高边坡稳定性分析与支挡结构设计理论.ppt

高边坡稳定性分析与支挡结构设计理论,主讲人：苏谦 教授,报告提纲,三. 高边坡稳定性分析理论,四. 常用支挡结构类别及发展,五. 支挡结构设计理论,六. 两种新型支挡结构应用工点分析,一. 边坡工程概况,二 高边坡破坏类型与成因分析,一、边坡工程概况,边坡工程是岩土工程三大领域中最为常见的一类工程，边坡通常指人类经济活动而开挖形成的斜坡，它与未经过开挖的天然斜坡有所不同，后者若存在易滑动的滑面，则即为常说的滑坡，是地质灾害的一种。,1.1 边坡工程概念,我国丘陵及山地等复杂地区，经常会出现大量坡度高、纵横向延伸长的高边坡，经各种内外因素的影响，其稳定性问题便会时常出现。,1.1 边坡工程概念,按构成边坡的物质分类： 土质边坡， 岩质边坡，岩土混合边坡 按边坡的高度分为： 一般边坡，岩质边坡总高度在30m以下，土质边坡总高度在1520m。高边坡，岩质边坡总高度大于30m，土质边坡总高度大于1520m 按边坡使用年限分为：临时边坡，永久边坡,1.2 边坡的分类,边坡的自然特征：对于岩质边坡，其特殊的结构特征可保持较为高陡的边坡。由于高陡边坡容易发生滑动，因此必须设置支挡工程才能保持其稳定。通常高陡边坡坡体容易被冲刷，需要设置坡面防护工程。 边坡的滑面特征：无论是土质边坡还是岩质边坡，在坡体没有开挖或填筑之前，坡体内不存在明显滑面，即使坡体中存在软弱土夹层或软弱结构面，也不能视作滑面，因为它们没有滑动的趋势。这正是边坡与滑坡的不同之处。,1.3 边坡的特征,高边坡坍塌、破坏中断交通、侵占河道、造成人身财产的损害。,1.4 边坡破坏的危害,边坡工程作为重要的辅助工程在道路、水利、国防、矿山等领域广泛出现。 边坡的稳定性直接关系到人民的生命财产安全以及整个项目工程的施工进度和投资成本。 为了保证主体工程的正常运营，边坡的安全性与否至关重要。,1.5 边坡工程的意义,二、高边坡破坏类型与成因分析,按其变形规模和范围分为坡面变形、边坡变形、坡体变形三类。 1）坡面变形 范围：坡体表层12m。 现象：坡面发生剥落、碎落、落石、冲沟 、溜坍等变形。 工程措施：护面墙、网格骨架内植草、浆砌片石护坡、拱形骨架内植草等。,2.1 高边坡破坏类型,2）边坡变形 范围：一般深度在67m。 现象：以局部契形体滑动、浅层滑坡、坍塌等形式出现。 工程措施：调整坡形、坡率，或采用仰斜排水孔或锚杆框架,2.1 高边坡破坏类型,3）坡体变形 此类变形规模大，危害严重，会出现较大规模的滑坡、错落、坍塌和崩塌等坡体整体失稳变形现象，常超出边坡范围。 工程措施：抗滑挡土墙、预应力锚索框架，抗滑桩等，必要的话，同时可以采取排水及减重等措施以保持坡体稳定。,2.1 高边坡破坏类型,1）路堑边坡受地质条件的影响 由于丘陵山区高速公路沿线地形地质条件复杂，边坡破坏形式也各不相同。按规模划分，路堑边坡的破坏分为局部失稳和边坡整体失稳。局部失稳主要有岩屑、块体滑动、倾倒、坠落、崩塌或土体流动等；边坡整体失稳主要有弧形滑动和崩塌、倾倒。,2.1 高边坡破坏成因分析,2）路堑边坡受坡形的影响 坡形主要由地形、开挖高度和开挖坡度3个因素决定。 地形对地表径流和降雨入渗起着控制作用，同时路堑开挖会打破山体和山坡原有的平衡状态，岩土体需向开挖面进行应力释放。若坡形设计合理，应力会重新达到新的平衡以维持边坡长时间的稳定。否则，将会由于变形过大而导致失稳破坏。,2.1 高边坡破坏成因分析,3）工程情况对路堑边坡的影响 个别挡土墙施工不规范 挡土墙尚未设置足够的排水措施 挡土墙顶面高度不满足要求，不能阻挡土石方的塌落等,2.1 高边坡破坏成因分析,三、高边坡稳定性分析理论,极限平衡法,1）边坡稳定性分析三类方法：,刚体分析理论，计算前提条件：滑面位置已知,数值模拟法,概率论法,建立数值分析模型，进行数值计算。