西安建筑科技大学硕士学位论文高填方边坡的稳定性分析与治理措施研究.rtf

西安建筑科技大学硕士学位论文 西安建筑科技大学硕士学位论 文 西安建筑科技大学硕士学位论文 高 填方 边坡的稳定性分 析与 治理措 施研究 专 业：岩土工程 硕 士 生：李 桂 贤 指导教师：李 辉 副教授 摘要 随着我国西部大开发战略决策的实施，西部地区的基础设施建设得到了空前 的发展。由于特殊的环境地貌,在西部山区工程建设过程中经常会遇到 高填深挖的 问题,由此形成的高边坡变形和稳定性问题均十分突出。相对于低边坡而言，高边 坡的变形破坏机制更复杂，因此，如何准确分析这些高边坡的变形并且保证其在 正常运营时期的稳定性满足安全要求已经成为边坡应用工程中急需解决的关键技 术问题。 本文对土质高填方边坡的稳定分析和治理措施进行了研究。以某土质高填方 边坡项目为研究出发点，探讨土质高填方边坡的变形破坏形式，分析影响土质高 边坡稳定因素的作用机理及其敏感性。采用极限平衡法和有限元强度折减法分析 研究了土质高填方边坡，重点分析其稳定性和变形破坏机制。对比两种方法对边 坡变形和稳定性的分析结果，总结了土质高填方边坡的变形破坏特征，综合评价 了土质高填边坡的稳定性。根据高边坡的变形特征，结合工程实际情况，本文拟 定了四种高填方边坡治理方案。考虑了六个评价指标，运用熵权多目标决策法对 拟定的四种边坡治理方案进行优化选择，理论分析优选得到的边坡治理措施的加 固机理，并运用数值模拟方法进一步分析治理后的高填方边坡防护结构的受力特 性。 关键词： 高填方边坡；稳定性；灰 色关联分析 ；有限元强 度折减法； 熵权多目标 决策 西安建筑科技大学硕士学位论 文 The Resea rch of the Stability and the Reinfo rcement measures of Hig h Fill S lo pe Specialty： Geotechnical Engineering Na me: Li Guixian Inst ructo r: Associate Pro f. Li Hui ABSTRACT With the imp lementatio n o f the decisio n- making o f Chinas western develop ment strategy, the wes tern regio ns infrastructure construction has been an unprecedented develop ment. Dur ing to the special enviro nmental land forms, in the process o f the engineering co ns tructio n, we often encounter the p rob lem o f high ly fill and ferret o ut in the western mo untain. So the res ulting high s lope defor matio n and stab ility iss ues are ver y pro minent. Relative to the lo w slope, the deformation and failure mechanis ms o f high slope are mo re co mp lex. Therefore, an accurate analysis o f the high-slope defo rmation and the enforcement to ensure the stab ility o f the nor mal operating period to meet the security req uirements have become the key technical issues in th e app licatio n o f slope engineer ing. In this paper, the analysis of stab ility and optimizatio n o f enfo rcements o f the high so il fill slope have been s tudied. As a star ting po int fo r the research, o ne soil high fill slope p roject has been used to exp lore the for m of the so il high fill slop e defo rmation and failure, and to analyze the mechanism o f actio n and sensitivity o f the high so il s lope