设土坡安全系数为Ks,它等于第i个土条的安全系数,由库仑强度理论有
式中,FTi———土条i在其滑动面上的抗滑力;
Ks———土坡和土条的安全系数。
按整体力矩平衡条件,滑动体ABC上所有外力对圆心的力矩之和应为0。在各土条上作用的重力产生的滑动力矩之和为
滑动面上的法向力FNi通过圆心,不引起力矩,滑动面上设计剪力FTi产生的滑动力矩为
由于极限情况下抗滑力矩和滑动力矩相平衡;所以令上述两式相等,则
这是最简单的条分法的计算公式。由于忽略了土条之间的相互作用力;所以由土条上的3个力FWi、FTi和FNi组成的力多边形不闭合,所以瑞典条分法不满足静力平衡条件,只满足滑动土体的整体力矩平衡条件。尽管如此,由于计算结果偏于安全,在工程上仍有很广泛的应用。
需要指明的是,使用瑞典条分法仍然要假设很多滑动面并通过试算分析,才能找到最小的Ks值,从而找到相应的最危险的滑动面。1
取法线方向力的平衡,可得
各土条对圆弧中心O的力矩和为0,即
式中,xi———圆心O至FWi作用线的水平距离,xi=Rsinθi。
将式②代入式得
这就是用有效应力方法表示的瑞典条分法计算Ks的公式。
经过多年工程实践,对瑞典条分法已积累了大量的经验。用该法计算的安全系数一般比其他较严格的方法低10% ~20%;在滑动面圆弧半径较大并且孔隙水压力较大时,安全系数计算值估计会比其他较严格的方法小一半。因此,这种方法是偏于安全的。
(1)如果同一土条跨越多层土,计算其重量时应分层取相应的高度和厚度,计算相应重量后叠加。如第i个土条包括k层土,则
FWi=bi(γ1ih1i+γ2ih2i+…+γkihki)
(2)计算滑动面上的抗剪强度时,所用的土性参数c、φ应按土条滑动面所在的具体土层位置来选取相应的数值。如当第i个土条的滑动面在第m层内时,则
FTfi=cmilmi+FNitanφmi
当第i个土条的滑动面跨越m层土,则
FTfi=(c1il1i+c2il2i+…+cmilmi)+FNi(tanφ1i+tanφ2i+…+tanφmi)。
提示:FNi是第i条土滑动面上的法向反力之和,FNi=FWicosθi,与土条自重有关,而与滑动面上土层土性没有直接关系。因此,对于成层土坡,可用下式计算其安全系数:
式中,FTi=FWisinθi
(1)根据土坡坡度或坡角β,由下表查出相应 α1、α2的数值。
(2)根据α1角,由坡脚A点作线段AE,使角∠EAB=α1;根据 α2角,由坡顶B点作线段BE,使该线段与水平线夹角为α2。
(3)线段AE与线段BE的交点为E,这一点是 φ=0的粘性土土坡最危险的滑动面的圆心。
(4)由坡脚A点竖直向下取坡高H值,然后向右沿水平方向线上取4.5H,并定义该点为D点。连接线段DE并向外延伸,在延长线上距E点附近,为 φ >0的粘性土坡最危险的滑动面的圆心位置。
(5)在DE的延长线上选3~5个点作为圆心O1、O2、O3…,计算各自的土坡稳定安全系数K1、K2、K3…。而后按一定的比例尺,将Ki的数值画在过圆心Oi与DE正交的线上,并连成曲线(由于K1、K2、K3…数值一般不等)。取曲线下凹处的最低点O′,过O′作直线O′F与DE正交。O′F与DE相交于O点。
(6)同理,在O′F直线上,在靠近O点附近再选3~5个点,作为圆心O′1、O′2、O′3…,计算各自的土坡稳定安全系数K′1、K′2、K′3…。而后按相同的比例尺,将K′i的数值画在通过各圆心O′i并与O′F正交的直线上,并连成曲线(因为K′1、K′2、K′3…数值一般不等)。取曲线下凹处的最低点O″点,该点即为所求最危险滑动面的圆心位置。2