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(一)瑞典圆弧法

(一)瑞典圆弧法
(一)瑞典圆弧法

二维边坡稳定分析

(一)瑞典圆弧法

又称为瑞典法,普通条分法,一般条分法,费伦纽斯法(Ordinary or Fellenius method)。

1简化条件

仅适用圆弧滑裂面;假定每一土条侧向垂直面上的作用力平行于土条底面(亦有认为是忽略土条两侧的作用力),此假定会使牛顿“作用力等于反作用力”的原理在两个土条之间得不到满足;

2坐标系和条块受力分析

①坐标系规定:滑坡体位于坐标系原点的右侧即x ≥0

y

R

②典型条块受力分析

(Ⅰ)条块高度为i h ,宽度为i b ,底滑面长度为i l ,底滑面倾角为i α; (Ⅱ)条块自重为i W ;

(Ⅲ)地震力i c W K ,c K 为地震影响系数; (Ⅳ)作用于条块底部滑裂面的有效法向力i N ';

(Ⅴ)作用于条块底部滑裂面孔隙水压力的合力i i u i W U αγsec =,u γ为孔隙水压力系数;

(Ⅵ)作用于条块底部的剪切力i S ;

(Ⅶ)作用于条块界面条间力的合力i i P P 1-,平行于土条底部滑裂面; (Ⅷ)作用于条块顶部的外部荷载iy Q Q ix ,作用点(pi y x pi )。 ③ 条块参数取值及符号约定 (Ⅰ)条块底滑面倾角i α

定义条块底滑面为矢量,方向与滑体滑动方向相反,定义该矢量与正x 轴的 夹角为条块底滑面倾角i α,逆时针为正

( 为负值 )

i

if (12x x ≥) )arcsin(

1

2l

y y i -=α else i α落在二三象限,方法同垂直条分法求解

(则212212)()(y y x x l -+-=)

注意:一般情况下,i α取值范围为(2

,2π

π-

),滑面1→2落在一、四象限; 特殊情况,如滑面1→2落在二、三象限,则无法利用垂直条分法求解,此时滑面不再是单值曲线,垂直条块界面和底滑面存在二个及以上的交点,因此程序设计时要进行数据合理性检验。

(Ⅱ)水平、竖直方向荷载在条块底部滑面法线及切线方向投影 ① 水平荷载x F :

在法线方向投影

i

x i x xn F F F ααπ

sin )2cos(-=+= 在切线方向投影

i x xs F F αcos = ②竖直方向荷载y F :

1

2

1

2

在底滑面法线方向投影

i y F F αcos yn = 在底滑面切线方向投影

i y ys F F αsin =

适用于[]ππα,-∈i ,1→2属于1、2、3、4象限均可。

3安全系数计算公式

取条块底部法线方向力的平衡,可得

0cos )()sin )((N =-+--++'i i iy i i c ix i i W Q W K Q U αα

i

i y i x i

i i iy i i c ix i U F F U W Q W K Q --=----='ααααcos sin cos )(sin )(N

其中

i c ix x W k Q F -= , i iy y W Q F -=

条底剪切力 s i

i i i i F l C tg N S '+''=?(其中i ?',i C '为有效摩擦角和有效内聚力)

根据原体力矩平衡方程,可得:

[]

0)()()()()

()()(sin 00001

1

1

1

1

=++-+-----++---+---∑∑∑∑∑-====MomToe MomCrest x x X y y E x x X y y E m x x Q y y Q y y

W K R W R S c c n c n n c n n i i n

i pi c iy pi c ix n

i mi c

i

c

n

i i

i

n

i i

α

其中:(00y ,x )为1号条块端部作用力0E ,0X 作用点

(n y ,x n )为n 号条块端部作用力n E ,n X 作用点

(m i y ,x mi )为i 号条块质心坐标

所以:

[]

)

()()()()()()(sin )(F 100001

1

1

1

s

x x X y y E x x X y y E x x Q y y Q y y

W K R W R l C tg N c c n c n n c n n

i pi c iy pi c ix n

i n

i mi c

i

c

i

i

n

i i

i i

i

---+-+-------+=

'+''∑∑∑∑====α?

记抗滑力矩:∑=''+''=n

i i i i i r R l C tg N M 1

)(?

滑动力矩:

1

1

1

0000sin ()()()()()()()n

n

n

s i i c i c mi ix c pi iy c pi i i i n c n n c n c c M W R K W y y Q y y Q x x E y y X x x E y y X x x MomCrest MomToe α===??=+-----??

