（岩土工程专业论文）高填方边坡稳定性研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 随着国民经济的迅速发展，国家加大基础设施的发展力度，特别是西部大 开发以来，能源、机场、公路、铁路等重点项目建设的陆续在西部上马，而西 部多山区，地形、地质条件复杂，由于边坡失稳而造成的事故在工程界常有所 闻，因此，边坡的稳定问题一直是工程研究的重要内容，本文正是围绕这一主 题展开的。 本文以中石化集团达州市物资储备中心高填方边坡为研究对象，分析了高 填方边坡的形成机制和变形破坏机制。在此基础上，分析了填方边坡在不同工 况下的稳定性情况，使用抗滑桩等综合治理措施，使得填方边坡得到合理的、 永久的治理和利用。 本文基于物资储备中心高填方边坡初勘、详勘基础地质资料和环境工程地 质评价，从地质机制分析、定量分析、数值模拟分析等多方面研究物资储备中 心高填方地基长期的稳定性。 文章从填方地基的工程地质条件入手进行深入研究，通过对填方地基的边 坡类型，岩土结构与分布特征等，对高填方的稳定性进行地质分析评价。对典 型剖面运用二维有限元法模拟其变形，分析其变形破坏特征。通过以上多种方 法的分析总结，对高填方地基稳定性进行综合评价。通过对典型坡面在不同工 况下应用极限平衡原理，采用多种方法进行计算，找出最危险滑动面。对典型 剖面运用二维有限元法模拟其应力应变特征，有实际的应力应变计算边坡稳定 安全系数，找出最危险滑面。再结合极限平衡法计算结果，综合分析评价高填 方地基稳定性。结合可靠度分析可以进一步确定坡体状态以及确定影响边坡稳 定的主要因素。针对填方体的剩余下滑力大的特点，在对其加固方案进行比选 的基础上，选择采用抗滑桩和排水措施相结合的复合加固措施，并对抗滑桩所 受荷载、内力、稳定性和配筋等方面进行了有关参数设计与详细计算，结果均 满足规范要求，设计合理；最后提出了填方体在加固施工过程中应注意的有关 事项。 关键词：高填方；边坡稳定性；可靠度分析；抗滑桩 西南交通大学硕士研究生学位论文第1i 页 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to ft h en a t i o n a le c o n o m y , t h es t a t eh a si n c r e a s e d i n f r a s t r u c t u r ed e v e l o p m e n te f f o r t s ，e s p e c i a l l ys i n c e t h ew e s t e r nd e v e l o p m e n t ， e n e r g y , a i r p o r t s ，h i g h w a y s ，r a i l w a y sa n do t h e rk e yp r o j e c t sl a u n c h e di nt h ew e s to f t h e s u c c e s s i o n ，a n dm a n yw e s t e r nm o u n t a i n s ，t e r r a i n ，g e o l o g i c a l c o n d i t i o n s c o m p l e x ， b e c a u s eo fs l o p ei n s t a b i l i t yc a u s e db yt h ea c c i d e n ta tt h ee n g i n e e r i n go f t e nh e a r d ，t h e p r o b l e mo fs l o p es t a b i l i t yh a sb e e na ni m p o r t a n ta s p e c to fe n g i n e e r i n g ，t h i sa r t i c l ei s c a r r i e do u ta r o u n dt h i st o p i c c i t yo fs i n o p e cg r o u ps u p p l i e sg a sr e s e r v e so ft h ec e n t e rf o re a s t s i c h u a n d a z h o us e n dc o m m a n db a s es u p p o r t i n gt h ep r o j e c t ，t h ef i e l di sl o c a t e do u t s i d eo f t h e w e s tc i t yd i s t r i c t ，t h ep r o i e c ts i t ee a s t w e s tw i d t ho f2 7 7 4 01m , n o r t ha n ds o u t h a b o u t7 4 0 m , c o v e r sa na r e ao fa b o u t0 2 3 k m 2 d u et ot h et o p o g r a p h yo fs i t eg e o l o g i c a l c o n d i t i o n so ff a c t o r s w i l lb ef o r m e dt ot h