（环境工程专业论文）削坡及生态恢复工程中的稳定性问题.pdf

削坡及生态恢复工程中的稳定性问题 摘要 对天然边坡进行削坡，当开挖位黄在坡面时，往往使得原来单一坡度的边坡， 在施工阶段或竣工后形成上下部不同坡度的边坡。这类削坡工程存在两方面的稳 定性问题。一方面是削坡的过程中或完成时边坡的稳定性问题，另一方面是对于 因开挖遭到破坏的生态平衡系统实施修复、重建工程时存在的客土稳定性问题。 1 削坡工程中的稳定性问题。 削坡工程中存在下列三种情况：( 1 ) 无需设置临时支护结构可开挖至设计深 度的削坡工程；( 2 ) 需要但为了降低成本不设置临时支护结构，而在开挖至设计 深度后再设置挡土结构的削坡工程：( 3 ) 采用边开挖边支护的施工方法时，在第 一步开挖完成之后、打入土钉等支护结构之前的削坡工程等。削坡工程改变了边 坡的边界条件，将导致边坡稳定性降低或者边坡破坏。对于此种稳定性问题，离 心模型试验与现场试验结果表明，这类边坡有两种破坏模式。种是滑裂面始于 坡顶，另一种是滑裂面始于坡面。利用极限分析上限法理论讨论并确定边坡发生 不同破坏模式的条件，从而给出极限开挖深度、设计开挖深度小于极限丌挖深度 时的稳定安全系数以及设计开挖深度大于极限开挖深度时的土压力，为解决天然 边坡削坡工程中的稳定性设计问题提供理论依据。 2 生态边坡工程中的稳定性问题。 所谓的生态边坡工程，是指人类在对岩土进行必要的开挖堆填后，利用植物 工程和土木工程相结合的方法，对遭到破坏的生态平衡系统进行修复、重建及对 遭到破坏的岩土的力学平衡状态进行力学加固，使生态系统和岩土的力学状态达 到新的平衡的工程。上述削坡工程破坏了原边坡的力学平衡和生态平衡，有必要 实施生态边坡工程。利用混凝土肋梁加固原边坡，并在其形成的混凝土框架中进 行植被的方法是较为常见和行之有效的生态边坡工程。混凝土框架中的客土的稳 定性关系到生态边坡工程的成败。利用室内模型试验研究了客土的破坏模式及影 响其稳定性的因素，利用极限分析上限法讨论了各种情况下客土的稳定性问题。 为混凝土肋梁的最佳尺寸设计提供依据。 关键词：削坡工程；稳定性；生态恢复；上限法；离心模型试验 i v s t a b i l i t yp r o b l e mi ns l o p ec u t t i n gw o r ka n de c o l o g y r e c o v e r yw o r k a b s t r a c t f o rt h en a t u r a ls l o p ec u t t i n gw o r k , w h e nt h ee x c a v a t i o np o s i t i o ni so nt h es l o p e s u r f a c ew i l lm a k et h eo r i g i nu n i t ys l o p et od i f f e r e n tg r a d es l o p e t h e r ea r et w oa s p e c t o fs t a b i l i t yp r o b l e mi nt h i sk i n do fc u t t i n gw o r k o n ei st h es t a b i l i t yp r o b l e mo fs l o p e d u r i n go ra f t e rc u t t i n gw o r k t h eo t h e ri ss t a b i l i t yp r o b l e mo fo u t s o i lf o rr e c o v e ro r r e - b u i l tt h ed a m a g e de c o s y s t e mb ye x c a v a t i o n 1 s t a b i l i t yp r o b l e md u r i n gc u t t i n gw o r ko fs l o p e i nt h i sk i n do fe n g i n e e r i n g ，t h ee x c a v a t i o np o s i t i o na l w a y so ns l o p es u r f a c e a f a i l u r ep l a n eo fv a r i a b l es l o p ea n g l ew i l lb ed e v e l o p e dd u r i n gt h ec o u r s eo fs l o p e c u t t i n gc o n s t r u c t i o no nan a t u r a ls l o p eo ra f t e rt h ec o n s t r u c t i o n s l o p ec u t t i n gw o r k w i l ld e f i n i t e l yc h a n g et h eb o u n d a r yc o n d i t i o n so ft h es l o p e ，w h i c hw i l ll e a dt ot h