--+-+-----∑∑∑

所以

s

r

s M M F =

当忽略端部力,地震荷载,坡面荷载,则上式退化成

i i u i i i W W N αγαsec cos -='

()[]

∑∑=='+'-=

n

i i

i

n

i i i i i i u i

i

s W l C tg W W F 1

1

sin sec cos α

?αγα

4关于端部力和坡面荷载的讨论

① 滑体上端部(1号条块右侧截面)

滑面顶部设置拉力缝,拉力缝高度有用户手动设定为t h ,拉力缝可以设置充

水高度或不充水

当不充水时,000==X E ,

当充水时,充水高度t yh h =(其中y 为充水高度比例,在0~1之间选择)则

202

1

h E w γ=

00=X t x x =0

h y y t 3

1

0+=

② 滑体下端部(n

号条块左侧界面)

Hw )

m 个外荷载

当不考虑坡外水位按等效置换法计算时

010==q q

∑==m

b b n E E 1

∑==m

b b n X X 1

t n x x =

=--=m

b b

c n

b

c n y y E E y y 1)( 当坡外水位作为水压力参加计算时,则 If (t W y H ≤)

坡外无水

Else if (s W y H ≤)﹛00=q ;)(1t w w y H q -=γ;﹜ Else ﹛)(0s w w y H q -=γ;)(1t w w y H q -=γ;﹜

其中w H 为坡外水位高程

水压力合力w E 为:

If (W t H y ≥&&s W y H ≤) ))((21

10t w W y H q q E -+=; Else if (s W y H ≥)

))((2

1

10t s W y y q q E -+=;

水压力合力作用点位置(w w y x ,)为:

t w x x =

If (t W y H ≤&&s W y H ≤) ﹛t w t w w w y H y H H y 3

2

31)(32+=--=;﹜

Else if (s W y H ≥)

﹛()t s s w y y q q q y y -?????

?++-=)(331101

;﹜

滑体下端部所受合力(n n X E ,)及其作用点位置(n n y x ,)为:

W m

b b n E E E +=∑=1;

∑==m

b b n X X 1

t n x x =;

)()(1

w s n

w b s m

b n b s n y y E E

y y E E y y ----=∑

=; ③ 坡面集中荷载

两种输入方式: 方式一

荷载(y x Q Q ,),与x 、y 坐标轴正向保持一致,反之为负(,x y p p x

Q Q Q

作用点位置(P P y x ,) 方式二

输入荷载力Q (KN ),始终为正值;Q

y

cos x Q Q θ=sin y Q Q θ

=

输入Q

与x 轴正向的夹角θ,逆时针为正,顺时针为负,取值范围[-π, π]; 输入荷载作用点坐标(P P y x ,)

程序设计是采用方式二输入,主要便于锚固力输入。 ④ 坡面分布荷载

均可简化成多个作用于某条直线的线性荷载

第一种输入方式:

(分解成水平与竖直荷载)①

输入荷载: )/(20m KN q ,作用点(00,y x )

)/(21m KN q ,作用点(11,y x

)1

o

0q 1q 始终为正值输入

0θ 1θ(与正x 轴的夹角,逆时针为正,取值范围[-π,π],0

θ与1θ尽量相同或差180°,即0q 1q

矢量应平行)

计算线性荷载合力及其作用点位置

0y

q y

Q o

s

0x

000cos θq q x = 000sin θq q y = 111cos θq q x =

111sin θq q y =

s l

q q q q x

x x x 010-+

= s l

q q q q y

y y y 010-+

=

(其中()()[]

2

212

21

y y x x

l -+-=

线性荷载合力:

l

q q l q q y

y y x

x x 2

2

1010+=+=

θθ

作用点位置:作用点正在s 局部坐标下的位置

()l q q q t x x x ??

????++=101331 ① ()l q q q t y y y ???

?????++=101331

在0q 1q

平行的情况下①式和②式是相等的,因此任取其中一个方程即可求得t 值。

程序设计时,当001≠+x x q q 时,取①式计算t 值

否则,取②式计算t 值

所以合力作用点在原坐标系下的(x ,y )值为

x

)

()

(010010y y l

t

y y x x l

t

x x -+=-+= ? 适用任意情况

第二种常用输入方式:(分解成垂直与切向荷载)

输入荷载:)/(2

0m KN q ,作用点(00,y x

)0

q 0

s

)/(21m KN q ,作用点(11,y x )垂直向下为正 切向荷载)/(20m KN τ,)/(21m KN τ

以起点指向末点为正,即A (00,y x )→B (11,y x )

⑤ 计算线性荷载合力及作用点位置

分三种情况讨论:

情况一:)(S B A

落在一、四象限,定义坡面倾角为β,范围[-π,π]

If (01x x ≥) )arcsin(

1l

y y -=β (一、四象限) Else (0101&&y y x x ≥<))arcsin(

1l y y --=πβ(二象限) Else (0101&&y y x x <<))arcsin(

1l

y y ---=πβ(三象限) 其中 ()

[]

2012

1

)(y y x x l -+-=

s

B A

与正x 轴的夹角为坡面倾角β,逆时针为正

垂直荷载合力 l q q N 2

1

0+=

q 0

A

S

切向荷载合力 l T 2

1

0ττ+=

所以: β

βθβ

βθsin )90sin(cos )90cos(T N T N y x +?-=+?-=

即 β

βθββθs i n c o s c o s

s i n T N T N y x +-=+=

x

情况二:)(S B A

落在第二象限

β

βθβ

βθsin cos cos sin T N T N y x +=+-=

x

情况三:)(S B A

落在第三象限

β

βθβ

βθsin cos cos sin T N T N y x +=+-=

x

A

S

情况二和情况三可以合并。

对所有情况,合力作用点位置为:

()l q q q t ??

