（岩土工程专业论文）贵州省六盘水机场东北端高填方体地基稳定性研究.pdf

摘要 贵州省六盘水机场东北端高填方体地基稳定性研究 作者简介：高雪梅，女，1 9 8 2 年0 1 月生，师从成都理工大学韩丈喜副教格 2 0 0 8 年0 6 月毕业于成都理工大学岩土工程专业，获得工学硕士学位。 摘要 近年来，随着我国西部大丌发战略实施，多山的西南地区机场建设进入迅猛 发展阶段。这些机场的特点是高填方、高地震烈度、场区地质条件复杂、常分布 有软弱土层，且机场建设周期短。因而妥善解决机场高填方地基的稳定与变形( 沉 降与差异沉降) 是该地区机场建设的核心问题和首要问题。但国内外对机场高填 方地基变形与稳定性系统研究仍不多见，甚至连“高填方”的标准也无统一定论。 贵州六盘水机场位于贵州省六盘水市，海拔1 9 6 3 m ，最大填方高度8 5 1 4 m ， 填方量3 3 0 0 万m 3 ，挖方量3 0 1 5 力m 3 ，底部软弱土层厚近5 0 m ，气候条件差， 场区地质条件复杂，填方区基底为缓倾角顺坡岩层的斜坡地区，因此填方边坡的 稳定问题是十分必要的，不仅影响到工程设计、施工、运行和工程投资，甚至制 约着工程的可行性，是机场安全顺利建设的关键。 本文基于前人的初勘、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了六盘水机场高填方地基长期的稳 定性。 首先，对填方地基的工程地质条件进行深入研究，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。 其次，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。 再次，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。 最后，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，给出结 论并提出场区地基工程处理措施的建议。 关键词：六盘水机场高填方稳定性变形 成都理l ：人学硕十学何论文 r e s e a r c ho nt h es t a b i l i t yo ft h eh i g he m b a n k m e n t f o u n d a t i o no ft h en o r t h e a s tp a r to fl i u p a n s h u ia i r p o r t i n t r o d u c t i o no ft h ea u t h o r ：g a ox u e m e i ，f e m a l e ，w a sb o mi nj a n u a r y ，19 8 2 w h o s et u t o rw a sp r o f e s s o rh a nw e n x i s h eg r a d u a t e d 仔o mc h e n g d uu n i v e r s i t yo f t e c h n o l o g yi ng e o t e c h n i c a le n g i n e e r i n gm a j o ra n dw a sg r a n t e dt h em a s t e rd e g r e ei n j u n e 2 0 0 8 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，w i t ht h ei m p l e m e n to ft h ed e v e l o p m e n ts t r a t e g yo fw e s t e m r e g i o n si nc h i n a ，t h ea i r p o r tc o n s t m c t i o n si nt h em o u n t a i n o u ss o u t h w e s to fc h i n a h a v e b e e nc o m i n gi n t oap r o s p e r o u sp e r i o d h o w e v e r ，t h em a i nc h a r a c t e r i s t i c so ft h e a i r p o r t si nt h ef i e l dc o n t a i nn o to n l yh i g he m b a n k m e n t ， i n t e n s i v ee a r t h q u a k e ， c o m p l e xg e 0 1 0 9 i c a lc o n d i t i o n sa c c o m p a n i e dw i t hs o rs o i l ， b u ta l s ot h es h o n c o n s t m c t i o np e r i o d t h e r e f 0 r e ， t h ei n i t i a la n dc o r e p r o b l e mo ft h ea i 叩o r t s c o n s t m c t i o n si nt h em o u n t a i n o u ss o u t h w e s to fc h i n ai sh o wt od e a lw i t ht h eh i g h e m b a m m l e n t ss t a b i l i t ya n dd e f o m a t i o n ( s e t t l e m e n ta n dd i f r e r e n t i a ls e t t l e m e n t ) p r o p e r l y b u tt h es t u d yo nt h es t a b i l i t ya n dd e f o m a t i o no ft h eh i g he m b a n k m e n t f o u n d a t i o ni sf e wi nt h ed o m e s t i ca n dt h ea b r o a d a n de v e nt h es t a n d a r do fh i g h e m b a n k m e n ti ss t i l li ni s s u e l i u p a n s h u ia i 印o nl i