（岩土工程专业论文）考虑强度参数时间和深度效应边坡稳定性分析.pdf

考虑强度参数深度丁时间效应的边坡稳定十牛分析 摘要 边坡稳定性分析是涉及到水电、交通、工业与民用建筑、采矿等诸多领域的重要 课题。传统的边坡安全度评价多采用基于极限平衡理论的中值安全系数法，分析中假定 同一土层的力学强度参数是一定值，并没有考虑其随时间和空间的变化对边坡稳定性产 生的影响，这种计算模式的简化，可能造成计算结果与实际相差较大。基于此，本文考 虑岩土力学强度参数( 如粘聚力c 、摩擦角妒，抗剪强度7 等) 随时间和深度逐渐变化， 用极限平衡理论来计算边坡安全系数，同时引入随机搜索算法来搜索边坡的最危险滑动 面及相应最小安全系数，通过对风化软岩边坡、软土地基上加筋与不加筋路堤边坡进行 分析建模与探讨，取得了如下主要研究成果和结论： ( 1 ) 基于长沙某风化软岩残积土滑坡工程的详细勘察资料，回归分析了各层土强度 参数随深度的变化关系，并根据国内外文献资料建立了强度参数的时间效应模型。在此 基础上，建立了考虑强度参数时间和深度效应的边坡稳定性分析模型，编写了相应的计 算程序。结果表明，考虑与不考虑强度参数时间和深度效应，边坡临界滑动面位簧及其 相应的安全系数相差较大，考虑强度参数时间深度效应的计算方法更能反应边坡的真实 情况。 ( 2 ) 考虑抗剪强度和固结度深度效应，建立了软土地基路堤边坡稳定性分析模型， 并编写了相应的计算程序。计算结果表明，随着加荷的进行，考虑与不考虑强度参数的 时间与深度效应，或者固结度的深度效应，无论是路堤边坡的最小安全系数值还是其相 应临界滑动面均有较大差异。 ( 3 ) 考虑加筋体水平摩阻力引起的地基附加应力，以及强度参数深度效应和固结度 深度效应的影响，建立了考虑加筋作用和参数深度效应的软土地基上加筋路堤稳定性分 析模型，编写了相应的计算程序。计算结果表明，强度参数深度效应，固结度深度效应， 加筋力的作用对稳定性分析结果影响很大。 关键词：边坡；稳定性分析；强度参数；深度效应；时间效应；风化软岩；软土地基； 加筋路 i l 硕十学位论文 a b s t r a c t s l o p es t a b i l i t ya n a l y s i si sa ni m p o r t a n tt o p i ct h a ti n v o l v e sh y d r o p o w e r ，t r a n s p o r t ， i n d u s t r i a la n dc i v i lc o n s t r u c t i o n s ，m i n i n ga n do t h e rf i e l d s t r a d i t i o n a ls l o p es a f e t y e v a l u a t i o n sm o d e l sb a s e do nl i m i te q u i l i b r i u mt h e o r yu s u a l l yd on o tc o n s i d e r i n gt i m e a n ds p a c ee f f e c t so f s t r e n g t hp a r a m e t e r s i ta s s u m e dt h a tt h em e c h a n i c a ls t r e n g t ho f t h e s a m es o i lh o r i z o ni sac e r t a i nv a l u e t h es i m p l i f i c a t i o no ft h ec a l c u l a t i o nm o d e lm a y b em a k et h ec a l c u l a t i o nr e s u l t sm u c hd i f f e rf r o mt h et r u t h f o rt h i sc a u s e ，t h ea r t i c l e c o n s i d e r i n gt h em e c h a n i c a ls t r e n g t hp a r a m e t e r s ( s u c ha st h ec o h e s i o nc ，f r i c t i o na n g l e 妒，s h e a rs t r e n g t hz ，e t c ) g r a d u a l l yc h a n g eo v e rt i m ea n dd e p t h ，a n dm a k eu s eo ft h e l i m i te q u i l i b r i u mt h e o r yt oc a l c u l a t et h es l o p es a f e t yf a c t o r ，a tt h es a m et i m e ，i n t r o d u c e t h er a n d o ms e a r c ha l g o r i t h mt os e a r c hf o rt h em o s td a n g e r o u ss l i d