stability factors. Limit eq uilib rium method and finite element strength reduction are used to analyze and s tud y the so il high fill slope, fo cusing o n the analysis of its stab ility and the defo r matio n and failure mechanisms. By comparing o ne of the two res ults o f the two calculation methods with the other, the defo rmatio n and failure mechanisms o f high so il fill slope have been summarized and the co mprehensive evaluation o f the stab ility of the high slope have been done. Based o n the defo rmation and failure characteristics of high so il fill slope and geological conditio ns o f the engineering, fo ur enfo rcements were been proposed in this paper. And the method o f entrop y weight multi-objective decis io n which co nsider ed the six evaluatio n indexes was used to op timize the fo ur 西安建筑科技大学硕士学位论文 enfo rcements. Analys is o f the reinforcement mechanism of the op timal enfo rcement and the numerical simu latio n have been do ne to further analyze the mechanical character istic of the o f high fill slope protectio n structures after treatment. Keywo rds: High fill slope; stab ility; grey correlation analysis; strength red uctio n finite element method; Entrop y weight multi- objective decisio n 西安建筑科技大学硕士学位论文 目 录 1 绪论 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1.1 论文的研究背景. 1 1.2 国内外研究现状. 1 1.2.1 边坡稳定性分析方法研究现状 1 1.2.2 边坡加固技术发展现状 3 1.3 研究目的. 4 1.4 研究内容、技术路线. 4 2 边坡稳定性分析相关 理论 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 2.1 边坡分类. 7 2.2 土质边坡变形破坏形式. 7 2.3 影响边坡稳定因素. 9 2.3.1 影响因素 9 2.3.2 灰色关联度法的主次因素的敏感性分析 11 2.4 边坡稳定性分析方法. 13 2.4.1 极限平衡法 13 2.4.2 有限单元法 17 3 土质高填方边坡有限 元分析 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 3.1 MIDAS/GTS 有限元程序 19 3.2 土质高填方边坡数值模拟在 GTS 中的实现. 19 3.2.1 初始地应力场的建立. 19 3.2.2 模型的建立. 20 3.2.3 土- 筋材接触面处理 . 21 3.2.4 本构模型的选取. 22 3.2.5 土质高填方边坡有限元分析的实现过程 23 3.3 本章小结. 24 4 高填方边坡稳定性分 析与治理措施研究 . . . . . . . . . . . . . . 25 4.1 工程概述. 25 4.1.1 地层岩性 25 I 西安建筑科技大学硕士学位论 文 4.1.2 水文地质条件 26 4.2 基于极限平衡法的高填方边坡稳定性分析 . 26 4.2.1 计算分析方法 26 4.2.2 计算工况及参数选取 27 4.2.3 安全系数 27 4.2.4 计算结果分析 29 4.3 MIDAS/GTS 数值模拟分析 . 30 4.3.1. 计算范围及模型概化 30 4.3.2. 