e d e c r e a s i n go fs l o p es t a b i l i t y o re v e nf a i l u r eo fs l o p e a c c o r d i n gt or e s u l t so f c e n t r i f u g em o d e lt e s t sa n di ns i t et e s t s ，t h e r ea r et w o f a i l u r ep a t t e r n so ft h i ss l o p e o n e i sf a i l u r ep l a n es t a r t sa tt o po ft h es l o p e t h eo t h e ri sf a i l u r ep l a n es t a r t sa ts u r f a c eo f t h es l o p e t h ec r i t i c a l d e p t ho f t h et w of a i l u r e p a t t e r n sw e r e c a l c u l a t e db y u p p e r - b o u n dt h e o r yi nd e t a i l t h r o u g hc o m p a r i s o no ft h et w oc r i t i c a ld e p t h i ns a m e c o n d i t i o n s ，d i s c u s sa n dd e f i n et h ec o n d i t i o n so ft h et w of a i l u r ep a t t e mo c c u r s t h e n t h ec r i t i c a ld e p t h ，s a f e t yf a c t o rw h i c hd e s i g ne x c a v a t i o nd e p t hl e s st h a nc r i t i c a ld e p t h a n ds o i lp r e s s u r ew h i c hd e s i g ne x c a v a t i o nd e p t hm o r et h a nc r i t i c a ld e p t ha r eg i v e n i t i sm e a n i n g f u lt os t a b i l i t yd e s i g no fs l o p ec u t t i n gw o r k 2 s t a b i l i t yp r o b l e mo fe c o l o g ys l o p ee n g i n e e r i n g e c o l o g ys l o p ee n g i n e e r i n gi sw h i c hr e c o v e ro rr e - b u i l tt h ed a m a g e de c o s y s t e mb y e x c a v a t i o nu s i n gv e g e t a t i o ne n g i n e e r i n ga n dc i v i le n g i n e e r i n gm e t h o dt om a k et h e e c o s y s t e mt oan e wb a l a n c e d u r i n go u t s o i lr e v e g e t a t i o ni nb a r es l o p es u r f a c eb y c u t t i n gw o r k s t u d yt h ee f f e c t so no u t - s o i lo fb o u n d a r yc o n d i t i o n sg e o - c e l l ，c o n c r e t e g i r ts t r i pa n ds oo n d i s c u s s e st h ee f f e c t so fr e t a i n i n gs t r u c t u r eo nf a i l u r em o d e lo f o u t s o i lb ym o d e lt e s tm e t h o d u s i n gl i m i tu p p e r - b o u n dm e t h o dt od e d u c et h e v r e l a t i o n s h i p b e t w e e ns a f e t yf a c t o ro fo u t - s o i la n dc o n d i t i o n s ( i n c l u d ec l e a r a n c e d i s t a n c ea n dm e t h o d ) o fr e t a i n i n gs t r u c t u r e i ti sm e a n i n g f u lt op u tf o r w a r dt o o p t i m a l l ys i z eo fg e o - c e l la n dc o n c r e t eg i r ts t r i p k e yw o r d s ：c u t t i n gw o r k ；s t a b i l i t y ；r e v e g e t a t i o n ；u p p e r - b o u n d s o l u t i o n ； c e n t r i f u g em o d e l t e s t v i 独创声明 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。