（地质工程专业论文）水帘洞煤矿工业场地黄土高边坡稳定性及治理研究.pdf

摘要 随着西部电力、矿山建设工程的快速发展，黄土高边坡的规模越来越大，边坡工程 愈加显得重要和复杂。本文以彬县水帘洞煤矿工业场地黄土高边坡为研究对象，在现场 调查和室内试验的基础上，研究了黄土高边坡的特征、稳定性影响因素、现状稳定性和 治理设计方案以及治理后边坡的稳定性和可靠度等问题。 首先，系统全面的对边坡及其破坏类型进行了归纳总结，详细分析了边坡的变形机 制和影响边坡稳定性的主要因素。 其次，以野外调查资料为基础，采用工程类比法对所研究边坡现状稳定性进行定性 分析，使用极限平衡法对边坡在天然条件、暴雨、连阴雨和地震等不同工况下的稳定性 作了计算，并用有限元模拟了边坡在自然营力状况下的应力应变状态、塑性区分布和 最危险滑面位置，从而对边坡稳定性现状有了全面的认识。 最后，在研究区内大量黄土高边坡野外调查资料的基础上，结合目前黄土高边坡的 治理研究资料，通过工程类比和计算得出了该边坡的稳定坡形，确定了以大平台和小平 台相结合的削坡减载方案为治理该边坡的最佳方案，并用极限平衡法和强度折减法计算 了边坡采用该方案治理后的稳定性。针对削坡治理方案，将削坡开挖分为三阶段，采用 有限元对施工过程中随着每一开挖阶段坡形的不断变化，边坡应力应变的分布状态、 塑性区、最危险滑面位置、稳定系数和边坡土体位移的变化进行了模拟，并得出了在均 质黄土高边坡中坡形是控制边坡稳定性的最主要因素的结论。为了对治理方案的可靠性 进行定量的分析，计算了该边坡治理后在不同安全系数和试验参数离散性影响下的可靠 度，再一次证实了该方案对工业场地黄土高边坡具有较好的适用性，从而得出了该方案 适合于超过l o o m 以上的黄土高边坡的结论。 关键词：黄土高边坡，稳定性，削坡，治理，有限元，可靠度 w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h ep o w e re n g i n e e r i n ga n dm i n i n g ，t h es c a l eo fh i g hl o e s ss l o p e b e c o m e sb i g g e ra n db i g g e ra n dm o r es o p h i s t i c a t e d f o rt h ec a s eo fh i 曲l o e s ss l o p ea t s h u i l i a n d o n gc o a li n d u s t r i a lg r o u n di nb i n x i a nc o u n t yo fs h a a n x ip r o v i n c e ，t h i s t h e s i s r e s e a r c h e st h ec h a r a c t e r s ，i n f l u e n c i n gf a c t o r so ft h es t a b i l i t y ，c u r r e n ts t a b i l i t y , t r e a t i n gm e t h o d ， s t a b i l i t ya n dr e l i a b i l i t yo ft h es l o p ea f t e rt r e a t i n go nt h eb a s i so fs i t ei n v e s t i g a t i o na n di n d o o r t e s t a tf u s t , a u t h o rg e n e r a l i z e st h et y p e sa n df a i l u r ef o r m so ft h es l o p e ，a n a l y z e st h e d e f o r m i n gm e c h a n i c sa n dm a j o rf a c t o r sa f f e c t i n gt h es t a b i l i t yo f t h eh i g hl o e s ss l o p ei nd e t a i l t h e n ，a tt h ef o u n do fi n v e s t i g a t i o n ，t h ea u t h o rq u a l i t a t i v e l ye v a l u a t e st h es t a b i l i t yo ft h e c u r r e n ts t a b i l i t yo fh i g l ll o e s ss l o p et h r o u g he n g i n e e r i n gg e o l o g i c a la n a l o g y b yu s i n gl i m i t e q u i l i b r i u mm e t h o d ，t h es t a b i l i t yo ft h es l o p ei n d i f f e r e n tc o n d i t i o n si n c l u d i n gn a t u r a l c o n d i t i o n , s t o r mr a i n