[科普中国]-土坡稳定极限平衡法

土坡稳定性分析

土坡稳定分析是指对土坡滑动面上滑动因素与抵抗因素之间的相互平衡关系的分析。土坡在重力和其他外力作用下都有向下和向外移动的趋势，如果土坡内的土能够抵抗住这种趋势，则此土坡是稳定的，否则就会发生滑动。土坡丧失稳定性时，一部分土体相对其下面土体产生滑动。滑动因素主要包括土体的重力和其他外力在滑动面上促进滑动的切向分力。抗滑因素主要是指土体的抗剪强度产生的抵抗力。边破稳定性分析是岩土力学与工程中最重要的理论与实践课题之一 ， 也是经典土力学最早试图解决而仍未圆满解决的课题 。近十年来，我国新建了许多水利水电设施、 矿山、港口、高速公路 、铁路等工程，它们在建设及建成后，形成了大量的边坡稳定性问题，特别是西部多山地区，公路、铁路沿线存在大量边坡，其稳定与否，对整个工程的可靠性、 安全度以及社会经济效益均有重大影响 。如果不加大研发力度、 完善现有方法，不但会阻碍国内设计、 施工技术的提高，也会浪费国家有限的资金，并且会对地区的发展造成负面影响。另一方面，实际边坡的设计和稳定性评价，通常需要假定最危险滑动面的 (即临界滑动面) 的形状和位置，求出边坡的最小安全系数。当潜在滑动面被假定为圆弧状时， 临界滑动面可以不借助复杂的优化技术就能搜索出满意的结果。但一般来讲， 无论是由静力还是由地震力引起的破坏，滑动面都是任意形状，而不是严格的圆弧 。尤其是形状复杂、材料性质多变的边坡，其临界滑动面的形状与圆弧的差别就越大。因此，任意形状临界滑动面的确定及对应的最小安全系数的计算更具有理论价值和实际工程意义。所以，边坡稳定性分析方法的研究，即属于土力学的基础研究，又具有明确的实际工程应用背景1。

极限平衡法极限平衡法是根据斜坡上的滑体或滑块的力学平衡原理（即静力平衡原理）分析斜坡各种破坏模式下的受力状态，以及斜坡上的抗滑力与下滑力之间的关系来评价斜坡的稳定性。该方法以摩尔一库仑的抗剪强度理论为基础，将滑坡体划分为若干垂直土条，建立作用在这些垂直土条上的力的平衡方程式，求解安全系数，即通常所说的条分法，该方法在以下3方面引入了简化条件：对滑裂面的形状作出假定，如假定滑裂面形状为折线、圆弧、对数螺旋线等；放松静力平衡要求，求解过程中仅满足部分力和力矩的平衡要求；对多余未知数的数值或分布形状作假定。上述3个简化条件使条分法的严密性受到损害。20世纪40年代以后。不少学者对条分法作了一些改进，主要通过以下两个方面体现：探索最危险滑弧位置的规律；对基本假定作了修改和补充。其中毕肖普提出的关于安全系数定义的改变，对条分法的发展起到非常重要的作用。毕肖普等将土坡稳定安全系数定义为沿整个滑裂面的抗剪强度与实际产生的剪应力之比，这就使安全系数的物理意义更明确，而且使用范围更广泛。由于其力学模型简单，故已应用于大量的工程实践中，积累了丰富的实际经验 ，而且有依据规范的指导。是占主导地位的一种分析方法，但由于该方法没有考虑到土体的应力 - 应变性质，不能求出失稳时土体内部各处的应力和应变，所求得的安全系数也只能反映已假定滑面（包括位置和形式）上其大小，并不能反映土坡的破坏机理，不能求出失稳时土体内部各处的应力与应变 。所以，采用这种方法求出的是一种综合性近似解答。优点：力学模型简单，使用方便，抓住了问题的主要方面；已积累了丰富的经验；有规范的指导。