i n gs u r f a c ea n dt h e c o r r e s p o n d i n gm i n i m u ms a f e t yf a c t o ro fs l o p e w i t hm o d e so ft h ew e a t h e r e ds o f tr o c k s l o p e ，t h er e i n f o r c e da n dn o n r e i n f o r c e de m b a n k m e n to ns o f t s o i lf o u n d a t i o nw e r e e s t a b l i s h e da n dd i s c u s s e d ，t h ea r t i c l ea c h i e v e dt h ef o l l o w i n gm a j o rr e s e a r c hr e s u l t sa n d c o 玎c l u s i o n s ( 1 ) r e g r e s s i o na n a l y s i so ft h ed e p t he f f e c to fs t r e n g t ho fe a c hl a y e rs o i lw a s s t u d i e db a s e do nt h ei n v e s t i g a t i o nd a t ao fw e a t h e r e ds o f tr o c ka n dr e s i d u a ls o i ls l o p e s i nc h a n g s h a t i m ee f f e c tm o d e lo fs t r e n g t hp a r a m e t e rw a se s t a b l i s h e da c c o r d i n gt ot h e d o m e s t i cl i t e r a t u r ed a t a o nt h a t b a s i s ，s l o p es t a b i l i t ya n a l y z i n gm o d e lw h i c h c o n s i d e r i n gt i m ea n dd e p t he f f e c to fs t r e n g t hp a r a m e t e r si sc o n d u c t e d ，a n dt h er e l e v a n t c a l c u l a t i o np r o g r a mi sc o m p i l e d i th a sg r e a td i f f e r e n c eb e t w e e nt h er e s u l t sw h e t h e r c o n s i d e rt h et i m ea n dd e p t he f f e c to fs t r e n g t hp a r a m e t e r so rn o t i tw i l lb em o r e c o r r e s p o n dt ot h et r u es i t u a t i o nw h e nc o n s i d e r e d ( 2 ) c o n s i d e r i n gt h ed e p t he f f e c to ft h es h e a rs t r e n g t ha n dc o n s o l i d a t i o nd e g r e e ， t h es t a b i l i t ya n a l y s i sm o d e lo fe m b a n k m e n ts l o p eo ns o f ts o i lf o u n d a t i o ni se s t a b l i s h e d a n dt h er e l e v a n tc a l c u l a t i o np r o g r a mw a sc o m p i l e d t h ec a l c u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a ti t h a sg r e a td i f f e r e n c eb e t w e e nt h em i n i m u ms a f e t yf a c t o ra n dt h ec o r r e s p o n d i n gc r i t i c a l s l i d i n gs u r f a c eo fe m b a n k m e n ts l o p ew i t hl o a d i n g ，w h e t h e rc o n s i d e rt h et i m ea n dd e p t h e f f e c to fs t r e n g t hp a r a m e t e ro rt h ed e p t he f f e c to fc o n s o l i d a