（水工结构工程专业论文）南水北调工程芳芝段开挖渠道边坡稳定敏感性分析.pdf

! 煳 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 撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者： 栖黼 日期：如f 口年f 月；i1 5 7 学位论文使用授权声明 本人在导师指导下完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属郑州大学。根据郑 州大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留或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；本人授权郑州大学可以将本学位论文的 全部或部分编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或者其他复制手段保存论文 和汇编本学位论文。本人离校后发表、使用学位论文或与该学位论文直接相关的学术论 文或成果时，第一署名单位仍然为郑州大学。保密论文在解密后应遵守此规定。 学位论文作者： 栖麦始 日期：如i 挥爹月；1 日 摘要 摘要 在水利工程、交通工程、采矿工程及建筑工程中，边坡稳定是决定工程成 败的关键条件之一。南水北调中线工程在河南境内长达七百多公里，地质结构 多变，各种因素对边坡稳定的影响错综复杂。本文以南水北调工程芳芝段开挖 渠道边坡稳定问题为研究对象，以毕肖普方法的计算为基础，综合应用单因素 分析方法和多因素分析方法，研究土体摩擦角、粘聚力、重度、坡角及地下水 五种影响因素对边坡稳定的影响，主要研究内容如下： 1 、利用毕肖普方法进行条分法计算，研究土体摩擦角、粘聚力、重度、坡 角及地下水对边坡稳定安全系数的影响，分析单个因素改变时边坡安全系数的 变化趋势。 2 、综合应用单因素分析方法、多因素分析方法以及灰关联分析方法，研究 土体摩擦角、粘聚力、重度、坡角及地下水对边坡稳定安全系数的敏感度。研 究表明，土体摩擦角是边坡稳定的主要影响因素。 3 、重点研究两种工程状况：一是渠内无水，地下水稳定渗流；其次是渠内 无水，地下水稳定渗流，考虑地震。计算结果表明，两种工况下安全系数随各 影响因素的变化趋势是一致的，考虑地震的情况下，安全系数比无地震情况下 小0 1 1 , - 4 ) 2 5 。 关键词：边坡稳定；安全系数；单因素法；灰关联分析 幕| 篆i 黧篡蠢；量兰i 毫i i 二i 2 j 。：；毫j j 翟= 嚣匕二。2 7 ：一| 一。? 2 一。“i 薹t i l - ”? i i ：二? 耋：_ ? ”二毫l 一：一：? ? ? ：。o j 一。i ? i ”：i j ，j ! 一1 一：。：。”毫、一、“| 。i + a b s t r a c t a b s t r a c t t h es t a b i l i t yo fl a n d s l i pi sr e c o g n i z e da sad i f f i c u l tp r o b l e mi nt h ee n g i n e e r i n g , i t i so n eo ft h ec r u c i a lf a c t o r st h a td e c i d et h ep r o j e c ti nt h eh y d r a u l i cp r o j e c t ，t r a f f i c e n g i n e e r i n g , m i n e r a le n g i n e e r i n ga n db u i l d i n g - c o n s t r u c t i o np r o j e c t s t h es o u t h - t o - n o r t hw a t e rd i v e r s i o np r o j e c tc o v e r sm o r et h a ns e v e nh u n d r e d sk i l o m e t r e si nh e n a n p r o v i n c e , t h ei n f l u e n c eo ft h ef a c t o r st ot h es l o p es t a b i l i t yi sd i f f i c u l tt oa n a l y z ea st h e g l o # cs t r u c t u r ei sc h a n g e a b l ef r o mp l a c et op l a c e t a k i n gf a n g z h ie x c a v a t i n g c h a