（道路与铁道工程专业论文）山区库岸路基失稳机理与稳定性计算方法.pdf

摘要 近年来，我国水利水电事业蓬勃发展，大量水库沿岸公路建成投入使用。然 而水库塌岸滑坡，库岸路基失稳变形破坏时有发生。因此，库岸路基边坡的稳定 性问题引起了众多专家学者的广泛关注。库岸路基由于长期受库水作用影响，边 坡岩土体水动力条件和力学性能频繁改变，在多重动态因素的相互作用下，其失 稳机制与一般路基具有明显的差异性。为了保证库岸公路能更好的运营，提高路 基的安全性能，有必要对库岸路基的失稳机理、产生破坏变形的影响因素以及相 应的稳定性计算方法和评价做出研究。本文在总结前人研究成果的基础上，主要 进行了以下几方面工作： 在归纳总结几种常见的库岸边坡破坏形式的基础上，系统地分析了地质和 水文两个影响路基稳定性的主要因素。研究了在地下水作用下，不同水利因素对 库岸边坡的作用机制。分析库岸路基失稳机理，对路基边坡发生失稳变形的成因 和特征，以及渗流作用对库岸路基边坡稳定性的影响进行了研究。 研究了库水位变化下路基边坡内渗流场的基本模式，考虑在动静水压力作 用下，利用质量守恒定律，建立非饱和土渗流微分方程，求解得出渗透压力与周 边水压力的关系。 对传统条分法稳定性计算公式进行推导，在计算中加入渗透力的概念，并 利用渗透力推导稳定性计算公式，使问题简单化。对有限单元法求解安全系数问 题进行了探讨研究，与传统方法进行比较。 通过对有限元折减法计算原理的分析，引入p l a x i s 有限元数值分析软件， 结合具体算例对库岸路基边坡降水过程中，在渗流作用下的稳定性问题进行数值 模拟，得出与实际情况相符的计算结果。 结合p l a x i s 有限元程序对库岸路基边坡在不同工况下的稳定性进行了分 析。通过算例就不同降水模式、不同渗透系数的路基土进行对比分析，总结了边 坡安全系数的变化规律。同时，分析了超孔隙水压力对路基边坡稳定性的影响， 为实际工程考虑这一不利因素提供了依据。 关键词：库岸路基；渗流作用；稳定性分析；强度折减法；p l a x i s 数值模拟 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，w a t e rr e s o u r c e sa n dh y d r o e l e c t r i ci n d u s t r yh a sf l o u r i s h e di nc h i n a , al a r g en u m b e ro fb a n kr o a d sw e r eb u i l ta n dp u ti n t ou s e h o w e v e r , b a n kc o l l a p s e ， i n s t a b i l i t ya n dd e f o r m a t i o no fb a n kr o a d b e do f t e no c c u r r e d a sar e s u l t ，m a n ye x p e r t s a n ds c h o l a r sp a i dal o to fa t t e n t i o nt ot h es t a b i l i t yo fb a n kr o a d b e ds l o p e b e c a u s et h e l o n g - t e r mi m p a c t o nt h eb a n kr o a d b e db yr e s e r v o i rw a t e r , s l o p er o c km a t e r i a l s ， h y d r o d y n a m i cc o n d i t i o no fw a t e ra n dm e c h a n i c a lp e r f o r m a n c ec h a n g e df r e q u e n t l y c o m p a r e dt ot h eg e n e r a lr o a d b e d ，i t si n s t a b i l i t ym e c h a n i s mh a so b v i o u sd i f f e r e n c e s u n d e rt h ei n t e r a c t i o no fm u l t i p l ed y n a m i cf a c t o r s i no r d e rt oe n s u r eb e t t e ro p e r a t i o no f r e s e r v o i r - b a n kr o a da n di m p r o v es a f e t yp e r f o r m a n c eo ft h er o a d b e d ，i ti sn e c e s s a r yt o c a r r yo nt h es t u d yb a s i n go nt h eb a n kr o a d b e di n s t a b i l i t ym e c h a n i s m ，f a c t o r sr e s u l t i n g i nd e s t r u c t i o na n