（岩土工程专业论文）地震作用下土石混合体边坡稳定性研究.pdf

一“j 。i 西华大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 蓄羹彩籀：产豁誓翥锡鬈。皆易 西华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，在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于西华大学，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，西 华大学可以将本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、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。( 保密的论文在解 密后遵守此规定) 篙荔警荔穆纠脊筹薯书罨夥 西华大学硕士学位论文 摘要 我国西部地区存在着许多土石混合体边坡，且西部大部分地区又处于强震区，地震 活动强、频度高，这样的环境不可避免地带来了大量和地震作用有关的土石混合体边坡 问题，随着西部大开发战略的实施，相当多的岩土工程将建在强震区，土石混合体边坡 的地震稳定性问题也显得日趋突出。 地震效应对土石混合体边坡的影响是个极其复杂的动力过程，国内对此课题的研究 尚不多见，到目前为止，边坡地震作用下稳定性分析仍采用基于极限平衡理论的拟静力 法，抗震设计方面仍停留在经验状态，严重影响了设计的可靠性、经济性和科学性。因 此对土石混合体边坡在地震作用下失稳机制以及稳定性评价方法进行深入研究，不仅能 推动地震作用下土石混合体边坡稳定性理论的发展和创新，而且能够为岩土工程建设的 决策、设计和施工提供技术支持，具有重要的理论意义和实践意义。 本文以汶川茅草坪滑坡为研究对象，在野外地质调查、资料收集和分析基础上，详 细的阐述了茅草坪边坡的工程地质特征，并由此概化出滑坡基本地质模型。在相关领域 已有的研究基础上，开展了地震作用下土石混合体边坡的稳定性研究，具体的研究内容 与取得的成果如下： ( 1 ) 分析了地震作用下土石混合体边坡稳定性的影响因素，讨论地质构造、地层岩 性、地形地貌、边坡内部结构等内因和地震荷载、人为因素等外因对边坡的稳定性影响， 从而为土石混合体边坡的设计和加固提供指导。 ( 2 ) 分析了地震作用下土石混合体边坡失稳破坏机理，主要有累积和触发效应、高 位滑坡抛射运动、碎屑流化等。 ( 3 ) 运用基于f l a c 一3 d 弹塑性理论对都汶路茅草坪边坡工点进行了天然状态下和 地震作用下的稳定性分析，分析结果显示了对土石混合体边坡地震稳定性总体态势的把 握。 关键词：地震作用；土石混合体边坡；f l a c - 3 d ；稳定性分析 _ _ 。一。一 地震作用下石混合体边坡稳定性研究 a bs t r a c t t h e r ea r em a n ym i x t u r es l o p ei nw e s t e r nc h i n a ，a n dm o s to fw e s t e r nc h i n aa r ei nt h e e a r t h q u a k ez o n e t h ee n v i r o n m e n t ，i ns e i s m i c l ys t r o n ga n dh i 曲f r e q u e n c ya c f i v i t y i n e v i t a b l y l e a d st om a n yp r o b l e m so fe a r t h q u a k e - r e l a t e dm i x t u r es l o p e w i t ht h ei m p l e m e n t a t i o no ft h e w e s t e r nd e v e l o p m e n ts t r a t e g y , as i g n i f i c a n tn u m b e ro fg e o t e c h n i c a le n g i n e e r i n g sw i l lb eb u i l t i ne a r t h q u a k ez o n em i x t u r es l o p eo ft h es e i s m i cs t a b i l i t y n l ep r o b l e ma p p e a r st ob e c o m i n g m o r ep r o m i n e n t s e i s m i ce