数值模拟中弹性模量和泊松比的取值 31 4.3.3. 计算模型的建立 31 4.3.3.1 基本假定 31 4.3.3.2 建模过程与网格划分 31 4.3.3.3 边界条件与荷载 32 4.3.4. 计算结果分析 32 4.4 高填方边坡治理措施研究 . 41 4.4.1 高填方边坡治理措施的优化选择 41 4.4.1.1 熵权多目标优选决策法原理 41 4.4.1.2 高填方边坡治理方案的熵权多目标优选决策 44 4.4.2 加筋土作用机理 48 4.4.2.1 摩擦加筋原理 48 4.4.2.2 准粘聚力原理 50 4.4.3 高填方边坡治理措施设计计算 52 4.4.3.1 重力式挡墙结构设计. 52 4.4.3.2 加筋土边坡结构设计计算. 52 4.4.4 土工格栅内力分析 54 4.5 本章小结 . 57 5 结论与展望 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 5.1 结论 . 59 5.2 展望 . 60 致谢 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 参考文献 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 II 西安建筑科技大学硕士学位论文 攻读学位期间发 表的论文 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 III 1 2 西安建筑科技大学硕士学位论文 1 绪论 1.1 论文的研究背景 西部地区的基础设施建设伴随着我国西部大开发战略决策的实施得到了空前 的发展。由于该地区特殊的环境地质地貌特征,在边坡工程建设中常会遇到高填深 挖的问题,由此形成的高边坡变形和稳定性问题均十分突出。相对于低边坡而言， 高边坡的变形破坏机制更复杂，因此，如何准确分析高边坡的稳定性，并根据工 程实际情况选择合理的工程措施加固边坡，是众多岩土工作者长期以来不断探索 的关键技术问题之一 。 边坡应用 工程中因边坡失稳而造成的工程事故屡见不鲜。据不完全统计 ： 我国仅在 1949 年-1990 年之间，发生危害和影响重大的边坡失稳破坏事故至少 850 次。2000 年 4 月 9 号，因春季雪山融化造成的西藏易贡滑坡是目前世界上规模最 大的滑坡之一，高达 3300 m，滑坡造成四千多人被困，交通中断，一万多人面临 着洪水的威胁，造成直接经济损失约 1.3 亿元以上。重庆武隆县于 2001 年 5 月的 滑坡灾难中滑坡体摧毁了一幢多层商住楼，致使 79 人死亡， 319 国道中断 4 昼夜， 造成了严重的社会影响。每年因滑坡、崩塌等坡体灾害造 成的经济损失高达 30 亿 -50 亿美元。 由此可以看出，边坡的稳定问题如果不能妥善解决，将造成很严重的经济损 失后果和不良的社会影响，高填方边坡的变形机制和失稳机制仍需要进一步研究。 “”本论文的研究课题是 高填方边坡的稳定性分析与治理措施研究 ，以某高填方边 坡项目为研究出发点，探讨土质高填方边坡的变形破坏形式，分析影响土质高边 坡稳定因素的作用机理和敏感性。同时根据边坡的变形分析和稳定性分析结果， 结合工程实际情况，选择合理的工程措施加固边坡，为土质高填方边坡的治理设 计提供参考。 1.2 国内外研究现状 1.2.1 边坡稳定 性分析方法研究现状 边坡稳定性研究从 20 世纪 50 年代初期开始逐步发展。伴随着研究人员对工 程地质模型认识的不断深入和边坡稳定性分析方法的多样化，边坡稳定性的研究 得到了长远的发展，边坡变性破坏的预测与防治能力也在逐步提高。边坡稳定性 分析的研究经历了一个较长的发展过程，国内外很多学者对其进行了研究，并取 1 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 西安建筑科技大学硕士学位论 文 得了丰硕的成果。目前，边坡稳定性的分析方法很多，按照分析原理的不同可分 为：定性分析方法、定量分析方法以及不确定性分析方法 。 （1）.定性分 析方法 主要是根据工程地质勘察结果，结合工程实际，分析影 响边坡稳定的主要因素、边坡变形破坏方式以及坡体失稳机制等，分析已发生变 形破坏地质体的形成原因和发展过程，从而定性评价边坡的稳定性工作状况，并 定性说明其变形发展趋势。定性分析方法主要有：工程地质类比法、自然（成因） 历史分析法和图解法等。虽然这类分析方法能够将影响边坡稳定性的多种因素考 虑在内，并对边坡的发展趋势及其稳定状况作出有效的评判，但因无法得到具体 的边坡稳定安全系数，故只能用于判断边坡是否处于稳定状态 。 （2）.定量分析方法是指在一定的地质模型的基础之上建立 数学力学模型，并 根据对该模型的计算分析结果，评价边坡稳定性。依据稳定分析目的、边坡类型 的不同及分析精度要求的不同对应不同的计算方法，其中极限平衡分析法和数值 分析法是目前应用最广泛的两种定量分析方法。 