????++=101331(如010=+q q ,不存在垂直向荷载,则()l t ?????

?++=101331τττ)

坐标:

)

()

(010010y y l

t

y y x x l

t

x x -+=-+=

对线性分布荷载总结如下: 程序设计是要考虑这两种输入方式,

对线性分布荷载而言,其合力和合力作用点位置可总结如下:

对S

?矢量,?方向线性荷载10q q (方向平行)

则合力:l q q Q 2

1

0+=

合力作用点位置: ()l q q q t ??

????++=101

331

t

S

※规定一个方向为正值,

反之为负。1

o

S

证明如下:

s l

q q q q 0

10-+

= 合力矩:

θθθcos 32cos 32

cos 301200

301200

??????-+=??????-+==?l l q q l q s l q q s q ds

qs M l l

n (可对任意一点求矩,对O 点求矩)

合力:l q q Q 2

1

0+=

所以:()l q q q Q M t n ??

????++==

101331cos θ

※为了维持条块力和力矩平衡,合力作用点范围可以在[0,e]范围之外 但当010=+q q 时,则此时合力为0,只有纯力矩(偶力矩)作用,因此不存在合力作用点问题,严格地说,此时应该计算力偶矩并施加给相应的条块,目前程序做忽略处理。

※对线性荷载的程序设计:

Step1:判断条块顶部1→2是否存线性分布荷载,根据1→2

坐标判断;

1

Step2:计算在坡面定点1、2处的x q 1

'、y q 1'与x q 2'、y q 2',根据1、2点与A 或B

得距离

S

Step3:按相应公式计算1→2线性荷载的合力和作用点 ⑥ 计算某条块i 坡面合力Q x 、Q y 及作用点位置

A

B

程序处理一:

∑==m

j jx x F Q 1

∑==m

j jy y F Q 1

合力作用点位置假定为坡面重点O ,此时忽略了2阶微量,是可行的。 程序处理二:

∑==m

j jx x F Q 1

∑==m

j jy y F Q 1

严格计算合力作用点(ρρy x ,),对O 点取矩

A

B

合力矩:∑∑==---=m

j j jy m

j j jx x x F y y F M 1

01

0)()(

Step1:如果合力0&&0&&0≠==M Q Q y x ,记录合力矩作用于该条块 Step2:)()(00ρρx x Q y y Q M y x ---=

如果0≠x Q ,则取0x x =ρ,0y Q M

y x

+-=

ρ 如果0≡x Q ,则取0y y =ρ,y

Q M x x +

=0ρ A

注意:不必苛求合力作用点(ρρy x ,)位于坡面,只求维持合力

产生力矩平衡即可。因为作用点只要位于Q

延长线上?一点,即可

保持力矩平衡。

5后处理

⑴ 计算指定滑面的安全系数 ⑵ 计算底滑面有效法向应力

i i l N ',空隙水压力i i l U ,底滑面总应力i

i

i l U N +',画出其分布规律(沿x 轴),这三个数应始终为正值,若<0,则应对程序进

行检查。

⑶ 计算底滑面剪应力i i i l S =τ,s

i

i i i i F l C tg N S '+''=?,画出其分布。对瑞典法

而言,无法提供条块界面力i P 分布。

土力学习题及答案第十章.

第10章土坡和地基的稳定性 1.简答题 1.土坡稳定有何实际意义?影响土坡稳定的因素有哪些? 2.何为无黏性土坡的自然休止角?无黏性土坡的稳定性与哪些因素有关? 3.简述毕肖普条分法确定安全系数的试算过程? 4.试比较土坡稳定分析瑞典条分法、规范圆弧条分法、毕肖普条分法及杨布条分法的异同? 5.分析土坡稳定性时应如何根据工程情况选取土体抗剪强度指标和稳定安全系数? 6.地基的稳定性包括哪些内容?地基的整体滑动有哪些情况?应如何考虑? 7.土坡稳定分析的条分法原理是什么?如何确定最危险的圆弧滑动面? 8.简述杨布(Janbu)条分法确定安全系数的步骤。 2.填空题 1.黏性土坡稳定安全系数的表达式为。 2.无黏性土坡在自然稳定状态下的极限坡角,称为。 3.瑞典条分法稳定安全系数是指 和之比。 4.黏性土坡的稳定性与土体的、、 、 和等5个参数有密切关系。 5.简化毕肖普公式只考虑了土条间的作用力而忽略了作用力。 3.选择题 1.无粘性土坡的稳定性,()。 A.与坡高无关,与坡脚无关 B.与坡高无关,与坡脚有关 C.与坡高有关,与坡脚有关 D.与坡高有关,与坡脚无关 2.无黏性土坡的稳定性()。 A.与密实度无关 B.与坡高无关 C.与土的内摩擦角无关 D.与坡角无关 3.某无黏性土坡坡角β=24°,内摩擦角φ=36°,则稳定安全系数为( ) A.K=1.46 B. K=1.50 C.K=1.63 D. K=1.70 4. 在地基稳定性分析中,如果采用分析法,这时土的抗剪强度指标应该采用下列哪 种方法测定?() A.三轴固结不排水试验 B.直剪试验慢剪 C.现场十字板试验 D.标准贯入试验 5. 瑞典条分法在分析时忽略了()。 A.土条间的作用力 B.土条间的法向作用力 C.土条间的切向作用力

