边坡(GTS建模)

三维渗流、稳定分析用
生产用
Soilworks
二维有限元补充计算用
GTS的二维剖面数据可导入 到Soilworks中
图2.1 Midas边坡整体解决方案
GTS NX中不仅可以利用强度折减法进行2D/3D边坡稳定性验算，还可以利用假想滑动 面根据极限平衡法计算安全系数。 此外还可以输出各步骤计算结果， 对边坡的破坏过程进行 分析， 考虑卸荷加载等施工阶段、 渗流及降雨的影响， 对边坡的短期和长期安全性进行判断， 特别是根据非线性时程分析结果进行边坡的抗震稳定性评价。 SoilWorks作为一款和实际工程设计更为贴近的2D岩土分析和设计软件，不仅提供基本 的极限平衡法（LEM） ，还提供基于有限元方法的强度折减法（SRM）及基于极限平衡法的 应力分析法（SAM） ，岩质边坡模块还提供赤平投影法和极限平衡法联动稳定性计算，同时 可以直接生成word版本计算书。 下面将结合例题详细讲解在Midas系列岩土软件中实现边坡稳定性分析的步骤。
二、ACADS 算例计算结果对比
1987年，澳大利亚计算机应用协会（ACADS）设计了5道总计10个经典的关于边坡稳定 问题的考核题，向全世界120个单位发出了计算邀请，有28个单位发回了计算答案，同时还 邀请了国际上在边坡稳定分析程序方面作过较多工作的研究者提供“裁判程序”答案。由于 这次调查工作规模较大， 所获得的成果比较可靠， 为边坡稳定性分析提供了很好的校验资料
(a)坡体潜在滑动面（极限平衡法，SLOPE-W）
(b) 坡体潜在滑动面（强度折减法SRM，GTS NX）
(c) 坡体潜在滑动面（极限平衡法Bishop法，Soilworks） 图 2.3 不同计算方法计算结果示意图
从上述算例可以看出，GTS 强度折减法计算结果与推荐结果十分接近，略偏于安全， 基于有限元计算结果的应力分析方法与传统 Janbu 法结果相近，基于极限平衡理论的 Soilworks 两种算法均与 SLOPE-W 结果吻合较好，证明 Midas 针对边坡稳定性计算的结果 是可靠的。
c=
c F
（1-4）
tan =
tan F
（1-5）
和传统的极限平衡法相比，强度折减法的优点主要有： （1）破坏面的形状或位置不需要事先假定，破坏发生在土体抗剪强度不能抵抗剪应力 的区域，模拟过程与实际的边坡失稳过程较为吻合； （2）由于有限元法引入变形协调的本构关系，因此不必引入假定条件，保持了严密的 理论体系； （3）有限元法能够考虑较为复杂地层情况以及施工过程中边坡稳定性的变化发展； （4）有限元解提供了应力、变形的全部信息。
1.1 极限平衡法
假定岩土体破坏是由于滑体内某一确定的滑动面发生滑动而造成的， 滑动面上土体服从 摩尔-库仑破坏准则，根据滑动面土体的静力平衡条件计算沿该滑动面滑动的可能性，求出 在极限平衡状态下土体稳定的安全系数。 然后通过搜索多个可能的滑动面， 试算出一系列稳 定安全系数。比较各个数值，得到最小安全系数 F 值，其所对应的滑动面即为最危险滑动 面位置。 极限平衡状态：坡体内某一点的剪应力与土体的抗剪强度相平衡（力或力矩的平衡） 。 计算方法：瑞典法、Bishop 法
一、常用边坡稳定性计算方法
坡体的稳定性分析方法一般而言有如下几种， 即以条分法为基础的极限平衡分析法 (包 括二维和三维)、基于塑性理论的极限分析法、有限单元法以及地质类比法，最后一种属于 定性分析方法
【 1】
。在这些方法中极限平衡法已经发展的相对比较成熟，目前前大多数规范
均规定采用极限平衡法进行边坡稳定分析。
图2.2 算例示意图 表2-1 算例参数表 c 土层编号 （kPa） 1 2 3 0 5.3 7.2 （°） 38 23 20 （kPa） 10000 10000 10000 0.25 0.25 0.25
φ
E
γ μ
（kN/m3） 19.5 19.5 19.5
对于该算例，ACADS给出的边坡整体稳定性系数为1.39。分别采用GTS NX、Soilworks 以及极限平衡法（加拿大计算分析软件GEO-SLOPE中的SLOPE-W模块，下表中简记为W） 计算的结果见表2-2。
【3】
F
c+ tan L L
（1-3）
最早由 Matsui 和 San（1988）提出，Duncan（1996）指出边坡的安全系
数可以定义为使边坡刚好达到临界破坏状态时， 对土体的剪切强度进行折减的程度， 即定义 安全系数是土的实际剪切强度与临界破坏时折减后的剪切强度的比值。 这种强度折减技术特 别适合用有限元（FEM）以及有限差分（FDM）等数值计算方法来实现，随着计算机技术 的发展和数值计算技术的提高， 强度折减分析方法正成为边坡稳定分析研究的新趋势， 目前 研究的主要方向集中于判别整体失稳的评判标准。 基于强度储备概念的安全系数可定义为： 当土体材料的抗剪强度参数 c 和φ分别用其临 界抗剪强度参数 c 和 所代替后，结构处于临界破坏状态，其中：
三、计算方法在 MIDAS 岩土软件中的实现
Midas岩土系列软件提供了针对边坡工程分析与设计的整体性解决方案，上述所提到的 各种计算边坡稳定性的计算方法， 在软件中均能快速准确实现， 同时可根据工程实际及需求 进行不同选择。
投标用、影响评估用
GTS NX 边坡分析与设计 整体解决方案
地形、地层分布变化较大的 边坡分析用
目录
一、常用边坡稳定性计算方法 ........................................................................................... 2 1.1 极限平衡法 ................................................................................................................ 2 1.2 有限元法 .................................................................................................................... 3 二、ACADS 算例计算结果对比......................................................................................... 5 三、计算方法在 MIDAS 岩土软件中的实现 .................................................................... 7 3.1 GTS NX 边坡分析实现过程 ...................................................................................... 7 3.2 Soilworks 边坡分析实现过程 .................................................................................. 17 四、应用工程实例 ............................................................................................................. 28 4.1 云南省云龙县花-旧公路改造工程 ......................................................................... 28 4.2 山东省日照市日照机场河道改造工程 .................................................................. 29 4.3 河南省李家寨弃渣场变更工程 .............................................................................. 31 附录 ..................................................................................................................................... 33 附录 A 地形生成器的使用 ............................................................................................ 33 附录 B 层面助手的使用 ................................................................................................ 36 附录 C 常用支护手段的模拟 ........................................................................................ 37 参考文献 ............................................................................................................................. 38
【4】
。故选择了其中的一个算例，同时采用不同方法进行计算，并与参考答案值进行比较，
验证Midas系列软件计算结果的稳定性和精确性。 算例选用ACADS的考核算例二的几何特征和土层分布考核题EX1（c） ，此算例中土层 包括三层。该边坡坡高10m，坡角26.6°，如图2.2所示。各土层的计算参数见表2-1。
表2-2 不同方法计算结果汇总表