根据求解思路的不同可将极限平衡法分为滑移线法、垂直条分法两种，因为前 者的求解过程相对复杂，因此常选用垂直条分法分析边坡的稳定性。垂直条分法 假定在滑裂面上的土体达到了极限平衡状态，根据静力平衡条件计算潜在滑动面 上的滑动力和抗滑力，通过大量计算和分析比较，选择其中最小的数值作 为边坡 的稳定安全系数，其所对应的滑动面即边坡最危险的滑动面。极限平衡理论的优 点是能精确地评价结构的稳定性，却不需要事先给出应力 作用下结构的变形图像。 边坡稳定分析的早期发展主要围绕着如何提高条分法的精确性进行，改进途径 主要包括完善条分法的假设条件和合理确定临界滑裂面。根 据其假设条件的不同， 基于极限平衡法的简化方法主要有： Fellenius 法 、简化 Bishop 法 、Janbu 法 、spencer(1967、1973)法 、Morgenstern-Price 法 等。随着学者的深入研 究，出现了改进的 Morgenstem-Priee 法，广义极限平衡法 等等。为了简化计 算，极限平衡法假定土体是均匀的，但当分析土质边坡时往往因土体不均匀而使 计算结果与实际情况差别很大，同时该方法很难应用 于复杂土层及土工结构计算， 为此 Lysmer(1970) 、Chen（1975) 将力学上的极限分析方法引入到土力学 中。 后来 Sloan(1988) 等人引入变分原理寻求问题的上 限解，S1oan(1988) 、李 国英与沈珠江 (1997)等人引入数学规划法得出问题的下限解 。 极限平衡法不能考虑岩土体的非均匀性，非连续性和大变形问题，针对这个 问题出现了另一种应用更广泛的边坡稳定分析方法-数值分析法，1976 年有限元法 2 18 19 西安建筑科技大学硕士学位论文 首次被引入边坡稳定性分析问题中，从此数值计算方法的应用逐渐得到了重视。 数值分析法主要由有限单元法、边界元法、离散单元法、连续介质快速拉格朗日 法及不连续变形分析等组成。为了得到理想的计算结果，需要保证岩土体本构关 系的适用性和输入数据的精度满足相关要求。有限元法是比较常用的数值分析方 法，相对于极限平衡法来说，有限元法有以下特点：不需要对破坏面形状和位置 作出假定；不需要为了简化计算而对边坡引入很多的假定条件，保证了数值模拟 与工程实际情况的一致性；分析结果给出了应力与变形的全部信息 。 （3）.非确定 分析方法 边坡工程并不是独立封闭的系统，复杂特性明显。影响边坡的因素很多，且 具有随机性、模糊性和不确定性等特点，传统的力学方法无法全面考虑以上各方 面的影响，因此进行计算分析及其分析结果均存在许多问题和不足。近年来，新 的分析方法的出现使得边坡稳定分析可以考虑更多的影响因素，如固结和非饱和 状态。现代科学理论不断被引入到边坡稳定研究领域，于是形成了非确定性分析 方法，主要有:边坡稳定可靠性分析法、模糊数学法、灰色系统预测分析法、随机 过程法、人工智能和人工神经网络法等等。 边坡稳定性分析研究的逐渐深入也伴随着稳定性分析方法的不断涌现，对边 坡稳定性的分析已不再仅限于单纯的定性描述和定量计算，随着研究层次的不断 深入，基于现代科学理论并能精确分析边坡稳定状况的研究方法也在不断出现并 被推广应用。目前国内外分析评价边坡稳定性已经由单一的方法研究转向多种方 法并用的综合应用研究。非线性科学方法的应用使得分析计算结果更接近于工程 实际情况，研究人员能更加全面和深入的认识理解边坡破坏现象，更准确地预测 边坡变形的发生与发展，据此给出合理的边坡加固设计。 1.2.2 边坡加固 技术发展现状 早期边坡工程设计内容并不包括边坡加固这一项，边坡工程设计主要是确定 边坡的高度和边界线，并给出稳定的坡角。只有当边坡发生的变形破坏威胁到国 民的生命财产安全时，才考虑采用一定的工程措施，对边坡进行加固。这种边坡 治理原则使得加固措施的经济效益较差，而且加固效果并不理想。 为了使得边坡的稳定性满足安全要求，长期以来，工程师们提出了各种类型 的边坡加固技术。目前边坡加固处理措施可以分为直接加固、间接加固和特殊加 固三类 直接 加固，包括挡墙及护坡、锚杆及锚索、抗滑桩等；间接加固， 3 西安建筑科技大学硕士学位论 文 包括削坡减载、坡体中使用巷道或通过钻孔疏流、地面排水及铺盖防渗等措施； 特殊加固，包括压力灌浆和麻面爆破等。目前，国内外多 用直接加固法和间接 加固法加固土质高边坡工程。 在众多的加固方法中，坡脚设置挡墙是常用的边坡加固方法。随着边坡高度 的逐渐增加以及边坡工程地质条件的日益复杂，挡墙工程中引入了多种新技术如 土筋复合结构以及锚固技术等。挡墙结构形式也从过去单一的 重力式，逐渐发展 形成了锚杆式、加筋土式、锚定板式等多种类型，工程应用中 可以根据具体的工 程地质条件选择合理的挡墙结构型式。 根据边坡工程的发展过程可以看出，目前边坡的加固方法以综合治理为主， 与以往采用单一的加固措施有所不同；边坡的加固原则由以前的被动防治变为目 前的主动加固；边坡加固的目的是能主动地提高边坡的稳定性，保证其经济效益 良好，而不再仅仅是当边坡发生变形破坏后的防治手段。 