GEOSTUDIO

GEOSTUDIO（共3篇）

GEOSTUDIO 篇1

1 概述

随着世界上各个国家大规模工程建设的开展, 开始出现了各种边坡灾害, 造成了很大的损失, 例如泥石流威胁城市安全、滑坡导致交通中断、城镇被掩埋、公路中断等, 这些危害使得人们把边坡的稳定性研究作为一项课题来分析[1]。边坡稳定分析方法主要有刚体极限平衡法、数值分析方法、极限分析法、滑移线场法等。极限平衡法主要以摩尔—库仑准则作为基础, 通过给出假想的简单破坏面, 并将滑动面以上的滑体分成若干垂直条块, 建立静力平衡方程, 辅以一定假设条件计算得出结果, 刚体极限平衡法是目前岩土工程界最为广泛采用的方法, 原因在于其原理简单、计算方便、且能给出易于接受的稳定性指标[2]。本文运用Geo Studio软件, 以一简单粘性土坡为例, 分别采用3种简化方法搜索滑动面、计算稳定安全系数并对各条块进行受力分析, 并比较各种方法对安全系数的影响。

2 刚体极限平衡法基本理论

2.1 基本原理[1]

1) 安全系数的定义。

安全系数F的定义是将土的抗剪强度指标降低为c'/F和tan'/F, 则土坡沿着某一滑裂面滑动时达到极限平衡状态, 即:

将强度指标储备作为安全系数定义的方法是经过多年的实践证明, 已被工程界广泛承认的一种方法, 但在进行数值计算时会存在迭代、收敛等方面的问题。

2) 摩尔—库仑强度准则。

假设土体的一部分沿着某一滑裂面滑动, 在此滑裂面上, 土体处处达到极限平衡, 即正应力σ'n和剪应力τ满足摩尔—库仑强度准则。设土条底部的法向力和切向力分别为N和T, 则有:

其中, α为土条底倾角, tanα=dy/dx;u为孔隙水压力, 孔隙水压力系数定义为:

3) 静力平衡条件。

把滑动土体垂直分成若干土条, 每个土条和整个滑动土体都同时满足力和力矩平衡条件。在静力平衡方程组中, 未知量的个数超过了方程式的个数, 采用对多余未知数作假定来解决这一超静定问题, 使未知数的个数等于方程个数, 求解安全系数的值。

2.2 静力平衡方程[3]

对于如图1所示的条块i, 考虑垂直方向力的平衡。

类似地, 考虑水平方向力的平衡:

进一步考虑作用在条块i上的力对同一点 (x0, y0) (即滑动体的假想或实际转动中心) 的力矩平衡, 将会得到下面的关系:

其中, 滑动体的可能滑动方向自右上向左上时, 在出现两个计算符号处, 取上面一个计算符号;滑动体的可能滑动方向自左上向右下时, 在出现两个计算符号处, 取下面一个计算符号;Xni=xni-x0, Yni=y0-yni, Xpi=xpi-x0, Ypi=y0-ypi, Xp, i-1=xp, i-1-x0, Yp, i-1=y0-yp, i-1, Xci=xci-x0, Yci=y0-yci, Xqi=xqi-x0, Yqi=y0-yqi。对滑动面为圆弧滑动体时, 其圆心就是真正的求矩中心, 土条底部法向力Ni是通过圆心的, 无论土条底部法向力Ni的作用点位于土条底部哪一点, 它对圆心的力矩均为零。而土条底部剪切力Si对圆心的力臂就是圆弧的半径R。则式 (8) 可简化为:

处于极限平衡状态时, 作用在滑动土体上的所有的力应满足整体力和力矩的平衡。同一界面上的条间力是一对作用力和反作用力, 分析整体的力和力矩平衡时, 它们将相互抵消, 因此, 它们整体的力和力矩平衡方程中不会出现。根据式 (6) , 可得:

类似地, 根据式 (7) , 可得:

根据式 (8) , 可得:

对于圆弧滑动体, 式 (12) 简化为:

