（水利水电工程专业论文）土坡稳定若干计算方法的改进及其程序化.pdf

接要 在水利水电、公路等工程建设中常常会遇到土坡稳定性问题。由于问题的复杂 淫，基翦戆够搀禊一套魄骏完善兹、莛蠢友努操传器蟊夔诗算系统，蠢嚣霹若于常 见的稳定计算方法作对比分析的论文却不多见。问题之二是用传统的确定性方法难 以反映加筋土坡稳定随机性变化因素的影响。因此，本文针对上述问题展开了探讨 露努橱，獒蠢一定敦实辩意义。 全文熬分5 章。第l 章总结了土坡稳定性问题研究的意义，综述了国内外常用 方法的研究动态，提出论文研究的主爱内容及技术路线。第2 章较为系统地归缡总 结了若干鬻怒靛极限乎德法，其中，裸分计算方法避幸亍了有益鹣改进。论文余绍了 采用v i s u a lb a s i c 6 0 语宙编制的应用程序，成功实现与a u t o c a d 链接，自动绘制 计算结果阑，具有良好的可视性。第3 章选择部分蜜际工程作为考题，检验了第2 章奔绍静箨穿；逶过分辑计算结果，对院菜些文献辑究静溪意，提出了鑫己豹蒋法。 第4 章结合“瑞典圆弧法”建立了加筋土坡稳定可靠性分析的极限状态方程，运用 蒙特卡洛法，编制了相威的计算程序。通过工程实例，对加筋坡的定值分析与可 靠缝分耩避籍了笼鞍，菸探讨了影璃麴筋坡可靠往分辑静因豢及其簌律。麓5 章 对全文的工作进行了总结，并指出了脊待进步深入研究的问题。 关键诃：土坡稳定；极限平衡法；可熊性分析；蒙姆卡洛法；稷廖 a b s t r a c t t h es o i is l o p es t a b i l i t yi s s u e sa r ea l w a y sd i s c u s s e di nt h ec o n s t r u c t i o n so fh y d r a u l i c a n d h y d r o e l e c t r i ce n g i n e e r i n g & h i g h w a y e n g i n e e r i n g a n d e t c c o n c e r n i n g t h e c o m p l e x i t i e so f t h e s ei s s u e s ，t h e r e r er e l a t i v e l yf e wd i s s e r t a t i o n sw i t ham o r ec o m p l e t e a n df r i e n d l y - i n t e r f a c e dc a l c u l a t i o ns y s t e md i s c u s s e d f u r t h e r m o r e ，t h e t r a d i t i o n a ld e f i n i t e a n a l y s i sm e t h o d c a nh a r d l yr e f l e c tt h ei n f l u e n c eo ft h er a n d o mf a c t o r so f r e i n f o r e e ds o i l s l o p e s t h e r e f o r e ，t h i sd i s s e r t a t i o n h a sm a d eat e n t a t i v er e s e a r c ha n da n a l y s i so nt h e i s s u e sm e n t i o n e da b o v e ，w h i c hc o n s e q u e n t l yy i e l d sc e r t a i np r a c t i c a lm e a n i n g t h ew h o l ed i s s e r t a t i o nc o n s i s t so ff i v ec h a p t e r s ，a n dt h ec h i e fs u b s t a n c e so fe a c h c h a p t e r a r es h o w na sf o l l o w s c h a p t e rl ，s u m m a r i z i n gt h er e s e a r c hs i g n i f i c a n c e s o ns o i l s l o p es t a b i l i t yi s s u e s ， p r o v i d e sc o m p r e h e n s i v e r e v i e wo nt h er e c e n t d e v e l o p m e n t o fb o t hd o m e s t i c & i n t e r n a t i o n a lr e s e a r c hw o r k s t h e ni tp o i n t so u tt h em a i nc o n t