f a l l ，l o n g - t i m e 瑚【i 1 1 i 1 1 9a n de a r t h q u a k ei sc a l c u l a t e d w i t hf e m ，t h e s t r e s s - s t r a i ns t a t e ，p l a s t i ca r e ad i s t r i b u t i o na n dt h em o s td a n g e r o u sf a i l u r es u r f a c ei nt h es l o p e a r es i m u l a t e d t h u s ，t h eo v e r a l lu n d e r s t a n d i n go fc u r r e n ts t a b i l i t yo ft h es l o p ei sg o t a tl a s t ，o nt h eb a s i so ff i e l di n v e s t i g a t i o no nh i g hl o e s ss l o p ea n a l y s i so nr e s u l to fh i g h l o e s ss l o p er e s e a r c h ，i ti sc o n c l u d e dt h a tt h ec u t t i n gm e t h o dw h i c hi n t e g r a t e st h e 嘶d es t e p s a n dw i ms m a l ls t e p si st h eb e s tm a n n e rt ot r e a tt h es l o p e m e a n t i m e ，t h es t a b i l i t ya f t e rt r e a t i n g i sc a l c u l a t e dt h r o u g hl i m i te q u i l i b r i u mm e t h o da n ds t r e n g t hr e d u c t i o nm e t h o d a i ma ts l o p e c u t t i n gm e t h o d ，t h ea u t h o rd i v i d e ss l o p e c u t t i n gi n t ot h r e es t e p s ，a n ds i m u l a t e st h ep r o c e s so f s l o p e - c u t t i n gb yf e m t h r o u g hs i m u l a t i o n ，i ti sf o u n dt h a tt h es t r e s s s t r a i ns t a t e ，p o s i t i o no f t h ep l a s t i ca r e a , t h em o s td a n g e r o u sf a i l u r es u r f a c e ，s t a b i l i t yc o e f f i c i e n t ，d i s p l a c e m e n tv a r y w i t ht h ec h a n g eo fs l o p es h a p ei ne v e r ys t e p ，a n dc o n c l u d e dt h a tt h ec o n t r o l l i n gf a c t o ro f s t a b i l i t yi st h es l o p es h a p ei nh o m o g e n e o u sh i g l ll o e s ss l o p e t oq u a n t i t a t i v e l ye v a l u a t et h e t r e a te f f i c i e n t ，t h er e l i a b i l i t yo ft h et r e a t e ds l o p ei nt h ec o n d i t i o n so ft h ed i f f e r e n ts t a b i l i t y c o e f f i c i e n ta n dd i s c r e t e n e s so ft h ep a r a m e t e r si sc a l c u l a t e d i ti sp r o v e dt h a tt h em e t h o dw h i c h i sa d o p t e do nt h es l o p ea tc o a li n d u s t r i a lg r o u n di sc o r r e c t o nt h eb a s eo fp r e v i o u sa n a l y s i s ， a u t h o re d u c e sac o n c l u s i o nt h a tt h em e t h o dw h i c hi su s e dt ot r e a tt h eh i g l ll o e s ss l o p ea