CN111914330B - 基于图解试算法的土岩结合边坡稳定分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于图解试算法的土岩结合边坡稳定分析方法；步骤如下：从坡脚起，采用极限平衡法得到第一最小安全系数Fs1；然后对上部土体假定圆弧滑动面采用条分法搜索最不利圆弧滑动面，并计算剩余下滑力；对下部岩体以第一最不利倾角α作图得到滑动结构面，将上滑动结构面所包含的上部土体的土条重力及其下滑力作为外荷载，得到第二最小安全系数Fs2；再从坡脚起，在岩体中对上部土体的最不利滑动面，以下部岩体内的切平面与土体的圆弧滑动面分离的岩土体为独立体，得到第三最小安全系数Fs3；取最小值作为土岩结合边坡的最终最小安全系数Fsmin。本发明符合传统土力学对土体圆弧滑动面的假定和传统岩石力学对岩体倾斜滑动面的假定。

Description

基于图解试算法的土岩结合边坡稳定分析方法

技术领域

本发明涉及岩土工程及边坡防护技术领域，特别涉及基于图解试算法的土岩结合边坡稳定分析方法。

背景技术

现有的边坡稳定分析方法中，用于土体时常假定圆弧滑动面采用条分法分析，用于岩体时常假定平面滑动面采用极限平衡法分析；当遇到土岩结合边坡，边坡实际滑动面形态显得更为复杂，在进行边坡稳定分析时，缺乏相应的理论支持。

在现有技术中,边坡稳定分析方法仅就单一的土质边坡或单一的岩质边坡,分别独立分析,对于土岩结合边坡常采将岩质边坡岩土地质参数等代为土质边坡进行圆弧滑动面分析，与岩质边坡的实际破坏形态不相符。

因此，如何使土岩结合边坡稳定分析方法更加符合传统边坡分析的力学假定，提高分析的精确性成为本领域技术人员急需解决的技术问题。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明提供基于图解试算法的土岩结合边坡稳定分析方法，实现的目的是分别将土质边坡与岩质边坡分别按圆弧滑动面、倾斜滑动面分开，并以剩余下滑力作为上述两者的力学联系，更符合传统边坡分析的力学假定。

为实现上述目的，本发明公开了基于图解试算法的土岩结合边坡稳定分析方法；步骤如下：

步骤1、从待分析的土岩结合边坡的下部岩体的坡脚起，对整个边坡采用极限平衡法进行分析，分别计算平面滑动面倾角为10°、20°、30°、35°、40°、45°、50°、60°、70°、75°、80°，以及45°+φ/2的情况下的安全系数，计为Fs_10°、Fs_20°、Fs_30°、Fs_35°、Fs_40°、Fs_45°、Fs_50°、Fs_60°、Fs_70°、Fs_75°、Fs_80°，以及Fs_45°+φ/2，其中φ为岩质边坡的内摩擦角，将上述计算得到的安全系数取最小值，计为安全系数Fs1，Fs1对应倾角计为α；

步骤2、对所述待分析的土岩结合边坡的上部土体假定圆弧滑动面采用条分法搜索最不利圆弧滑动面；对所述最不利圆弧滑动面范围的各土条进行静力平衡分析，得到各土条的下滑力，其中第i土条在x、y方向的下滑力的分量Exi、Eyi，第i土条重量G_土i、相邻土条对第i土条的作用力F_i、F_i-1,圆弧滑动面对土条的阻滑力Ti；

步骤3、对下部岩体以最不利倾角α作出最不利平面滑动面；以所述最不利平面滑动面，倾角α，分离的岩体为独立岩体，将该岩体正上方所包含的土条下滑力的总和(Ex＝∑Exi、Ey＝∑Eyi，i＝1,2…n)作为外荷载，将独立岩体重量G_岩、Ex、Ey，对与倾角α的平面滑动面平行的方向投影，求得合力即为滑动力，平面滑动面的阻滑力T与上述计算滑动力的比值即为该最不利平面滑动面的安全系数Fs2，岩体对应的平面倾角仍为α；

步骤4、从坡脚对上述上部土体的最不利圆弧滑动面作切平面，切平面倾角β，与上述最不利圆弧滑动面组成最不利复合滑动面，以最不利复合滑动面分离的岩土体为土岩独立体；对复合滑动面圆弧段各土条进行静力平衡分析，得到各土条下滑力沿倾角β的切平面切向合力Ex"和法向合力Ey"；

对复合滑动面直线段，将上述下滑力合力Ex”、Ey”作为外荷载，将复合滑动面直线段土岩独立体重量G_土、G_岩、Ex”、Ey”，对与倾角β的平面滑动面平行的方向投影，求得合力即为滑动力，平面滑动面的阻滑力T与上述计算滑动力的比值即为该最不利平面滑动面的安全系数Fs3，岩体对应的平面倾角为β；