dd e f o r m a t i o n , a n dt h ec a l c u l a t i o nm e t h o da n da s s e s s m e n to f c o r r e s p o n d i n gs t a b i l i t y t h i sp a p e rm a i n l yc o n d u c t e d i nt h ef o l l o w i n ga s p e c t so fw o r k , o nt h eb a s i so fs u m m i n gu pt h ep r e v i o u sr e s e a r c h o n t h eb a s i so fs u m m i n gu ps e v e r a lc o r n l n o nd e s t r u c t i o nm o d e so fb a n ks l o p e ， t h eg e o l o g ya n dh y d r a u l i cp o w e rw e r ea n a l y z e ds y s t e m a t i c a l l ya st h et w om a i nf a c t o r s a f f e c t i n gt h es t a b i l i t yo fr o a d b e d t h em e c h a n i s mo fd i f f e r e n th y d r a u l i cf a c t o r st ob a n k s l o p eb yt h ea c t i o no fu n d e r g r o u n dw a t e rw a ss t u d i e d a n a l y s i so fr e s e r v o i r - b a n k r o a d b e di n s t a b i l i t ym e c h a n i s ma n ds t u d i e so nt h ec a u s e sa n dc h a r a c t e r i s t i e so fr o a d b e d i n s t a b i l i t yd e f o r m m i o nw e r ec a r r i e do n ，t h ei m p a c to fs e e p a g ee f f e c to nb a n kr o a d b e d s l o p es t a b i l i t yw a sr e v e a l e d t h eb a s i cm o d eo fs e e p a g ef i e l di nb a n kr o a d b e ds l o p eu n d e rt h ec h a n g eo f r e s e r v o i rw a t e rl e v e lw a ss t u d i e d t h em a s sc o n s e r v a t i o nl a ww a sa p p l i e du n d e rt h e e f f e c to fd y n a m i ca n ds t a t i cw a t e rp r e s s u r e ，u n s a t u r a t e ds o i ls e e p a g ed i f f e r e n t i a l e q u a t i o n sw e r ee s t a b l i s h e d ，r e l a t i o n s h i pb e t w e e np e r m e a b l ep r e s s u r ea n ds u r r o u n d i n g w a t e rp r e s s u r ew a sw o r k e do u t t h es e e p a g ef o r c eo fe l e m e n tw a sa p p l i e dt oc a l c u l a t e t h es e e p a g e i n d u c e de q u i v a l e n tn o d a lf o r c e s ，a n dt h es o l u t i o no ft h ep r o b l e mi sm o r e d e t a i l e da n da c c u r a t e w i t ht h ed e r i v a t i o no fs t a b i l i t yf o r m u l ai nt r a d i t i o n a ls l i c em e t h o da n dt h e i n t r o d u c t i o no ft h ec o n c e p to fs e e p a g ef o r c ei nc a l c u l a t i o n ，s t a b i l i t yf o r m u l aw a s d e d u c e d ，a n dt h ep r o b l e mi sm o r es i m p l