tc o a l i n d u s t r i a lg r o u n dm a yb ep r a c t i c a lf o ro t h e rh i g hl o e s ss l o p ew h o s eh e i g h te x c e e d s10 0 m k e yw o r d s ：h i g l ll o e s ss l o p e ，s t a b i l i t y , s l o p ec u t t i n g ，t r e a t i n g ，f e m ，r e l i a b i l i t y 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行 研究工作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的 研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本论 文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体己经公开发表的成 果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 芝f 圣设0 7 年瑚7 日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归 属学校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请 专利等权利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的 学术论文或成果时，署名单位仍然为长安大学。 论文作者签名： 导师签名： 差；b 设 五锑 印年，月7 日 绰f 月u 日 第一章绪论 1 1 选题意义 我国黄土的分布面积为6 3 5 3 万k m 2 ，约占全国陆地总面积的6 6 3 ，主要分布在 北纬3 0 0 - 4 8 0 ，东经7 5 0 1 2 7 0 之间，以分布广、厚度大、地层层序完整而著称于世i 。 这些地区因特定的干旱、半干早环境，使得沟壑十分发育，地表被纵横交错的大小冲沟 切割得支离破碎。黄土冲沟的切割深度、宽度不等，使得其两侧的边坡形态各异。黄土 边坡往往具有较陡的坡度，常年受降水侵蚀及风化等因素的影响，裂隙发育，有的处于 稳定状念，有的由于存在不良地质体，或人工改造，则处于不稳定或潜在的不稳定状态。 随着我国经济建设的高速发展，资源的开发与利用更加重要，水电工程、矿山建设 等工程建设投入的不断增大，边坡工程愈加显得重要和复杂。然而，这些工程大多修建 在中国西部的高山峡谷、黄土高原区域，其中一个很突出的问题就是工程高边坡的稳定 性问题。目前，露天采矿的人工边坡、水电工程中遇到的高边坡高度越来越高，如黄河 小浪底水电工程进水口边坡高1 2 0 m ，3 0 9 国道k 1 7 8 4 + 7 0 0 处公路高边坡高3 6 m ，3 1 2 国道彬县境内一边坡高5 2 m 。运城至三门峡高速公路k 2 9 + 2 0 0 处边坡高6 0 m ，黄陵建 新煤矿工业场地边坡高6 3 m ，铜黄公路黄土边坡最高达8 8 m ，抚顺西露天矿高边坡开挖 探度己超过3 0 0 m 。近年来，铁路、公路、水利水电及公路等部门对3 0 m 以下的黄土中、 低边坡都做过较为系统的研究，而对3 0 m 以上的黄土高边坡的系统研究成果较少。随着 工程建设受地域局限的程度、工程规模的加大，黄土边坡的高度越来越高、规模越来越 大，稳定性及治理问题日益突出，黄土高边坡稳定性问题已成为建设工程的重大工程地 质问题之一。例如，本文所研究边坡高度已达1 7 0 m 。所有这些边坡工程的稳定状态， 事关工程建设的成败与安全，会对整个工程的可行性、安全性及经济性等起着重要的制 约作用，并在很大程度上影响着工程建设的投资及效益。 拟建彬县水帘洞煤矿位于陕西省彬县县城西约5 k m 处。拟建矿井工业场地位于狭窄 的“v ”字型黄土沟谷内，沟谷两侧为高陡边坡，沟谷深约1 7 0 m ，宽约1 0 一- 3 0 m ，边坡高 达1 7 0 m ，目前的黄土建设工程中很少遇到这样规模的边坡，如此高的工程边坡其整体 稳定性和局部稳定性如何? 工程边坡可能的变形破坏类型、失稳方式和规模、边坡的开 挖坡比和开挖卸荷效应以及工程边坡稳定性控制等问题，是该工程可行性论证必须回答 的关键技术问题。因此，深入系统地开展工业场地两侧黄土高边坡稳定性研究，具有非 第一章绪论 常重人的工程实践意义。研究成果不仅可以直接服务于工程建设，而且对我国黄土高边 坡稳定性研究也会起到推动作用。 基于上述认识，作者选择“水帘洞煤矿工业场地黄七高边坡稳定性及治理研究”作为 硕士论文的主攻方向，以陕西彬县水帘洞煤矿工业场地黄土超高边坡稳定性为典型研究 素材，在系统科学方法论的指导下，采用现场调研、室内测试、统计分析、地质分析与 判断、力学计算、计算机模拟相结合的综合研究途径和方法，对黄土高边坡分别从工程 地质条件、稳定性评价分析、开挖变形分析和可靠度分析四个方面进行系统深入的研究， 试图通过对典型研究对象的剖析，既解决研究对象的工程实际问题，又在黄土高边坡工 程研究的基础理论和方法方面取得一些进展。