ee a s tp l a t f o r ma t2 0 - 4 0 mh i g h r a n g i n gf r o m f i l l i n gs l o p e 矗l ls l o p eh e i g h tg e n e r a l l y2 0 - 3 5 m , m o r et h a nt h el o c a l4 0 m ，f o rt h e u l t r a h i g hf i l ls l o p ei t ss e c u r i t yl e v e ls e t t h e s t a b i l i t y o ft h es i d e s l o p f i l l e dn o t o n l y i n f l u e n c e st h ed e s i g n c o n s t r u c t i o n o p e r a t i o n ，c o n s t r u c t i o n ，f u n c t i o n a n di n v e s t m e n to fp r o j e c t ，b u t a l s o r e s t r i c t st h e f e a s i b i l i t yo ft h ep r o j e c t w h i c hi st h ek e yf a c t o ro ft h es u c c e s s f u l c o n s t r u c t i o no fc e n t e rf o rm a t e r i a lr e s e r v e s a c c o r d i n gt ot h eg e o l o g yd a t aa n d e n v i r o n m e n te n g i n e e r i n gg e o l o g ye s t i m a t e s ，w h i c ha r em a d eb yt h ea n t e c e d e n t s r e s e a r c h e s ，w es t u d i e so nt h es t a b i l i t yo c e n t e rf o rm a t e r i a lr e s e r v e sh i g he m b a n k m e n t f o u n d a t i o nw i t ht h em e t h o d so fg e o l o g y a n a l y s i s ，q u a n t i t a t i v ea n a l y s i s ，n u m e r i c a l s i m u l a t i o na n a l y s i s w es t u d i e so nt h e e n g i n e e r i n gg e o l o g y c o n d i t i o n so ft h ee m b a n k m e n t f o u n d a t i o n w em a k et h eg e o l o g ya n a l y s i se s t i m a t eo nt h es t a b i l i t yo ft h eh i g h e m b a n k m e n tb ys t u d i e do nt h et y p eo ft h ee m b a n k m e n t s l o p e ，s t r u c t u r ea n dt h e s p r e a d i n gf e a t u r e so f t h er o c k s o i im a s s ，a n ds oo n f i n do u tt h em o s td a n g e r o u ss l i p s u r f a c eb ya p p l y i n gl i m i t i n g e q u i l i b r i u mp r i n c i p l et ot y p es l o p eu n d e rt h ed i f f e r e n t c o n d i t i o n s a n da d o p t i n gm a n ym e t h o d st oc o u n t w i t h2 一d i m e n s i o n a lf i n i t ee l e m e n t m e t h o da n a l y s i s ，s i m u l a t et h et y p es e c t i o n ss t r a i ns t r e s sc h a r a c t e r s a p p l yt h ea c t u a l 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 li 页 s t r a i ns t r e s st oc o u n tt h es a f ec o e m c i e n to ft h es l o p e s t a b i l i t yf a c t o rf o rt h ep u r p o s e o ff o u n d i n go u tt h em