解决方案

GeoStudio在边坡稳定中极限平衡法的使用

2020-08-17 16:00:31 134

中仿GeoStudio软件简介

  中仿GeoStudio软件的实用性和操作性,使得这款软件成为岩土领域的权威性软件,其已经是岩土工程问题研究的一款强大的使用工具。其中SLOPE/W模块已经成为边坡稳定性一款标杆软件。


  中仿GeoStudio中SLOPE/W模块包含了Morgenstern-Price、Spencer、Bishop、Janbu等十种极限平衡法。对于这些极限平衡法的理解,很大程度上影响用户对这款软件的使用。恰如Krahn在2003年加拿大岩土工程技术会议上指出:尽管极限平衡法应用非常广泛,但是这种方法的理论基础并没有被很好的理解,并且对这种方法能够提供的结论的期望过高。


  中仿GeoStudio本身作为一款软件工具,是一个功能强度的计算器。但是工具并不会自行得出好的结果,只有在用户的引导下才能从这些工具中获得有用和有意义的结果。用户对岩土工程输出数据的理解能力和他们对于结果的解读能力的增强,可以使这款软件发挥更大的作用。


2 极限平衡法

  土体剪切破坏的分析方法有极限平衡法、极限分析法和有限元法等。在边坡稳定性分析中,目前工程实践中基本是采用极限平衡法。极限平衡法的一般步骤是先假定破坏是先假定破坏是沿该滑动面滑动的可能性,即安全系数的大小,或破坏概率的高低,然后系统地选取许多个可能的滑动面,用同样方法计算稳定安全系数或破坏概率。安全系数最低或破坏概率最高的滑动面就是可能性最大的滑动面。


  诸如 SLOPE/W 的现代极限平衡分析软件使得分析越来越复杂的问题成为可能。SLOPE/W 解决了两个安全系数方程,即满足力平衡的方程和满足力矩平衡的方程。所有普遍使用的条分法都能看作是 GLE 法解决的特例。

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图1 极限平衡法的条块受力(中仿技术工程师通过中仿GeoStudio软件处理获得)

表1  SLOPE/W中极限平衡法满足的静态平衡和条间力特点

方法

力矩平衡

静力平衡

条间剪应力(X)

X/E的结果或X-E的关系

常规或Fellenius法

没有条间力

Bishop简化法

水平力

Janbu简化法

水平力

斯宾斯法

常数

摩根斯坦-普赖斯法

变量,用户函数

美国陆军工程师团法-1

从坡顶到坡角直线的斜率

美国陆军工程师团法-2

土条顶部地面的斜率

Lowe-Karafiath法

地面和土条斜率的平均值

Janbu常规方法

是(土条)

应用推力线和力矩平衡

Sarma 法

X = C + E tan φ

3 中仿GeoStudio软件SLOPE/W模块案例演示

  使用中仿GeoStudio软件SLOPE/W模块在一个常用边坡模型中,采用Bishop、Janbu、Morgenstern-Price、Spencer方法,计算同一边坡的安全稳定系数。

名称

模型

单位重量(KN/m3)

粘聚力(KPa)

内摩擦角(°)

摩擦角-各向异性强度函数

C-各向异性强度函数

摩擦角B(°)

各向异性强度函数

Lower Layer

Mohr-Coulomb

18

20

30

Anistropic Fn 1

Anistropic Fn 1

0

Anistropic Fn 1

Middle Layer

各向异性函数

18

20

30

0

Upper Layer

各向异性强度

18



0



表2  模型材料参数

计算结果中,Janbu法则与其他三类的安全系数差异性较大,这正符合了Janbu法计算出来的安全系数偏低的特点。由于Janbu法忽略土条间的剪力,而力的平衡对条间剪力敏感,使得圆弧滑动面的安全系数偏低。


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图2 安全稳定性系数计算结果(中仿技术工程师通过中仿GeoStudio软件处理获得)


3 极限平衡法使用建议

  极限平衡条分法纯粹是建立在静力学原理上,这个方法没有提到任何关于应变和位移的内容,因此它不满足位移兼容性。要克服这些由缺少物理学遗留下来的问题,就意味着在某种程度上把应力-应变本构关系包含在极限平衡公式中。一种实现方法是用有限元计算的应力代替由静力 学公式确定的应力。这一方法已经在中仿GeoStudio软件中实现了。例如,用 SIGMA/W计算出的应力可以应用到 SLOPE/W 中计算安全系数。

  

  实际工程中,极限平衡法仍然是分析边坡稳定性的一个有用工具。理解这种方法的计算能力和求解范围是正确合理有效应用该法的前提,但不要滥用这种方法,不要将其应用于超出其限度的问题。全面理解这种方法以及它的局限性可以很有信心地使用和解释获得的结果。为了获得这种水平的理解,查看除安全系数以外的更多东西是重要的。为了有效的使用极限平衡法,在计算过程中,检查条块的详细受力和参数沿滑面的变化也是很重要的。例如,查看Fs−λ的曲线对于如何根据需要确定条间力函数是很有帮助的。



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