f f e c to nt h es l o p eo fr o c ka n ds o i lb l e n d i n gi sav e r yc o m p l e xd y n a m i cp r o c e s s ， t h ed o m e s t i cr e s e a r c ho nt h i ss u b j e c ti ss t i l lf e w s of a r , s e i s m i cs l o p es t a b i l i t ya n a l y s i si ss t i l l u n d e rt h el i m i te q u i l i b r i u mt h e o r yw h i c hi sb a s e do i lq u a s i s t a t i c s e i s m i cd e s i g ne x p e r i e n c e i ss t i l la tt h es t a t e ，i th a ss e r i o u s l ya f f e c t e dt h er e l i a b i l i t yo ft h ed e s i g n ，e c o n o m i ca n d s c i e n t i f i c t h e r e f o r e ，am i x t u r eo fe a r t ha n dr o c ks l o p eu n d e rs e i s m i cs t a b i l i t ye v a l u a t i o no f f a i l u r em e c h a n i s r n t h em e t h o do fi n - d e p t hs t u d yw o u l dn o to n l yp r o m o t em i x e du n d e r e a r t h q u a k ed e b r i ss l o p es t a b i l i t yt h e o r yd e v e l o p m e n tt h ei n n o v a t i o n f o rt h eg e o t e c h n i c a l e n g i n e e r i n gc o n s t r u c t i o n ，w h i c hi si nt h ed e c i s i o n m a k i n g ，d e s i g na n dc o n s t r u c t i o nt op r o v i d e t e c h n i c a ls u p p o r t ，h a si m p o r t a n tt h e o r e t i c a la n d p r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e i nt h i sp a p e r , w e n c h u a nt u f fl a n d s l i d es t u d yi sb a s e do nt h ef i e l do fg e o l o g i c a ls u r v e y , d a t ac o l l e c t i o na n da n a l y s i s t h ep a p e re l a b o r a t e st h ed e t a i lo ft h el a w ns l o p ee n g i n e e r i n g g e o l o g i c a lc h a r a c t e r i s t i c s t h u s ，i tt a k e st h eb a s i cg e o l o g i c a lm o d e lo ft h el a n d s l i d e i nr e l a t e d f i e l d sb a s e do ne x i s t i n gr e s e a r c hc a r r i e do u tu n d e re a r t h q u a k em i x t u r es l o p es t a b i l i t ys t u d i e s ， t h es p e c i f i cc o n t e n ta n dt h er e s u l t sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) t h ep a p e ri sa n a l y s i so