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重庆大学硕士学位论文中文摘要 摘要 随着山地城市建设以及土地的开发,建筑边坡在山地城市建设中日益增多。 建筑边坡直接影响到建筑工程的可行性论证和正常使用等。目前对于建筑边坡的 破坏机制认识已取得了很大进展,但还有不足之处,还有边坡发生失稳的事故, 危及到人民的生命财产,给国家带来了巨大的损失,同时也存在由于过于保守的 设计造成边坡工程造价过高,造成很大浪费的问题。因此,有必要加强建筑边坡 的稳定性及其控制的研究。 本文重点针对建筑边坡的稳定性分析及其地基承载力问题进行了深入的研 究,得到了一些具有理论和实际工程价值的研究成果。论文的主要工作有: 分析了边坡地基破坏模式及其稳定性判据,指出由于边坡地基稳定性涉及 边坡与地基两者的安全与稳定,边坡地基稳定性的判据应以边坡及地基两者强度、 变形判据的双控制标准,总结了影响边坡地基稳定性的因素; 依据建筑基础底部外边缘至边坡顶部距离的不同,建立了边坡地基的破坏 模式并推导了边坡地基承载力的理论计算公式;依据弹性力学理论分析边坡倾角 改变对边坡地基承载力的影响,并对岩质边坡应力释放区进行了讨论; 运用有限元方法对边坡地基进行了数值模拟,采用超载法对建筑边坡进行 模拟分析。分析了不同超载系数下边坡土塑性应变分布情况、以及边坡失稳时最 大最小主应力分布图,对比分析了建筑基础外边缘至边坡项部的距离的变化、边 坡倾角的变化所引起的边坡地基承载力的变化,对比理论计算结果,得出边坡地 基承载力随着建筑基础外边缘至边坡顶部的距离以及边坡倾角的变化规律; 通过工程实例分析了边坡地基加固对边坡地基承载力的影响,阐述了边坡 地基加固机理与方法。基于坡顶建筑物基础设计与边坡防治工程设计相结合的原 则,分析影响坡顶建筑物及边坡的整体稳定性的控制因素。 关键词:边坡地基,破坏机制,有限元分析,稳定性分析 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 a b s t r a c t b u i l d i n gs l o p ei sam o r eu n i v e r s a lt y p ei nm o u n t a i nc i t yc o n s t r u c t i o n ,w i t ht h e d e v e l o p m e n to fm o u n t a i nc i t ya n de x p l o i t a t i o no fc i t yl a n d b u i l d i n gs l o p ep l a y sa l l i m p o r t a n tr o l ef o rm a i nb o d yo fw h o l ec o n s t r u c t i o ni na r g u m e n t a t i o no ff e a s i b i l i t y , n o r m a lo p e r a t i o n , e t c i tm u s tb em e n t i o n e dh e r et h a ti n s t a b i l i t yo fs l o p e sd u et ol a c ko f c o g n i t i o na b o u tf a i l u r em e c h a n i s mo fc o n s t r u c t i o ns l o p eh a sr e s u l t e di nh u g el o s sf o r n a t i o na n dp e o p l e , w h e r e a sr e a s o n a b l ed e s i g na n ds u p p o r to fs l o p e se v i d e n t l yb e n e f i t p e o p l e t h e r e f o r e ,i ti sn e c e s s a r y t or e s e a r c hd e e p l yt h es t a b i l i t yo f s l o p ea n di t sc o n t r 0 1 s t a b i l i t ya n a l y s i so f b u i l d i n gs l o p ea n df o u n d a t i o nb e a r i n gc a p a c i t yo n i ta r ed e e p l y s t u d i e da n ds o m er e s u l t sw i t ht h e o r e t i c a la n de n g i n e e r i n gp r a c t i c a lv a l u ea r eo b t a i n e d m a i np o i n t so f t h ep a p e ra r es h o w na sf o l l o w s : f a i l u r em o d e la n ds t a b i l i t yc r i t e r i o no fs l o p ef o u n d a t i