t i o nd e g r e eo rn o t ( 3 ) c o n s i d e r i n gt h e i n f l u e n c eo fa d d i t i o n a ls t r e s sc a u s e db yl e v e lf r i c t i o n r e s i s t a n c eo fr e i n f o r c e de m b a n k m e n t ，d e p t he f f e c to fs t r e n g t hp a r a m e t e r s ，a n dd e p t h e f f e c to fc o n s o l i d a t i o nd e g r e e ，t h es t a b i l i t ya n a l y s i sm o d e lo fr e i n f o r c e de m b a n k m e n t i i i 考虑强度参数深度与时间效应的边坡稳定性分析 b a s e do ns o f ts o i lf o u n d a t i o ni se s t a b l i s h e da n dt h er e l e v a n tc a l c u l a t i o np r o g r a mi s c o m p i l e d r e s u l t ss h o wt h a ti th a sg r e a ti n f l u e n c eo nt h es t a b i l i t ya n a l y s i sr e s u l t sw h e n c o n s i d e r i n gt h ed e p t he f f e c to fs t r e n g t hp a r a m e t e r s ，d e p t he f f e c to fc o n s o l i d a t i o n d e g r e e ，a n dt h ef o r c ec a u s e db yr e i n f o r c e k e yw o r d s ：s l o p e ；s t a b i l i t ya n a l y s i s ；s t r e n g t hp a r a m e t e r ；d e p t he f f e c t ；t i m ee f f e c t ； w e a t h e r e ds o f tr o c k ；s o f ts o i lf o u n d a t i o n ；r e i n f o r c e de m b a n k m e n t i v 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。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 法律后果由本人承担。 作者签名：森蝴 日期：矽7 年6 月历日 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，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。本人授权湖南大学可以将本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 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 作者签名： 导师签名： 森魍冬 日期：砷年 日眇7 年 5 月巧日 矿月厂日 硕+ 学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 边坡可分为自然边坡( 山坡、海岸、河湖岸等) 、人工边坡( 路堑、矿坑、人 工开挖基坑等) 。边坡是岩石圈的天然地质和工程地质的作用范围内具有露天侧向 临空面的地质体，是广泛分布于地表的一种地貌形态【l j 。边坡稳定性研究已有一 百多年的历史，特别是近几十年来，随着环境保护与减轻自然灾害十年活动在我 国的开展，边坡稳定性评价与滑坡预测已经成为具有特色的工程地质课题之一。 我国正处在经济建设的高速发展时期，滑坡给水利、铁路、矿山建设带来巨大的 损失，如19 8 9 年1 月10 日在中国云南漫湾水电站大坝坝肩开挖过程中发生的滑 坡，不仅耗资过亿元进行了治理，而且使这个15 0 万k w 的水电站推迟发电近一 年，给云南省经济建设的整体安排带来了困难；又如1 9 6 3 年9 月2 日发生的世界 著名的意大利v a i o n t 大滑坡【2 3 】，其滑动量达3 亿立方米，造成了这个小城镇的 毁灭，致使百人死亡，可以说滑坡是一种重要的地质灾害，对人类的生命财产带 来了重大危胁，因此，一直以来，人们对滑坡的变形过程、失稳形式、失稳机制、 稳定性评价方法及滑坡预测预报等作了广泛而深入的研究，滑坡稳定性分析的重 要性不言而寓。 现行的边坡稳定性分析方法，首先是确实可靠的地质模型、有效的数值计算 方法，其次再确实正确合理的计算参数。