掘我所知，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，也不包含未获得 ( 注；如遗直墓他盂蔓挂别主明的：奎拦互窒2 或其他教育机构的学位或证书使 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： 一一t 一 i 觇强 签字日期：渺g 年6 月占日 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，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 授权学校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。同时授权中国科学技术信息 研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公 众提供信息服务。( 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：胡绳， 导师签字： 糨f 瓮惫 签字日期：汩宕年占月膳日 签字日期：、了年6 月i i ? 日 削坡发生态恢复丁程中的稳定性问题 0 前言 经过漫长的时期形成的天然边坡本身是稳定的，但由于人类为了更多的空 间，往往要进行削坡，使得原来稳定的边坡变得不稳定或发生滑动，因此有必要 研究削坡过程中及完成时的边坡的稳定性。此外，削坡工程完成后，使得原始边 坡的坡面植被遭到破坏，并裸露于自然界中，致使边坡失去美观且更易遭到进一 步破坏。目前普遍采用工程防护与生态恢复两种方法使其恢复到自然状态，而混 凝土肋梁结合客土喷播或液压喷播的方法是较常用的种方法，但其中的客土存 在稳定性的问题，因此有必要研究其稳定性。 本文讨论削坡工程中边坡的稳定性的问题及有支挡结构的客土稳定性问题。 对于削坡工程的稳定性问题：首先进行了模拟削坡的离心模型试验及现场削坡试 验，通过两种试验总结出削坡工程中边坡的破坏模式。其次根据试验得到的边坡 破坏模式，建立边坡的许可破坏机构及速度场，利用极限分析上限法求解极限开 挖深度、土压力和安全系数的上限解。再次将试验结果与理论计算结果进行了比 较，两者具有较好的一致性。最后通过对计算结果的讨论，得到了两种破坏模式 的区分条件及相关的影响因素以及对土压力和安全系数的影响条件。对于有支挡 结构的客土稳定性问题：首先设计了有支挡结构的客土稳定性试验，通过试验得 出客土的破坏模式。其次基于该破坏模式，同样利用极限分析上限法推导出支挡 间距与客土参数之间的关系。再次将试验结果与理论计算结果进行了比较，两者 具有较好的一致性。最后通过讨论关系式中不同参数的组合，得到不同条件下的 最佳支挡间距。 限于本文作者水平，文中的纰漏与错误在所难免，恳请各位同行专家不吝赐 教，给予批评和指正。 削坡及生态恢复t 程中的稳定性问题 1 研究意义，现状及内容 1 1 研究意义 在天然边坡削坡工程中，当开挖位置在坡面时，往往使得原来单一坡度的边 坡，在施工阶段或竣工后形成如图1 1 所示的上下部不同坡度的边坡。例如，( 1 ) 无需设置临时支护结构可开挖至设计深度的边坡工程；( 2 ) 需要但为了降低成本 不设置临时支护结构，而在开挖至设计深度后再设置挡土结构的边坡工程；( 3 ) 如图1 2 所示，采用边开挖边支护的施工方法时，在第一步开挖完成之后、打 入土钉等支护结构之前的边坡工程等。均可归结为具有图1 1 所示几何形状的边 坡的稳定性问题。 开挖后坡面 ， ， c 、叩、y ， - - - - - - - i i i - - - - - i i - i ( b ) 边坡开挖后的儿何形状示意图 图1 1 边坡削坡。t ：稃 削坡工程改变了边坡的边界条件，将导致边坡稳定性降低或者边坡破坏。图 1 3 所示的某削坡工程事故即为采用上述( 2 ) 的方法引起的。为了节省工程费用， 在开挖时没有设置临时支护结构，结果导致一部分开挖边坡在设置挡土结构之前 削坡及生态恢复- t 程中的稳定性问题 发生了坍塌事故。为了避免这类削坡工程失稳事故的发生，有必要研究图1 】( b ) 所示几何形状的边坡的稳定性问题。 图1 2 边开挖边支护施工工序及其稳定性问题 开挖后设置的挡土结构 开挖后形成的坡面 开挖过程中发生坍塌 图1 3 某天然边坡削坡工程事故现场 影响这类边坡稳定性的因素，有边坡的土质条件( c 、舢) ，) 以及开挖前后 边坡的几何条件( 、a 、h 、d ) ( d - o 时开挖后形成单一坡度的边坡) ( 图1 1 ) 。 