滑坡计算方法(极限平衡法).pdf

6.3 极限平衡法 6.3.1 概述 6.3.2 简单（瑞典）条分法 6.3.3 简化毕肖甫法 6.3.4 Janbu法 6.3.5 Spencer方法 6.3.6 Morgenstern-Price方法 6.3.7 陈祖煜的通用条分法 6.3.8 总结 6.3.9 孔隙水压力的考虑 6.3.10 最小滑裂面的搜索 6.3.1 概述 极限平衡法是建立在（刚体）极限状态时 的静力平衡基础上； 不考虑变形协调条件与变形过程； 假设滑裂面（圆形或者任意）； 由于求解条件不足，总要一些假设； 000 [ eee Rfnn Mde Rctgde RcActg de Rτσϕσϕ⋅⋅⋅ ∫∫∫ ⌢ d A W o B R c s Mwd1 滑动力矩 3 安全系数 nn lσσ 其中是未知函数 2 抗滑力矩 圆弧滑裂面的稳定分析 s R M M F y x ab ∆ ∆ ∆ ∆Q Ei1 Xi1Ti Ni α α α αi hi ∆ ∆ ∆ ∆W Ei Xi 方程数静力平衡＋力矩平衡＝3n 滑动面上极限平衡条件＝n 未知数条块间力＋水平力作用点位置 ＝2n-1n-1 ＝3n-3 滑动面上的力＝2n 安全系数F ＝1 4n 5n-2 未知数－方程数＝n-2 q 图图图图6－－－－64 忽略土条体底部力Ni的作用 点位置 y xab ∆ ∆ ∆ ∆Q Ei1 Xi1Ti Ni α α α αi hi ∆ ∆ ∆ ∆W Ei Xi 安全系数定义 条块底部 F c c e eeeef tgsectgϕαϕτ iiiiii NxcNlclT∆⋅ F ϕ ϕ tg tg e enef tgϕστ c 极限平衡条件极限平衡条件极限平衡条件极限平衡条件 图图图图6－－－－65 几种极限平衡法 方法方法方法方法 整体圆弧整体圆弧整体圆弧整体圆弧 法法法法 简单条简单条简单条简单条 分法分法分法分法 毕肖普毕肖普毕肖普毕肖普 法法法法 普遍条分普遍条分普遍条分普遍条分 法法法法（（（（简布简布简布简布）））） Spencer 法法法法 Morgenst ern-Price 法法法法 滑裂面形状 圆弧 圆弧 圆弧 任意 任意 任意 假设 刚性滑动 体滑动面 上极限平 衡 忽略条间 力 考虑条间 力， ∆Hi0 推力作用 点 条间力的 方向（比值 常数） 条间力的 方向为一 个函数 条件 软粘土不 排水ϕn0 一般均质 土 一般均质 土 任意土（分 层土） 任意土 任意土 精度 Fs偏小 10 ∆Hi0， 误 差 2-7 比较难确 定 整体力矩 √ √ √ √ √ √ 各条力矩 √ ╳ ╳ √ √ √ 各条垂直力 √ （法向） √ √ √（法向） √ 平 衡 条 件 各条水平力 √ ╳ ╳ √ √（切向） √ 6.3.2 瑞典条分法 ∆ ∆ ∆ ∆Q Ti Ni ∆ ∆ ∆ ∆W α α α αi α α α αi α α α αi q q 假定圆弧滑裂面；不考虑条间力；只满足整体力矩平衡 方程数 未知数 5n-2-3n-12n1 4n O 图图图图6－－－－66 ∆ ∆ ∆ ∆x hei 瑞典条分法 S R e cossin tgsec M M R h QxqW Nxc F i iiii ii s −∆∆∆ ∆ ∑∑ ∑ αα ϕα 6.3.3 毕肖普法 假定 圆弧滑裂面；条间切向力0 方程数 未知数5n-2-n-14n-1 4n α α α αi α α α αi q O Ei1 hi Ei ∆ ∆ ∆ ∆Q Ti Ni α α α αi∆ ∆ ∆ ∆W q 图图图图6－－－－69 毕肖普法 0cossin sincos tg e e ee −∆−∆∆− ∆∆∆ ∑∑∑ R h QxqW tg xcxqW iiii ii i αα ϕαα ϕ F c c e F ϕ ϕ tg tg e 一个方程，一个未知数F，可解， 总试算。 