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岩质边坡稳定分析程序EMU使用说明 岩质边坡稳定分析程序EMU使用手册1 前言传统的边坡稳定极限平衡分析法采用垂直条分法，这个方法没有考虑岩质边坡中存在断层、节理等不连续结构面的特征。在自然界中，绝大部分岩体至少存在一组陡倾角的结构面。滑体沿某一滑裂面滑动的同时在其内部也产生沿陡倾角结构面的剪切破坏。因此使用多块体破坏模式来分析岩质边坡的稳定性有一定的合理性。Sarma首先提出对滑坡体进行斜分条的极限平衡分析法。而这些条块的倾斜界面即为这一组陡倾角的结构面。该法假定沿条块面也达到了极限平衡，这样，通过静力平衡条件即可唯一地确定边坡的安全系数或加载系数。其它学者也提出了类似的方法。这个方法受到Hoek教授的推崇 (Hoek, 1983)。近十多年来，许多学者致力于塑性力学的极限分析理论在边坡稳定领域的应用研究，并取得了一些进展。例如，Sokolovski (1954), Booker（1972）等人根据塑性力学理论，创造了滑移线理论，但是他们的这种方法仅局限于边坡几何形状与物理条件十分简单的情况。Sloan(1988,1989)运用有限元方法和线性规划方法给出了下限与上限分析方法，但是未见这种方法的实际应用的例子。事实上，由于数值收敛困难、合理的变形模式难以确定等众多问题都未能得到很好的解决，这类方法很难在实际中得到运用。1991年，Giam 和Donald在已有研究工作的基础上，成功地将塑性力学的上限定理运用到边坡稳定分析领域，即边坡稳定分析的能量法。这种方法将滑动土体划分为一种多块体模式，然后基于摩尔库仑破坏准则及相关联流动法则，构造一个协调位移场，并根据虚功原理，求出边坡安全系数的上限。1992年，我国学者陈祖煜在澳大利亚Monash大学任高级研究员期间，与Donald教授合作，对这一方法做出了重要发展。并且在中国水利水电科学研究院岩基室研究人员的共同努力下，得到了完善和推广： 在理论方面，提出了计算速度场的微分方程和相应的解，相应的功能平衡方程在一些具体的情况下可以回归到Sokolovski的滑移线理论解，一系列的算例表明，这一方法可与50年代Sokolovski提供的滑移线方法获得完全一致的结果。原法要求在摩擦角为零时必须设置一个很小的值的限制也已被取消。同时，已通过理论证明，这一方法和Sarma法是等价的。能量法只是通过虚功原理用了一种简捷的方法获得安全系数的解答，同时，将这一方法与塑性力学上限定理挂钩，使其获得严格的理论基础。换句话说，使用本程序计算所得的就是Sarma法的成果。 与此相应，研制开发了一个适用于岩质边坡稳定分析的程序EMU (Energy Method Upper Bound Limit Analysis)。EMU程序为岩质边坡提供了一个全新的计算方法，在过去的近十年中，在水利水电工程的科研和设计中获得了推广。 近期，编写了“岩质边坡稳定分析原理、方法、程序”一书，系统地总结和介绍了这一方法的理论体系和各种功能。EMU程序最初是在DOS环境中，用FORTRAN语言开发的。EMU2005程序采用面向对象的程序设计思想，以Visual C+为开发工具，用C语言进行开发的。其功能与DOS环境下的EMU程序基本一致。2 基本原理2.1 安全系数定义在实际工程中我们所分析的对象往往是一个具有一定安全储备的结构，分析这样一个结构稳定性的提法一般是这样的：对某一处于稳定的结构，需要一个多大的外部干扰因素，方可将其过渡到极限状态。考虑EMU程序可能应用的各个领域，通常有三种处理方案：(1) 方案1。如果边坡表面作用荷载T0，那么，可以将这个荷载增加到直至破坏，此时的荷载为T，定义加载系数为： (1)这一方案应用于地基承载力领域。(1) 方案2。极限状态是通过施加一个假想的水平体积力来实现的。其中W为滑坡体的自重，为临界加速度。这种方法在边坡问题中较为适用。这一方案首先由Sarma提出。(2) 方案3。定义安全系数F是这样的一个数值：如果材料的抗剪强度c与f指标按F缩减为与，则边坡处于极限状态。(2)(3)对于方案(1)与方案(2)，我们可以通过一个显式求出一系列的或。采用方案3时, F常以隐式出现在求解的方程式中, 需要进行迭代。通常的作法是，先假设一系列的F值，按式(2)和(3)确定ce和tanfe。如前所述，我们可以不通过迭代分别求得相应的ht或hb。在这一系列的ht或hb中找到其值为零的F值。如图 1所示。图 1 通过ht或hb计算计算安全系数F2.2 边坡稳定分析的Sarma法Sarma法计算简图如图2示。假定条块的底面和侧面均达到极限平衡。则可通过静力平衡条件获得上节“方案2”定义的临界加速度， (4)其中：(5)(6)(7)(8)(9)(10)确定了Kc值，可以根据图1所示的方法确定安全系数F。图 2 Sarma法计算简图2.3 边坡稳定分析的能量法将某一边坡的塑性区离散为一系列具有倾斜界面的条块，如图3示。每一条块都视为刚体，其变形速率为V，与该楔体底线夹角为fe，该楔体与右边相邻块体的相对速度为Vj，此相对速度与该两块体的交界面的夹角为fej。内能耗散发生于该条块的底面和条块间的界面，在条块内为零。若滑坡体被分成n个条块，因而有n-1个界面。功能平衡表达式如下，(11)上式左边的第一和第二项分别为沿条间界面底滑面的内能耗散，下标e表示相应的强度参数隐含了安全系数F。图 3 能量法计算简图第k个界面右边条块的速度都可以表示成第一个条块的速度V1的函数。 (12)其中 (13)式中上标l和r代表界面左和右的物理量， j代表界面上的物理量。ql、qr和qj分别为左边条块、右边条块和条块界面速度与x轴的夹角，均定义为从x正方向开始反时针旋转为正，计算从第一个界面开始，到分割第k和第k+1个块体的界面终止。滑裂面上的内能耗散由下式确定，(14)可得计算安全系数的计算公式如下： (15)上式中仅包含一个未知量，即隐含于ce 和tanfe中的安全系数F，可通过迭代求解。3 程序使用说明3.1 窗口定义及功能EMU的应用窗口如图3.1所示，一个应用窗口包括标题栏、菜单条、工具条、图形显示窗口、数据信息栏及输出窗口这几部分。标题栏指明窗口的标题和当前打开的文件名；菜单条提供控制应用程序的菜单；工具条则是对图形的一些操作的快捷键；图形区和数据信息栏均为客户区，图形显示窗口主要用来显示图形，客户可以在该区域内进行绘制图形、修改图形等操作，或者通过对数据信息栏中数据的操作来控制图形区内的图形，数据信息栏又包括节点、边界线、浸润线、任意形状滑裂面四个小的数据信息栏；而输出窗口的初始状态为隐藏，用户只要根据需要点击“输出窗口”即可。本程序的坐标系，X轴以与滑面滑动方向相反的方向为正方向，Y轴以与重力方向相反的方向为正方向，如图4所示。输出窗口数据窗口图形显示窗口图 4 EMU2005的应用窗口3.2 前处理EMU2005模型建立是利用程序本身附带的数据捕捉程序STAB_EMU直接在AutoCAD里生成。数据捕捉程序STAB_EMU是一个采用AutoCAD的内嵌语言AutoLISP语言开发的实用的工具程序。它的主要作用是，从一个AutoCAD文件中提取EMU程序计算所需的边坡几何数据，这些数据可直接导入到EMU程序中。数据捕捉程序操作方便，而且效率很高。事实上，无论一个边坡的几何形状与地质构造多么复杂，用户可在短短的数分钟之内得到边坡的各种几何数据，如控制点的坐标，边界线、浸润线的线段编号等，从而大大地节省了设计人员数据准备的时间。值得指出的是，用户在学习使用该工具程序之前，应熟悉EMU程序对剖面几何图形的处理方式，如坐标系的方向、线段之间不允许存在间断与重合等。此外，读者还应了解重绘的几点要求：(1) 边坡的剖面图形必须用AutoCAD的多段线（即pline命令）分段重新绘制，分段的原则是，每一段多段线的下压土层必须相同。(2) 如果组成边坡的两条边界线相交，则须将交点作为边坡的一个控制点。(3) EMU程序规定，将一个边坡的断面放在设定的XOY坐标中时，OX为水平轴，OY为竖直轴，其中OX与滑动方向相反，OY的方向与重力方向相反。如果所要计算的边坡的剖面的坐标系与上述规定的坐标系不一致，须调整当前的坐标系。(4) 由于浸润线的下压土层没有意义，因而一个边坡的浸润线用一段多段线绘制即可。下面用一个实例来进行说明。如图5所示为一边坡的剖面图形，其控制点总数为10，并由9条边界线组成，土层总数为3，其中(i=1,2,i)表示节点编号；i=1,2,i表示线段编号；I, II, 表示土层编号。现若采用数据捕捉程序从该剖面提取几何信息，首先须用多段线重新绘制。从图2.2中可以看出，边界线2，3的下压土层相同，因而可用一条多段线相连。同理，边界线1、4、8、9的下压土层相同，因此用一多段线相连即可。同理，边界线5、6、7用一条多段线相连即可。从图中不难看出，边界线4、5、8相交于点5，因而该点须作为边坡线的一个控制点。图 5 一个简单边坡几何图形下面介绍具体的操作步骤：(1) 打开所要计算的边坡的剖面图形，点击“格式图层”菜单，将弹出一个对话框，新建一个图层，并设为当前图层，然后关闭对话框；(2) 点击AutoCAD中的多段线按钮(或输入”pline”命令)，然后按上文提及的重绘要求将所有的边坡线(包括浸润线，如果有滑裂面，也可以包括滑裂面)重新绘制；(3) 加载应用程序。启动AutoCAD程序，点击菜单“工具加载应用程序”，将弹出一个对话框，选择文件Stab_Emu.lsp，然后点击“加载”按钮，显示加载成功后关闭该对话框。(4) 在AutoCAD命令行中输入Stab_Emu命令，按下回车键，命令行提示输入数据文件的格式，0表示STAB程序格式，1表示EMU程序格式，此时输入0后按回车键。(5) AutoCAD命令行提示用户确定AutoCAD图形的比例尺。此时, 屏幕提示要求用户捕捉任意两点，并输入该两点的水平或竖直距离。程序采用这一方式确定图形的比例。(6) AutoCAD命令行提示用户输入边坡的滑动方向，如果滑动方向与X正向相反，即向左滑动时，输入0即可，否则输入1。(7) AutoCAD命令行提示用户指定一个点作为相对坐标系的原点。由于EMU程序规定Y坐标向上为正，因此宜选择或输入图形的左下角的一点作为当前相对坐标系的坐标原点。当然用户也可以选定任意一点作为坐标原点，不会影响计算结果。(8) AutoCAD命令行提示用户开始选择边坡线，用户可在AutoCAD的图形用户界面上选择一条边界线，然后程序提示用户输入该边界线的下压土层编号，输入完毕后按回车键结束。(9) 当所有的边界线处理完成后，程序将继续提示用户选择边界线，此时可选择一条已选择的边界线，并将该边界线的下压土层设置为1，按回车键，表明边界线输入完毕。(10) 程序继续提示用户输入浸润线的信息，如果无浸润线，输入0按回车键结束，否则输入1，然后用户可选择一条浸润线即可。(11) 当浸润线处理完成后，程序提示用户输入软弱夹层与骤降后浸润线的信息，如果无软弱夹层或不考虑骤降后的水位，输入0后按回车键盘结束，否则应输入软弱夹层或骤降后浸润线的信息，具体操作方法与边界线是相同的。