影响因素的组合决定边坡的破坏模式。t o y o s a w a 2 7 】等人的试验结果表明，这类 边坡有滑裂面始于坡顶和始于坡面的两种破坏模式( 本文分别称之为破坏模式1 及破坏模式2 ) ( 图1 - 4 ) 。但是，在什么条件下发生哪种模式的破坏以及相应的 开挖深度如何给出等问题尚未解决。 边坡的削坡工程将对原有的生态环境造成破坏，并且使开挖面直接暴露于自 然界中从而容易受到雨水等的侵蚀作用导致水土流失。对于此类问题应当采取生 态恢复的方法以使其恢复原貌，使开挖面不直接接触自然环境，阻止其受外力作 用而导致失稳。可用于生态防护的方法有许多，但近年来在国内客土喷播技术较 为普遍。杨俊杰等【8 】基于无限坡模型与直线滑动面破坏模型研究了客土的稳定 性，推导出有地震、渗流作用下客土稳定厚度的通式。通过讨论通式中的参数， 削坡支生态恢：复t 程中的稳定性问题 给出客土的稳定设计图表。但实际工程中除了符合无限坡模型的施工工艺外，还 有混凝土框梁( 图1 5 ) 与客土共同用于生态恢复的施工工艺。对于此种工艺， 应该属于有限坡的范围，这就有必要研究有支档结构的生态边坡客土的稳定性。 开挖 1 2 研究现状 ( a ) 滑裂面始于坡顶的( b ) 滑裂面始于原坡面的 破坏模式( 破坏模式1 )破坏模式( 破坏模式2 ) 图1 4 天然边坡削坡工程中的破坏模式 瓣藩 。囊垂盗叠缸t 髓赫籀鼬_ 鼬_ 黼 l 搿删m _ “曹 图1 5 混凝土肋梁+ 生态恢复工艺实例 1 2 1 边坡稳定性的研究现状 边坡稳定性分析根据其研究出发点的不同可分为以下两种：其一是对于给定 滑动面的安全系数计算方法的研究，主要研究如何快速、准确计算边坡给定滑动 面的安全系数只；其二是临界滑动面搜索方法的研究，主要研究如何确定边坡临 界滑动面( 安全系数只最小的滑动面) 。本文采用的是第一种方法，下面将就此 方法进行总结。 在土力学中，边坡给定滑动面的安全系数计算方法与另外两个分支( 土压力 和地基承载力) 同时发展起来的。1 7 7 6 年，法国工程师c o u l o m b 提出了计算挡土 4 削坡及生态恢复t 程中的稳定忡问题 墙土压力的方法，标志着土力学雏形的产生。1 8 5 7 年，r a n k i n e 在假设墙后土体 各点处于极限平衡状态的基础上，建立了计算主动和被动土压力的方法。 c o u l o m b 和r a n k i n e 在分析土压力时采用的方法后来被推广到地基承载力和边坡 稳定分析中，形成了一个体系，即极限平衡方法。 从c o u l o m b 和r a n k i n e 两种不同思路出发，极限平衡方法也逐渐形成两个独 立的分支。一是通过研究滑动面上作用力的静力平衡和确定临界滑动面技术求得 问题的解，在此基础上导出了目前广泛采用的稳定分析条分法，即通常所称的极 限平衡法( l i m i te q u i l i b r i u mm e t h o d ，l e m ) ：另一是在假定土体内处处达到极限 平衡状态的前提下，用特征线法求解应力场，在一定的简化条件下，获得问题的 闭合解，即极限分析( l i m i t a n a l y s i s ，l a ) 。 进入2 0 世纪7 0 年代后，随着计算机技术与有限单元法( f i n i t ee l e m e n t m e t h o d ，f e m ) 的发展，采用严格的应力应变分析方法分析建筑结构的变形和稳 定性己成为可能，有限单元法被逐渐应用于边坡稳定分析。 极限分析通过塑性理论的上限和下限定理，限定边坡稳定问题精确解的范 围。由于下限定理的应力场与土体内各点的受力平衡，而上限定理的位移场与所 施加的位移协调，因此极限分析是一种严格的求解方法。简单来说，在下限荷载 作用下，边坡破坏并未出现，但在真实下限破坏荷载下接近破坏；在上限荷载作 用下，边坡己经破坏或在真实上限破坏荷载下接近破坏。对于一些难以求得精确 解的问题，如边坡稳定问题，极限分析是一个很好的方法。极限分析采用理想的 屈服准则和理想的应力应变关系，如土被假定为符合关联流动法则的刚塑性材 料，因此极限分析可直接获得精确解，而不必一步一步的弹塑性分析。对于边坡 稳定问题，若给定土性参数或给定边坡尺寸，极限分析一般用临界坡高或破坏荷 载表示问题的解。 d r u c k e r 和p r a g e r 9 】率先把极限分析运用到边坡稳定问题分析，利用上限定 理计算了不同坡角的均质边坡的临界高度。对于竖直边坡，他们发现根据上限定 理求得的临界高度与极限平衡条分法的结果相等。c h e n 等进行了类似的分析， 但他们假定破坏面为通过或低于坡脚的螺旋对数曲线。d o n a l d 和c h e n 【lo 】提出了 通过变形协调和塑性力学上限定理求解土质边坡稳定性的计算方法。通过大量计 算，他们发现上限定理的结果与极限平衡条分法相当吻合。通过参数分析，他们 削坡及生态恢复t 程中的稳定性问题 还发现上限定理计算的安全系数受坡角和土的内摩擦角影响较大，而受坡顶的倾 斜度影响较小。