正确合理的计算参数是边坡稳定性分析 的一个重要环节。参数值的大小直接影响到建筑物尽寸，当然也就涉及到工程造 价。但目前稳定性分析方法中，对于参数的选取存在一定的弊端，一般都假定同 一土层的力学强度参数是一定值，并没有考虑其随时间和空间的变化对边坡稳定 性产生的影响，这种计算模型的简化，可能使计算结果与工程实际有一定差距， 不能正确指导工程实际。 1 2 边坡稳定性方法国内外研究现状 1 2 1 边坡稳定性分析方法 边坡稳定性分析理论在国内外的发展经历了一个很长的历史时期，国内外不 少专家学者对其进行过研究，稳定性分析方法很多，简要归纳如：定性分析方法， 定量分析方法，不确定分析方法，确定性和不确定性方法的结合，物理模拟方法 竺【l ，4 6 】 口0 考虑强度参数时间和深度效应的边坡稳定忡分析 1 2 1 1 定性分析方法 定性分析方法主要分析影响边坡稳定性的主要因素、变形破坏的可能方式、 失稳的力学机制及工程的综合功能等，对边坡的成因和演化历史进行分析，以评 价边坡稳定状况及其可能的发展趋势。该方法的优点是综合考虑影响边坡稳定性 的因素，快速地对边坡的稳定性作出评价和预测。定性分析常用的方法有以下几 种：工程地质类比法、地质分析法( 历史成因分析法) 、图解法【7 1 、边坡稳定专家 系统。 1 2 1 2 定量分析方法 定量分析方法实质是一种半定量的方法，评价结果虽然表现为确实的数值， 但最终判定仍然需要人为的判断。目前，基本上所有定量的计算方法都是基于定 性分析上。主要有：极限平衡法，数值分析法等。 1 2 1 3 不确定分析方法 不确定分析方法主要有：系统分析方法、可靠度分析方法、灰色系统方法、 模糊数学评价。 1 2 1 4 确定性和不确定性方法的结合 确定性和不确定性方法的结合主要是概率方法与有限元法或边界元的结合而 形成的随机有限元法或随机边界元法等，这种方法把材料常数变为随机变量，因 此其结果更能客观地模拟边坡岩体的变形破坏发展、力学性质及其性态的变化， 从而成为数值模拟方法发展的新途径，是边坡稳定性研究的新手段。 1 2 1 5 物理模拟方法 物理模拟方法是一种发展较早、应用广泛、形象直观的边坡稳定性分析方法。 它主要包括光弹模型、底摩擦试验、地质力学模型试验、离心模型试验等。这些 方法通常能够形象地模拟边坡岩土体中的应力大小及分布，边坡岩土体的变形破 坏机制及其发展过程、加固措施的加固效果等。 1 2 2 极限平衡分析法 现在边坡稳定性分析中比较常用的是极限平衡法，基于该原理的方法很多， 如瑞典圆弧法【5 1 、b i s h o p 法 8 1 、j a n b u 法【9 1 、s a r m a 法【10 1 、m o r g e n s t e r n p r i c e 法 1 1 1 ， s p e n c e r 法【12 1 ，不平衡推力法【1 3 1 等，并且开发了相应的计算机程序。极限平衡法 的基本原理是根据边坡破坏的边界条件，应用力学分析研究的方法，对可能发生 的滑动面，在各种荷载作用下进行理论计算和抗滑强度的力学分析。通过反复计 算和分析比较，对可能的滑动面给出稳定性系数。 硕i ? 学位论文 一般建立在极限平衡原理基础上的边坡稳定性析方法包含强度准则、静力平 衡、安全系数定义三个原则。 1 2 2 1 强度准则 现行的边坡稳定性分析方法中一般都是基于摩尔一库仑强度理论f 1 4 】： 由库仑理论知，土的抗剪强度公式： f ，= o t a n 矽( 1 1 ) f ，= c + o t a n 缈( 1 2 ) 式中f 厂一土的抗剪强度( k p a ) ； 仃一作用在剪切面上的法向就力( k p a ) ； 旷土的内摩擦角( o ) ； c 一土的粘聚力( k p a ) 。 式( 1 1 ) 和( 1 2 ) 一起称为库仑公式，是土的抗剪强度总应力法。19 2 5 年太 沙基( t e r z a g h i ) 提出了饱合土的有效应力概念，并且用试验证明了有效应力o r 7 等 于总应力仃与孔隙水压力u 2 差。因此，对于库仑公式，土的有效应力强度表达式 为： 乃= ( o - - u ) t a n 缈7 = 仃7 t a n 缈7( 1 3 ) r l = c 7 + ( o - u ) t a n 缈7 = c 7 + 仃7 t a n 以p 7( 1 4 ) 式中仃7 一作用在剪切面上的法向就力( k p a ) ； 一土的内摩擦角( o ) ； c 一土的粘聚力( k p a ) ； “一孔隙水压力( k p a ) 。 当土体中某点任一平面上的剪应力等于土的抗剪强度时，此时该点濒于破坏 的临界状态称为极限平衡状态。土体处于极限状态是，由莫尔圆与抗剪强度包线 ( 图1 1 ) 的几何关系可知粘性土极限平衡条件为： rj c _ 不、一f 毋乃 盯 图1 1 极限平衡状态时的莫尔圆与抗剪强度包线 考虑强度参数时间和深度效应的边坡稳定性分析 o - j = o 3t a n 2 ( 4 5 。+ 缈2 ) + 2 c t a n 2 ( 4 5 。+ 缈2 ) ( 1 5 ) 或 o 3 = 盯lt a n 2 ( 4 5 。一矽2 ) 一2 c t a n 2 ( 4 5 。