瑞典圆弧法简要原理介绍

圆弧滑动面条分法 条分法常用于基坑边坡土方整体滑动的稳定验算。 (1) 基本原理 瑞典圆弧滑动面条分法,是将假定滑动面以上的土体分成n个垂直土条,对作用于各土条上的力进行力和力矩平衡分析,求出在极限平衡状态下土体稳定的安全系数。该法由于忽略土条之间的相互作用力的影响,因此是条分法中最简单的一种方法。 边坡破坏时,土坡滑动面的形状取决于土质,对于粘土,多为圆柱面或碗形;对于砂土,则近似平面。阻止滑动的抗滑力矩与促使滑动的滑动力矩之比,即为边坡稳定安全系数K,可得: 式中:——滑动圆弧的长度; ——滑动面上的平均抗剪强度; R——以滑动圆心O为圆心的滑动圆弧的半径; W——滑动土体的重量; d——W作用线对滑动圆心O的距离; A——滑动面积。 如K>1.0表示边坡稳定;K=1.0边坡处于极限平衡状态;K<1.0则边坡不稳定。 按上述原理进行计算,首先要确定最危险滑动圆弧的形状,即首先要找出最危险滑动圆弧的滑动圆心O,然后找坡角圆即可画出最危险滑动圆弧。欲找出K值最小的最危险滑动圆弧,可根据不同的土质采用不同的方法: a.内摩擦角的高塑性粘土

这种土的最危险滑动圆弧为坡脚圆,可按下述步骤求其最危险滑动圆弧的滑动圆心。 (a) 由此表,根据坡角查出坡度角和坡顶角。 (b) 在坡底和坡顶分别画出坡底角和坡顶角,两线的交点O,即最危险滑动圆弧的滑动圆心。 b.内摩擦角的土 这类土的最危险滑动圆弧的滑动圆心的确定,如下图所示,按下述步骤进行: (a)按上述步骤求出O点; (b)由A点垂直向下量一高度,该高度等于边坡的高度H,得C点,由C点水平向右量一距离,使其等于 4.5倍H而得D点,连接DO; (c)在DO延长线上找若干点,作为滑动圆心,画出坡脚圆,试算K值,找出K值较小的E点; (d)于E点画DO延长线的垂线,再于此垂线上找若干点作为滑动圆心,试算K值,直至找出K值最小的O′点,则O′点即最危险滑动圆弧的滑动圆心。 用上述方法计算,需要经过多次试算才能达到目的。目前,已可用电子计算机迅速地找出滑动圆心。(2) 圆弧滑动面条分法计算方法 当边坡由成层土组成时,则土的重力密度γ和抗剪强度τ都不同,需分别进行计算。 按条分法计算时,先找出滑动圆心O画出滑动圆弧,然后将滑动圆弧分成若干条,每条的宽度 ,R为滑动半径。 任一分条的自重Wi,可分解为平行圆弧方向的切力Ti,和垂直圆弧的法向力Ni。同时,在滑动圆弧面上还存在土的内聚力c。Ti即滑动力,Ti与滑动半径R的乘积,即滑动力矩。内聚力c和摩阻力( 为土的内摩擦角)即抗滑力,c和与滑动半径R的乘积cR和R即抗滑力矩。因此,边坡稳定安全系数可按下式计算:

基本条分法

基本条分法 基本条分法是基于均质粘性土,当出现滑动时,其滑动面接近圆柱面和圆锥面的空间组合,简化为平面问题时接近圆弧面并作为实际的滑动(滑裂)面。将圆弧滑动面与坡面的交线沿组合的滑体部分,进行竖向分条,按不考虑条间力的作用效果并进行简化,将各个分条诸多力效果作用到的滑动圆弧上,以抗滑因素和滑动因素分析,用抗滑力矩比滑动力矩的极限平衡分析的方法建立整个坡体安全系数的评价方法。 基本条分法的计算过程通常是基于可能产生滑动(滑裂)圆弧面条件下,经过假定不同的滑动中心、再假定不同的滑动半径,确定对应的滑动圆弧,通过分条计算所对应的滑体安全系数,依此循环反复计算,最终求出最小的安全系数和对应的滑弧、滑动中心,作为对整个土坡的安全评价的度量。计算研究表明,坡体的安全系数所对应的滑动中心区域随土层条件和土坡条件及强度所变化。如图 9.2.1所示可见一斑。 圆弧基本条分法安全系数的定义为:Fs= 抗滑力矩/滑动力矩,即 =M R/M h