ft h es e i s m i cm i x t u r es l o p es t a b i l i t yf a c t o r s i ti sn o to n l y d i s c u s s e dt h eg e o l o g i c a ls t r u c t u r e ，l i t h o l o g y , t o p o g r a p h y , s l o p eo ft h ei n t e r n a ls t r u c t u r eo ft h e i n t e r n a l ，a l s od i s c u s s e d t h es e i s m i cl o a d i n g ，h u m a nf a c t o r si m p a c to fe x t e r n a lf a c t o r s i ti so n 也es l o p es t a b i l i t y , s oa st om i x t u r es l o p ed e s i g na n dr e i n f o r c e m e n tt op r o v i d eg u i d a n c e ( 2 ) t h ep a p e ri sa n a l y s i so ft h es e i s m i cm i x t u r es l o p ef a i l u r em e c h a n i s m i ti sm a i n l y a c c u m u l a t e da n dt r i g g e re f f e c t s ，h i g hp r o j e c t i l em o t i o nl a n d s l i d e ，d e b r i sf l o wa n ds oo n ( 3 ) t h ef l a c 一3 de l a s t i c - p l a s t i ct h e o r yi s b a s e do nd u w e nr o a dt u r fp o i n ts l o p e w o r k e r su n d e rn a t u r a lc o n d i t i o n s 1 1 1 ee a r t h q u a k ei so nt h es t a b i l i t ya n a l y s i sa n dt h er e s u l t s d e m o n s t r a t e dam i x t u r es l o p es e i s m i cs t a b i l i t yo ft h eo v e r a l ls i t u a t i o no fg r a s p k e yw o r d s ：e a r t h q u a k e ；s o i l - - r o c km i x t u r es l o p e ；f l a c - 3 d ；s t a b i l i t ya n a l y s i s l i 西华大学硕士学位论文 目录 摘 要i a b s t r a c t i i 1 绪论1 1 1 研究的目的和意义1 1 2 国内外研究现状和发展趋势1 1 2 1 土石混合体2 1 2 1 边坡稳定的分析方法研究5 1 3 主要研究内容7 2 土石混合体边坡失稳基本特征及稳定性影响因素研究8 2 1引言8 2 2 土石混合体边坡基本特征8 2 2 1 土石混合体边坡成因类型8 2 2 2 土石混合体边坡基本特征9 2 3 影响土石混合体边坡地震稳定性内因分析1 0 2 3 1 地层与岩性的影响1 0 2 3 2 地形地貌的影响1 0 2 3 3 地质构造和地应力的影响1 1 2 3 4边坡的内部结构的影响。1 2 2 4 影响土石混合体边坡地震稳定性外因分析1 2 2 4 1 地震荷载的影响1 2 2 4 2 地下水的影响1 3 2 4 3 降雨入渗的影响1 3 2 4 4 人为因素1 3 2 5 本章小结1 4 3 地震作用下土石混合体边坡破坏模式和破坏机理研究15 3 1引言15 3 2 土石混合体边坡地震失稳破坏模式15 3 2 1 土石混合体滑坡分类1 5 3 2 2 土石混合体边坡失稳模式1 6 3 3 土石混合体边坡地震失稳破坏机理研究1 8 1 1 1 地震作用下土石混合体边坡稳定性研究 3 3 1 累积触发滑坡机理1 9 3 - 3 2 高速远程碎屑化滑坡机理2 1 3 3 3 崩滑性滑坡机理2 4 3 4 本章小结2 4 4 地震作用下土石混合体边坡稳定性动力分析原理2 6 4 1引言2 6 4 2f l a c 3 d 动力分析方法2 6 4 2 1f l a c 3 d 基本原理2 6 4 2 2 网格尺寸的确定j 2 6 4 2 3 动荷载输入一2 7 4 2 4 阻尼设定：2 8 4 2 5 边界条件3 0 4 2 6 输入地震波的校正3 0 4 3 边坡变形破坏判据31 4 3 1剪应变与边坡稳定的关系3 2 4 3 2 位移变形大小与边坡稳定关系3 2 4 4 本章小结3 3 5 地震作用下土石混合体边坡稳定性数值模拟研究3 4 5 1引言3 4 5 2 茅草坪边坡工程地质条件3 4 5 2 1 地形地貌3 4 5 2 2 地层岩性3 4 5 2 3 地震及地质构造。