其中, 式 (10) 和式 (11) 分别为垂直方向及水平方向整体力的平衡方程;式 (12) 和式 (13) 为整体力矩平衡方程。

3 算例分析

1) 计算模型。图2为一简单粘性土坡, 高25 m, 坡比1∶2, 碾压土的容重γ=20 k N/m3, 内摩擦角φ=26.6°, 粘聚力c=10 k Pa。现对如图2所示的圆弧滑动面用常用极限平衡条分法进行安全系数的计算。

2) 计算成果。运用Geo Studio软件对图2的边坡进行稳定分析, 分别用瑞典法、Bishop法、Morgenstern-Price法和Spencer法进行计算, 各种方法计算的安全系数、临界滑裂面如图3~图6所示。

瑞典法的安全系数是1.345, Bishop法的安全系数是1.379, Spencer法的安全系数是1.378, Morgenstern-Price法的安全系数是1.378;由瑞典法计算得到的安全系数最小, Bishop法的安全系数最大, Bishop法、Spencer法和Morgenstern-Price法计算出的安全系数相当接近, 且Spencer法以及Morgenstern-Price法计算所得的安全系数相同;由此可以得出这样的结论:由于不考虑条间力的作用, 严格地说, 不满足条块力和力矩平衡条件, 仅能满足可能滑动体的整体力矩平衡条件, 用瑞典法得到的数值有较大的误差, 而Spencer法和Morgenstern-Price法这两种严格条分法计算得到的数值相对准确。

4 结语

本文论述了极限平衡法的基本原理, 运用Geo Studio软件分别用瑞典法、Bishop法、Morgenstern-Price法和Spencer法对算例进行计算分析比较。计算结果表明:非严格条分法由于不能严格满足条块力和力矩平衡条件, 仅仅满足滑动体的整体力矩平衡条件, 计算得到的安全系数有较大的误差;而严格条分法计算得到的安全系数相对准确。

参考文献

[1]陈祖煜.土质边坡的稳定分析——原理.方法.程序[M].北京:中国水利水电出版社, 2003.

[2]汪承亮.极限分析法在边坡稳定分析及挡土墙土压力计算中的应用[D].合肥:合肥工业大学, 2010.

[3]郑颖人.边坡与滑坡工程治理[M].北京:人民交通出版社, 2010.

GEOSTUDIO 篇2

土边坡稳定分析是堤防工程建设中比较重要的课题。 在实际施工过程中, 由于边坡出现失稳所带来的影响是比较大的。 如何准确、快速地解决土边坡失稳问题, 如何选择合理的评价理论和判别方法显得至关重要。 边坡失稳的影响因素很多, 例如土体结构因素、土体风化侵蚀因素、力学因素、扰动或气温变化等。 本文主要用刚体极限平衡法论证土体固有属性这一因素对边坡失稳的影响。

1 刚体极限平衡法

近几年, 随着土质边坡稳定性评价理论的发展及数值软件的开发, 人们在对土边坡自身稳定性进行分析的过程中, 在一定程度上分为以下几种方法:一是刚体极限平衡法;二是极限分析法;三是数值分析方法;四是滑移线场法;五是有限元法等。 其中, 刚体极限平衡法在现阶段岩土工程中得到了比较广泛的运用, 它以摩尔-库仑准则作为主要基础, 通过对简单破坏面进行相应的假想, 并将滑动面以上的滑体划分为若干垂直土条, 建立静力平衡方程, 计算每一个垂直土条在极限平衡状态下的抗力与下滑力的比值 (即为安全系数) , 再从所有土条中找到最小安全系数。极限平衡法主要包括:瑞典条分法、Bishop法、Janbu法、MorgensternPrice法。

瑞典条分法是条分法中最简单的一种方法, 因为此法假定各个土条为刚性不变形体, 不考虑土条两侧的切向作用力。 首先假定滑动面是圆弧面, 并将滑动面上的土体分成N个垂直土条, 将作用于土条上的力进行力和力矩的平衡分析, 从而计算出极限平衡状态下任意假定某个滑动面的抗滑安全系数Fs=Mf/M (最大抗滑力矩与滑动力矩之比) , 实际要求的是最危险的滑动面相对应的最小安全系数。此法适用于外形复杂、Φ大于0的粘性土且抗剪强度分布不同的土坡。