o s td a n g e r o u ss l o p e t h e na c c o r d i n gt ot h eo u m o m eo f l i m i t i n g e q u i l i b r i u mm e t h o dc o m p r e h e n s i v e l ya n a l y z e o nt h e s t a b i l i t y o ft h e h i g h e m b a n k m e n ti nl i u p a n s h u i a i r p o r t w i t ht h e2 - d i m e n s i o n a lf i n i t ee l e m e n tm e t h o d ( f e m ) s i m u l a t et h et y p es e c t i o n d e f o r m a t i o n ，a n da n a l y z et h ed e s t r o yf e a t u r eo f t h et y p es e c t i o n a c c o r d i n gt ot h eo u m o m e so ft h em e t h o d sa d o p t e di nt h er e s e a r c h ，w ee s t i m a t e t h e s t a b i l i 哆o ft h e e m b a n k m e n ti n s i n o p e c c e n t e rf o rm a t e r i a lr e s e r v e s c o m p r e h e n s i v e l y ，a n dg i v et h e c o n c l u s i o n s d e p e n d i n go i lt h eo u t c o m e sa n d c o n c l u s i o n s ，w eg i v es o m es u g g e s t i o no ft h es e t t l em e a s u r e r e l i a b i l i t ya n a l y s i sc a n b ec o m b i n e dt of u r t h e rd e f e r m i n et h es l o p et od e t e r m i n et h ei m p a c to fs t a t ea n da m a j o rf a c t o ri ns l o p es t a b i l i t y f i l l i n gb o d yf o rt h er e m a i n d e ro ft h ec h a r a c t e r i s t i c so f d o w nf o r c e ，s t r e n g t h e n i n gt h ep r o g r a mi ni t ss e l e c t i o no i lt h eb a s i so ft h ea n t i s l i d e p i l ea n dt oc h o o s et h ec o m b i n a t i o no fd r a i n a g em e a s u r e sc o m p o s i t er e i n f o r c e m e n t m e a s u r e s ，a n ds u b j e c t t o a n t i s l i d e p i l e l o a d s ，i n t e r n a l f o r c e s ，s t a b i l i t y a n d r e i n f o r c e m e n t ，s u c ha sa s p e c t so ft h ed e s i g na n dd e t a i l so ft h ep a r a m e t e r s ，t h er e s u l t s m e e tt h e s p e c i f i c a t i o n ，d e s i g na n dr e a s o n a b l e ；t h ee n do ft h ef i l l i n gb o d yi nt h e p r o c e s so fs t r e n g t h e n i n gt h ec o n s t r u c t i o no ft h er e l e v a n tm a t t e r ss h o u l db en o t e d k e y w o r d s ：h i g he m b a n k m e n t ；s t a b i l i t y ；d e f o r m a t i o n ；c a n t i l e v e rp i l e 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部 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 复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密西使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名：弥爿嚎 指导老师签名： 日期： c 2 - -日期： z o o 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研 究工作所得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出 贡献的个人和集体，均已在文中作了明确的说明。