当所有的线段选择操作完成后，程序将生成以下的文件：“D:qqq.dat”，该文件将包括EMU程序所需的当前边坡的相关几何数据。将所生成的数据通过文件导入至EMU程序。启动EMU程序后，点击菜单“文件导入从AutoCAD中导入数据”，程序将弹出如图6所示的对话框，选择该数据文件，按“确定”按钮即可。图 6 数据文件导入对话框3.3 各种对象标准操作简介3.3.1 菜单条菜单条中的每个菜单项均有一个下拉菜单，下拉菜单中又包含了若干个菜单项。若一个菜单项以黑色显示，表示该项是可用的；若以浅灰色显示，表示该项的功能目前无法使用。菜单条中主要有文件、编辑、视图、参数信息、外部荷载、支护结构、滑裂面、分析计算、结果处理、窗口、帮助等11个菜单项。3.3.2 “文件”菜单“文件”菜单如图7所示，包括以下几个功能：1. 新建（Ctrl+N）该选项可用来建立一个新的空白文件。工具条中的按钮具有相同的功能。2. 打开（Ctrl+O）选择“打开项目”菜单项，软件将弹出“打开文件”对话框如图8所示：从中选择所需的驱动器、路径和文件名然后点击“打开”按钮即可。工具条中的按钮具有相同的功能。3. 关闭选择本菜单项可以关闭当前文件，但不会关闭EMU程序。4. 保存（Ctrl+S）需要对当前正在编辑的文件进行保存时，可选择本菜单项。工具条中的按钮具有相同的功能。5. 另存为如果需要将文件换名存盘，则可选择“文件”菜单中“存储为”一项，此时将弹出一个“保存为”对话框，该对话框如图9所示。图 7 “文件”菜单项图 8 “打开”对话框图 9 “保存”对话框6. 导入菜单选项“导入”提供了一个从AtuoCAD中导入数据的功能（如图9所示），选择“从AutoCAD中”选项后会出现如图10所示的对话框，点击“”按钮，用户可根据具体情况，在实际的文件路径中选择需要导入的数据文件，然后点击“确定”，则图形会显示在图形区内。图 10 “导入”选项图 11 “导入”对话框7. 导出菜单选项“导出”提供了一个将图形转换为DXF文件的功能（图11），选择该选项后会出现如图12所示的对话框，在该对话框内用户可以选择输出的DXF文件所包含的内容，如边坡线控制点、边界线、浸润线、荷载、锚索及滑裂面等信息，需要注意的是该对话框的初始状态中“临界滑裂面”、“初始滑裂面速度场”及“临界滑裂面速度场”三个选项是处于灰色不可用的状态，只有当图形区内的图形显示了临界滑裂面或速度场时，该三个选项才会变成黑色有效状态。图 12 “导出”选项当用户选定了输出DXF文件的内容后，点击按钮“输出至”，会出现如图13所示的对话框，用户可根据需要命名该DXF文件；需要注意一点的是，若在AutoCAD中打开该文件，没有任何显示时，可点击“视图”中的“缩放”，选择“全部”，该文件就会显示出来。图 13 “导出”对话框图 14 导出文件的保存3.3.3 “编辑”菜单“编辑”菜单如图15所示，主要包括以下几个功能：1. 撤消当用户对程序发生误操作或想返回以前的操作状态，均可以用“撤消”功能回到以前的操作状态。2. 重做“重做”功能正好与“撤消”功能正好相反，用它可以重新执行已经发生的动作。3. 复制“复制”菜单可将当前的图形作为OLE对象复制到剪切板，用户可将其拷贝到需要的文件中。图 15 “编辑”菜单项3.3.4 “视图”菜单“视图”菜单如图16所示，包括以下几个功能：图 16 “视图”菜单项1. 重绘窗口如果由于图像的放大或者缩小改变了程序界面的缺省状态，选择“重绘窗口”功能可以回到EMU程序缺省图像状态。2. 背景切换选择该选项，图形区内的背景会由白色变为黑色，再次选择该选项又会变回白色。3. 显示设置该选项为用户提供了一个对土层材料的颜色进行设置（图17）及对象设置的对话框（图2.15）。在图17所示的对话框中，用户可根据个人喜好自行选择每一个土层的颜色，用户只要点击“线段颜色”下方的颜色框，就会出现一个颜色装置框，如图17所示，用户可选择想要任一种颜色，则在图形区内相对应该种材料的线段就会变成这种颜色。图 17 “土层颜色设置”对话框在图18中，用户可以根据个人喜好对图形中的对象显示进行设置，如用户可根据需要设置是否显示格栅、节点编号、线段编号、浸润线，并对格栅的样式和颜色，及边坡线控制点的样式进行选择。图 18 “显示对象设置”对话框4. 窗体类型“窗体类型”菜单包括三个选项，如图19所示，用户可根据个人喜好自行选择，本程序默认的选项是“OFFICE2003风格”。图 19 “窗体类型”菜单5. 缩放“缩放”菜单项还包含以下五个选项，如图20所示，在工具条中，有这些选项的相应的快捷键。图 20 “缩放”菜单项“显示全部”选项会将图形调整到合适的大小从而能被完全显示；而通过选择“放大”和“缩小”选项，可以将图形进行放大或缩小；“平移”选项则可以移动图形；选择“窗口缩放”光标会变成“十”字形状，然后用户可以选择需要放大的部分进行放大了；选择“实时缩放”则光标会变为6. 工具栏“工具栏”菜单项还包含以下一些选项，如图21所示，这些选项前方框内的“”表示该选项被选中，而该选项所代表的部分就会显示；本程序中这些选项的默认值是显示，用户可根据个人喜欢重新进行设置。图 21 “工具栏”菜单项7. 显示数据提示此选项的功能是当用户将鼠标点在某一点或某一线段时，会有一个小的信息框显示该点的点号或该线段的线段编号（如图22），若鼠标点在某一线段附近时，则会显示该线段所下压的土层号（图22b）。