3 5 5 3 边坡数值计算模型的建立3 5 5 3 1 模型的建立3 5 5 3 2 模型网格划分3 6 5 3 3 边界条件的确定3 8 5 3 4 地震荷载的确定3 9 5 4 计算结果分析- 。3 9 5 4 1 天然状态下计算结果分析3 9 5 4 2 地震荷载作用下计算结果分析4 0 5 5 本章小结6 5 结论与展望6 6 i v 西华大学硕士学位论文 参考文献。6 7 攻读硕士学位期间学术论文及科研情况- 7 0 致 谢7 1 v 西华大学硕士学位论文 1绪论 1 1研究的目的和意义 我国幅员辽阔且又是一个多山国家，地质构造极其复杂，尤其是在西部，山地较多 从而客观上决定了我国有大量的自然边坡。随着我国基础建设的快速发展以及西部大开 发战略的实施，国家将对西部地区进行重点投资与建设，大量的公路，铁路，水利、矿 山等工程的建设也会出现一些高边坡问题。同时，我国地处太平洋地震带和喜马拉雅山 一地中海地震带之间，具有强震分布广，破坏性强等特点，特别是西部地区，地震活动 强、频度高。大量的震害调查表明，地震诱发的边坡滑坡是主要的地址灾害类型之一。 在山区和丘陵地带，地震诱发的滑坡往往具有分布广、数量多、危害大的特点。 土石混合体边坡在我国有着广泛的分布。例如：香港、广东、福建等地大面积分布 的花岗岩残积土边坡；西南地区、长江三峡库区及黄河中上游都广泛分布的古滑坡、崩 积层边坡；西藏等地分布的冰渍土边坡等等n 1 。所有这些边坡工程稳定性状态对于整个 工程的成败和安全性都有着关键性的影响，并在很大程度上影响工程的投资和效益，也 会制约着整个工程的安全性、可行性以及经济性。所以研究这些边坡的稳定性问题变的 日益突出并显的非常有必要，而且对实际的生产建设具有直接的指导意义。此外，边坡 的静力稳定性分析，特别是土质边坡的分析已趋于成熟，但是土石混合体边坡的地震稳 定性分析刚刚起步，因此，土石混合体边坡的地震稳定性分析的研究显得更为迫切和重 要。 。 四川是一个多地震的省份，而且四川大部分地域属于山区，地震往往会诱发不同规 模的崩塌和滑坡。尤其是2 0 0 8 年5 月1 2 日四川发生的里氏8 o 级特大地震，诱发了大 规模的山体崩塌和滑坡，造成了人畜伤亡、房屋倒塌、堵塞交通，给山区人民生命财产 造成了严重损失。然而土石混合体边坡在四川有着广泛分布。因此，土石混合体边坡地 震稳定性问题在四川地区的研究就显得极为重要和迫切。 土石混合体物质成份即不同于般的岩体和土体，而是由作为骨料的砾石或块石与 作为填料的粘土或砂土等组成，介于土体与岩体之间的一种特殊地质体。其物质结构杂 乱无章、分选型差、粒间结合力差、透水性强。但同时也具有压实度高，抗剪强度高， 沉陷变形小、承载能力高以及可以作为良好的填筑材料等独特的工程特性。由于土石混 合体具有特殊的物理力学性质和变形机理，因而是边坡工程或其他工程中必需认真考虑 和研究的课题。 1 2 国内外研究现状和发展趋势 地震作用下土石混合体边坡稳定性研究 1 土石混合体 土石混合体是按物质组成来划分的，它与土体和岩体边坡属于同一个划分层次。对 石混合体因具有特殊的物理力学特性和变形机理，所以在工程实践中需要有一套切 行的办法来指导具体的工程实践。随着土石混合体在工程建设中频繁的出现，国内 外许多学者都对土石混合体进行了研究，并取得了卓有成效的成果，积累了一定的经验， 以下对他们的研究工作作简要的回顾： 土石混合体在工程上的应用国外较国内早，土石混合体材料早在上世纪4 0 年代美 国在修建泥山坝时就使用过，在5 0 6 0 年代取得了较快的发展，加拿大、瑞典、奥地利、 瑞士、法国、日本等国相继用宽级配砾质土修建了多座土石坝，因而国外在土石混合体 这方面的研究也较早，m a r s a l 瞳3 等在高围压2 4 4 5 m p a 下对堆石体进行了三轴剪切试验， c h a r l e s 和w a t t s 口3 指出，堆石坝高于5 0 m 正应力不能超过0 4 m p a ，l e e “1 认为在亚洲最 高的堆石坝的正应力也不会超过1 m p a 等，v e s i c 喳3 等在排水条件下做了粗砂三轴剪切试 验，结果发现其内摩擦角随着围压的增大而减小等特点，a k p a r k i n 也采用了压缩仪对 粗粒料的流变特性进行了研究，结果沉降速率和时间成对数关系。