常见方法： 有限单元法、有限差分法、离散元法、DDA法、MEM法,以可靠度理论为基础，建立边坡稳定的极限状态方程，再进行边坡稳定的可靠度或失效概率分析。需要对大量参数的数理统计，操作较麻烦。,3 高边坡稳定性分析理论,3.1 简单边坡的稳定分析,1）土质边坡,圆弧滑动：条分法:Fellenius法、Bishop法,平面滑动：简单极限平衡法,粘性土边坡,砂性土边坡,3 高边坡稳定性分析理论,3 高边坡稳定性分析理论,瑞典圆弧法：,安全系数定义： Fs抗滑力矩/滑动力矩,基本假设一土条两侧的条间力，大小相等，方向相反，作用于同一条直线上。,应用注意：,同一坡体坡中存在多个潜在滑面，逐个计算，找出其中稳定系数最小值者为坡体稳定系数，对应滑面为最危险滑面或叫临界滑面。,简单土坡的试算搜索简易经验办法：,（1）0的土体，临界滑面经过坡脚，根据坡角及a、b两角确定最危险滑动面圆心位置。,（2）0的土体，临界滑面一般仍经过坡脚，在EO线的延长线上任取点试算最危险滑动面圆心位置。,3 高边坡稳定性分析理论,3 高边坡稳定性分析理论,3 高边坡稳定性分析理论,Bishop法：,考虑法向条间力的作用，忽略切向条间力，即假设条间合力方向为水平方向。,关键点：,（1）稳定系数定义为KSi/i，在各土条滑面上相等；,（2）单个土条竖向力的平衡；,（3）整体力矩平衡，即各个土条所受力对滑动中心的力矩代数和为零。,注意：,在迭代试算过程中，对于起抗滑作用的土条，即i0时，应注意分母项mi是否会趋近于零？若是，则K计算式无效。一般若出现mi不大于0.2情况，K值就会产生很大误差，Bishop法失效，应考虑采用别的稳定性分析方法。,3 高边坡稳定性分析理论,3 高边坡稳定性分析理论,各种条分法的对比：,3 高边坡稳定性分析理论,各种条分法的对比：,3 高边坡稳定性分析理论,各种条分法的对比：,3 高边坡稳定性分析理论,平面滑动土坡分析,稳定系数定义：K=抗滑力/下滑力,2）平面滑动的岩石边坡,极限平衡法：抗滑力部分、下滑力部分,稳定系数定义： K极限抗滑力/下滑力,极限抗滑力部分：摩擦力（重力的正压力分量对应的抗滑部分）+粘聚力,下滑力部分：重力的下滑分量,3 高边坡稳定性分析理论,3）强度折减法,3 高边坡稳定性分析理论,1、强度折减法是通过折减边坡的强度指标来得到边坡安全系数的方法。 2、有限元/有限差分强度折减法就是在弹塑性有限元或有限差分计算中,对岩土体的抗剪强度 进行逐步折减，直到边坡达到极限破坏状态。 3、目前，有限元和有限差分强度折减法遇到的困难是，尚没有一种统一的边坡失稳判据，即安全系数求解的终止条件。,3）强度折减法,3 高边坡稳定性分析理论,对于摩尔-库仑本构模型，其屈服准则为： 故有： 因此，在对强度进行折减时，将c、 值同时除以折减系数FS，得到一组新的强度指标ci、i，然后进行有限元分析。,3）强度折减法,3 高边坡稳定性分析理论,即： 反复计算直至边坡达到临界破坏状态，此时采用的强度指标与岩土体原有的强度指标之比即为该边坡的安全系数Fs。 下图为强度折减法分析边坡稳定性时，边坡破坏原理示意图。,3）强度折减法,3 高边坡稳定性分析理论,图中，Fs为安全系数，当c、 同时除以安全系数 FS时，边坡达到临界破坏，即抗剪强度线与摩尔圆相切。,边坡稳定系数的定义问题：,（1）Fellenius法极限平衡法可用,（2）Bishop法极限平衡法可用,（3）强度折减法数值模拟分析多用、极限平衡法可用,3 高边坡稳定性分析理论,四、常用支挡结构类别及发展,4.1 常用支挡结构类别,常用的支挡结构主要为以下几种： 重力挡土墙、卸荷板式挡土墙、悬臂及扶壁式挡土墙、加筋土挡土墙、锚定板挡土墙、抗滑桩及桩板式挡土墙、锚杆挡土墙、土钉墙、预应力锚索结构、桩基托梁挡土墙、槽型挡土墙和其他新型支挡结构。