本人完全意识到本 声明的法律结果由本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： 预期达到对中石化达州物资储备中心填方区高边坡的稳定性现 状及未来变化趋势做出评价和预测，提出合理的工程整治措施。对西 南地区此类高填方边坡有参考意义。 学位论文作者签名：涨顿 r 期：2 c o 亘童至塑奎兰堕主竺塞竺兰笪堡壅兰! 要 第1 章前言 1 1 工程概况及选题意义 随着国民经济的迅速发展，国家加大基础设施的发展力度，特别是西部 大开发以来，能源、机场、公路、铁路等重点项日建设的陆续在西部上马， 而西部多l u 区，地形、地质条件复杂，由于边坡失稳而造成的事故在工程界 常有所闻，因此，边坡的稳定问题一直是工程研究的重要内容。 图1 1 交通位置图 本文| 三l 中石化集团达卅i 市物资储备中心为研宄背景。中石化集团达i i 市 物资储备中心为川气东送指挥部达州基地配套项目，拟建场区位于达州市西 外新区皂角垭村六组和高峰洞村四纽，( 如引1 - 1 ) 项目场地东西宽约2 7 7 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 4 0 1 m ，南北长约7 4 0 m ，占地面积约0 2 3 k m 2 。根据总体规划，项目区内拟平 整成为两个平台，标高分别为3 3 2 m 、3 2 4 m 。由于场地受地形地质条件影响， 在3 2 4 m 平台东边将形成高2 0 - 4 0 m 边坡，在3 3 2 m 平台东边将形成高度2 0 3 5 m ，局部大于4 0 m 的边坡。两个填方边坡都为超高边坡，其安全等级定为 i 级。 显然，在这样地形及岩性复杂、基底为缓倾角顺坡岩层的斜坡地区进行 高填方施工，( 最大填方高度大于4 0 m ) ，填方边坡的稳定问题影响到工程设 计、施工、运行和工程投资，甚至制约着工程的可行性，是物资储备中心安 全及i l i o n 建设的关键。所以对高填方边坡的稳定性进行研究是非常有必要的。 1 。2 国内外研究现状 国内外对高填方地基系统研究较少一般仅进行为数不多的几项研究。西 南地区各机场建设中对各高填方地基都作了一定的现场试验，但都是以大面 积施工提供施工参数和质量检验数据为目的而零星划分出试验段进行试验， 缺乏系统深入的试验研究，甚至连“高填方”的标准也无统一定论。目前对 高填方地基的研究主要涉及高填方的软基加固处理、高填方地基变形与稳定 性数值计算、离心模型试验、原位监测和监测结果的分析运用等。 1 2 1 边坡稳定性研究现状 总的说来，边坡稳定性评价方法大致可分为两大类：即定性分析法和定 量分析法。此外，近年来，人们在前面两种分析方法的基础上，又引进了一 些新的学科、理论等，逐渐发展起来一些新的边坡稳定性分析方法，如可靠 性分析法、模糊分级评判法、系统工程地质分析法、灰色系统理论分析法和 遗传算法，这里暂且称之为非确定性分析方法。另外，还有地质力学模型等 物理模型和现场监测分析方法等n 1 。 从现有资料来看，边坡稳定分析理论在不断发展和充实，边坡稳定分析 方法由定性逐步走向定量，由确定性逐步发展为非确定性。定性方法包括自 然历史分析法、工程类比法、图解法、边坡的数据库和专家系统、图解法和 s m r 法“3 1 。定量分析方法根据不同边坡类型，稳定分析目的及精度要求对 应不同的方法，大致可归纳为刚体极限平衡分析法及数值分析方法。数值分 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 析法计算结果比较精确，但本构关系的研究远远落后于计算技术的发展，成 为制约边坡稳定分析计算成果可靠程度的瓶颈。严格地讲，边坡稳定性分析 还远远没有走到完全定量这步，而只能算是一种半定量的分析方法。 评价斜坡地基稳定性的方法很多，可大致分为三类：传统的极限平衡 分析法；数值分析法；近年出现的概率论法( 如神经元法) 。 1 2 1 1 极限平衡法。2 阳 极限平衡法是一种定量方法，也是工程中使用最多、最成熟的方法，它 的研究历史可追溯到上世纪二十年代或更早，近几十年来仍在不断发展。这 种方法的理论基础即极限平衡理论的优点是在不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较精确的结论。更有意义的是，分 析失稳边坡反算的强度参数与室内试验结果吻合很好，使分析结果更为可信。 极限平衡方法总体上可以分为两大类，一类是垂直条分法，一类是滑移线法。 两种方法的根本区别在于前者假定边坡破坏时只有在破裂面处于极限平衡状 态，也就是假定只在假定的破裂面处满足静力平衡条件和摩尔一库仑准则而 后者假定边坡破坏时，仅边坡内部处于极限平衡状态，并满足静力平衡条件 和摩尔一库仑准则。