o na r ec a r e f u l l y r e s e a r c h e di nt h ed i s s e r t a t i o n f o rb u i l d i n gf o u n d a t i o n s a f e t ya n dr o c ks l o p e s a f e t y , s t a b i l i t yc r i t e r i o no fs l o p ef o u n d a t i o ni sc o n t r o l l e db ys a f e t ys t r e n g t ha n dd e f o r m a t i o no f g r o t m db u i l d i n ga n ds l o p e t h ep a p e rs u m m a r i z e sc o n t r o l l i n gf a c t o r so ns t a b i l i t yo f b u i l d i n gs l o p e a c c o r d i n gt ot h ed i s t a n c eo u t e r 。d g eo f b u i l d i n gf o u n d a t i o nf r o mo u t e re d g eo f s l o p et o p , c a l c u l a t i o nm o d e l sa r ec r e a t e da n dt h e o r e t i c a lc a l c u l a t i n gf o r m u l af o rb e a r i n g c a p a c i t yo fs l o p ef o u n d a t i o na r eg a i n e d t h r o u g hc a l c u l a t i n gm o d e l ,s o m ef o r m u l a sa r e g a i n e d t h ee f f e c to fc h a n g eo fs l o p ea n g l eo nf o u n d a t i o nb e a r i n gc a p a c i t yi sa n a l y z e d t h r o u g he l a s t i c - p l a s t i ct h e o r y t h ep a p e rd i s c u s s e ss t r e s s d i s t r i b u t i o no fs l o p e f o u n d a t i o n a p p l y i n gt h ef e m , b yu s i n go v e r l o a d i n gm e t h o d , n u m e r i c a lm o d e l l i n go f s l o p ef o u n d a t i o ni sd o n e t h ep a p e ra n a l y z e ss l o p ep l a s t i cz o n eu n d e rd i f f e r e n tl o a d i n g c o e f f i c i e n t , d i s t r i b u t i o no f m a j o rp r i n c i p a ls t r e s sa n dm i n o rp r i n c i p a ls t r e s si nu n s t a b i l i t y s t a t e t h ep a p e rc o m p a r e sb e a r i n gc a p a c i t yo fs l o p ef o u n d a t i o na c c o r d i n gt od i f f e r e n t d i s t a n c eo u t e re d g co fb u i l d i n gf o u n d a t i o nf r o mo u t e re d g eo fs l o p et o pa n dd i f f e r e n t s l o p ea n g l es e p a r a t e l ya n dg e t sv a r i a t i o nc h a r a c t e r i s t i c sa c c o r dw i t hc o n c l u s i o n sf r o m t h e o r ya n a l y s i s t h i sp a p e ra n a l y z e si n f l u e n c eo nb e a r i n gc a p a c i t yo fs l o p ef o u n d a t i o na f t e r s t r e n g t h e n i n gs l o p ef o u n d a t i o nt h r o u g he n g i n e e r i n gp r o j e c ta n de l a b o r a t e sf o r m a t i o n m e