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        基于水平條分與斜條分相結(jié)合的邊坡穩(wěn)定性解析計算

        2018-05-09 05:54:30王平安劉建元
        水利與建筑工程學(xué)報 2018年2期
        關(guān)鍵詞:靜力安全系數(shù)滑動

        邱 超,王平安,蘇 茹,劉建元

        (西安建筑科技大學(xué) 土木工程學(xué)院, 陜西 西安 710055)

        地震作用對邊坡穩(wěn)定性的影響很大[1]。尤其是在山區(qū)和丘陵地帶,由地震作用導(dǎo)致的邊坡失穩(wěn)具有數(shù)量多和危害大等特點(diǎn)[2],因此,地震作用下的邊坡穩(wěn)定性分析一直是巖土工程界的重要課題之一[3-4]。

        地震荷載作用下的邊坡穩(wěn)定性問題一直是巖土工程中的研究難點(diǎn)[5]。目前,地震荷載作用下邊坡穩(wěn)定性分析方法主要有:擬靜力法[6-9]、滑塊分析法[10]、動力時程分析法[11-12]、有限單元法[13]以及離散元法[14]等。由于擬靜力法具有有效與易于操作等特點(diǎn),因而逐漸被廣泛學(xué)者采用。在邊坡穩(wěn)定性分析的擬靜力法研究當(dāng)中,通常在土條上施加地震力,來分析邊坡的穩(wěn)定性。運(yùn)用不同的邊坡穩(wěn)定性分析方法,對應(yīng)著不同的擬靜力分析的形式,鄧東平等[15-16]采用任意滑動面搜索方法,對地震作用下邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行擬靜力分析。鄧東平等[17]采用擬靜力分析方法分析了不同滑動面型式下邊坡的穩(wěn)定性。Ausilio E等[8]應(yīng)用運(yùn)動極限分析定理,采用擬靜力法分析了加筋土坡的穩(wěn)定性。陳昌富等[18]通過對土條進(jìn)行水平條分,運(yùn)用遺傳算法對邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行了擬靜力分析。在將水平條分法應(yīng)用到分析加筋土坡的穩(wěn)定性分析過程當(dāng)中[19-21],都假定邊坡潛在滑動面不經(jīng)過坡角,不是針對一般的邊坡滑動面,鄧東平等[22]采用水平條分與斜條分相結(jié)合的方法很好地解決了水平條分法的缺陷。但是對于均質(zhì)土坡而言,水平條分和斜條分需要分開計算,且土條劃分寬度嚴(yán)重影響計算的精度與工作量。因此,有必要對地震作用下邊坡滑動面經(jīng)過坡角這一情況進(jìn)行地震作用下邊坡穩(wěn)定性分析。

        本文采用解析計算的方法,通過引入豎向中心角,將水平條分和斜條分統(tǒng)一起來計算,大大減少了計算量。基于擬靜力分析法,采用積分的方法建立了地震作用下邊坡安全系數(shù)的解析表達(dá)式。編制了相關(guān)的程序?qū)Φ卣鹱饔孟逻吰路€(wěn)定性問題進(jìn)行了優(yōu)化求解,并且分析了水平荷載作用系數(shù)、豎向荷載作用系數(shù)以及比例系數(shù)對邊坡安全系數(shù)與邊坡潛在滑動面的影響。

        1 基本假定

        1.1 基本假定

        如圖1所示,均質(zhì)邊坡,潛在滑動面為圓弧滑動面,滑動面圓心O,半徑r0,邊坡高度H,坡角θ,土體重度γ,內(nèi)摩擦角φ,黏聚力c。x0、y0分別為邊坡滑動面圓心的橫、縱坐標(biāo)。D、F分別為過C、A兩點(diǎn)豎直線與潛在滑動面的交點(diǎn)。μ為G點(diǎn)的橫坐標(biāo),α1、α2、η1、η、β分別為G、F、D、E、B對應(yīng)于O點(diǎn)的豎向中心角,φ為邊坡滑動面上任意一點(diǎn)對應(yīng)于O點(diǎn)的豎向中心角,順時針為正。在分析問題之前做如下幾點(diǎn)基本假定:

