[发明专利]基于条间法向力分布特征的边坡稳定性极限平衡计算方法

说明书

本发明涉及一种基于条间法向力分布特征的边坡稳定性极限平衡计算方法，属于边坡稳定性技术领域。本发明针对传统极限平衡条分法在分析边坡稳定性时未考虑条间法向力分布形式，即不同推力线作用位置对安全系数的影响，在既有的极限平衡条分法基础上，进一步考虑条间法向力分布特征，即推力线作用位置的分布，提出的考虑条间法向力分布特征的改进极限平衡计算方法，运用本发明提出的改进极限平衡Spencer法计算深凹滑面结果发现，改进极限平衡法与传统极限平衡法在安全系数方面误差较大，误差值高达20％左右，本发明方法具有简便、可靠的特点，将为边坡稳定性分析提供更准确的结果，不仅可以提高工程安全性，而且能节省施工成本，提高工程经济效益。

技术领域

本发明涉及一种基于条间法向力分布特征的边坡稳定性极限平衡计算方法，属于边坡稳定性技术领域。

背景技术

极限平衡条分法是岩土工程领域普遍应用的一种边坡稳定性分析方法，其原理是把岩土体划分为一系列条块，按照极限平衡原则，对各条块进行受力分析，求解边坡安全系数。极限平衡法根据不同的平衡条件和不同的条间力假设，又可分为Fellenius法、简化Bishop法、Spencer法和Morgenstern-Price法等。Duncan、吴顺川等对以上各种极限平衡条分法的计算精度做了对比分析，并指出了不同方法的适用范围。针对极限平衡条分法中存在的问题，国内外学者进行了许多研究与改进，比如陈祖煜在总结土坡极限平衡条分法基础上，提出了条分法的普遍平衡方程式，解决了可能遇见的数值收敛问题；朱大勇等人重新推导了更为简洁实用的安全系数计算公式，解决了极限平衡法条分法中的计算不收敛问题，提高了计算速度与精度；邹广电等基于塑性力学原理，考虑所有条间力作用，提出了一种与传统极限平衡法衔接的改进条分法。刘秀军根据经典土压力理论和条块端部的边界条件，对条间力夹角进行求解，省去了传统Spencer法盲目假定一系列夹角值的复杂性。王振等引入“剪应力-剪切位移本构模型”，建立一种可以考虑岩土体抗剪能力与剪切位移关系的改进Janbu法。郑颖人等定义一个滑动面相对于条块界面的形状参数，对Sarma法的条间剪力方程进行了修正。Fredlund、陈祖煜等人将二维极限平衡法引申到三维，对滑动面应力进行合理假设，使得计算结果更符合实际。

现有技术中对极限平衡条分法进行了各种修正与优化，但鲜有考虑条间法向力分布特征，即合力推力线作用位置不同时的极限平衡方法。传统条分法假设推力作用线的位置位于条块底部，忽略了其他位置对计算结果的影响。事实上，条块间法向力的分布形式对计算结果的影响是不可忽略的。

发明内容

本发明针对传统极限平衡条分法在分析边坡稳定性时未考虑条间法向力分布形式，即不同推力线作用位置对安全系数的影响，在既有的极限平衡条分法基础上，进一步考虑条间法向力分布特征，即推力线作用位置的分布，提供一种基于条间法向力分布特征的边坡稳定性极限平衡计算方法，本发明为边坡稳定性的极限平衡法增加了一种更加完整、应用普遍、使用效果好的计算方法，避免了非必要或者过量的施作边坡保护措施，对边坡稳定性计算方法具有现实意义。

一种基于条间法向力分布特征的边坡稳定性极限平衡计算方法，具体步骤如下：

(1)对于给定滑体，垂直划分成若干个宽度相等的条块，传统极限平衡Spencer法中，设各条块间的作用力相互平行，即θ_i＝θ为常量，条块两侧条间合力△P，即条块两侧面的条间力之差，为：

(2)滑面为圆弧滑面时，对于整个边坡，各条块条间力合力总和为0，即：

∑(P_i+1-P_i)＝0 (2)

(3)在条块力矩平衡求解过程中，设各条块条间合力△P作用在条块底面，故它在滑动面切向的分力为：(P_i+1-P_i)cos(α_i-θ)，切向分力到转动中心O的力臂为R_i，建立整体力矩平衡方程为：