i s t i c t h es t u d yo nh o ws a f e t yf a c t o rw a s c a l c u l a t e db yf e ww a sc a r r i e do n , t h ec a l c u l a t e dr e s u l t sw a sc o n s i d e r e dm o r e r e a s o n a b l ea n dp r e c i s e a c c o r d i n gt ot h ea n a l y s i so nc a l c u l a t i o np r i n c i p l eo fs t r e n g t hr e d u c t i o nf i n i t e e l e m e n tm e t h o d ，w i t ht h ei n t r o d u c t i o no fp l a x i sn u m e r i c a la n a l y s i s p r o g r a m ， c o m b i n i n gs p e c i f i cc a l c u l a t i o ne x a m p l e s ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o no nt h es t a b i l i t yo ft h e b a n kr o a d b e ds l o p eu n d e rt h ee f f e c to fs e e p a g e d u r i n gp r e c i p i t a t i o nw a sc a r r i e do n ，t h e r e s u l tw a sc o n s i s t e n tw i t ht h ea c t u a ls i t u a t i o n t h es t a b i l i t yo fb a n kr o a d b e ds l o p eu n d e rd i f f e r e n ts i t u a t i o nw a sa n a l y z e d w i t l lt h ep r o g r a mp l a x i s d i f f e r e n t p r e c i p i t a t i o np a t t e r n s a n dp e r m e a b i l i t y c o e f f i c i e n to fr o a d b e ds o i lw e r ea n a l y z e db yt h ec a l c u l a t i o ne x a m p l e s ，t h ev a r i a t i o n l a w so fc h a n g e so fs l o p es a f e t yf a c t o rw a ss u m m a r i z e d a tt h es a m et i m e ，t h ei m p a c t o ns t a b i l i t yo fr o a d b e ds l o p eo fh i 曲e x c e s sp o r ew a t e rp r e s s u r ew a sa n a l y z e d ，i ti s c o n s i d e r e da so n eu n f a v o r a b l ef a c t o rt h a ts h o u l db ep a i da t t e n t i o nt oi nt h ea c t u a l p r o j e c ti nt h ef u t u r e k e y w o r d s ：b a n k r o a d b e d ；s e e p a g ee f f e c t ；s t a b i l i t ya n a l y s i s ；s t r e n g t hc o m p e n s a t i o n m e t h o d ；p l a x i sn u m e r i c a ls i m u l a t i o n 重庆交通大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。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作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：前牛 眺帅年铲月7 日 重庆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。 本人授权重庆交通大学可以将本学位论文的全部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和汇编本学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本人学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并进行信 息服务( 包括但不限于汇编、复制、发行、信息网络传播等) ，同时本人保留在其 他媒体发表论文的权利。 