n n e lo fs o u t h - t o - n o r t hw a t e rd i v e r s i o np r o j e c ta st h eo b j e c to fs t u d y , t h i sp a p e r u s e dt h es i n g l ep a r a m e t e rm e t h o da n dt h em u l t i - p a r a m e t e rm e t h o dt oa n a l y z et h e s e n s i t i v ef a c t o r so fs o i li n t e r n a lf r i c t i o na n g l e ，s o i lc o h e s i o n , t h ea n g l eo fs l i p ，t h e g r o u n d w a t e rs u r f a c ca n dt h ev o l u m ew e i g h tb yb i s h o pc a l c u l a t i o nm e t h o d t h ec h i e f c o n t e n t so ft h i sp a p e ra r e 嬲f o l l o w s ： 1 u s i n gb i s h o ps l i c e sm e t h o d ，a n a l y z e dt h es e n s i t i v ef a c t o mo fs o i li n t e r n a l f r i c t i o na n g l e , s o i lc o h e s i o n , t h ea n g l eo fs l i p ，t h eg r o u n d w a t e rs u r f a c ea n dt h e v o l u m ew e i g h t , s t u d i e di t st r e n d sw i t l lt h ec h a n g eo f s i n g l ep a r a m e t e r 2 c o m b i n a t i o no ft h es i n g l ep a r a m e t e rm e t h o da n dt h em u l t i - p a r a m e t e rm e t h o d ， s u p p o r t e db yg r e yc o r r e l a t i o na n a l y s i s ，a r eu s e di ns t u d yo ft h es e n s i t i v ef a c t o r so f s o i li n t e r n a lf r i c t i o na n g l e , s o i lc o h e s i o n , t h ea n g l eo fs l i p ，t h eg r o u n d w a t e rs u r f a c e a n dt h ev o l u n ：l ：ew e i g h t t h ec a l c u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a ts o i li n t e r n a lf r i c t i o na n g l ei s t h em o s ts e n s i t i v ef a c t o ra n dt h em o s ti n s e n s i t i v ef a c t o ri sg r o u n d w a t e rs u r f a c e 3 t w om o d e sa g ee s p e c i a l l ys t u d i e d ，m o d eo n ei st h a tt h ec h a n n e le m p t ya n dt h e g r o u n d w a t e rk e e p ss t e a d ys e e p a g e ；t h eo t h e rm o d e i st h ef i r s tm o d ea d d i n g e a r t h q u a k e r e s u l t ss h o wt h a tt h es a f e t yf a c t o rv a r i a t i o nt e n d e n c yi ss i m i l a ri nt h et w o m o d e s t h es a f e t yf a c t o r i nt h es e c o n dm o d ei s0 1l - - o 2 5s m a l l e rt h a nt h ef i r s tm o d e k e yw o r d s ：s l o p es t a b i l i t y ；s a f e t yf a c t o r , s i n g l ep a r a m e t e rm e t h o d ；g r e yc o r r e l a t i o n a n a l y s i s 玎 震霹罴箸麓誓巍亭麓“誓j j i 墨以。