e si nl i u p a n s h u ic i t yo fg u i z h o up r o v i n c e ，w h i c hi sa tt h e a l t i t u d eo ft h ea i 印o r ti s19 6 3m e t e r t h em a x i m u mh e i g h to ft h ee m b a n k m e n ti s 8 5 1 4m e t e r t h eo v e r a l lf i l l e da m o u n ti s3 3m i l l i o nm 3 ，a n dt h eo v e r a l le x c a v a t e d a m o u n ti s3 0 15m i l l i o nm 3 t h et h i c k n e s so ft h ew e a ks o i lu n d e rt h ee m b a n k m e n ti s a l m o s t50m e t e r b e c a u s eo ft h eb a dw e a t h e rc o n d i t i o n ，t h ec o m p l e xg e o l o g y c o n d i t i o na n dt h ee m b a n l 【m e n t sb a s e m e n tt h a ti st h es l o p er e g i o no fs l o wd i p d o w n h i l lr o c h ，t h er e s e a r c ho nt h es t a b 订i t yo ft h es i d es l o pf i l l e di sv e 巧n e c e s s a 巧 t h es t a b 订i t yo ft h es i d es l o pf i l l e dn o to n l yi n f l u e n c e st h ed e s i g nc 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 na n di n v e s t m e n to fp r o je c t ，b u ta l s or 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 f t h es u c c e s s f u lc o n s t m c t i o no ft h e a i 印o r t a c c o r d i n gt ot h eg e o l o g yd a t aa n de 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 n l 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 e s t u d i e so nt h es t a b l i i t yo t l i u p a n s h u ia i r p o r t sh i 曲e m b a n k m e n tf o u n d a t i o n w 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 ls i m u l a t i o na n a l y s i s f i r s to fa l l w es t u d i e so nt h ee n g i n e e r i n gg e o l o g y c o n d l t l o n so 士 t n e e m b 肌k m e n tf 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 n t h es t a b l l l t yo t t h eh i 望he m b a n k m e n tb ys t u d i e do n t 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 d t h es p r e a d i n gf e a t u r e so ft h er o c k s o i lm a s s ，a n ds oo n s e c o n d l v ，n n do u tt h em o s td a n g e r o u ss i i p s u r f a c eb y 印p l y m gl 衄l t m 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 e 眦d e rt h e d i 艉r e n tc o n d i t i o n s ，a n da d o p t l n gm a n y m e t h o d st oc o u m t h i r d l v w i t h2 。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 da n a l y s i s ，s i m u l a t et h et y p e s 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 s t r a i ns t r e s st oc o u n tt h es a t e c o e m c i e n to ft h es l o p e s t a b i l i t y f a c t o rf o rt h ep u r p o s eo ff o u n d i n go u tt h em o s t d a n g e r o u ss l o p e t h e na c c o r d i n gt om e o u t c o m eo fl i m i t i n ge q u i l i b r i u mm e t h o d c o m p r e h e n s i v e l ya n a l y z eo nt h es t a b i l i t y o ft h eh i 曲e m b a n k m e n tml 1 u p a n s h u l a l 印o r t f i n a l l v 