Slide軟件與國(guó)內(nèi)規(guī)范在土坡穩(wěn)定分析中的對(duì)比研究

周 瓊，盧建青，高 郢，王 晶

（1.中海（廣州）工程勘察設(shè)計(jì)有限公司，廣東廣州 510277；2.中交天津航道局有限公司，天津 300450；3.南京水利科學(xué)研究院，江蘇 南京 210029；4.南京瑞迪建設(shè)科技有限公司，江蘇 南京 210029）

0 引言

土木工程中存在各式各樣的土坡，例如土石壩、渠道、路堤、岸坡等。分析判斷土坡的穩(wěn)定性，并對(duì)不穩(wěn)定土坡進(jìn)行處理，是工程師們十分關(guān)心的問(wèn)題[1]。

國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)規(guī)范土坡穩(wěn)定分析一般推薦采用瑞典圓弧條分法或畢肖普法。兩種方法均需要將滑動(dòng)土體分成若干土條，然后逐步對(duì)各土條進(jìn)行受力分析，計(jì)算過(guò)程繁雜，工程設(shè)計(jì)時(shí)一般采用成熟的商業(yè)軟件，或自主開(kāi)發(fā)程序進(jìn)行計(jì)算。對(duì)于無(wú)水的情況，瑞典圓弧法的計(jì)算公式唯一，當(dāng)土坡外存在水體的情況時(shí)，各軟件對(duì)水的處理方法意見(jiàn)不一[2]。Slide軟件是由加拿大Rocscience公司編制的土坡穩(wěn)定計(jì)算軟件，也是國(guó)內(nèi)各設(shè)計(jì)院較為常用的商業(yè)軟件之一。軟件對(duì)水的處理方法與國(guó)內(nèi)規(guī)范是否一致，有必要開(kāi)展深入研究分析。

本文分別采用Slide軟件和國(guó)內(nèi)規(guī)范公式對(duì)一均質(zhì)土坡進(jìn)行穩(wěn)定計(jì)算，并對(duì)土條的受力計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較分析，找出兩者差異，據(jù)此對(duì)邊坡工程設(shè)計(jì)工作提出合理化建議。

1 Slide軟件及規(guī)范法計(jì)算結(jié)果

某一均質(zhì)粘性土坡高7m，坡比為1∶1。地基土體天然容重γ=17.5kN/m3，飽和容度γsat=19.0 kN/m3，浮重度γ′=9.0kN/m3，粘聚力c=20kPa，內(nèi)摩擦角φ=15°，坡外水深2m，坡內(nèi)浸潤(rùn)線坡比為1∶5。分別通過(guò)Slide軟件及規(guī)范法[3]采用瑞典圓弧條分法計(jì)算該邊坡的整體穩(wěn)定。為使計(jì)算結(jié)果具有可比性，對(duì)同一特定圓弧滑動(dòng)面進(jìn)行計(jì)算，且滑動(dòng)土體均分為10個(gè)土條，土條寬度為1m，具體如圖1所示。

圖1 土坡滑動(dòng)土體土條劃分示意圖

Slide軟件及規(guī)范法對(duì)各土條的受力分析計(jì)算結(jié)果分別見(jiàn)表1和表2，Slide軟件與規(guī)范法計(jì)算結(jié)果分別為1.49，1.45。

表1 Slide土條受力分析計(jì)算表

表2 規(guī)范土條受力分析計(jì)算表

2 計(jì)算結(jié)果分析

分別以2號(hào)和6號(hào)土條（分別代表土條位于坡外水位以下及浸潤(rùn)線位于土條內(nèi)兩種情況）為例進(jìn)行分析。

Slide軟件中2號(hào)土條的受力分析示意圖如圖2所示。Slide軟件考慮水體對(duì)土條所有邊界的水壓力，相當(dāng)于土條重度取浮重度。土條底部抗剪強(qiáng)度計(jì)算方法按下式計(jì)算：

