滑坡下滑力计算的显式解与隐式解应用探讨

在滑坡的下滑力不平衡传递系数法计算公式选用中,目前主要有显式解与隐式解两大类。

一、两者的计算模型思路

1、显式解

显式解是1960s由我国滑坡奠基人徐邦栋先生创建,最先应用于铁路滑坡的下滑力计算中。其主要计算思路是给予滑坡下滑力分项中一定的安全系数,对滑坡的下滑力进行计算。即:

图1 下滑力计算示意图

En=K×Wnsinαn-Wncosαntanφn-CnLn+ψnEn-1       (1)

ψn=cos(αn-1-αn)-sin(αn-1-αn)tanφn                    (2)

2、隐式解

隐式解即滑面参数的强度折减法,主要计算思路是对滑面的参数tanφn 和Cn同时赋予一定的安全系数进行强度折减,从而求出其在一定安全系数下的滑坡下滑力。即:

En=Wnsinαn-Wncosαntanφn/K-Cn/K×Ln+ψnEn-1       (3)

ψn=cos(αn-1-αn)-sin(αn-1-αn)tanφn/K                       (4)

 二、两者的特点与异同

1、采用不平衡传递系数法的模型决定了显式解和隐式均不是严格解,但总的来说隐式解略胜一筹。尤其是在前、后段滑面形态变化越大,显式解和隐式解之间的下滑力计算结果相差就越大。这两者之间的差异,如同边坡计算中所采用的瑞典条分法与简化毕肖普法之间的差异,这也是很多规范推荐采用隐式解的原因。
2、显式解公式简单明了,计算方便,也是我国几十年来滑坡防治计算的最主要计算模型公式 ,在长期的使用过程中形成了一套行之有效的配套措施,自从问世以来深受我国广大地质灾害人的喜爱而广泛应用,这也是目前公路、铁路系统滑坡防治时,规范所推荐采用的计算公式。
3、近年来,隐式解在一些行业或重要滑坡的防治中,采用基于强度折减的有限法进行坡体稳定性分析,并取得了良好的工程效果。但由于在计算中对tanφ和C采用了同步折减,而仍保持泊松比不变,导致边坡内部的塑性区会出严重夸大的情况,从而影响计算结果的准确性。
4、从显式解和隐式解的公式中可以推导得出,只要滑面的形态呈直线,那么两者之间关于下滑力计算结果是一致的。换句话说,只要下滑力计算中,所采用的公式不存在迭代,那么两者之间计算结果是一致的。
四、安全系数的选取
在现行规范中分别选用了不同的安全系数。究其原因,就是由于显式解和隐式解的计算结果有所偏差所致。因此,规范中往往对显式解计算采用相对较低的安全系数,而对隐式解计算时采用相对较高的安全系数。如
同为高等级公路的高速公路和一级公路,《公路滑坡防治设计规范》中显式解天然工况下的安全系数在为1.2~1.3,暴雨工况下的安全系数为1.1~1.2;而在国标《滑坡防治设计规范》中隐式解天然工况下的安全系数在为1.3,暴雨工况下的安全系数为1.25。
同为危害较严重的二级公路,《公路滑坡防治设计规范》中显式解天然工况下的安全系数在为1.15~1.2,暴雨工况下的安全系数为1.1~1.15;而在国标《滑坡防治设计规范》中隐式解天然工况下的安全系数在为1.25,暴雨工况下的安全系数为1.2。
同为危害的三、四级公路,《公路滑坡防治设计规范》中显式解天然工况下的安全系数在为1.1~1.15,暴雨工况下的安全系数为1.05~1.1;而在国标《滑坡防治设计规范》中隐式解天然工况下的安全系数在为1.2,暴雨工况下的安全系数为1.15。
表1 公路与国标滑坡规范中的安全系数取值
通过以上比较可以看出,虽然隐式解较显式解具有相对符合坡体实际情况的计算结果,但由于隐式解在规范中选取了较显式解更高的安全系数,从而造成两者在最终的下滑力计算结果上相差不大。正如工程实践中的边坡计算中,采用瑞典条分法时的安全系数往往较采用简化毕肖普法时的安全系数低是一个道理的。
因此,即使隐式解在理论较显式解更具有优势,但由于在工程实践中的下滑力计算时选取了不同的安全系数,造成两者之间的最终计算结果差异可以忽略。由此,在工程实践中不必过于纠结于采用显式解还是采用隐式解进行滑坡下滑力计算。
其实,对于滑坡的下滑力计算,我们更关注的是对滑坡计算具有重大影响的滑坡地质模型分析。如滑面的合理勾绘、滑面参数的合理选取才是滑坡有效处治的核心与关键,我们大可不必过于纠结锦上添花式的计算模型选用。因为,在工程实践中采用安全系数对两者所计算的下滑力进行了必要的调节。
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