：麓二二誓j j ；。z ：量：冀? “? ? ? ? 。誓_ 誓j ：_ 一一- _ ：it _ j ，r 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i l 绪论1 1 1 概述。l 1 2 国内外边坡稳定分析理论与方法研究进展一3 1 3 存在问题4 1 4 研究内容及意义。5 2 边坡稳定影响因素和分析方法一6 2 1 边坡稳定影响因素。6 2 1 1 边坡的种类6 2 1 2 边坡的破坏形式7 2 1 3 边坡稳定性影响因素i 8 2 1 4 边坡稳定防治措施1 2 2 2 边坡稳定分析方法13 2 2 1 边坡稳定性定性分析方法1 3 2 2 2 边坡稳定性定量分析方法1 4 2 2 3 不确定性分析方法2 5 3 南水北调工程概况及各计算模型的确定：2 8 3 1 工程概况2 8 3 1 1 地形地貌2 8 3 1 2 地层岩性2 9 3 1 3 地质构造与地震2 9 3 1 4 水文地质条件3 l 3 1 5 渠道边坡稳定中存在的主要问题3 2 3 2 典型断面及土体参数的确定3 3 3 3 边坡稳定计算技术要求3 7 1 1 1 目录 3 4 边坡敏感分析计算工况及参数3 8 4 边坡稳定的单因素敏感性分析4 0 4 1 单因素敏感性分析4 0 4 1 1 摩擦角与安全系数的关系4 0 4 1 2 粘聚力与安全系数的关系4 2 4 1 3 重度对安全系数的影响4 4 4 1 4 坡度对安全系数的影响4 7 4 1 5 地下水对安全系数的影响4 8 4 2 多因素灰关联分析5 1 4 2 1 采用灰关联分析的出发点5 1 4 2 2 灰关联分析结果5 2 4 3 结果分析5 5 5 边坡稳定的多因素敏感性分析5 7 5 1 均匀试验设计5 7 5 2 均匀设计表5 7 5 3 灰关联分析5 9 5 4 结果分析6 3 6 结论与展望6 4 6 1 结论6 4 6 2 展望6 5 参考文献6 6 致 射6 9 釜黧嚣簇篓蔫器乏：jz ? = _ - z 孓i 叠穰i ：x 黪掣。誓- “篡：_ 7 麓：，i 。? 一? 。箩乏j 篁爱譬j “哆? ? o 篡“譬芝箩兰夕冀一? z 0 二。? 一：7 ，：， ：一 1、”“。一 一? i iiiiiiiiiiiillllflllllli1llliiillflliiii幽_ 1 绪论 1 绪论 1 1 概述 边坡是自然或人工形成的斜坡，是人类工程活动中最基本的地质环境之一， 也是工程建设中最常见的工程形式，在水利水电工程、交通工程、建筑工程、 采矿工程等领域存在着大量的边坡。由于边坡工程涉及的问题巨大，一旦出现 问题将造成灾难性的后果，带来的生命财产的损失将难以估计，因此，边坡的 稳定始终是工程学术界一个研究的热点。 边坡问题与地震、火山并列为全球性三大地质灾害，失稳破坏表现出多种 形式，滑坡、崩塌、泥石流，是构成边坡灾害的最主要形式；其它的还有滑塌、 剥落、沉陷等。边坡的破坏往往致使工程处于瘫痪状态，给人类生活、生态环 境和工程建设带来严重危害。王恭先1 9 9 8 年统计了1 9 世纪世界重大滑坡灾害 实例，如表1 1 所示【l 】。近1 0 年来，全国4 0 0 多个市、县受到边坡地质灾害的 侵害，有近万人死亡，但是5 0 以上的边坡地质灾害是由于人类工程活动造成 的【2 1 。有人预测，随着我国对西部地区的开发，西部基础设施建设的蓬勃发展， 边坡工程中普遍出现了高陡边坡稳定性及大型灾害性滑坡预测问题，每年由于 边坡灾害造成的损失也会急剧增加。 边坡作为单独的研究课题已经有百年的历史，各国许多学者专家都对边坡 的稳定机理做过深入的研究，对大量的工程经验进行总结分析，建立了各种失 稳理论和计算方法，取得了巨大的成绩，对后续工程设计和实施进行了有效的 指导。但是由于地质条件的多变性，地壳运动过程中各种物理化学因素对岩土 体的改变，造成各个地方的工程地质差异性巨大，致使原有的理论在实际应用 中具有较多限制性。正是由于工程地质环境和边坡岩体结构条件的多变性，各 种因素相互作用机理的复杂性，致使在当前的边坡工程中稳定性的处理在很大 程度上还依赖于工程技术人员的实践经验，难以去除人为影响因素。 每年由于边坡失稳造成的事故层出不穷，但是工程技术条件及理论的研究 深度无法满足工程的需要。