1.3 研究目的 边坡指地表面一切具有一定的倾向临空面的复杂地质体。公路等基础设施的 建设伴随着西部大开发战略的实施而迅速在西部地区展开，由于西部地区地形、 地质条件复杂，根据建设项目的实际需要，局部地区必须高填深挖，为此出现了 许多高边坡，这些边坡的稳定与否直接影响到基础设施建设的正常开展和国民经 济的发展。由于边坡失稳而造成的事故每年都会发生很多次，目前，边坡失稳己 经成为全球性三大地质灾害(源)之一，对边坡稳定与治理问题的研究应随人类工 程实践活动的不断发展而不断深入。 本文的主要目的是对土质高填方边坡的稳定性分析和治理措施进行研究，探 讨土质高填方边坡主要的变形破坏形式，分析影响土质高边坡稳定的各种因素作 用机理及其敏感性。讨论如何采用定量分析方法对土质高填方边坡进行分析，研 究土质高填方边坡的变形破坏特征及其稳定性。同时结合工程实际条件，优化选 择合理的工程措施加固边坡，理论分析优选得到的治理措施的加固机理，采用数 值模拟方法进一步分析边坡防护结构的受力特性，从而保证高填方边坡在正常运 营阶段自身稳定性满足工程安全要求，为土质高填方边坡的整体稳定性分析和治 理设计提供参考。 1.4 研究内容、技术路线 本文依托于兰州某电厂高填方边坡治理工程，对土质高填方边坡的稳定分析 4 西安建筑科技大学硕士学位论文 和治理措施进行了研究。以该项目为研究出发点，探讨土质高填方边坡的变形破 坏形式，分析影响 土质高边坡稳定因素的作用机理及其敏感性。总结了 Fellenius 法、Janbu 法、简化 Bishop 法、有限元法在边坡稳定性 分析中的应用和计算理论。 采用极限平衡法和有限元强度折减法对土质高填方边坡进行研究，分析边坡稳定 性和变形破坏机制。比较两种方法对边坡变形和稳定性的分析结果，总结土质高 填方边坡的变形破坏特征，给出土质高填方边坡稳定性的综合评价及分析结果。 根据高边坡的变形特征，结合工程实际情况，本文拟定了四种边坡治理加固处理 方案，并运用熵权多目标决策法对所提出的四种边坡治理方案进行优化选择，理 论分析优选得到的边坡治理措施的加固机理，并运用数值模拟方法进一步分析高 填方边坡防护结构的受力特性。本文技术路线图见图 1.1 。 5 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 西安建筑科技大学硕士学位论 文 高填方边坡的稳定性分析与治理措施研究 质 坡 形 破 形 式 影 因 敏 性 析 稳 性 分 方 法 程 质 件 极限平衡分析 稳定性分析 数值模拟分析 边坡稳定性评价和变形破坏特征 边坡治理 理 施 选 设 计 加 机 研 究 土 格 内 分 析 结 论 图 1.1 本文技术路线图 6 20 21-22 西安建筑科技大学硕士学位论文 2 边坡稳定性分析相关理论 2.1 边坡分类 一般情况下把一切自然的与人为的岩土斜坡统称为斜坡。把一切由于工程建 设而开挖与填筑的斜坡统称为边坡 。根据分类标准的不同，边坡有多种分类。 根据构成边坡的物质种类，边坡可分为土质边坡，岩质边坡和岩土混合边坡；按 照边坡的高度不同，边坡可分为普通边坡及高边坡。其中总高度小于 30 m 的岩质 边坡和总高度在 15-20m 以下的土质边坡属于普通边坡，边坡总高度大于 30 m 的岩 质边坡和总高度大于 15-20m 的土质边坡，我们称为高边坡；按照其形成过程，边 坡可分为人工边坡和自然边坡，其中人工边坡又可分为挖方边坡和填筑边坡。 2.2 土质边坡变形破坏形式 边坡的变形破坏可以分为变形与破坏两个阶段，当边坡岩土体中未出现贯通 性破裂面时边坡处于变形阶段，当岩土体中形成贯通性破裂面并且滑坡体以一定 的速度产生位移时边坡处于破坏阶段。变形和破坏是边坡变化过程的主要阶段， 变形的不断累积致使边坡最终发生破坏。由于不合理的设计和施工造成的边坡工 程事故经常发生，边坡失稳与破坏的形式有很多，其中土质边坡常见的破坏形式 主要有以下四类 ： （1 ）崩塌破坏 崩塌破坏主要是指坡度较陡的边坡，因坡体内部存在大量节理裂隙而导致土 体中产生张拉变形，最终发生倒塌的一种破坏模式。在陡立的黄土边坡中经常出 现这种破坏模式，特别是在雨水等因素的诱发下，破坏更加严重。边坡崩塌破坏 形式见图 2.1 。 图 2.1 边坡崩塌破坏示意图 这种破坏模式的机理是，陡立边坡坡顶或局部坡体附近的土体因张拉应力的 存在而导致大量裂缝的出现，在雨水冲刷及重力作用下，这些裂缝不断向坡体内 7 西安建筑科技大学硕士学位论 文 部发展。随着裂隙宽度的增大，雨水不断渗入，坡体被切割成若干 土柱或土块， 并在自重及外力的共同作用下失稳，形成崩塌破坏。 （2 ）滑塌破坏 滑塌破坏兼有滑动和崩塌等多种破坏特点，主要是指高陡边 坡在人类工程活 动及自然因素的影响下突发的、先局部滑动后突然崩塌的变形破坏形式。从破坏 过程及破坏后的形态来看，破坏土体中局部可见滑动面但又不会发生整体滑动， 在局部滑动面位置处带有突然翻滚崩塌的破坏特点，这种破坏形式主要发生在高 陡边坡的坡顶部位和边坡中部。 （3 ）滑坡破坏 滑坡破坏一般是指在自身重力的作用下岩土边坡沿某一软弱面向下前方滑动 的破坏现象。造成滑坡的因素很多，人工开挖、河流雨水冲刷边坡坡脚、坡顶超 载等许多因素都会导致边坡整体或局部滑动，这类边坡破坏面的破坏形式主要有 圆弧形、折线性、平面形、复合型等几种形式。其中，圆弧形、平面形和折线形 是边坡破坏面的三种基本形式，如图 2.2 所示。 图 2.2 土质边坡滑动面示意图 土质边坡中常见的破坏形式是圆弧形滑动，这类破坏形式滑动面的形成与边 坡所形成的最大剪应力面密切相关。破坏发生前，剪应力在边坡坡脚处出现应力 集中，大于该处土体的抗剪强度，此处土体发生整体或局部蠕动。同时，坡顶处 的土体产生拉力破坏并伴随着裂缝的开展，贯通性滑裂面在坡体内形成时边坡发 生整体滑动破坏，滑动面处应力经过这一滑动重新调整后，破坏 后的边坡再次保 持稳定。 8 西安建筑科技大学硕士学位论文 （4 ）坡面冲刷破坏 图 2.3 边坡坡面冲刷破坏示意图 边坡坡面冲刷破坏形式如图 2.3 所示，坡面冲刷破坏主要发生在植被覆盖率 较低的土质边坡。坡面土体松散的土质边坡，当受到突发性暴雨的浸蚀，土体结 构遭到破坏，土体的黏聚强度和摩擦强度大大降低，此时极易发生坡面破坏。坡 面植被覆盖情况和排水情况，坡面岩土体的强度、土性，边坡坡度等因素是土质 边坡发生坡面破坏的主导因素。 2.3 影响边坡稳定因素 2.3.1 影响因素 边坡发生失稳破坏变形主要是由土体发生剪切破坏所造成的。土的抗剪强度 指土体在荷载的作用下抵抗剪切破坏的能力，此时土体中产生应力分布，根据材 料力学，土体任意斜面一般均会同时出现法向应力和剪应力。土体沿斜面是否发 生剪切破坏，不但取决于斜面上的剪应力，还和斜面上的法向应力有关，剪应力 的作用迫使土颗粒相互错动产生破坏，而法向应力的作用对土颗粒有压实、增强 土体抗剪的能力，有利于土体的稳定和强度的提高，边坡土体发生破坏与否取决 于斜面上法向应力和剪应力的组合情况。土体抗剪强度不仅与土颗粒大小、形状、 级配、密实度、矿物成分和含水量等因素有关，而且与土体的外界环境条件有关， 这些变量同样会影响到边坡的稳定性。 边坡稳定性主要受边坡的地层组成、岩土体的工程性质、构造、结构、地应 力等内在因素和边坡形态的改造、振动作用、气象变化、植被作用、工程荷载以 及人为因素等外部因素的影响。这两类因素影响边坡稳定性的作用机理 各不相同， 内在因素主导边坡稳定性，外部因素诱发破坏边坡稳定性。 根据各因素作用机理的不同，影响其稳定性的因素主要有以下几种： （1 ）地层与岩性 边坡工程地质特征取决于地层与岩性，不同的地层岩性使边坡表现出特有的 9 西安建筑科技大学硕士学位论 文 变形破坏形式。当边坡地层大量含有特殊矿物质成分以及风化物质时，容易在坡 体内部形成滑动带，从而增大了边坡发生滑动的几率。岩性指组成岩石的物理化 学、水理与力学性质，岩性的不同可以使岩体的抗剪强度发生重大变化 ，因此， 边坡稳定性会随着岩性的改变而发生大的改变。 （2 ）边坡的几何形状、表面形态 边坡的几何形状和表面形态是影响稳定性的主要因素。边坡坡度的增加扩大 了坡面与坡顶之间拉应力带的范围，并增大了坡脚应力集中带的最大剪切应力。 因此，均质边坡的稳定性随着坡度和坡高的增大而逐渐变差，但当同向倾斜的滑 动面控制边坡稳定性时，坡度对边坡的稳定性的影响不明显，此时边坡坡高称为 主要决定性因素。边坡表面形状不同可以改变边坡岩土体内的应力应变条件，凸 形边坡由于岩土体突出，两侧水平易受 拉应力，岩土体受拉应力容易产生拉裂缝， 故此类边坡的稳定性较差。凹形边坡岩土体表面处于二向受压 状态，这种受压状 态对岩土体强度的提高具有积极作用，故凹形边坡的稳定性较好。 （3 ）地质构造与地应力 地质构造主要指区域构造特点、边坡地质的褶皱形态、岩层产状、断层和节 理裂隙发育特征以及区 域新构造运动活动特点等。边坡变形 破坏形式和发生破坏 的规模受岩层褶皱形态和岩层产状的直接控制，一般地处区域构造复杂地区的边 坡其稳定性较差，地质构造作用对土质边坡稳定性的影响没有对岩质边坡的影响 显著。岩体边坡地应力控制岩体边坡节理发育、裂隙发育和边坡变形特征，可直 接引起边坡岩体的变形甚至破坏。 （4 ）水的作用 大量的边坡事故表明，水是诱发边坡发生失稳破坏及变形的重要因素。水的 影响作用主要分三类：水对边坡岩土体产生一定的作用力（动、静水压力和浮托 力等）；与岩土体内矿物成分发生物理化学反应，改变矿物的化学成分或者使岩土 体变得更松散、破碎；水流冲刷坡面，破坏岩土边坡的整体性。这些作用可以不 同程度地降低边坡的稳定性，因此应该严格控制边坡内部和外部的排水条 件。 （5 ）振动作用 爆破、地震以及其他工程施工振动等产生的振动作 用也 会影响边坡的稳定性。 爆破会在瞬间改变边坡的应力场，爆破产生的振动波会破 坏土颗粒之间的联结力， 降低土体抵抗剪切破坏的能力。