由于滑移线法计算结果多数时候代表的是边坡稳定性状 态的上限值，而垂直条分法计算结果一般偏保守，因此为安全起见，工程中 一般多采用垂直条分的极限平衡方法来评价边坡稳定性。 针对不同的条件，工程界和学术界曾使用过以下几种方法：t a y l o r 法 ( 1 9 3 7 ，1 9 4 8 ) 、b i s h o p 法( 1 9 5 5 ) 、b i s h o p - m o r g e n s t e m 法( 1 9 6 0 ) 、m o r g e n s t e m 法( 1 9 6 3 ) 、s p e n c e r 法( 1 9 6 7 ) ，h u n t e r - s c h u s t e r 法( 1 9 6 8 ，1 9 7 1 ) ，其它还 有l k a r a f i a t h ( 1 9 6 0 ) ，j a n b u ( 1 9 5 4 ) ，s a r m a ( 1 9 7 9 ) 和f e l l e n i u s ( 1 9 2 7 ) 等提出的方法。这些方法有的仍在应用，有的已逐渐被淘汰。 ( 1 ) 1 9 1 5 年瑞典彼得森( k e p e t t e r s o n ) 提出圆弧法，其后在各国得到 广泛应用，人们将其称之为“瑞典圆弧法”。这一方法用于岩质边坡稳定性分 析，只有在均质各向同性的岩体及破碎或松散岩休中才有某种近似的意义， 因为岩质边坡破坏一般均为非圆弧形滑动面。一般说来，传统瑞典法在平缓 边坡和高孔隙水压情况下进行有效应力法分析时是非常不准确的，在p 等于 零或数值很小的软粘土，滑裂面底部的正应力对有效抗剪强度影响较小，用 瑞典圆弧滑动法求出的安全系数并不一定比其他方法来得保守，但当够较大 时，用瑞典圆弧滑动法求出的结果就显得偏低一些，而用其他的方法却得出 大致相同的结果。 ( 2 ) 1 9 5 5 年毕肖普( a n b i s h o p ) 提出条分法，将圆弧滑动体分为若干 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 等宽垂直条块，分别求其自重并将重力分解成与滑动面相切和正交的两个分 力，并以圆弧的圆心为力矩中心，求该圆弧的安全系数。该法比瑞典圆弧法 更趋合理，但与岩质边坡破坏仍有很大的区别。它仅适用于圆弧滑裂面。 ( 3 ) 萨尔玛( s a r m a ) 法是极限平衡法的最新发展。自萨尔玛博士于1 9 7 9 年在边坡和堤坝稳定分析一文中提出该方法以来，在西方国家逐渐普遍 采用，近些年来，在我国露天矿边坡稳定性分析中也有广泛应用。该法的优 点是可以用于各种形状滑动面的边坡稳定分析，可根据岩体实际存在的断层、 节理和层面等结构面划分为条块，使计算比较接近实际。萨尔玛法比较简单 适用，可以对影响边坡稳定性的各种因素进行敏感度分析；对边坡岩体破坏 ( 滑坡) 进行反分析，求滑动面的抗剪强度参数；计算滑坡推力，为抗滑桩 设计提供依据。 ( 4 ) 斯宾塞( s p e n c e r ) 法假定条块之间的作用力与水平线成口角，曰角 及边坡稳定性安全系数只由条块的力矩和力的平衡条件确定，该方法满足力 矩与力的平衡条件，但假定条块之间的作用力方向相同。s p e n c e r 法是 m o r g e n s t e m p r i c e 法的一个特例。它假定土条侧向力的倾角为一常数，即取 厂( x ) = 1 和磊b ) = 0 ，在很多情况下，采用该法所得的安全系数从工程角度来 看己足够精确。 ( 5 ) 摩根斯坦一普赖斯法假定两相邻条块法向条间力和切向条间力之间 存在一个对水平方向坐标的函数关系，实际上是假定条块之间的作用力方向 随水平坐标变化，变化的函数关系人为地确定，然后由力矩和力的平衡确定 潜在滑移而上的法向应力及边坡稳定性安全系数。 ( 6 ) 楔体极限平衡分析则主要用于岩质边坡中有不连续面切割的各种形 状楔形体的极限平衡分析。上述各种极限平衡分析方法均是在力学上做出了 一些简化假设，所以均有一定的适用范围与局限性。但极限平衡方法抓住了 问题的主要方面，简单直观，并有多年的实用经验，若使用得当，将得到比 较满意的结果，因而是目前应用最多的一种分析方法。 条分法计算方法已日趋完善，但其基本出发点都是一样的，就是假定土 体是理想塑性材料，把土条作为一个刚体，按极限平衡的原则进行力的分析， 完全不考虑土体本身的应力一应变关系。各种方法最大的不同之处仅仅在于 对相邻土条之间的内力作何种假定，也就是如何增加已知条件使超静定问题 变成静定问题。这些假定的物理意义是不一样的，所能满足的平衡条件也不 相同。计算步骤有简有繁，在使用时必须注意它们的适用场合。下表给出了 各种方法所能满足的平衡条件及使用情况，可供参考。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 表卜1条分法各种方法比较表跚1 计算方法所满足的平衡条件滑裂面计算于段 整体土条垂直水平形式手算计算机 力矩力矩力 力 瑞典圆弧 圆弧 t_ 滑动法 简化毕肖普法 圆弧 00 简布法 -00 任意 斯宾赛法 _00- 任意 4 丰 摩根斯坦一普 0_ 任意 幸 赖斯法 萨尔玛法 _-0 任意 木在某些情况下收敛可能有困难 斜坡地基稳定性评价的程序一般为：地质模型一数学力学模型一选用适 宣的计算方法评价一结果的分析解释及工程应用。