边坡稳定敏感性分析是指定量或定性的分析影响边 坡稳定的各因素之间的关系，及其与边坡安全系数之间的关系，综合考虑各影 响因素的复杂性，模糊性和可变性的一种分析方法，以敏感度为指标，找出导 i 绪论 致边坡失稳的主导因素。通过研究边坡工程失稳的发生机制，分析边坡失稳破 坏模式，建立合理的模型进行分析，找出影响边坡工程稳定的最主要因素，这 对于提高边坡治理加固的技术、安全监测和灾害预报水平，指导工程设计和施 工都有重要的意义。 表1 1 世界重大滑坡灾害实例 2 l 绪论 1 2 国内外边坡稳定分析理论与方法研究进展 人们对边坡稳定研究最早是从滑坡现象开始的。早期的地质学家把滑坡作 为一种地貌现象加以观察和描述。随着工业革命及大规模的工程建设，扰动了 土体结构原有稳定平衡，出现大量的工程滑坡破坏，造成了巨大的损失，人们 才开始将边坡破坏作为一个工程问题给予研究。经过近百年的发展，各国工程 技术人员和专家提出了各种理论和计算方法，总结起来主要有三种：定性分析 方法、定量分析方法和不确定性分析方法。定量分析方法包括极限平衡法和数 值分析方法。 边坡研究的基础理论是建立在土力学和岩石力学之上的，所以土力学和岩 石力学的成就与发展决定了对边坡理论的完善程度。极限平衡法是提出最早l l j ， 也是目前工程界应用最广泛的一种方法。1 7 7 6 年，法国工程师库伦提出的挡土 墙的计算方法，这是土力学的雏形，随后，朗肯1 8 5 7 年建立了主动土压力和被 动土压力的计算方法，该方法后来被推广到地基承载力和边坡分析中，即后来 的极限平衡方法。极限平衡方法以摩尔库伦土体强度理论为基础，考察滑坡体 在滑动瞬间的平衡，通过将滑坡体进行受力平衡来求得解。但是往往无法得到 静定解，需借助于各种假设条件进行简化。1 9 2 7 年，瑞典学者f e l l e n i u s 对边坡 的进行稳定性分析，假定滑动面为圆弧面，对滑动面进行条分，不考虑土条之 间的作用力。建立整体力矩平衡方程，求出边坡稳定计算安全系数。这是条分 法中最早最简单的分析方法。此后j a n b u 提出了普遍条分法的计算方法，1 9 5 5 年b i s h o p 对圆弧法作出了改进，明确提出安全系数的定义，即滑动面上外力在 切线方向的合力与剪应力的比值。此后很多专家对边坡对非圆弧性滑裂面进行 了研究，j a n b u 法、s a r m a 法，s p e n c e r 法、m o r g e n s t e r n - p r i c e 法等进行了严格条 分法，取得了巨大的成就。 随着计算机技术的蓬勃发展和现代数学工具的成功运用，出现了数值模拟 方法，如有限元法，边界元法，离散元法，拉格朗日法等，这些方法主要侧重 于滑坡体内部的土体应力应变关系，分析其失稳破坏形态。近些年来数值分析 方法由平面二维方法向三维方向发展，使分析结果更接近于实际。 另外不确定分析方法也随着概率论和数理统计方法的发展运用到边坡分析 中，将边坡结构的土体参数，几何尺寸，外部荷载等视为随即变量，进行综合 分析。模糊方法、灰色系统理论、遗传算法、神经网络方法甚至复合方法等迅 速发展，对边坡研究方法开辟了新的途径，但是由于新方法的研究刚刚起步， 1 绪论 在工程中的应用处于起步状态，有待于进一步理论完善和技术推广。 我国在边坡失稳分析方面起步较晚，源于6 0 年代，但是发展迅速。7 0 年代 潘家铮【3 】提出了滑坡极限分析方法，即极大值和极小值两条基本原理；1 9 7 8 年 张天宝【4 】运用数值分析方法全面介绍了滑坡的变化规律；孙君实【5 】采用复形法对 任意形状的滑裂面确定最小安全系数。陈祖剧6 】对各种传统方法进行了精度和适 用范围进行了评述。郑颖人【7 】教授提出了强度折减有限元法，将土体强度和摩擦 角同时除以一个安全系数，得到的新参数带入计算，最后得到最小安全系数。 祝玉学【8 】采用随机分析方法对边坡稳定进行可靠性分析。李彰吲9 】应用模糊数学 方法进行关联因素分析。总之，国内研究在有数值分析和不确定分析方法研究 方面走在世界的前列。 1 3 存在问题 我国目前正在进行南水北调工程和三峡工程等大型水利工程建设，大量的 城市地下工程建设的开工，西部大开发基础工程的实施，对我国的岩土工作者 来说机遇与挑战并存，肯定会在边坡工程方面积累大量的经验，带动工程技术 的进步。但是，目前边坡研究工作也存在急需解决的问题。 l 、加强边坡稳定性试验研究，获得岩土体的各种参数值，建立与实际相符 合的试验模型。很多专家指出，由于计算参数选取不当所造成的误差远远大于 计算方法带来的误差，由于地质的多变性，获取与实际相符合的参数甚至比计 算方法的选择更重要。 2 、土体本构关系是边坡研究的基础，需要进一步加强。由于岩土体内部结 构的复杂性及地域性，使得先前建立的本构模型很难与实际工程相对应，很多 学者给出的本构关系之间差异极大。本构关系的研究远远落后于计算方法的进 展。 3 、运用新技术进行现场监测和信息反馈。