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 黄土高边坡稳定性研究现状 人们对边坡稳定性的研究是从滑坡丌始的，而对滑坡和崩塌灾害的研究远远超过对 人工边坡和自然边坡的研究。近半个世纪以来，国内外学者对边坡稳定性有了广泛的卓 有成效的研究，主要表现在以下几方面： 2 0 世纪6 0 年代以前，们注重边坡的类型划分，主要采用工程地质类比法和地质历 史分析法等一些定性的分析方法对边坡稳定性进行分析。 2 0 世纪6 0 7 0 年代，我国围绕边坡工程和地下工程稳定性问题提出了一系列理论 和方法。具有代表性的是张倬元、王兰生、王士庆等提出的“地质过程的机制分析 定量分析”【2 1 ，他们所认为边坡的演化有其形成、发展和消亡的历史过程，要从地质历史 的观点研究边坡的稳定性，研究其变形机制；在此基础上，采用岩体力学、地质力学、 计算机科学等技术，尽可能地实现地质体演变的全过程模拟，从而进行稳定性评价和研 究。 2 0 世纪8 0 年代，除侧重稳定性分析方法的研究外，人们还借助于数值和物理模拟 手段如有限元法、边界元法、离散元法和块体理论等在系统科学方法的指导下，对边坡 地质体赋存的环境、内部应力状念、变形破坏机制、影响稳定性因素作用等进行了研究， 从边坡整体上、作用机理上有了进一步的研究和理解。 2 0 世纪9 0 年代以来，随着系统科学、计算机技术和非线性科学的进一步发展，人 们将注意力从边坡的专题研究转移到了边坡工程的系统上来，更加注重边坡系统性与实 践性的研究，对边坡稳定性分析已经形成了一个完整的科学体系和一套完善的分析方 法。在对地质原形调查分析的基础上，进行地质体的物理模拟和数值模拟，适用于不同 2 长安人学硕十学位论文 神经网络等优先理论引进边坡稳定分析中，形成了边坡研究的系统思路与方法。在此基 础上，通过长期以来对边坡积累的大量现场实录资料和实践经验进行系统研究，建立了 基于“满意解”的有效专家系统，使边坡稳定性分析产生了一个飞跃，拓展了人们对地质 体的认识领域，改变了人们的思维方式，并增强了人们对复杂地质体的认识能力和驾驭 能力。 从已有的文献资料看，黄土高边坡的稳定性研究主要是在普通边坡稳定性研究的基 础上实现。目前边坡稳定性分析方法可以分为以下四类： l 、定性分析方法 定性分析方法主要是通过工程地质勘察，对影响边坡稳定性的主要因素、可能的变 形破坏方式及失稳的力学机制等的分析，对己变形地质体的成因及其演化史进行分析， 从而给出被评价边坡一个稳定性状况及其可能发展趋势的定性说明和解释。其优点是能 综合考虑影响边坡稳定性的多种因素，快速地对边坡的稳定状况及其发展趋势作出评 价。常用的方法主要有下面几类。 ( 1 ) 工程类比法 工程地质类比法是指将已有的自然边坡( 滑坡) 或人工边坡的研究设计经验，应用于 条件相类似的新边坡的研究设计中，为此，需要对已有边坡进行广泛的调查研究，全面 分析工程地质的相似性和差异性，分析影响边坡变形发展的主导因素的相似性和差异 性。此外，还应考虑工程的类别、等级以及对边坡的特征要求等。工程地质类比法虽然 是一种经验方法，但在边坡设计中，特别是中小型工程的设计中是很通用的一种方法。 ( 2 ) 边坡稳定性分析专家系统 专家系统就是一种按某学科及相关学科专家的水平进行推理和解决问题、并能说明 其缘由的计算机程序。边坡稳定分析专家系统就是进行边坡工程稳定性分析的智能化计 算机程序。它把某一位或多位边坡工程专家的知识、工程经验、理论分析、数值分析、 物理模拟、现场监测等行之有效的知识和方法有机地组织起来，建成一个边坡工程知识 库，然后利用智能化的推理机( 一个控制整个系统的计算机程序) 来模拟并再现入( 专家) 脑的思维( 推理与决策) 过程，吸收其合理的知识结构，寻求优化的技术路径。同时，它 又能建立计算机模型，结合相关学科不同专家的知识进行推理和决策，对所研究的对象 ( 边坡) 进行稳定性评价。 2 、定量分析方法 严格地讲，边坡稳定性分析还远远没有走到完全定量这一步，它只能算是一种半定 3 第一章绪论 量的分析方法。常用的边坡稳定性分析方法主要有下述几种： ( 1 ) 极限平衡法 极限平衡法是使用最早的一种定量方法，其理论的发展已经相当成熟，也是工程上 应用最多的一种方法。这种方法的理论基础一极限平衡理论较为简单，其优点在于在不 能给出应力作用下结构的变形图像的情况下，仍能对结构的稳定性给出精确的结论，早 期的极限平衡理论计算方法主要是基于各种假设的条分法。 条分法最早是由瑞典人p e t t e r s o n 提出的，为了简化计算，瑞典条分法有两个最基本 的假定：一是假定剪切面是圆弧，二是不考虑条块间的作用力。这两个基本假定正是它 的不足之处。原因主要有两点：一是除了均质边坡外，一般边坡或滑坡的滑面形态并非 圆弧型，若仍采用圆弧面分析将不合适；二是不论边坡或滑坡处于何种稳定状态，在条 块之间必然存在相互作用力( 侧向压力) ，如果不计这些作用力，对计算的结果肯定会有 影响。为此，后人对瑞典条分法做了各种各样的改进，出现了基于各种不同力学假定的 条分法，如f e l l e n i u s 法、j a n b u 法、b i s h o p 法、m o r g e n s t e m 法、s p e n c e r 法、s a r m a 法 等，并且丌发了相应的计算机程序。