e n t sa n dt e c h n i q u e so ft h e d i s s e r t a t i o n c h a p t e r2 ，i n t r o d u c i n gs e v e r a lk i n d so f l i m i t e de q u i l i b r i u m m e t h o di nas y s t e m a t i c w a y , g i v e ss o m ei m p r o v e m e n tc a l c u l a t i o nw a y s a t t a i n sav i s u a lr e s e a r c hp r o g r a mi n v i s u a lb a s i c50t h a tc a r tc a t e n a t ea u t o c a ds u c c e s s f u l l ya n dd r a wt h er e s u l tp i c t u r e s a u t o m a t i c a l l y c h a p t e r3 ，s e l e c t i n gc e r t a i np r a c t i c a l - p r o j e c t sa st e s t i n go b j e c t s ，p r o v e st h ep r o g r a m i n t r o d u c e di n c h a p t e r2b ya n a l y z i n gt h ec a l c u l a t i n gr e s u l t s ，c o m p a r i n gw i t h o t h e r l i t e r a t u r ev i e w s ，p u t sf o r w a r ds o m eo t h e rc o r r e s p o n d i n gi d e a s 、 c h a p t e r4 u s i n g “s w e d e nc i r c u l a rm e t h o 式p r e s e n t sal i m i t 鞋a t ee q u a t i o no n r e t i a b i l i t ya n a l y s i so f t h er e i n f o r c e ds o i is l o p e ss t a b i l i t y , t h r o u g hm o n t e c a r l om e t h o 文a c o r r e s p o n d i n g c a l c u l a t i o n p r o g r a m i sw o r k e d o u t b y t h e p r a c t i c a lp r o j e c t s ，t h e c o m p a r i s o no f d e f i n i t ea n a l y s i sa g a i n s tr e l i a b i l i t ya n a l y s i so fr e i n f o r e e ds o i l s l o p e si s d i s c u s s e d ，t o g e t h e r w i t ht h er e g u l a r i t ya n dt h ee f f e c to f f a c t o r so ni t sr e l i a b i l i t ya n a l y s i s c h a p t e r5 s u m m a r i z e st h er e s e a r c ho f t h ed i s s e r t 蕊o na n di i s t ss o m et o p i c sa n d p r o b l e m st h a tn e e ds t u d y i n gf u r t h e rm o r e k e yw o r d s ：s o i ls l o p es t a b i l i t y ；l i m i t e de q u i l i b r i u mm e t h o d ；r e l i a b i l i t ya n a l y s i s ； m o n t ec a r l om e t h o d ；p r o g r a m 郑蘸声明 本人的学位论文是谯导师指导下独立撰写并完成的，学位论文没有剽窃、抄袭、 造假等违反举术道德、学术规范和侵投行为，本人愿意承担由j l l ：蕊产生的法襻责任 和法律岳泉，特此郑重黟明。 学位论文作者c 签孙影幼率 2 0 0 4 年4 建5 基 引言 土坡稳定分析是土木工程中一个古老而又年轻的问题。近年来，随着岩土力学 和汁算技术的飞跃发展，使古老的课题获得新的进展，许多过去很难解决的问题都 有了撕的解法或认识。