同时由于在实验室内 模拟土石混合体的形状和颗粒大小及排列方面有一定局限性，土石混合体在实际工作状 况时的各种性质不可能被完全研究清楚，因此许多学者在现场进行了一系列的大型现场 原位试验，m a r s a l 和m a r a c h i 7 1 采用较为精密的仪器对许多不同类型的堆石体进行了大 型三轴剪切试验，结果发现最大与最小主应力之比sl s 3 在低侧压下迅速增大。 国内对土石混合体也进行了大量的研究，主要研究范围集中在土石混合体集合模型 的建立和集合结构特性以及力学试验研究等，另外还有力学模型的建立和变形破坏的数 值模拟研究等。此外，也有一些学者从土石混合体的抗渗性、压实性以及水力劈裂特性 等方面进行研究。 黄广龙跚曾对散体岩土体进行了力学试验，结果表明了散体岩土体存在应力应变的 非线性关系，并表现出体应变会随着围压的增加而减少的特性。 武明嘲对土石混合体试件分别在大型和中型三轴仪上剪切仪上进行抗剪强度试验， 并对干密度、粗颗粒含量、含水量等影响抗剪强度的指标与抗剪强度的关系进行了分析 比较，指出了虽然土石混合体的风化程度、化学成分和级配组成不同，但他们的共同特 征是可以将土视为由粗、细两种颗粒组成，而且工程性质主要取决于粗细颗粒的含量。 油新华和郝建明n 0 3 通过做了原位试验，发现填存物、胶结质等土体结构在屈服后 虽基本遭到破坏，但是在土体和岩体之间又会形成了新的交错结构，土石混合体的整体 结构性尚未破坏，因此其承载力没有明显降低。此次原位试验还表明了土石混合体的破 坏特点受含石率制约，主要表现在含石率高的剪切破坏面是沿着试件底部以下某个弱面 发展延伸的，而含石率低的土石混合体剪切破坏面多数是沿着试件底部发生破坏。 2 西华大学硕士学位论文 李晓等n 2 在土石混合体几何研究特性方面也做了研究，通过对土石混合体结构特征 的统计分析，指出土石混合体是一种非均值、非线性的非连续体。其性质的变化主要受 控于土石混合体的内部结构。并模拟了块石在土石混合体中的位置，包括块石的大小、 方位、空间位置等，建立了土石混合体随机结构模型。 油新华n 在大量工程调查分析的基础上，提出了土石混合体的概念，并根据土石混 合体的结构特点探讨了土石混合体试样的非连续性、非匀质以及与之密切相关的尺寸效 应问题，提出了土石混合体的随机结构模型，利用实测模型、等效模型以及随机结构模 型对土石混合体边坡在自重应力和地下水双重作用下的稳定性进行了研究。 e l a n a r o 和p t o l p p a n e n 副对于土石混合体三维结构进行了探索，并取得了一些有 价值的研究成果。主要是应用一种全新的方法来获得砾石土中砾石的形状、尺寸和粗糙 度等方面的信息。再使用激光扫描技术对其进行扫描就可以得到其中砾石的三维图像， 最后对扫描结果利用傅立叶和几何分析方法进行分析，从而获得了砾石块体的具体参 数，这种对砾石尺度的全新分析方法、砾石的形状和拓扑参数等能够给出较为可靠的缝 果。 ， 随着计算机的应用，土石混合体的数值分析也得到了一定的发展。z q y u e 曾利用 有限单元的方法对土石混合体的数码照片模拟了经典巴西劈裂试验，将结果与真实试验 进行对比，结果发现试样拉应力的分布受土石混合体的非均质性制约，同时这一结果也 证实了有限单元方法可以很好地反映这种土石混合体的非均质性等n 1 】。 油新华博士采用有限差分法软件f l a c 3 d 对块石在土石混合体中的力学效应进行? 了详细分析研究，结果发现块石的位置、形状等对土石混合体的变形破坏有重要影响， 并利用大量随机结构模型的数值模拟，回归出了土石混合体的弹性模量和含石率的关系 i n o 李晓等也采用f l a c 3 d 程序对一个土石混合体现场原位推剪试验进行了模拟，指出 土石混合体的结构效应导致了其应变强化及弹性模量与强度的变化，同时还获得了试样 破坏过程等许多力学试验无法获取的信息n 纠。 赫建明采用颗粒离散单元法p f c 3 d 程序对比了不同含石率土石混合体的力学特性， 随着含石率的提高，试样的抗剪强度有明显提高，含石率越高，强度的提升幅度也越大， 即含石率较低( 3 0 ) 的情况下波动过程中应力值的提升不明显，提高幅度只能达到剪 切强度值的1 0 左右，基本保持水平。