值得注意的是，上限定理与极限平衡条分法的结果相近，并不意 味上限定理可与极限平衡条分法等价，也不表示上限定理的分析结果表征了土的 真实特性 与其它方法相比，极限分析上限法具有以下优点：( 1 ) 应用简单，只需要确 定滑动面的形状和位置( 解的精度取决于此) ；( 2 ) 满足材料的本构关系但又可 以回避工程中最不易弄清楚的本构关系( 式1 1 ) ，且同样可以获得理论上严格的 计算结果1 ；( 3 ) 所得到的解与严密解关系明确，且以解析式的形式给出。 1 2 2 生态边坡稳定性的研究现状 目前，边坡稳定分析的理论与方法主要有三种：一是极限平衡理论，主要根 据土体沿假想滑动面滑动的极限平衡条件进行分析，能够把影响边坡稳定的所有 主要因素纳入计算；二是室内模型试验，在野外勘察、地质调查的基础上，建立 滑动的地质物理模型进行数值分析；三是变形分析，通过有限元、边界元、 半解析元分析及有限元与边界元结合分析的办法进行分析。 在应用上述三种方法进行边坡稳定性分析过程中，会不可避免地涉及冗长繁 琐的计算过程。因此，许多学者利用计算机技术等有利条件，探求更为简捷、直 观的分析方法稳定分析图表。相对于其它各种计算方法，边坡稳定分析图表 具有较多优点，它使用方便，结果直观。边坡稳定分析图表种类繁多，1 9 3 7 年， t a y l o r 1 2 1 首次提出稳定分析图表，随后，b i s h o p 和m o 唱e n s t e m 【1 3 】，s p e n c e r t l 4 1 等陆 续设计出多种稳定分析计算图表。 生态边坡工程中稳定性的研究，主要有以下几个方面：( 1 ) 边坡的整体稳定 性：( 2 ) 边坡的浅层稳定性，即喷播客土的稳定性；( 3 ) 边坡生态护坡结构的稳 定性。 在边坡的整体稳定性方面，研究较多，研究方法和手段与一般的边坡稳定性 分析方法相同。胡利文等【”】，利用简化b i s h o p 条分法分析边坡深层滑动，证实 边坡处于稳定状态。张永兴等【1 6 】以修建黄花园大桥石板坡立交工程形成的石板坡 为例，通过多种方法研究了绿化荷载作用对边坡整体稳定性的影响。首先进行了 边坡支护设计验算，分析结果表明，由于绿化工程产生的附加荷载不大，对边坡 的稳定性影响甚小，引起的边坡安全系数下降最大值还不到6 ，仍能满足规范 6 削坡及生态恢复t 程中的稳定性问题 规定值，因此现有支护体系是安全的。然后采用f l a c 程序模拟了边坡岩体分别处 于自重、坡项及台阶堆载的情况，数值计算结果表明，绿化荷载对边坡的整体稳 定性影响较小，表明坡体强度能满足要求。 在边坡生态护坡结构的稳定性方面，赵华【1 7 】进行了边坡生态护坡结构( 土工 格室) 的稳定性评价。分析发现这类结构破坏的原因主要归结为以下两类：一是 开挖边坡的稳定性问题，另一方面是格构与地基土相互作用的适宜性问题，并且 格构对地基的适宜性主要取决于两者的刚度差。建议数值模拟方法是研究格构与 地基相互作用并优化格构设计的有效手段。张季如等1 1 8 】基于土工格室的破坏模 式，进行了理论分析，提出了土工格室稳定性分析的设计计算方法。并分析了边 坡坡度、锚钉间距、格室深度等对格室稳定性的影响。阳友奎l l9 】根据边坡柔性主 动加固系统的作用模式和莫尔库仑破坏准则、极限平衡原理，修正并完善了 g t c 型边坡柔性加固系统的作用原理，建立了系统的安全性验算条件和承载能力 指标的确定方法，提出了不同条件下锚杆锚固力要求的确定方法，完善了系统的 设计计算原理和方法体系。 生态边坡工程中，由于雨水冲刷、渗流、重力、地震等因素的影响，坡面 客土存在稳定性问题，并且客土的失稳中存在着滑动面近似平行于原边坡坡面的 失稳模式。 罗阳明【2 0 1 讨论了主动s n s 与植被共同作用下浅层边坡的稳定性。针对局部溜 塌的失稳状态，用如图1 - 6 所示的边坡浅层失稳计算图分析坡体浅层稳定性。坡 体沿a 、b 、c 三段发生塌滑。分别计算各段的重力，然后计算出相应的下滑力和 抗滑力。由三段总抗滑力除以总下滑力可得到边坡的安全系数。 图1 6 边坡浅层失稳计算图 7 削坡及生态恢复丁程中的稳定能问题 如果失稳客土的范围较大，并且其失稳厚度相对于坡长足够薄，则可以假定 为无限坡模型，目前国内外有关无限坡模型的研究较少，主要有： p e r r y 对高速公路边坡破坏情况的调查中，发现新建成的公路切方边坡破坏 模式一般为近似平行于坡面的直线滑动面，并且其失稳厚度在0 2m 2m 之间， 且很少超过1 5 m 。s a r s b y 2 1 1 依据该破坏模式，采用无限坡模型并采用极限平衡分 析方法推导出了稳定安全系数的计算公式( 式1 1 ) ，并对公式中部分参数进行了 讨论。 只2 蒜+ 卜差 篆 ， 徐光明等【2 2 】应用离心模型试验研究了带有与边坡走向一致的倾斜基岩面且 紧贴该基岩面存在软弱夹层的边坡的稳定性和破坏模式，发现该类边坡失稳时紧 贴岩面的软弱夹层为滑动破坏面，且表现出典型的平移滑动破坏模式。用极限平 衡分析方法求得了模型边坡的稳定安全系数，并与稳定安全系数的实测结果比 较，发现两者相当吻合，证实了按平移滑动破坏模式所作的极限平衡分析，能良 好地预测边坡平移滑动破坏情形下的稳定安全系数。 