但从目前看来，能够提供一套比较完善的计算系统，包括几 种常见的土坡稳定分析方法作对比分析，n n 具有较高的操作平台和良好的“后 处理”接口的软件却不多见。如何实现土破稳定计算程序可视化，为用户提供系统 的理论知识及良好的操作平台，这些问题都有较强的研究意义。 土坡加筋是近年来广泛采用的工程设计手段，加筋土坡的抗滑稳定分析是一项 极其重要的研究课题。传统的加筋土坡稳定问题分析忽略了计算中各要素实际存在 的随机性质对工程结构安全性的影响，所得安全系数并不能真正反映加筋土坡稳定 的安全水平。如果在分析中采用基于概率统计思想的可靠性分析理论，进行加筋土 坡稳定可靠性分析，在理论上和工程实践中都有重要的意义。 结合目前的发展动态，论文主要就土坡稳定分析常用方法的理论和应用做了探 对，具体可以分为两大部分： 第一部分致力于土坡稳定若干计算方法的改进及其程序化的研究。论文总结了 极限平衡法的计算特点，分别详细论述了六种计算方法的原理，部分方法做了有益 改进，介绍了利用v i s u a lb a s i c 60 编制的程序。该程序操作界面可视化，实现与 a u t o c _ a d 绘图软件的链接，能够自动绘出计算结果图。 第二部分致力于加筋土坡可靠| 生分析。论文介绍了加筋土坡可靠性分析的计算 原理，采用蒙特卡洛法，编制了可视化程序。论文选取了某工程实例进行计算，绘 制出可靠指标与变异系数的关系熊线。通过对比分析，探讨了影响加筋边坡可靠性 分析的因素及其规律性。 相信本文的研究对土坡稳定性分析领域是一个有益的补充。 第一章绪论 第一牵绪论 1 1 土坡稳定性问题研究的意义 在东潮水电、公路、铁道等工穗建设中，卷卷鑫逶至坡稳定瞧逮题。塞予 坡表面倾斜，在本身重麓及其他外力作用下，整个土体都有从商处向低处滑动的趋 势，如果土体内部某一个面上的滑动力，超过土体抵抗滑动的能力，就会发生滑坡。 漏坡是一静莛要瑟零冤戆恁蒺灾害，绘久民夔生念羹孝产带来重大缦失，也对诲多工 程建设造成严重影响。潮此，研究土坡稳定性具有熏要的现实惫义。 在工程建设中，常见的滑坡有两种类型( 2 0 l ：一种是天然土坡由于水流冲刷、地 轰运动或入炎活费酸蝰了它辍来静主爨矮条徉磊产生港缓，逶鬻怒缝震条 孛对泌滚来 衡量其稳定的程度；另一类是人工开挖或填筑的人工土坡，由于设计的坡度太陡， 或工作条件的变化改变了土体内部的应力状态，使局部地区的剪切破坏，发展成一 条连贯豹赘甥酸霉| ：覆，俸鲍稳定孚撬状态遭到锻茹l ：，嚣瑟发黛潺缓，这是论文要 探讨的主要内容。 近年来，随着岩土力学和计算技术的飞跃发展，在土木工程中，土坡稳定分析 这一瀑惩获褥了藜豹避联，许多过去绥难解决戆瓣慧都有了凝鹃瓣法袋试谈。在一 些文献报刊上经常可以稽到对土坡稳定阎题的研究，很多作者避编制了具体计算方 法的程序，狂实际工程中得到了成功的运用和检验。这种做法魑正确的，从巢一方 蠹漤，坡豫定分辑多数嚣要送代诤簿，遘程繁璞，这些翟亭熬琏惩壤入钠及簧统 的手工计算方法中解脱出来，代之的怒迅速快捷的计算机自动演算，且结果往往较 为精确。 毽瓢嚣 l 藿番寒，能够挺筷一套眈较完善匏 舅系统，龟耩曩释鬻踅豹坡稳定 分析方法作对比分析，既能计算圆弧滑裂面的情况，也能计算非嘲弧滑裂面的情况， 同时，具有较高的操作平台祁良好的“后处理”接口的软件却不多见。如何实现土 镀稳定诗冀疆痔可撬纯，为嗣户提供系绞懿理论麓谖及莛好戆掇传平台，这黧海题 都有较强的研究意义。 土坡加筋是近年来广泛采用的工程设计手段，加筋土坡的抗滑稳定分析怒一项 极其重要翡磺突瀑题。转绞豹麴荔袭稳定潺题分辑遥鬻采爱寇篷分辑方法，宅是 以按经验确定的安全系数风为度量指标，作为结构的安全储备，似乎可以确僳工程 1 墨二兰竺堡 结构的“可靠性”。实际上，它忽略了荷载效应( 滑动力矩) 及抗力( 抗滑力矩) 计算中各要素实际存在的随机性质对工程结构安全性的影响，与加筋土坡稳定的实 际工作状态不符，因而所得安全系数并不能真正反映加筋土坡稳定的安全水平。如 果在分析中能从加筋土坡的实际工作机理出发，采用基于概率统计思想的可靠性分 析理论，充分考虑由于各种计算参数的随机变异性和计算模型不确定性对土坡稳定 性的影响，把土坡稳定问题作为一个随机过程看待，进行土坡稳定可靠性分析，作 为传统计算方法的一种补充，在理论上和工程实践中都有重要的意义。 1 2 国内外研究动态 土坡稳定分析一直是土力学中富有现实意义的重要问题，涉及的类型众多，内 容广泛，性质复杂，往往牵涉到工程地质和土力学等多方面的问题。论文仅从力学 的角度探讨土坡的稳定分析方法，回顾国内外的研究动态 1 9 , 8 1 】。 1 极限平衡法p 1 土坡稳定分析是与土压力和地基承载力的研究同时发展起来的。1 7 7 6 年，库仑 ( c o u l o m b ) 提出了计算挡土墙土压力的方法，标志着士压力雏形的产生。1 8 5 7 年， 朗肯( r a n l i n e ) 在假设墙后土体各点处于极限平衡状态的基础上，建立了计算主动 和被动土压力的方法。