗力作为未知数还是将组合支挡结构提供的抗力作为未知数,可以方便计算为原则视具体情况而定,如:当加固结构与原支挡结构的抗力方向不一致时,将加固结构提供的抗力作为未知数较为方便,反之将组合支挡结构提供的抗力作为未知数较为方便。

当加固结构在两排以上时,可根据需要确定各排加固结构或各排加固结构与原支挡结构组合成的支挡结构抗力的比例,这样,各排加固结构或各排加固结构与原支挡结构组合成的支挡结构的抗力中只含一个未知数(即其中某排加固结构或某排加固结构与原支挡结构组合成的支挡结构的抗力)。

计算抗力的过程一般是一个试算过程,先假定一个抗力,由上述公式计算稳定系数,如果这个稳定系数与事先设定的安全系数不等,则重复这个过程,直至稳定系数与安全系数相等,此时的抗力即为所求。

对直线型滑面,由(16)到(18)式可得到抗力的显式解:

或

式中:Fst—安全系数。

对非直线型滑面,当抗力作用在最后一个条块上即R0 i=0(i<n)、方向水平且采用方玉树法时,也可得到抗力的显式解:对一般滑面,用Fst代替Fs由递推公式(2)式算得的En即为所求;对圆弧形滑面,用Fst代替Fs由递推公式(13)式算得的En即为所求。

2.2 关于加固结构荷载计算的两点说明

(1)在根据上述方法计算加固结构这个新支挡结构或加固结构与原支挡结构组合成的支挡结构提供的抗力时,需首先确定待求抗力的方向和作用点。待求抗力的方向和作用点的确定方法与第1.2节阐述的原支挡结构提供的抗力相同。

(2)所求出的抗力的反力即是作用在加固结构这个新支挡结构或加固结构与原支挡结构组合成的支挡结构上的荷载(单宽抗力反力是单宽荷载)。这是一个合力,它不反映荷载的分布。这不是本文方法的特别之处,而是所有建立在力平衡基础上的方法的共同点,用库伦土压力理论和传递系数法剩余下滑力概念算得的支挡结构荷载也是合力[1,2]。用朗金土压力理论虽然可算得支挡结构荷载的分布,但与实际相差极大[2],远不如根据荷载分布经验进行假定为好。当某些结构(如桩)设计需要分布力形式的荷载时,根据合力的大小、方向、作用点和荷载分布假定计算即可。

3 算例

算例1:某边坡(或滑坡)以重力为荷载,无地下水、也无水平荷载和竖向附加荷载作用,滑面有效粘聚力为11kPa,有效内摩擦角为12°,滑体重力为4800kN/m,滑面为平面,其倾角为18°,滑面长度为40m,用抗滑桩支挡,经计算和换算,其单位宽度抗力为254.90kN/m(为水平方向)。需计算其稳定系数。

因α=0°,由(16)式~(18)式得:

计算结果是:稳定系数为1.15。

算例2:边坡(或滑坡)情况同上例,现设定安全系数为1.35,因稳定系数不满足要求,拟采用抗滑桩方式进行加固,需计算作用在加固结构上的荷载。

因α=0°,由(22)式得:

计算结果是:加固结构与原支挡结构组合成的支挡结构提供的单位宽度抗力应为438.10kN/m,因原抗滑桩支挡单位宽度抗力为254.90kN/m,故加固结构提供的单位宽度抗力(即作用在加固结构上的荷载)应为183.20kN/m。

4 结论

本文提出了有支挡结构时滑坡与边坡稳定性及加固结构荷载计算方法,这种方法的核心是将支挡结构及加固结构的作用视为对滑坡与边坡提供的抗力(即有利于滑坡与边坡稳定的荷载),把有支挡结构的滑坡与边坡稳定系数及作用在滑坡与边坡工程加固结构上的荷载计算分别视为在有利于稳定的荷载作用下滑坡与边坡稳定性计算的正问题(已知荷载求稳定系数)和反问题(已知稳定系数求荷载)。