目前遥感卫星技术蓬勃发展，为 监测和信息反馈建立了良好的技术平台，可以实现远距离快速统计和分析，提 高边坡灾害的预报准确性，同时也可以为稳定性计算和反演分析提供良好支持。 4 、国内学者对边坡稳定的研究多侧重于一种方法，没有综合考虑各种影响 因素之间的内在制约性。有些研究仅仅考虑单因素的影响，建立单因素的分析 方法，导致计算结果与工程实际不符合。有些研究没有考虑土体各种基本性质 4 1 绪论 的规律性，致使计算结果与实际的工程地质情况无法进行比较。 5 、国内研究多侧重于计算方法带来的误差，很少考虑数据处理分析方法对 结果的影响。 1 4 研究内容及意义 本文以南水北调中线方案芳芝段开挖渠道边坡的工程治理设计为背景，主 要针对目前工程中边坡稳定性分析和设计中的难点开展的，旨在考察土体的各 种参数对边坡稳定的影响。主要研究内容如下： 1 、查阅国内外文献，掌握边坡稳定研究领域最新研究成果及发展趋势，论 述影响边坡稳定的主要影响因素，分析各种计算方法的特点及适用范围。 2 、根据南水北调的工程勘察报告，选择合适的断面，建立模型。运用毕肖 普极限平衡法，进行圆弧滑裂面搜索，得出最小安全系数。根据土体参数的变 化，进行一系列计算，然后找出最敏感因素。 3 、运用灰关联方法进行影响因素敏感性分析，综合考虑影响边坡稳定各因 素的复杂性，多变性和模糊性，得出影响边坡最敏感因子。 4 、建立单因素分析模型，考察边坡安全系数随各影响因素的变化趋势，运 用常规敏感分析和灰关联分析两种方法考察边坡稳定敏感因子。 5 、建立多因素分析方法，设计均匀试验设计表，在计算模型、影响因素的 变化范围方面，贴近南水北调工程( 芳芝段) 工程实际，运用灰关联分析，找 出边坡稳定最敏感因素。 6 、根据极限设计思想，考察渠内无水，地下水稳定渗流和渠内无水，地下 水稳定渗流，考虑地震这两种工况对边坡稳定安全系数的影响，分别建立模型， 考察不同工况下边坡稳定的影响因素。 7 、用不同方法分析南水北调工程中影响边坡稳定的主要因素，分析其影响 机理，为南水北调工程或者其它边坡工程进行基础研究、以及为工程设计和施 工提供技术支持。 5 2 边坡稳定影响因素和分析方法 2 边坡稳定影响因素和分析方法 2 1 边坡稳定影响因素 2 1 1 边坡的种类 典型的边坡如图2 1 所示，边坡与坡顶面相交的部分称为坡肩；与坡底相 交的部分称为坡趾或坡脚；坡面与水平面的夹角称为坡面角或倾角；坡肩与坡 脚间的高差称为坡高。 7 ， 坡高 角 一j 图2 i 边坡结构示意图 边坡的种类按不同的分类指标具有多种分类。 ( 1 ) 根据构成边坡的岩土体分类 岩质边坡整个边坡由岩体组成，原生结构、次生结构对岩体的稳定起 控制作用。根据边坡的部分组成又可以分为整体状边坡、块状边坡、层状边坡、 碎裂状边坡和散体边坡等。 土质边坡整个边坡均由土体构成，有均质土、非均质土和层状土的区 别。 岩土混合边坡常常是上土下岩边坡，这是工程中最常遇到的地质。 ( 2 ) 根据边坡工程的高度划分 高边坡边坡总高度在3 0 m 以上的岩质边坡，总高度大于2 0 m 的土质边 坡。 一般边坡总高度在3 0 m 以下的岩质边坡和高度不超过2 0 m 的土质边 坡。 6 2 边坡稳定影响因素和分析方法 我国是一个多山的国家，地势西高东低，呈阶梯状分布，高边坡在施工中 及其常见。尤其是随着西部开发，基础设施的大规模建造，在交通、水利、采 矿工程中，边坡始终是工程成败的一个关键环节。在西部山区修筑水电工程， 高度在4 0 0 m 以上的自然边坡、3 0 0 m 以上的人工边坡，已经屡见不鲜。高边坡 体内的高应力和河谷的强烈卸荷作用，使高边坡的变形与稳定问题非常突出， 尤其是对于地质中具有软弱夹层的边坡，对工程的危害更大，也是工程中重点 处理的问题之一。当高边坡考虑地震的影响时，边坡工程的设计与治理更加复 杂。 2 1 2 边坡的破坏形式 边坡的破坏种类很多，如崩塌、滑坡、泥石流、倾倒、坠石等。崩塌破坏 主要发生在非常陡峭的边坡；滑坡在土质边坡和岩质边坡都容易出现；对土质 边坡破坏来说，滑移面为圆弧形或圆弧与软弱夹层的组合型，常表现为剪切破 坏，出现其它破坏形态不多。岩质边坡由于岩体结构、地应力等影响呈现出崩 塌、滑动、倾倒等多种破坏类型。1 9 7 8 年美国学者v a r n e s 曾对各种边坡的种类 和运动形式分类，如表2 1 所示【1 0 1 ，被国际上广泛采用。 表2 i 边坡运动的简要分类 7 2 边坡稳定影响冈素和分析方法 滑坡体的滑动面有多种形式，均质体结构的土质边坡多为圆弧形，如图2 2 中的a ，b 和c ；当底部有水或水饱时，其滑动形式如d g ；h l 为顺层层状破坏， 多发生在l o 。4 0 。岩质顺坡侧；m 和n 为反倾层状结构；q 为块状结构，沿结 构面滑动；r 为滑动群；0 和p 为大断层的碎裂结构。 