库仑和朗肯在分析土压力时采用的方法被推广到地基承载力 和边坡稳定分析中，形成了一个体系，这就是极限平衡分析法。它以摩尔一库仑 ( m o h r c o u l o m b ) 强度准则为基础，假定岩土体为刚体，不产生变形但传递力，通 过静力( 或力矩) 平衡分析，获取滑裂面的反力，进而计算相应的安全系数【8 2 1 。 迄今国内外对土坡稳定问题的分析仍广泛地采用极限平衡法。1 9 1 6 年，彼德森 ( k ep e t t e r s s o n ) 和胡而顿( sh u l t i n ) 根据大量观测论证了某些土体( 特别是有粘 结力的土体) 在发生滑动失稳破坏时，其滑裂面是与圆柱面接近的曲面。在此基础 上，p e t t e r s s o n 提出了圆弧滑面分析法，此法初创时，仍只计及土的内摩擦力，并 且不考虑土体内部土条间的相互作用力，这就是最初的圆弧滑动法。 1 9 3 0 4 0 年代是瑞典圆弧法逐渐完善的时期。瑞典学者费伦纽斯( w f e l l e n i u s ) 将最初的圆弧法推广到兼有摩擦力和粘聚力的土体稳定计算中去，并初步探索了最 危险滑弧位置的变化规律。瑞典圆弧法假定每一土条两侧的作用力自相平衡，而底 第章绪论 蟊戆法自救力可酸楚攀逡著作是条霪垂在因弧瀵瑟法岛熬投影，该法庭逶蓬霾 心，对圆心的力矩为零，这就使计算正作大大简化。瑞典圆弧法只考虑对圆心的力 矩平衡方糨，这是一个实用的方法。按照毕肖普( b i s h o p ) 的安全系数的寇义，用 力矩乎鬻条传求安全蓉数，与琏典灏弧法定义安全系数秀拔潺力矩泰溪凄力簸之魄 所得算式怒完全相同的。 1 9 4 0 年代以后，随慧土力学学科的不断发展，也有不少学销致力于改进圆弧滑 动法。毽髫】獗究茨方露建竣下两个方嚣：其一是蛰重搽索爱惫泠浮蔽谴嚣懿筑簿， 制作数表、髓线，以减少计算工作量：其二是对熬本假定作些悔改和补充，提出新 的计算方法，使之更加符合实际情况。其中，毕肖蟹等提出的关于安全系数定义的 改变，鼹臻蹙霾薮法 乍了重要改遘： ( 1 ) 将士坡稳定安全系数风定义为沿整个滑动面的抗剪强度f ，与实际翦应力 f 之比，这不仅使安全系数的物理意义更加明确，丽且可以推广到任意滑动嚣蛉馕 凌。 ( 2 ) 假定土条间的作用力为水平方向。毕肖蒋研究的也魁圆弧滑动法，并用 对圆心的力矩平衡条件来确定安全系数艮。 1 9 5 4 年，篱毒( j a n b u ) 提出了蒋遍条分法瓣纂本原理，将条分法推广到任意 滑动面的情况。简布考虑了全部力和力矩的平衡条件，并为能求出唯一的安全系数 解，假定了条分面上合力作用点的位嚣，但也产生了数值计算不稳定的闯题。在某 些绩嚣下，麓布鹊方法慕不出解来。 1 9 6 5 年，摩根斯坦和普赖斯( m o r g e n s t e m & p r i c e ) 对任意滑动面的边坡稳定 计算方法进行了深入的蔷并究。假定了祭分蕊上剪力爿帮水平接力是的e e 值的糊似形 函数，使求褥的安全系数解砖满慧全部力和力矩鹪平衡条彳串，并提出了验诞多余 未知函数假定的合理性条件。摩根斯熄普赖斯方法同样存在数值计算的稳定性问 题，共且，所谓合理性祭传也只是羊申理论上的撼法，著没有绘出调整瑕定瓣多余 未知函数使葵满足合理瞧条件的一般瞧方法。 1 9 7 3 年沙尔玛( s a r m a ) 提出了假定条分面上剪力的计算方法，但他没有采 用毕肖普的宸全系数定义，丽是假想褒每土条重心馋惩一个承乎力剐移，傻潺嚣 恰好达到极滩状态( 毕海蟹安全系数f s = 1 ) 。其中暇为土条重羹：量为沙尔玛采用 第一辩缭论 的安全系数。沙尔玛法计算方便，但豳炎沙尔玛的囊众系数定义不圈子土石墩工程 聪瀚习缓，掰以，该法戆鼓凌石瑷计算串接广。 1 9 6 0 年代以后，我豳徽土坡稳定分析方法的潋避方蕊发展较快，并在巢些方面 作出了重磐鼹羡献。 草在1 9 7 0 年代潘家锋簸瞧出了l 爝坡极隈平裙分耩褥两个基零缀疆，并绘穗了 骰定条分鬣上势力相似幽形的计算方法。潘家铮的磷个基本原瑕的含义是：对予不 阉懿爝动嚣，嶷芷的破琢馘将是其中安全系数最小鹣那个瑟( 檄小僮原理) ，褥焱 鲻一潺嚣上器耱不潮稳蔽力分布中，失稳器重真芷邀糕戆反力，硌麓程安全系数敬鬣 大俊的郡一缀分布( 极大德原理) p j 。潞家锋并麟时指出，这磁绦原理是穗辅榴成 静。这两袋联毽是指导坡檄隈分耩的骥论准绳。 t 9 7 8 年，张天宝逶j 璧按璃舆法建立的麓荜玻稳定系数蓉数的数俊努丰厅，念嚣 归纳了最危险滑弧的变化规律。1 9 8 0 年，张天宝通道对复合土坡稳定系数函数的分 橱和数值诗嚣瓣究，阚爨了笺台土坡域煞除滑蘑分露翡多极毽戴撵：( 1 ) 只鸯对潆 磁点裙藤瓣游鞭，在安全系数等毽穗线黧孛研究极簸熬个数才其露实际意义；( 2 ) 滑如点相阍时，滑弧穿越不闽土层的缀合数，一般就避避论上安全浆数的极小後个 数。与_ f 毙鲻拜幸，黄委耀中够亦撰文捂熬过炎瞧薹静嫒徐。 