,4.1 常用支挡结构类别,1）重力式挡土墙,适用于一般地区、浸水地区、地震地区的边坡支挡工程，当地基承载力较低或地质条件较复杂时应适当控制墙高。,4.1 常用支挡结构类别,2）卸荷板式挡土墙,优点：减少了衡重式挡土墙下墙的土压力，增加了全墙的抗倾覆稳定性。,4.1 常用支挡结构类别,3）悬臂式、扶臂式挡土墙,沿墙长方向每隔一定距离设置一道扶壁，以减小立壁下部的弯矩。,4.1 常用支挡结构类别,4）加筋土挡土墙,依靠拉筋与填土间的摩阻力维持墙体稳定，拉筋宜采用土工格栅。,4.1 常用支挡结构类别,5）抗滑桩,由锚固段侧向地基抗力来抵抗悬臂段的土压力或滑坡下滑力。,4.1 常用支挡结构类别,6）预应力锚索结构,预应力锚索框架梁预应力锚索在工程中的应用大大地改善了框架梁的受力状态，降低了工程造价,4.2 支挡结构发展,近二十年来，我国岩土工程技术高速发展，支挡结构形式已从单纯依靠墙身自重来平衡边坡土压力和滑坡下滑力的重力式挡土墙，发展为采用支撑、土筋复合结构以及锚固技术等多种新型、轻型支挡新技术，并在我国铁路、公路领域陡坡路基工程中得到了广泛应用，例如，悬臂式、扶壁式、锚杆式、加筋土式、锚定板式等新类型的挡土墙等新型的支挡结构，这些新方法增强了工程技术人员克服陡峻地形和不良地质艰难工程的技术手段 。,4.2 支挡结构发展,1、第一阶段（20世纪50年代以前），采用抗滑挡墙结合支撑锚杆，取得了一定效果，但由于滑坡的推力较大，致使抗滑挡墙的体积庞大，墙基须置于滑面以下一定深度，施工开挖对滑体的稳定影响大。 2、第二阶段（20世纪70年代），采用抗滑桩支挡，工程效果比较明显。国内采用矩形截面的钢筋混凝土挖孔桩，由于抗滑桩提供的抗力大，施工对滑体的扰动小、安全、见效快，因此曾被广泛采用。 3、第三阶段（20世纪80年代以后），随着锚固技术的发展，预应力锚索在边坡加固中得到了广泛的应用，在不断的工程实践中演化出了各种各样的结构形式。,五、支挡结构设计理论,传统的重力式挡土墙设计一般是基于库伦土压力理论：,5.1 支挡结构传统设计理论,当墙体向外倾斜变形使墙后土体达到主动土压力状态时，按滑动土契的极限平衡或第二破裂面法求解主动土压力；,当墙体向内倾斜使墙后土体达到被动土压力状态时，按照假定的平面或者复合滑动面来计算被动土压力。,新型支挡结构的出现带动了对支挡结构设计理论的试验研究，如：,5.2 支挡结构设计理论发展,加筋土挡土墙、锚定板挡土墙及土钉墙等复合型挡土墙研究时，其根据各种结构的特点进行了室内模型试验和现场测试，修正了墙背的土压力计算公式；,抗滑桩、预应力锚索结构的推广，使得支挡结构与被支挡体之间已经不能简单用极限平衡条件来解释，应充分考虑滑坡体与支挡结构间的相互作用，如采用弹性理论或弹塑性理论等方法对其进行分析。,目前常用的岩土分析软件主要有以下几种：,5.2 支挡结构设计理论发展,GeoStudio是一套专业、高效而且功能强大的适用于岩土工程和岩土环境模拟计算的仿真分析软件，是全球岩土工程界首选的专业岩土分析仿真软件。其分析模块主要包括以下几种：,1、geoslope分析软件,SLOPE/W（边坡稳定性分析模块）：全球岩土工程界首选的稳定性分析软件； SEEP/W（地下水渗流分析模块）：第一款全面处理非饱和土体渗流问题的商业化软件；,5.2 支挡结构设计理论发展,SIGMA/W（岩土应力变形分析模块）：完全基于土（岩）体本构关系建立的专业有限元软件； QUAKE/W（地震响应分析模块）：线性、非线性土体的水平向与竖向耦合动态响应分析软件； VADOSE/W（综合渗流蒸发区和土壤表层分析模块）：设计理论完善和全面的环境土工设计软件； Seep3D（三维渗流分析模块）：将强大的交互式三维设计引入饱和、非饱和地下水的建模中，可以迅速分析各种各样的地下水渗流问题。