c h a n i s ma n dm e t h o d so fs l o p ef o u n d a t i o ns t r e n g t h e n i n g c o m b i n i n gt h ed e s i g no f i i 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 b u i l d i n gs l o p ef o u n d a t i o na n dt h ed e s i g no f s l o p ep r o t e c t i o np r o j e c t , t h ep a p e ra n a l y z e s c o n t r o lf a c t o ro f i n f l u e n c i n gm o n o l i t h i cs t a b i l i t yb e t w e e nb u i l d i n gs l o p ef o u n d a t i o na n d s l o p e k e y w o r d s :s l o p ef o u n d a t i o n ,f a i l u r em e c h a n i s m ,f e m ,s t a b i l i t ya n a l y s i s i l i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。据我所知,除了文中特别加以标注和致谢的地方外,论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果,也不包含为获得重庆太堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本 研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名:矽刃手签字吼砷年钼7 日 , 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重废太堂有关保留、使用学位论文的 规定,有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘,允许 论文被查阅和借阅。本人授权重庆太堂可以将学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存、汇编学位论文。 保密() ,在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密( v ) 。 ( 请只在上述一个括号内打“”) 学位论文作者签名多匆刃季 签字吼月7 日 导师签名:勘畅 签字魄哆年6 月7 日 重庆大学硕士学位论文1 绪论 1 绪论 1 1 研究背景 重庆是典型的山地城市,地势高低起伏,沟壑遍布,形成了众多的悬崖峭壁, 造成建筑用地紧张。近十几年来,特别是升为直辖市之后,重庆经济迅速发展, 城市人口也更加密集,面临着许多旧城改造以及新的城市规划项目。各城区建设 项目都在如火如荼的进行。对于山地城市来说,土地是城市化进程的重要因素, 同时也会成为制约城市( 尤其是山地城市) 发展的重要因素。紧张的城市用地使 许多建筑物建造于高边坡的顶部,有些边坡的切削高度达到5 0 6 0 m ,且建筑物 高度也日益增长,给边坡的稳定性控制带来较大的难度。例如重庆市渝中区桂花 园小区旧城改造工程,按改造计划其中有两栋1 2 层建筑将挑出陡崖边缘之外,经 重庆土木建筑学会地基基础专业委员多次考查,多番论证后提出了解决措施,成 功的解决了陡崖边缘上修建高层建筑物的问题【l 】。重庆市对边坡地基稳定问题进 行了长期研究,解决了许多问题,规范也对边坡地基稳定做了一定的规定。然而 实际工程情况复杂多变,许多工程都不能满足基础外边缘至岩质边坡顶部的最小 间距的控制。因此对边坡地基稳定性进行继续分析的必要性。 1 2 研究的目的及意义 许多边坡本来是自然稳定的,边坡虽经治理仍存在为数不少的安全隐患,一 方面造成大量的经济损失,另一方面此时建筑物已经建成,山坡失稳造成的后果 往往很严重。由于目前的科学水平,边坡工程的破坏机制尚未被人们所完全掌握, 造成大量的经济损失,并对人民生命财产酿成严重威胁。因此,加强对建筑质边 坡地基稳定性的研究,提供合理的解决机s d n 不容缓。 边坡开挖与治理又常常和房屋地基处理及周边环境整治相互关联。目前在某 些山地城市市政建设及房地产开发中,涉及边坡治理的建设项目,其边坡整治费 用可达工程总投资的3 0 以上。因此,边坡开挖及加固技术的合理性、可靠性会 给地产开发带来很大的经济效益。但可能由于边坡问题带来较大的投资,因此, 研究边坡地基稳定问题,合理确定边坡地基承载力以及加固方式,对合理有效地 开发城市坡地就显得非常有必要。 1 3 边坡地基稳定性分析研究现状 1 3 1 边坡稳定性的研究现状 边坡稳定性研究发展历程 重庆大学硕士学位论文i 绪论 人们对边坡稳定性的研究已有近百年的历史,最早是从观察滑坡现象开始的, 主要以土体为研究对象,早期的工作是把滑坡作为一种地质现象,仅仅停留在定 性和经验性判断。