图 9.2.1不同土层的 Fs 极小值区 1 瑞典条分法 如图9.2.2所实示,瑞典条分法的安全系数Fs 的一般计算公式表达为: (cos ) sin i i i i i s i i c l W tg F W θ?θ += ∑∑ (9.2.1) 式中,Wi 为土条重力;θi 为土条底部中点与滑弧中心连线垂直夹角;抗剪强度指标c 、?值是为总应力指标,也可采用有效应力指标。工程中常用的替代重度法进行计算,即公式中分子的容重在浸润线以上部分采用天然容重,以下采用浮容重;分母中浸润线以上部分采用天然容重,以下采用饱和容重,这种方法既考虑了稳定渗流对土坡稳定性的影响,又方便了计算,其精度也能较好地满足工程需要,因此在实际工程中得到广泛应用。应该指出,容重替代法只是一个经验公式,,可参见图9.2.3所示,h 2i wi h ≠。

瑞典条分法毕肖普条分法基本假设

条形分布荷载下土中应力状计算属于平面应变问题,对路堤、堤坝以及长宽比l/b≥10的条形基础均可视作平面应变问题进行处理。 瑞典条分法基本假设: 滑面为圆弧面; 垂直条分; 所有土条的侧面上无作用力; 所有土条安全系数相同。 毕肖普条分法基本假设:(双重叠代可解) 滑弧为圆弧面;垂直条分;所有土条安全系数相同;考虑土条的侧向受力。 影响基底压力因素主要有: 荷载大小和分布基础刚度基础埋置深度土体性质 地基土中附加应力假设: 地基连续、均匀、各向同性、是完全弹性体、基底压力是柔性荷载。 应力分布: 空间问题——应力是x,y,z 三个坐标轴的函数。 平面问题——应力是x,z 两个坐标的函数。 库仑(C. A.Coulomb)1773年建立了库仑土压力理论,其基本假定为: (1)挡土墙后土体为均匀各向同性无粘性土(c=0); (2)挡土墙后产生主动或被动土压力时墙后土体形成滑动土楔,其滑裂面为通过墙踵的平面; (3)滑动土楔可视为刚体。 库仑土压力理论根据滑动土楔处于极限平衡状态时的静力平衡条件来求解主动土压力和被动土压力。 朗肯土压力理论是朗肯(W.J.M.Rankine)于1857年提出的。它假定挡土墙背垂直、光滑,其后土体表面水平并无限延伸,这时土体内的任意水平面和墙的背面均为主平面(在这两个平面上的剪应力为零),作用在该平面上的法向应力即为主应力。朗肯根据墙后主体处于极限平衡状态,应用极限平衡条件,推导出了主动土压力和被动土压力计算公式。 临塑荷载及临界荷载计算公式的适用条件 (1)计算公式适用于条形基础。这些计算公式是从平面问题的条形均布荷载情况下导得的,若将它近似地用于矩形基础,其结果是偏于安全的。 (2)计算土中由自重产生的主应力时,假定土的侧压力系数K0=1,这与土的实际情况不符,但这样可使计算公式简化。 (3)在计算临界荷载时,土中已出现塑性区,但这时仍按弹性理论计算土中应力,这在理论上是相互矛盾的,其所引起的误差随着塑性区范围的扩大而扩大。

瑞典圆弧法简要原理

1.圆弧滑动面条分法 条分法常用于基坑边坡土方整体滑动的稳定验算。 (1) 基本原理 瑞典圆弧滑动面条分法,是将假定滑动面以上的土体分成n个垂直土条,对作用于各土条上的力进行力和力矩平衡分析,求出在极限平衡状态下土体稳定的安全系数。该法由于忽略土条之间的相互作用力的影响,因此是条分法中最简单的一种方法。 边坡破坏时,土坡滑动面的形状取决于土质,对于粘土,多为圆柱面或碗形;对于砂土,则近似平面。阻止滑动的抗滑力矩与促使滑动的滑动力矩之比,即为边坡稳定安全系数K,可得: 式中:——滑动圆弧的长度; ——滑动面上的平均抗剪强度; R——以滑动圆心O为圆心的滑动圆弧的半径; W——滑动土体的重量; d——W作用线对滑动圆心O的距离; A——滑动面积。 如K>1.0表示边坡稳定;K=1.0边坡处于极限平衡状态;K<1.0则边坡不稳定。 按上述原理进行计算,首先要确定最危险滑动圆弧的形状,即首先要找出最危险滑动圆弧的滑动圆心O,然后找坡角圆即可画出最危险滑动圆弧。欲找出K值最小的最危险滑动圆弧,可根据不同的土质采用不同的方法: a.内摩擦角的高塑性粘土