指导教师签名：茅笑- t - 日期：埘。年争月7 日 本人同意将本学位论文提交至中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社c n 系 列数据库中全文发布，并按中国优秀博硕士学位论文全文数据库出版章程规 定享受相关权益。 学位论文拓者签名：钎伟 日期：弘7 年缈月7 日 指导教师签名： 弊爱军 日期：卅年y - 月) 日 第一章绪论 第一章绪论帚一早殆下匕 1 1 问题的提出及研究意义 国民经济的腾飞使我国公路建设进入了快速发展阶段，由于我国江河水域广 阔，加之近年来水利水电事业的大力投入，许多大中型水库纷纷建成使用，使得 山区公路选线多考虑沿江、河、水库布设，从而产生了大量的库岸路基。路基作 为公路结构物的主要组成部分，其质量的好坏直接影响到公路建成使用后的状况。 库岸路基在库水的作用下频繁发生变形、失稳、破坏，产生塌岸，影响了库岸公 路的正常运营，严重的还将造成重大人员伤亡及社会经济损失。因此，为了防患 于未然，进行山区库岸公路路基破坏机制和稳定性的研究，对今后公路建设，相 似工程地质条件下的工程建设，以及库岸路基的设计选型，坡岸的防护工程等都 具有一定的现实意义。 库岸路基的失稳主要是因为水的存在，当水库蓄水、运行后，库岸公路边坡 的水文地质条件发生改变。库水直接冲刷库岸边坡与路基的同时，还改变了其地 下水渗流特征，使岩土体的物理和化学特性发生劣化，部分库岸岩土体由不饱和 转为饱和，岩土体中超孔隙水压力升高等，这些将导致库岸边坡、路基岩土体的 工程性质发生劣化，抗剪强度大幅度下降，进而导致岸坡稳定性降低，路基失稳 变形。 因此，为了更好的进行山区库岸公路路基稳定性的研究，需要对山区水库塌 岸历史、现状充分调查，综合分析塌岸破坏特征、破坏机制，划分山区库岸塌岸 的主要类型，揭示塌岸过程及其发展规律，阐明库岸坍塌的主要影响因素。通过 对山区库岸公路路基稳定性进行分析，建立适宜库岸公路水文特点的路基稳定性 分析计算方法，结合库岸路基水渗流、冲刷等特点为水库塌岸预测、公路选线、 路基防护等提供参考，尽力使库岸路基免于水毁灾害，以满足库岸公路运营安全 要求。 基于以上的分析与认识，在导师的指导下，以西部交通建设科技项目“山区 库岸公路路基稳定技术研究”为依托，以“山区库岸路基失稳机理与计算方法” 为题进行硕士毕业论文研究，主要是探索库岸路基失稳破坏的机制，提出在多重 动态因素影响下路基的稳定性计算方法，为今后库岸公路的设计与施工提供技术 支持。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 水毁研究 库岸路基，又称浸水路基，多采用半填半挖的路基形式，边坡长期处于库水 第一章绪论 的浸泡和水流的冲刷，尤其在汛期，公路在水流冲击、淘刷、侵蚀以及水位升降 等作用下，易造成路基内细填料流失，坡脚掏空坍塌，发生公路水鲥。许多专 家学者对公路受水流冲刷侵蚀而发生的失稳变形破坏机理，以及相应的防护机构 形式进行了深入的研究。 在交通部“八五 重点科技攻关项目中，陈洪凯、祝江林、张永兴2 】提出了 公路水毁的系统工程方法论，它包括认识、保护、改造和监测公路水毁系统等四 个方面的基本内容和基本过程，认为公路水毁具有多维结构，为深入研究区域公 路水毁的基本特性和防治，奠定了认识论上的基础。高冬光、张义青、田伟平【3 卅 等对沿河路基水毁和防护的水力学、河流动力学机理进行了深入的研究，提出了 系统的防护设计计算方法以及各种冲刷防护工程综合运用的模式。陕西省数百处 试验工程均达到了较好的经济效益和社会效益。 在对山区公路水毁机理与抗毁结构研究中，祝晓寅、陈洪凯、翁其能【5 】等人 以凉山地区境内的公路水毁为例，对山区公路水毁发育机理进行了分析研究，并 针对特殊地区的地形、地貌、地质构造以及气象水文条件提出了有效的路基抗毁 结构。研究表明，按不良地质现象及力学机制可将公路水毁分为四类：重力剪切 破坏型、泥石流诱发型、河流破坏型和地基失效。这一研究成果丰富了公路水毁 学的科学内涵。 在沿河路基侵蚀机理与防治措施研究中，张麒蛰、凌天清、陈平燕【6 】着重对 河湾路基侵蚀机理进行了理论分析与试验研究。通过对弯道环流的形成、发展特 性以及凹岸路基边坡泥沙运动规律及对路基侵蚀试验成果进行分析，发现凹岸路 基的侵蚀主要是由河湾水流对路基边坡的淘刷以及路基的崩塌而引起，并提出了 各种抵抗河湾路基侵蚀的防治措施。田伟平、李惠萍、高冬光【_ 7 】在对沿河路基水 毁的水力机理和泥沙运动规律进行理论分析的基础上，对凹岸最大冲刷深度的影 响因素，进行了合理划分和适当简化，采用人工弯道概化模拟试验方法进行不同 条件下的冲刷试验。结合野外调查资料，对试验数据进行回归分析，建立了最大 冲刷深度与主要影响因素( 水深、泥沙粒径、河宽、河湾半径) 的关系式。 在对沿河路基坡脚冲刷的防护问题上，田伟平、李惠萍【8 】等人运用水力分析 和试验观测的方法，对护坦的防护机理、特点以及防护效果进行了分析研究，指 出影响护坦防护效果的主要参数是护坦宽度和项面埋置深度，提出了明确这两个 参数的原则和方法，并根据试验资料提出采用护坦防护的设计计算方法。