計(jì)算結(jié)果與表2中數(shù)值一致。

根據(jù)圖2計(jì)算土條底部的剪應(yīng)力：

6號(hào)土條受力分析示意圖如圖3所示。Slide軟件考慮水體對(duì)土條所有邊界的水壓力，相當(dāng)于土條重度取浮重度。土條底部抗剪強(qiáng)度計(jì)算方法按下式計(jì)算：

計(jì)算結(jié)果與表2中數(shù)值一致。

根據(jù)圖3計(jì)算土條底部剪應(yīng)力：

圖22 號(hào)土條受力分析示意圖

兩個(gè)土條底部剪應(yīng)力計(jì)算值與表2中數(shù)值不同，這是由于軟件給出的剪應(yīng)力是抗剪力與安全系數(shù)的比值。根據(jù)上述方法計(jì)算Slide中所有土條的滑動(dòng)力之和與抗滑力之和，得到邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)為1.49，與軟件計(jì)算值一致。根據(jù)以上分析可知，Slide軟件中采用瑞典條分法（Fellenius）（圖4）時(shí)邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)按下列公式計(jì)算：

圖36 號(hào)土條受力分析示意圖

規(guī)范中瑞典圓弧條分法（總應(yīng)力法）安全系數(shù)計(jì)算公式如下[3]：

式中：K——抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)；W1i，W2i，W′2i，W3i，W′3i——第i個(gè)土條浸潤(rùn)線以上土體的天然重量、浸潤(rùn)線與外坡水位線之間土體的飽和容重、浸潤(rùn)線與外坡水位線之間的土體浮重量、外坡水位線以下的土體飽和重量、外坡水位線以下的土體浮重量，kN；αi——第i個(gè)土條底面中點(diǎn)的徑向與豎直方向的夾角，（°）；φi，Ci——第i個(gè)土條底部土體的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，（°）、kPa；bi——第i個(gè)土條的寬度，m；ui——第i個(gè)土條底部的孔隙水壓力，kPa；γW——水的容重，kN/m3。

3 計(jì)算結(jié)果討論

通過(guò)上述分析，Slide軟件與規(guī)范法采用瑞典圓弧條分法的主要區(qū)別，在于計(jì)算滑動(dòng)力時(shí)浸潤(rùn)線與坡外水位線之間的土體（圖4中Ⅱ區(qū)）重度取值不同，規(guī)范法中Ⅱ區(qū)取飽和重度，而Slide軟件取浮重度，從而Slide中滑動(dòng)力計(jì)算值較小，安全系數(shù)計(jì)算值較大。

圖4 圓弧滑動(dòng)法示意圖

規(guī)范規(guī)定的邊坡穩(wěn)定最小安全系數(shù)與所采用的計(jì)算方法存在對(duì)應(yīng)關(guān)系，若所采用的計(jì)算方法與規(guī)范法不同，則最小安全系數(shù)應(yīng)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。當(dāng)采用Slide軟件計(jì)算土坡穩(wěn)定時(shí)，最小安全系數(shù)取值應(yīng)較規(guī)范值大，否則可能造成工程設(shè)計(jì)安全儲(chǔ)備不足。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，規(guī)范法與Slide軟件采用瑞典圓弧法計(jì)算土坡穩(wěn)定時(shí)計(jì)算公式略有差異，主要體現(xiàn)在計(jì)算滑動(dòng)力時(shí)土坡內(nèi)浸潤(rùn)線與坡外水位線之間的土體容重取值不同，規(guī)范法取飽和重度，而Slide軟件取浮重度，從而Slide軟件安全系數(shù)計(jì)算值較規(guī)范法稍大，因此，工程設(shè)計(jì)采用Slide軟件進(jìn)行土坡穩(wěn)定分析時(shí)，最小安全系數(shù)應(yīng)在規(guī)范限值的基礎(chǔ)上有所提高。