边坡工程(2)-边坡稳定性分析评价

本章重点:

边坡稳定性分析
极限平衡法
瑞典圆弧法
Bishop条分法
Janbu条分法
不平衡推力传递系数法
土坡稳定分析中的图解法简介

《建筑边坡工程技术规范》GB50330-2002第5.1.1规定：下列建筑边坡应进行稳定性评价：
   (1)选作建筑场地的自然斜坡；
   (2)由于开挖或填筑形成并需要进行稳定性验算的边坡；
   (3)施工期出现不利工况的边坡；
   (4)使用条件发生变化的边坡。

边坡稳定性分析：衡量、判定边坡的稳定程度。
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。1955年，毕肖普(A.W.Bishop)明确了土坡稳定安全系数的定义：
          

   式中：   —沿整个滑裂面上的平均抗剪强度；
                —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。
   问题的关键: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τ。

1、定性分析方法
 

定性分析方法主要是通过工程地质勘察，对影响边坡稳定性的主要因素、可能的变形破坏方式及失稳的力学机制等的分析，对己变形地质体的成因及其演化史进行分析，从而给出被评价边坡一个稳定性状况及其可能发展趋势的定性的说明和解释。
  优点:能综合考虑影响边坡稳定性的多种因素，快速地对边坡的稳定状况及其发展趋势作出评价。
  常用的方法主要有下面几种。
  (1)自然(成因)历史分析法
  (2)工程类比法
  (3)边坡稳定性分析数据库和专家系统
  (4)图解法

2、定量分析法

严格地讲，边坡稳定性分析还远远没有走到完全定量这一步，它只能算是一种半定量的分析方法。常用的边坡稳定性分析方法土要有下述几种：
（1）极限平衡分析法
（2）数值分析方法

(1)极限平衡法

块体极限平衡法是当前国内外应用最广的边坡稳定分析方法。它是传统边坡稳定分析方法的代表。
块体极限平衡法首先假定滑移面已知、同时假定滑动体为刚体，即忽略滑动体的变形对稳定性的影响，在以上假定条件下对边坡进行静力平衡计算，从而求出边坡稳定系数.

块体极限平衡法的基本思路：

首先，确定滑动面的位置和形状。实际的滑动面将取决于结构面的分布、组合关系及其所具有的剪切强度。实践证明，均质土坡的破坏面都接近于圆弧形，岩体中存在软弱结构面时，边坡岩体常沿某个软弱结构面或某几个软弱结构面的组合面滑动，因此，根据具体情况假定的滑动面与实际情况是很接近的。
其次，确定极限抗滑力和滑动力，并计算其稳定性系数。所谓稳定性系数即指可能滑动面上可供利用的抗滑力与滑动力的比值。由于滑动面是预先假定的，因此就可能不止一个，这样就要分别试算出每个可能滑动面所对应的稳定性系数，取其中最小者作为最危险滑动面。
最后以安全系数为标准评价边坡的稳定性。

当滑移面为一简单平面时，静力平衡计算可采用解析法计算，因而可获得解析解。著名的库仑公式就是一例，一直沿用至今。
当滑移面为圆弧、对数螺线、折线或任意曲线时，无法获得解析解，通常要采用条分法求解。此时坡体为一静不定问题，通过对某些未知量作假定，使方程式的数目与未知数数目相等从而使问题成为静定，这种方法十分简便，而且计算结果能满足工程要求而被广为应用。
  目前工程中常用的条分法有：Fellenius法（Ｗ.Fellenius，1963）、Bishop法（Ａ.Ｗ.Bishop，1955）、Janbu法（N.Janbu，1954，1973）。Morgestern-Price法、（Morgestern-Price，1965）、Spencer法（Spencer，1973）、Sarma法（Sarma，1979）、传递系数法等

由于假设条件与应用的方程不同，条分法分为非严格条分法与严格条分法.
在非严格条分法中，通常只满足一个平衡条件，而不管另一个平衡条件。在土条的平衡中只满足力的平衡，而不满足力矩平衡，在总体平衡中只满足力的平衡或者力矩平衡。可见，非严格条分法的计算结果是有一定误差的。非严格条分法有两个末知数(安全系数和条间力的作用方向)。但只有一个方程.因而尚需作一个假定。非严格条分法通常是假定条间力的方向，由于假定不同而形成各种方法，有瑞典法、简化Bishop法、简化Janbu法、陆军工程师团法、罗厄法、Sarma法、不平衡推力法(传递系数法)等。
严格条分法满足所有的力的平衡条件，它有三个末知数(安全系数、条间力作用方向和作用点)和两个方程，因而也要做一个假定。如果假定合理，其解答十分接近准确解。根据所用假设的不同，又分Morgenstern-Price法、Spencer法、Janbu法等.