同时， 通过理论分析和模型试验，对顺直河段和弯曲河段中丁坝群的水流形态、冲刷规 律进行分析研究，并以防护长度和冲刷深度作为控制指标，提出了沿顺直河段和 河湾凹岸布设丁坝群的计算方法。 以上研究，主要侧重于水流冲刷这一影响路基强度，造成路基边坡破坏的重 第一章绪论 要因素。然而，库岸路基的失稳破坏不只是水流冲刷一个因素在起作用，而是多 因素综合作用的结果。从路基所处的环境分析，它具有如下三个鲜明的特点：( 1 ) 路基受到水流冲刷与淘蚀作用；( 2 ) 江河水位变化使路基浸蚀部位变化，坡体内 孔隙水压力、渗透压力也发生变化；( 3 ) 在水岩耦合作用下，路基岩土材料的流 变作用会加剧透水层孔隙水压力变化，甚至产生超孔隙水压，使不透水层产生上 浮力，导致路基失稳。沿河路基的失稳是多种因素特别是上述三种因素长期作用 而发生的一种演变过程。每种因素都可能在一定条件下成为路基失稳的决定性因 素，失稳是各动态因素相互作用的结果，因此公路沿河路基失稳是一种动态过程。 1 2 2 渗流研究 在对库岸路基稳定性分析中，岩土体中的动水渗流作用引起的空隙水压力变 化成为核心研究内容。传统的饱和土渗流及稳定分析方法无法正确描述水位升降 过程中岸坡内孔压场的动态变化及其对岸坡安全系数的影响规律。目前对岸坡在 水位波动下稳定性的研究大多限于饱和土力学的范畴，即研究饱和土的渗流对岸 坡稳定性的影响2 1 。饱和土力学中对于由水的自重形成的渗流场可以通过绘制 流网或稳态渗流分析求解，对于压缩性较大、渗透系数较小的土中的渗流场可以 通过变形渗流耦合分析( 如b i o t 固结理论) 求解【1 3 1 4 1 ，但饱和土力学无法考虑土 处于非饱和状态时孔隙水压力的产生和消散过程，也不涉及由基质吸力产生的负 孔隙水压力对边坡稳定的贡献，而这些因素有时会对非饱和边坡的稳定起决定性 作用。因此饱和土理论不能揭示水位变化过程中岸坡稳定性变化的规律和实质。 r i c h a r d s 将达西定律引入到非稳定渗流中，主要考虑水在土体中的动水渗流 作用，使对浸水边坡的非稳定渗流研究更进一步，也使得渗流问题的研究更趋完 善，渗流所满足的的控制方程也很快建立起来，称为r i c h a r d s 方程，该方程后来 得到很深入的研究，并成功的应用到许多工程实际中来【1 5 】。 对于不饱和领域渗流的基本方程式由下式得到。质量守恒定理为： o p _ _ z ：o p o ( i - l ，2 ，3 )式( 1 1 ) a ? c t a t 式中：p 流体的密度； 石三维坐标； 口体积含水率： f 时间； y 流速。 4 第一章绪论 达西渗透定理为： y ：一七( 秒) 塑( i = l ，2 ，3 )式( 1 2 ) o 式中：尼( p ) 渗透系数； h 全水压： 由式( 1 1 ) 和式( 1 2 ) 得到下式： 三( 肚( 占) 罢) ：掣 ( i ：1 ，2 ，3 )式( 1 3 ) o x ：0 x ：o t 非稳定渗流中饱和不饱和领域的移流分散的基本方程式由质量守恒定理得 到。质量守恒定理为： 鲁一苦( 峨等+ 苦( 仃) + 艘d 鼢+ q = 。 式4 ， 式中：口体积含水率； 局吸着系数； 盯溶解浓度： 见减衰系数： 见扩散及分散系数； ，q 常数； 圪达西流速。 d a r c y 定律是最基本的渗流本构方程，大部分土的渗流服从d a r c y 定律，它 表明渗流速度v 与水力梯度f 之间呈线性比例关系，比例系数k 称为渗透系数。 其数学表达式为： 1 ，= 一k i 式( 1 5 ) 式中：负号表示渗流方向与水中势能增加方向相反。 二维非饱和渗流的基本微分方程中依据质量守恒原理和非饱和流动的d a r c y 定律，当不考虑土骨架的变形并把土壤水视为不可压缩流体时，以总水头h 。为控 制变量的基本微分方程为： 舡针驰爿= c 鲁 加 式中：h w 为压力水头 p 与位置水头y 之和；尼。和七w 分别为x 、y 方向的渗 透系数，非饱和土的渗透系数忌懈和尼，一般不为常数，它是含水量或基质吸力的函 数。c 为比水容量，c = 0 0 。o h 口，o w 为体积含水量。 第一章绪论 5 地卜水动力字甲给出 地卜水二维非槔足沉微分万程： 昙( e 罢) + 专( k y 等) + 鲁( 琏罢) = 以百a h 式7 ， 如果为稳定流，则其微分方程变为： 丢( t 罢) + 导( k y 等) + 毫( k ：罢) = 。 式8 ， 式中：以为贮水率，h 为渗流水头，k x 、蟛、k z 为x 、y 、z 方向的渗透系数。 如果为各向同性介质，即恐= 巧= 憋，那么( 1 4 ) 式变为著名的l a p l a c e 方程： 百a 2 h + 箕+ 罂：o 式( 1 9 ) 3 x 2 a v 2 包2 i 比时7 k 中渗流7 k 头与流谏的关系为： 式( 1 1 0 ) 对于渗流场的简单问题，可以用经验法、流网法进行计算。但对于边界条件 比较复杂的渗流问题，就采用模拟试验和数值计算来进行。常用的数值计算方法 为有限元法，该方法可以处理复杂边界和非均匀渗流问题。 1 2 3 数值分析研究 应对水位上升和下降情况下的非饱和岸坡进行非稳态渗流分析，在计算边坡 稳定时考虑负孔隙水压力对非饱和土抗剪强度的贡献，分析不同土类的均质库岸 边坡在水位变化条件下的渗流和稳定性变化【l 每1 8 】。