条分法的发展已相当完善，简单实用，计算结果可 靠，是工程中使用最广泛的边坡稳定性分析方法，其缺点是没有考虑边坡坡体内部岩土 体的应力一应变关系，所求出的安全系数只是所假定的滑裂面上的平均安全系数，无法 分析坡体变形破坏的发生发展过程，不能考虑局部变形的影响。 ( 2 ) 数值分析法 边坡稳定性的数值分析方法主要有有限单元法( f e m ) 、边界单元法( b e m ) 、离散单 元法( d e m ) 、有限差分法( f d m ) 、快速拉格朗同法( f l a c ) 等，它是通过分析边坡或滑坡 结构体内部的应力、应变特征来分析给定断面的变形和稳定问题【3 】。这种方法的计算精 度随着划分单元体的参数精度而变化，所以要求做大量的试验来确定每一单元体内岩土 体的物理力学参数，如果由于资会限制无法做大量的岩土试验，则必定会影响计算的结 果。此外，在数值分析过程中有过多的参数假定，分析的过程复杂，而分析的结果往往 又不直接是工程单位所使用的安全系数，从而限制了这种方法的使用。更为重要的是， 当前最大的矛盾是对本构关系的研究远远落后于计算机技术的发展，成为制约计算成果 可靠程度的瓶颈。随着数值分析方法的发展，已经开始考虑本构关系上的非线性和几何 上的非线性，岩土体的本构模型，已由弹性、弹塑性模型发展到粘弹性、粘塑性、粘弹 塑性模型【4 h 7 1 。 3 、非确定分析方法 4 长安大学硕十学位论文 ( 1 ) 可靠性分析法 理论与实践均证明，影响黄土边坡工程稳定性的因素常常都具有一定的随机性，它 们多是具有一定概率分布的随机变量。7 0 年代中后期，加拿大能源与矿业中心和美国亚 利桑那大学等开始把概率统计理论应用到边坡岩体的稳定性分析中来。该方法的原理是 通过现场调查，以获得影响边坡稳性影响因素的多个样本，然后进行统计分析，求出它 们各自的概率分命及其特征参数，再利用某种可靠性分析方法，如m o n t e c a r l o 法、可 靠指标法、统计矩法、随机有限元法等来求解边坡土体的破坏概率即可靠度。祝玉学 ( 1 9 9 3 ) 把在规定的条件下和规定的实用期限内，安全系数或安全储备大于或等于某一规 定值的概率，即边坡保持稳定的概率定义为可靠度。可见，用可靠度比用安全系数在一 定程度上更能客观、定量地反映边坡的安全性。近年来，该方法在岩土工程中的研究与 应用发展很快，为边坡稳定性评价指明了一个新的方向。 ( 2 ) 模糊分级评判方法 影响边坡稳定性的因素除了具有前述的随机性外，还具有一定的模糊不确定性。采 用模糊分级评判或模糊聚类方法对边坡的稳定性作出分级评判，其具体做法通常是先找 出影响边坡稳定性的各个因素，并赋予它们不同的权值，然后根据最大隶属度原则来判 定边坡的稳定性。实践证明，模糊分级评判方法为多变量、多因素影响的边坡稳定性分 析提供了一种行之有效的手段。 ( 3 ) 灰色系统评价方法 该方法首先在影响边坡稳定性的诸多因素中，确定主要的影响因素，建立边坡稳定 性分级标准，建立功能函数，即聚类指标按“效益”对典型类比规定效果的白化函数；其 次求出标准权和实际权：最后构造聚类向量，根据择大原则来确定各边坡的稳定性类别， 即在聚类向量中求最大的元素，从而判定聚类对象属于什么稳定性类别。此方法在功能 函数的确定时带有人为的经验性，可作为边坡稳定性评价方法之一。 ( 4 ) 神经网络评价方法 该方法考虑边坡稳定性评价中的不确定性和非线性特征，首先利用人工神经网络通 过大量的边坡实例样本学习训练来建立边坡稳定性状态与影响边坡稳定性因素之间的 神经网络模型，然后通过已建立的神经网络模型来评价所研究的边坡，从而对边坡稳定 性进行评价。此方法虽然能较好地反映边坡稳定性评价中非线性特性，但存在推理过程 不清楚和训练时间长以及有时不收敛等问题。 4 、其它新的方法 5 第一章绪论 随着非线性科学的发展，人们逐渐认识到斜坡灾害系统是一个开放的、复杂的大系 统，斜坡灾害系统不断的与外界发生物质与能量的交换，具有非平衡性、非线性、突变 性、自组织性、随机性的属性，灾害的发生是系统远离平衡状态的结果，因此许多学者 将处理复杂系统的非线性理论引入斜坡灾害的地质演化过程研究，提出了一些基于非线 性理论的边坡稳定性评价和预测方法，如突变理论分析法、滑坡分形理论、滑坡非线性 动力学分析等【8 1 。 1 2 2 黄土高边坡治理研究现状 目前黄土高边坡的治理方法主要有削方减载卸荷、支档、加固、截排水和边坡防护 几种。 1 、削方减载卸荷 削方减载卸荷措施是较早的整治边坡的一种简便方法。把边坡上部主滑和牵引地段 的土体挖去，填在边坡下部的抗滑地段，反压阻滑，减少下滑力，增加抗滑力，改变边 坡形态，提高边坡的稳定性。削方减载卸荷措施一直是黄土边坡尤其是高边坡的最优治 理方法，它经常结合其它治理方法，使边坡治理达到最优效果。 多年来，公路、铁路、水利水电等部门对3 0 m 以下黄土边坡的削方坡度都做过系统 的研究，在各自的规范中都提出了明确的设计标准【9 】，但对于3 0 m 以上的黄土高边坡， 还没有统一的设计标准，在黄土高边坡的工程没计中，基本上凭经验给出，缺乏理论指 导。4 0 m 以内的边坡设计，前人作了较多的研究，并给出设计建议，但是4 0 m 以上的 边坡设计经验较少。 2 、支挡 挡土墙是用来支挡路基填土或山坡土体，防止土体变形或失稳的一种构造物。