这种土的最危险滑动圆弧为坡脚圆,可按下述步骤求其最危险滑动圆弧的滑动圆心。 (a) 由此表,根据坡角查出坡度角和坡顶角。 (b) 在坡底和坡顶分别画出坡底角和坡顶角,两线的交点O,即最危险滑动圆弧的滑动圆心。 b.内摩擦角的土 这类土的最危险滑动圆弧的滑动圆心的确定,如下图所示,按下述步骤进行: (a)按上述步骤求出O点; (b)由A点垂直向下量一高度,该高度等于边坡的高度H,得C点,由C点水平向右量一距离,使其等于 4.5倍H而得D点,连接DO; (c)在DO延长线上找若干点,作为滑动圆心,画出坡脚圆,试算K值,找出K值较小的E点; (d)于E点画DO延长线的垂线,再于此垂线上找若干点作为滑动圆心,试算K值,直至找出K值最小的O′点,则O′点即最危险滑动圆弧的滑动圆心。 用上述方法计算,需要经过多次试算才能达到目的。目前,已可用电子计算机迅速地找出滑动圆心。(2) 圆弧滑动面条分法计算方法 当边坡由成层土组成时,则土的重力密度γ和抗剪强度τ都不同,需分别进行计算。 按条分法计算时,先找出滑动圆心O画出滑动圆弧,然后将滑动圆弧分成若干条,每条的宽度 ,R为滑动半径。 任一分条的自重Wi,可分解为平行圆弧方向的切力Ti,和垂直圆弧的法向力Ni。同时,在滑动圆弧面上还存在土的内聚力c。Ti即滑动力,Ti与滑动半径R的乘积,即滑动力矩。内聚力c和摩阻力( 为土的内摩擦角)即抗滑力,c和与滑动半径R的乘积cR和R即抗滑力矩。因此,边坡稳定安全系数可按下式计算:

(一)瑞典圆弧法

二维边坡稳定分析 (一)瑞典圆弧法 又称为瑞典法,普通条分法,一般条分法,费伦纽斯法(Ordinary or Fellenius method)。 1简化条件 仅适用圆弧滑裂面;假定每一土条侧向垂直面上的作用力平行于土条底面(亦有认为是忽略土条两侧的作用力),此假定会使牛顿“作用力等于反作用力”的原理在两个土条之间得不到满足; 2坐标系和条块受力分析 ①坐标系规定:滑坡体位于坐标系原点的右侧即x ≥0 y R ②典型条块受力分析

(Ⅰ)条块高度为i h ,宽度为i b ,底滑面长度为i l ,底滑面倾角为i α; (Ⅱ)条块自重为i W ; (Ⅲ)地震力i c W K ,c K 为地震影响系数; (Ⅳ)作用于条块底部滑裂面的有效法向力i N '; (Ⅴ)作用于条块底部滑裂面孔隙水压力的合力i i u i W U αγsec =,u γ为孔隙水压力系数;

(Ⅵ)作用于条块底部的剪切力i S ; (Ⅶ)作用于条块界面条间力的合力i i P P 1-,平行于土条底部滑裂面; (Ⅷ)作用于条块顶部的外部荷载iy Q Q ix ,作用点(pi y x pi )。 ③ 条块参数取值及符号约定 (Ⅰ)条块底滑面倾角i α 定义条块底滑面为矢量,方向与滑体滑动方向相反,定义该矢量与正x 轴的 夹角为条块底滑面倾角i α,逆时针为正 ( 为负值 ) i if (12x x ≥) )arcsin( 1 2l y y i -=α else i α落在二三象限,方法同垂直条分法求解 (则212212)()(y y x x l -+-=) 注意:一般情况下,i α取值范围为(2 ,2π π- ),滑面1→2落在一、四象限; 特殊情况,如滑面1→2落在二、三象限,则无法利用垂直条分法求解,此时滑面不再是单值曲线,垂直条块界面和底滑面存在二个及以上的交点,因此程序设计时要进行数据合理性检验。

基本条分法

基本条分法

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基本条分法 基本条分法是基于均质粘性土,当出现滑动时,其滑动面接近圆柱面和圆锥面的空间组合,简化为平面问题时接近圆弧面并作为实际的滑动(滑裂)面。将圆弧滑动面与坡面的交线沿组合的滑体部分,进行竖向分条,按不考虑条间力的作用效果并进行简化,将各个分条诸多力效果作用到的滑动圆弧上,以抗滑因素和滑动因素分析,用抗滑力矩比滑动力矩的极限平衡分析的方法建立整个坡体安全系数的评价方法。 基本条分法的计算过程通常是基于可能产生滑动(滑裂)圆弧面条件下,经过假定不同的滑动中心、再假定不同的滑动半径,确定对应的滑动圆弧,通过分条计算所对应的滑体安全系数,依此循环反复计算,最终求出最小的安全系数和对应的滑弧、滑动中心,作为对整个土坡的安全评价的度量。计算研究表明,坡体的安全系数所对应的滑动中心区域随土层条件和土坡条件及强度所变化。如图 9.2.1所示可见一斑。 圆弧基本条分法安全系数的定义为:Fs=抗滑力矩/滑动力矩,即=M R/Mh

O 1 O 2 F smin An A 土层2 土层1 B 图 9.2.1不同土层的 Fs 极小值区 1 瑞典条分法 如图9.2.2所实示,瑞典条分法的安全系数Fs 的一般计算公式表达为: (cos ) sin i i i i i s i i c l W tg F W θ?θ += ∑∑ (9.2.1) 式中,Wi 为土条重力;θi 为土条底部中点与滑弧中心连线垂直夹角;抗剪强度指标c 、?值是为总应力指标,也可采用有效应力指标。工程中常用的替代重度法进行计算,即公式中分子的容重在浸润线以上部分采用天然容重,以下采用浮容重;分母中浸润线以上部分采用天然容重,以下采用饱和容重,这种方法既考虑了稳定渗流对土坡稳定性的影响,又方便了计算,其精度也能较好地满足工程需要,因此在实际工程中得到广泛应用。应该指出,容重替代法只是一个经验公式,,可参见图9.2.3所示,h 2i wi h ≠。