m o r g e n s t e m 在不考虑孔压消 散的假定基础上，利用极限平衡法探讨了库水位变化对均质斜坡安全系数的影响。 分析表明：边坡安全系数随着库水位的上升而增大1 9 1 。随后d e s a i 2 0 1 和c o u s i n s 2 1 】 基于极限平衡法在考虑渗透作用的影响下也对该问题进行了深入探讨。近年来， 有限元强度折减法在边坡稳定性分析中逐渐被受到重视。g r i f f i t h s 和l a i l e l 2 2 讲】基 于自己开发的有限元软件，利用强度折减法分析了水位变化对边坡安全系数的影 响。结果表明：边坡安全系数随着库水位的增加呈现先变小后变大的变化趋势。 刘建军基于b u c l d e y - l e v e r e t 两相渗流方程，提出了新的岩土饱和一非饱和渗流 数学模型，利用有限差分方法给出了隐式压力显示饱和度数值求解方法，编制了 饱和非饱和渗流计算程序，模拟了降雨入渗条件下边坡岩体渗流场孔隙压力变化 甜一缸汨一砂御一如 足 k k 一 一 一 = i i = j y z “ “ ” 6第一章绪论 和含水饱和度变化【2 5 1 。 数值模拟同样被引入到求解r i c h a r d s 方程中，r u b i n 研究了二维非饱和土中 的非稳定流给出了二维r i c h a r d s 方程的数值解，高骥等通过对堤坝中洪水暴涨暴 落的动态渗流作了饱和一非饱和渗流的数值模拟，得到较高的计算精度【2 6 。2 7 1 。张 家发【2 剐研究了土坝三维饱和一非饱和非稳定流，编制了一套有限元程序，并应用 于三峡船闸高边坡渗流场分析中。戴福初【2 9 】等通过对土体的应力应变特性试验研 究，分析了填土边坡在暴雨入渗条件下的破坏机理。陈守义【3 0 】针对我国南方以及 中西部地区广泛分布的膨胀土、残粘土等，在雨季发生浅层滑坡问题，采用a d i 法求解给定入渗和蒸发边界条件的突破瞬时含水率分布，为分析土坡稳定提供数 据。黄俊等采用伽辽金有限元法结合隐式向后差分法，编制出简单合理和切实可 行的计算程序s u s e d ，并以唐山陡河土坝为计算对象，对该坝进行了饱和一非饱 和渗流数值计算，计算结果令人满意。s 1 1 i m a d a 【3 1 。2 】等用g a l e r k i n 有限元法模拟了 不同降雨强度和土的类型条件下二维非饱和渗流，并采用刚体弹簧模型进行了斜 坡稳定性数值分析。 根据有效应力原理，饱和土体内任一平面内受到的总应力可分为有效应力和 孔隙水压力两部分，土的变形与强度的变化只取决于有效应力的变化。确定了土 体中的孔隙水压力，也就能确定其有效应力，有效应力原理的运用得当与否，也 是边坡稳定性研究的决定性因素之一。 在研究水作用下的路基边坡稳定性问题时，由于水在各个方向周围土体的同 等作用，许多方法都忽略了孔隙水压力的影响作用，当前对水中土体的考虑方式 有两种，即单独以土骨架为分析研究对象和以土和水的混合体为分析研究对象， 近代土力学以土骨架为分析对象，许多学者指出，两者本质上是一致的，最基本 的瑞典圆弧滑动法在考虑土中水的作用时，将土和水一起作为脱离体来考虑，土 条重量为土重加水重，取浸润线以上部分为湿容重，浸润线以下部分为饱和容重， 并认为在土条周围都作用有渗透水压力；毛昶熙【3 3 】等在用条分法分析水对边坡的 渗透力时，认为考虑土条周边的孔隙水压力与同体积水重的结果就相当于考虑了 渗透力的作用，应用把土体单元各边上的几个水压力转化为一个渗透力来简化问 题，利用有限元法来考虑，不需要对土体做任何假定，只需取土的有效重度，使 问题简化而不易出错。陈祖煜 3 4 】通过用两种不同的处理方法来进行安全系数计 算，得出两者的安全系数计算表达式是一样的，认为在边坡稳定性分析中采用两 种方法，得出的计算结果应该相同。 随着计算机理论的发展，传统的极限平衡法理论向着与其它方法如有限元理 论相结合解决边坡稳定分析问题的方向发展。将强度折减理论用于有限元法中， 通过强度降低或荷载增加直接算出岩土边坡的安全系数和滑动面，称之极限分析 第一章绪论 有限元法。该方法可以对贯通和非贯通的节理岩质边坡进行稳定分析，同时可以 考虑地下水、施工过程的影响，可以考虑各种支挡结构与岩土材料的共同作用， 因而具有很大的优越性和应用前景。常用的数值分析方法包括有限元法、离散元 法、d d a 法、数值流形元法、无单元法、快速拉格朗日元法f l a c ( 有限差分法) 笙【3 5 3 7 】 寸o 极限平衡法是最常用的边坡稳定性分析方法，其发展已经相当成熟，由于理 论满足静力平衡关系，简单易用，并经过大量实践而不断完善，是工程上应用最 多的一种方法。与极限平衡法相比较，各种数值方法具有其相应的优点，数值方 法可以考虑更加复杂的工况，如水位突降，以及开挖填筑和能够适应各种应力和 位移边界条件等，因而其分析结果具有更高的精度和对复杂边坡更好的适应性。 使用数值分析方法在坡体稳定性分析中取得了一些新的成果，即考虑了岩土材料 的非线性大变形特征，在分析程序中引入了岩石流变本构方程；在非线性弹性和 弹塑性分析模型中考虑了坡脚水位变化和渗透动水压力的作用。 以上研究表明，在对库岸路基在受水流冲刷，渗流作用下的稳定性分析，以 及在动力学，水力学范畴下对孔隙水压力的计算研究中，已经取得了大量成果。 