边坡稳定性分析及CAD图形处理技术.pdf

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1、第31卷 第4期2003年8月福州大学学报(自然科学版)Journal of FuzhouUniversity (Natural Science )Vol. 31 No. 4Aug. 2003文章编号文章编号:1000 - 2243(2003)04 - 0466- 04边坡稳定性分析及CAD图形处理技术许文达,程心恕(福州大学土木建筑工程学院,福建 福州350002)摘要摘要:采用简化BISHOP法编制FORTRAN程序进行边坡圆弧滑动时的整体稳定性计算,并用CAD接口软件将最危险滑动面的圆心和半径的搜索过程以及有关的计算结果进行CAD图形处理,增强了计算和分析的直观性.大量的实例计算表明,该

2、程序及相关的图形处理使用方便、 直观、 结果精确可靠.关键词关键词:边坡;稳定;安全系数; AutoC AD;等值线图中图分类号中图分类号: TU441.35; TP391.72文献标识码文献标识码: AStabilityStabilityanalysisanalysis ofof slopeslope andand CADCAD graphicgraphic processingprocessing techniquetechniqueXU Wen- da , CHENG Xin - shu(Collegeof Civil Engineeringand Architectures, Fuzh

3、ouUniversity, Fuzhou, Fujian350002, China )AbstractAbstract: A FORTRANprogram is com posed to analyze the stability of the slope base by use of theBISHOPs simplified methodof slice. The calculation result and the process which the most dangeroussliding surfaceis studied are showedon drawingby meanso

4、f AutoC AD. The result showsthat the pro2gramand the graphicprocessingare reliable and practical in slope designing.K Keyweywordsords: slope; stability; safetyfactor; AutoC AD; contourmap目前,对边坡稳定性分析广泛使用的方法是极限平衡方法和数值分析方法.对于极限平衡方法,有瑞典条分法, Janbu法、Sarma法、BISHOP法、 楔形体滑动法、 对数螺旋线法、Spencer法、 余推力法和优化法等.各种条分法

5、的对比说明,在参数相同的情况下,采用不同的计算假设,相互之间结果差别不大,误差主要来源于参数的取值种方法.其计算公式为:n1 , 2.对于数值分析方法,主要有有限元、 边界元、 离散元等.本文将采用简化BISHOP法计算边坡安全系数,由于其计算不很复杂,精度较高,所以是目前工程中很常用的一1iFs=i=1mcibi+2wi(1 +K C) -uibitgi3HZni=12wi(1 +K C)sini+3HZni=1K C)w lRHZi i- 1(1)isin式中:mi= cosi+ tgi,wi为土条自重(kN) ,bi为土条宽度(m) ,i为土条底边倾角,ci为土的有效凝聚力(kPa) ,

6、i为土的有效内摩擦角,R为滑动圆弧半径(m) ,ui为作用于土条底边上的孔隙水压力(kPa) ,li为土条重心至滑动圆心垂直距离(m) ,KH为水平地震加速度,CZ为综合影响系数.1 1BISHBISHOPOP法稳定分析程序编制法稳定分析程序编制边坡整体稳定性的计算是很繁琐的,若用手工计算,不仅工作量大而且很容易出错,为此本文采用目前工程中很常用的简化毕肖甫法,根据前述简化毕肖甫法的基本原理用FORTRAN语言编制了相应的计算程序,计算边坡整体稳定的最小安全系数.但上述原理都是计算某个位置已确定的滑动面的稳定安全系数,而滑动面有无穷多个,每一个滑动面有其相应的稳定安全系数,真正代表边坡稳定程度

7、的收稿日期: 2003- 01 - 06作者简介:许文达(1973- ) ,男,硕士,讲师. 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.第4期许文达,等:边坡稳定性分析及CAD图形处理技术467安全系数则是各个滑动面安全系数中的最小者,其对应的滑动面才是最危险滑动面.确定最危险滑动面的位置,即滑动圆弧的圆心和半径是边坡稳定分析的主要内容,需通过多次试算才能完成.1. 1. 1 1对给定滑弧圆心寻找最危险的滑弧半径对给定滑弧圆心寻找最危险的滑弧半径在给定滑弧圆心的情况下,只要确定滑弧半径则滑动面就

8、唯一确定,对不同的滑弧半径,其滑动面的安全系数是不同的,故须首先确定安全系数最小的滑弧半径,根据费伦纽斯(W. Fellenius)提出的经验方法,对于均匀粘性土边坡,最危险滑动面一般通过坡脚,由此可取滑弧圆心到坡脚的距离为滑弧半径的初R(R为半径的搜索步长;i= 0 ,始值R0,并以此初始值进行搜寻,计算不同的半径R=R0+i2 ,n)时的安全系数,选取其最小值作为该给定滑弧圆心的最危险滑动面的安全系数.对于非均质的、 边界条件较为复杂的或有挡土墙的边坡,最危险滑动面的滑弧半径初值R0可根据具体情况选取.1. 1. 2 2计算不同滑弧圆心的最危险滑弧计算不同滑弧圆心的最危险滑弧由上述计算可知