        圖1滑動面參量示意圖

        (1) 對于水平條和斜條而言,土條豎直方向的荷載等于上覆荷載,在地震作用下上覆荷載等于(1+kv)Wi;水平荷載等于khWi。

        (2) 邊坡滑動面為圓弧,且邊坡潛在滑動面上安全系數(shù)相同。

        (3) 邊坡土體滿足摩爾-庫侖屈服準(zhǔn)則,即

        τf=σtanφ+c

        (1)

        式中:τf、σ分別為邊坡破壞時,滑動面上的切應(yīng)力和正應(yīng)力。

        1.2 條間力假定

        在邊坡穩(wěn)定性分析當(dāng)中,采用水平條分法與斜條分法結(jié)合起來分析邊坡。對于一般滑動面的邊坡,對邊坡腳趾以上的土體,采用水平條分;對邊坡腳趾以下的土體,采用斜條分;水平土條和斜土條受力示意圖見圖2(a)和圖2(b)。根據(jù)Shangholi M等[19]對條間力的假定,水平土條條間力有如下關(guān)系:

        (2)

        式中:Vj、Vj-1分別為豎向條間力;Hj、Hj-1分別為水平條間力;Gj、Gj-1分別為條塊def和abe的重力。

        為了得到斜土條條間力的關(guān)系,對塊體GhqA和sghq進(jìn)行受力分析,見圖3(a)和圖3(b)。由靜力平衡關(guān)系得:

        (3)

        由式(3)反解出Xk、Ek,有:

        (4)

        圖2 水平土條、斜土條受力分析

        圖3土條受力分析

        本文在分析邊坡穩(wěn)定性分析過程當(dāng)中,采用Bishop對條間力的假定,于是條間力有如下關(guān)系:

        (5)

        式中:Ek、Ek-1為條塊sghq所受的水平條間力;Xk、Xk-1為條塊sghq所受的豎向條間力。

        將式(5)帶入式(4)中有:

        (6)

        式中:Vk、Vk-1為斜條塊Ggh上、下兩個底面的正向力;Hk、Hk-1為條塊Ggh上、下兩個底面的切向力;Gk,Gk-1分別為塊體GhqA、GgsA的重力。δk、δk-1分別為斜條塊上、下兩個底面與水平方向的夾角,逆時針為正。

        2 安全系數(shù)解析計算

        由圖2(a)和圖2(b)考慮條塊水平向與豎向靜力平衡,有:

        (7)

        Nk=Hk-1sin(δk-1+φ)-Vk-1cos(δk-1+φ)-Hksin(δk+φ)+Vkcos(δk+φ)+Wkcosφ

        Tk=-Hk-1cos(δk-1+φ)-Vk-1sin(δk-1+φ)+Hkcos(δk+φ)+Vksin(δk+φ)+Wksinφ

        (8)

        式中:Wj、Wk分別為水平條和斜體的重力。Nj、Tj分別為水平條上的切向力和法向力,Nk、Nk-1分別為斜條上的切向力和法向力。將式(2)、式(6)分別帶入到式(7)、式(8)中,得到如下關(guān)系:

        (9)

        考慮地震荷載作用下的邊坡穩(wěn)定性,對條塊進(jìn)行受力分析,有:

        Ticosφ-Nisinφ-khWi=0

        Tisinφ+Nicosφ-(1+kv)(Wi+Gi-Gi-1)=0

        (10)

        反解出Ti、Ni,有:

        (11)

        式中:kh為水平荷載作用系數(shù);kv為豎向荷載作用系數(shù)。

        根據(jù),安全系數(shù)等于抗滑力與下滑力之比,有:

        (12)

        式中:li為土條底面長度;n為劃分的土條數(shù)。

        為了更加精確的分析邊坡穩(wěn)定性,采用積分的辦法代替條分,由圖1得到(Gi-Gi-1)與Wi的表達(dá)式分別為:

        Gi-Gi-1=

        (13)

        (14)

        聯(lián)立式(13)、式(14)有:

        (15)

        注意到,邊坡滑動面上任意一點(diǎn)的坐標(biāo)可以表示為:

        (16)

        由圖1幾何關(guān)系,豎向中心角,可以表示為:

        (17)

        反解出x0,y0,r0,有:

