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不平衡推力法

不平衡推力法属于极限平衡法的一种,它只考虑各条块的静力平衡,不考虑其力矩平衡。该方法的基本假设如下图所示。

图1 作用在某一条块上的力系

基于该方法的基本假设,作用在i计算条块上的各作用力如下:

其中:

Wi

-

i计算条块的重量,条块地下水以下部分采用岩土体的饱和容重γsat

Fyi

-

作用在第i计算条块上的竖向外部作用力

Fxi

-

作用在第i计算条块上的水平外部作用力

Fi, Fi+1

-

条块间作用力,其作用方向分别为αiαi+1

图2 作用在某一条块上的水压力

Ui

-

作用在第i计算条块滑面上的总水压力

UVi,UVi+1

-

条块间的总水压力

将水压力UViUVi+1考虑到水平外部作用力Fxi中,则滑面上的法向作用力为:

滑面上的切向抗滑力为:

其中:

φi

-

岩土体内摩擦角

ci

-

岩土体粘聚力

li

-

i计算条块的滑面长度

i计算条块产生的剩余下滑力Fi(作用方向和该条块滑面方向相同,即αi)为:

将式(1)和(2)代入(3),即可得到剩余下滑力的表达式如下:

经过一定的形式变换,得到剩余下滑力的另一表达式:

分析中引入安全系数SF对岩土体强度参数ctanφ进行折减,于是式(4)转换为式(5),如下

根据式(5),采用迭代法,即可求得安全系数SF。迭代过程中,首先假定SF的初始值,取坡顶第一个条块的条间力Fi+1,即Fn = 0 kN,于是由式(5)可以求得第一个条块的条间力Fi,并以此作为第2个条块的Fi+1,依次递推,求出所有的条间力,若坡足条块的Fi0 kN,则调整SF的值,反复进行上述计算,直到坡足条块F0 = 0 kN,此时的SF即为坡体的安全系数。分析时,不考虑滑面上的拉力。如果满足平衡条件时,滑面上的法向力Ni为拉力,即岩土体受拉,那么在下一个迭代步中则取法向力为零,切向力Ti仅由岩土体粘聚力确定。

不平衡推力法对滑面的形状很敏感。当相邻滑面段倾角变化较大时,得到的安全系数通常会比真实的安全系数偏大。相关文献建议相邻滑面段的倾角变化以不超过10°为宜。分析时,软件会自动检测相邻滑面段的倾角变化,当变化量较大时,软件会弹出警告窗口,提示用户计算结果可能偏危险。对于圆弧滑面,由于滑面平滑,通常不会出现上述问题,但是对于折线滑面,当滑面非常不平滑时,往往会出现上述问题。

不平衡推力法 – 显式解

不平衡推力法显式解采用了另外一种方式来定义安全系数,隐式解中安全系数用于折减抗滑力,而显式解中安全系数用于增大下滑力。调整安全系数为增大下滑力的系数以后,求解安全系数的过程就不再需要迭代,只需一步便能求解出整个坡体的安全系数。显式解所得到的安全系数往往偏大,尤其是当相邻滑面段的倾角变化较大时。

显式解在式(4)的基础上将下滑力乘以安全系数SF,即作用方向沿滑动方向的力,于是得到以下等式:

为了更清楚的说明显式解原理,我们定义下滑力如下:

定义抗滑力如下:

传递系数如下:

于是,可以将式(6)简化为以下形式:

下一步,假设坡顶条块Fn = 0 kN,于是便可以求出各条块的条间力F

以此类推

由于坡足条块F0 = 0 kN,于是得到安全系数SF的表达式如下:

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