[发明专利]基于极限平衡理论和应力分析的土坡稳定分析方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种土坡稳定性分析技术，尤其涉及一种基于极限平衡理论和应力分析的土 坡稳定分析方法。

背景技术

土力学中，土坡稳定分析是和另外两个分支即土压力和地基承载力同时发展起来的。库 仑和朗肯分析土压力的方法后来被推广到地基承载力和边坡稳定分析中，这就是极限平衡方 法。在土坡稳定性分析中，尽管还有有限元等其它方法，但极限平衡方法由于具有理论简单、 概念清晰且容易掌握等许多优点而被广大工程技术和研究人员偏爱。

经典极限平衡方法的计算步骤可归纳为两步：首先是假定一个滑裂面，计算边坡沿该面 发生失稳的安全系数；然后是寻找最小的安全系数，也就是寻找临界滑面。

为了计算边坡的安全系数，假定边坡土体因某种扰动因素从目前的稳定状态进入极限平 衡状态。此时，坡体内出现一个假想的滑裂面。在该滑面上，每一点的法向应力和切向应力 都满足摩尔-库仑强度准则。

Fellenius于1927年提出了边坡稳定分析的圆弧滑动分析方法，也就是瑞典圆弧法。该 方法中，滑裂面假定为圆弧，土条底面的法向应力被看作是土条重力在土条底面法线方向的 投影，因此对圆心取矩时不出现，使计算工作量大大简化。但该法由于忽略了条间力的作用， 不能满足所有静力平衡条件。当滑裂面不是圆弧时，该法不再适用。

Bishop法是在瑞典圆弧法基础上的发展，该法也假设滑裂面为圆弧，但它考虑了条间力。 通过土条的竖向力平衡及力矩平衡推出求解安全系数的公式。Bishop法由于考虑了条间力， 比瑞典圆弧法前进了一大步，对于均质土坡，目前普遍认为该法可以得到比较合理的解。但 是，滑面为圆弧的假定限制了该法的应用范围。

Janbu法假定滑面形状为任意形状，且假定条间力的作用点位置(即推力线位置)为已 知。对每一土条，可列出两个静力平衡方程和一个力矩平衡方程，因此属于严格方法。但其 推力线的假定必须符合条间力的合理性要求。尽管该法的滑面为任意形状，但必须事先假定， 因此该法仅适用于滑面位置、形态均基本确定的边坡稳定分析。

不平衡推力传递法是按照折线滑动面将滑动土体分块，假定块间力的合力与上一土块底 面平行。该法对滑体仅进行分块，而没有分条，因而计算工作量大大降低。同样，该法也仅 适用于滑面位置、形态均基本确定的边坡稳定性分析。

属于极限平衡方法范畴的边坡稳定分析方法很多，以上仅列举了几种典型的方法，从以 上分析可知：在经典极限平衡法中，无论是假定滑面为圆弧形，还是任意形状；无论是严格 方法，还是非严格方法，都必须首先假定滑面的形态(如Fellenius法和Bishop法)，或者 同时假定滑面的形态和位置(如Janbu法和不平衡推力传递法)。当土坡结构较复杂时，比如 由多层土构成的土坡并受地下水和外部荷载作用的情况，实际滑面的形态和位置均很可能不 能事先确定，此时，经典极限平衡方法的可靠性问题就突显出来了。

发明内容

本发明提出了一种基于极限平衡理论和应力分析的土坡稳定分析方法，其步骤如下：1) 分别在边坡的坡底和坡面近坡顶位置预设两个滑裂面起点(根据经验值，选取边坡上可能成 为滑裂面起点的两个端点位置)；2)再在步骤1)中的两个滑裂面起点之间的边坡自然界面 上，采用0.618法预设多个滑裂面起点；3)设置各个滑裂面起点所对应的预设安全系数，通 过计算找到满足条件的预设安全系数，求得各个滑裂面起点所对应的临界滑裂面；4)选取预 设安全系数最小的临界滑裂面作为整个土坡的临界滑裂面，此最小预设安全系数作为整个边 坡的稳定安全系数。

步骤3)中，计算单个滑裂面起点所对应的临界滑裂面的方法包括：

针对某一滑裂面起点(包括最初设定的两个滑裂面起点和由0.618法确定的滑裂面起点)， 设置该滑裂面起点对应的滑裂面的预设安全系数和土条宽度，通过计算求得滑裂面的理论安 全系数，判断理论安全系数和预设安全系数的差值是否在误差范围内：如果是，所得到的滑 裂面即为经过该滑裂面起点的临界滑裂面；如果不是，重新设定预设安全系数并计算其理论 安全系数，直至找到和理论安全系数的差值在误差范围内的预设安全系数；前述部分是对计 算单个滑裂面起点所对应的临界滑裂面的方法的文字概括，定量计算时按如下步骤进行：

用DABC所围成的四边形来表示土条范围，