第四节粘性土土坡稳定分析的条分法

第四节 粘性土土坡稳定分析的条分法 一、费伦纽斯条分法 1、基本原理:当按滑动土体这一整体力矩平衡条件计算分析时,由于滑面上各点的斜率都不相同,自重等外荷载对弧面上的法向和切向作用分力不便按整体计算,因而整个滑动弧面上反力分布不清楚;另外,对于φ>0的粘性土坡,特别是土坡为多层土层构成时,求W 的大小和重心位置就比较麻烦。故在土坡稳定分析中,为便于计算土体的重量,并使计算的抗剪强度更加精确,常将滑动土体分成若干竖直土条,求各土条对滑动圆心的抗滑力矩和滑动力矩,各取其总和,计算安全系数,这即为条分法的基本原理。该法也假定各土条为刚性不变形体,不考虑土条两侧面间的作用力。 2、计算步骤:为—土坡,地下水位很深,滑动土体所在土层孔隙水压力为0。条分法的计算步骤如下: 1)按一定比例尺画坡; 2)确定圆心O 和半径R ,画弧AD ; 3)分条并编号,为了计算方便,土条宽度可取滑弧半径的1/10,即R b 1.0=,以圆心O 为垂直线,向上顺序编为0、1、2、3、……,向下顺序为-1、-2、-3、……,这样,0条的滑动力矩为0,0条以上土条的滑动力矩为正值,0条以下滑动力矩为负值; 4)计算每个土条的自重 b rh W i i = (i h 为土条的平均高度) 5)分解滑动面上的两个分力 i i i W N αcos =; i i i W T αs i n = 式中:i α——法向应力与垂直线的夹角。

6)计算滑动力矩 ∑==n i i i s a W R M 1sin ――式中:n :为土条数目。 7)计算抗滑力矩 RcL a Wi Rtg M n i i r +=∑=1cos ?――式中:L 为滑弧AD 总长。 8)计算稳定安全系数(safetyfactor)。 ∑∑==+==n i i i n i i i s r a W cL a W tg M M k 1 1sin cos ? 9)求最小安全系数,即找最危险的滑弧,重复2)~8),选不同的滑弧,求K 1、K 2、K 3…… 值,取最小者。 该法计算简便,有长时间的使用经验,但工作量大,可用计算机进行,由于它忽略了条间力对N i 值的影响,可能低估安全系数(5~20)%。 【例】某土坡如图所示。已知土坡高度H =6m ,坡角β=55°,土的重度γ =18.6kN/m 3,内摩擦角? =12°,粘聚力 c =16.7kPa 。试用条分法验算土坡的稳定安全系数。 【解题思路】 ①按比例绘出土坡,选择滑弧圆心,作出 相应的滑动圆弧。 ②将滑动土体分成若干土条(本例题将该 滑弧分成7个土条)并对土条编号; ③量出各土条中心高度h i 、宽度b i ,并列表计算sin β i 、cos β i 以及土条重W i 等值,计算该圆心和半径下的安全系数

瑞典圆弧滑动面条分法

基本原理: 瑞典圆弧滑动面条分法,是将假定滑动面以上的土体分成n个垂直土条,对作用于各土条上的力进行力和力矩平衡分析,求出在极限平衡状态下土体稳定的安全系数。该法由于忽略土条之间的相互作用力的影响,因此是条分法中最简单的一种方法。 这里,首先要确定最危险滑动圆弧的形状,即首先要找出最危险滑动圆弧的滑动圆心O,然后找坡角圆即可画出最危险滑动圆弧。欲找出K值最小的最危险滑动圆弧,可根据不同的土质采用不同的方法: ①.内摩擦角0 = ?的高塑性粘土 这种土的最危险滑动圆弧为坡脚圆,可按下述步骤求其最危险滑动圆弧的滑动圆心。 a.由下表3-2,根据坡角查出坡底角 和坡顶角 。 表3-2 坡底角和坡顶角 续表 3-2 b 在坡底和坡顶分别画出坡底角和坡顶角,两线的交点O,即最危险滑动圆弧的滑动圆心。 ②.内摩擦角0 > ?的土 这类土的最危险滑动圆弧的滑动圆心的确定,如下图所示,按下述步骤进行:

