土质边坡稳定程序设计

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摘 要：目前,圆弧滑动条分法仍是土质边坡稳定分析最主要的方法,通过FORTRAN90语言对瑞典法和毕肖普法进行编程,可以容易的计算土质边坡在有地震力或无地震力时的安全系数.可以根据滑弧圆心和弧脚的变化范围,用优选法选择最危险的滑弧,求得最危险的安全系数.

关键词：边坡 稳定分析 程序设计 安全系数

中图分类号：TU7 文献标识码：A 文章编号：1007-3973（2012）002-001-02

1.前言

土坡滑动的滑动面多呈圆弧形.圆弧条分法的最大特点是简单实用、能较为直观的给出安全系数,即使在进行抗滑稳定分析前引入了一系列简化假定,也对计算结果的精度损害不大,因而在工程项目中仍被广泛使用.随着计算机技术的高速发展,此法的计算量也得到了大大简化,但因影响边坡稳定的外界因素较多,国内外尚无统一通用的软件面市.鉴此,本文采用FORTRAN语言对土坡的抗滑稳定进行编程,能较为快速有效的找出最危险滑弧圆心及安全系数.

2.圆弧形滑动分析方法简介

圆弧形滑动边坡稳定分析方法主要包括瑞典法、毕肖普法和传递系数法,以前两种应用较为广泛.在考虑有稳定渗流和地震力的条件下,瑞典法与毕肖普法安全系数计算公式分别如式（1）、式（2）所示.

（1）

（2）

其中：F－安全系数,Ci－条块滑面上的内聚力,Li－分条所截滑面段的长度, －内摩擦系数,Wi－土条重,Ev－垂直地震惯性力,Eh－水平地震惯性力, －作用于土条两侧水压力, i－通过条块重心的生垂线与底边法线的夹角,Ui－作用于条块底面上的水压力.适用毕肖普法计算安全系数时,需要通过迭代法进行求解,先假定一个F值,代入公式后求得一个新的F值 ,再以新值进行叠代计算,直到满足为止（ ― 计算精度 ,F*― 叠代计算中的新值）.

3.程序设计

3.1 数据准备

采用优选法进行安全系数的计算,根据事先给定的滑弧圆心和弧脚可能变化的范围,寻找最危险的滑弧,再计算相应的安全系数进行比较.

通常,边坡并非由同种均匀的土体组成,而是由若干物理力学指标不同的土质区域构成,为此,可事先在Auto CAD中建立二维直角坐标系,自下而上通过标号的形式,对边坡土层进行划分.其次,标明各土层顶面的拐点序号,同时也得到这些折点的坐标值.如图1所示（①②③等为折点序号,1、2、3等为土层编号）,这样处理可以清楚的表达所划分土条所在的土层,程序在优选出滑弧圆心和弧脚坐标后（或指定滑弧圆心和弧脚坐标）,自动搜索选择相应的容重、内摩擦系数和内聚力,同时,按照计算要求,通过式（1）、（2）增加或减少相应项目分子分母项,便可计算土条重和安全系数.如第i个土层重（为第i个土条在第2各土层中的重量,为第i个土条在第6各土层中的重量）.需要输入的已知数据如表1所示.

3.2 程序框图

FORTRAN语言是工程类数值计算应用较为广泛的计算机语言.本程序用FORTRAN90语言编写,共有3个程序段,其中包括一个主程序段和2个子程序段,主程序主要通过文件输入的形式进行已知变量的赋值,并指令相关子程序运行.子程序分别用于规范显示坡面折点坐标和相关参数计算.程序框图如图2所示.

图2

4.算例

假设如图1所示土石坝坡面,稳定渗流期,无地震,无外荷载.上游水位y坐标为27.5米,坝体共采用两种土料,如表2所示.

表2 土层物理指标

按照数据准备的要求,建立相关坐标系,在数据文件中输入相应数据,程序计算结果与STAB边坡稳定分析程序对比情况如表3和图1所示.

表3 安全系数对照表

5.结语

通过以上计算可以看出,利用编制的程序进行土坡安全系数计算,在大大简化计算工作量的同时,还可以根据计算要求调整相应的选项,如可以选择有无地震、有无稳定渗流,可以根据滑弧弧脚和弧底可能通过的土层数,自主拟定计算方案等,与其它单一方法单一计算程序相比,有很大的自主选择空间.其次,计算成果与STAB程序计算结果相近,具有一定的适用价值和参考价值.