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 e t 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 e o ft h et y p es e c t l o n a c c o r d i n gt ot h eo u t c o m e so f t 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 l m a t e t h es t a b i l i t vo ft h ee m b a n l e n ti nl i u p a n s h u ia i r p o i r tc o m p r e h e n s i v e l y ，a n d9 1 v e t h e c o n c l u s i o n s d 印e n d i n go nt 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 l o n n ft h es e t t l em e a s u r e k e yw o r d s ：l i u p a n s h u ia i r p o r t ，h i 曲e m b 砌锄e n t ，s t a b i l i t y ，d e f o 彻a i o n 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，也不包含为获得盛都理王太堂或其他教 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： 伯俐年么忉日 俐年石月z o 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盛都理工态堂有关保留、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。本人授权盛壑理王太堂 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，叮以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 学位论文作者导师签名： 新柏 韩媳们年 月w 同 第l 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题研究背景及研究意义n 峭1 近年来，随着我国西部大开发战略的实施，西南地区机场建设进入迅猛发展 阶段。据不完全统计，目前西南地区在建和拟建的机场有攀枝花机场、九寨黄龙 机场、南充高坪机场、万州五桥机场、黎平机场、兴义机场、康定机场、林芝机 场、阿罩机场、同喀则机场、荔波机场、龙洞堡机场、六盘水月照机场、新舟机 场、毕节飞雄机场、昆明第二机场、红河机场、文山机场、黔江机场，扩建机场 有达州河市机场、重庆江北机场、贡嘎机场、邦达机场等3 0 多个，这些机场都 具有如下的共同特点。 高填方：这些机场多建于荒山坡地上以减少占用耕地，但为满足场地条件 和净空条件，机场建设势必进行深挖高填，九黄机场最大填方高度1 0 4 m ，填方 量2 7 6 3 万m 3 ，在全世界都是罕见的；六盘水机场填方量3 3 0 0 万m 3 ，挖方量3 0 1 5 万m 3 ，最大垂直填方高度8 5 1 4 m ，坡顶坡脚最大高差1 3 6 m 。 高地震烈度：西南地区处于环青藏高原高地震带，机场场址地震基本烈度 高； 气候条件差：受青藏高原和云贵高原影响，西南地区机场建设施工气候条 件恶劣，部分机场季节性冻土较为严重，工程施工期短，而机场高填方工程浩大， 工程进度与工程质量间的矛盾十分突出，高填方体压实度很难绝对保证，地基易 产生不均匀沉降； 表l l西南地区一些高填方机场概况1 3 1 最人填方 主要 填方鼙 机场名称填料性质 高度( m )压实方式 ( 万m 3 ) 铜f ：机场 2 4 向云岩人块碎彳i强夯 2 1 8 绵刚机场 2 8 含泥砂砾彳i碾压、强夯 2 5 0 人理机场3 0自云岩f i 渣强夯 7 5 0 j 元机场3 8砂泥岩块碎，f i强夯、碾压6 0 0 龙洞堡机场 5 4 f i 灰岩人块碎彳i强夯 1 2 0 0 黎平机场 3 0 彳i 灰岩块碎彳i 、红粘十强夯 3 7 7 万州机场3 2砂泥岩块碎彳i强夯 7 5 0 兴义机场 4 2白云岩人块碎彳i强夯 1 1 9 9 荔波机场 4 6 砂泥岩块碎彳i强夯 1 18 4 攀枝花机场6 5砂泥岩块碎f i强夯 2 4 0 0 九黄机场1 0 4含泥砂砾，f i强夯、碾压2 7 6 3 人盘水机场 8 5 彳i 英砂岩碎彳i 3 3 0 0 成都理i ：人学硕十学位论文 场区地质条件复杂，且高填方地基底部一般都分布有一定厚度的软弱土 层：机场场区地形地貌复杂，地层岩性变化大，地基土性状极不均匀，并且在沟 谷高填方地段，各种基岩强风化层、残坡积层、冲洪积层形成的软弱土层厚度大 且分御极不均匀，因此，对软弱土层如不进行特殊的工程处理，必将导致严重的 地基沉降与不均匀沉降，甚至危及高填方体的整体稳定。 因而机场高填方软弱土地基的稳定与变形及地基处理方案等问题是西南地 区机场建设中存在的核心问题和必须解决的首要问题。 六盘水市地处云贵高原中段，乌蒙山系南东面，地理上东邻安顺、贵阳，西 接黔西南的晴隆、兴仁县，北与毕节和四川的泸州毗邻，西与云南省的宣威、曲 靖接壤，是贵州通往云南的主要通道之一。该市辖水城县、盘县和六枝特区三县 区，是我国成立最早的特区之一。区内具有丰富的煤炭、钢铁等矿藏资源，尤其 是煤炭储量极为丰富，号称“西南煤都”，是贵州省重要工业经济区。区内交通远 不能满足经济建设和发展需要，当地迫切需要建设六盘水机场。 本文以贵州省六盘水机场为研究背景。六盘水机场位于六盘水市东北方向， 坐落在距离六盘水市区约有2 5 公罩的花竹林地方。六盘水机场跑道长2 8 0 0 m ， 宽4 5 m ，两端安全道各长3 0 0 m ，飞行区长3 4 0 0 m ，两侧土面区各宽8 5 m ，跑道 轴线坐标真方位5 0 。机场场区地质条件复杂，主要的工程地质问题有滑坡、崩 塌、泥石流、岩溶、高填方等，第四系松散堆积层力学性能较差，在外加荷载和 地下水作用下易发生较大变形和甚至失稳。 本文选择东北端i 区作为研究对象，该区地势低，坡度在1 0 0 2 0 0 范围，高 程在1 8 6 5 1 9 3 1 m ，跑道轴线设计高程1 9 6 3 6 6 1 9 5 7 8 m ，垂直填方高度最大约 7 1 m 。