步骤5、取所述安全系数Fs1、所述安全系数Fs2、所述安全系数Fs3的最小值作为所述土岩结合边坡的最终安全系数Fsmin，与所述最终安全系数Fsmin对应的最不利倾角α或β对应的平面滑动面即为最终最不利平面滑动面。

优选的，所述上部土体的几何参数包括上部土质边坡的坡高H_土和上部土质边坡的坡比i_土；

所述上部土体的物理力学参数包括上部土质边坡的粘聚力c_土和上部土质边坡的内摩擦角φ_土。

优选的，所述下部岩体的几何参数包括下部岩质边坡的坡高H_岩和下部岩质边坡的坡比i_岩；

所述下部岩体的物理力学参数包括下部岩质边坡的粘聚力c_岩和下部岩质边坡的内摩擦角φ_岩。

本发明的有益效果：

本发明克服了土岩结合边坡分析时将岩质边坡岩土地质参数等代为土质边坡进行圆弧滑动面分析，与岩质边坡的传统力学假定不相符的缺点,采用岩体倾角试算与圆弧切平面作图法相结合的方法,搜索土岩结合边坡的最不利滑动面,既符合传统土力学对土体圆弧滑动面的假定,又符合传统岩石力学对岩体倾斜滑动面的假定。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1示出本发明一实施例的流程示意图。

图2示出本发明一实施例中采用试算法对下部岩体最不利平面滑动面搜索的示意图。

图3示出本发明一实施例中采用试算法对上层土体最不利圆弧滑动面搜索的示意图。

图4示出本发明一实施例中条分法土条静力分析图。

图5示出本发明一实施例中独立岩体静力分析图。

图6示出本发明一实施例中采用图解法圆弧切平面复合滑动面的示意图。

图7示出本发明一实施例中下滑力合力的示意图。

图8示出本发明一实施例中土岩独立体静力分析图。

具体实施方式

实施例

如图1所示，本发明的基于图解试算法的土岩结合边坡稳定分析方法一具体实施例的流程示意图。

具体地，如图2所示，步骤1、从下部岩体坡脚起，分别假定平面滑动面倾角为10°、20°、30°、35°、40°、45°、50°、60°、70°、75°、80°以及45°+φ/2(φ为岩体的内摩擦角)，对整个边坡采用极限平衡法进行分析，得到最不利平面滑动面(即最小安全系数Fs1对应的最不利倾角α)；

如图3所示，步骤2、对上部土体假定圆弧滑动面采用条分法搜索最不利圆弧滑动面；对下部岩体以最不利倾角α作出最不利平面滑动面；

如图4所示，步骤3、对上述最不利圆弧滑动面范围的各土条进行静力平衡分析，得到各土条的下滑力的合力在x、y方向的分量Exi、Eyi，图中第i土条重量G_土i、相邻土条对第i土条的作用力F_i、F_i-1,圆弧滑动面对土条的阻滑力Ti；

如图5所示，然后，以上述平面滑动面，倾角α，分离的岩体为独立岩体，将该岩体正上方所包含的土条下滑力的总和(Ex＝∑Exi、Ey＝∑Eyi，i＝1,2…n)作为外荷载，将独立岩体重量G_岩、Ex、Ey，对x’轴方向投影，求得合力即为滑动力，平面滑动面的阻滑力T与上述计算滑动力的比值即为该最不利平面滑动面的安全系数Fs2，岩体对应的平面倾角仍为α(如图5)；

如图6所示，步骤4、从坡脚对上部土体的最不利圆弧滑动面作切平面，切平面倾角β，与圆弧滑动面组成最不利复合滑动面，以最不利复合滑动面分离的岩土体为土岩独立体；

如图7所示，对复合滑动面圆弧段各土条进行静力平衡分析，得到各土条下滑力沿切平面切向(x”向)的合力Ex"和沿切平面法向(y”向)的合力Ey"；

如图8所示，对复合滑动面直线段，将上述下滑力合力Ex”、Ey”作为外荷载，将复合滑动面直线段土岩独立体重量G_土、G_岩、Ex”、Ey”，对x”轴方向投影，求得合力即为滑动力，平面滑动面的阻滑力T与上述计算滑动力的比值即为该最不利平面滑动面的安全系数Fs3，岩体对应的平面倾角为β。

步骤5、取所述第一最小安全系数Fs1、所述第二最小安全系数Fs2、所述第三最小安全系数Fs3的最小值作为所述土岩结合边坡的最终最小安全系数Fsmin，与所述最终最小安全系数Fsmin对应的最终最不利倾角αmin对应的平面滑动面即为最终最不利平面滑动面，其倾角为α或β。