随着 技术的发展，挡土墙在黄土高边坡中的应用也越来越广泛，在铜黄、太焦、沙通等路线 的边坡应用多处，效果良好。近年来，挡土墙目前已发展了多种类型，主要有重力式挡 土墙、衡重式挡土墙、薄壁式挡土墙、加筋土挡土墙、锚杆挡土墙、锚定板挡土墙、土 钉式挡土墙、桩板式挡土墙、竖向预应力锚杆挡土墙等。挡土墙具有经济效益高、占地 少，尽量减少填挖方、施工安全、简便、迅速、对环境影响小的优点，但是对于一些规 模较大的边坡，尤其是边坡较高、坡度较陡时，挡土墙不是最优的治理方案。 在抗滑桩方面也有了长足的发展，由2 0 世纪6 0 年代的单桩发展到现在有桩板抗滑 桩、框架式抗滑桩、预应力锚索抗滑桩以及预应力抗滑桩等，且在锚索预应力和桩身承 载力的分配方面也取得了一定的进展。在桩身受荷段内力计算方面，发展到采用弹性地 6 k 安人学硕十学1 c 7 = 论文 基梁、弹塑性理论等方法计算，计算理论更加合理【9 1 【1 0 1 。同时也出现了变截面抗滑桩和 推理传递抗滑桩的研究。抗滑桩具有抗滑能力强，圬工数量小，在滑坡推力大、滑动带 深的情况下，能够克服抗滑挡土墙难以克服的困难；再者，抗滑桩桩位灵活，可以设置 在滑坡或边坡的最抗滑的部位，可以单独使用，也可以和其他建筑物联合使用。此外， 还具有施工方便，设备简单的优点。随着新技术、新工艺的发展，抗滑桩由排桩发展为 钢架桩、门型桩、h 型桩、椅式桩墙、抗滑桩一压杆联合系统等，从结构上改善了桩的 受力状态，在条件具备时可以应用。 3 、土钉墙技术f 1 2 】【1 8 】 在众多边坡稳定和整治手段中，土钉支护因其技术先进，观念新颖，对施工条件要 求较低，具有较强的经济可比性而同益受到人们的青睐和重视。 土钉支护自2 0 世纪7 0 年代以来，国内外学者进行了大量的理论和试验研究。法国、 德国、美国等都进行了大型土钉支护试验，研究了土钉支护稳定性、土钉粘结强度、土 钉间距、位移及支护参数对稳定性的影响等。国内一些高校和研究所对土钉也作了大量 的试验和模拟研究，得出了土钉加固支护的机理、土钉长度、倾角、问距、土参数等对 稳定性影响等成果。 土钉支护主要适用于基坑开挖及一些浅层滑动的边坡加固。 4 、截排水工程 边坡破坏与发展往往与滑坡地表水和地下水的活动有关，有的还是引起边坡破坏的 主要因素。因此，边坡截排水工程与支挡工程具有同等的重要性，其作用是不可忽视的， 它不仅可以减小滑坡推力，提高滑带土抗剪强度，而且可以改善抗滑工程建筑物的受力 条件，使其更好地发挥抗滑作用。同时也是减缓滑坡活动，为做永久性工程赢得时间的 重要应急措施之一。 随着人们对边坡稳定性研究的深入，对截排水工程也在不断的完善。目前截排水措 施毛要分地表排水和地下排水两种。地表排水主要有环形截水沟、树枝状排水沟、衬砌 疏通自然沟、铺设防渗上工布、整平夯实坡面裂缝、积水洼地和加强地表植被等：常用 的地下排水工程主要有盲沟、泄水洞、平孔排水等。 5 、边坡防护 边坡防护包括植物防护和工程防护。植物防护是在坡面上载种树木、植被、草皮等 植物，通过植物根系发育，起到固土，防止水土流失的一种防护措施。这种防护措施一 般适用于边坡不高、坡角不大的稳定边坡；工程防护主要有砌体封闭防护、喷射素混凝 7 第一章绪论 土防护、挂网锚喷防护几种。 由于边坡是一个复杂的地质体，造成其不稳定的因素也多种多样，因此，对边坡的 治理不是一种方法就能解决的，在实际应用中往往是多种方法的综合使用。 1 3 研究内容和技术线路 本论文主要依据陕西省彬县水帘洞煤矿工业场地黄土超高边坡所处的地质背景、地 形地貌和气候背景等对工业场地边坡的变形破坏影响因素进行分析，针对该边坡的超高 特点，用多种方法分析计算了边坡的稳定性，并分析了影响边坡稳定性的因素；同时， 用数值分析软件对原始边坡应力分布及塑性分布进行模拟计算，从各个方面对边坡有所 认识；在边坡目前的稳定性基础上对边坡进行削坡治理，并用有限元软件对边坡分步开 挖的过程做了模拟分析，掌握了边坡在不同开挖阶段边坡变形稳定状况；最后，在定性 与定量计算的基础上对治理后边坡的可靠度作了分析，验证了该边坡治理后的稳定状 况。 具体技术线路见图1 1 。 8 k 安人学硕十学位论文 黄土边坡 边坡工程地质条件 i 地 地地 不 良 形 质层地 地 构 m 质石 貌 造性作 用 l 边坡稳定性计算及分析 工极数 程 限值 类 平 分 比 衡析 法 法法 治理方案确定 开挖过程模拟 l 可靠度分析 i 结论 l 图1 1 技术线路图 9 第- 二章黄十边坡的类型、特征及影响【大i 素分析 第二章黄土边坡的类型、特征及影响因素分析 边坡系指地壳表部一切具有侧向临空面的地质体，包括自然边坡和人工边坡两种。 前者是在一定地质环境中，在各种地质营力作用下形成和演化的自然历史过程的产物， 如山坡、海岸、河岸等；后者则是人类为某种工程、经济目的而丌挖的，往往在自然边 坡基础上形成的，其特点是具有较规则的几何形态，如路堑、运河( 渠道) 边坡等。由于 地质构造、环境影响等各种因素的不同，边坡的破坏形式也有较大的差别。因此，研究 边坡的分类和破坏的各种形式及其影响因素对更好地对其进行设计施工有着很重要的 意义。 2 1 边坡分类 边坡按不同的分类依据有不同的分法，具体见表2 1 。 表2 1 边坡分类表【1 9 】 2 2 黄土高边坡变形破坏特征及机制 黄土高边坡变形破坏类型的划分，有利于我们选用合理的稳定性计算方法和判据来 定量计算边坡的稳定性，为合理采取有效的加固措施提供依据。