非直线型滑面滑坡与边坡稳定性计算极限平衡条分法因滑面假定特别是条间力假定不同而有十余种之多,依照本文的方法可分别写出采用不同条分法时有支挡结构的滑坡与边坡稳定性具体计算式。

这一方法既适用于边坡也适用于滑坡,既体现了有支挡结构的滑坡稳定系数计算与滑坡加固结构荷载计算原理的一致性,也体现了有支挡结构的边坡稳定系数计算与边坡加固结构荷载计算原理的一致性;还体现了滑坡加固结构荷载计算与边坡加固结构荷载计算原理的一致性。

参考文献

[1]方玉树.滑坡支挡结构荷载取值问题研究[J].工程地质学报,2007,2(15):200～204.

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[3]中华人民共和国国家标准.建筑边坡工程技术规范(GB 50330-2002)[S].北京:中国建筑工业出版社,2002.

[4]中华人民共和国国家标准.建筑地基基础设计规范(GB 50007-2002)[S].北京:中国建筑工业出版社,2002.

[5]中华人民共和国国家标准.岩土工程勘察规范(GB50021-2001)[S].北京:中国建筑工业出版社,2001.

[6]中华人民共和国行业标准.铁路路基支挡结构设计规范(TB 10025-2001)[S].北京:中国铁道出版社,2002.

[7]中华人民共和国地方标准.重庆市地质灾害防治工程勘察规范(DB 50/143-2003)[S].重庆市质量技术监督局,2003.

[8]方玉树.边坡稳定性分析的一种新条分法[J].工程勘察,2007,(6):12～16.

边坡冲刷量的神经网络计算模型 第9篇

1 边坡冲刷量的计算影响因子分析

土的冲刷是一个极其复杂的物理过程(甚至还涉及到化学、生物过程),它受到很多自然因素的制约(如气候、地形、地质、土质、植被等),同时又受到人类活动的干扰,各个因素之间存在着错综复杂的相互作用。其影响因素一般有:降雨的溅蚀力、径流量的大小、土粒的分离难易程度、水流冲刷携带泥沙的能力。这些参数又取决于雨滴的动能、雨滴数量及降雨强度,地质、土质类型及结构,坡度、植被、土含水量以及各种形式的水流因素(如流速、流量)等特征值。

目前,大量研究发现,野外测量到的土流失量与降雨量、降雨历时和30 min最大降雨强度关系密切。近年来国内外学者对坡面流的水力学特性进行了详细分析,普遍认为径流影响坡面冲刷量最重要的因素是径流量大小和流速。边坡土本身性质,比如土颗粒之间的粘聚力和密实程度(对公路这样的土工构造物称为压实度),在很大程度上决定了土体分离的难易程度。而边坡坡度和坡长是最基本的地形因子,描述边坡冲刷,这2个参数不可缺少[1]。

由此可见,影响产沙量的因素是多样而复杂的,这使得利用一种或多种影响因子建立的经验公式具有一定的局限性,而且用多因子建立公式时会遇到人为确定权重的困难及模糊性、随机性的影响。当把易观察、检测的自然影响因素的特征值作为整个侵蚀产沙系统过程的输入量,冲刷量作为它的输出量,而把其他因素的特征值(如坡度土的压实度、径流系数等,有时甚至要考虑人类活动的影响)作为一个中间系统,这些影响因子相互作用,即存在输入输出为前向传播的关系,又存在某种内在的反馈关系,这种关系正好可用BP神经网络模型的反向算法进行研究[2]。

2 神经网络模型的建立

建立神经网络模型的重点是选取合适输入量,确定最佳隐含层及各隐含层所含的神经元数目。王春辉等所建立的神经网络模型,所选取的输入参数中缺少土质因素的考虑,将土质因素放入隐含层,进行模糊处理,这在不同地域应用时可能会造成较大误差。