然而，在对浸水边坡稳定性研究中还存在很多不足，对路基非饱和渗流问题这一 复杂问题，目前国内对此有关的非饱和区渗流试验研究关注得很不够，在岩土工 程中应用还是不很成熟，不普遍。而且，在动水位作用下，对路基边坡的计算还 缺乏系统的研究，尤其是库岸路基在孔隙水压力、渗透力及河流冲刷力等多种因 素作用下的路基失稳机理和稳定性分析方法方面。因此，本文将在前人的基础上， 对库岸路基在多种动态影响因素下的失稳机理和稳定性分析进行系统的研究，得 出具体的分析方法，以期在今后的工程实际中起到指导作用。 1 3 主要研究内容 本文以库岸路基为研究对象，针对特殊地质水文因素影响下，库岸路基发生 的失稳变形破坏问题进行研究。本文主要研究内容如下： 山区库岸路基在多种动态因素作用下的动态失稳机理研究； 山区库岸公路路基在渗流作用下的稳定性分析与计算方法； 利用有限元分析软件对库岸路基稳定性进行分析： 对库岸路基所处不同工况进行数值模拟，对结果进行分析。 1 4 研究思路 本课题为了研究库岸路基动态失稳的机理，对不同形式山区库岸路基中水的 渗透规律进行分析，采用：调查研究一模型研究一理论分析一数值模拟研究的方 8 第一章绪论 案进行。 实施方案： 调查研究 通过对已有库岸路基工程进行调查，了解库岸路基的变形破坏特点以及防护 与加固工程存在的问题，了解库岸路基的变形破坏模式并分析其原因，为总结、 建立实体工程和模型试验奠定基础。 模型研究 库岸路基的动态失稳过程是个长期的过程，是水岩相互作用下，以及岸坡水 流冲击作用下的长期岩土体应力场和渗流场耦合的过程，要研究库岸路基的失稳 机理，必须首先明确库岸路基的渗透压力、渗透系数以及岩土体的变形破坏机制， 这些参数的获取仅靠现场调查是很难得到的，必须通过土工试验和室内模型试验 方法得到。 理论分析 在前述试验结果的基础上，结合已有的理论研究成果，建立库岸路基动态失 稳的数学模型，进行理论分析，分析在动水压力、渗透压力、孔隙压力作用下岩 土体的失稳破坏机理。建立在动水压力作用下的简单裂隙岩体的渗流方程与多孔 介质岩土体渗流控制方程以及渗透压力和孔隙压力的计算公式。通过研究传统路 基稳定分析方法，如圆弧滑动法、条分法、楔形体等方法，使用理论分析的手段， 考虑加入库岸路基动水压力、渗透力、孔隙压力等作用下的库岸路基稳定分析方 法。 数值模拟 采用p l a x i s 软件系统进行库岸渗流场模拟。分析不同水流条件、库岸条件 下的路基流场变化，以及由此形成的水压力场对路基的影响。 1 5 研究成果 通过研究，本文主要取得了以下成果： 在总结了库岸路基常见的失稳破坏形式的基础上，分析其发生破坏变形 的原因，特征及主要影响因素。从地质和水文两方面着手进行分析，总结得出库 水作用是库岸路基失稳的最不利因素。 在库水作用下，对路基内渗流场进行分析，建立渗流微分方程，求解渗 透压力与土体周边水压力的关系。 对传统稳定性计算方法进行推导，总结其在实际工程使用中的不足。论 证渗透压力作用下的b i s h o p 法和瑞典条分法以及有限单元法计算公式，得出其等 效方程。 第一章绪论 9 利用p l a x i s 有限元数值分析软件，结合具体算例对库岸路基边坡降水 过程中，在渗流作用下的稳定性问题进行数值模拟，得出降水过程中最不利水位 出现在水位下降过程中，而并非在水位降低至最低点处。 针对不同工况条件下库岸路基稳定性问题进行数值模拟，总结出在不同 降水速率、不同渗透系数影响下路基安全系数变化规律。 分析超孔隙水压力的累积对路基稳定性的影响，证明在库岸路基稳定性 分析中超孔隙水压力是不可忽视的因素。应在实际工程中采取相应措施减少超孔 隙水压力的积累，提高路基安全性能。 第一章 库岸* 辟机理分析 第二章山区库岸路基失稳机理分析 山区公路沿河道、水库布设，形成了大量的库岸路基。根据调查统计资料显 示，库岸路基主要有以下几种形式口s 】：一、路基为天然岸坡，岸坡为岩体或松散 堆积体：二、填方路堤；三、挖方路基：四、在不良地质体上修筑的路基。山区 公路依山傍水，以半填半挖路基居多，临水一侧形成浸水边坡。与一般路基不同， 库岸路基由于库水的存在改变了近库岸侧路基边缘的水动力条件、路基的地下水 文条件、路基的渗透条件，造成了路基遭受水的冲刷、地下水的渗透与浸泡、路 基岩士体中超孔隙水压力升高等。导致库岸路基的变形和失稳破坏频繁发生。 2 1 库岸路基失稳破坏模式 在对库岸路基边坡失稳机理和稳定性进行分析之前充分认识和了解目前库 岸路基的主要失稳模式，以及常见的破坏形式，为下一阶段进行稳定性评价分析 奠定基础。通过资料收集和大量的现场调查统计得出库岸路基失稳主要由整 体滑移、河库水侵蚀坍塌以及支挡结构物破坏三种主要类型。 整体滑移 这是最常见的一种整体失稳破坏模式，如图2l 所示。在河库水位蓄排水的 周期性作用下路基内水位也在周期性变化，岩土体在水浸泡作用下，其抗剪强 度会降低孔隙水压力的变化加上动水压力作用，路基整体产生不稳定，易产生 滑坡。滑动面位簧不定，有可能出现下图所示的情况。对这种失稳破坏模式，应 根据传统稳定性分析方法，综合考虑地下水洛流作用，对路基整体稳定性进行验 算。 