地震振动作用首先改变边坡岩体的结构面的特性 与状态，以及地下水的状态，然后在振动冲击力的反复作用下，使边坡结构面发 10 3 西安建筑科技大学硕士学位论文 生水平及竖向的位移变形直至边坡发生破坏变形。 （6 ）其他因素 除了上述因素以外，人为因素、风化作用等都会对边坡的稳定产生一定的影 响。 风化作用将会使边坡岩土体的存在状态、化学成分等随时间的推移发生重大 改变，最终严重降低边坡的稳定性，只不过这一影响因 素是一个长期的演变过程。 植被生长过程中植物根系吸收部分地下水，改变了坡体土的干湿状态及土体的工 程力学性质，降低了水对岩土体抗剪强度的不利作用，同时植物根系本身能对边 坡表层产生一定的加固作用，因此植被的生长对土质边坡稳定是积极作用。但其 对岩质边坡的稳定往往是不利作用。工程建设中，人为破坏坡脚，挖空坡脚，坡 顶附近设有建筑物或堆土场，这些人为行动会造成边坡应力场的重大改变或坡顶 超载，边坡为了适应新的应力场会产生一定的变形，这会直接对边坡的稳定性产 生不利的影响。 2.3.2 灰色关联 度法主次因素的敏感性分析 各因素对土质高填方边坡稳定性的影响大小各有不同，如何准确找出影响土 质高填方边坡稳定性的主导及次要因素，为人工边坡的治理设计提供可靠的理论 依据，是边坡治理设计中的关键问题。土质高填方边坡的稳定性主要与潜在滑裂 面上的土体的抗剪强度以及边坡形态有关，土体的风化作用和结构面特征不明显。 采用灰色关联 度法分析土质高填方 边坡稳定性 的影响因 素，通过 比较其敏感 性，可以得到影响土 质高边坡稳定各 因素的主次 关系。此 处选取影响 因素：填土 的重度、填土的黏聚力、填土的内摩擦角、平均坡比和坡高。该边坡总高度 H=35 m，平均坡比 m=1:1. 75，填土重度=15 kN/m ，填土黏聚力 c=10 kPa，内摩擦角 =23。以上数值作为各因素的基本值，根据边坡工程土工试验资料，每个因素 分别选取 6 组不同的数值，每次计算时只改变其中某一 因素的大小，保持其他因 素数值大小不变。 借助理正边坡稳定 性分析计算 程序计算 边坡稳定安 全系数，采 用简化毕肖普法的计算结果见表 2.1 。 11 3 X 13.500 14.000 14.500 15.000 15.500 16.000 1 ? ? ? ? X 10.000 15.000 20.000 25.000 30.000 35.000 ? ? ? ? ? ? ? ? 3 ? ? ? ? X 10.000 20.000 30.000 40.000 50.000 60.000 ? ? ? ? ? ? ? ? Y 1.118 1.109 1.100 1.092 1.084 1.077 1 ? ? ? ? Y 1.092 1.206 1.310 1.408 1.502 1.592 ? ? ? ? Y ? ?Y ? ? ?0.578 0.773 0.970 1.175 1.394 1.633? ? ? ? ? Y 3.464 1.736 1.163 0.879 0.709 0.597 ? ? ? ? ? ? 0.9489 0.9287 0.9094 0.8913 0.8739 0.9937 ? ? 0.9757 0.9585 0.8780 0.8075 0.7458 0.6917 ? ? ? ? i j ? ? 0.3755 0.8811 0.6349 0.4749 0.3910 0.3368 ? ? T 西安建筑科技大学硕士学位论 文 表 2.1 各参数变化时安全系数（FS） 的计算结果 重度 安全系数 粘聚力 安全系数 内摩擦角 安全系数 (kN/m ) FS C(Kpa) FS （ ） FS 13.500 1.118 10 1.092 10 0.578 14.000 1.109 15 1.206 15 0.773 14.500 1.100 20 1.310 20 0.970 15.000 1.092 25 1.408 25 1.175 15.500 1.084 30 1.502 30 1.394 16.000 1.077 35 1.592 35 1.633 23,24 坡高 H(m) 10 20 30 40 50 60 安全系数 FS 3.464 1.736 1.163 0.879 0.709 0.597 边坡 比率 m 1.000 0.800 0.667 0.571 0.500 0.444 安全系数 FS 0.590 0.701 0.923 1.092 1.161 1.342 根据灰色关联分析理论，首先选取各高填方边坡稳定性影响因素的计算 数值组成参考数列 X 矩阵，并以对应于各因素 取值的高边坡 稳定安全系数数值组 成被比较数列 Y 矩阵，其中 X 1, X 2 , X 3 , X 4 , X 5 , 分别对应于填土体重度，粘聚力， 内摩擦角，坡高，边坡比率。 