,5.2 支挡结构设计理论发展,2、FLAC3D分析软件,FLAC（Fast Lagrangian Analysis of Continua）由美国Itasca公司开发的连续介质力学分析软件，其名称源于采用的快速拉格朗日连续介质方法。因为拉格朗日连续介质法属有限差分法，所以FLAC软件是有限差分软件而不是有限元软件。FLAC软件有二维和三维两个版本，分别是FLAC2D和FLAC3D。其中FLAC3D是FLAC的扩展程序，它不仅包括FLAC的所有功能，还可模拟三维岩土体与其他工程结构的受力和变形形态。,六、两种新型支挡结构应用工点分析,长江边滑坡地带深基坑支挡结构 新型板椅式支挡结构,6.1 长江边滑坡地带深基坑支挡结构,1.工程概况,重庆市万州区和平广场滑坡堆积体位于万州区主城区内，地处长江左岸与其一级支流苎溪河交汇处，为长江三峡工程库区重点勘察防治的“四大滑坡”之一，属三峡库区列入规划须治理的地质灾害体。三峡水库蓄水后，其稳定性直接影响着面积约60万m2的万州老城区的安全。鉴于此情况，有必要对深基坑施工技术进行立项研究。,1.工程概况,施工区西方靠近万州和平广场滑坡后缘，东方毗邻长江河道，地势由西至东逐渐减小。施工需对广场部分分级开挖，而西方滑坡区上已有成型建筑结构。,2.施工过程介绍,2010年7月1日进场施工，前期施工购物中心、酒店部分支护桩，并对1、2#商铺区域内土方进行开挖、平整，出土约10万方。2010年8月4日进行购物中心中心岛开挖。2010年8月12日发现西侧居民区发生位移。2010年9月5日全面停止施工。居民区内房屋变形主要为不均匀沉降所致，其原因一是土层厚度变化大，块碎石分布不均；二是地下水位下降。2010年12月2日复工，进行了1、2#商铺人工挖孔桩、分流道土方、锚杆、锚索及工程桩施工。2011年1月由于工期要求，在锚杆、锚索等未达到设计强度就必须进行下部土方及下排锚杆的施工。在2011年1月14日西侧居民区再次发生位移，对此于采用沙包反压技术，并于18日完成，反压后居民区变形基本稳定。2011年1月20日在滑坡变形区前缘增加了两排抗滑桩和抗滑键。2011年3月4日针对施工组织与设计进行讨论，在原来的基础上增加每段15根锚索，滑坡体与邻近建筑处于稳定状态。,3.变形体处房屋不均匀沉降,2010年8月初，万州区望江路一带部分民房出现拉裂变形，在后来几天的降雨过程中出现变形加剧的趋势，变形区主要集中在原“和平广场滑坡”23剖面之间的后缘部分。变形体纵向长度约160m，前缘宽约180m，后缘宽约50m，平面面积为16000m2，变形体的体积25104m3，主滑方向为43。该变形坡体一旦失稳滑移，将造成巨大损失。,4.工程处治措施,为避免整个施工场地周边民房建筑再次出现较大的异常情况，同时确保整个基坑施工的安全性和稳定性，有针对性的设计出变形体治理措施方案为在拟施工基坑及周边民房的中间增加双排抗滑桩施工。 一次治理：设计抗滑桩为90根，普遍桩长为28-30m，嵌岩深度为9-13m不等 二次治理：抗滑键工程、锚管工程和旋喷加固工程。,5.工程特点,滑坡体上开挖深基坑 建筑物高度密集 濒临长江，受水位变化影响严重,滑坡体土体变形规律研究 滑坡地带深基坑开挖变形控制技术研究 滑坡地带深基坑开挖对既有建筑物影响研究 长江水位变化对深基坑工程影响,6.工程措施对比,主要针对断面4-4、3-3、2-2典型断面进行分析，从不同的挖深（考虑基坑支护结构、一次滑坡体治理、二次滑坡体治理不同工况条件下，模拟基坑开挖对边坡体变形的影响。