Bishop法也是条分法的一种, 在瑞典条分法的基础上考虑了土条两侧间相互作用力的影响, 迭代计算边坡安全系数过程中, 需对各个条块求和, 计算繁多复杂。 一般采用简化的Bishop法, 假定各土条底部滑动面上的抗滑安全系数均相同, 即计算整个滑动面的平均安全系数。 将安全系数定义为整个滑裂面的抗剪强度tf与实际剪应力t之比, 即K=tf÷t。

Janbu条分法假定土条间相互作用力是水平的, 其条间力作用点位于滑动底面以上三分之一的高度处, 且作用在条块上的重力、反力通过底面中点, 满足竖直方向的静力平衡条件, 求解滑动底面上的法向力。 在北方的冻土区, 冻融界面也会出现潜在的滑动, 但其滑动面是不规则的。 前两种方法只解决圆弧滑面的问题, 基于极限平衡法提出的Janbu法是用条分积分法来解决不规则形状滑动面的抗滑安全系数问题。 这对任意形状滑动面的边坡安全系数分析作出了重大的突破和改进。

Morgenstern-Price法是目前公认的对任意形状滑动面问题求解最好的条分法, 在建立极限平衡法基础上, 假定两相邻土条的法向力和切向力的作用, 设定水平方向坐标函数反应两力之间的关系, 建立满足力及力矩平衡的微分方程式, 最后根据整个土体的边界条件, 得出最危险滑动面的安全系数。

2 Geo Studio软件简介

Geo Studio软件是一款功能全面、强大、高效地适用于岩土工程和岩土环境模拟计算的仿真软件, Geo Studio软件主要包括SLOPE/W 、SEEP/W、SIGMA/W、 QUAKE/W等8个模块, 分别在边坡稳定性分析、地下水渗透分析、岩土应力变形分析、地震动力响应中应用广泛。 此仿真软件最大的特点是不同模型之间的数据可相互联系, 结合运用, 相互调用。 简单地说, 当用户需对一个工程作多种分析时, 只需将其模型的边界属性和材料特性等参数定义在一个模块中, 当其他模块对同一模型进行分析时, 无需再重复定义或输入模型参数。 这样高效建模、操作简单广受业界青睐。 Geo Studio软件中的SLOPE/W模块主要针对边坡开挖、 地震荷载、增强地基、岩土路堤、岩土边坡等问题模拟分析, 是分析边坡稳定问题的主流软件之一。

3 案例分析

试验主要利用Geo Studio软件针对土体固有的特性, 考虑土体自身的天然重度、内摩擦角和粘聚力的因素, 建立静力平衡方程, 计算分析出最小的一个垂直土条在极限平衡状态下的抗力与下滑力的比值, 得出四种最小安全系数。

结合简单土质边坡例题利用Geo Studio软件中的SLOPE / W分别对瑞典条分法、Bishop法、Janbu法、Morgenstern-Price法这四种方法分析比较。

3.1 模型假设

假设一简单粘性圆砾土坡模型 (图1) , 边坡高15m, 长33 m, 坡度比1:2, 粘土的天然重度γ=16.2 k N/m3, 饱和重度γ=17.5 k N/m3, 内摩擦角 Φ=13.4°, 粘聚力c=35.5 k Pa。 圆砾的天然重度γ=21.5 k N/m3, 饱和重度γ=22 k N/m3, 内摩擦角 Φ=23.1°, 粘聚力c=33.7 k Pa。

3.2 计算结果

运用Geo Studio软件对图1的边坡进行稳定分析, 分别用瑞典条分法、Bishop法、Janbu法、Morgenstern-Price法进行计算, 各种方法计算的安全系数、临界滑裂面分别见图2~图5。