本发明的原理如下：

首先单纯对岩体通过平面滑动倾角进行试算得到的最小安全系数Fs 1,其对应倾角为α。

然后以α为基础，综合上部土体的圆弧滑动面，将圆弧滑动面作用在岩体的的滑动剩余力参与岩体的极限平衡分析，得到最小安全系数Fs2，也就是说Fs1、Fs2都是对应倾角α的。

随后从岩体坡脚开始对上述土体的圆弧滑动面作切平面,得到倾角β,再进行极限平衡分析,得到Fs3。

最后得到Fs1、Fs2、Fs3的最小值Fsmin，其对应的倾角为α或β之一。

通过上述技术手段将土质边坡圆弧滑动假定与岩质边坡极限平衡假定相结合，对上部土质边坡按圆弧滑动面进行剩余下滑力分析，对岩质边坡的破坏倾角采用作图法，并将上部土质边坡的剩余下滑力作为岩质边坡的外力，采用极限平衡法进行试算。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (3)

1.基于图解试算法的土岩结合边坡稳定分析方法；步骤如下：

步骤1、从待分析的土岩结合边坡的下部岩体的坡脚起，对整个边坡采用极限平衡法进行分析，分别计算平面滑动面倾角为10°、20°、30°、35°、40°、45°、50°、60°、70°、75°、80°，以及45°+φ/2的情况下的安全系数Fs，计为Fs_10°、Fs_20°、Fs_30°、Fs_35°、Fs_40°、Fs_45°、Fs_50°、Fs_60°、Fs_70°、Fs_75°、Fs_80°，以及Fs_45°+φ/2，其中φ为岩质边坡的内摩擦角，将上述计算得到的安全系数取最小值，计为安全系数Fs1，Fs1对应倾角计为α；

步骤2、对所述待分析的土岩结合边坡的上部土体假定圆弧滑动面采用条分法搜索最不利圆弧滑动面；对所述最不利圆弧滑动面范围的各土条进行静力平衡分析，得到各土条的下滑力，其中第i土条在x、y方向的下滑力的分量Exi、Eyi，第i土条重量G_土i、相邻土条对第i土条的作用力F_i、F_i-1,圆弧滑动面对土条的阻滑力Ti；

步骤3、对下部岩体以最不利倾角α作出最不利平面滑动面；以所述最不利平面滑动面，倾角α，分离的岩体为独立岩体，将该岩体正上方所包含的土条下滑力的总和，即Ex＝∑Exi、Ey＝∑Eyi，i＝1,2…n作为外荷载，将独立岩体重量G_岩、Ex、Ey，对与倾角α的平面滑动面平行的方向投影，求得合力即为滑动力，平面滑动面的阻滑力T与上述计算滑动力的比值即为该最不利平面滑动面的安全系数Fs2，岩体对应的平面倾角仍为α；

步骤4、从坡脚对上述上部土体的最不利圆弧滑动面作切平面，切平面倾角β，与上述最不利圆弧滑动面组成最不利复合滑动面，以最不利复合滑动面分离的岩土体为土岩独立体；对复合滑动面圆弧段各土条进行静力平衡分析，得到各土条下滑力沿倾角β的切平面切向合力Ex"和法向合力Ey"；

对复合滑动面直线段，将上述下滑力合力Ex”、Ey”作为外荷载，将复合滑动面直线段土岩独立体重量G_土、G_岩、Ex”、Ey”，对与倾角β的平面滑动面平行的方向投影，求得合力即为滑动力，平面滑动面的阻滑力T与上述计算滑动力的比值即为该最不利平面滑动面的安全系数Fs3，岩体对应的平面倾角为β；

步骤5、取所述安全系数Fs1、所述安全系数Fs2、所述安全系数Fs3的最小值作为所述土岩结合边坡的最终安全系数Fsmin，与所述最终安全系数Fsmin对应的最不利倾角α或β对应的平面滑动面即为最终最不利平面滑动面。

2.根据权利要求1所述的基于图解试算法的土岩结合边坡稳定分析方法，其特征在于，所述上部土体的几何参数包括上部土质边坡的坡高H_土和上部土质边坡的坡比i_土；

所述上部土体的物理力学参数包括上部土质边坡的粘聚力c_土和上部土质边坡的内摩擦角φ_土。

3.根据权利要求1所述的基于图解试算法的土岩结合边坡稳定分析方法，其特征在于，所述下部岩体的几何参数包括下部岩质边坡的坡高H_岩和下部岩质边坡的坡比i_岩；

所述下部岩体的物理力学参数包括下部岩质边坡的粘聚力c_岩和下部岩质边坡的内摩擦角φ_岩。

Images