填方底板为残坡积、冲洪积覆盖，厚度较深，最深处6 3 m ，岩性为耕植土、 粉土、粉质粘土、粉细砂、粘土、红粘土、有机质土、碎石土、混合土，基岩为 灰岩。该区地形复杂，地层岩性变化大，地基土形状不均匀，土层力学性质较差， 并且在沟谷高填方地段，基岩强风化层、残坡积层、冲洪积层形成软弱土层，由 于软弱土层厚度和分布极不均匀，因此，对其高填方地基做稳定性与变形研究为 地基处理提供参考是非常必要的。高填方地基底部的软弱土是地基中相对较为软 弱的土层，分佰于沟谷低沣地段，其力学性质较一般土层为差，但却高于真正意 义上的软土。 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 第1 章绪论 入的试验研究，甚至连“高填方”的标准也无统一定论。目自仃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 高填方稳定性研究现状4 也l l 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。 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。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一步， 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 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， 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，工程中一一般多采用垂直条分的极限平衡方法来评价 边坡稳定性。 成都理i ：人学硕十学位论文 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 r n 法( 19 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( 19 6 7 ) 、h u n t e r s c h u s t e r 法( 1 9 6 8 ，19 71 ) ，其它还有l k a r a n 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体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，在妒等于零或数值很小的软粘 土，滑裂面底部的f 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，但当妒较大时，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f 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 m l a ) 法是极限平衡法的最新发展。白萨尔玛博士于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护角，护角 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 娼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，即取八x 户1 和 ，o ( x ) 2u ，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面 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。 第1 章绪论 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。 条分法计算方法已同趋完善，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 之问的内力作何种假定，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。 表卜l 条分法各种方法比较表5 1 所满足的平衡条什滑裂面形计算手段 计算方法 整体力矩十条力矩秉直力水平力 式 手算计算机 瑞典圆弧 、， 圆弧 、， 滑动法 简化毕肖普法 、， 圆弧 简布法 、， 任意 、，、，宰 斯宾赛法 、， 任意 | | 摩根斯坦一 、， 、 任意 、，幸 普赖斯法 萨尔掣5 法 、，、， 任意 a ：柴些情7 兕下收敛町能存困难。 斜坡地基稳定性评价的程序一般为：地质模型_ 数学力学模型_ 选用适宜的 计算方法评价_ 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f 确的地质模型为基础，在丁f 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。目自仃，常用的数学力学方法主要有极限平衡方法 ( 表卜1 ) 和数值分析方法。 表l 一2 斜坡稳定性评价的极限平衡法汇总表 分析方法假设条件力碍：分析廊用范伟及特点 1 瑞典条分1 ) 滑动面为圆弧整体力矩平衡圆弧滑动面滑动，定 法 2 ) 不考虑条分问作川力 转动中心，厩直条分 滑体 2 b j s h o p 法 1 ) 不考虑条块间切向力整体力矩平衡与任意形状滑面，乖直 成都理i ：人学硕十学位论文 2 ) 条块间作川力水平静力平衡条分滑体，较适川丁 十坡 3 j a n b u 法 1 ) 滑动面可为不规则形状分块力矩平衡；可适川丁1 f 均质十 2 ) 条间作j 4 j 力位置在离滑面以分块力平衡坡，乎直条分滑体 上h 3 处 4 s a m a 法1 ) 滑体先破裂成相互错动的块分块静力平衡； 任意形状滑面，任意 体才能滑动分块力矩平衡条分滑体，适州丁岩 2 ) 滑面与侧面都达剑极限状态质或十质滑坡 5 传递系数 1 ) 条间作用力合力方向与上一各分块力平衡任意形状滑面，垂直 法 块滑面平行条分滑体，适川丁岩 2 ) 本条块间作川合力为负值则质或十质滑坡 记向卜块传递的推力为零 6 m o 唱e n s t e r 1 ) 相邻条块间法向力e 与切考虑分块力矩平任意形状滑面，币直 p r j c e 法 向力x 存在与水平方向坐标衡；考虑分块切条分滑体，适宜丁- 十 的函数关系( x ，e = ( x ) ) 向力平衡与法向坡 2 ) 条间力作川点位置随滑面倾力平衡 角而连续变化 7 s p e n c e r 法 1 ) 滑动面为圆弧分块力平衡；可川于岩质或十质 2 ) x e 为一常数分块力矩平衡滑坡，垂直条分滑体 8 楔形体法1 ) 受结构面或软弱面控制形成整体静力平衡 适宜于岩质楔形体 的楔形滑面，且各滑面均为平面滑坡 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。 