稳定性评价结果的合理性 以建立正确的地质模型为基础，在正确的地质模型基础上，建立合理、准确 的数学力学模型是滑( 斜) 坡稳定性分析的关键，而合理的学力学方法又是 正确、深刻地认识和评价边坡稳定性的重要工具。目前，常用的数学力学方 法主要有极限平衡方法( 表1 2 ) 和数值分析方法。 传统的安全系数法是建立在确定性概念之上的，虽然应用时间长，范围 广，但由于没有考虑参数与模型的不确定性( 包括物理不确定、统计不确定 和模型不确定) 而无法进行稳定性的风险评价，无法给出边坡( 包括破坏和 未破坏的) 破坏程度、风险水平、无法给防灾减灾提供可靠的依据，对于降 雨、地震、人工活动所诱发的滑坡，不能提供滑坡的风险水平；斜坡概率稳 定性评价法由于需要的信息量过大，在工程实践中往往因信息不足而得出错 误的概率模型等。 表1 - 2 斜坡稳定性评价的极限平衡法汇总表n 钉 分析方法假设条件 力学分析 应用范罔及特点 1 瑞典条分法1 ) 滑动面为圆弧弧1 ) 整体力矩圆弧滑面滑坡定转动中 2 ) 不考虑条分问作用力平衡心，垂直条分滑体体 2 b i s h o p 法 1 ) 不考虑条块问切向力1 ) 整体力矩平任意形状滑面垂直条分 衡与静力平衡滑体，较适用于土坡 2 ) 条块i n j 作用力水平 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 3 j a n b u 法 1 ) 滑动面可为一i 规则形 1 ) 分块力矩可适用于非均质土坡，垂 状平衡直条分滑体 2 ) 条间作用力位置在离 2 ) 分块力平衡 滑面面以上h 3 处。 4 s a m a 法1 ) 滑体先破裂成相互错1 ) 分块静力任意形状滑面任意条分 动的块体才能滑动平衡滑体，适用于岩质或土质 2 ) 滑面与侧面都达到极2 ) 分块力矩平 滑坡 限状态 衡 5 传递系数法 1 ) 条问作用力合力方向1 ) 各分块力任意形状滑面，垂直条分 与上一块滑面平行平衡滑体，适用于岩质或土质 2 ) 本条块问作用合力为滑坡 负值则记向下块传递的 推力为零 6 m o r g e n s t e r 1 ) 相邻条块间法向力e1 ) 考虑分块 任意形状滑面垂直条分 - p r i e e 法与切向力x 存在与水平 力矩平衡滑体，适宜于土坡 方向坐标的函数关系2 ) 考虑分块切 ( x e = i f ( 工) ) 向力平衡与法 2 ) 条问力作用点位置随 向力平衡 。 滑面倾角而连续变化 7 s p e n c e r 法 1 ) 滑动面为圆弧 1 ) 分块力平衡可用于岩质或二t 质滑坡 2 ) 分块力矩平垂直条分滑体 2 ) 剧e 为一常数 衡 8 楔形体法1 ) 受结构面或软弱面控1 ) 整体静力平适宜于岩质楔形体滑坡 制形成的楔形滑面，且衡 各滑面均为平面 斜坡稳定性评价方法的发展己经取得了很大成就，但是由于斜坡岩土体 自身物质结构的复杂性，在研究斜坡地基稳定时，必须重视上程地质分析法， 根据工程地质条件，深入论证有关的工程地质问题，评价边坡地基的稳定性 应当是定性分析评价与定量计算评价相互配合，彼此验证，特别要注意充分 分析研究斜坡的自然地理因素和工程因素，稳定性评价应以工程地质分析为 基础。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 基于刚体极限平衡理论的稳定性分析方法在工程实践中己广泛运用，积 累了丰富的工程经验，不少研究人员还根据只体情况进行了一些改进和完善。 随着计算机技术的发展，很多数值计算方法也应用到了滑坡稳定性分析中， 如有限元法( f e m ) 、离散单元法( d e m ) 、边界单元法( b e m ) 、拉格朗日 元法( f l a c ) ，数值流形法( n m m ) 、不连续变形分析方法( d d a ) 等等。 考虑到边坡稳定性受多方面因素的影响，且这些因素大多具有不确定性、 随机性，各种用于不确定性、随机性分析的斜坡稳定性评价方法也蓬勃发展 起来，如神经网络、模糊数学、遗传算法、灰色理论、数量化理论、信息模 型法、可靠度方法等。上述任何一种方法都有自己的应用假定和局限性，因 而采用两种或两种以上方法的藕合研究也越来越多，这也成为发展的一种趋 势。 1 2 1 2 有限单元法2 9 1 随着计算机的软件、硬件的飞速发展，采用理论体系更为严格的方法进 行边坡稳定性分析已成为可能。有限单元法全面满足静力许可、应变相容和 应力、应变之间的本构关系。同时，因为是采用数值分析，可以不受边坡几 何形状的不规则和材料的不均匀性的限制，因此，应该是比较理想的分析边 坡应力、变形和稳定状态的手段。 与传的极限平衡法相比，边坡稳定性的有限元法的优点可总结如下： ( 1 ) 破坏面的形状或位置不需要事先假定。破坏“自然的”发生在土的 抗剪强度不能抵抗剪应力的地带。 ( 2 ) 由于有限元引入变形协调的本构关系，因此不必引入假定条件。保 持严密的理论体系。 ( 3 ) 有限元提供应力、应变的全部信息。 目前基于有限元方法分析边坡稳定主要有3 种类型： ( 1 ) 对边坡作非线性有限元分析，得出边坡完整的应力变形成果，预测 边坡区域由弹性变为塑性的完整演进过程，为边坡的治理、施工方法提供依 据。但它对稳定性的分析是定性的，不能给出安全系数的大小。 有限单元法( f e m ) 以弹塑性力学作为理论基础，通过求解弹塑性力学 方程( 物理方程、几何方程、平衡方程) ，计算岩土体在一定的环境条件( 自 重、荷载等) 下的应力场和变形场。