伴随着工业革命而兴起的大规模建设,诱发了大量的滑坡,造 成了很大的经济损失,这时人们开始借用一般材料力学中的均质弹性、弹塑性理 论对滑坡进行半经验、半理论的研究,其结果大都是定性的。 针对边坡破坏模型的研究,提出了刚体力学、弹性及弹塑性、断裂力学、损 伤力学和流变力学等多种地质力学模型;在边坡稳定性预测模型的研究中,系统 方法、模糊数学、灰色理论、信息论方法以及概率统计等被相继引入【4 】,从而形成 了优势面分析为中心的边坡稳定性系统模型、以灰色聚类及灰色关联分析为基础 的灰色聚类模型、以信息理论及概率统计为基础的信息论模型等多种独具特色的 边坡稳定性预测模型。 边坡稳定性分析方法的现状 目前边坡的稳定性分析方法中主要有两大类方法:第一类方法是在边坡破坏 面确定的情况下,根据滑裂面上的抗滑力和下滑力直接计算边坡安全系数,滑裂 面上的力可以由滑体的静力平衡条件求解,这类方法包括极限平衡法、关键块理 论等【5 】;第二类方法首先采用数值分析方法确定边坡的位移场和应力场,再采用超 载法、强度储备法等使边坡达到极限状态,从而间接地得到安全系数,这种方法 不仅考虑了滑移体力的平衡,而且考虑了位移协调条件和岩体本构关系等。 现将这几种主要边坡稳定性分析方法概述如下。极限平衡分析法目前仍是岩 质边坡稳定性分析的主要方法之一,该方法应用较为广泛,简便易行,计算工作 量小,容易为工程技术人员所掌握,有一定的实践经验,特别是当滑动面为单一 优势面时,该方法能较合理地确定其稳定性,但对于复杂的滑动面,必须引入若 干假定,因此所得的成果就存在一定的近似性。采用极限平衡法分析边坡的稳定 性,要事先确定可能失去平衡的潜在滑体以及滑动模式,然后根据力学平衡原理 分析边坡各种破坏模式下的受力状态,用解析法求解。目前主要的极限平衡法有: j a n b u 法、s a r m a 法、b i s h 叩法、s p e n c e r 法、f e l l e n i u s 法等。最近三十多年来,随 着计算机的迅速发展,在边坡工程中,数值分析受到了极大重视,各种数值方法 在岩质边坡工程中都得到了广泛应用,而随着边坡工程中各种复杂问题的解决又 深化和丰富了数值分析的方法。应用数值方法进行边坡工程的计算具有独特的优 点:目前常用于边坡稳定分析数值计算方法包括有限元法、边界元法、离散元法、 有限差分法、流形元法、不连续变形分析方法d d a 等等。同时也开发了相应的 商业软件和专业程序,如a n s y s 、e c l i p s e 、m o r e 、f l a c 、m i s e 等。也出现 了不同数值分析方法的结合使用,如有限元、边界元、无限元、离散元、块体元【6 j 等方法之间的相互结合、数值解与解析解的相互结合,这些方法的相互结合使用 2 重庆大学硕士学位论文1 绪论 能充分发挥各自的特性,解决复杂的边坡问题。 1 3 2 地基稳定。陛的研究现状 地基承载力的研究现状 地基承载力理论也获得了很大的发展,主要包括三种方法:极限平衡法、滑 移线法和极限分析法。 1 ) 极限平衡法 地基极限承载力的理论公式首先是由朗肯于1 8 5 7 年提出的。他没有考虑基底 土的自重,通过假定滑动面和基础侧面所在平面上土压力的平衡来计算土体的极 限承载力。1 9 2 0 年,普朗特尔( p r a n d t i ) 1 7 根据塑性理论推导了刚性基础压入无 重土中时的极限承载力公式: p u = c n c + 以 ( 1 1 ) 式中q = 7 0 d 为两侧土体作用的均布荷载,c 为土体粘聚力,虬,虬为承载 力系数。但这一解答也没有考虑土的自重。由于这两个公式都没有考虑地基持力 层土的重量的作用,导致基础在砂土地基表面时的极限承载力为零的不合理的结 论。 因此,不少学者在普朗特尔研究成果的基础上,进行研究和发展,如2 0 世 纪4 0 年代太沙基 7 1 提出了考虑地基土重量主要的极限承载力计算公式,用于计算 基底粗糙的条形基础极限承载力: p 。= c n c + 以+ o 5 y b n , ( 1 2 ) 式中q ,c 意义如式( 1 1 ) ,c ,以,为承载力系数。 5 0 年代,迈耶霍夫( g ,g m e y e r h o f ) 【8 1 提出了考虑基底以上两侧土体抗剪强 度影响的极限承载力公式,6 0 年代汉森( h a n s e nj b ) 提出了中心倾斜荷载并考 虑到其它一些影响因素的极限承载力公式,7 0 年代魏锡克( a s v e s i ) 又提出了 考虑地基土的压缩性影响的极限承载力公式: p ”2 c n c s c i c b c d c + 川s g i q b q d q + o 5 r b n , s , i , b , g ,d y ( 1 3 ) 此公式同时考虑了基础形状的影响、荷载倾斜和偏心影响、基底和地面倾斜 的影响。 1 9 8 7 年,陈希有 9 1 等推导了具有各向异性和非均质性的土上条形基础的极限 承载力公式,指出土的抗剪强度的各向异性和非均质性对条形基础的极限承载力 有较大的影响。 2 1 滑移线场法 滑移线场法【加1 就是根据边界条件对土体微分极限平衡方程求解,导出极限平 衡区的滑移线场和应力分布,计算得到基础范围内的边界应力即为极限承载力。 前苏联学者索科洛夫斯基从1 9 3 9 年根据松散介质极限平衡理论,应用特征线数值 3 重庆大学硕士学位论文1 绪论 解法,取得了某些边界条件下地基极限承载力的解答。