(a) 边界线编号显示(b) 土层编号显示图 22 编号显示3.3.5 “参数信息”菜单“参数信息”菜单如图23所示，包含了以下三个选项：图 23 “参数信息”菜单1. 基本参数设置图 24 “基本参数设置”对话框选择“基本参数设置”会出现如图24所示的对话框，在该对话框中包括了“基本参数设置”（图24）及“土层参数信息”（图25及图26）。 图 25 “土层参数信息”对话框图 26 “土层参数信息”对话框在图26所示的“基本参数设置”对话框中，包括了项目名称、计算目标、度量单位选择、坡外水位、分析类型等一些基本信息。其中，分析类型、计算目标及度量单位选择都已为用户提供了选项，用户可根据实际工程需要选择，如“分析类型”中本程序位用户提供了“滑动稳定分析”和“倾倒稳定分析”两种类型，而在“计算目标”中有三个选项拱用户选择，即“计算边坡安全系数”、“计算地基承载力系数”、“计算临界加速度”；另外“项目名称”和“坡外水位”则需要用户根据实际情况自行输入。 图27显示的是“土层参数信息”对话框的初始状态，在该对话框内，土层信息栏的初始状态是不可用的，只有在用户输入土层材料总数后，该土层信息栏中才会有可用的空白栏出现（如图28所示），这时用户就将土层材料信息输入其中，这些信息包括内摩擦角、内聚力、天然容重、饱和容重及孔压控制；用户需要注意的是，在“孔压控制”列中，本程序为用户提供了“简化处理”和“孔压系数”两种选择（如图29），当用户在孔压控制的方法中选择了“孔压系数”后，在“孔压系数”列中原本呈灰色的信息栏会变成白色可以的状态，此时用户就可将相应的孔压系数输入其中。图 27 “土层参数信息”对话框2. 非线性指标参数图 28 “非线性强度指标设置”对话框当选择“非线性指标参数”选项后，会出现如图28所示的对话框，当实际工程中需要采用非线性强度指标时，用户只需选中“采用非线性强度指标”选项，则在该选项下方原本呈灰色不可用的的两个选择会变成黑色可用的状态，本程序默认的初始选项是“采用Hoek-Brown强度参数”（图2.26所示）。 如果选择“采用Hoek-Brown强度参数”选项，则需要用户在图29所示的对话框中输入采用Hoek-Brown强度参数的土层总数，然后会有相应行数的空白栏出现（如本例中采用Hoek-Brown强度参数的土层总数为1，因此相应的有一行空白栏出现），此时用户就可将Hoek-Brown强度参数的信息输入其中。 如果选择“采用连通率参数”选项，会出现如图30所示的对话框，用户只需将采用连通率参数时的相应信息包括抗拉强度和内摩擦角输入其中，用户需要注意的是图30所示的例子中，只有两行空白信息栏，这是因为本例中的土层材料总数为2，若土层材料总数为4，则相应的在30所示的对话框中就会有4行空白信息栏出现。非线性强度指标信息设置完毕后不要忘记保存图 29 “采用Hoek-Brown强度参数”对话框图 30 “采用连通率参数”对话框3.3.6 “外部荷载”菜单“外部荷载”菜单如图31所示，包括以下一些选项：图 31 “外部荷载”菜单1. 增加分布荷载选择“增加分布荷载”选项，会出现如图32所示的对话框，在该对话框内，用户可以设置分布荷载的方向、类型及荷载强度；在荷载类型中，本程序为用户提供了“均匀分布”和“梯形分布”两种荷载类型，当用户选择了“梯形分布”后，“分布荷载”部分会变成如图33所示的形式，此时需要用户输入荷载左右两端点的强度。图 32 “增加分布荷载”之“均匀分布”对话框图 33 “增加分布荷载”之“梯形荷载”对话框分布荷载的属性设置全部后，就可以在图上绘制分布荷载了，本程序的绘图功能与AutoCAD中的功能类似，用户只要将鼠标放置在用户需要的线段位置上，点击鼠标左键，该分布荷载就会自动分布在该段线段上。2. 增加集中荷载选择“增加集中荷载”会出现如图34所示的对话框，该对话框包含了集中力荷载大小及集中力方向两项基本信息，用户只需将相应的信息输入其中即可。但需要注意的是，集中荷载的单位必须与前述材料参数的单位一致。图 34 “增加集中荷载”对话框集中荷载的属性设置全部后，就可以在图上绘集中荷载了，本程序的绘图功能与AutoCAD中的功能类似，用户只要将鼠标放置在用户需要的线段位置上，点击鼠标左键，该集中荷载就会自动加在在该段线段上。3. 修改荷载该选项只有存在荷载的情况下才会变成黑色可用状态。当用户想修改荷载时，选择“修改荷载”选项，这时用户可以在图形显示框内选择代表想要修改荷载的图形部分，若该图形部分由实线变成虚线，即表明该荷载被选中，然后回车，会出现一对话框，如果该荷载是分布荷载，则出现的是图33或图34所示的对话框，若该荷载为集中荷载，则会出现图34所示的对话框，用户可以在该对话框内进行荷载信息的修改。4. 删除荷载该选项同样只有存在荷载的情况下才会变成黑色可用状态。当用户想删除荷载时，选择“删除荷载”选项，这时用户可以在图形显示框内选择代表该荷载的图形部分，若该图形部分由实线变成虚线，即表明该荷载被选中，回车之后，该荷载就被删除，而在图形显示框内代表该荷载的图形部分也会消失。5. 地震荷载选择“地震荷载”选项，会出现如图35所示的对话框。如果实际工程中需要考虑地图 35 “地震荷载”对话框震荷载的影响，则用户只需选中“考虑地震荷载影响”，则对话框中原本呈灰色不可用的“水平地震力系数”和“考虑垂直地震影响”会变为黑色可用的，此时用户只需将水平地震力系数输入其中即可，若还考虑垂直地震影响，则用户只要选中“考虑垂直地震影响”，此时“垂直地震力系数”和“垂直地震力方向”选项会变成黑色可用的（图36），在“垂直地震力方向”中本程序为用户提供了“向上”和“向下”两个选项（图36），用户可根据实际高程情况自行选择。