4 结论

通过Geo Studio软件中SLOPE / W模块运行得出四种方法计算结果, 从图2~图5中可以得到:瑞典法的安全系数是2.938, Bishop法的安全系数是3.004, Janbu法的安全系数是2.834, Morgenstern -Price法的安全系数是3.019。 由Janbu法计算得到的安全系数最小, Morgenstern-Price法的安全系数最大。但是, 相互之间系数差距不大, 说明此土边坡固有属性因素对边坡滑坡的影响不大。通过多种理论方法论证此边坡的稳定性, 可以排除或确定影响边坡稳定的主要因素。 后期, 可在此模型上利用SLOPE / W模块或其他模块再考虑降雨周期、 渗透系数、施加荷载等因素对边坡失稳的影响。

利用Geo Studio软件中SLOPE / W提供的基于极限平衡理论的多种边坡稳定计算方法, 能快速高效、准确地对边坡稳定方面多种理论方法进行分析比较, 并计算出滑动面相关的信息及安全系数, 为设计人员在实际工程中大大缩短了设计周期, 也为指导边坡处治的设计方案提供了有利依据。

摘要：常用的瑞典条分法、Bishop法、Janbu法和Morgenstern-Price法是基于刚体极限平衡法的原理对土边坡稳定的安全性进行分析。而Geo Studio软件中SLOPE/W模块可同时对这4种方法模拟分析土坝体的安全系数和临界滑动面。对比这4种不同方法的边坡稳定系数, 确保工程的安全。

关键词：稳定性分析,极限平衡法,安全系数,GeoStudio软件

参考文献

[1]John Krahn.Stability modefing with slope[M].Canada:GEO-SLOPE/W International Ltd, 2004.

[2]李丹.考虑降雨入渗影响的膨胀土边坡稳定可靠度分析[D].安徽:合肥工业大学, 2012.

GEOSTUDIO 篇3

海盐是浙江省的一个行政县, 位处杭州湾北侧, 属嘉兴地区。北距上海118公里, 南离省会杭州98公里。全县陆地面积507.3公里, 人口36.4万, 综合实力百强县。全县境内钱塘江北岸标准海塘共35.7km, 是保护杭嘉湖平原的重要堤防。本研究应用国际先进的Geo Studio岩土工程设计分析软件中的SEEP/W (地下水渗流分析软件) 模块, 模拟“5612”号台风走北线袭击海盐县时, 钱塘江北岸海盐段标准塘的渗透稳定性情况。

1 程序简介

GeoStudio是一套专业、高效而且功能强大的适用于岩土工程和岩土环境模拟计算的仿真软件。作为优秀的岩土工程设计分析软件, GeoStudio目前已经为上百万科学研究人员、工程技术人员、教育工作者以及学生提供了无与伦比的帮助。GeoStudio是以GeoSLOPE为主体的一套地质构造模型软件的整体分析工具, 它包括八种专业分析软件, 其中SEEP/W (地下水渗流分析软件) 是第一款全面处理非饱和土体渗流问题的商业化软件。

SEEP/W用于地下渗流分析, 是一个有限元分析软件, 分析地下渗流及含水孔压力分散集中, 使用SEEP/W您可分析从简单的饱合稳态到复杂的不饱和时变。在SEEP/W模块中, 通过渗流有限元计算, 可以分析边坡在不均匀饱和条件、非饱和条件下的孔隙水压力, 也可以对边坡稳定时的瞬态孔隙水压力研究。通过瞬态分析, 可以得出不同时刻不同点的孔隙水压力状况。通过对孔隙水压力随时间变化的结果分析, 可以研究边坡、路堤稳定性与时间的关系。在分析水中介质扩散转移问题时水流速度是其中关键因素之一, 通过SEEP/W模块可得出水的流速, 然后在CTRAN/W模块中通过计算的水流速度可研究分析水中介质扩散转移。

2 非稳定渗流模拟计算

2.1 基本理论及计算断面

海塘受潮位、波浪的瞬息变化影响, 必须考虑非稳定渗流。GeoStudio的SEEP/W程序是针对饱和及非饱和多孔渗水材料渗流而编制的, 适用于稳定状态下有边界和非边界渗流、瞬态渗流、平面或横截面二维渗流和轴对称的三维渗流, 可用来研究钱塘江水位受台风、潮水影响的非稳定渗流, 求解的方法是基于三角形的有限元法。