后来,别列赞策夫等人相 继发展了这方面的理论,使这一理论在许多的土力学课题研究中的都得到了具体 的应用。但是,这种方法忽略了土的应力一应变关系,没有考虑机动条件,故仅 能在某些边界条件比较简单的地基条件下求得其解析解,其解常被认为是可能的 下限解。对于无重土理想情况的滑移线精确解,己被证明是完全解:而对有重土 的滑移线精确解,目前的研究仍不能严格证明其是否为完全解。因此,在工程中 应用时受到一定的限制。 3 1 极限分析法 极限分析法是指通过一种理想的方式一流动法则考虑土的应力一应变关系, 并据此建立成为极限分析基础的极限定理。极限定理包括上限定理和下限定理。 上限定理考虑土体的速度模式( 或破坏模式) 和能量耗散,而不考虑平衡条件, 求得的是极限荷载的上限值。下限定理【l ”考虑土体的平衡条件和屈服条件,而不 考虑土体的机动场,求得的是极限荷载的下限值。因此,只要适当地选择应力场 和速度场,极限分析法就可以求出比较精确的极限荷载的解。1 9 7 5 年,美国学者 陈惠发将极限分析法用于地基承载力研究,得出了一系列的成果,并已被应用到 实际工程中去。 在实测数理统计分析方面,地基承载力的研究也获得了很大的发展。实测数 理统计分析法是通过统计分析荷载试验与土的室内试验或原位试验测定的指标的 相互关系,并以一定的理论分析作为依据,定出各类地基土的承载力表,使用时 根据该工程的地基土性质,就可查得相应的地基承载力。此法由于使用简单,且 给定的值又多偏于安全。在我国,也有很多学者对地基承载力课题进行很有价值 的研究。他们针对我国的具体土质情况,作了大量的模型试验和现场载荷试验, 积累了大量的资料,并应用数理统计的方法,求得各种地基土的土工参数和承载 力值的关系,编制成各个行业中设计规范的地基承载力表,取得了显著的成果【”】。 如铁一院岩土处进行的饱和黄土地基承载力试验,通过对实验结果的回归分析, 总结出西北地区新进堆积黄土的极限承载力公式,不仅弥补了饱和黄土中承载力 试验的不足,也拓宽了载荷试验的使用范围,取得了巨大的经济效益。 岩质地基承载力的研究现状 近年来国内外的学者对岩石的破坏机理研究逐渐增多。传统观念认为岩石的 破坏与土一样,也是剪切破坏;另一种以格里费斯学者为代表的观点则认为:天 然岩石无不包含着裂隙,宏观的和微观裂隙,只是不同岩石裂缝大小和密集程度 不同而已,没有裂隙的岩石是不存在的。当岩石中裂隙的间距相对工程结构尺寸 来说相当大时,才称为整体结构岩体,这时,它不可能出现沿裂隙面的破坏,只 可能是通过岩石内部破坏。岩石如同玻璃一样的脆性材料,由于其内部存在着微 4 重庆大学硕士学位论文1 绪论 裂隙,即使在压力作用下,也会在微裂隙端部产生拉应力集中,当拉应力大于该 处的抗拉强时,就会产生拉伸破坏,从而使裂隙开展或扩展,同时当拉伸破裂使 各相邻裂隙相继贯通时,则形成宏观破裂面,然后在剪应力继续作用下产生沿破 裂面的滑移,这样就在宏观上造成“剪切”破坏的假象,其实岩石破裂的真正原 因是“拉伸”而非“剪切”【l2 1 。岩石的地基承载力人们一致认为岩石是一种十分 复杂的物质,岩石的结构状况变化万千,而它的结构状况对其力学特性产生极大 影响。 英国r e 古德曼研究认为:基础埋入地面以下时,容许承载力将增加。这主 要是由于为了克服加入了的岩石压力,需要附加的扩展破坏区。并从试验中得知: 在有凝聚力的土中,基底埋入到大于其直径的4 倍以上时,基底下地基的承载力 从地表时的6 倍不排水抗剪强度增加到9 倍。威尔逊1 9 7 7 年通过现场进行的试验 所表明古德曼的数值是保守的,承载强度至少要大三分之一。英国“土木工程师 协会实用规范”中说明:基础埋深每增加l m ,其容许承载力提高2 0 ,一直到 地表承载力的两倍为止。 1 3 3 边坡地基的研究现状 2 0 世纪5 0 年代,迈耶霍夫( g g m e y e r h o f ) 【8 】对斜坡和临近斜坡的承载力 问题进行了讨论。他在平地地基极限承载力理论公式的基础上,得出边坡与临近 斜坡地基土体的破裂面,推导出边坡地基承载力理论公式: g = o 5 b n , q + 虬 ( 1 4 ) 式中m 。,m 为斜坡地基承载力系数,均为b b ,d b ,1 3 的函数。通过 分析迈耶霍夫指出:边坡体的存在使地基的承载力降低,且斜坡坡度越大承载力 将越低。这个公式反映了边坡坡地基条件下,边坡的坡度、土体的内摩擦角、基 础相对埋深、坡顶距与基础宽度的比值都对地基的承载力都有影响。此为斜坡地 基承载力的最早研究成果,迈耶霍夫公式也有局限性,因为公式忽略坡后土体对 基底土楔体的形状及承载力的影响,因此其应用范围有限。 6 0 年代汉森( j b r i n c h h a n s e n ) 【1 4 】对中心荷载的浅基础极限承载力公式进 行了各种修正,建立了汉森公式,把浅基础理论公式推广应用到斜坡地基中,但 汉森公式采用的经验系数修正,理论上并不严格。 8 0 年代后,许多学者都对边坡地基进行了研究。美国学者鲍尔( b o w l s e ) 提 出用面积比折减法来修正承载力系数,虽然缺乏严密的理论基础,但应用简单, 属于实际应用比较广泛的近似计算公式。日本学者加井正召( k u s a k a b e ) 通过假 定不同滑动面情况分析,建议用极限分析法来计算边坡地基承载力。