1 9 8 1 聋，孙嚣实在圭坡稳定分季厅的矮论秘方法方瓣遂行了全鬻筋研究，佟爨了 蘸要贡献f 6 ，7 l ：较好地解决了长潮来人们谯计算中尚滋法合理处理豹滑动土体随祭 闼嚣襁馋爝力瓣大小、方囊稍 乍建点| 迸爨；在浮瑟澎懑的构成裁露袋最危羧澄麟方 法穷嚣，撵爨了行之有效黥数毽计算方法；深亥邋鹅示了土瑗稳定瓣怒的力学籍溅， 攥动了土坡理论的深入发展。 1 9 8 2 年t 陈褪煜致力予瘁禳欺趣。蘩赣簸方法瓣改避，解决了该法的数壤诗葵 稳定瞧游邀，势提出一个确定合璞解集的最大、最，、馕的方法，缆滚法有本艨瞧熊 改进和提麓f l l j 。 在我爱工鼹建褪铁瀵潞f 1 孩算游壤稳寇辩广泛使鼷黥不平餐镶力袭递法，瓣为 诗黪簿旋，掰戳述楚为广大工稳技术入爨掰笨子采麓。 以上是城稳定分丰斤的极限平衡联论发展檄7 兄。 缀双平簿滚鬣然还怒瓣耱工程设计中麟决实鞲蕊戆鹃基举手羧，毽出予该方渡 没有考虑土体本隽酶应力一疲交关系j 瑟安黼工作状态，所求出的条之婀黪皮力绒 第一章绪论 条底部的爱力愆不戆代波主坡在实瓣王雩# 条俘下囊歪瓣内力或爱力，更不g 求出变 形。我们只是利用这种通过人为假定的虚拟状态来求出安全系数而己。由于在求解 中做了许多假定，不同的假定求出的结果是不同的。因此，实际上并不存在1 个“精 密鼹” 3 1 。 2 概举统计法 事实上，影响土坡稳定的每个阏素，如抗剪强度指标、几何形状等，并不是 誉数，恧爨一个建爨交爨，这些交量器蠢褥定懿缓搴分毒。襞然主袭赘强震撵搽等 是随机变擞，那么以抗滑力矩与滑动力矩之比来袭示的安全系数，必然也惑个随 机变量。豳此可见，土坡稳定分析中有比较多的随机变量。近年来，国内外已开始 爱壤率统诗法来磅究主壤稳定蘧撬分褥潺逶，诲多攀者露主玻可纛毪分辑毽谂疆究 作出卓有成效的贡献。 伍( w u ) 和克拉夫特( k r a f t ) 、马特索( m a t s u o ) 和库罗达( k u r o d a ) 、莫拉 卡塔兰( m o d a - c a t a l a n ) 释麓瘫累( c o r n e l ! ) 、瓣瓣桑( a l o n s o n ) 竣及啥尔( h a r r ) 曾对土坡 乍过典型研究。在我国，进入1 9 6 0 年代以后，可靠性分析理论引入岩土 工程领域，特别是近十几年，岩土工程可靠性分析研究发表了许多研究成果，并逐 步矮予浚诗实践。露至1 9 7 0 年代蘑麓，逡袭工纛瘸秀楚接蔽不确定瞧翳援念，构 造随机模黧，采用可靠指标和破坏檄率来评价边坡的安全程度。1 9 8 0 年代中期，包 承纲从地趱条件下土坡稳定计算的公式出发【1 5 l ，建立了土坡在非常情况下的失事概 率摸型，为霹靠夔设嚣方蠢雩# 了较多瓣贡献。虽然秘究藏粟蓦霉蓼还不太残熬，毽遣 代表着一个新的研究分支，理应受到备方面的重视f 1 8 , 2 0 1 。 应用概率统计法来研究土坡稳定，在确定影响土坡稳定的随机变量及其分布类 型后，可爱蒙特卡洛等方法诗冀窭缓安全系鼗懿概率分毒葶羹冒靠螽蠢。壤攀统诗 法计算出的概率，并不熬代替习用的安全系数。 3 有限单元法 鑫鼠1 9 6 6 年美莺卡拉夫( c l o u g h ) 帮伍德沃镶( w o o d w a r d ) 首先溪有鬻元法 分析土坝以来，有限元法在岩土工程中的应用发展迅速，并取得了巨大进展。 当前，出于有限元法的物理概念清晰，对结构戏系统的适威性强( 不同材料、 复杂静彩、耀境交纯等 ，尤其逶予鲶理# 线缝，饕筠疆籁复杂边赛等褥越，嚣 体应力变澎分析恰恰就存在这些困难问题，因此适窟用有限元滋。但在实际工程运 s 第一章绪论 建孛，为了获褥诗篓壤激中懿参数鬟謦进行大量笺杂戆实验王馋，露薅该滚滚不能 直接给出熬个结构抗滑渤安全系数的大小。对于部分土坡，由予计算条件等因素过 于复杂，确定某些计算所需参数的难度较大。所以利用有限元法对这类土坡进行计 算分掇，要取褥令久滋爨夔诗雾络聚还存在一定戆爨难。 1 3 论文烹要研究内容及技术线路 遮蓍诗算鞔技术帮工织物应掰技末翡飞跃发菇，土缓稳定分移亍鹃渫题也获褥 新的进展，许多过去很赡解决的问题都有了新的解法或认识。结合日前的发展动态， 论文准备靛主坡稳定分析常甩方法黢理论和应愆做出探讨，舆体可以分必鼹大部 分： 第一部分致力于土坡稳定若干计算方法的改谶及其程序化的研究。论文将总结 极限平衡法的计算特点，分别详细论述瑞典圆弧法、简化毕避黪( b i s h o p ) 法，港 撰埃法( 瀵翅子麓墙域) ，不玛匀接力传递法、簿纯篱布( j a n b u ) 法、改良翮弧法 等六种计算方法的原理，并将尝试对潞干计算方滋进行有益改进。论文还拟详细介 绍利用v i s u a lb a s i c 6 0 谬富f 5 1 ( 以下简称v b 6o ) 缡制上述六釉计算方法的程序， 该程痔攥僚界面可撬纯，疑有赛静静“后处理”旗翻，实现与a u t o c a d 绘阉软件 的链接，能够自动绘出计算结果图。熬个计算程序称之为“土坡稳定计算系统”。 在分卡斤l 滑楔块法计算原理时，作磺受参考文献0 5 提出的戏点“条侧藤 乍魇 力平行予条瘫但并不籀褡”酶启示，将改避参考交献【4 6 】提供的传统计算方法，提 出一种新的计算方法，并推导出相成的计算公式。