j 丞 m ) 图2 2 坡体结构与滑动示意 2 1 3 边坡稳定性影响因素 1 ) 边坡的构造形态 边坡的稳定来于自身结构的稳定性【u 】。工程中结构面数量越多、规模越大， 对边坡的影响也越大；结构面的连续性越好、密实度越高、间距越大则边坡的 稳定性越好。边坡在变形破坏时，首先从稳定性最差的结构面开始，沿着该结 构面进行滑动，正因为如此，在稳定分析中，结构面被认为是最重要的因素之 一。由于岩土体自身的强度比结构面强度高，特别是比软弱夹层结构面强度高 出很多，边坡破坏时，滑坡最容易沿软弱地层和构造裂变带发生。结构面的存 8 年华惭譬似学 譬嘭觋 呼影 辱譬 酗叭 。舷唧彩 搿? i 鬻瓣凛纛z 鬈鬟：j ，：o ：i 7 2 麓鎏? ，写z ：j ，篙鼍拦二焉：嚣j 翟? 、，：“盘冀二x 。二。二。z 冀并：，；= i 辑“= 一x 二孑：j 篙譬g 可臻，o 二幺麓0 砭：翟o 毪篓；强雾，o 嚣孑乏孟二一嚣。嚣茹嚣 i y nj 、一。e ，j 二? 二6 ：0 ， 一“。，。 一 一一， ? 。一7 ，“，i ，| 。?。一， j + 一j 一一n，二| 。一：；v f 、一一一j ：u。”。一4 一。二? 一? 。：| ii111111r111111iii11111111111111，iil l i i i l l i ll i l l ll irlll l l i l l l l ll l l l l il l l l l - 2 边坡稳定影响冈素和分析方法 在加剧了岩土体的不均匀性、各向异性和非连续性。 2 ) 边坡工程的土体性质 土体性质严重影响边坡的稳定，边坡变形与否取决于岩体中应力的分布及 岩体强度特。边坡应力变化不超过岩体的容许强度，边坡就是稳定的，边坡应 力变化了超过岩体的容许强度，就会出现边坡变形不稳。 粘性边坡 根据粘性土成分，将其分为红土、裂隙粘土、灰色粘土、下蜀土及一般粘 土。粘土边坡滑坡面一般发生在同生面和基岩顶面，粘土一般都具有干燥时质 硬开裂，遇水膨胀变软，甚至呈现流体状，边坡的整体强度变小，不利于边坡 的稳定。粘土颗粒细小密集，各种粘土土质结构及物理性质差异很大。工程施 工中，对于粘性边坡一般进行换填处理。 黄土边坡 黄土一般棕黄色或淡黄色，多孔，含钙质结核，孔隙比一般4 0 , - , 5 0 ，粉粒 为主要成分，自然状态下含水量非常少，干燥时比较坚固，但见水后土体强度 降低很快，容易湿陷，此类边坡受雨水影响较大。黄土边坡主要产生崩塌和滑 动的变形。除此之外，黄土边坡的形成时间越久其稳定性越好，形成时间越短 其稳定性越差。黄土高原上一些黄土梁有近乎直立的黄土壁，新黄土坡坡度大 于4 5 。稳定性就很差。 砂性土边坡 由于砂性土边坡结构松散、粘度低，边坡一般高度较低，坡度较大，另外 砂性土容易渗水，遇到震动时易于液化，常对工程产生破坏性影响。 软土边坡 软土土体强度极低，流变性能显著，不利于边坡稳定。软土主要是由淤泥、 淤泥质土、泥炭以及其它抗剪强度较低的土质组成。软土对边坡稳定以及整个 工程影响很大，因此，工程设计、施工中都要认真对待，是工程勘察的重中之 重。 3 ) 地下水的影响 水对边坡岩土体的稳定性影响不仅是多方面的，而且是非常活跃的，大多 数边坡岩土体的破坏都与水有关系【1 1 13 1 。边坡工程中水的活动主要有：降雨增加， 地表径流变大，地下水位上涨等。据有关统计研究数据表明，大部分边坡滑坡 都是由于集中地水活动引起的，因此工程上也有“治坡先治水 “十滑九水 之 9 r o 鼍嚣 喜翟宅黟翠娶骚：嚣繇、二l & j2 ，乙，嚣警嗯叠羔戋守嚣：魏，j i o 端j t 霹：黧。? _ * r _ 薯o ”j 二鼍嚣二o ? 善证翟? 冀i j 二噱。览蠢o ? o ：? 五o l j ：? 最叠：k ? 囊。；：。二。誓：= 章i 强要巴+ ，：焉：二：鬻嚣；嚣 ： 冀m ，。rz 二一一l 轧rv k 土一：一_ 一 ：t 一。、，：o 一： j 。 ：j i ? ： ， 、。一2 、? 二。， ?一。? 一? ： 一，。、i 二。? ? ：? z?一， 2 边坡稳定影响因素和分析方法 说。水作为自然界最为常见的流体，常常影响岩土体的变形过程，在很多情况 下，会加速甚至诱发岩土体的变形与破坏。实验研究表明，红土的含水量增加 到3 5 时，抗剪强度会降低6 0 以上，泥岩和页岩饱水时的抗剪强度比天然含 水状态下的抗剪强度降低3 0 - 4 0 。 水对岩土体的作用分以下几个方面： 水的物理作用，包括作为润滑剂的作用、作为软化剂和泥化剂的作用、 作为结合水的强化剂作用等【n 1 3 1 。水作为大自然界最常见的流动媒介，水对岩土 的物理性质影响非常明显。水渗入土体，使粘聚力和内摩擦角发生变化，降低 土体的强度，尤其对于粘土和黄土，其作用更是明显。粘土干燥时强度还比较 大，但是遇水软化，产生流变，抵抗力迅速降低。