选取海盐省管北岸险段标准塘五团~八团段断面作为计算代表断面进行二维渗流有限元数值模拟分析。该段标准塘完建于2003年, 设计重现期100年。该计算断面水文资料采用模拟“5612”号台风走北线, 登陆时遭遇大潮高潮位进行分析, 计算断面的非稳定渗流状态。采取的计算分析方法如下:

江河海潮大堤的渗流问题, 其水头函数h (x, z, t) , 对非稳定渗流问题应满足基本方程式:

自由面边界条件:

式中, h (x, z, t) —待求的水头函数;kx、kz—xz方向的渗透系数;Ss—单位储水量;μ—给水度。

引用有限元法将渗流场划分成有限单元, 离散渗流域进行数值求解如下方程:

求解此方程组, 则得t+△t时刻渗流场分布, 引用中线法计算过流单宽渗量、渗透坡降。

渗透稳定性判断采用安全比降法, 以土层出逸点渗透比降J小于或等于土体允许比降J c r作为安全标准。若J>J c r, 则认为土体产生的渗透变形将失去稳定性。其中J为出逸点的平均渗透比降, 分别按有限元方法和《堤防工程设计规范》 (G B5 0 28 6-98) 的公式计算。在有限元计算中, 须对渗流场中逸点所在单元的势函数梯度的模求单元平均, 即为平均渗透比降。规范法土体允许比降Jcr按照坡脚土体中性质最差的土体的临界比降值, 对堤坡渗流稳定进行对比、分析、判断。

堤身填土与地基土根据地质勘探资料, 详见表1。计算水位采用模拟“5612”台风走北线遭遇天文大潮引起的水位, 具体水位过程线详见图1。

2.2 计算结果分析

从计算结果中可以看出, 在模拟“5612”号台风走北线, 登陆时遭遇大潮高潮位的情况下, 钱塘江北岸海盐段标准塘能满足渗透稳定的要求。

从计算断面在涨落潮水位时渗流场及浸润线的变化可以看出:由于潮水的潮涨潮落, 在海塘的内部形成比较稳定的渗流状态, 其浸润线是一条介于平均高潮位与平均低潮位之间比较稳定的浸润线, 随潮位的变化, 海塘内的渗流场仅略有改变。

在外江高潮位时, 靠近迎水坡面的浸润线随水位下降非常显著, 而距迎水坡面较远的渗流场无明显变化。

考虑渗流的滞后作用, 在潮位降至低水位后, 海塘内的渗流场仍会有缓慢变化, 但由于两次潮水间隔比较短, 在渗流场略有变化时, 就迎来了下一次涨潮, 因此非稳定渗流变化的滞后作用对海塘内的渗流场并无太大影响。

总之, 海塘在潮水的长期作用下, 已形成比较稳定的渗流场, 潮位的短暂涨落对这一渗流场无太大的影响, 只是对临水坡影响比较明显, 对海塘中、后部基本没影响。所以在进行海塘稳定评估时, 潮水涨落对海塘渗流的影响可以作为某一水位下的稳定渗流考虑。

3 结语

钱塘江北岸海盐段标准塘水位为潮汐变化型水位, 遭遇类似“5612”台风这样的超标准风暴潮最高水位历时在2小时以内, 该历时远小于海塘形成稳定渗流的时间。海塘堤身渗透基本不受外江水位变化影响, 仅对临水坡处影响较明显, 对海塘堤身后部影响不明显。

摘要：利用GeoStudio岩土工程设计分析软件SEEP/W模块模拟“5612”号台风走北线袭击海盐县时, 钱塘江北岸海盐段标准塘的渗透稳定性情况。模拟结果表明海盐县境内标准海塘渗流稳定安全性能优良。且GeoStudio岩土工程设计分析软件SEEP/W模块具有良好的实用性能, 适用于海塘渗流稳定安全分析。

关键词：钱塘江北岸海盐段标准塘,“5612”号台风,渗透性能,GeoStudio程序,SEEP/W模块

参考文献

[1]GB50286-98.堤防工程设计规范.

[2]毛昶熙.渗流计算分析与控制 (第二版) .中国水利水电出版社, 2003.