图 36 “地震荷载”对话框3.3.7 “支护结构”菜单“支护结构”菜单如图37所示，包括以下一些选项：图 37 “支护结构”菜单1. 增加锚索支护当选择“增加锚索”选项，鼠标会变成“十”字形状，用户就可以在图形区内开始画锚索了，用户可以利用鼠标确定锚索的起点、终点，需要说明的是，在图形显示区内显示的锚索只是示意图，并不代表真实的锚索形状。若想修改锚索，可选择“修改支护结构”选项。2. 增加抗滑桩选择“增加抗滑桩”选项后，鼠标会变成“十”字形状，此时用户就可以在图形区内画抗滑桩的示意图了，利用鼠标确定抗滑桩的起点、终点，同锚索一样，在图形显示区内显示的抗滑桩只是示意图，并不代表真实的抗滑桩形状。若想修改抗滑桩，可选择“修改支护结构”选项。3. 修改支护结构该选项可用来对锚索、抗滑桩等支护结构进行修改，该选项只有在有支护结构存在的情况下才会变成黑色可以状态，其初始状态是呈灰色不可用状态。当用户想要修改支护结构时，选择该选项，这时鼠标会变为一个小方块的形状，此时用户就可以选择想要修改的支护结构对象，选定之后回车，会出现该支护结构相应的信息对话框，用户可以在这些对话框内对支护结构进行修改。当支护结构为抗滑桩时，选中了需要修改的抗滑桩并回车之后，会出现如图38所示的对话框，用户可以在该对话框内通过修改抗滑桩的坐标信息来改变抗滑桩的位置，还可以在“抗滑桩强度属性”中改变抗滑桩的大小和方向，用户还可以根据个人喜好设置抗滑桩的颜色，而在图形显示区内，抗滑桩示意图也会有相应的变化。当支护结构为锚索时，选中了需要修改的锚索并回车之后，会出现如图39所示的对话框，用户可以在该对话框内对该锚索的顶点位置、锚索承载力、锚索长度及锚索方向进行修改，用户还可以根据个人喜好对锚索的颜色进行设置，修改之后，在图形区内的锚索会有相应的变化。图 38 “修改桩荷载”对话框图 39 “修改锚索荷载”对话框4. 拉伸支护结构该选项的功能是可以对支护结构某一端位置及其长度进行改变，其它属性并没有变化。当用户选择了该选项后，鼠标会变为一个中心有一个小黑点的正方形，用该正方形选中需要拉伸的支护结构，然后回车，这时鼠标又变为十字形状，然后用户点击鼠标左键将支护结构的一端移到需要的位置，再点击鼠标左键即完成拉伸操作。5. 平移支护结构该选项的功能是可以用来移动选中的支护结构，本选项只是对支护结构的位置进行改变其它属性并没有变化。该选项的操作与“拉伸支护结构”的操作类似。6. 删除支护结构该选项可用来删除支护结构，如果用户想删除某一支护结构，只需选择该选项，然后选中想要删除的支护结构对象，再回车，该支护结构就被删除了。3.3.8 “滑裂面”菜单“滑裂面”菜单包括以下一些选项，如图40所示：图 40 “滑裂面”菜单1. 滑面选项“滑面选项”对话框如图41所示，在该对话框内包括了优化方法的选择、后缘拉力缝的设置及滑面控制点条块边界面倾角的设置。本程序为用户提供了三种优化方法（图42），即“计算指定滑裂面”、“单纯形法”、“随机搜索法”。当用户选择“计算指定滑裂面”方法时，不需要用户输入“迭代次数”和“随机搜索次数”，故这两项会变为灰色不可用的状态；当选择“单纯形法”时，用户只要输入迭代次数即可，所以“随机搜索次数”会变为灰色不可用的状态。在“滑面控制点边界面倾角的设置”中，本程序为用户提供了两种选择，分别为“采用默认值”和“由用户指定”（如图41所示）。在“后缘拉力缝设置”中，本程序为用户提供了五种选择（图41），需要注意的是当用户选择的是“有拉力缝，且局部充水”时，原本呈灰色不可用的“拉力缝充水高度”会变为黑色可用的状态，即意味着需要用户输入拉力缝的充水高度。图 41 “滑面选项设置”对话框图 42 “优化方法选择”2. 删除指定滑裂面当用户选择该选项后，程序会自动将滑裂面删除，同时图形显示区内的图形也会做相应的变化，数据文件中的信息也会更新，即滑裂面的数据将被自动删除。3. 增加滑裂面图 43 “增加滑裂面”提示框如果用户想自己手动绘制滑裂面，可选择该选项，需要注意的是，如果原本就有滑裂面，则在选择该选项后，本程序会弹出一个提示框（图43），提示用户需要删除原来的滑裂面才能绘制新的滑裂面。增加新的滑裂面的方法与AutoCAD中的绘制线段的功能类似，用户只需用鼠标在图形区内随意点击即可，如绘制完毕，只需回车即可；另外还需要注意的是，所增加的滑裂面均为直线，若要修改滑裂面的线性，可在“滑面控制点属性”选项中进行设置。绘制完毕后保存，则该直线滑裂面数据信息被自动保存在数据文件中。4. 滑面编辑该菜单项又有两个选项（图44）。图 44 “滑面编辑”菜单“滑面平移”选项可用来移动滑裂面，对滑裂面的形状不做改变。“滑面拉伸”选项则可以用来改变滑裂面上控制点的位置，用户可以用该选项对原来滑裂面上某些点的位置进行修改。当用户选择了该选项后，鼠标会变为一个中心有一个小黑点的正方形的形状，用该正方形选中需要进行修改的滑面控制点（同时滑裂面会变为虚线），然后用鼠标移到该控制点，此时用户会发现滑裂面的形状有所改变，移到完毕后回车，即滑面拉伸完成。5. 滑面控制点属性图 45 “滑面控制点属性”对话框图 46 “滑面控制点属性”中“基本属性”对话框选择“滑面控制点属性”选项会出现如图45所示的对话框，如果用户已有滑裂面的信息，可用该选项来输入滑裂面信息，用户首先可在“滑面节点总数”后的空白框内输入滑裂面的节点总数，之后在“滑面节点总数”下方的节点信息栏中会有与节点总数相应的栏数变成白色可用的状态（如图45），此时用户就可将滑面节点坐标、土条编号输入其中；如果用户没有滑裂面的准确的信息，也可提供前面的“增加滑裂面”选项先绘制一个滑裂面，然后在“滑面控制点属性”对话框中进行修改。