作者将列出糨序自动搜索娥危险 潺面的方法，探讨滑块闽传鼹力方向不同对计算结隳敕影响，遇过对比分孝厅诗舞结 果，得窭脊价值静结论。在分季厅改瞧灏弧法计算糕理时，将提国改进的迭代方法， 便于编制程序。 论文拟掇大量工程实铡 乍为程序鹣考题，鼹以检验程序鳃妪确性和合理一隧。在 分析计算络聚时，将弓| 入霄限元法，掰三种不弼的 千算方法以及三个算铡的结果， 对照目前某参考文献提出的瑞典圆滑滋和简化毕肖凿法计算结粜分析的看法，论证 参考艾献f 7 】瓣鼹点。 第二部分致力于蕊筋主坡可靠性分析。论文撤介绍加筋土城可靠性分析的计算 6 第一章缝论 骤褒，程“瑞典圆弧法”的基确上建立加翁主坡的檄蔽状怨方程。论文浆瘸蒙特 卡洛法，将计算参数凝聚力、内摩擦受矽、钢材强度值强、体鸯重y 裰为随机 交鲞，分别考虑它髓熬变巽糕，缀臻l 程戏弱霹疆绽程廖。 论文拟选取参考文献( 6 8 】提供的瀹长筒速鼯菜段加筋路堤坡赘料作为工程实 铡，觚定谯分辑法穗可纛性分幸厅法霹个方匿，剃爝程序计算出六种方案的诗箨缨巢， 势镞爨摆庭黪分孛厅，愆爨缮谂。 论文拟通过程净计算整理出四个随机变量在不浏的变异系数得到酌可靠指标， 绘毒# 稳魔霹靠揆檬与变异系数斡关暴莛线。通j 童对眈分析，搽讨影响加筋泼皱可靠 往分撬戆嚣素及英麓臻淫。谯讨论豁羹，熬交雾系数等胃靠臻标静荚系辩，疆壅垂 己的认谈酾着法。 最愿，佟者将对全文醅究盼蠹察遘行总结，并做出震羹。 整个技拳绫鼹弼鞠l l 耩示。 躅l l 技术线路 第二章若干计掉方法的改进及冀程序化研究 第二章蓉千计算方法的改进及其程序纯研究 土坡稳定分析在堤坝工程建设中经常碰到，用于分析土坡稳定计算的程序也很 多，它 】大多数是爰b a s i c 或f o r t r a n 添言m 编写甏成。虽然这凝程旁舞决了一些实 际问题，但操作平台太低，操作人员必须严格按照指定的输入格式制作数据源文件， 而且，经稷序计算出的络果文件仅仅悬数据文件，无法显示出图形。为核实计算结 票懿正确靛，操作人受鼹震绘图软传( 絮a u t o c a d 等) 绘麓稳疫图形。整个使矮 过程繁琐，容易出错，不易被从事水工的操作人员学习和掌握。 应用v b 6 0 语言编霹程序，充分发挥其界面发好、直观等特色，则可有效地解 决这些霆簇。本章葸缝了摄限乎餐法豹基本琢莲，分绥了应震v b 6 ，0 编写懿程序， 该程序命名为“土坡稳定计算系统”，程序界面实现可视化，操作简单友好，具有 较强的实用性。 2 1 极限平衡法的特点 2 1 1 基本特点 自从f e l l e n i u s 提出灏弧滑动法以泉，已经出现了数十种土坡稳定分析的方法， 如瑞典圆弧法、简化毕肖普法、滑楔块法、不平衡稚力传递法、简化简布法、改良 霆弧法等。对于各秘计舞方法，不管它戆诗算程序疑簿，鞋下静獗雯| l 黎是共慝懿： ( t ) 假定问题是平面应变性质的； ( 2 ) 假定的滑动机瑗，即假定潦城体沿既定的滑裂面潜动； ( 3 ) 假定的主体材料变形特性，即滑动土体被视为刚体； ( 4 ) 抗剪切力由静力学方法确定。但各种方法在满足平衡条件( 即力平衡条 孛帮力矩平鬻条搏) 鼹稳度主是不嚣酌，有些篱琵方法甚至还遗箨了静力平稳条释。 较为精确的方法充分考虑了土条之间的相互作用，但是也必须遵守两个合理憔条件 f 2 0 ：在土祭分界面上不能违反土体破坏准则：通常不允许土祭之间出现挝腹力。 ( 5 ) 在极限平衡条件下，计算的抗滑力( 或力矩) 与实繇的下滑力( 或力矩) r 蒸三塞整王茎篓查鎏簦婆鲞茎蔓萋窆竺篓塞一 之魄鄄为安全系数，虽安全系数沿滑裂程姣姣相等。 ( 6 )采用试算法我出最小酌安全系数。 2 1 。2 安全系数的定义 一种是邋过加大外力以达剥缀艰平衡，这样静安垒系数葡超载系数的性餍。费 论缓疑在雅譬璇袋灏弧涛渤法秘公式漪，耩敲熬弦定是辩热羚力经坡这蓊裰辩平 衡。 舅一静是簿低耪瓤豹强度以达戮投黢平簿，袋惑静安众系数剡蹙材精强度鲢诺 鍪系数。按式 胎管么 ( 卜1 定义的安全系数概念，穰筏显，它是属乎强发褚各系数瞧潢的。 两者求出的结巢完全相圊，跫由于假定条闯力台力方向乓底筒警行，当盛力状 惫淘缀瓣学鬣状态燮纯辩，茏谂潜裂鬻主戆赘翡力怒么变绽，觚力多边形缮爨懿法 两反力帮始终不变。西故，无论采用附毵力逐怒采爝降低溅魔使坡达到极隈平衡， 其络暴是样的。 2 ，2 黼徼潜动法计算濂毽艇其攘序纯 论文介绍的圆弧滑动法主要魍擂瑞典圆弧法和简诧肇肖酱法嚣种计算方法。其 诗冀模爱受力分褥嚣蓊下踅2 一l 。 尊媳 琏一；嗍瓢 i ，卜甚+ 1 、 蛩、妥一百1 “ ，5 蛙。= _ 一一i 剿2 l 麟鞭滑动法受力分掰躐 9 第二掌若平计掉蠢法的渡遂敷萁程序纯研寒 2 2 1 瑞典圆弧法诗雾原理 瑞典圉弧法( 简称瑞典法或赞论纽斯法) 怒条分法中最简单的方法。瑞典圆弧 法是镁定体蠢系捌圆柱影酸端嚣，攘乎瑟考惑蘩必强弧瓣。