图3-2 最危险滑动圆弧的确定图 a.按上述步骤求出O 点; b.由A 点垂直向下量一高度,该高度等于边坡的高度H ,得C 点,由C 点水平向右量一距离,使其等于4.5倍H 而得D 点,连接DO ; c.在DO 延长线上找若干点,作为滑动圆心,画出坡脚圆,试算K 值,找出K 值较小的E 点; d.于E 点画DO 延长线的垂线,再于此垂线上找若干点作为滑动圆心,试算K 值,直至找出K 值最小的O ′点,则O ′点即最危险滑动圆弧的滑动圆心。 用上述方法计算,需要经过多次试算才能达到目的。目前,已可用电子计算机迅速地找出滑动圆心。 确定出圆心O 点以及K 值大小后利用《建筑基坑支护技术规程》(JGJ120-99)中所规定确定h 0方法: 0sin )(tan cos )(00 ≥+-++ ∑∑∑i i i k ik i i i i ik w b q w b q l c θγφθ (3-5) 其中: ik c 、ik φ——最危险滑动面上第i 土条滑动面上土的固结不排水快剪粘聚力内摩 擦角标准值。 i l ——第i 土条的弧长。 i b ——第i 土条的宽度。 k γ——整体稳定分项系数,应根据经验确定当无经验时可取1.3。 i w ——作用于滑裂面上第土条的重量,按上覆土层的天然土重计算。

瑞典圆弧法

(一)瑞典圆弧法 又称为瑞典法,普通条分法,一般条分法,费伦纽斯法(Ordinary or Fellenius method)。 1简化条件 仅适用圆弧滑裂面;假定每一土条侧向垂直面上的作用力平行于土条底面(亦有认为是忽略土条两侧的作用力),此假定会使牛顿“作用力等于反作用力”的原理在两个土条之间得不到满足; 2坐标系和条块受力分析 ①坐标系规定:滑坡体位于坐标系原点的右侧即 x ≥ 0 y R ②典型条块受力分析

(Ⅰ)条块高度为i h ,宽度为i b ,底滑面长度为i l ,底滑面倾角为i α; (Ⅱ)条块自重为i W ; (Ⅲ)地震力i c W K ,c K 为地震影响系数; (Ⅳ)作用于条块底部滑裂面的有效法向力i N '; (Ⅴ)作用于条块底部滑裂面孔隙水压力的合力i i u i W U αγsec =,u γ为孔隙水压力系数;

(Ⅵ)作用于条块底部的剪切力i S ; (Ⅶ)作用于条块界面条间力的合力i i P P 1-,平行于土条底部滑裂面; (Ⅷ)作用于条块顶部的外部荷载iy Q Q ix ,作用点(pi y x pi )。 ③ 条块参数取值及符号约定 (Ⅰ)条块底滑面倾角i α 定义条块底滑面为矢量,方向与滑体滑动方向相反,定义该矢量与正x 轴的 夹角为条块底滑面倾角i α,逆时针为正 ( 为负值 ) i if (12x x ≥) )arcsin(1 2l y y i -=α else i α落在二三象限,方法同垂直条分法求解 (则212212)()(y y x x l -+-=) 注意:一般情况下,i α取值范围为(2 ,2π π- ),滑面1→2落在一、四象限; 特殊情况,如滑面1→2落在二、三象限,则无法利用垂直条分法求解,此时滑面不再是单值曲线,垂直条块界面和底滑面存在二个及以上的交点,因此程序设计时要进行数据合理性检验。

瑞典圆弧法滑动面的确定

您所在的位置是:课程学习》第四章》第三节曲线滑动面的边坡稳定性分析第三节曲线滑动面的边坡稳定性分析 1、适用范围 土的粘力使边坡滑动面多呈现曲面,通常假定为圆弧滑动面。 圆弧法适用于粘土,土的抗力以粘聚力为主,内摩擦力力较小。边坡破坏时,破裂面近似圆柱形。 2、分析方法 (1)瑞典法(Wolmar Fellenius法) (2)简化的Bishop法 (3)传递系数法 3、圆弧滑动面的分析法 假定滑动面为圆柱面,截面为圆弧,利用 土体极限平衡条件下的受力情况,滑动面 上的最大抗滑力矩与滑动力矩之比: 饱和粘土,不排水剪条件下, 。 4、圆弧滑动面的条分法 (1)瑞典圆弧滑动法假设

①假设圆弧滑动 面确定圆心和半径 ②把滑动土体分成若干条(条分法) ③建立土条的静力平衡方程求解(取单位厚度计算) (2)瑞典圆弧滑动法平衡公式 假设(静定化条件)各土条间的合力Si ,Si+1平行于滑动面,并且相等(Si=Si+1)。 ; ; 建立土条垂直于滑动面的静力平衡方程: ; (3)瑞典圆弧滑动法原理-顶面有开裂 粘性土土坡滑动前,坡顶常常出现竖向裂缝,深度近似采用土压力临界深度, ;裂缝的出现将使滑弧长度由 AC 减小到 ,如果裂缝中积水,还要考虑静 水压力对土坡稳定的不利影响。 5、瑞典圆弧滑动条分法——圆心确定 (1)4.5H 法 计算之前需要先用圆心辅助线法确定滑动圆弧的圆心位置。

( 2)其他辅助方法 -36°线法 (3)最危险滑动面圆心的确定 确定最危险滑动面圆心位置 ①当土的内摩擦角=0时,最危险圆 弧滑动面为一通过坡脚的圆弧,其圆心为D 点。 ②当土的内摩擦角 >0时,最危险圆 弧 滑动面也为一通过坡脚的圆弧, 其圆心在ED 的延长线上。

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