针对每个节点，在对话框的右边还有“基本属性”和“其它属性”需要用户设置。在“基本属性”中（图46），有“滑面控制点自由度”、“滑面控制点移动方向”及“滑面形状”三项内容需要用户设置。在“滑面控制点自由度”中，本程序为用户提供了五个选项，用户可根据每一个滑面控制点的情况进行设置，需要注意的是当某一滑面控制点的自由度选项为“节点沿某一方向移动，边界面自由移动”和“节点沿某一方向移动，界面保持不动”时，原本呈灰色不可用的“控制点移动方向”会变为白色可用的，即需要用户输入该控制点的移动方向，而其它的选项中不需要用户进行“滑面控制点移动方向”的设置；另外在节点间的联系方式中，本程序为用户提供了两种连接方式，一种是“直线”，另一种是“光滑曲线”，用户可根据需要自行选择。而在“其它属性”中（图45），主要有三部分的内容需要用户设置，即“边界面倾角设置”、“软弱夹层属性设置”和“随机搜索参数设置”；边界面倾角设置”需要用户输入一个角度，该角度为滑面条块的倾角；在“软弱夹层属性设置”中，本程序为用户提供了三个选项，即“滑面控制点不再软弱夹层上”（此时“软弱夹层的材料编号”选项为不可用的状态）、“滑面控制点的条间界面为软弱夹层，即优化时滑面控制点沿条间面移动”和“滑面控制点位于软弱夹层上，即部分底滑面为软弱夹层”，常用的软弱夹层设置为1和3选项，当软弱夹层属性设置为后两个选项时，“软弱夹层的材料编号”会变为可用的状态，即需要用户输入软弱夹层属第几号材料编号；在“随机搜索参数设置”中，首先需要优化方法为“随机搜索方法”时才可用，然后在“基本属性”中滑面控制点必须为可以移动时，“随机搜索参数设置“才会变为可用的状态（图48），即此时用户可以进行输入该滑面控制点的随机搜索参数，如随机搜索种子数、随机搜索半带宽等。图 47 “滑面控制点属性设置”中的“其它属性”对话框图 48 随机搜索参数设置关于滑面控制点“基本属性”和“其它属性”的设置，用户需要注意的是每一个滑面控制点都需要进行设置，因此用户进行滑面控制点属性设置时，先将一个点的基本属性和其它属性设置完毕后，再进行下一个控制点的属性设置，这样不会漏掉某些设置。6. 边界面参数设置图 49 “边界面参数设置”对话框“边界面参数设置”对话框如图49，需要注意的是，本选项只在“滑面控制点边界面倾角设置”（图41）中选择了“由用户指定”选项，“边界面参数设置”菜单项才是可用的。由图49可看出，本程序为用户提供了三种方式来设置边界面的强度，分别为“边界面采用程序默认值”、“边界面采用同一种材料”及“边界面材料参数采用不同的强度指标”。图 50 边界面采用同一材料当用户选择了“边界面采用同一种材料”，“边界面参数设置”对话框会变为图50所示的形式，此时只需用户在“所有条块边界面采用的土层编号”中选择一种材料即可；若用户选择的是“边界面材料此时采用不同的强度指标”，则“边界面此时设置”对话框会变为图51所示的形式，在该对话框内，需要用户输入条块边界面采用的土层总数，如本例中条块边界面采用的土层总数为2，则相应的在“条块边界面强度指标设置”中有两行信息栏出现，此时用户可以在该信息栏中输入相应的信息（在图51所示对话框的下部的信息栏中，数字“19”是指本例中滑裂面的条块总数为19块），在“起点编号”和“终点编号”列中的数字代表条块编号，而“土层编号”列中的数字则表示土层材料的编号。图 51 边界面材料参数采用不同的强度指标3.3.9 “分析计算”菜单“分析计算”菜单包括以下两个选项（图52）：图 52 “分析计算”菜单1. 查看数据文件(D)若用户想查看输入数据文件可选择该选项，程序会自动打开一文本文件，该文本文件保存了输入数据，用户可以通过该文件检查所有数据是否准确，2. 计算求解(S)如果数据输入完毕且格式无误，就可选择“计算求解”选项进行计算分析，计算过程很快，如果计算通过，会出现一个“计算结束”的提示框（图53），表明计算结束，同时初始滑面和临界滑面的安全系数Fos会显示在图形区内。图 53 “计算结束”提示框3.3.10 “结果处理”菜单“结果处理”菜单包括以下一些选项（图54）：图 54 “结果处理”菜单1. 查看结果文件计算完毕后，如果用户想查详细结果信息，可以选择该选项，程序会自动打开一临时文本文件，该文件内有程序计算的中间数据及最终的计算结果。注意用户在关闭程序或计算下一道例题时，程序会自动删除该文件。如果用户想保存该文件，通过保存文本文件即可。2. 显示初始滑裂面该选项的初始值为“是”，即程序会自动在图形框内显示初始滑裂面，若用户不想显示初始滑裂面，只需将该选项前面的符号“”取消即可。3. 显示临界滑裂面该选项的初始值为“否”，即程序不会自动显示临界滑裂面，当计算完毕后，用户想查看临界滑裂面可选择该选项，若在该选项前出现符号“”即表明该选项被选中，则临界滑裂面会显示在图形框内。4. 显示计算结果该选项的初始值为“是”，即程序会自动在图形框内显示安全系数，若用户不想显示安全系数，只需将该选项前面的符号“”取消即可。5. 显示所有滑裂面如果选择了用优化方法搜索临界滑裂面的功能，就可以选用此功能显示优化过程中所有滑裂面。6. 显示初始滑面条块本选项可用来显示初始滑裂面位置及相应的条块划分模式。7. 显示临界滑面条块本选项可用来显示临界滑裂面位置及相应的条块划分模式。