9、,对每一滑弧圆心都有一相应的最危险滑动面及最小安全系数,故须在一定范围内计算一系列滑弧圆心的最小安全系数,并选取其中最小的作为边坡整体稳定的安全系数.计算时可在最危险滑动面圆心可能出现的位置确定一四边形区域3,并将其划分为一定边长四边形网格,计算每一网格点上的最小安全系数,最后选取所有网格点上的最小值作为边坡整体稳定的最小安全系数,其相应的滑动面即为边坡的最危险滑动面.如果对边坡最危险滑动面圆心的位置不能进行较准确的估计时,可首先在较大的范围内进行搜索,确定出圆心的大致位置,然后再在较小的范围内更精确的搜索其圆心的位置.1. 1. 3 3程序框图程序框图上述计算程序用FORTRAN语言编制而成

10、,本文只给出简略的框图3 ,见图1.图1边坡稳定性计算程序框图Fig.1Flowchart of computationprogramof slope stability 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.468福州大学学报(自然科学版)第31卷2 2边坡稳定的计算机辅助设计边坡稳定的计算机辅助设计利用计算机程序确定边坡的最危险滑动面时,需要进行大量的搜索和计算,为了更直观地反映最危险滑动面及相应滑弧圆心和半径的搜索原理和过程,以及不同的滑动面的安全系数的变化规律,可借助计算机程序和有关

11、的数据、 图形处理软件来进行边坡整体稳定的计算和设计.2. 2. 1 1利用利用PDPD程序绘制最小安全系数的等值线图程序绘制最小安全系数的等值线图搜索最危险滑弧圆心时,是在某一区域划分一四边形网格并计算每一网格点上的最小安全系数,为了分析最小安全系数随圆心的变化规律,可认为该最小安全系数是圆心坐标的函数,将FORTRAN程序的计算结果通过数据文件与自编程序PD软件接口,并利用PD绘制其等值线图,这样便可直观地反映其变化规律,并为边坡的最危险滑弧圆心的进一步搜索提供依据和帮助,也可直接在等值线图上确定最危险滑弧圆心.2. 2. 2 2利用图形处理软件利用图形处理软件AutoCADAutoCAD

12、绘制边坡最危险滑动面绘制边坡最危险滑动面在用FORTRAN程序进行边坡整体稳定性计算时,还可利用DXF数据文件与AutoC AD接口,当边坡的整体稳定计算完成后,通过上述数据文件将有关边坡整体稳定性计算的信息传递到AutoC AD,将边坡的最危险滑动面、 滑弧圆心、 滑弧半径及边坡的形状绘制成图形,并可绘出滑弧圆心的搜索网格等,以便于进行边坡整体稳定性的直观分析、 设计方案的制定和修改以及资料的保存等.3 3工程实例分析工程实例分析尤溪县尤口线路公路自尤溪至尤溪口,连接316国道,全长约40 km,公路依山伴水,沟谷较多,雍口电站水库正常蓄水位87 m ,公路高程约91. 8 m ,公路地基以

13、挖填为主,公路外边坡为人工素填土.自尤溪雍口水电站蓄水发电以来,雍口拦河坝上游6km范围内有四处发生较严重的外坡塌滑.其中 号塌滑区(K24 + 880K25 + 000)路面已破坏3m ,影响到道路的正常行车.本文取图2典型填土断面(K24+ 890)为计算剖面进行整体稳定性分析.图2外边坡断面示意图Fig.2Sketchmapof slope section根据经验初步估计出滑弧圆心的大致位置,然后以此为中心确定一个4m4m的四边形网格进行较大范围的圆心搜索(搜索区域见图4) ,通过FORTRAN程序计算每个网格点上的最小安全系数并取最小值,所对应的圆心即是最危险滑弧的圆心,相应的安全系数

14、即为边坡的最小安全系数.计算结果为:边坡最危险滑动面的圆心坐标为(37. 75 , 108. 72) ,半径R= 33. 876 m ,安全系数Fs= 1. 175 ,并利用AutoC AD打开程序生成的滑动面及搜索网格图(如图3所示) .如果要进行更精确的计算,则以上确定的圆心为中心划分更细密的网格进行较小范围的搜索,可得结果为:圆心坐标为(37. 05 , 107. 63) ,半径R= 33. 13m ,安全系数Fs= 1. 184 ,与前面计算结果很接近.四边形网格区域内最小安全系数随圆心位置 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., L

15、td. All rights reserved.第4期许文达,等:边坡稳定性分析及CAD图形处理技术469变化的等值线图如图4所示.图3算例边坡稳定性计算结果图Fig.3Computationresult sheetof slope stability图4算例边坡安全系数等值线图Fig.4Contour mapof slope safetyfactor4 4结语结语用边坡整体稳定性计算程序对不同类型的边坡、 土石坝进行计算,结果表明该程序计算方法合理,程序使用方便,计算结果精确可靠,再辅以计算机图形处理,使边坡整体稳定性的计算、 分析和设计更为方便和直观.参考文献参考文献:1 华东水利学院土力学教研室.土工原理与计算M.北京:水利出版社, 1980.2 陈仲颐.土力学M.北京:清华大学出版社, 1994.3 Y ANG HUANGH.土坡稳定分析M.包承纲译.北京:清华大学出版社, 1988. 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.