松冈元等【2 3 】依据边坡滑动破坏时滑动面与斜面几乎平行的情况，采用无限坡 模型并采用极限平衡分析方法推导出了数种情况下稳定安全系数的计算公式。首 先推导出了无渗流时无粘聚力土的稳定安全系数。然后推导出了有平行于坡面渗 流时无粘聚力土的稳定安全系数只：e 导里。最后推导出了无渗流时有粘聚力 土的稳定安全系数f ：坐+ _ j l ，如果只= 1 ，并设z = 也，则由上 t a n o f y zs l n qc o s a 式可以解得皿。不c 碉s e c 2 o t 。有平行于坡面渗流时，求得 见：旦车。 y t a n 口一7 t a n 伊 目前国内外对生态边坡坡面上的客土进行稳定性研究的比较少。国内，胡利 文和陈汉宁在生态护坡设计中提出了无限坡模型，并给出了稳定安全系数的计算 公式 削坡发生态恢复下程中的稳定性问题 。c ，+ o + c o s 2 口lq o + r ( h h 。) + ( ，一y 。，) h 。， t a n 缈 “ s i n a c o s o r lq o + y ( h h 。) + y q ；a l h 。i 其中：c r ：植被根系强度；0 ：客土粘聚力；缈：客土内摩擦角；q 。：植被荷载； 只：稳定安全系数：口：边坡坡角：7 ：客土的湿重度；：客土的饱和重度； 九：水的重度；h ：失稳土体的厚度：h 。：水位线以下失稳土体的厚度。 但在文中仅仅是理论探讨，尚未从实验上进行验证，并且公式复杂不便利用。 上述学者采用无限坡模型推导稳定安全系数的计算过程中，虽然结果不尽相 同，但分析方法和思路是类似的。他们在采用无限坡模型推导稳定安全系数的计 算中，均未考虑地震因素的影响，并且在推导出稳定安全系数的计算公式后，均 未对该公式进行进一步整理而得到有关于稳定数的可易于绘出客土稳定设计图 表的客土失稳厚度的通式。 目前，国内生态边坡工程主要有客土喷播和液压喷播两种施工方法。客土喷 播技术，也叫泥浆喷播绿化法或s f 绿化法，是日本于1 9 8 3 年开发，将土壤、种子、 肥料、稳定剂、团粒剂、连续纤维、保水剂等搅拌成混合泥浆，通过泥浆喷播机 均匀喷洒到坡面，形成适宜植物生长的生育基础的技术。液压喷播技术最早产生 于美国，是将种子、肥料、覆盖料、稳定剂等与水充分混合后，再用高压喷枪均 匀喷射到需绿化表面的以水为载体的植被建植技术。客土喷播和液压喷播的不同 之处在于混合物配比中有无土壤，液压喷播不含有土壤，而客土喷播则含有较高 组分的土壤。但是，无论是客土喷播还是液压喷播，都是采用将预先配置好的人 工混合物，均匀的喷播到边坡坡面的旌工方法。本文的目的为，在假定原边坡稳 定的前提下，讨论这种人工混合物在原边坡上的稳定性问题。为了方便起见，将 生态边坡工程中这种均匀喷播到边坡坡面上的人工混合物统称为客土。 杨俊杰等基于无限坡模型与直线滑动面破坏模型研究了客土的稳定性，推导 出有地震、渗流作用下客土稳定厚度的通式。通过讨论通式中的参数，给出客土 的稳定设计图表。王亮等【2 4 】通过平行于坡面的表面渗流情况下客土稳定性试验结 果及客土稳定性分析结果，验证了客土稳定厚度的通式的正确性并提出了浸没比 对客土稳定性的影响作用。 9 削坡及生态恢复t 程中的稳定件问题 1 3 本文的研究内容 本文首先根据削坡离心模型试验及现场试验的试验结果，利用上限法理论分 别求出两种破坏模式的极限开挖深度、当设计开挖深度小于极限开挖深度时的稳 定安全系数以及设计开挖深度大于极限开挖深度时的土压力。通过比较两种破坏 模式上限解的大小，讨论并确定边坡发生破坏模式1 和破坏模式2 的条件。从而 给出对应于一定土质条件和边坡几何条件下的极限开挖深度、稳定安全系数、土 压力，为解决天然边坡削坡工程中的稳定性设计问题提供理论依据。 其次针对混凝土肋梁+ 生态恢复工艺，并且在其中施加混凝土隔板，以增加 客土的稳定性，利用模型试验讨论其中混凝土隔板的高度、设置间隔以及隔板相 对坡面的夹角对客土稳定性的影响，基于试验得到的破坏模式，利用上限法给出 了支挡结构的合理间隔。 1 0 削坡及生态协：复t 程中的稳定件问题 2 削坡工程中的稳定性问题 2 1 模拟削坡工程离心模型试验 土工离心模型试验是利用离心力场代替重力场，通过小尺寸物理模型揭示和 分析现象的本质和机理的一种强有力的手段，可用于以下四个方面【2 5 】的研究：( 1 ) 参数研究。为设计及理论研究中涉及的参数提供可靠的数据资料；( 2 ) 验证土工 现象的发展过程。研究工程问题，比选验证优化设计方案，了解工程运行状况， 预测工程未来的运行安全与可靠性；( 3 ) 研究新现象。研究自然现象及土工构筑 物的机理，为建立解释这类复杂现象的理论提供依据；( 4 ) 验证理论分析、计算 方法与结果及数学模型。 同时，离心模型试验也有自身的局限性和误差【2 6 4 0 1 ，如：模型和原型的变形 相似性，震动现象与渗透现象同时发生时二者的时间尺度不一致，边界效应，局 部模拟，粒径效应，动态模拟等问题，此外还有离心加速度与旋转半径成正比导 致离心力大小随旋转半径分布不均匀的问题，即离心力场与重力场的不同引起的 误差问题。 