3.3.11 “窗口”菜单“窗口”菜单还包括如图55所示的一些选项。图 55 “窗口菜单”1. 新建窗口此选项可用来建立一个新的窗口，其功能与新建一个空白文件是相同的。2. 层叠本选项用来以层叠的方式重新布置本程序的图形窗口界面。3. 平铺本选项可用来以平铺的方式重新布置本程序的图形窗口界面4. 排列图标3.3.12 “帮助”菜单“帮助”菜单对本程序的版本作了简单说明（图56），并提供了一个网址供用户访问。图 56 关于EMU20053.3.13 工具条工具条提供了使用某些功能的快捷键方式（图57）。每个按钮用图标形象地代表了一种功能，需要时，只需用鼠标点击该按钮即可。如果工具条上某个按钮变灰且不响应鼠标的动作，则表示该按钮所代表的功能目前状态下暂不可使用。图 57 工具条图58所示的为处理文件的一些快捷键，分别为新建文件、打开文件、保存文件、撤消、恢复、复制、设置属性显示、打印及关于EMU2005。图 58 快捷键1图59显示的是图形操作的一些快捷键，分别为移动、放大、缩小、显示全部、窗口缩放及实时缩放。图 59 快捷键2图60显示的关于支护结构的一些快捷键，分别为增加分布荷载、增加集中荷载、修改外部荷载、删除外部荷载、增加锚索支护结构、增加抗滑桩支护结构、删除支护结构、修改支护结构、平移支护结构。图 60 快捷键3图61显示的关于滑裂面的一些快捷键，分别为设置滑面属性、删除指定滑裂面、增加指定的非圆弧滑裂面、平移滑面。图 61 快捷键4图62显示的是分析计算的三个快捷键，分别为查看数据文件、计算求解、查看结果文件。图 62 快捷键53.3.14 数据信息栏数据信息栏区域如图63所示，用户可以再这些信息栏中输入相应的数据信息。数据窗口包括节点信息窗口、边界线信息窗口、浸润线信息窗口、任意形状滑面信息窗口。在节点信息窗口中，显示的是节点号、节点的X坐标、节点的Y坐标等信息，如图63。在边界线信息窗口中，显示的是边界线段号、边界线段起点编号、边界线段终点编号及该边界线段下压的土层号等信息（如图64）。在浸润线信息窗口中，浸润线信息包括浸润线段号、浸润线段起点编号、浸润线段终点编号、浸润线段下压土层号(如图65)。图 63 数据窗口图 64 边界线信息栏图 65 浸润线信息栏在任意形状滑面信息窗口中，显示的是滑面控制点序号、滑面土条编号、控制点的坐标等信息(如图66示)。3.4 图形显示窗口图形显示窗口位于应用窗口的右下方，如图67所示。在该区域内，主要用来显示图形的，同时用户还可以利用一些快捷键在该区域内可以对图形进行操作一些基本的图形存在，如放大、缩小、平移等。图 66 任意形状滑面信息栏图形显示窗口输出窗口图 67 输出窗口输出窗口位于程序窗口界面的最下方，主要用来显示用户进行的操作记录，如图67。该窗口初始状态的隐藏的，用户若要窗口操作记录，直接点击“输出窗口”，该窗口就会显示。4 例题4.1 例1（EX1.DAT）某土质边坡，几何图形如图3.1。共有10个点(每个点的坐标值如图3.1所示)，9条边界线，5条浸润线，3种材料(如表3.1所示)，在选定的坐标系中，坡外水位Y=25。用最优化方法计算临界滑裂面的安全系数。图 68 岩质边坝剖面图表 1 例题1中所用材料的物理力学参数材料编号c(Kpa)f()天然容重(KN/m3)饱和容重(KN/m3)103819.519.525.32319.519.537.22019.519.51. 主要特点任意形状滑裂面，坡外有水，坡内有浸润线，使用随机搜索的功能确定临界滑裂面。2. 计算过程EMU程序采用图形操作界面，一切的操作均在菜单和工具栏中进行，非常的方便和直观。下面介绍具体操作步骤：3. 数据导入首先按照第2.2节中介绍的前处理方法对如图3.1的边坡几何剖面进行处理，然后运行Stab_Emu得到适应EMU程序的数据文件D：qqq.dat。运行EMU程序，点击菜单文件从Autocad，弹出一个对话框（如图3.2），将上面得到的数据导入EMU中，这时可以得到（如图3.2）土石坝边坡剖面图以及相关的节点信息，边界线信息，软弱夹层信息和浸润线信息。图 69 数据文件导入对话框4. 参数设置点击菜单参数信息基本参数设置，程序会弹出如下对话框（如图3.3）。选择滑动稳定分析，在“度量单位选择”选择“KN-m系列”，设置坡外水位坐标为25，设置计算目标为“计算安全系数”。由于没有采用强度折减法，不点亮“采用强度折减法”菜单。根据表3.1中各土层的基本信息，在“土层参数信息”设置框中输入实际土层参数信息（如图3.4示），由于计算中地下水位用浸润线来表示，不考虑孔隙水压力系数方法，故在图3.4孔压控制一栏按“简化处理”来设置。图 70 参数设置对话框图 71 土层参数设置对话框5. 生成初始滑裂面首先按照如图3.5所示在屏幕左侧的数据窗口“任意形状滑裂面信息”中输入初始滑裂面控制点的“相应土条编号”、x坐标、y坐标的信息。另外我们也可以点击“滑裂面”菜单中的“增加滑裂面”功能直接在图像界面上按住鼠标左键绘制初始滑裂面。对于例题1，我们共用4个控制点来模拟滑裂面，最后形成的初始滑裂面如图3.6所示。图 72 初始滑裂面确定图 73 在图形窗口直接绘制EX1的初始滑裂面面6. 优化方法选择点击菜单“滑裂面”中的“滑面选项”功能，设置优化方法为“2-随机搜索法”，并设置500迭代次数和1000随机搜索次数(如图3.7)。根据例题1的设计要求，不考虑后缘拉力缝，因此在“后缘拉力缝设置”中点亮“无拉力缝”(如图3.7)。另外在“滑面控制点边界面倾角设置”中点亮“采用默认值”。图 74 优化方法选取7. 