- 面p 2 ) ( 1 6 ) 无粘性土的c = 0 ，由式( 1 5 ) 和( 1 6 ) 知，其极限平衡条件为： o 1 = o 3t a n 2 ( 4 5 。+ 伊2 )( 1 7 ) 或 o - 3 = 仃lt a n 2 ( 4 5 0 一缈2 ) ( 1 8 ) 土的抗剪强度实际取决于有效应力，所以式( 1 5 ) ( 1 8 ) 中c 、矽要用c 、 。 对于岩质边坡，近年来很多专家学者采用h o e k b r o w n 强度准则【1 5 1 进行边坡 稳定性分析研究，并取得了一定的成果，如陈昌富( 2 0 0 6 ) 等16 1 。 1 2 2 2 静力平衡条件 将滑动土体分成若干条块( 见图1 2 ) ，每个条块和整个滑动土体都要满足力 和力矩平衡条件，在静力平衡方程组中，未知数的数目超过了方程式的数目，解 决这一静不定问题的办法是对多余未知数作假定，使剩下的未知数和方程数目相 等，从而解出安全系数的值。 1 2 2 3 安全系数的定义 边坡稳定性分析中，边坡沿某一滑动面滑动的安全系数是这么定义的，土体 沿某一滑动面的抗滑力( 矩) 和滑动力( 矩) 之比值。如简化b i s h o p 法，边坡稳 定性分析图如1 2 ，b i s h o p 法忽略土条间的竖向剪切力置及置+ l 的作用，最后根 据静力平衡条件，得： 【堡! 垄型二茎12 1 塑堡鱼生竺! 垡! p 一厶一i = i c o s o l i + t a nc p ；s i n b ，s 。i 。= 一 彬s i n 口i 图1 2 边坡稳定性分析简图 硕十学位论文 由于上式中石及石+ l 是未知的，因此求解还有问题。因此毕肖普假设土条间 的竖向剪切力均略去不计，即( 五十l ) = 0 ，那么公式( 3 5 ) 可简化为： - - l1 乏：二( 彬t a n 缈i + c ，z fc o s 倪i ) b = 互堕- ( 1 1 0 ) 彬s i n o ! i j 二- 一 i = 1 其中 ，= c o s 磁+ t a n 仍s i n 嘭乓( 1 11 ) 以上是以简化b i s h o p 法为例，讲述的边坡稳定性分析模型建立的一个过程， 目前所有的分析方法中，往往都偏重于分析模型的建立，忽略了稳定性分析中的 关键问题，岩体强度参数的选择，分析中都是假定同一土层的力学强度参数是一 定值。众所周知，岩土体的物理力学参数是随其生成条件及存在环境而改变的j 即使同一土层的参数也不一样，以岩土体为例工程材料的边坡，其组成和结构构 造都存在不均匀性，例如软岩及节理岩破碎岩质边坡，在长期的物理化学作用下 ( 如风化、侵蚀等) ，边坡岩体强度由表及里逐渐增强，而且随时间增长风化等 作用的加强，边坡岩体强度也逐渐变化，表现出的工程性质差异很大，这些没有 考虑岩体强度参数随时间和深度的变化对边坡稳定性产生的影响的简化计算模 式，可能造成计算结果与实际相差较大，指导工程实践有一定的局限性。 1 2 3 可靠度分析方法 边坡工程可靠度分析方法又称边坡工程随机分析方法或概率分析【1 7 】，是近二 十年发展起来的评价边坡工程状态的新方法。 边坡的可靠度是指边坡工程在规定的使用条件和设计的服务年限内，完成其 设计功能的能力，边坡的可靠性通常用破坏概率表示尸威可靠指标表示。边坡工 程可靠度分析的主要任务就是求解某一具体边坡的破坏概率表示p 威可靠指标， 以此对边坡的状态进行评价。目前常用的方法有蒙特卡罗( m o n t e c a r l o ) 随机模 拟方法、一次二阶矩法、概率矩点估计法和随机有限元法等1 8 , 1 9 , 2 0 】。 边坡工程可靠度分析的基本原理是根据实际工程和量测到的资料情况，将边 坡工程分析中的全部或部分输入参数，如边坡几何参数、地下水、岩体性质参数、 荷载等当作随机变量，用某些合理的分布函数对它们进行描述，然后根据边坡破 坏模式等确定边坡的破坏标准，建立边坡极限状态函数。选择适当的可靠度计算 方法，计算极限状态函数小于某一可靠限值时的概率，即边坡的破坏概率，最后 根据破坏概率的计算结果对边坡进行综合评价。 一般的可靠度分析方法中认为各点的岩土性质，如峰值粘聚力、残余粘聚力、 峰值内摩接角、残余内废擦角等的均值相同，两点间的相关性只与两点间的距离 考虑强度参数时间和深度效麻的边坡稳定十牛分析 向量有关，与起点无关，即岩土性质参数构成一空间均质随机场。所以虽然可靠 度分析方法考虑了岩土体的不确定性和复杂性，也有一定的局限性，因为岩土性 质参数并不是一个空间均质随机场，它的空间变异性并不是如此简单，这样的计 算模式，也会造成计算结果与实际相差较大，指导工程实践有一定的局限性。 1 3 边坡强度参数时空效应 岩土体是一种变异性很大的工程材料，在其漫长的形成过程中，经历了许多 自然和人为因素的作用，如岩土体成因、剥离、风化，应力以及其它地质作用等 等，因而性质十分复杂，其强度参数的时间、空间变异性是一种基本事实，软土 也存在沉积时间长的土层沉积时间短的强度大，岩土性质的时空间变异总是存在 的。 关于岩土体强度参数的时间效应，国内外研究并不多，主要是因为这样的研 究需要大量的统计数据，需要大量人力物力的投入。关于岩体力学参数随时间变 化的研究，刘特洪、林天健等人【2 1 】建立了软岩长期抗剪强度与时间的关系。 