（以断面4-4为例）,2-2,3-3,4-4,受基坑开挖影响，上缘土层在自身重力作用以及上部建筑物外荷载作用下，上缘土层产生了相对施工开挖区的滑动，纵向（U1）方向是主要的位移方向，主要影响范围在距离施工开挖区50-80m范围内，位移滑动面呈弧状，最大位移处位于开挖支护桩所在位置。 前4次基坑开挖对整体结构产生的位移滑动影响明显，后4次开挖时整体结构基本趋于稳定。,整体结构位移分析,1、无抗滑桩加固,支护桩位移分析,由上图可知，在上缘土体滑动作用影响下，支护桩产生位移，其中开挖面以上部分位移值大于开挖面以下部分。,1、无抗滑桩加固,整体结构位移分析,受基坑开挖影响，上缘土层产生滑动，纵向（U1）方向是主要的位移方向，主要影响范围在距离施工开挖区上部50-80m范围内，位移滑动面呈弧状，最大位移处位于开挖支护桩所在位置。由于抗滑桩作用的效应，相比于没有抗滑桩加固，基坑开挖产生的结构整体位移减小，滑动面发生变化，抗滑桩所在处分担了部分滑动效应。 与无抗滑桩加固时基坑开挖类似，前4次开挖对结构整体位移变化影响明显，待土体稳定后，开挖所产生的影响趋于平稳。,2、有抗滑桩加固,支护桩位移分析,在上缘土体滑动作用影响下，支护桩整体向滑动方向有位移，其中开挖面以上部分位移值大于开挖面以下部分。由于抗滑桩存在，相比于无抗滑桩加固的时候，沿滑动方向位移值减小。,2、有抗滑桩加固,受基坑开挖影响，上缘土层产生了相对施工开挖区的滑动，纵向（U1）方向是主要的位移方向，主要影响范围在距离施工开挖区上部50-80m范围内，位移滑动面呈弧状，最大位移处位于开挖支护桩所在位置。比较前两种工况，在打入埋入式抗滑键以后，位移滑动面会因为抗滑键的位置而发生改变，滑弧走向产生变化，另外整体结构的位移值相较前两种工况减小，可见埋入式抗滑键能有效抵抗整体结构受深基坑开挖产生的滑动影响。,整体结构内位移分析,3、埋入式抗滑键加固,打入了抗滑键以后，抗滑桩的内力效应值相比于前两种工况减小，从上面对比的云图可以发现，1号桩应力最大处位于桩顶部位，2号桩应力最大处位于于基岩接触的部位。 1、2号抗滑桩沿滑动方向位移相近，1号桩稍大，主要产生位移的部位位于基岩上土层范围内。,3、埋入式抗滑键加固,可以比较得出，经过抗滑桩和抗滑键的加固，能减小基坑开挖对整体结构土层以及支护桩产生的内力变化效应，相应的，在抗滑桩及抗滑键与基岩的接触部分有应力集中现象。在抗滑桩前方进行一次埋入式抗滑键加固，也能减少抗滑桩产生的内力及位移变化效应。,进行了抗滑桩及抗滑键加固能有效的减弱基坑开挖对上部整体结构的影响。在主要产生滑动比较明显的区域打入抗滑桩及抗滑键，可以改变滑动面，提前抵御了上部结构沿滑坡方向的滑动，从而减小了临近开挖区的滑动累积。,4、不同工程措施处理结果对比,6.2 新型板椅式支挡结构,6.2 新型板椅式支挡结构,1）板椅式新型支挡结构提出的背景,叙大线龙山车站地形条件复杂，地表覆盖土层较厚，局部达20m；上部填土较厚，对挡墙高度要求较大，传统桩基托梁衡重式挡土墙不能满足支挡结构的设计要求。 以龙山车站DK64+331DK64+580左侧工点为依托，提出适用于深厚表层斜坡路基的板椅式新型支挡结构，根据其挡墙高度大，覆盖土层厚的特殊性展开相关研究。,2）定义及特点,板椅式支挡结构由钢筋混凝土桩基、横梁、承载板与挡土板以及路基填土组成，主要起支挡作用的一种新型桩板墙结构，其综合了桩板墙支挡结构与双排抗滑桩的技术特点。,在板椅式支挡结构中，上部竖向荷载通过承载板与横梁传递到桩体，再由桩基扩散到土体和基岩；填土水平推力与滑坡推力通过桩基直接传递到地基中，靠山侧与临空侧桩基通过横梁连接共同抵抗推力作用 。如下图所示。,6.2 新型板椅式支挡结构,2）定义及特点,板椅式支挡结构断面图,6.2 新