6.3.4 Janbu法 假定 假定各土条间推力作用点连线为光滑连续曲线 ↔ “推力作用线” 方程数 未知数5n-2-n-14n-1 4n a b hi 推力线 Ei1 Xi1 hi Ei Xi ∆ ∆ ∆ ∆Q Ti Ni α α α αi ∆ ∆ ∆ ∆W q hi1 ∆ ∆ ∆ ∆hi 即假定了条块间力的作用点位置 图图图图6－－－－73 Janbu法 0}tg]tgtg1 [{ eee −∆−∆∆−∆−∆ ∑ ϕαϕαα iiiiii XxqWxcQ 此式可用于迭代求解安全系数 Fs，但尚须先得到 ∆Xi 6.3.5 Spencer法 假定 假定土条间的切向力与法向力之比为常数，即 方程数 未知数 5n-2-n-114n 4n ∆ ∆ ∆ ∆Q Ti Ni α α α αi hi ∆ ∆ ∆ ∆W q b a β β β β Xi Ei Pi β β β β Pi β β β β Pi1 Xi/ Ei tgβ β β β λ λ λ λ 其中其中其中其中λ λ λ λ待求待求待求待求 图图图图6－－－－78 Spencer法 补充一个方程根据力矩平衡条件得到 两个未知数F 、β 0]cosseccossin[sec eeeee ∆−−∆−∆−− ∑ ϕαϕαϕαϕβα iiiiii xcQW 优点β不必指定缺点在边界处β已知 1, 0 tan 10 10 xfxf xfxfλβ E ∆ ∆ ∆ ∆E X ∆ ∆ ∆ ∆X E X ∆ ∆ ∆ ∆Q T N α α α α∆ ∆ ∆ ∆W ∆ ∆ ∆ ∆V 6.3.6 Morgenstern-Price方法 yt y yyx yzx y x ab yt∆ ∆ ∆ ∆yt y∆ ∆ ∆ ∆y 假定 Morgenstern Price提出了具有一般性的方法 X / E tgβ β β β f0xλ λ λ λf1x λ待求，f1x为人为假定函数 f1xkxm 其中k、m为常数 f1x1 Spencer方法方法方法方法 f1x0 Bishop方法方法方法方法 图图图图6－－－－81 Morgenstern-Price方法 ∫∫ − b a b a xh x Q xEExfd d d dtg e αλ 两个未知数Fλ、两个方程，于是可以求解 tgtg1 d d tgtg d d d d sec tgtg d d tgtg1 d d ee 2 e ee αϕαϕα αϕαϕ −− −− x Q x V x W c x X x E 6.3.7 陈祖煜的通用条分法 y x ab yyx yzx 假定 陈祖煜在Morgenstern Price方法的基础上，提出了更具一般性的方法 X / E tgβ β β β f0x λ λ λ λfx 其中λ待求，，，，f0x、、、、fx 为人为假定函数 ∆ ∆ ∆ ∆Q T N α α α α yt ∆ ∆ ∆ ∆W q y yt∆ ∆ ∆ ∆yt y∆ ∆ ∆ ∆y β β β β G β β β β＋＋＋＋∆ ∆ ∆ ∆β β β β G∆ ∆ ∆ ∆G 图图图图6－－－－87 6.3.8 总结 方法方法方法方法 整体圆弧整体圆弧整体圆弧整体圆弧 法法法法 简单条简单条简单条简单条 分法分法分法分法 毕肖普毕肖普毕肖普毕肖普 法法法法 普遍条分普遍条分普遍条分普遍条分 法法法法（（（（简布简布简布简布）））） Spencer 法法法法 Morgenst ern-Price 法法法法 滑裂面形状 圆弧 圆弧 圆弧 任意 任意 任意 假设 刚性滑动 体滑动面 上极限平 衡 忽略条间 力 考虑条间 力， ∆Hi0 推力作用 点 条间力的 方向（比值 常数） 条间力的 方向为一 个函数 条件 软粘土不 排水ϕn0 一般均质 土 一般均质 土 任意土（分 层土） 任意土 任意土 精度 Fs偏小 10 ∆Hi0， 误 差 2-7 比较难确 定 整体力矩 √ √ √ √ √ √ 各条力矩 √ ╳ ╳ √ √ √ 各条垂直力 √ （法向） √ √ √（法向） √ 平 衡 条 件 各条水平力 √ ╳ ╳ √ √（切向） √ 图图图图6－－－－97 几种计算方法小结 极限平衡法边坡稳定分析的一些结论 Duncan 关于边坡稳定分析方法的结论（1980、1996） （1）瑞典条分法所得安全系数较小，在圆弧中心角较大和孔 隙水压力较大时，安全系数的误差较大。 （（（（2））））对于圆弧滑动面，Bishop法是足够精确的（除非遇到数 值分析困难）。对于土质比较均匀的边坡，Bishop法是实用可 靠的。其缺点是不能用于任意形状滑裂面。 （（（（3）））） 在很多情况下，总要使用任意形状滑裂面。仅使用静力 平衡方法的结果对所假定的条间力方向极为敏感。条间力假定 不合适将导致安全系数严重偏离正常值。 （（（（4）））） 满足全部平衡条件（静力平衡、力矩平衡）在任何情况 下都是精确的。相互误差 为12，一般可认为与正确解误差 值不大于6。 其它应注意的问题 1 局部极小值问题 2 孔压，地震力 3 强度指标选择 4 非线性强度指标 有效应力指标、总应力指标 不排水、固结不排水、不固结不排水 峰值强度、残余强度 无粘性土 a 3 0 lg P σ φφφ∆− 5 条分法的延伸计算挡土墙土压力、地基承载力等 图图图图6－－－－89 k k k k1min 1min1min1min k k k k2min 2min2min2min k k k k1min 1min1min1min k k k k2min 2min2min2min 图图图图6－－－－90 k k k k1min 1min1min1min k k k k2min 2min2min2min k k k k3min 3min3min3min 一些体会 （（（（1）））） 多用几种计算方法、多用几种搜索方法比较一下 （（（（2）））） 滑裂面不同，F也可能很接近；也就是，相近的 F可能 对应大不相同的滑裂面 （（（（3）））） 目前在条分方式、条间力假定上再研究似乎意义不大， 值得研究的可能是 （（（（4）））） 稳定分析不考虑边坡变形，而监测边坡稳定与否主 要依靠变形监测，问题如何建立变形与稳定的关系 避免局部极小值的搜索方法 三维边坡稳定分析 基于有限单元法的稳定分析 （（（（5）））） 三维计算比二维计算所得安全系数为大，但实际崩岸 、滑坡却均为三维情况，怎么解决这一悖论 问题 6.3.10 对应最小安全系数滑裂面的搜索 计算机被广泛应用之前， 由于计算能力限制，一般 限于圆弧滑裂面，对于不 很复杂情况可以通过经验 进行简单的搜索； 计算机大大增强了计算搜 索能力； 仿生学的理论方法引进 遗传算法、蚂蚁算法等。 E A D B O 图6－96 经验方法 基本原理 滑裂面曲线yyx，求Fmin即为求泛函F F yx的极值问题。 y x ab yyx 泛函来源 泛函函数的函数。 图图图图6－－－－97 滑裂面的描述 α α α αi α α α αi q O 圆弧滑裂面 圆心坐标x0, y0和半径 r 能够唯一确定，于是有 F F yx F x0, y0, r 此为三个自由度的函数。 图图图图6－－－－98 任意形状滑裂面 A1 A2 A3 A4 A5 A6 滑裂面yyx，用 m 个点离散。 记坐标 zi xi, yiT，，，，i1, 2, , m F F yx F x1, y1, x2, y2,, xm, ym 于是 m 个点可以直线相连，也可以用曲线（如样条函数）光滑连接。 滑裂面上任一点的坐标zi也可以用一 个初始滑裂面的相对坐标来代表，即 T000 , iii yxz       i i iii dzz β β sin cos 0 具体操作时，个别点固 定，个别点按某一要求 或某一方向移动。 