黄土在水的作用下产生湿陷 性变形，对边坡工程的安全。 水的化学作用，包括离子交换作用、溶解作用、水化作用、溶蚀作用、 氧化还原作用、沉淀作用以及渗透变形作用【1 1 。3 1 。我们所说的水包括岩体结合水 和自由水。结合水对外既不产生静水压力，也不构成孔隙水压力，和岩土体一 起抵抗剪切变形。自由水是存在于岩土颗粒范德华力影响范围以外的水，它的 物理化学性质和普通的水相似，能给岩土体带来静水压力，使岩土体在重力作 用或外压力作用下产生位移和变形，但自由水没有抗剪强度。 水的力学效应，包括孔隙动水压力和孔隙静水压力作用。地下水位以下 的边坡由于浮力作用而减轻了有效荷载，即使是不透水的边坡在受到静水压力 的情况下也会对边坡稳定产生不利影响。地下水位上升，土体的重度增加，导 致整个滑坡体的重量也增加，同时，孔隙水压力随着含水量的增加而增加，降 低土体的整体抵抗能力，进而影响边坡失稳。 水对边坡结构的物理化学作用往往改变岩土的物质成分或结构，从而改变 其凝聚力和内摩擦角，从而改变岩土体的结构，水的力学效应通过孔隙静水压 力作用，影响岩土体的有效应力并降低其强度，通过力学效应，产生一个剪应 力降低其抗剪强度。在工程中，这三种作用往往又相互耦合，对岩土的变形过 程产生复杂影响。 4 ) 振动力的作用 振动力包括地震引起的地震力和爆破机器运转等引起的振动力。地震对边 坡稳定的影响是非常复杂的，国内外学者对此进行了深入的研究，遗憾的是至 今还没有很好的解决办法。大地震带来的巨大能量往往会引发大规模的山体滑 1 0 2 边坡稳定影响因素和分析方法 坡，给人类的生产生活造成灾害性影响。例如2 0 0 8 年5 月1 2 日中国西部四川 省汶川发生的7 2 级地震，造成许多山体崩塌滑坡，道路中断，形成堰塞湖，给 人们带来无法挽回的生命财产损失。地震对边坡岩土体的作用包括两方面：一 是地震的能量短时间内集中释放使岩土体结构和强度发生剧烈改变，二是地震 加速度在边坡内部引起附加应力作用。 地震往往在瞬间发生，因而致使工程结构的变形直接发生。岩土体在地震 时往往具有不同于长期强度的动强度，而工程中往往用长期强度来代替动强度， 致使计算出的边坡稳定系数与实际情况不符合。地震对具有液化趋势或者岩体 强度有明显降低的边坡最为不利。滑坡位移幅度不仅是由震动强度来决定的， 它与地震总加速度也有关系。另外，地震力相对于边坡的方向也是多种多样的， 而不仅仅是指向工程中一般假设的坡内。因此，地震对边坡的作用还有待于进 一步深入的研究。 除了自然界的地震，人为造成的震动尤其是大爆破也常会诱发滑坡的发生， 加剧边坡的变形。爆破动力因素对边坡稳定性影响是因为爆破振动产生惯性力 增加边坡岩土体下滑力，人为振动往往具有周期性，频繁性，导致岩体裂性扩 大或者裂纹发展，降低结构面力学强度，加速了滑体蠕变过程，导致结构体沿 抵抗力最小的滑动面滑动，导致失稳发生。 5 ) 降雨的作用 边坡失稳和降雨有着千丝万缕的联系，特别是历时长、降雨强度大的暴雨 更是易于导致边坡失稳破坏【1 4 1 5 】。雨水的作用，导致某些岩土体产生膨胀及物 理力学性质的变化( 如改变c 、9 值) ；使地下水位提高，产生动水压力，增加静 水压力造成地下渗流场的变化。在我国西南部地区，降雨频繁，多山地，雨水 引起的边坡灾害更为常见。边坡产生破坏，终究是由于坡体内土体达到了极限 承载力，从而诱发滑坡的产生。土体达到极限承载力，有两方面的原因，降雨 入渗是土体达到饱和状态，粘聚力和摩擦角下降，土体承载力减小。二是由于 雨水致使土体的重度增加，导致荷载超过土体的承载能力。 6 ) 风化作用、植被的影响 边坡的稳定性状况受到的岩土风化作用、植被的覆盖是否良好等因素影响。 风化使岩土块体的出现小裂纹或者是裂纹数量增加，岩土体的强度指标变低， 对边坡工程的外形和设计边坡坡度都有很大影响。植物根系可吸收部分地下水 有助于保持边坡的干燥，增强边坡的稳定性。但是树木向斜坡传递风的动力荷 2 边坡稳定影响冈素和分析方法 载，生长在裂隙中的树根也可能引起边坡局部崩塌。 7 ) 人类活动的影响 随着社会的发展，人类工程活动对边坡稳定性的影响越来越大，大量土木 建设工程的修建，不可避免地破坏了岩土体原有的自身稳定和整体性，人为变 化了坡体的外貌趋势、高度和坡度以及边坡上的植被条件等。工程对原有结构 的扰动越大，越容易失稳，反之则越牢固；人为开挖、填筑路堤或工程坡顶堆 载等也会在某些程度上影响工程边坡的稳定性。 2 1 4 边坡稳定防治措施 根据工程实际，以安全性，适用性，耐久性为原则，对边坡工程进行治理， 在稳定的前提下，以最经济实用的方式服务于工程建筑物【8 ，6 1 。 1 ) 排水结构。排水包括地表排水和地下排水，排水的目的是建立渗流通道， 以免产生渗透变形，将地表水截流排泄，并把滑体内地下水引出坡体，以减少滑 坡体因水理作用而失稳。