边坡稳定性计算方法.ppt
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1、边坡稳定性计算边坡稳定性计算 概述 计算方法分类 平面滑坡的稳定性计算 圆弧面滑坡的稳定性计算 曲折滑面滑坡的稳定性计算 楔形体滑坡的稳定性计算 球投影法分析边坡的稳定性 崩落及屈曲滑坡的计算 数值分析法简介 概率分析法简介返回_煤炭系统规定边坡稳定性分析概述边坡稳定性分析概述 边坡岩体可能处于相对静止状态,或者处于极限平衡状态,或者处于运动状态。处于相对静止状态的边坡是稳定的;处于运动状态的边坡岩体称为滑坡体,边坡岩体的运动过程称为滑坡。事实上,边坡岩体内存在两种不同类型的力:阻止岩体向下滑动的力抗滑力;驱使岩体向下滑动的力滑动力。通过抗滑力与滑动力(或抗滑力矩与滑动力矩)的比较,就可以判断
2、出边坡岩体所处的状态,这就是边坡稳定性分析。边坡稳定分析的任务有两类:一类是验算已有边坡的稳定性,以便决定是否采取防护措施。如果需要采取防护措施,稳定性计算的结果将作为防护设施设计的依据。另一类是设计合理的边坡参数,使得设计的边坡既安全又经济。目前,边坡稳定分析的结果通常用边坡稳定系数来表示。规范对稳定系数的大小作出了规定。露天煤矿工程设计规范边坡稳定性系数选取表1.21.310 内排土场边坡1.21.520 外排土场边坡1.01.2临时 工作帮边坡1.11.21.21.31.31.520 非工作帮边坡1.31.520 采掘场最终边坡1.520 边坡上部有重要建筑物 或边坡滑落会造成生命财产重
3、大损失者稳定系数服务年限(a)边 坡 类 型露天煤矿工程设计规范(GB 50197-94)_其它部门规定_ 岩土工程勘察规范规定边坡的稳定系数按以下方法取值:新设计的边坡,对安全等级为一级的边坡工程,Fs值宜采用1.301.50;安全等级为二级的边坡工程,Fs值宜采用1.151.30,安全等级为三级的边坡工程,Fs值宜采用1.051.15。当边坡采用峰值抗剪强度参数设计时,Fs取大值,采用残余抗剪强度参数设计时,Fs取小值。验算已有边坡的稳定性,Fs值可采用1.101.25;当需要边坡加荷,增大坡角或开挖坡角时,应按新设计边坡取值。建筑地基基础设计规范规定:滑坡推力安全系数应根据滑坡现状及其对
4、工程的影响等因素确定,对一级建筑物取1.25,二级建筑物取1.15,三级建筑物取1.05。边坡稳定性计算方法分类边坡稳定性计算方法分类 边坡稳定性计算目前多采用二维断面进行分析,三维分析使用还较少。稳定性分析方法可分为三类:概 率 分 析法把滑体视为刚体;滑动面因剪切破坏而形成;用块体在斜坡上的平衡原理确定稳定系数。刚体极限平衡法 数 值 分 析法包括有限单元法、边界单元法、离散单元法等。根据边坡体内的应力和位移分布确定边坡的稳定性。用数理统计方法分析边坡的稳定性。平面滑坡的稳定性计算平面滑坡的稳定性计算1 1 平面滑坡是指边坡上的岩体沿某一倾斜面的滑动。发生平面滑坡的条件是:滑面走向与边坡走
5、向平行或近于平行(相差20左右)滑面倾角小于边坡角,且滑动面在坡面上有出露 滑面倾角大于滑动面的等效摩擦角 滑面两侧有裂面,侧向阻力可以忽略_ 平面滑坡的稳定性计算平面滑坡的稳定性计算2 2 平面滑坡稳定性计算有以下几种情况:边坡内有确定的滑面但没有竖直张裂逢 边坡内有确定的滑面及竖直张裂逢 边坡内没有确定的滑面,滑面需经分析求得 边坡内没有确定位置的竖直张裂逢_圆弧面滑坡的稳定性计算圆弧面滑坡的稳定性计算 圆弧面滑坡通常出现在均质岩土边坡中,其稳定系数的定义是:求出Fs的关键问题是确定抗滑力矩和滑动力矩。确定抗滑力矩和滑动力矩的方法很多,这里只介绍两种常用的方法Fellenius条分法和Bi