2 1 1 离心模型试验存在的问题 在离心力场中，由于模型中不同高度处的离心加速度不同，所以，离心加速 度与重力加速度之比( 相似比n ) 沿模型高度是变化的。离心力场的这种不均匀 性不可避免，但可将误差降到最低。陈丛新【2 8 】认为在边坡离心模型试验中取从坡 顶至坡高的1 4 处的应力与原型一致时可以避免离心力场不均匀性导致的误差。 s c h o f i e l d 2 9 1 指出当令模型高2 3 处的应力与原型一致时，如果模型高度与转轴至 2 3 模型高处的距离之比为1 1 0 ，则模型中应力与原型中的应力误差小于2 。 饶锡保【6 】认为此时模型中应力与原型中的应力误差达到最小。 另一方面，试验在模型地基中的影响深度是有限的，应在此范围( 本文称为 最大影响深度办一) 内考虑模型中应力与原型中应力的误差问题。因此，使模型 中应力与原型中应力的误差达到最小的条件，应该是令最大影响深度2 3 处而不 应是模型高2 3 处的应力与原型一致。模型高度考虑了边界效应，其值应大于最 大影响深度。采用最大影响深度还是模型高度直接关系到相似比的大小，进而影 响到对问题阐述的准确性。虽然当模型高度与离心机半径之比大于1 0 时，模型 中的铅直应力与原形中的应力之间的误差( 小于2 ) 小到在工程实践中可以忽 削坡发生态恢复t 程中的稳定件问题 略，但在用离心模型试验对现场状态还原或者用一系列试验对同一原形进行模拟 时，因模型尺寸各不相同，导致各个试验的最大影响深度不同，但是往往模型地 基的高度相同。因此，根掘模型高度确定离心加速度的取值可能导致较大的误差。 一般情况下，最大影响深度可根据试验结果，如滑动面、变形等，在试验结 束后推测。而相似比则往往在试验开始前根据模型高度确定。以下主要讨论最大 影响深度与模型高度的不同对离心加速度及相似比影响的程度，并且提出对试验 前初步确定的相似比进行修正的方法。 ( 1 ) 离心力场的不均匀性 离心力场与重力场不同，其具有( 1 ) 离心力的方向始终背向旋转中心沿径向 向外，且离心力等势线在模型中是一簇同心圆弧；( 2 ) 在离心场中的质点同时受 到径向的离心加速度和重力加速度的作用：( 3 ) 离心力的大小随着质点与离心机 转轴的距离( 旋转半径) 的不同而不同，即离心力场的不均匀性；等特点。 关于特点( 1 ) ，可通过加大旋转半径与模型高度的比值来减小由此带来的误 兰1 4 1 1 z l o 关于特点( 2 ) ，如图1 1 所示，离心场中任意质点的加速度等于离心加速度 口m 与重力加速度g 的矢量和。 当离心机以角速度旋转时，旋转半径尺处的质点m 的离心加速度为 口。= 2 r ，则合加速度口的数值为： ( 11 、 模型框 图2 - 1 离心模型试验原理示意图 口：x 一a , 2 + 9 2 ：而 ) 一般情况，( 0 2 r 远大于g ( 设为常数) ， 可以近似用下式表达： a c o2 r 则相似比定义为， 式( 2 1 ) 表示的合加速度a 的数值 ( 2 - 2 ) 削坡肢生态恢复t 程中的稳定性问题 口2 r 门：5 5 gg ( 2 3 ) 关于特点( 3 ) ，由式( 2 2 ) 可知，离，t 5 力场中的加速度随旋转半径r 的增大 而增大。 如图2 所示，在均匀的应力场馏中，相似比n 是常数，模型中的应力随深 度z 线性增加： o r = y z = p n g z( 2 - 4 ) 式中：) ，为土的重度：p 为土的密度。 另一方面，在离心力场刀召中，相似比，2 ：是变量( 式( 2 - 3 ) ) ，模型中的应力 随深度z 非线性增加： 6 ( 一p n ：g z = p a z = p 2 r z ( 2 - 5 ) 当模型的高度为日时，模型项面的加速度为0 3 2 ( ，一h ) ，根掘式( 2 5 ) 可知 其应力为o ；底面的加速度为2 ，其应力为p 2 川，两者加速度相差c o ：h ，应 力相差p 2 r h ，对应的相似比相差2 h g ( 图2 2 ) 。因此，无论保持模型底面的 应力与原型一致还是保持顶面的应力与原型一致，均可能存在较大的误差。 s c h o f i e l d 2 9 1 指出若令模型高2 3 处的应力与原型一致，即式( 2 3 ) 中的 r = r 1 + 2 3 h( 2 - 6 ) 时，当模型高度日为离心机的旋转半径r ( 到2 3 h ) 的1 1 0 时，模型中应力与 原型中的应力误差小于士2 。式( 2 6 ) 中的尺1 为转轴至模型顶面的距离。此时 顶面至2 3 h 内模型中应力小于原型应力，而2 3 h 至何内模型中应力大于原型 应力。栅t 3 0 l 认为取尺= r 1 + 2 3 h 时模型中顶面至2 3 h 处及2 3 h 至底面的 应力误差达到最小，误差均为0 5 ( 3 r h 一1 ) 。 削坡及生态畅：复t 程中的稳定件问题 ， 尺l j 一 r 走 n n 一一 - h - h 一，一一 一，t z ：见 图2 2 均匀应力场与离心力场( 基于s c h o f i e l d ) 另一方面，如图2 3 所示，离心力场中的开挖【4 2 】、边坡、挡土墙、地基f 3 7 】 等稳定性试验中，试验在模型地基中的影响深度是有限的，设最大影响深度为 h m 戕。