印度学者沙 仑( s w a m is a r a n ) 0 5 从临坡地基的实际破坏情况出发,考虑了基底三角形楔体的 不对称性,提出用土体抗剪强度发挥系数m 来分析坡后土体的受力情况。 重庆大学硕士学位论文1 绪论 我国对边坡地基问题也进行了理论和试验方面的很多研究。1 9 8 4 年,顾慰慈 “6 j 通过假定滑动面是由两段直线夹一段对数螺线组成,且地基土体服从库仑破坏 准则,推导了倾斜荷载作用下的层状地基的极限承载力的近似计算公式。所计算 的极限荷载与塑性理论的结果比较接近,可以用作为边坡地基问题的参考。 1 9 9 2 年,徐守国旧用土体抗剪强度发挥系数m 推导了坡顶距为零的临坡地 基和斜坡上地基的极限承载力,而在斜坡地基的承载力问题中,坡顶距的不同对 斜坡地基的承载力有着很大的影响,但他没有把坡顶距不同的临坡地基考虑进去, 也有待进一步改善。 1 9 9 9 年,王年犁”】根据莫尔一库仑屈服准则推导了半无限土坡在坡顶竖向荷载 作用下的应力计算公式,指出半无限土坡在坡顶竖向荷载作用下经历一个弹性一 弹塑性的变化过程,并给出了半无限土坡的l 临塑荷载和极限荷载系数的计算图表。 但应该注意到,在临塑荷载的推导中采用弹性力学的解答,对于已出现塑性区的 塑性变形阶段,该公式的推导并不够严格。 2 0 0 4 年,张永兴【1 2 】通过对边坡岩石地基分析,指出考虑到一侧临空面的出现 使侧压力减小,必须对正承载力进行修正。对与坡度小于m 2 的边坡地基上的容许 荷载一般由其地基承载力和容许沉降控制,大于p 2 的,则由边坡的稳定条件控制, 并得出容许地基承载力: r v c f f n :q + c 住= n h 吼2 1 ( 1 5 ) 式中心和“为承载力系数,f 为安全系数。 2 0 0 5 年,吴曙光【”】认为斜坡上建筑物地基承载力根据岩石单轴受压强度来确 定:厶= y ,y 。厶。式中厶地基承载力特征值;岩石裂隙修正系数; y ,岩坡影响系数;厶岩石天然湿度条件下的单轴受压强度标准值。指出 当边坡岩石表面坡度1 3 1 0 。,且地基岩体裂隙不发育时,地基承载力取岩石在 天然湿度条件下的单轴受压强度。当地基处于最不利条件下,地基处于陡崖边坡 的边缘,即岩石表面坡度b 8 0 。,且地基岩体裂隙较发育时,地基承载力约为 岩石在天然湿度条件下单轴受压强度的o 1 倍。 综上所述,边坡地基承载力课题经过国内外的许多学者的不懈努力,取得了 巨大的成就。在实际工程中,为了经济、合理地在边坡附上修建结构物,确实需 要对边坡问题进行深入地研究。只有这样,才能更好地在西部大开发中服务于基 础设施的建设。 我国现行建筑地基基础设计规范g b 5 0 0 0 7 - - 2 0 0 2 在计算地基承载力时,假定 地基为半无限空间体。由于斜坡体一般不满足半无限空间体的条件,因而不能直 6 重庆大学硕士学位论文1 绪论 接按建筑地基基础设计规范【2 0 】进行地基计算。为了解决这个问题,现行地基 规范规定了基础底面外边缘线至坡顶的水平距离。即位于稳定土坡坡顶上的建筑, 当垂直于坡顶边缘线的基础底面边长小于或等于3 m 时,其基础外边缘线至坡顶 的水平距离应符合下式要求,但不得小于2 5 m : 条形基础: 口 - 3 5 b 一旦( 1 6 ) t a n p 矩形基础: 口2 5 b 一旦( 1 7 ) t a n 图1 1 斜坡上建筑物基础 f i g 1 1b u i l d i n gf o u n d a t i o ni nt h es l o p e 从上述式子可以看出,现行地基规范主要是针对位于土质边坡上的基础,从 稳定性计算角度出发,根据地基达到极限破坏时滑裂面的范围来确定基础的外缘 到坡面边缘的水平距离。对于在陡崖边坡顶部建造高层建筑,基础底面外边缘线 至斜坡的水平距离经常无法满足规范要求,另外也会遇到基础宽度大于3 m 的情 况。对于这些情况,地基中承载力应如何选用,现行地基规范尚无明确规定。 目前,仍存在很多问题需要进一步的深入研究,主要表现在以下几个方面: 在理论研究方面,现有的边坡地基破坏模式有待于做进一步的研究改进; 确定边坡坡地基的极限承载力,不仅需要满足基底地基土体的承载能力, 而且其沉降或沉降差应满足建筑物的使用要求。因此,应该探讨边坡地基上基础 的荷载和位移的关系。 边坡地基也是一种边坡问题,在计算边坡地基极限承载力时,还应研究边 坡地基的整体稳定性。 1 4 本文主要研究内容及技术路线 本文主要研究内容有: 7 重庆大学硕士学位论文1 绪论 分析了边坡地基破坏模式及其稳定性判据,指出由于边坡地基稳定性涉及 边坡与地基两者的安全与稳定,边坡地基稳定性的判据应以边坡及地基两者强度、 变形判据的双控制标准,总结了影响边坡地基稳定性的因素; 依据建筑基础底部外边缘至边坡顶部距离的不同,建立了边坡地基的破坏 模式并推导了边坡地基承载力的理论计算公式;依据弹性力学理论分析边坡倾角 改变对边坡地基承载力的影响,并对岩质边坡应力释放区进行了讨论; 运用有限元方法对边坡地基进行了数值模拟,采用超载法对建筑边坡进行 模拟分析。分析了不同超载系数下边坡土塑性应变分布情况、以及边坡失稳时最 大最小主应力分布图,对比分析了建筑基础外边缘至边坡顶部的距离的变化、边 坡倾角的变化所引起的边坡地基承载力的变化,对比理论计算结果,得出边坡地 基承载力随着建筑基础外边缘至边坡顶部的距离以及边坡倾角的变化规律; 通过工程实例分析了边坡地基加固对边坡地基承载力的影响,阐述了边坡 地基加固机理与方法。