2.1 样本的选取

本文的网络训练样本数据和网络检验样本数据均取自《高等级公路边坡冲刷理论与植被防护技术》中的《边坡冲刷规律试验》所得。在试验中,选用的是坡长为定值,因此,在本文中输入量中不考虑坡长因子。将实验数据按2:1的比例随机分为2组,一组用作网络的训练,一组用作网络的检验。

2.2 输入层、输出层的确定

在本文中选取冲刷量为唯一输出量,按照输入量必须选择那些对输出影响较大且能够检测或提取的变量,此外还要求各输入变量之间不相关或相关性很小的2条基本原则[3],选择径流量、降雨强度 、坡度及土的粘聚性为输入量。将土根据直观观察分为砂性土、粘砂性土、粘性土,并分别以数值1、2、3简单量化。

2.3 中间层的确定

Nielsen证明了对于在任何闭区间的2个连续函数都可以证明用1个隐含层的网络来逼近,因而一个3层的基于BP算法的神经网络可以完成任意的n维到m维的映射。1988年,Cybenko指出,当各节点均采用S型函数时,1个隐含层就足以实现任意判决分类问题,2个隐含层则足以表示输入图形的任意输出函数[3]。

所以本文采用含有单隐层的3层BP网络,用MATLAB语言进行建模计算。传递函数选用tansig、purelin,采用levenberg-Marquardt训练方法,并通过试凑法确定最佳的隐层节点数,模型结构如图1所示。

隐层的节点数试算结果如表1所示。 从表1中可看出含有8节点的模型迭代步数最少,精度较高,仿真效果最佳。

2.4 仿真网络模型的验证实验

采用第二组的实验数据,对上述隐层含8节点的网络模型进行验证,结果如表2、图2所示。其中图2中横坐标n表示对应的几组模型检测数据,纵轴表示冲刷量,Kg。

从结果对比中不难看出各个检测样本试验所测的实际冲刷量与模拟冲刷量值非常接近,显示具有较好的模拟预测效果。

3 结束语

1)本文以MATLAB语言建立的边坡冲刷量神经网络计算模型,采用的输入量参数较为全面,并采用试凑法得到最佳的隐层节点数,而且在网络验证实验中得到了较为满意的结果,具有普遍实用性。

2)本文未考虑样本数据中的系统和偶然误差因素,且样本来自室内试验,与工程实际存在一定的差距,需要进一步的工程实践验证。

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不规则高边坡拉筋挡土墙探索计算 第10篇

关键词：加筋土挡墙,有限元法,高边坡路堤

0 引言

加筋土结构有限元分析起步较晚,到20世纪70年代后才开始用该法预测加筋土结构的内部稳定性。传统的方法建立在力的极限平衡理论上,无法描述结构的变形机制。有限元法力学概念简单,应用灵活,将变形的协调性与力的平衡结合起来,克服了传统的理论局限,使模拟某些复杂结构及变化过程成为可能。

加筋挡墙的有限元法主要有三种模式[3]:1)将土体和加筋材料看作一复合材料,假设土体和材料之间没有相对滑移,采用未加筋土的本构关系模型对加筋土体进行有限元分析;2)将加筋土中的加筋材料和土体处理成不同材料,分别采用不同的本构关系进行有限元分析,但仍不考虑加筋土中的筋材和土的相互作用,将加筋材料和土体截然分开处理;3)将加筋土体看作是由土体,加筋材料以及土体与土体加筋材料之间的接触单元所联系起来的有机体,接触单元应力的大小随加筋材料与土体之间的相对位移而改变。

当选择复合式方法时,需要确定所研究的加筋土作为复合材料的本构关系。但是,目前国内外的众多研究工作者提出的各种加筋土的本构模型都只是针对某一特定的土体材料或是加筋材料,并不具有普遍性。本文选择计算模式中的第三种方法,采用自编程序,根据工程的要求建立模型,求解。

