确定边坡最危险滑动面的计算机模拟

100429665/ 2002/ 10 (03) 20326205 Jou rnal of Engi neeri ng Geology 工程地质学报
确定边坡最危险滑动面的计算机模拟Ξ
易念平 吴 恒 张信贵 韦珊珊
(广西大学土木建筑工程学院 南宁 530004)
摘 要 边坡稳定性分析 ,关键是确定潜在的滑动面 ,目的是有利于工程安全 。本文编制了二 、三维计算机模拟程序 ,在二维 模拟中提出了四种计算模式 ,三维模拟中考虑了空间 、荷载 、渗流效应 ,结合工程实例对边坡进行模拟并对土层抗剪强度参数 进行了反演 ,模拟计算与实测结果吻合 ,模拟出的抗剪强度参数平均值与实测的抗剪强度参数标准值相当 。 关键词 边坡 滑动面 安全系数 计算机模拟 中文分类号 :U416. 4 + 4 文献标识码 :A
COMPUTER SIM ULAITON FOR ID ENTIFY ING THE MOST DANGERSOUS SL ID ING SURFACE
YI Nianping WU Heng ZHAN G Xingui WEI Shanshan
( College of Civil and architecu ral Engi neeri ng , Guangxi U niversity , N anni ng 530004)
边坡的稳定性计算模式 :确定计算区范围 (计算 区范围取 1. 5～2 倍的实测滑坡范围) 然后进行单元 剖分 ,形成单元的信息码 、结点坐标 、单元材料 、地下 水情况信息 、荷载信息 、约束信息等有限元计算的初 始数据 ,形成数据文件后 ,进行三维有限元计算 。土 体单元采用 8 节点三维等参元 ,土体本构模型采用 邓肯张模型 ,模型参数由三轴试验确定 ,土体破坏准 则采用摩尔 - 库伦准则 。
滑动面确定的基本原则 :滑面的构成用空间椭 球体来模拟 ,滑面的空间分布由五个特征点 :A 、B 、 C、D 、E 圈出 (图 4) ,分析时给出 A 、B 、C、D 、E 五个 特征点的任意三个座标值的范围 ( x min ～ x max , ymin ～ ymax , z min ～ z max ) 和它们的步长 ,搜索出计算区 范围内的多组滑面 ,以此寻找潜在最危险滑动面 。
对边坡进行稳定性分析时 ,确定潜在的滑动面 是关键 。在众多的可能滑动面中寻找出安全系数最 小的潜在滑动面 ,即最危险滑动面 ,是保证稳定性分 析正确的前提 。实际土质边坡与简单均质土坡相 比 ,一般土体成层分布 ,坡形也比较复杂 ,存在诸如 拉裂缝 、剪出口 、各土层层面 、土层尖灭点及土层内 部等力学性质薄弱处 。要确定潜在的边坡滑动面 , 试算量大且基本无规律性 ,因此通过计算机模拟对 边坡稳定性进行分析很有必要 。而且可由计算机模 拟反演给出边坡的计算参数 ,为工程技术人员进行
2. 1 工程概况
图 4 空间椭球体的五个特征点示意图 Fig. 4 Showing sket hch of 5 characteristic
points in t hree dimensional ellipaoid
解出下滑力和抗滑力 ,总的抗滑力和下滑力之比作 为抗滑稳定系数 K[2 ] ,然后按下式计算一系列滑面 对应的 K 值 ,同时反演危险滑面上的抗剪强度参 数。
图 1 任意滑动面的确定方法 Fig. 1 Confirming met hod of random sliding surface
(2) 边坡沿原来实际滑坡滑动的滑动面确定 :先 设定潜在滑动面通过原滑动面 ,将若干个软弱点全 部选择在原滑动面上 ,使滑动圆弧通过若干个软弱 点 ,然后应用毕肖普条分法计算最小安全系数 。确 定方法如图 2 。
Abstract In t he analyses of slope stability aimed at securing engineering project s , a key is to identify potential sliding surfaces. For t his purpose , we wrote out t he two - dimensional and t hree - dimensional simulation pro2 grams , whose principles are briefly int roduced in t his paper. In t he two - dimensional simulation four calculation models are proposed , while in t he t hree dimensional simulation space , load and seepage effect are taken into ac2 count . This paper gives two simulation examples. The simulation result is basically in line wit h t he measured re2 sult , especially in t he shear st rengt h of soil. Key words Slope , Sliding surface , Safety coefficient , Computer simulation