6、shop法。_ Fellenius条分法和Bishop法在求稳定系数时都需要试算滑动面,有没有不需要试算的方法确定滑面?俄国人费先科提出的作图法可以一次求出滑动面。_动圆弧面滑坡的稳定性计算圆弧面滑坡的稳定性计算 在进行稳定性计算时,通常将滑体分为若干条块(可以用竖直界面划分,也可以用倾斜界面划分)。双折滑面任意曲面_曲折滑面滑坡的稳定性计算曲折滑面滑坡的稳定性计算 边坡岩体被纵横交错的地质断裂面切割,由这些断裂面形成的滑面,往往不是平面或圆弧等规则形状的,而是具某一曲折形状。楔形体滑坡的稳定性计算楔形体滑坡的稳定性计算1 1发生楔体滑坡的条件:两组结构面与边坡面斜交,结构面的组合交线倾向与边
7、坡倾向相同、倾角小于边坡角,组合交线的边坡面上有出露。、可以用赤平极射投影获得_ 楔形体滑坡的稳定性计算楔形体滑坡的稳定性计算2 2联立求解得:根据力的平衡条件:楔形体滑坡的稳定性计算楔形体滑坡的稳定性计算3 3 如果结构面a、b的面积分别为Sa和Sb,内聚力和内摩擦角分别为Ca、Cb、a、b,则楔体的抗滑力为 楔体的稳定系数Fs:如果Ca=Cb=0,a=b=,则 将Na、Nb 的表达式代入可得 楔形体滑坡的稳定性计算楔形体滑坡的稳定性计算4 4 如果考虑竖直张裂面、地下水以及锚固力,则楔体的稳定系数可表示为 E.Hoek等人提出了一种确定楔体稳定系数的方法E.Hoek图解法。_楔形体滑坡的楔
8、形体滑坡的E.Hoek图解法图解法 E.Hoek法是将边坡面、坡顶面和两个结构面绘制在赤平极射投影图上,4个圆弧有5个交点,分别代表了5条线,各线之间的夹角可在图中测出。楔形体滑坡的楔形体滑坡的E.Hoek图解法图解法根据测得的角度,求出楔体的几何形状参数:楔体的稳定系数为:如果Ca=Cb=C、a=b=,又没有水的情况下:球投影法分析边坡的稳定性球投影法分析边坡的稳定性 用赤平极射投影定量地分析边坡的稳定性的方法称为球投影法。基本知识 摩擦锥 摩擦圆 广义摩擦锥 裂隙组的摩擦圆 平面滑坡分析 折面滑坡分析 楔体滑坡分析_崩落及屈曲滑坡的计算崩落及屈曲滑坡的计算 崩落主要出现在坚硬岩石陡边坡中。
9、当岩体被几组结构面切割成陡立柱状、板状、棱块状体之后,在一定条件下,会发生转动或转动兼滑动。这种岩体破坏一般速度快、能量大,统称为崩落。柱状岩体的转动常称为倾倒。站立在斜坡上的柱体不发生转动的极限平衡条件是该柱体的重力W的作用线不超过柱体的底缘即:斜面上的块体滑动和倾倒的条件可以用左图表示。同样产状的两组裂隙,由于切割出来的宽高比不同,一个边坡有崩落的危险,另一个可能是安全的。影响崩落的因素,除了裂隙密度外,还有岩柱基底的强度、坡脚断裂面上的摩擦强度、岩柱间的连接强弱以及震动效应等。崩落的规模不大,但其危害很大(由于其突然性),要注意监测和预防。屈曲变形破坏仅发生在层理或片理发育的岩体中。屈曲
10、变形的影响因素除了岩柱的长度外,还有裂隙的发育程度、断裂面起伏程度、层间连接强弱以及震动效应等。DEM 主要用于模拟岩石块体的渐进运动过程。假定块体为一个不变形的刚体,各刚体之间采用弹簧连接,弹簧的刚度由一个假定的表面变形系数来决定。这样接触力就以块体间相互嵌入的深度为变形乘以刚度系数得出,从而描述整个刚体系统的运动。近年来DEM在岩石力学中得到了广泛的应用。DEM允许离散块体有有限的位移和旋转,并包括子块体完全脱离母体的运动,在计算过程中可以自动识别块体之间的新的接触关系。DEM能够较为准确地预测、模拟块体的运动特征,但它没有考虑应力和应变,因而使用上有很大的局限性。BEM以定义在边界上的边