图图图图6－－－－99 6.4.2 滑裂面的搜索方法 1. 原始区格法、枚举法 2.数值分析方法 1）模式搜索法单形法、Powell法 2））））牛顿法 4. 其它方法 负梯度法只利用一阶导数 DEP法利用二阶导数信息 1随机搜索法 2 模拟退火方法 3遗传算法 4蚂蚁算法 5粒子群优化算法 主要为了避免 局部极小问题 图图图图6－－－－100 6）动态规划法 7）神经网络二分法 区格法 区格法又称扫描法， 常用的适于圆弧滑动面的搜索方法。 区格法在固定搜索区域按照空间坐标进行 增量循环叠代搜索最小安全系数对应的临 界圆弧面。 计算极为费时，但能绝对保证一定精度上 的全局计算能力，主要是用来作为方法评 价的工具。 区格法 Y z m x m z 图6－101 临界滑裂面 枚举法 是一种原始和简单的方法； 根据一定的模式比较不同自变量Fx.y.R 的目标函数，筛选以后找到最小安全系数. 也常常配合一些优化方法，如优选法 （0.618提高效率。 数值分析方法 基于数学理论方法 包括模式搜索法与牛顿法。 模式搜索法单形法、Powell法， 牛顿法是一种求导数的方法负梯度法、 DEP法 单（纯）形法 将一个初始向量Z0，按 一定模式构成n个向量 Zi, 选定步长，使单形 不断逼进极值。 Ti pqzqzZ]_,..,[ 0 2 0 1 图6－102单形法搜索结果（ABC） 负梯度法 是牛顿法一种，寻找一个石使安全系数减 少速率最大的方向。 图6－103 1、2、3负梯度法搜索 遗传算法 20多年前密执安大学John. H. Holland等研究出 一种叫遗传算法的搜索算法； 设计一个体现自然界机理的软件系统，后来这一 算法被广泛应用于各种优化问题。 遗传算法是基于Darwin的进化论即适者生存的原 理和 Mendal的遗传学说。 将“优胜劣汰，适者生存”的生物进化原理引入待 优化参数形成的编码串群体中，按照一定的适应 值函数及一系列遗传操作对个体进行筛选，从而 使适应值高的个体被保留下来，组成新的群体， 新的群体中包含上一代大量信息，并且引入了新 的优于上一代的个体，群体中各个体适应度不断 提高，直至满足一定的极限条件。此时群体中适 应值最高的个体即为待优化参数的最优解。 遗传算法 遗传算法从一组随机产生的初始解，称为“种群 （Population）”，开始搜索过程 ； 种群中每个个体是问题的一个解，称为“染色体 （Chromosome）”。 这些染色体在后续迭代中不断进化，称为遗传。 生成的下一代染色体，称为“后代（Offspring）”。 后代是由前一代染色体通过“交叉（Crossover）”或“变异 （Mutation）”运算形成的。 新一代形成中根据适值的大小选择部分后代，淘汰部分后 代，从而保持种群的大小是常数。适值高的染色体被选中 的概率较高。 这样经过若干代之后，算法收敛于最好的染色体，它很可 能就是问题的最优解或次优解。 不同搜索方法的结果 图6－104 计算结果 a初始解b单形法 （c遗传算法（1000代）d遗传（200）＋单形法 蚂蚁算法 1992年，由Macro Dorigo在其博士论文作为一个 最主要的部分提出来的； 首先是针对路径优化方面用旅行商问题（TSP）来 进行验证的； 应用于互联网络的寻址方面也获得了很大的成 功； 这一算法思想也被引入到土坡稳定临界滑动面搜 索中来。 基本原理 下面一条线路的路程要比 上面那条线路要短，每只 蚂蚁要爬行的时间走下面 那条路径时间要少， 走下面线路的蚂蚁就要比 走上面那条线路的蚂蚁的 数量要多，下面这条线路 的信息素积累的速度就要 比上面线路信息素积累的 速度要快， 经过很短一段时间，两条 线路上蚂蚁信息素的差异 就大到足够影响新的下一 只进入这个系统的蚂蚁选 择路径的决策， 6-105 蚂蚁搜索最短路径示意 C D B A