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1、潜在滑移线法分析边坡滑动面及稳定性 第35卷第6期 2002年12月土 木 工 程 学 报CHINACIVILENGINEERINGJOURNALVol135 No16Dec1 2002张国祥 刘宝琛(中南大学)摘 要 提出了用潜在滑移线(面)理论分析边坡滑动面及稳定性的新方法。该方法根据弹塑性有限元的应力分析结果,用数值积分方法确定边坡的潜在滑移线(面)、最危险潜在滑移面和边坡稳定性安全系数,具有严密的理论依据。通过大量的边坡算例和实例分析得出,本文所提出用潜在滑移线(面)理论分析边坡稳定及潜在滑面是正确的,具有较强的优越性;常规边坡稳定性分析与本文方法所得到的最危险潜在滑移线(面)形状
2、和位置、边坡稳定安全系数均相差较大,常规法所得到的结果与实际与相差较大;岩土的变形参数变化对潜在滑移线(面)的形状影响较大,对边坡最危险潜在滑移线(面)的形状、位置及平均稳定安全系数影响不大;坡顶荷载变化对潜在滑移线(面)的形状、位置和边坡稳定安全系数均影响较大。关键词 潜在滑移线(面)理论 边坡滑动面及稳定性 数值积分中图分类号:TU432 文献标识码:A文章编号:1000Ο131X(2002)06Ο0082Ο04外,一般不可能通过特征线得出理论解,大部分问题1 引 言在岩土稳定性分析的工程实践中,几乎没有例外地都采用极限平衡法。对于边坡一般采用条分法,条分法是1916年由瑞典人彼德莱
3、提出的,后经过费伦纽斯、泰勒等人的不断改进,计算方法已日趋完善,其基本出发点都是一样的,就是假定岩土是理想塑性材料,把土条作为一个刚体,按极限平衡的原则进行受力分析,完全不考虑土体本身的应力应变关系。各种方法最大的不同之处仅仅在于对相邻岩土条之间的内力作不同假定,也就是如何增加已知条件使超静定问题变成静定问题。这些假定的物理意义不一样,所能满足的平衡条件也不相同,分析结果也就相差较大。[3、4]传统的滑移线理论,只适合于平面应变或轴对称问题,该理论比起极限平衡理论更严密一些,是岩土材料的一个重要理论。通过研究现有的平面应变滑移线理论,我们可以发现,现在的理论均是基于刚塑体的Prandl—Re
4、uss假设,假定岩土中所有点均达到破坏状态,不考虑岩土的变形过程,认为岩土是刚塑性材料,破坏以后可以无限地流动,只对岩土最后破坏状态进行研究,由静力平衡微分方程和强度准则联合求解岩土应力及特征线。这方面的专著和论文也不少,说明该理论在岩土界很受重视,但除个别情况收稿日期:2001207202,收到修改稿日期:2002Ο05Ο15铁道部科教司项目:2000G48[1、2]只能用差分法求解。而关键的问题是还没有象有限元法这样通用的差分法程序,只能针对具体问题编制相应程序。所以除进行科学研究外,很少有人会用差分法按传统的滑移线理论去求解实际岩土问题。在微型计算机飞速发展的今天,有限元方法的通用性和
5、成熟性,边坡的稳定性问题应该转向用有限元方法分析,弹塑性有限元方法不仅考虑了岩土的静力平衡条件,而且考虑了岩土的应力应变关系。尽管有人会说岩土材料的应力应变关系复杂,其力学参数很难准确地获得,这对分析结果会产生很大的影响。但弹塑性有限元分析结果,至少能保证岩土内各点满足静力平衡和破坏条件,而条分法不能严格地满足静力平衡和破坏条件。利用有限元分析边坡稳定性,能够揭示出边坡可能受损或破坏的部位、应力及应变的分布和大小,确实具有常规方法不可达到的优点。因此,弹塑性有限元分析结果肯定会更有说服力。但关键是如何利用有限元分析结果得出边坡稳定性指标,用一个什么样指标来评判边坡稳定性;边坡破坏时,如何用有
6、限元结果确定滑移面或潜在滑移面,暂无好的解决办法。因此,作者将针对以上问题进行研究,建立一套比传统滑移线(特征线)理论更严密、更普遍的潜在滑移线理论,根据潜在滑移线理论,用有限元分析结果建立一套确定边坡潜在滑移面和评判边坡稳定性的新方法,并编制了通用弹塑性有限元程序、前后处理程序和潜在滑移线求解程序。?1995-2006TsinghuaTongfangOpticalDiscCo.,Ltd.Allrightsreserved.2 潜在滑移线理论当岩土中某点被破坏时(一般是剪切破坏),必然存在两个破裂面,如果将各点的破坏面光滑地连接起来,在岩土平面内将得到两组滑移线。当岩土某点未破坏时,过该点必
7、然有二个最危险的潜在滑移面,同样,将岩土中各点最危险滑移面光滑地连接起来,可得到两组曲线,该曲线可叫做潜在滑移线。潜在滑移线的导数、潜在滑移面方向和大主应力作用线方向之间存在如下关系[5～8]dr=-9s9r9s9rdx--9r9s9s9rdyds=-9r9s9s9rdx--9r9s9s9rdy(3)θμ) μ=45°=tan(θ±-dx2θ—其中 ——为大主应力作用线与x轴的夹角:θ——为该点的最大应力偏