本文在用ANSYS建立有限元计算模型时,土体的材料本构关系采用的是Drucker-Prager模型。本构模型反映了土体的非线性,此本构模型的适用范围较宽,对于砂土和黏性土都能适用。由实测可知,加筋土挡墙中土体的应力水平及地基的应力水平一般不大,也就是说一般不会发生大范围的塑性区,剪胀性的影响较小。在模拟筋土之间、土与面板之间相互作用时,引入的界面单元,可以较好的模拟接触面上的错动滑移和张开,并能考虑接触面变形的非线性特性。土工合成材料与土的接触单元采用无厚度的Goodman单元[4]。

1 事例

工程状况描述:兰州市西固区要修二级公路的路基边坡,路面宽度为25 m,边坡高度高达30多米,地质情况为:在公路路面以下21.8 m的密度为22.5 kg/m3砂性土,在砂性土下面为密度26 kg/m3的岩性土,经分析该处为不稳定路基,需要加固。

针对工程状况,本文提出的处理措施是加拉筋挡墙,在坡底地面以下0.5 m砌C15的片石混凝土,砌底结构形式如图1所示,并在砌石的顶部和底部做成台阶形,增加水平向的摩擦,降低因推移而产生的破坏变形。沿边坡做成倾斜的拉筋挡墙,由于边坡高度过大,所以做成两阶段式的挡墙且面板采用斜坡式布置(减小土对面板的作用力)。拉筋间距竖向为0.6 m,拉筋沿路走向为0.6 m的等间距布置,拉筋在竖向布置的总根数为54根,拉筋挡墙内填土为密度22 kg/m3的砂性土,拉筋挡墙的总高度为32 m,拉筋挡墙顶部填土做成斜坡形,坡度为1∶10。面板采用混凝土材料,它的设计参数为:密度24 kg/m3,弹性模量3 000 MPa,泊松比为0.3。拉筋的本构关系采用线弹性模型,其设计参数采用值为:弹性模量8 000 GPa(参数取值来自现场试验数据)。填土物理力学参数见表1[5,6,7,8,10],接触单元的参数见表2[5,6,7,8,10]。

建立有限元模型:针对土体的应力分布特点,拉筋只考虑水平向的力,因此,有限元模型建立成平面单元,在路基中线位置建立对称约束SYMM;在坡底地面以下15.81 m处取为研究坡底的约束底面,约束形式采用全约束ALL;在片石及片石到约束底面的前侧用UX约束。土体采用Plane42单元,钢筋采用Link1单元,土体和拉筋的接触单元采用Conta172,Targe169单元,划分单元数为4 249个,如图2所示。

计算结果分析如下:从图3可以看出,加挡墙后土应力分布比较均衡,不会出现部分的应力集中和局部破坏,最大应力值为1.47×106 Pa。从拉筋的水平应力值分析,从上到下沿拉筋的应力分布逐渐趋向均衡,即沿拉筋长度方向上的应力值相差的幅度减小。在对整个建模分析过程中,分别研究各层拉筋最大应力值和最小应力值,并作比较,发现最大应力值出现在第一层拉筋中,大小为1 551.1 kPa,最小应力值也是出现在第一层拉筋中,大小为1.0 kPa,进一步验证了拉筋在挡墙中随埋深的增加,拉筋上的应力大小落差减小,我们可以根据建模算出的应力值选择合适的拉筋布置挡墙。出现负值,是因为建模时坐标系选在了路面中线处,在拉筋的上侧,此时负值即表示拉筋是受拉的。

2 结语

1)本文方法为计算不规则挡墙提供了方便,根据现场的地质情况设定模型,能较方便的计算出路基各个方向的位移,路基沉降量,各个方向的应力及应变情况。2)本文计算结果与实际工程验算相比较,计算结果与实际工程测定较为接近。3)本文方法可以提供土体的应力场和变形场,在计算中可以考虑土体的非均匀性和非线性、土性随时间的变化、施工步序和荷载变化,计算成果能够反映从施工开始至运行期间土体变形性质变化的全过程。

参考文献

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