在南水北调中线方案工程中，排水采用棱体和贴坡两 种方式排除地表水，对于地下水，采用排水管通过逆止阀将高地下水排入渠道， 减小由于地下水位过高对衬砌结构造成的项托破坏和边坡失稳。研究表明9 0 以上滑坡是由于过于集中的水活动( 地表水、地下水和大量降水) 所引起，所以 滑坡体的排水十分必要。 2 ) 减载加固措施。减载措施包括削头减载和削坡减载( 放坡) 两种。削头减 荷是将边坡上部一定范围内覆盖岩土层或岩体削掉，降低边坡的上部荷载，削 坡减载是将边坡的坡度放缓。两种减载措施的作用都是减小边坡可能发生滑动 破坏的下滑力，但有时受工程特别情况的限制。加固措施包括挡土墙，锚固法 和抗滑桩等，主要是利用岩土体的拉力作用，将滑坡推力传递到稳定地层的一种 抗滑结构设计。 3 ) 综合治理措施。治理滑坡仅采用单一的工程措施往往不够理想，或者不能 完全满足工程需要，往往需要两种或更多种方法联合使用，已达到工程治理的 目的。如清方减重与抗滑挡墙相结合、清方减重与抗滑桩相结合、抗滑桩与抗 滑挡墙相结合等。同时边坡治理中，排水设计是不可或缺的。 1 2 2 边坡稳定影响因素和分析方法 2 2 边坡稳定分析方法 边坡稳定分析首先需要对工程进行勘察，运用量测、观测、地质钻探等方 法，得到地质结构状况，摸清研究区域的基础地质情况，根据获得的地质调查 资料建立合适的模型。结合工程经验，对影响边坡稳定的可能因素进行初步的 定性评价，做出初步的稳定状况的评价。综合运用工程经验、现代的试验模拟 技术及分析方法对边坡工程地质结构选择合适的参剡1 7 】。根据分析方法对建立 的模型进行系统的分析计算，并对计算结果进行分析，判断边坡是否失稳，对 失稳边坡采取有效的措施，进行工程增强加固，建立边坡失稳监测系统及时反 馈信息。边坡稳定分析工作基本流程如图2 3 所荆埔1 9 】。 型 + 五磊一l 建立监测系统k 一边坡加固方案设计 数据信息反馈卜_ 叫数据信息反馈 选择稳定分析方法 确定计算参数 边坡稳定性计算 图2 3 边坡稳定性综合评价方法流程 目前工程中边坡工程稳定分析的计算方法很多，概括起来可以分为三大类， 即定性分析方法、定量分析方法及不确定分析评价方法。 2 2 1 边坡稳定性定性分析方法 边坡稳定工程定性分析方法一直是边坡工程分析中一种重要分析方法。主 要是依赖工程技术人员的经验，通过勘测，掌握边坡工程的地质情况，获得各 种地质参数，分析影响稳定的主要因素，预测可能发生破坏的方式，建立失稳 分析，并且根据地质的变化发展历程，给出工程边坡一个稳定状态的评价【2 0 , 2 1 】。 定性分析常用的方法有以下3 种： 1 3 +“ 一 一+ “。 ”_1+ h”，”十。”。 1一 。一 “+ “ _ ，” 2 边坡稳定影响因素和分析方法 ( 1 ) 地质类比法 工程地质类比方法，是工程通过参考对比方法拿新工程与旧工程进行比较， 考虑新旧工程的地质参数异同，地质历史发展过程，参考旧工程的方法原理及 处理方法，运用到新边坡工程中区。该方法最大的优点是能考虑各种影响因素， 世界各地的经验都可以拿来使用，快速地对变坡的稳定状况及其发展趋势作出 评价，但是该方法在使用上往往并不能随时使用，其原因是地质之间的差别， 地质发展历史过程并不完全相同，经常是差别很大，另外，很多工程经验的记 录并不是很详尽，人为主观因素也比较突出，该方法在使用推广方面受到限制 较大。 ( 2 ) 图解法 该方法主要有两种，一种是适用于土质或者风化岩的诺模图法，滑面为圆 弧面，另一种是投影图法，主要分析岩质边坡的稳定。很多专家都设计出各种 图表，方便工程技术人员设计使用，该方法非常简单，使用时只需查表即可。 该方法能反映边坡面的稳定状态，但是只能定性分析，不能综合考虑其他参数 的影响。 ( 3 ) 历史推理法 根据地壳运动规律及发展历史，地质变化规律，从边坡工程的现状推理未 来的变化，或者判断已经发生过的滑坡是否转化。 2 2 2 边坡稳定性定量分析方法 定量分析方法是以安全系数为基础，认为边坡所能承受的荷载值与所受外 力之比大于某个值为时为安全的。主要包括极限平衡法和数值分析方法。 ( 1 ) 刚体极限平衡法 刚体极限平衡法解决边坡稳定问题主要依靠通过条分法，求得问题的安全 系数f s 来表示【l o 2 2 1 。传统的安全系数f s 的定义是假定滑动面上土体的抗剪强 度 i f ，与实际产生的剪应力f 之比，即 ，s = ( 2 1 ) 采用摩尔库仑本构模型， , - - 安全系数可以定义为： f t f + ( 盯，z u ) t a n q , f 1 4 ( 2 2 ) 2 边坡稳定影响因素和分析方法 式中：c - 土体有效粘聚力； 9 一土体有效内摩擦角； 西广剪切破坏面上的法向总应力； l 卜- 土体孔隙水压力； 卜一极限平衡状态下滑动破坏面上最小的抗剪强度。 刚体极限平衡法是根据边坡上滑体分块的力学平衡原理，分析边坡在各种 破坏模式下的受力状况及滑体