11、界积分方程为控制方程,通过对边界分元插值离散,化为代数方程组求解。边界的离散比区域的离散方便得多,可用较简单的单元准确地模拟边界形状,最终得到阶数较低的线性代数方程组。由于它利用微分算子的解析的基本解作为边界积分方程的核函数,而具有解析与数值相结合的特点,通常具有较高的精度;由于BEM所利用的微分算子基本解能自动满足无限远处的条件,因而BEM特别便于处理无限域以及半无限域问题;BEM不适用于解决非均匀介质的问题。数值分析法简介数值分析法简介 数值分析法包括:有限单元法(FEMFinite Element Method)、边界单元法(BEMBoundary Element Method)、离散单
12、元法(DEMDistinct Element Method)等等,常用的软件有:ADINA、UDEC、FLAC等。FEM将连续的求解区域离散为有限个、并按一定方式相互联结在一起的单元的组合体,单元之间通过节点联接在一起。由于单元能按不同的联结方法进行组合,而且单元本身也可以有不同形状,FEM可以模拟任何形状的物体。根据模拟材料的本构关系,可求出每个节点的位移和所有单元的应力。FEM已有许多商业软件,我们要作的工作就是确定计算范围、给定边界条件,输入岩土物理力学参数,最后对计算结果进行整理分析。对于走向长度远大于高度的边坡,通常按平面问题来分析,范围和边界条件可按下图选取。有限单元法有限单元法
13、FEM通常采用三角形和四边形单元。概率法是20世纪70年代开始被用于边坡稳定性分析的。极限平衡法、数字分析法等都是把决定边坡稳定性的各种参数(C、E、等)看成确定值,所以稳定系数也是一个确定量。事实上,某些因素具有不确定性(如裂隙的产状、岩土强度参数等),边坡的稳定性也应该是具有某种分布的随机变量,边坡破坏有一定的发生概率。概率分析法用于分析节理岩体的稳定性时,将岩体的裂隙产状要素等视为随机变量,用数理统计理论确定其分布类型,建立概率密度函数,并求出特征值。概率分析法简介概率分析法简介 节理产状要素统计值的概率分布特点 节理倾角的概率分布 节理长度的概率分布 节理方位的概率分布 平面滑动概率分
14、析 楔体滑动概率分析 节理的方位用节理面法线在三维空间的单位矢量来表示,或用节理的极点表示。同一组节理的方位通常服从三维正态分布。如前所述,节理的概率圆半径与离散系数K和出现概率P的关系为:节理的长度的累积频率服从负指数分布:或韦布尔分布:同一组内的节理倾角分布服从正态分布,其概率密度函数为:平面滑动概率分析平面滑动概率分析 平面滑动时边坡的破坏概率PF 可以看成两个独立事件概率(破坏面的存在概率PE 和沿这些面产生的滑动概率PS)的复合概率:滑面的存在破坏主要取决于结构面的几何条件,即倾角及长度。只有那些倾角不陡于边坡角,且其长度足够使得在该倾角下由坡脚(或坡面)出露到坡顶的结构面,才能构成
15、可能的平面滑面。平面滑面存在概率也就是滑面的几何概率,它也是两个独立事件概率(倾角概率PD 和长度概率PL)的复合概率:。PDi 和PLi 都可以由相应的概率分布曲线下的面积求得。PE 的计算过程:确定滑面的倾角范围建立频率分布图计算PDi 和PLi 用PEi=PDi PLi 计算PE 根据已知的坡高和坡角计算某一倾角下(如第1组的31、第2组的33等等)构成滑面的最小长度(如L1、L2等),再根据长度累积概率曲线计算大于等于最小长度的概率(PL1,PL2等)。如 PL2=exp(-BL2C)平面滑动概率分析平面滑动概率分析 平面滑面存在概率也就是滑面的几何概率,它也是两个独立事件概率(倾角概
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