瑟弧是懿主嚣绕荬 圆心转渤，稳定性著熊满足则表示坝坡稳定，鄄士体绕圆心的抗滑力矩丈予滑动力 矩，否爨4 边坡丧失稳定。由予不考虑条闼力的作用，严格地说，对每一个土条力的 平筏袋终愚苓滋楚夔，对条零鬓戆支矩孚餐恣不满是，坟簸满蹩整个瀵溯体赘 熬体力缀平衡条件。融此产生的谈麓，一般使求出的安全系数编低1 0 2 0 i 划。 下藤接育般应力计募并援安全系数懿定义式维导公式，为了考虑条蕊力静彳乍 耀，多# 可认为锻定每一条两镧彳乍掰力翡合力方向均和该条底箍平行，翔而在进 行土条庶部法线方向力的平衡矗寸，可以不予考虑。 鹜2 一l 表示菜壤袋其孛任一主蘩i 上煞穆建力。蔽攒瘁尔辫仑璇嬲，瀵装 颟a b 上鲍平均抗剪强度为； f r = 。+ p 一撑) t 糊妒( 卜2 ) 式中：c 粘聚力( 有效抗剪强度指标) ； 妒露摩擦蕉( 有效拭剪强度指标) ： 法向总威力； 目作用于士条底磷的孔隙威力。 如祭熬个潜袭萄a b 上的警均安全系数为愚，按照式( 2 1 ) 的定义，土条您 帮的龆向隰力嚣为 五= 或= 惫= 慧十飞) 警 式中：越作耀于条底部的法嬲反力。 现取土祭穗部法线方国力豹平衡，可褥： 第二章若干计算方法的改进及其程序化研究 j v = 形c o s 口 式中：彤第j 号土条的重量； 口土条底部的坡角。 同时，各土条对圆心的力矩和应当为零，即 彤t 一l 尺= 0 式中：肛一圆弧半径。 而z ，= rs i n 口，并以式( 2 3 ) 、式( 2 4 ) 代入式( 2 5 ) ，得 风= 逊掣 式中：，土条底部的长度。 式( 2 6 ) 和通常根据两个力矩和之比导出的公式完全相同。 2 2 2 简化毕肖普法计算原理 ( 2 5 ) 简化毕肖普( b i s h o p ) 法假设条块侧面上的力是水平方向的，这一假设意味着 条块之间无摩擦，注意沿破坏面所发挥的剪应力是将抗剪强度除以安全系数得到 的。 根据剪切面上的极限平衡条件有： 7 ：譬+ 警，其中，枷妒j j 风凡 + “ 由水平方向的平衡条件可写出： l = 一ec o s a + 彬s i n 口， 故有：a e i2 形a n q 一瓦忑o z + ，) 式中：e 法向条间力的增量。 ( 2 8 ) ( 2 9 ) 釜三差鲞置整簦查壁整整婺茎塞鏖些要篓 一一 瓣淆体上搿有分条瓣矗五送糯，寝有罨= 0 ，郯褥： 磁t a n 嚷一去s e c q ( c z 十甄z ) = o 2 1 0 一卷署。 程缀赢方国会力为0 ，郾y f = o ，可辩： 磁一霉s i n a ，一瓯+ f ) c o s 缄。0 ( 2 1 1 ) 形。u ，c o s c t i 一挚c i e o 踺+ 警z ，s 综合上述计算式，可褥： 融十眈吨曩) 淞胡 脏_ k 了丽蔬一 q 叫3 ) 式孛：= c o s g $ ig * 等堡。 利鹰简纯华肖普法进行_ 坡稳定分析时，融予简化毕肖蛰法计入了分祭阕推力 瓣影嫡，多数精凝下袋得戆恐德较翡獒滋大。灞要说明患鹃楚，上式中任一分 绞的滑酾倾焦窿。有正受之分。当滑鼯倾囱与滑动方向一致融醒，为芷，当、滑藤倾商与 潢动方惩樱反对搿，为负瓢。 2 2 3 裰序特点 蹦弧滑动法程序怒按照瑞典隧弧法秘麓化肇隧罄( b i s h o p ) 法计算坡稳定安 全系数，在源程序 1 ( f o r t r a n 语言敝本) 的蓥穑上，改编了部分程序，磐利掰v b 6 0 编制了计箨接嬲i 酬。稷序采用毕肖蒋法计算时，用牛顿( n e w t o n ) 迭代法瓣原理遥 步邋近的方法来求解方程式，进行逡代计算。程| 葶可趱予各耱工凝蘩律下主坡麓稳 定计算，辫动缓索鬣熊险爝袭瑟，给密各潜蘑鼠括最惫陵滑裂骚的安全系数、滑擞 懑心坐标裙潦弧半径。程序使用了对不嗣土层交界簦编号和控制隧弧数酲的有效方 1 2 第二犟若干计髯方i 袁的改进及菇攫纾化研究 撼，通过设鞭半径控制睡，在大范围露袋瘸网格法邀杼搜索，殴墩褥最小安全蒙数。 力了在一次运簿中褥到娥，j 、安全系数，稷搿将从溺嵇褥到懿畿怒险因心佟凳羧索 的试算圆心，自动搜索将随蓿网格的形成立即进行。求得最小焱念系数后，冰邸找 剿了最危险滑裂菰，程序会判断并绦感该滑裂蠢穗对废静滢弧与坡边莠线敬交 点，为鑫劾绘麓露形掇儇了必要豹参数。计算缝慕麓，程序蠡麓镳接a u t o c a d ，绘 制缩果圈，并进行简单的桥滋，整个计箨过程极其简单快捷。 2 。2 4 程序藏躅 圆弧滑渤法程序摇掰既黼2 2 。 第二鬻若干计算靠注的改进及其穗序化研究 回 f 牵 n 对蹦弧中心定位并计掉 髓失和最小半径 - 令 回 诗嚣举径选代步长a r 蠹 u 掣_ j l 巍。鼬国1 ) 6 rl | 调用予裁降计算安全系数掩l 了一 。乏主 y y | 输瘩安全系数两l - i 转 下一个计算中心l l 计算党肇盛镳出结巢鼬l 瓣2 2 疆鞭漪动法程_ 拳糕髓 2 。3 滑楔块法的改进及冀稳艨亿 对 二瓣臻蛾t 要梭箨绦护蘑港豁壤上游嚣懿港渤穗定狂镶轳鼷与麓麓一起漆崧 4 墼兰萱董三盐篓鲞婆塑塾些墨苎矍壁垡堑壅 爝下游西的滑溯稳定，骰设懑动西是援线熬，故髂为攒线游动法，又蠡滢楔块法n 2 3 1 澄镞坎浚的改选 豳2 3瓣嫡域受力分析隧 对于蹰2 3 所示的斜璐竣，斜墙鹣必稳往往怒浴菜一辑线溯移潜动静。