岩土性质的空间变异性，美国的v a n m a r c k e 教授等在这方面开展了一些开创 性的研究工作 2 2 , 2 3 ；而1 9 6 2 年m a t h e r o n 和k r i g e 等人创立的地质统计学也是对 岩土性质空间变异性的认识和研究；1 9 8 2 年as a o k a a 、g r i v a s da 等对粘土的不 排不抗剪强度随深度的变化做了的研究【2 4 1 ；1 9 9 0 年m s o u l i e 等人就用线性地质 统计学研究了加拿魁北克詹姆斯湾某一土层不排水剪切强度的空间变异性；2 0 0 4 年f u t a i 、a l m e i d a 等人对残积土和砂土做了一批实验，研究岩土的强度参数( c ， 妒) 随深度的变化规律性；2 0 0 0 年洪昌华，龚晓南，赵良荣等也对土性空间变异 性做了相关研究【2 5 j 。 软土强度随深度增长方面，国内外的研究很多，岩土工程手册就有几个经验 公式【26 | ，一些软基处理时也会随深度进行原位十字板剪切实验，如浙江省杜湖水 库土坝砂井地基从1 9 7 0 年到1 9 8 0 年十年间连续六次原位十字板剪切试验【2 川、浙 江舟山市定海西南的老塘山港区码头地基在加固前后也做十字板剪切试验、天津 新港东空堤地基也做了十字板剪切实验【2 引，结果表明无论加固前还是加固后，十 字板剪切强度随深度都明显增长。 目前国内可靠度分析、有限元方法分析边坡稳定性分析中，考虑了强度参数 的空间变异的性质，但是他们是以空间均质随机场为前提，离反映边坡的实际状 态还有一定距离，所以我们需要进一步研究。 1 4 本文研究内容和方法 传统的边坡安全度评价多采用基于极限平衡理论的中值安全系数法，该方法 硕十学位论文 计算简便、直观，对大多数的评价结果比较令人满意。但是其分析中假定同一土 层的力学强度参数是一定值，并没有考虑其随时间和空间的变化对边坡稳定性产 生的影响，这种计算模式的简化，造成计算结果与实际相差较大，不能正确指导 工程实践。 本文主要是考虑力学强度参数( 如粘聚力c 、摩擦角矽，抗剪强度z 等) 随时 间和深度逐渐变化，用极限平衡理论来计算边坡安全系数，同时引入随机搜索算 法来搜索边坡的最危险滑动面及相应最小安全系数，并把所得结果和传统的中值 安全系数法的计算结果及实际工程进行对比。文中主要开展以下几个方面的工作： ( 1 ) 建立考虑强度参数时间和深度效应的软岩边坡稳定性分析模型，基于该 模型用简化b i s h o p 法，引入随机搜索算法，并用f o r t r a n 编制相应的程序来搜索 边坡最危险滑动面及相应的最小安全系数，并与不考虑时间效应与深度效应的简 化b i s h o p 法进行对比分析。 ( 2 ) 建立考虑强度参数时间和深度效应软土地基路堤边坡稳定性分析模型， 基于该模型用瑞典条分法，引入随机搜索算法，并用f o r t r a n 编制相应的程序 来搜索边坡最危险滑动面并计算其相应的最小安全系数，并与不考虑强度参数深 度效应与时间效应的瑞典条分法进行对比分析。 ( 3 ) 考虑加筋体水平摩阻力引起的地基附加应力，以及强度参数深度效应和 固结度深度效应的影响，建立加筋软基上的路堤稳定性分析模型，其于该模型用 瑞典条分法，引入随机搜索算法，并用f o r t r a n 编制相应的程序来搜索边坡最 危险滑动面并计算其相应的最小安全系数，并与不考虑强度参数的深度效应与时 间效应的瑞典条分法、荷兰法进行对比分析。 考虑强度参数时问和深度效应的边坡稳定性分析 第2 章考虑强度参数时间与深度效应风化软岩质边坡 2 1 概述 稳定性分析 2 1 1 软岩概念 软岩一般指强度低、孔隙度大、胶结程度差、受构造面切割及风化影响显著 或含有大量膨胀性粘土矿物的松、散、软、弱岩层，该类岩石多为泥岩、页岩、 粉砂岩和泥质岩，是天然形成的复杂的地质介质 2 9 , 3 0 】。 国际岩石力学学会将软岩定义为单轴抗压强度在0 5 2 5 m p 之间的一类岩 石，其分类依据是岩石的强度指标，属于地质软岩的范畴。该定义用于工程实践 中会出现一些矛盾，如当巷道所处深度足够浅，地应力水平比较低，单轴抗压强 度小于2 5 m p a 的岩石也不会产生软岩的特征；相反，单轴抗压强度大于2 5 m p a 的岩石，当其工程部位所处的深度够深，地应力水平够高，也可产生软岩的大地 压、大变形和难支护的现象。因此，地质软岩的定义不能用于工程实践，故提出 了工程软岩的概念【3 0 】。 工程软岩是指在工程力( 工程力指作用在岩体上的力的总和，包括重力、构 造残余应力、水的作用力和工程扰动力以及膨胀应力等) 作用下产生显著塑性变 形的工程岩体。显著塑性变形是指以塑性变形为主体的变形量超过了工程设计的 允许变形值，并影响了工程的正常使用。显著塑性变形包括显著的弹塑性变、粘 弹塑性变形，连续性变形和非连续性变形等。 目前流行的软岩定义强调了软岩的松、散、软、弱低强度等的特点，那么工 程软岩的定义不仅重视软岩的强度特性，而且强调软岩所承受的工程力荷载的大 小，从工程力荷载和软岩的强度的对立统一关系中分析、把握了软岩的相对性实 质。工程软岩的定义揭示了软岩的相对性实质，即取决于工程力与岩体强度的相 互关系。