由于模型高度日考虑了边界效应，所以其值应大于最大影响深度戕。虽 然在h m 戕至h 内的模型地基对试验结果产生影响，但对离一f l , 力l ：l 速度的取值不产 生影响，应在最大影响深度h m “内考虑模型中应力与原型中应力的误差及加速度 的取值问题。因此，使模型中应力与原型中应力的误差达到最小的条件，应该是 令最大影响深度2 3 处而不应是模型高2 3 处的应力与原型一致。即，用最大影 响深度h m 锻取代式( 2 6 ) 中的模型高度日： r = 墨+ 2 3 h , m( 2 7 ) 将式( 7 ) 中月代入式( 2 ) 计算离心加速度a ，进而利用式( 3 ) 计算相似 比玎：。采用最大影响深度还是模型高度直接关系到相似比的大小，影响到对问题 阐述的准确性。一般情况下，最大影响深度可根据试验结果( 如滑动面、变形等) 在试验结束后推测。而相似比则往往在试验开始前根据模型高度确定。 ( a ) 开挖试验( b ) 边坡稳定性试验 1 4 削坡及生态恢复丁程中的稳定忡问题 ( c ) 挡土墙试验( d ) 地基承载力试验 图2 3 常见离心模型试验的最大影响深度 以下主要讨论最大影响深度与模型高度的不同对离一t ) ! j l l 速度，相似比及模型 中应力的影响程度，并且提出对试验前初步确定的相似比进行修正的方法。 ( 2 ) 离心加速度误差讨论 将式( 2 6 ) 代入式( 2 2 ) 和式( 2 3 ) 可分别得到取模型高度h 时对应的 离心加速度口h 和相似比l z h 如下： 口，= 2 ( 冗1 + 詈日) ( 2 - 8 ) 2 ( 犬l + 专日) 刀州= l ( 2 - 9 ) 同样，将式( 2 7 ) 代入式( 2 2 ) 和式( 2 3 ) 可分别得到与最大影响深度 办，懈对应的离心加速度c l h 和相似比，2 2 1 1 如下： = 2 ( 墨+ 詈) ( 2 1 0 ) 2 ( 蜀+ 孝k ) = 一 ( 2 1 1 ) 在此，为了讨论取2 3 模型高度与2 3 最大影响深度时的离心加速度取值的 相差程度，将采用模型高度日时的离心加速度及相似比的误差分别定义为式 ( 2 8 ) 与式( 2 1 0 ) 、式( 2 9 ) 与式( 2 1 1 ) 之间的相对误差，并将r ，= 厂一日代 入、整理，可得： 1 k k = k 2 军i h 五m o 2 。1 2 2 、h。h 式中：如为离心加速度的相对误差；e m 为相似比的相对误差：，为转轴至模 型底篓譬足亨：17娄芸菱喜曩口竺乏耄薹嚣嚣相对误差与，日和 黑兰雩黧篙黑篡篙磊篡淼三 ! a = ，竺。篓徽淼篡黧裴翟茹淼豢豢 罢之模苎：孚竺：鸳d 瀑：篡纂盈主妻j 雾_ 篡篡筹磊- 主吴 黧兰：脚慧篡篇篇鬟纛= 磊赫- 8 , 影响深度办一与模型高度h 越接近，相对误差越小。仕n m 丛删刈。叫州刀“。 蛹竺篇墨鬻删黼蝴蚍砌果二 轼。竺尉鳓相似比玎嚣淼篡豪lin 者相差较大，, n t n 式( 2 - 1 3 ) 对试验前初步饭疋h 。寸目以乩以2 h 也肜1 一 甩曲。e u r 。+ 1 5 ，1 3 一h - 一l 2 46 s ，。一2 1 41 6 1 8 2 0 棚 ( 2 - 1 3 ) 口音而答嚣茎黑寰髫蓦榔删与模蛎 另一方面，将式( 2 6 ) 和式( 2 7 ) 分别代八瓦。2 ) | 寸刘川川。引5 一一 度h 及最大影响深度知m 戤对应的模型中的应力如下： 一：2 2 日f 冠+ 2 - i - 1 ( 2 - 1 4 ) h = 肿2 1 日i 墨+ 3 j 毕 盯一号kh 弘2 ) q 1 5 同样，将采用模型高度日时的应力的误差定义为式( 2 1 4 ) 与式( 2 - 1 5 ) 乙 间的相对误差，并将墨：r 一日代入、整理后可得应力的误差为： 1 6 签秘账争。 削坡及生态恢复t 程中的稳定件问题 e r o = ，1 飘再h3 翻1 k f 三一1 + 呈k1 h h 3h ) x 1 0 0 ( 2 - 1 6 ) 如果使误差厶。小于5 ，则棚与h m 扣, h 之间应满足下式： ( 2 - 1 7 ) 根据( 2 1 6 ) 式可得应力的相对误差与棚和h m 戤h 之间的关系( 图2 5 ) 。 由图2 5 可以看出，棚越小相对误差越大，反之，随着棚的增大相对误差逐 渐减小，当，僧超过某一值( 向m 戤日越小此值越大) 时，相对误差趋于稳定。h m 酞 与日越接近，相对误差越小。但是，在j l z m 双h = o 9 即最大影响深度与模型高度 很接近时，仍然有高达1 0 i _ 左右的应力误差。 l 零 翼6 0 f 皿 点4 0 参 ：拍r 一_ r 、q ：2 f 0l l 。j l - j 1 - 1 - - 。一1 24681 01 2 1 4 1 61 8 2 0 r h 图2 - 5 应力相对误差 表2 1 是一系列条形基础地基承载力离心模型试验条件【3 9 1 。试验中模型基础 宽度b 肼为1 - 5 c m ，但是地基厚度( 模型高度) 是根据最大模型基础宽度5 c m 确 定的，均为4 4 c m 。基于地基中水平附加应力以的分布规律( 最大影响深度