滑裂面控制点属性点击“滑裂面”菜单中的“滑裂面控制点属性”进入如图3.8所示的“任意形状滑裂面控制点属性”设置界面。首先按照图3.9对4个控制点的基本属性进行设置，然后按照3.10对滑裂面上4个控制点的其他属性进行设置，主要包括随机收缩的半带宽、随机种子等。另外在滑裂面控制点基本属性设置中，把滑面形状设置为“光滑曲线”(如图3.8所示)。图 75 任意形状滑裂面控制点属性设置界面(a)滑裂面控制点1(b) 滑裂面控制点2(c) 滑裂面控制点3(d) 滑裂面控制点4图 76 例题1滑裂面控制点“基本属性”设置(a)滑裂面控制点1(b) 滑裂面控制点2(c) 滑裂面控制点3(d) 滑裂面控制点4图 77 例题1滑裂面控制点“其他属性”设置8. 分析计算在上述所有的步骤完成之后，就可以点击“分析计算”菜单的“计算求解”子菜单进行例题1的分析计算，图3.11为计算得到的计算结果。计算结束后，可以点击“结果处理”菜单中的“查看结果文件”详细了解计算过程的信息，也可以通过控制“显示初始滑裂面”、“显示临界滑裂面”、“显示计算结果”、“显示所有滑裂面”、“显示初始滑面条块”和“显示临界滑面条块”来控制图像界面上的显示信息。最终例题1相应初始和临界滑裂面的安全系数分别为1.340和1.220 (如图3.11所示)。图 78 计算结果4.2 例2（EX2.DAT）某边坡共有4个点，3条边界线，无浸润线，1种材料。有1条边界线承受表面荷载，其强度6228KN/M，倾角24。计算安全系数。1. 主要特点：(1) 具有倾斜的表面荷载, 类似地基承载能力问题；(2) 计算承载力系数h(3) 滑裂面全由曲线组合形成；(4) 具有闭合解的理论问题,可用以验证程序基本功能的正确性。2. 数据文件修改（同Ex1比较）(1) 本例题需要计算地基的承载力系数。EMU程序菜单栏参数信息基本参数设置中提供计算地基的承载力功能，见图3.12。(2) 用户需要添加倾斜表面荷载。EMU程序菜单栏外部荷载增加分布荷载中提供了添加倾斜表面荷载功能，见图3.13。(3) 用户还需要对滑裂面的信息进行修改，用户自己指定滑面控制点边界面倾角。EMU程序菜单栏滑裂面画面控制点属性中提供了此功能，见图3.14。图 79 基本参数设置图 80 增加分布荷载图 81 控制点属性3. 计算结果本题计算结果如图3.15 。相应初始和临界滑裂面的加载系数分别为0.076和0.023。图 82 Ex2计算结果4.3 例3（EX3.DAT）在岩质边坡表面有2排锚索A和B,其长度分别为25m和30m，每一根锚索承载力为3000KN，纵向间距2m，因此，单位宽度的边坡受力1500KN。共有2条软弱夹层，第1个软弱夹层为通过第2个节点的块界面，其材料号为2。第2个软弱夹层为通过初始滑面上第4（点7）、5（点6）个节点的连线。要求第4个节点沿第6条边界线方向（点6、点7的连线）移动,且通过第1个软弱夹层。并保证4、5节点之间的滑裂面取第6条线所代表的土层号2。要求滑面上第1、4段为直线,第2、3段以光滑曲线相连。用最优化方法计算临界滑裂面的安全系数。1. 主要特点：(1) 岩质边坡；(2) 一部分块侧面界线和滑裂面为软弱夹层；(3) 具有锚索荷载；(4) 滑裂面一部分为直线，一部分为曲线。2. 数据文件修改（与Ex1比较）本例题采用单纯形法进行优化计算。EMU程序菜单栏滑裂面滑面选项中提供此功能，见图3.16。本例题需要添加锚索支护。EMU程序菜单栏支护结构增加锚索支护中提供此功能，见图3.17。用户还需要对滑裂面的信息进行修改，滑裂面一部分为直线，一部分为曲线，由用户自己指定。EMU程序菜单栏滑裂面画面控制点属性中提供了此功能，如图3.18所示。图 83 例题3滑面选项设置图 84 锚索设置(a)滑裂面控制点4的基本属性设置(b)滑裂面控制点5的基本属性设置图 85 滑面上软弱夹层设置3. 计算结果相应初始和临界滑裂面的安全系数分别为1.616和1.472。滑裂面位置如图3.19所示。图 86 Ex3 计算结果4.4 例4（EX4.DAT）一岩质边坡，共有11个点、9条线、3种材料，无坡外水位。坡顶Y坐标35，拉力缝的深度为2米。要求计算临界滑裂面的过程中，拉力缝上无水，得到了临界滑裂面后，再在其上加上水压力，求其最小安全系数。1. 主要特点具有顶部拉力缝的边坡，本例取自ACAD考题exl(b)。2. 数据文件修改（同Ex1比较）本例题计算对象是顶部有拉力缝的岩质边坡（充水位置在临界滑面）。EMU程序菜单栏滑裂面滑裂选项中提供此功能，如图3.20示。图 87 拉力缝设置3. 计算结果相应初始和临界滑裂面的安全系数分别为1.886和1.722。其相应滑裂面位置见图3.21。图 88 Ex4计算结果4.5 例5（EX5.DAT）一岩质边坡，共有18个点、16条线,无坡外水位。计算倾倒稳定安全系数。底滑面为一直线，由5段组成，与X轴夹角为60度。 1. 主要特点：进行边坡倾倒分析（边坡倾倒问题，目前仅可计算指定滑面。计算时可假定多个滑面,以找出较小的安全系数）。2. 数据文件及说明本例题采用进行边坡倾倒分析，并计算倾倒安全技术。EMU程序菜单栏滑裂面滑裂选项中提供此功能，见图3.22。用户还需要对滑裂面的信息进行修改，滑裂面为直线，由5部分组成，用户自己指定。EMU程序菜单栏参数信息倾倒分析参数设置中提供了此功能，如图3.23。图 89 边坡倾倒稳定分析设置(a)
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