5 5 上述各因素的量纲不同不能直接比较，经无量纲化处理后即可进行比较，根 据计算所得的差异数列矩阵，求得关联系数矩阵如下， 求解矩阵中各行关联系数的平均值可得灰色关联度矩阵： r 0.9243 0.8429 0.7272 0.5157 0.8155 关联度的大小代表因子间相互作用影响的外在表现程度，关联度越接近 1，表 12 25 26 27 西安建筑科技大学硕士学位论文 明该影响因素对高边坡稳定性的影响越敏感。根据计算得到的灰色关联度矩阵可 知，填土体重度，粘聚力，内摩擦角，坡高及边坡比率的灰色关联度分别是 0.9243， 0.8429，0.7272，0.5157，0.8155，各因素对土质高填方边坡稳定安全系数影响的 敏感性大小的顺序由大到小依次为：填土体重度、黏聚力、平均坡比、内摩擦角 和坡高，即填土 体重度和黏聚力对边坡稳定性影响最敏感，同时由表 2.1 中各因素 改变的情况下安全系数计算结果可以得到，高边坡稳定安全系数随土体重度的增 大而减小，随黏聚力的增大而出现逐渐变大的趋势。 2.4 边坡稳定性分析方法 随着研究工作的逐渐深入，边坡稳定分析理论也在逐步充实并得到不断的发 展，边坡稳定分析方法表现出了由定性到定量，由确定性到非确定性的发展趋势 。定性分析方 法无法给出确切的边坡稳定安全系数，不能将边坡的稳定性量化； 非确定分析方法仍处于发展阶段，而且要求使用者了解许多现代科学理论知识， 因而目前这类方法的应用范围有限；定量分析方法是目前应用最广泛的边坡稳定 性分析方法，其中的极限平衡法和数值分析法中的有限单元法是目前最常用的两 种方法。 2.4.1 极限平衡 法 极限平衡法是目前定量分析方法中应用较广泛的方法，19 世纪二十年代或更 早些时候，极限平衡法的研究工作开始逐步展开，近些年来仍在不断发展。极限 平衡法是针对土体边坡应用相对比较成熟的方法。分析土质高边坡的稳定性时比 较常用的是瑞典条分法、简化 Bishop 法、Janbu 法等等。 （1）.Fellenius 法（瑞典条分法） Fellenius(1927) 最早提出了基于圆弧滑裂面的边坡稳定分析方法，也就是 最初的瑞典条分法，其原理是选取单位长度边坡，将空间问题转化为简单的平面 问题，假定一条可能的圆弧滑裂面，然后将滑动土体沿滑裂面等分成若干竖向土 条(土条的宽度一般取圆弧半径的 1/10)，如图 2.4 所示，每个土条进行受力分析 。 13 T ? T F ? 28 ? F ? (2-2) 西安建筑科技大学硕士学位论 文 安全系数表达式如下: ET i, j -土条编号 E -总下滑力， E j 图 2.4 瑞典条分法计算简图 (W sin W sin ) M / R （2-1 ） T T T i W i sin j tan j c L Ti -地基土内抗滑力， T j -填土内抗滑力， T j 滑面倾角 L - 滑面长度 R j - 滑裂圆半径 i W j i sin j i tanq j qi c q j qi Lj i cqi 、 q i 、 c q j 、 qj-第 i 个土条滑裂面土体的粘聚力及内摩擦角的快剪值 M -外力(如地震力) 对破裂圆弧圆心的力矩 瑞典条分法适宜于对均 质的粘性土边坡进行分 析，由于忽略了各土条之间的 侧向作用力，该方法并不是严格满足静力平衡条件，因此用该方法计算出的边坡 安全系数会偏低。 （2）.简化 Bishop 法 简化 Bishop 法是考虑了土条间相互作用力的计算方法，该方法有两个基本假 定：滑动面形状是圆弧形；每个土条在底部滑动面上的安全系数与整个滑动 面上的平均安全系数相同。为了简化计算，该方法还忽略了土条间的切向作用力。 岩土体在整个滑动面上的抗剪强度 f 相对于坡体土实际产生的剪应力 的比值就 是边坡的安全系数 ，计算公式如下: 式中： f -边坡岩土体在 整个滑动面上的抗剪强度 14 ? W R sin?i ? T R ? 0 1 ? ? i i i i i i i ?1 i m F ? s W sin?i ? tan ? sin ? m ? cos? ? (2-6) 1 ? ? ? i i i i i i m F ? Q ? 西安建筑科技大学硕士学位论文 -实 际产生的剪应力 图 2.5 简化毕肖普法的计算简图 如图 2.5 所示，根据垂直方向力的平衡条件有: i i1 i i i i i i i i 根据整体力矩平衡条件有： i i 解得安全系数的公式为 i Fs 由于 Xi ， X i 1 是未知的，不考虑各土条之间的切向力，安全系数计算公式简 化为: Wi sini （2-7 ） 式中： Wi -第 i 个土条的自重； i i i Ei 、 X i - 法向及切向条间力； 15 -?; 西安建筑科技大学硕士学位论 文 bi - 土条宽度； c、 - 土体有效抗剪强度指标； ui - 孔隙水压力； li - 土条底部弧长； i R - 滑动面圆弧半径。 由此得到的计算式即为简化毕肖普表达式， Fs 只同时存 在于 mi 的表达式内， 故需要对 Fs进行迭代运算，先求出mi，然后再 求 Fs，再用 此 Fs求出新的mi 及Fs， 反复迭代算出的就是假定条件下