图 2 沿原来实际滑动面时滑动时的滑动面确定 Fig. 2 Confirming met hod of latency sliding surface along sliding surface
(3) 滑动面沿各层分界面滑动时的滑动面确定 , 确定方法如图 3 。
1. 2 三维计算机模拟[1 ]
上述 (3) 、(4) 两滑动面确定的方法是 :任取三弱 点组合 ,使滑动圆弧通过三弱点 ,图中 A 、B 、C 点为 沿层面弱点 ,并且 A 、B 、C 三点保持一定的间距 ,间 距的大小由位于层面前缘滑弧的主滑段来决定 。然 后采用毕肖普条分法原理进行计算分析 。图中 A’、 B’、C’三点为沿层内的弱点 ,并且 A’、B’、C’三点同 样保持一定的间距 ,滑动圆弧的主滑段同时通过该 三点 。然后采用毕肖普条分法原理进行分析计算 。
Ⅰ类 :正在蠕滑阶段边坡 。目前实测状态 :滑坡 后壁高达 3. 0 m ,蠕滑速率为 0. 02 m·d - 1 ,滑坡周 界呈围椅状 。
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Jou rnal of Engi neeri ng Geology 工程地质学报 2002 10 (3)
边坡的优化设计提供依据 。
1 计算机模拟的基本原理
1. 1 二维计算机模拟 滑动面确定的基本原则 :滑坡易沿软弱部位剪
出 ,在剖面上先假定滑动面为圆弧形 ,并考虑土体成 层性 。软弱部位的选取一般选在力学性质薄弱处 , 要求软弱部位的数目足够多 ,并在整个剖面上均匀
Ξ 收稿日期 :2002 - 03 - 26 ;收到修改稿日期 :2002 - 07 - 10. 基金项目 :国家自然科学基金 (批准号 :40062002 、59868001) 和广西科学基金联合资助 (桂科配 0135004 、堙科青 9912013) 及广西高校跨 世纪学科带头人培养对象专项基金资助课题. 第一作者简介 :易念平 (1967 - ) ,女 ,硕士 ,讲师 ,岩土工程与科研工作. Email :xinguizh @sina. com
模拟计算的每组滑面和有限元网格相交 ,得到 构成滑面的单元面 ,经过插值和座标转换求得每个 单元面上的法向正应力和剪应力 。将滑面上的力向 滑坡的主滑动方向投影 ,每个滑面的滑动切向由滑 坡的滑动矢量 V 与每个滑面的法向确定 。V 用滑动 方向与整体座标 x 、y 、z 夹角αx 、αy 、αz 表示 ,一般滑 动方向取用沿滑动面切线方向 。在该滑动方向上分
n,
z)
=
q
在 s3 及 s4 上 , H ( x , y , z) | s3 + s4 = Z ( x , y)
式中 : H - 水头函数 ; q - 边界上单位面积流的
流量空间渗流区域 ; s1 - 已知水头值的边界面 ; s2 -
梧州市桂江防洪堤全长 1800 余米 ,地貌单元是 一级河谷阶地 、人工堆积台地和五条被古冲沟切割 的阶地地貌 ,阶地的河岸边坡较高 、较陡 ,地质情况 复杂 ,稳定性较差 ,近些年来已先后发生过多处大小 规模不同的浅层 、深层滑坡 ,有的业已整治 ,有的目 前正处在蠕滑阶段 (地层岩性如表 1) 。为此根据应 用模拟基本原理编制的边坡稳定性分析的二 、三维 计算机模拟程序 ,对河岸两类典型地段边坡稳定的 安全度进行了对比分析 :
n
∑[ A 1 + σzi ·tanφi + cicos (αzv - 90) ] ·ΔA
K=
i =1 n
∑[ B 1 + τz x ·cos (αxv + τzycos (αyv) ] ·ΔA
i =1
式中 : A 1 = σzi ·cos (αzv) , B 1 = σzi ·cos (αzv) ,αzi 、
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易念平等 :确定边坡最危险滑动面的计算机模拟
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分布 ,使软弱点两两或三三组合确定滑动圆弧 ,使滑 动圆弧通过模拟滑动面的主滑段 ,然后采用毕肖普 条分法分析原理进行计算 ,边坡的稳定性计算采用 四种模式模拟计算 :
τz x 、τzy ———第 i 个滑动面上的应力和剪应力 ;
αzv 、αxv 、αyv ———分别为应力σzi 、σz x 、σzy 与主滑方向