但由于这种方法是基于小变形和连续介 质的假设，只适用于分析模拟边坡发展演化的早期阶段在应力场作用下发生 的拉张或压缩变形，而不能计算岩体沿某些结构面所发生的滑动变形( 大变 形) 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 ( 2 ) 建立在滑裂面应力分析基础上的边坡稳定有限元分析，用有限元计 算的单元应力内插确定滑动面上的应力，再根据力的平衡确定安全系数。条 分法要作出土条是刚性的假定，还要假定条间力的方向和分布。有限元法确 定应力避免了这些假定，可使滑面上的应力更符合实际。加拿大的g e o s l o p e 软件、d o n a l d 和g i a m 的模式搜索法、邵龙潭、z o u 和t a k u o 等的方法都属 于这一类，但其中有些方法比较复杂，难以应用。( 见表1 3 ) 表卜3 有限单元法中安全系数定义 极限平衡法安全系数的定义” 彳 ，s2 _ f 有限单元法中 基于应力水平的 l 耐l 安全系数定义定义法f = j j 噼静 基于剪应力的 仃- 三乜+ g ) 一三1h q ) c 。s 2 口一勺s i n 口 定义法 f = 吉一巳) s i n 2 口一勺c 。s 口 f s ：* 一。毛等q l 基于应力水平加权 强度的定义法 f 一 ，( c + c rt a n ( o ) d l f l 普三甓f + + ? h 饥咖t ( 3 ) 有限元强度折减法。该方法将土的抗剪强度除以安全系数，用于有 限元计算，如果算得的土坡恰恰达到破坏，则所选的安全系数就是实际安全 系数。为此须要将安全系数从1 0 逐步增大进行试算，直到土体破坏。采用 有限元强度折减法来进行支挡结构计算，既可以考虑支护结构与岩土介质共 同作用关系，又可以直接算出结构内力，具有很大的优越性和应用前景。( 见 表1 4 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 表1 - 4 有限元强度折减法内容综述 有限元强度所谓强度折减，就是在理想弹塑性有限元计算中将边坡岩土体抗剪切强 折减法的原度参数逐渐降低直到其达到破坏状态为止，程序可以自动根据弹塑性计 理 算结果得到破坏滑动面( 塑性应变和位移突变的地带) ，同时得到边坡 的强度储备安全系数w 。 有限元中边在有限元计算过程中采用力和位移的不收敛作为边坡失稳的标志。 坡破坏的判以广义塑性应变或者等效塑性应变从坡脚到坡顶贯通作为边坡破坏 据的标志。 上砥种判据得到的安全系数相差不大。 边坡破坏的如果边坡失去稳定，将产生很大的位移，滑体由稳定静比状态变为运动 特征 状态，其位移和塑性应变不再是一个定值，而是处于无限塑性流动状态， 这就是边坡破坏的特征 边坡破坏在有限元的计算迭代过程就是寻找外力和内力达到平衡状态的过程，整个 有限元计算 迭代过程直到一个合适的收敛标准得到满足才停止。可见，如果边坡失 中的表现稳破坏，滑面上将产生没有限制的塑性变形，有限元程序无法从有限元 方程织中找到一个既能满足静力平衡又能满足应力一应变关系和强度 准则的解，此时不管是从力的收敛标准，还是从位移的收敛标准来判断 有限元计算都不收敛 1 2 1 3 拉格朗日差分法( f l a c ) 3 0 。3 3 1 f l a c 是一种用于工程力学计算的二维显式有限差分程序。这个程序可以 模拟由土、岩石和其他的在达到屈服极限时会发生塑性流动的材料所建造的 结构特性。材料通过单元和区域的形式表示，由他们形成网格，用户可以自 行调整网格来匹配被模拟物休的形状。每个单元根据事先与应力和边界约束 所所对应的线性和非线性应力、应变法则来进行模拟。材料既可以屈服也可 以流动，并且网格在大应变下会随着所代表的材料发生变形和移动。f e a c 所应用的显式拉格朗日计算方法和混合离散分区技巧确保了模拟塑性崩塌和 塑性流动的精确性。由于没有形成矩阵，因此大型的二维计算不需要占用太 大的内存量。显式公式的缺点( 即小的时步局限性和需要阻尼的问题) 在一 定程度上可以通过自动惯性缩放和自动阻尼来克服，而这并不会影响到破坏 模式。 f l a c 可以实现从连续介质、小变形到大变形的分析模拟，又可以分析 西南交通大学硕士研究生学位论文第1o 页 岩体沿某一软弱面滑动和随时间的延续变形逐渐增大的大变形问题。同时大 量的实例分析结果表明，采用f l a c 法可直接通过计算边坡岩体各部位变形 状况随时间的发展演化趋势来间接的分析评价边坡的稳定性状况。为了将该 方法与常规的边坡稳定性分析的极限平衡法相区别，我们称这种边坡稳定性 分析方法为变形稳定性分析。该数值法还可以考虑锚杆、挡土墙等支护结构 与围岩的相互作用。 此外，f l a c 通过削减强度的方法，能进行安全系数的计算，这种方法 降低材料的强度直至产生破坏面摩擦角和粘聚力按照一个常量因子同时减 小，f l a c 按照相同的途径自动生成一组强度参数，并进行计算，直至找到 安全系数。 1 2 1 4 其他方法简介 离散单元法( d e m ) 该方法假定岩体是由大量裂隙分割开的岩块沿各裂 隙面“堆砌”而成( 即离散介质假设) ，然后然后运用牛顿第二定律计算组成 边坡的各“岩块”在自重和外荷载作用下随时间而变化的加速度、速度和位移。 