        (18)

        聯(lián)立式(12)、式(13)、式(14)、式(15)、式(18),安全系數(shù)可以表示為:

        (19)

        式中:

        sinα1

        (20)

        (21)

        (22)

        (23)

        為了得到邊坡安全系數(shù)的最小值,以及對應(yīng)的邊坡潛在滑動面,本文應(yīng)用MATLAB軟件,編制了相關(guān)的優(yōu)化程序進(jìn)行求解,式(19)的安全系數(shù)為中心角α1、α2、η1、η、β的函數(shù),該問題為非線性約束問題,約束條件為:

        (24)

        3 算例分析

        為了驗(yàn)證本文方法和編制優(yōu)化程序的正確性,靜態(tài)條件下,對已有的典型算例進(jìn)行計算,對比結(jié)果見表1。由表1可知,本文方法與簡化Bishop法所獲得的安全系數(shù)很接近。說明不考慮地震效應(yīng)作用下,本文方法是有效的。

        表1 安全系數(shù)結(jié)果對比

        邊坡坡高H=8 m,坡角θ=15°,巖土參數(shù)為:γ=20 kN/m3,c=30 kN/m3,φ=10°。當(dāng)kv=0,kh分別取0.00、0.10、0.20、0.30,羅強(qiáng)等[23]采用對數(shù)螺旋滑動面時極限上限法計算得到的安全系數(shù)分別為4.400、3.120、2.390、1.920,鄧東平等[15]采用滑動面搜索新方法計算得到的安全系數(shù)分別為4.318、2.968、2.229、1.769,本文方法計算得到的安全系數(shù)分別為4.119、2.884、2.184、1.773。本文方法計算得到的安全系數(shù)與文獻(xiàn)[15]計算得到的安全系數(shù)十分接近,且略小一些。因而,說明本文方法分析邊坡穩(wěn)定性是安全有效的。

        4 影響因素參數(shù)分析

        一般情況下,在地震作用下邊坡穩(wěn)定性分析過程中,水平地震作用系數(shù)與豎直作用系數(shù)有如下關(guān)系:kv=ξkh(其中,ξ為kv相對于kh的比例系數(shù))。取邊坡參數(shù)為:邊坡坡高H=10 m,邊坡坡角θ分別為30°、45°和60°,重度為γ=18 kN/m3,黏聚力c為30 kPa,內(nèi)摩擦角為30°。為了分析地震作用下邊坡的穩(wěn)定性,對水平地震作用系數(shù)kh分別取0.05、0.10、0.15、0.20、0.25和0.30,比例系數(shù)ξ取-1.0、-0.5、0.0、0.5、1.0。不同θ值下,地震效應(yīng)對安全系數(shù)的影響見圖4,臨界滑動面見圖5。

        從圖4和圖5可知,一定ξ值下,安全系數(shù)Fs隨著水平地震系數(shù)kh的增大而減小,當(dāng)kh一定時,邊坡臨界滑動面隨著豎向地震系數(shù)的減小,邊坡潛在滑動面逐漸變深,邊坡失穩(wěn)的范圍越來越大,且隨著kh的增大,這種趨勢越明顯。

        5 結(jié) 論

        (1) 采用水平條分與斜條分相結(jié)合的方法,對地震作用下邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析,通過引入豎向中心角,建立了安全系數(shù)的解析算式。通過編寫優(yōu)化程序,采用MATLAB中Fmincon函數(shù)對問題進(jìn)行優(yōu)化求解,與多個算例對比驗(yàn)證了本文方法和優(yōu)化程序的有效性。

        圖4不同θ下地震效應(yīng)對安全系數(shù)的影響

        (2) 一定ξ值下,安全系數(shù)Fs隨著kh的增大而減小,水平地震系數(shù)kh與比例系數(shù)ξ對邊坡潛在滑動面有著顯著的影響。當(dāng)kh一定時,邊坡臨界滑動面隨著比例系數(shù)ξ的減小,邊坡潛在滑動面逐漸變深,邊坡失穩(wěn)的范圍越來越大,且隨著kh的增大,這種趨勢越明顯。

        圖5不同kh下地震效應(yīng)對邊坡潛在滑動面的影響

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