GEO5「土质边坡稳定分析模块」中圆弧和折线滑面搜索教程

　　下面将通过一个例题来讲解在GEO5「土质边坡稳定分析模块」中如何使用自动搜索功能来搜索边坡的最危险圆弧滑面和折线滑面。

　　该例来自于Yamagami和Ueta (1988)，为一多层非均质土石坝，具体来说是由三层不同岩土材料构成的地基上土石坝结构，其中土层2和土层4具有相同的岩土材料参数。材料参数和模型尺寸如下表和下图所示：

　　启动GEO5中的土质边坡稳定分析模块，根据上述资料在软件中建立模型，建好的模型如图所示（例题源文件可以在该贴附件中下到）：

注意：这里的分析设置选择的是「中国-国家标准（GB）」，当然在其他国家的话要选择相应国家的分析设置。

1.1 最危险圆弧滑面搜索

　　下面就来演示如何搜索该边坡的最危险圆弧滑面和最危险折线滑面。在GEO5搜索最危险滑面前必须预定义一个初始圆弧滑面（同样的，折线滑面也必须定义一个初始滑面），否则点击「开始分析」按钮时会弹出报错的对话框，如下图所示：

　　滑动面选择「圆弧」，然后点击后面的「输入」，即可通过鼠标点击滑面上三个点的方式手动输入一条圆弧滑面（也可以通过输入圆心坐标和半径长度的方式来定义），下图是已经输好的初始滑面：

　　输入圆弧滑面时需要注意两点。一是输入的滑面会自动捕捉到地表，比如输入下图所示滑面：

　　由于软件会自动将滑面捕捉到地表，虽然滑面的左边未和地表相交，且右边已经超出地表，但是软件仍然会自动捕捉交点而得到下图中正确的滑面：

　　第二点需要注意的是输入的初始滑面不允许出现滑动面的回转，即滑动面不可以出现反倾现象。例如输入下图中的初始滑面软件会报错：

　　设置好初始滑面之后即可搜索最危险圆弧滑面，这里分析方法采用毕肖普法（Bishop），点击「开始分析」按钮，并选择「自动搜索」，即可搜索得到最危险圆弧滑面：

　　从图中可以看到安全系数Fs=1.45>1.30，边坡稳定性满足要求。为验证此结果的准确性，可以设置几个差别比较大的初始滑面，验证后可以发现上图中的结果就是要搜索的最危险圆弧滑面。

注：对于非常复杂的边坡，圆弧搜索有陷入局部极值的可能性。例如边坡有多个台阶时，这时需要选择多个可能的初始滑面分别进行搜索，并对搜索解决进行比较，以准确判断最危险圆弧滑面的位置，同时还可以借此判断可能出现的局部临界滑面。

1.2 最危险非圆弧滑面搜索

　　下面演示如何通过GEO5使用圆弧折线联合搜索来搜索最危险非圆弧滑面。

　　对于折线搜索，因为自由度较多，搜索结果往往会和初始滑面的选取有一定相关，通常很难准确得到全局临界折线滑面，如果初始滑面选取不合理，甚至还有可能得到错误的临界折线滑面。当然，如果我们可以准确判断临界折线滑面的可能位置和形状，那么则可以直接输入一条初始折线滑面，然后进行搜索，如果我们不能比较准确地判断临界折线滑面的可能位置，则可以通过下面介绍的方法来快速找到全局临界折线滑面。

　　这种无须判断最危险折线滑面可能位置的方法我们称之为圆弧折线联合搜索，其本质即为通过圆弧搜索确定最危险折线滑面的可能位置，然后转换为折线，再进一步细化搜索了，得到最终的最危险折线滑面。搜索过程如下：

　　在搜索得到最危险圆弧滑面之后，点击「转为折线滑动面」按钮，这时会弹出「转为折线滑动面对话框」。输入要转成的滑动面的折线的段数，根据经验，这里一般选择3段或者4段。在这里我们选择4段，得到结果如下图：

注意：不能选择线段段数过多，因为如果圆弧滑面和最终的最危险折线滑面形状差别很大，则可能会因为段数过多，搜索步长过小而陷入局部极值，得到不正确的结果。

　　折线滑动分析方法在国际上一般选择摩根斯顿法（Morgenstern-Price），2013建筑边坡规范上推荐使用不平衡推力隐式解法，如果当摩根斯顿法收敛时也可以采用摩根斯顿法。这里我们选择摩根斯顿法进行演示，当然，你也可以选择不平衡推力隐式解法。点击「开始分析」按钮软件即可搜索到该条件下的最危险折线滑面，如下图：

　　安全系数=1.42。为了进一步得到更优解，我们可以手动在该折线上添加节点，增加节点数目，进行进一步的搜索。点击「修改」按钮，然后点击「点」后面的「+」，用鼠标在每条线段的大致中点位置上手动添加一个点。值得注意的是，当鼠标靠近滑面时，会自动捕捉到滑面上。点击「确定」按钮完成添加节点操作。添加完节点后的折线滑面如图所示：

　　再次点击「开始分析」按钮开始自动搜索最危险折线滑面，得到结果如下：

　　安全系数=1.38，得到了更小的安全系数。当然我们还可以继续添加节点，下图是再次添加节点之后的结果，可以发现结果改变已经不大，所以当前结果已经足够精确，过多的节点数目会使得计算量大大的增加。

　　在该例中我们最终得到的安全系数为1.37，比圆弧滑面的1.45小0.8。因此，通过这种方法我们往往可以搜索得到安全系数更小的滑面。

　　对于该例题，我们也采用其他商业软件，如Slide和SVSLOPE进行了搜索，搜索结果得到的滑面和这里介绍的方法基本一致，安全系数分别为1.40和1.39，比GEO5搜索得到的结果稍大，不过误差在可以接受的范围内。下图中的黑线是Greco搜索得到的结果，可以看到滑面形状和GEO5搜索得到的基本一致。

　　总结：圆弧折线搜索的本质即为圆弧搜索确定最危险滑面的大致位置，然后逐步增加折线滑面的节点数目，以逐渐逼近最危险折线滑面。通过上面这个例题可以发现，GEO5软件中的「土质边坡稳定性分析」模块中圆弧滑面搜索和折线滑面搜索可以联合使用，通过两者的联合使用可以高效准确的搜索得到土质边坡的最危险滑面，而且该方法可以适应各种复杂的地质状况。

本例附件下载：Greco大坝.rar