基于坡顶建筑物基础设计与边坡防治工程设计相结合的原 则,分析影响坡顶建筑物及边坡的整体稳定性的控制因素。 用于本文的有限元分析的程序为美国a n s y s 公司出品的商用大型有限元分 析软件a n s y s ( 9 o ) ,主要采用其中的p l a n e 4 2 单元,采用d r u e k e r - p r a g e r 屈服 准则,材料本构关系采用理想弹塑性模型。 重庆大学硕士学位论文2 边坡地基破坏模式及稳定性分析 2 边坡地基破坏模式及稳定性分析 边坡地基破坏有以下三种典型模式:边坡未发生破坏,仅地基破坏;地 基未破坏,仅边坡破坏;地基及边坡都发生破坏。下面将分别分析边坡、地基 以及它们整体的破坏模式。 2 1 边坡破坏模式及稳定判据 2 1 1 引言 破坏模式是边坡稳定性分析的基本依据,它对方案设计、施工工艺与工程的 成败具有决定性意义。 2 1 2 边坡破坏模式 目前常见边坡破坏模式瞄1 主要有: 平面滑动破坏模式。其破坏机理是在自重作用下剪应力超过抗剪强度导致 不稳体作顺层滑动。如下图3 1 所示。 崩塌破坏模式。这类主要由于风化作用减弱了节理面间的粘结力、自然气 候减弱岩石强度以及雨水的渗入导致岩块崩落。 图3 1 平面滑坡【2 2 】 f i g3 1 p l a n ef a i l u r e 蚕匿蚕k ! 。套雾垦。 图3 2 楔形破坏模式【2 2 】 f i g3 2w e d g ef a i l u r e 楔形破坏模式 2 3 1 。楔形破坏又称“v ”形破坏,是由两组或两组以上优势 面与临空面和坡顶面构成不稳定的楔形体,并沿两优势面的组合交线下滑。当坚 硬岩层受到两组倾斜面相对的斜节理切割,节理面以下的岩层又较碎时,一旦下 部遭到破坏,上部v 字型节理便失去平衡,于是发生崩塌,崩塌后边坡上出现“v ” 形槽。 倾倒破坏模式。倾倒破坏一般发生在坚硬块状或柱状岩体边坡内。其特征 是优势结构面走向大体与边坡一致,倾角甚陡,倾向与边坡相反。 圆弧破坏模式。圆弧破坏的机理为剪应力超过滑面抗剪强度,致使不稳定 体沿圆弧形剪切滑移面下滑。 9 重庆大学硕士学位论文2 边坡地基破坏模式及稳定性分析 图3 3 倾倒破坏0 2 】 r i g3 3t o p p l i n gf a i l u r e 2 1 3 边坡的稳定性评价 由于在具体工程进行边坡稳定性分析时,应首先查明边坡可能的滑动类型, 再采用相应的方法就行分析。对选作建筑场地的自然斜坡,应首先进行稳定性评 价。边坡稳定性评价包括边坡稳定性状态的定性判断、边坡稳定性计算、边坡稳 定性综合评价及边坡稳定性发展趋势分析。边坡稳定性分析应遵循以定性分析为 基础,以定量计算为重要辅助手段【2 4 】,进行综合评价的原则。因此,根据工程地 质条件、可能的破坏模式以及已经出现的变形破坏迹象对边坡的稳定性状态做出 定性判断,并对其稳定性趋势做出估计,是边坡稳定性分析的重要内容。边坡稳 定性分析评价应在充分查明工程地质条件的基础上,根据边坡岩土类型和结构, 综合采用工程地质类比法和刚体极限平衡计算法进行。 2 2 地基破坏模式及稳定判据 2 2 1 地基强度破坏模式 剪切破坏模式是最常见的地基破坏模式,它常常发生在:1 ) 完整岩体、节理 岩体、破裂岩体、软弱岩体。2 ) 当地基岩体结构面间距大于建筑物宽度,结构面处 于闭合状态时。3 ) 上覆岩体强度小于下卧岩体强度时。 在双层地基中,若上覆岩层的单轴抗压强度大于下伏岩层强度,且较厚,岩基 将发生弯曲或皱曲破坏。 单轴压缩破坏对张开型结构面,当地基岩体结构面间距小于基础宽度,岩基 将产生单轴压缩破坏。 劈裂破坏模式常发生在结构面间距远远大于基础宽度的情况下。 2 2 2 地基变形破坏模式 在建筑物荷载作用下,地基将会产生不可忽视的变形,可能引起变形破坏。 变形破坏的主要破坏模式主要有垂直方向、水平方向和平面内的剪切应变三类的 变形破坏。归纳总结其主要变形破坏模式有如下四种:沉降、倾斜、曲率和水平 变形。 地基沉降破坏 1 0 重庆大学硕士学位论文2 边坡地基破坏模式及稳定性分析 地基沉降破坏指地基产生的沉降量过大。外力作用下地基将产生瞬时沉降和 随时间长期沉降,虽然地基的均匀沉降并不会对建筑物结构产生其它的附加应力, 不会造成建筑的损坏,但沉降量过大会影响建筑物生产、正常使用及其他方面的 问题,或使临近建筑物倾斜,也可能导致与建筑物联系的其他设施损坏,从而改 变了建筑物所处的环境。也会引起建筑物周围长期积水,从而导致地基岩体强度 弱化。 地基倾斜破坏 地基倾斜破坏指地基产生的倾斜值超过了相关规定值。地基不均匀沉降将引 起地基倾斜,将会引起建筑物的歪斜,在建筑物荷重的偏心作用下,产生附加倾 覆力矩,承重结构内部将产生附加应力,基底压力重分布。而高层建筑物对倾斜 较为敏感,这种结构在倾斜影响下,必须进行抗倾稳定等验算。地基倾斜引起建 筑物的差异沉降,而差异沉降可能造成建筑物局部的剪力裂缝或整体的弯曲裂缝。 地基曲率破坏 地基曲率1 2 5 1 破坏指地基产生过大曲率使基础底面由原来的平面变成曲面。曲 率变形将会使建筑物荷载与地基岩体反力间的初始平衡状态遭到破坏。