斜坡稳定性评价方法的发展已经取得了很大成就，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，必须重视工程地质分析法，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。 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具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r 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。 第l 章绪论 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 种以上方法的耦合研究也越来越多，这也成为发展的一种趋势。 1 2 1 2 有限单元法【2 2 2 8 】 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) 。 ( 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 锄的模式搜索法、邵龙潭、z o u 和础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。( 见表卜3 ) 7 成都理l ：人学硕十学伉论文 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 ( 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 o 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。( 见表卜4 ) 表卜4 有限元强度折减法内容综述 有限元强 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度参 度折减法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算结果得到破 的原理坏滑动面( 塑性虑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 。 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j 基。 以“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的标 以上两种判据得到的安全系数相著不大。 鬻簇篓票喜堞慧徽篙嚣耀鬣 翼黧过程鬻鬻蒿罐端辫蕃皇搿焉瓣翥岔 = 三= z 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组中找到一个既能 二：”。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 ) 【2 9 3 2 】 8 第l 章绪论 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，用户呵以白行调整网格 柬匹配被模拟物体的形状。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 l a c 所应用的显式拉各朗同计 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问的 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丌的岩块沿各裂隙 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”在白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l 三滑动、转动等火变形， 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1 5 ，3 3 8 i 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 9 成都理+ i ：人学硕十学何论文 土和岩土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，它也是验证一切理论和计算成果的重 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问状 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 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，使得这种模拟技术更加 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，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 矛口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 矛口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。 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米至现在这两个阶段。 第一个阶段丌始时，由于新中国刚刚诞生，万物百废待兴，为了满足新中 l o 第1 章绪论 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