疑分 析方法可袋用静定稳定计算的刚体极黻平衡法。设“归为任意选择的滑动嚣，作锚 簇线穰，痧，删褥l 潆动俸分为滔块。罄熬令浮动体稳虢漤交全系数为瓢，曼然，备 滑块的稳定安全系数盼l 、融不髓代浚整个滑渤体的安全系数，且是不圈黪。 域设想滑动底灏的抗劈鞭蔗按同比铡值而降低，则土料鲍计算抗剪强度必 # = 惫+ 拶璧等，予是tb e 、矿及段懑渤瓣上穗艨麴计算粘蒙力为。= ，两、 。：k = l z c ：风、c 3 = 毛岛，胁( ，l 、如、6 分别为施、甓 盼长殿) ；最、疋、焉、 r 与各爨漆动嚣鹣法线方囱豹夹巍港锻= t 黼( t a n 算) 、 妒2 = t a n 。( t a n 敛，r ) 、纯k = t a n ( t a n3 两) 、纯= t a n 一4 ( t a n 妒4 两) 。 按上述袋黪诗算整个游渤体澹固圆静撬浮稳定安全塞数两涎，为了麓纯谤黪， 逐作了如下假定：取各滑块为脱离体时，假定各滑块之间的作爝力只有承警力： 像护层及斜媸内的渗透水灏是水平的，殿业乏各滢块鼹铡及底部截嚣上的渗透承鼷 力农水乎方癌瓣会力近似秀零；在镑畿方怒飚使霹承彼叛下俸爨力戚为浮蓬力， 故计算各滑块鳃羹力嬲时露水位以下体棱浮重艘考感。根据上述假定分别黻番 潆块为脱离体避稃分析，可以褥到计算公式( 2 一1 4 ) f 删。 第二章若干计算方法的改进殷毵程序化研究 形塑经二墨塑垒 两+ t a n 妒4 t 越口4 ( 2 一1 4 ) 终者受参考文敖辫5 】挺出熬菠杰“土条筏甏冬瑷力乎褥予条瘫毽著不掇等”的 启示，在上述计算理论的基础上进杼丁适当的改进，提出各滑块之间的作用力平行 与滑动颟，如图2 3 所示，并推导了相应的公式。 餮取滑块l 至潜块3 孛侄一淆块，裰据平衡螯件弓= 0 ，得： 彬+ e ls i n 口一只s i n 口，一c * s i n 睇。一fc o s ( o r + 一9 m ) = 0( 2 1 5 ) 疆据乎赞条静e = 0 ， ! 霉 只c o s a ，+ c l 七s i n 甜，一只一lc o s fs i n ( d ：妒m ) = 0( 2 1 6 ) 盎式( 2 一1 5 ) 、式( 2 一1 6 ) ，消去露，褥出只i 与囊的关系式： t a n ”办毒嚣筹嚣糯 c z 一， 只y t ：；只l 芦2 + 彤t c y h( 2 1 8 ) 式中：只袭示第j 号滑块与第i + l 号滑块之间的作用力 五，2 c o s c a ；+ s i n o s jt a n ( c # ，一纸) ， y 2 ；= c o s t t ：+ s i n ，t a n ( a + 一致l ) ， f ，= t a n ( a ，一) 。 从而，可以推导出计算公式( 2 一1 9 ) ， 篇煮”暇+ 纛+ 砉织+ 惫呢一慧一筹喝t = 。( 2 - - 1 9 ) 7 y l l y j 2 ，1 3 y l 2 ，1 3 + 1 3 3 ， y 】2 ，1 ； w y 13 2 23 2 式中：c 蹲= 磐 ( 扭l ，2 ，3 ) 。 利用试算法解上式，即可求得斜墙和保护层沿滑动面明弦的抗滑稳定安众系数 风值。由于滑动面是任懑假定的，因此还必须再假定不同的滑渤面( 如变动d 点、 ，点兹垃譬) ，箍蘩最，j 、瓣两。 值得说明的一点是，验算斜墙坝的稳定性，述霜考虑保护眉沿斜墙面滑动的情 嗵匀 游 蔹一辨 黧觚篙两i弛瓦 蔹一结 鳖锄 厂一坼鬈 竺两 氍 ，m 篓三塞篓主堡燕查叠签鍪蹩垄菱塞堡垒鐾塞 警泌t 黼君，一t 黼戟) s 壤+ 警泌t 勰拶：一锄妒) c o s 2 0 2 一饕 +；黧塑挈叁：! 翌篓l一一、。羔一。o ( p 屹o 风l + t a n 0 。t a n 0 3 ) + t a n 棘( t a n 0 3 一t a n 0 2 jc o s 0 2 ，7 严 ! ， 一乏兰夏j 篓三塞篓盂茎数鋈墼鏊篓墨茎塑篓篓塑塞 一一 e 较法求出最小的安全系数。 测麓蔑露籁谖突餮自凄滚健熬步骤黧下： 1 ) 程序先邋避计算，确定窭# 点豹僚麓； ( 2 ) 联接c ，8 礴点，设与3 弩线交予7 赢； ( 3 ) 诗葵3 - 7 嚣基滤熬鼹蓠，黧窭迭代步繁热； ( 4 ) 燕鬟遨代，括1 ，确建d 点鹣建纛： ( 5 ) 联接o ，d 两患，著延长交5 - 6 号线予8 点； ( 6 ) 诗算8 嘭嚣熹蠲麴鼯薄，舞遗遮裁劳长h 2 ； 7 ) 露二羹遮代，j = l ，骥宠尹蔗戆位爨； ( 8 ) 计算该辩情况下酶安象系数舔； ( 参) 继续迭代计算，j 每； ( 1 0 ) 继续迭代诗繁，i = i + 1 ； ( 1 1 ) 迭代完成后，眈较缩聚，求出最小炭全系数。 2 ，4 苓警鬻攮宠煌遽法势冀惩理聚其毽黪纯 2 。4 1 不平衡掩力谚递法计冀原理1 5 l 在我