当工程力一定时，同种岩体，在较低工程力的作用下，表现为硬岩的小 变形特性，在较高工程力的作用下则可能表现为软岩的大变形特性；不同岩体， 强度高于工程力水平的大多表现为硬岩的力学特性，强底低于工程力水平的则可 能表现为软岩的力学特性。 地质软岩与工程软岩的关系是，当工程荷载相对于地质软岩的强度够小时， 地质软岩不产生软岩显著塑性变形力学特征，即不作为工程软岩，只有在工程力 作用下发生了显著变形的地质软岩，才作为工程软岩；大深度、高应力作用下， 硕j j 学位论丈 部分地质硬岩也会呈现显著变形特征，应视其为工程软岩。 软岩有两个基本力学属性：软化临界深度和软化临界荷载。 软岩的蠕变试验表明，当所施加的荷载大于某荷载水平时，岩石呈现明显 的塑性变形加速现象，即产生不稳定变形；当所施加的荷载小于某一荷载水平时， 岩石处于稳定变形状态，蠕变曲线趋于某一变形值，随时间延伸而不再变化。这 一荷载称软化临界荷载，当岩石所受荷载水平低于软化临界荷载时，该岩石属于 硬岩范畴；当岩石所受的荷载水平高于岩石的软化临界荷载时，岩石表现软岩大 变形的特性，些时的岩石视为软岩。 与软化临界荷载相对应，存在着软化临界深度。软化临界深度的地应力水平 大致相当于软化临界荷载。 2 1 2 软岩分类 根据产生显著塑性变形的机理，软岩可分为4 大类：膨胀性软岩、高应力软 岩、节理化软岩和复合型软岩 3 0 , 3 1 ，见表2 1 。 表2 1 软岩分类表 而其中膨胀性软岩，根据低应力软岩的膨胀性大小可以分为强膨胀性软岩、 中膨胀性软岩、弱膨胀性软岩如表2 2 。 表2 2 膨胀性软岩分类表 高应力软岩是指在较高应力水平条件下才发生显著变形的中高强度的工程 岩体。它的工程特点是，在深度不大时，表现为硬岩的变形特征；当深度加大到 一定深度以下时，表现为软岩的变形特性。根据高应力类型的不同，高应力软岩 可分为自重高应力软岩和构造高应力软岩。自重高应力软岩的特点是与方向无关， 与深度有关；构造高应力软岩的特点是与方向有关，而与深度无关。高应力软岩 根据应力水平分为3 级：高应力软岩、超高应力软岩和极高应力软岩，详见表2 3 。 考虑强度参数时间和深度效j 节的边坡稳定性分析 表2 3 高应力软岩分类表 高应力软岩席力水平m p a 高应力软岩 超高应力软岩 极高应力软岩 2 5 - 5 0 5 0 7 5 7 5 节理化软岩，指发育了多组节理，含泥质成分少，岩块的强度高，呈现硬岩 力学特性，但工程岩体在巷道工程力的作用下则发生显著的变形，呈现软岩的特 性，其塑性变形机理在工程力作用下，结构面发生滑移的扩容变形。我国许多煤 矿的煤层巷道，节理发育很好，岩体强度软低，煤块强度很高，常发生显著变形， 特别是发生非光滑、非线性的变形。这类软岩根据节理化程度不同，分为镶嵌节 理化软岩、碎裂节理化软岩和散体节理化软岩。根据结构面间距和结构面级数可 分为3 级，较破碎软岩、破碎软岩和极破碎软岩，详见表2 4 。 表2 4 节理化软岩的分级 复合型软岩是指以上所述3 种软岩类型的组合，高应力节理化复合型软岩， 简软h j 型软岩；即高应力一膨胀性复合型软岩，间称h s 型软岩；高应力节理化 膨胀性复合型软岩，简称h j s 型软岩。 2 1 3 岩质边坡稳定性影响因素 岩质边坡稳定性影响的主要因素，有岩体应力、岩体强度、地下水、有效应 力、岩体结构、大气降水、人类活动( 如爆破、开挖及地下开采) 等2 8 , 3 2 - 3 5 】。 2 1 3 1 岩体应力 岩体应力是影响边坡稳定和破坏机理的一个重要内在因素。关于岩体中天然 地应力或初始地应力分布理论，出现较多的观点。如静水应力式的观点，垂直应 力为主的观点和水平应力为主的观点。最早且引用最多的是瑞士地质学家h e i m ( 1 9 1 2 ) 提出的假定，即地壳岩体某点的垂直地应力为其上覆岩体厚度的积分形 式。 2 1 3 2 岩体强度 岩体强度是决定边坡稳定性的重要因素。目前关于完整岩石的强度，人们已 经做了比较广泛、深入的研究，并且取得了很多成果，可以说关于完整岩石的强 度理论已经相对发展成熟，但对岩体工程而言，我们关心的是大型尺寸岩体的强 硕十学位论文 度，大型岩体由于节理、裂隙等发育，其力学机理远没有完整岩体那么简单，目 前研究还不是很深入。 对于岩体强度是低于完整岩石强度，而且一般室内岩石试件的强度高于现在 大型岩体试验和强度的几倍。对于岩体强度的评价，目前有四种方法：现场试验、 数值模拟、岩体分类、已发生破坏的反分析。但是实际上由于要考虑很多因素， 工程中要得到岩体强度还很难。 2 1 3 3 地下水与有效应力 地下水是滑坡的主要因素，滑坡排水是防治它的主要措施。地下水边坡岩体 的应力状态与地下水赋存条件及相应的水压力有关。岩体中的地下水分布取决于 以下几个方面：周围的地形；雨水和溶雪的渗透；岩体的水文地质特征；附近的 河流和湖泊；岩体开挖条件；边坡岩体中的地下水通常是随时间变化的而且岩体 开挖会导致地下水失去平衡，加速地下水渗流并产生动水压力。此外，由于地下 水的存在会导致岩体的力学参数明显降低，成为诱发岩体失稳破坏的一个重要外 在因素，由于边坡中地下水位线的实际位置和形状与边坡的渗透特性、几何形状、 岩体开挖条件和周围的补给有关，因此，位于边坡不同位置的岩体，其受到的水 压力条件不同。