图2 i 路基整体滑移 f i 9 2is u b 刚eg l o b a ls l i p 第= 章库岸路基失稳机理分析 侵蚀坍塌 路基边坡岩土体受水流冲刷，使坡角水土流失，边坡上部土体失去支撑易 发生坍塌，如图2 , 2 所示。 围2 2 路基边坡侵蚀坍塌 f i g22 r o a d b e ds l o p e c o l l a l e 大多数路基紧靠河库的路基外边坡实际上就是河岸，极易受到河水水流的冲 刷当线路位于凹岸时尤为如此。随着河水水流的冲刷，路基内岩屑、细小颗粒 及路基防护结构底部的河床物质被水流淘空带走，造成路基变形或防护结构破坏 后水流直接冲刷未受保护的路基，进而引起路基坍塌破坏。 随着河水周期性变化，河岸岩土体在水的浸泡和波浪的磨蚀作用下，岩土体 强度降低，软化、崩解等现象发生，路基河岸岩土体开始坍塌，因此发生河岸线 也跟着逐渐后移的现象，在对三峡库岸研究的众多文献资料中，称之为塌岸 3 9 4 0 。 对沿河路基来讲，这种现象称之为为路基坍塌，如图2 3 所示。由于塌岸而引起 水库边线的后退，这种岸线的后退，使得公路建设必然受到危险，而且水流夹杂 着土粒流走，存在着水土流失问艇。因此对河岸坍塌进行研究，应当做好必要的 防冲刷防护措施。 第= 章 库岸萋女稳机理* 析 固2 3 路基坍塌圈 f i g23s k e t c h m a p o f 口i o c 啪o f r o a d b e x ic o l l a p s e 支挡结构物破坏 对设置了支挡结构物的库岸路基，其支挡结构物往往在水流作用下发生破 坏。如不考虑墙体自身的破坏，重力式挡土墙可能存在挡墙水平滑移、整体滑穆、 挡墙倾覆、墙底地基土承载力不足、管涌和流沙等六种破坏方式，如图2 4 为挡 培的滑移破坏。因此对此类沿河路基，应该对挡土墙进行局部稳定性验算。如 果地基有软弱层时，存在挡墙地基整体失稳的可能性，此时需要进行地基整体稳 定性分析。 田2 4 挡墙滑移破坏 f i 9 2 4s l i d i n g o f r e t a i n i n g w a l l 第二章库岸路基失稳机理分析 2 2 库岸边坡失稳破坏的影响因素 水库在蓄水过程中及运行后，破坏了库岸边坡原有的自然平衡条件，引起边 坡形状及稳定性的变化，导致库岸产生坍塌及滑坡等地质灾害，危害水坝、库岸 城镇、过往船只的安全，同时造成大量的泥沙流失，堵塞河道，影响航运，降低 水库的运行效益【4 。库岸滑坡的原因是多方面的，首先是库岸自身的岩土性质及 地质构造条件，这是库岸失稳的内在因素。其次是外力作用，其中地下水是库岸 发生滑坡的主要诱发因素。一般而言，自然边坡经过长期的地质作用，在自然营 力的作用下，绝大多数已经趋于稳定，但在水库蓄水运行后，由于库水位的升高， 库岸的水文地质条件发生了很大的改变，其岩土物理力学性质出现恶化，表现为 岩土体的抗剪强度降低，浮托力增大，原处于极限平衡状态或接近极限平衡状态 的库岸边坡往往发生失稳破坏。特别是在库水位陡降时，由于岩土体排水不畅， 岸坡中的地下水形成了滞后的渗透力，使得坡体的下滑力急剧增加，促使滑坡产 生，其变形破坏具有突发性。可见，在对库岸边坡进行稳定性分析时，应重点考 虑地下水的影响。 2 2 1 地质因素 由于库岸路基所处位置的特殊性，其物质结构较一般路基也具有不同的性 质。 对于岩质岸坡而言，地层岩性的差异是影响岸坡稳定的基本因素，所谓岩性， 其涵义可以延伸到岩体的组成，岩石的物理力学性质及微观的化学特征。就岸坡 的变形破坏特征而言，各种岩性构成的边坡有其常见的变形破坏形式。不同的地 层岩组有其特殊的矿物成分，亲水特性以及抗风化能力，所以岩组特征对岸坡的 变形破坏有着直接影响。比如坚硬完整的块状或厚层状岩组，易形成天然的高陡 边坡，而在软弱地层岩组中形成的边坡稳定坡高较低，坡度较缓。某些遇水易软 化的岩组构成的边坡，在天然、干燥的状况下是稳定的，但一经地下水的浸润， 岩体强度大大折减，边坡容易失稳。同时，地层也是岸坡崩塌、滑坡及塌岸发育 的物质基础。地层岩性对崩、滑体发育状况的控制作用，主要表现在不同地层、 不同工程地质岩性综合体的岩崩、滑坡等发育强度存在很大差异。由此可见，对 岩组类型进行研究是十分必要和有意义的，通过对岩组的划分，不但可以从工程 地质的角度去分析、评价岸坡地层的工程性质，而且对进一步分析会有很大的帮 助。 对于土质岸坡而言，其物质来源常见为河床、漫滩、阶地及谷坡。谷坡的上 部往往以基岩、风化壳( 层) 或残积物为主；下部除基岩、风化壳或残积物外， 还有多种成因的松散堆积物；谷底部分主要为河漫滩淤积物和河床冲积物( 河床 质) 。河流相冲积物上部一般为河漫滩相砂层或粉砂层，有的含有小砾石，结构疏 1 4 第二章库岸路基失稳机理分析 松，有层理 4 2 1 。下部统称为河床相砾石层，砾石磨圆度好或较好，但也有一些地 区的砾石呈次棱角状，有比较明显的分选性和水平层理或斜层理。不同的河流或 同一河流的不同地段，砾石的粒径相差比较大。砾石层中往往含有砂土的夹层或 透镜体。洪积物一般是由间歇性溪沟的洪水带来的泥砂石块堆积而成，通常以砂、 石为主，有一定的层理，可呈堆积扇或台地。崩坡积物由角砾和岩屑构成，含有 不同数量的粉砂和黏土，结构松散，因其往往堆积在坡脚，而狭谷河段的公路往 往沿坡脚通过，使不少路段修筑在崩坡积物上，直接影响到路基的稳定性和抗冲 刷性。公路修筑在这些物质之上，其路基往往也是由这些物质或这