在分析、寻找引起边坡 l o 长安人学硕士学何论文 失稳原因的过程中，确定何种边坡破坏类型显得尤为重要，因此，破坏类型是边坡稳定 性分析的基本依据，它对措旋设计、施工工艺及工程施工具有决定性意义。 2 2 1 黄土高边坡的破坏形式 黄土高边坡的破坏形式有滑坡、崩塌、塌滑、剥落、黄土冲沟及陷穴等几种。 ( 1 ) 滑坡 滑坡是指岩土斜坡( 一般缓于3 0 0 ) 在重力作用下沿一定的软弱面向下前方整体滑动 的现象。有层状平移式的滑坡和渐进型的旋转滑动。不少滑坡由于河流冲刷或人工切割 了前缘部分，也有由于上部超载地下水富集有效应力减少，以及岩土中软弱带抗剪强度 降低等原因造成了滑动。滑坡灾害一般发生在土石丘陵残塬长梁沟壑丘陵区， 沟壑丘陵区滑坡分布呈散点状，残塬长梁区的边缘，滑坡呈带状分布。地形剧烈起伏的 黄土高原，滑坡分布发育多在潮湿( 阴) 坡，有地下水渗出斜坡地段。此外，黄土山区、 丘陵区斜坡多发生于上覆黄土下伏基岩构成二元结构的斜坡地段，滑动面多为二元体的 接触面，也容易发生滑坡灾害，即黄土滑坡位于黄土戴帽的坡顶和黄土填脚的坡脚，多 沿其下伏的基岩( 砂页岩、泥岩或碎屑岩) 倾斜面( 与坡向一致) 分布发育。 ( 2 ) 崩塌 崩塌指陡坡( 大于3 0 0 ) 上岩土沿岩土体在重力和其它外力作用下，突然向下崩落的 现象。它是本身处于不稳定状态的岩土体，在振动、雨水、温差和冻胀作用下易于发生。 崩塌的垂直位移大于水平位移，并且运动速度较快，崩塌体散落于坡脚下，不能保持原 来岩土的结构和整体性，无明显的滑动面，可和滑坡区别。崩塌多发生在施工阶段或形 成较久的陡边坡上，常见有大小不等的土体以垂直节理或裂缝与稳定土体分开，其下往 往存有顺坡倾伏的古土壤层，多为第一层古土壤或古风化面，它起到了向坡下滑动的软 弱光滑面的作用。这种土体除受重力作用外，雨水沿裂缝灌入土体后，一则产生静水压 力和动水压力，二则软化起隔水层作用的古土壤层或接触风化面，从而使土体逐渐滑移， 其重心一旦滑出陡坡，就会产生崩塌。 ( 3 ) 滑塌 滑塌是黄土高边坡种常见的破坏形式2 0 1 ，在黄土厚度比较大，尤其是马兰黄土厚 度超过3 0 m 的地带，黄土滑塌灾害十分普遍。它兼有崩塌和滑坡的特征，在破坏土体中 局部可见滑动面但又不整体下滑，而是带有迅速崩塌破坏的特点，在高陡边坡项部及中 部皆有发生。黄土滑塌灾害与降雨无直接关系，这一点与黄土滑坡有很大不同。它兼有 突发性、频繁性和群发性等特点，常给工程带来维修和维护上的麻烦及大量资金浪费， 第_ 二章黄十边坡的类型、特征及影响闪素分析 并诱发其它环境地质问题。 ( 4 ) 剥落 坡面剥落是黄土边坡坡面破坏的一种普遍现象，会发生在各种黄土类型中。产生剥 落的原因或由于温度和湿度的变化，破坏了岩土体结构，例如交替的干湿作用，冰冻时 的膨胀压力以及其它物理风化作用，或由于应力的松弛，是黄土边坡坡面破坏的一种普 遍现象，会发生在各种黄土类型中。剥落后表层土体一般呈碎屑状，甚至呈散粒状，多 停积于边坡的表部。较陡边坡土体的剥落，多沿边坡滚下堆积于坡脚。边坡土体的剥落， 不仅逐渐改变边坡的形态，而且大大降低了边坡的抗冲刷能力。碎屑物质常被地表径流 带走，不仅使边坡出现沟槽，而且层层剥落，甚至难以植草保护。 ( 5 ) 黄士冲沟及陷穴 黄土边坡之所以常在雨季中产生病害，一方面是黄土对水特别敏感，土体的含水量 稍增大，其抗剪强度就随之降低；另一方面是由于黄土的湿陷特性，碳酸盐胶结体遇水 易溶蚀，黄土的结构遭到破坏，在自重或附加应力作用下下沉。在水量大的情况下，水 起滤蚀作用，带走土粒，成为陷穴，其隐蔽性强、无方向性，难以发现和根治。黄土路 堑地段各种类型的排水沟槽是截水、汇水场所，一旦排水不畅，就会加剧下渗，造成急 剧冲刷，形成黄上陷穴和冲沟，危害附近建筑物安全。 2 2 2 黄土高边坡的变形阶段 边坡在发生破坏之前通常是稳定的。由于各种因素影响，边坡土体强度逐渐降低， 或边坡内部剪应力不断增加，使边坡的稳定状况受到破坏。在边坡内某一部分因抗剪强 度小于剪应力而首先变形，产生微小的滑动，以后变形逐渐发展，直至坡面出现断续的 拉张裂缝。随着裂缝的出现，渗水作用加强，变形进一步发展。后缘拉张裂缝加宽，开 始出现不大的错距，两侧剪切裂缝也相继出现。坡脚附近的土石被挤压，滑坡出口附近 潮湿渗水，此时滑动面已大部分形成，但尚未全部贯通。随着边坡变形的继续发展，后 缘拉张裂缝进一步加宽，错距不断增大，两侧剪切裂缝贯通并撕丌。边坡前缘的土石挤 紧并鼓出，出现大量的鼓张裂缝，滑坡出口附近渗水混浊，这时滑动面己全部形成，接 着便丌始整体地向下滑动了。边坡变形破坏的发生是一个长期的变化过程，通常可将边 坡变形破坏的发育过程分为三个阶段：蠕动变形阶段、滑动破坏阶段和渐趋稳定阶段， 每一阶段变形特征显著不同。 ( 1 ) 蠕动变形阶段f 2 l 】：从边坡的稳定状况受到破坏，坡面出现裂缝，到边坡丌始 整体滑动之前的这段时间称为边坡的蠕动变形阶段。蠕动变形阶段所经历的时间有长有 1 2 k 安人学硕十学位论文 短，长的可达数年之久，短的仅数月或几天的时间。边坡在整体滑动之前会出现各种前 兆现象，尽早发现和观测滑坡的各种前兆现象，对于滑坡的预测和预防都是非常重要的。 ( 2 ) 滑动破坏阶段：边坡在整体往下滑动的时候，滑坡后缘迅速下陷，滑坡壁越 露越高，滑坡体分裂成数块，并在地面上形成阶梯状地形。滑坡体上的树木变得倾斜， 形成“醉汉林”。随着滑坡体向前滑动，滑坡体向前伸出，形成滑坡舌，前面的道路、建 筑物被推出或被掩埋。在河谷中的滑坡，或者堵塞河流，或者迫使河流弯曲转向。 ( 3 ) 渐趋稳定阶段：滑坡滑动停止后，在岩土体自重的作用下，滑坡体上松散的 土石逐渐压密，地表的各种裂缝逐渐被充填。滑动面和滑动带附近土石的强度由于压密 固结又重新增加，这时整个滑坡的稳定性也大为提高。经过一段时间后，滑坡体上的东 倒西歪的“醉汉林”又重新垂直向上生长，但其下部已不能伸直，因而树干呈弯曲状，称 为“马刀树”。这是滑坡趋于稳定的一种现象。当滑坡表面上台地已变平缓，滑坡后壁变 缓井生长草木，没有崩塌发生。滑坡体中的土石压密，地表没有明显的裂缝，滑坡前缘 无水渗出或流出清晰的泉水时，就表示滑坡己基本趋于稳定。这段时间一般较长，可能 要经过3 5 年，甚至更久。滑坡稳定之后，如果滑坡产生的诱发因素已经消除，滑坡将 不再活动，而转入长期稳定。若各种诱发因素并未完全消除，且又不断积累，当积累到 一定程度之后，稳定的滑坡便又重新活动，这就是滑坡复活。 2 2 3 黄土高边坡的变形破坏机制 边坡系统是一个复杂的开放系统，其演化过程中不断地与周围环境进行物质和能量 交换。边坡既受变形力学机制、岩土体物理力学性质变化等内动力的控制，又受环境条 件，如地应力、气候、地下水位、人为开挖、支护等外动力的影响，且各种内外动力作 用都是动态变化的，致使边坡的变形十分复杂，表现出非线性系统的行为特征。如暴雨 引起地下水位上升改变了边坡的力学平衡条件，减弱了岩土体的力学强度，从而使得边 坡的变形加快，边坡的稳定性状恶化：周期性的天气变化引起边坡变形发生忽大忽小的 复杂变化。 黄土边坡的渐进破坏性决定了黄土高边坡的失稳现象不是在同一时间内滑动面上 各点一起达到极限状态，最可能的模式是先从一个局部开始破裂，一般是在应力局、强 度低的部位首先破裂，而一旦发生局部破坏，必然发生应力释放、应力转移和应力重新 调整，而在破坏了的局域所受到的影响最大，该局域可能由原先没有超过强度值转变为 超过强度值而发生破坏，使应力集中区向其它部位转移，这样在不断地发生应力释放、 转移和调整过程中，破坏面也在不断的延伸。这种过程继续进行，最后将有两种可能， 第1 二章 黄十边坡的类型、特征及影响f 六f 素分析 一种是破坏面完全贯穿，滑体将在滑床上开始做加速运动；种是破坏面没有贯穿在伸 展到某一区域后就停止扩展，其前方区域的应力应变均未超过强度值，此时就不会发生 整体滑动，这种破坏模式决定了黄土边坡的变形破坏是一个分阶段的过程。 黄土具有两种典型的边坡类型，即缓坡型和陡坡型。其中，滑坡多出现在缓坡中， 其基本类型可分为两种：牵引座落型( 圆弧型) 和平滑型；陡坡型边坡变形、失稳主要为 卸倚剥落和剪滑型1 22 。，图2 2 为边坡坏形形式示意图。 0 1 ( a ) 牵引座落型( b ) 平滑型 c ) 卸荷剥落型( d ) 剪滑型 图2 2 黄土边坡破坏形式 ( 1 ) 牵引座落型：牵引座落型也可以称为大型圆弧型滑坡，这种边坡早期应为陡 立边坡向缓坡的过渡型，其形成机理一般分为三个阶段。第一阶段为黄土垂直节理卸荷 拉裂不断向纵深发展。第二阶段为前缘坡体局部失稳，滑面则主要追踪古土壤层界面。 滑坡多发生在雨季，因为沟谷地带含水量明显增高，有时甚至饱和，使坡脚部分土体强 度降低；前缘边坡的失稳往往使i 临空的冲沟被充填，而冲沟充填物结构松散，沟谷地表 水很容易形成暗流继而形成沟底的黄土陷穴、黄土井和桥。这也就是黄土陷穴、落水洞 常呈串状展布于沟谷的原因，观察发现这类陷穴发育深度般不超过沟谷松散坡积层以 下。由于卸荷裂隙向坡体内发展是一个由强渐弱的过程，前沿边坡的失稳不足以触发紧 l 临其后的下级坡体失稳。但由于前沿滑体充填沟谷，对土体湿度增加有利，同时前沿 坡体的位移也给下一级坡体更大的变形空间，故每一次前沿坡体的失稳均代表着一次整 体边坡的变形加速过程。第三阶段为整体失稳阶段，这种急变事件多发生在暴雨期间， 1 4 长安人学硕士学位论文 各种不利因素的组合使边坡可能沿着吉土壤层界而形成大规模的失稳。 ( 2 ) 平滑型( 土溜) ：这是黄土缓坡变形失稳最为普遍的一种形式，这种边坡表面看 上去形似一个大的滑坡体，且滑体边界十分明显。事实上此种滑体每次滑动的方量并不 大，但发生十分频繁。其发展一般可分为两个阶段：初期表面扩张阶段，当一期滑体出 现后，每年雨季很快沿先期滑体的边界向周边发展，平面上表现为多个滑体处于一个大 的滑坡边界内；后期表面的扩张范围受地形影响而基本处于稳定阶段，其主要特征转变 为滑体内部次级滑坡频繁发生。这种滑坡移动速度缓慢，在滑移过程中自前至后逐渐解 体，或缓慢地整体滑动，此类多为滑面极缓的黄土滑坡或黄土一红层接触面滑坡，极少 数为复活后的各种老滑坡。滑坡是滑体松散物质在暴雨季节表面浸水、局部单元处于塑 性状态所致。有关分析计算表明，当松散土体含水量为2 0 - - 2 2 时，这种破坏即发生。 ( 3 ) 卸荷剥落型：这是陡立黄土边坡常见的一种改造方式，垂直节理卸荷张开， 边坡由表及罩、由上至下干缩剪裂，相当于在重力作用下的无侧限抗压剪切破坏。垂直 裂隙不断向下扩张，抗剪断有效面积不断减小，最后导致柱块状底