块体极限平衡法的优点：
  

方便简单，适用于研究多变的水压力及不连续的岩体和土体。
块体极限平衡法的缺点： 
   不能反映岩土体内部真实的应力应变关系，所求稳定性参数是滑动面上的平均值，带有一定的假定性。
   难以分析岩土体从变形到破坏的发生发展全过程;
   难以考虑累进性破坏对岩土体稳定性的影响。

(2)数值分析方法

数值分析方法是目前岩土力学计算中使用最普遍的分析方法。
3.2.1有限元(FEM)法
3.2.2边界元(BEM)法
3.2.3快速Lagrangian分析(FLAC)法
3.2.4离散元(DEM)法
3.2.5块体理论(BI）与不连续变形分析(DDA)
3.2.6无界元(TDEM）法
各种方法的原理不同，作出的分析结果表示方式不一，各有其优缺点；
不同的边坡稳定性分析方法又各具特点，有一定的适用条件；
不同的边坡工程常常赋存于不同的工程地质环境中，有极其复杂多变的特性，同时又有较强的隐蔽性。因而，在实际工程中，应根据边坡工程的具体特点及使用目的，最好能同时利用多种分析方法进行综合分析验证，力求得出一个更加客观、可靠、合理的评价结果。

边坡稳定性计算方法选择:
 

根据边坡类型和可能的破坏形式，可按下列原则确定：
  1、土质边坡和较大规模的碎裂结构岩质边坡宜采用圆弧滑动法计算；
  2、对可能产生平面滑动的边坡宜采用平面滑动法进行计算；
  3、对可能产生折线滑动的边坡宜采用折线滑动法进行计算；
  4、对结构复杂的岩质边坡，可配合采用赤平极射投影法和实体比例投影法分析；
  5、当边坡破坏机制复杂时，宜结合数值分析法进行分析。

GB50330-2002有关规定:
 

5.1.2边坡稳定性评价应在充分查明工程地质条件的基础上，根据边坡岩土类型和结构，综合采用工程地质类比法和刚体极限平衡计算法进行。
 5.2.1在进行边坡稳定性计算之前，应根据边坡水文地质、工程地质、岩体结构特征以及已经出现的变形破坏迹象，对边坡的可能破坏形式和边坡稳定性状态做出定性判断，确定边坡破坏的边界范围、边坡破坏的地质模型，对边坡破坏趋势作出判断。

边坡稳定性系数和安全系数
 

稳定性系数：反映滑动面上抗滑力与滑动力的比例关系，用以说明边坡岩体的稳定程度;
  安全系数：简单地说就是允许的稳定性系数值，安全系数的大小是根据各种影响因素人为规定的；
  安全系数的选取是否合理，直接影响到工程的安全和造价。它必须大于1才能保证边坡安全，但比1大多少却是很有讲究的。

安全系数选取的影响因素：
 

主要有以下几方面：
  ①岩体工程地质特征研究的详细程度；
  ②各种计算参数，特别是可能滑动面剪切强度参数确定中可能产生的误差大小；
  ③在计算稳定性系数时，是否考虑了岩土体实际承受和可能承受的全部作用力；
  ④计算过程中各种中间结果的误差大小；
  ⑤工程的设计年限、重要性以及边坡破坏后的后果如何等等。
  一般来说，当岩土体工程地质条件研究比较详细，确定的最危险滑动面比较可靠，计算参数确定比较符合实际，计算中考虑的作用力全面，加上工程规模等级较低时，安全系数可以规定得小一些；否则，应规定得大一些。通常，安全系数在1.05-1.5之间选取。

边坡稳定安全系数要求:

《建筑边坡工程技术规范GB50330-2002》规定：边坡工程稳定性验算时，其稳定性系数应不小于表5.3.1 规定的稳定安全系数的要求，否则应对边坡进行处理。

注：1 、表中地震工况的安全系数仅适用于塌滑区内无重要建构筑物的边坡；
    2、对地质条件很复杂或破坏后果极严重的边坡工程，其稳定安全系数应适当提高。

                      不同部门对边坡稳定安全系数的规定

几点结论：

（1）边坡安全系数高于滑坡安全系数
（2）建筑边坡高于道路边坡
（3）重要建筑物高于次要建筑物
（4）不同边坡稳定分析方法采用不同安全系数

边坡稳定性破坏的滑动面：

对于已出现稳定性破坏的边坡：可按勘探确定的滑动面，逐点进行抗剪强度验算。
对于目前还属于稳定的边坡：一般是根据经验首先假定一个可能的滑动面进行验算。
   现行的边坡验算，常假定滑动面为平面、圆柱面、对数螺旋曲面、折面等多种形式。