其基本假设是岩体为离散介质和岩体可以沿节理裂隙等结构面产生滑动、转 动等大变形，因此该方法主要适用于模拟边坡发展演化的晚期阶段( 即边坡 经历长时间的发展演化，已接近散体破坏) 的变化破坏过程。 除了离散单元法( d e m ) 外，还有其他的不连续介质力学数值方法，如 块体理论、不连续变形分析方法、界面单元法和流形元法。还有如遗传进化 算法、神经网络法、模糊测度理论和灰色系统理论。 1 2 2 高填方体变形研究现状 对于变形研究分析方法大致可以归纳为原位监测试验、物理模拟试验法、 数值模拟方法等。 1 原位监测试验 土和岩石工程的复杂性决定了原位监测试验的重要性，工程知识和经验 的积累在相当程度上来自对监测资料系统分析，它也是验证一切理沦和计算 成果的重要手段。原位监测试验目的在于获得位移变形等数据并用以研究地 质体的空间状态与时间特性，并据此对坡体的变形阶段、变形趋势作出预测。 我国西南地区大型堆积体工程斜坡及及高填方斜坡都布置了原位监测。 2 物理模拟法 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 是根据相似性原理和量纲分析原理，通过模型或模拟试验的手段来研究 坡体内的应力应变状态。常用的方法主要包括模型试验、离心试验和光测弹 性法。其中模型试验是广泛应用的方法，它能较好地模拟岩体及工程的实际 情况，还能模拟多种支护结构的有效性。 3 数值模拟方法 八十年代以来，随着对材料性态、本构模型研究的深入，数值计算理论 水平的提高以及计算机软、硬件和图形处理技术的长足进展，使得这种模拟 技术史加完备、成熟和实用，得以广范采用。尤其是有限单元法( f e m ) 、 边界单元法( b e m ) ，有限差分法( f d m ) ，离散单元法( d e m ) 和快速拉格 郎日差分分析( f l a c ) 等。 目前，对于堆填体的变形研究多集中于高填方不均匀沉降，稳定性分析 方法也多采用极限平衡理论，对变形及变形稳定性问题研究较少。 对于土石坝和高填方地基，沈珠江( 1 9 9 4 ) 根据鲁布革堆石坝的沉降观 测资料和试验结果，建立了南水模型并对大坝沉降进行了反馈分析，陈国荣 建立了三元件粘弹性模型并用于沪宁高速公路填筑体工后沉降分析，周虎鑫 用8 节点有限元对大理机场石渣填筑体工后沉降进行了分析，谢春庆用f l a c 对龙洞堡机场高填方地基变形进行分析。此外f 国内外的研究者还发展了随 机有限元进行沉降概率分析，如b a e c k e r 和i n g r a ( 1 9 8 1 ) 、r i g h e t t i 和w i l l i a m s ( 1 9 8 8 ) ，p h o o 和q u c k ( 1 9 9 0 ) 等人运用t a y l o r 展开法随机有限元探讨了 沉降的概率计算方法，q u e k 和c h o w ( 1 9 9 2 ) 运用摄动随机有限元法对沉降 进行了分析，b r a k a l a 和p u l a ( 1 9 9 6 ) 将纽曼级数展开式与m o n t e c a r l o 随机 有限元法相结合进行了研究d 4 例。 1 2 3 高填方软基处理技术 1 国内地基处理技术的发展 随着我国国民经济的飞速发展，在软土地基上修建高等级公路、铁路、 机场的数量越来越多。对软土地基进行处理，己引起设计、施工和管理人员 的高度重视，近年来工程实践已经积累了大量的第一手资料。地基处理技术 在解放后，尤其最近十余年来取得了迅速的发展，回顾四十余年来我国地基 处理技术的发展历程，大体可划分为五、六十年代及七十年代末至现在这两 个阶段。 第一个阶段开始时，由于新中国刚刚诞生，万物百废待兴，为了满足新 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 中国建设的需要，大量地基技术从前苏联引进国门。随着当时工业建设和城 市建设的发展需要，出现了一个地基处理技术引用和开发的应用高潮。这个 时期，砂石热层法、砂桩挤密法、石灰法、化学灌浆法、重锤夯实法、堆载 预压法、挤密土桩和灰土桩、预浸水法以及井点降水等地基处理技术先后被 引进或开发利用。但是，受当时对地基加固机理的研究、认识水平和地基处 理实践经验的限制，在地基处理中主要是参照前苏联的规范和实践经验，仍 有一定的盲目性。 这个时期最为广泛使用的是垫层等浅层处理法。 地基处理技术发展的第二个阶段，也是我国地基处理技术发展的最主要 阶段。改革开放以后，从国外引进和发展了高压喷射注浆法、振冲法、强夯 法、深层搅拌法、土工合成材料、强夯置换法、超轻质填料法等许多地基处 理技术。近十余年来，石灰桩、碎石桩、动力固结法、高压喷射注浆法、深 层搅拌法、真空预压法、砂井法和塑料排水板法都得到了广泛的研究和应用 发展。土工织物在工业与民用建筑中特别是在堤坝和道路修筑中也逐渐得到 重视和使用。因地制宜发展起来的多种处理措施推动了设计计算方法的研究 工作，施工工具和工艺也在工程实践中不断得到改善，因而处理效果明显， 投资节约和工期缩短。进一步认识各种方法的可用性和禁忌，并注意利用工 业废渣和废料。近年来，不仅注意到方法的合理选择，而且选择手段本身也 走向诸如多因素分析优选等新途径。我国地基处理水平不断得到提高，总体 上正在接近世界先进水平。 近年来，各地因地制宜发展了许多新的地基处理方法。例如将强夯法用 以处理较