无论在地 基出现正曲率或负曲率条件下,建筑物基础底部都会出现瞬时局部悬空。在建筑 物作用下,随着地基支承反力的重分布,建筑物将切入地基,悬空段的长度逐渐 缩短,甚至消失,反之,如果建筑物的强度和刚度较小或地基坚实,建筑物无法 切入地基,地基曲率使建筑物内产生的附加内力,使建筑物产生垂直截面上的附 加弯矩和剪力,从而导致建筑物出现裂缝和变形,建筑物遭到破坏。在地基正曲 率变形影响下,主要有上宽下窄的竖向裂缝和倒“八”字裂缝。 地基的水平变形破坏 地基水平变形破坏主要有水平拉伸和水平压缩破坏。 2 2 3 地基稳定性判据 我国现行建筑地基基础设计规范g b 5 0 0 0 7 - - 2 0 0 2 ( 下统称现行地基规范) 根据地基复杂程度、建筑物规模和功能特征以及由于地基问题可能造成建筑物破 坏或影响正常使用的程度,将地基基础设计分为三个设计等级。如表2 1 根据建筑物地基基础设计等级及长期荷载作用下地基变形对上部结构的影响 程度,地基基础设计应符合下列规定: 1 ) 所有建筑物的地基计算均应满足承载力计算的有关规定; 2 ) 设计等级为甲级、乙级的建筑物,均应按地基变形设计; 3 ) 所列范围内设计等级为丙级的建筑物可不作变形验算,如有下列情况之一 时,仍应作变形验算:乳地基承载力特征值小于1 3 0 k p a ,且体型复杂的建筑;b 在基础上及其附近有地面堆载或相邻基础荷载差异较大,可能引起地基产生过大 的不均匀沉降时;c 软弱地基上的建筑物存在偏心荷载时;d 相邻建筑距离过近, 重庆大学硕士学位论文2 边坡地基破坏模式及稳定性分析 可能发生倾斜时:别地基内有厚度较大或厚薄不均的填土,其自重固结未完成时。 表2 1 地基基础设计等级【2 0 l t a b2 1 d e s i g ng r a d eo f b u i l d i n gf o u n d a t i o n 建筑和地基类型 设计等级 重要的工业与民用建筑物 3 0 层以上的高层建筑 体型复杂,层数相差超过l o 层的高低层连成一体建筑物大面积的多层地下 建筑物( 如地下车库、商场、运动场等) 对地基变形有特殊要求的建筑物 甲级 复杂地质条件下的坡上建筑物( 包括高边坡) 对原有工程影响较大的新建建筑物 场地和地基条件复杂的一般建筑物 位于复杂地质条件及软土地区的二层及二层以上地下室的基坑工程 乙级除甲级、丙级以外的工业与民用建筑物 场地和地基条件简单、荷载分布均匀的七层及七层以下民用建筑及一般工业 丙级 建筑物:次要的轻型建筑物 4 ) 对经常受水平荷载作用的高层建筑、高耸结构和挡土墙等,以及建造在斜 坡上或边坡附近的建筑物和构筑物,尚应验算其稳定性; 、 5 ) 基坑工程应进行稳定性验算; 岩基承载力的确定 工程中岩基承载力的确定方法及其评析工程中岩基承载力的确定方法主要有 如下三种: 1 ) 根据岩石单轴抗压强度确定岩基承载力的标准值。现行地基规范推荐按 岩石的软硬程度和风化程度来确定岩石承载力的标准值,用这种方法确定岩基的 承载力,关键在于对岩石风化程度做出准确的判断,而这是一项经验性很强的工 作,因而该方法只能作为辅助的判别方法。根据现行地基规范规定,岩石地基承 载力特征值可按岩基载荷试验方法确定。对于完整、较完整和较破碎的岩石地基 承载力特征值,可根据室内饱和单轴抗压强度按下式计算: 正= 孵厶 ( 2 1 ) 式中正岩石地基承载力特征值( k p a ) ; 厶岩石饱和单轴抗压强度标准值( k p a ) ; n 折减系数,根据岩体完整程度以及结构面的间距、宽度、产状 和组合,由地区经验确定。无经验时,对完整岩体可取0 5 ;较完整岩体可取0 2 - - 0 5 ; 重庆大学硕士学位论文2 边坡地基破坏模式及稳定性分析 破碎岩体可取0 1 加2 。 2 ) 根据原位荷载试验确定岩基承载力。这种方法可以在原位直接确定岩基承 载力、弹性模量、变形模量等工程参数,能取得充分发挥岩基承载力,做出经济 合理的地基基础设计,能够充分发挥岩石地基的作用。原位荷载试验方法对设备 要求高、试验周期长、费用也比较大。 3 ) 经验估算法 目前主要有准岩体强度估算和h o e k - b r o w n 经验方程。 建筑物地基的变形验算 建筑物的地基变形计算值不应大与地基变形允许值。地基变形特征值可分为 沉降量、沉降差,倾斜、局部倾倒,现行地基规范中做了如下规定: 表2 2 建筑物的地基变形允许值o ” t a b2 2 a l l o w a b l es u b s o i ld e f o r m a t i o n 地基土类别 变形特征 中、低压缩性土高压缩性土 砌体承重结构基础的局部倾斜0 0 0 20 0 0 3 工业与民用建筑相邻柱基的沉降差 ( 1 ) 框架结构o 0 0 2 l0 0 0 3 l ( 2 ) 砖石墙填充的边排柱0 0 0 0 7 lo 0 0 1 l ( 3 ) 当基础不均匀沉降时不产生附加应力的结构0 0 0 5 l0 0 0 5 l 单层排架结构( 柱距为6 m ) 柱基的沉降量( n u n ) ( 1 2 0 ) 2 0 0 桥式吊车轨面的倾斜( 按不调整轨道考虑) 纵向0 0 0 4 横向0 0 0 3 多层和高层

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