位于地下水位线下的岩体会受到水压力的作用，而降低其有效应 力；位于地下水位线上的岩体没有水压力的作用。有效应力减小一方面会由于作用 在潜在破坏面的法向应力降低而导致抗剪力降低，另一方面也会导致岩体的强度 降低，由于岩体中地下水的存在通常会引起水与一些矿物发生不利反应，对于岩 体中的结构面( 如断层和软弱夹层等) 有充填物时，会导致材料抗剪强度大大降 低。并且中细粒物质被渗流带走以及地下水渗流产生的淘蚀作用，也会降低岩体 的强度。 岩体的水力传导率或渗透率决定了地下水运移的能力。与颗粒材料相比，完 整岩石的渗透率相对较低。由于岩体中含有大量的结构面，其渗透率比完整岩石 明显要高。结构面的渗透性对节理的张开度非常敏感，反过来也取决于作用在节 理面上的法向压应力的大小。19 6 9 年l o u i s 研究发现，当最大主应力垂直结构面 时，结构面闭合，裂隙水渗流减小；当最大主应力平行结构面时，结构面张开， 裂隙水渗流增强。因此，边坡岩体具有渗流场与应力场祸合效应。但要定量评价 渗流场与应力场祸合很困难，尤其是要精确确定边坡岩体的地下水压力极其困难。 而且地下水压力在三维空间因各种因素的影响变化很大。19 6 9 年l o u i s 认为节理 岩体地下水的三维渗流问题理论上分析起来很困难。因此，目前常用数值分析方 法来评价地下水压力效应和地下水渗流。 2 1 3 4 岩体结构 岩体结构特征是控制岩体稳定和破坏机理的极其重要的因素之一，岩体结构 考虑强度参数时间和深度效应的边坡稳定件分析 包括结构面和结构体两个要素。结构面是指具有一定面积的连续断续延展的破裂 或隐伏破裂的地质界面( 如断层，软弱夹层等) ，是控制岩体稳定和变形破坏的重 要边界条件。结构体是指不同产状结构面组合分割的单元岩块( 如挤压剪切带或 断层等) 。边坡体内存在着众多的裂隙、软弱夹层、节理、断层等对边坡稳定不利 的部分，这些都可以用结构面来进行模拟分析。岩体中结构面的存在，增大了岩 体的变形性能，降低了岩体的整体强度，加剧了岩体的流变特性和其它时间效应 并加深了岩体的各向异性、不均匀性和非连续性等性质。大量的岩质边坡失效实 例表明，不稳定岩体往往是沿着一个或多个结构面的组合边界发生剪切滑移、错 动变形和张拉破裂等破坏，进而造成边坡岩体的失稳。结构面的厚度、密度、成 因、物质组成成分、物理力学及化学性质、走向及倾角等内在的性质都会对边坡 的稳定性能产生影响。 2 1 3 5 人类活动 在人类类工程活动中产生的软岩滑坡很多，其原因主要有：边坡设计不合理， 坡比过陡，生态植被的破坏，开挖控制不当，坡体上加载，坡脚卸荷，水的处理 不当，截排水不力，大量施工用水的渗入边坡体内，大爆破作业，边坡长期裸露 等都可能造成边坡失稳。此外治理加固措施力度不够，边坡特性未查清楚，形成 潜在不稳定边坡等等。 2 2 岩质边坡破坏形式及稳定性分析方法 岩质边坡稳定性分析主要步骤【3 6 】： ( 1 ) 初步评价来自勘探或勘测的可用的地质资料； ( 2 ) 在地质资料基础上做详细的边坡稳定性分析。 以露天矿边坡为例，边坡稳定性分析流程图见图2 1 。 滑坡是山体发生大变位或滑动破坏的地质现象，其变形破坏的方式是多样 的，岩质边坡的破坏模式主要有：平面破坏、楔体破坏、圆弧破坏、倾倒破坏 3 7 , 3 8 】。 2 2 1 平面破坏 平面破坏在岩质边坡中比较少见，因为产生平面破坏所需要的全部几何条件 在一个实际边坡中很少存在。虽然少但也存在，如贵州洪家渡水站进场公路边坡 滑动、云南支荞水库枢纽面板坝趾上游边坡滑坡、广西平班水电站国道高边坡滑 坡等都是平面破坏。 平面破坏的一般条件： 硕七学位论文 5 根据地表测绘和钻孔岩 芯记录，对临界边坡区做 详细的地质研究。 6 进行不连续面的剪切试 验，特别是当有粘土薄壳 或擦痕时。 7 为了确定地下水流的模式 和压力，监视采矿地下水位 变化，钻孔中安装水压计。 8 根据5 、6 和7 所得资料，用对圆弧形、平i 面或楔 形滑动的极限平衡法重新分析临界边坡区。检查由于 风化、倾斜或由于爆破的损害而引起的其它类型破坏 的可能性。 9 通过露天矿设计对破坏危险性人的边坡进行研究，方案有： a n 坡： b 能过排水或特殊情况下，使用锚杆或钢锚索稳定边坡； c 承担破坏的危险，并实施预报破坏的监控方案。 1 0 如果加陡所节省的费用超过设计和修 建稳定系统的费用，则采用排水或加固措 施稳定边坡。为确立岩体的排水性能，附 加的现场量测是必须的。 1 1 在小危及个人和设力备的情况下， 根据预报和适应滑动的能力，承担破 坏的危险。边坡位移量测，是最口丁靠 的预报方法。 图2 1 露天矿边坡稳定性分析 1 3 考虑强度参数时间和深度效应的边坡稳定r 丰分析 ( 1 ) 滑动面的走向必须与坡面平行或接近平行( 约在+ 2 0 0 的范围内) 。 ( 2 ) 破坏面的倾角必须大于该面的摩擦角。 ( 3 ) 破坏面必须在边坡面露出，即它的倾角必须小于坡面的倾角。 ( 4 ) 岩体存在对于滑动仅有限小阻力的解离面，它规定了滑动的侧面边界。 平面破坏又分两种情况分析，坡面上有张裂缝的边坡和破顶面上有张裂缝的 边坡，见图2 2