随着含石率的提高( 4 0 、5 0 ) ，应力一应变曲 线第一个转折点之后应力值提升幅度增大，提高幅度能够达到试样剪切强度的5 0 左右 1 0 o 李世海等提出了三维离散元块体颗粒模型描述非连续介质，用该模型模拟了土石混 3 地震作用下土石混合体边坡稳定性研究 合体单轴压缩试验、现场大剪试验，计算结果揭示了土石混合体非均匀、非连续介质新 的力学现象，还给出了三维离散元随机结构面力学模型用于研究土石混合体具有非连通 结构面的力学特性n 钉。 国内对土石混合体的研究除了在力学试验、几何结构和数值模拟等方面取得一定的 成果外，许多学者还大多集中在砾石土的压实性、抗渗性及水力劈裂特性的研究上。 陈谦应n 盯和邵光晟进行了共5 0 组的大型击实试验，研究了含石量、粗粒大小对最 大干密度的影响程度及其变化规律，结果表明：土石混合料最大干密度随含石量的变化 而变化，其规律为，随含石量的增加而直至最大值，尔后随含石量的增加而减小，最大 值处含石量为7 0 8 0 ，在相同含石量下，粗粒粒径越大，混合料的最大干密度也越大， 当混合料在最大干密度时，混合料中细粒土密度随含石量的增加而减小，且始终小于细 粒土单独击实时的最大干密度，特别是当含石量大于5 0 时，细粒土的密度急剧减少， 混合料最佳含水量随含石量的增加而减少，且与粒径大小无关，当含石量小于3 0 时， 混合料的最佳含水量和细粒土的接近。 朱建华“刀对作为大坝防渗料的砾石土进行了研究，研究表明：对于以粗料为骨架的 宽级配砾石土来说，填充其孔隙的细料含量对土的渗透稳定性具有很大影响，小于 0 1 m m 的细粒含量是砾石土渗透性的主要控制因素。而土的填筑状态( 细粒土的含水量) 也对土体的渗透性有着不可忽视的影响。这是因为粗料的渗透性基本相同，而试样中填 充孔隙的细料的渗透性受其填筑状态、含水量影响很大。当干于最优含水量时，压实土 颗粒任意排列，形成凝聚结构，颗粒呈团粒状存在，团粒之间的孔隙尺寸较大，故相应 的渗透性也较大。而当湿于最优含水量时，颗粒滑动阻力较小，击实产生的剪应变使颗 粒接近于平行定向排列，形成分散结构，其总孔隙率虽然比干于最优含水量的试样大， 但其孔隙尺寸较小，所以其渗透性也显著减小。 郭熙灵n 町等人对清江水布娅水利枢纽心墙堆石坝的页岩风化料进行了研究。由于风 化料、砾质土较之纯粘土具有更高的强度、变形模量和抗渗透破坏的能力以及良好的施 工性能，将其作为高土石坝防渗心墙材料是世界上坝土的潮流。他们结合水布娅水利枢 纽的坝址比选，对页岩风化料过程性质进行了试验研究，研究成果表明页岩风化料具有 宽级配、不连续、不稳定的特性，击实性能良好。 刘令瑶n 研究了宽级配砾石土的水力劈裂特性，认为含砾量是决定宽级配砾石土是 否发生水力劈裂的主要因素，当含砾量小于等于1 5 时会发生水力劈裂，水力劈裂破坏 压力值随试样干密度、加压速度和围压的增加而增大。 饶锡保则主要研究了粗粒含量对砾质土压实性、渗透性、压缩性、应力应变关系 的影响。认为砾质土经重型击实或碾压后，具有较好的压实性、较高的抗剪强度和较低 的压缩性和渗透性，但随p 5 含量( 大于5 m m 的颗粒含量) 的不同所表现出的工程性质 4 西华大学硕士学位论文 是复杂的。不同料场的土料最大干密度随p 5 的不同呈不同的抛物线型式，最优含水量 的变化规律也不同；在相同压实度条件下渗透性除与p 5 含量有关外，还与小于0 1 m m 颗粒含量及粘粒含量有关。 油新华1 在大量工程地基调查的基础上，提出了土石混合体的概念，并根据土石混 合体的结构特点探讨了土石混合体试样的非匀质、非连续性以及与之密切相关的尺寸效 应问题，提出了土石混合体的随机结构模型，利用实测模型、等效模型和随机结构模型 对土石混合体边坡在自重应力和地下水作用下的稳定性进行了研究。 由上述可知，目前对土石混合体物理力学特性和结构等方面的研究，在理论分析、 试验方式和手段等方面都有待进一步深入的研究，特别是如何将理论研究应用于工程实 践。 1 2 1 边坡稳定的分析方法 边坡不仅是人类活动最基本的地质环境，也是工程建设中最常见的工程形式，主要 有人工边坡和自然边坡。边坡的稳定性将对国家财产和人们生命安全是至关重要的。随 着我国基础建设的大力发展，无论在交通、水力、矿山等工程建设方面都涉及到大量的 边坡问题，因此合理的处治边坡，保证边坡的稳定性，是岩土工程界必须考虑的问题。 国内外大量学者对边坡的稳定性进行了深入研究，并且提出了许多不同的分析计算 方法。这些方法按其分析原理和理论基础等大致可分为以下几类： ( 1 ) 极限平衡法 极限平衡法是一种用来近似求解土力学中稳定问题的传统方法。主要是假定边坡沿 某个潜在滑动面破坏，且在该面上满足m o h r - c o u l o m b 破坏准则，然后利用滑动体的静 力平衡条件推导出稳定性系数计算式。其实边坡稳定性分析是一个超静定问题，需要做 一些假定才能求得其安全稳定性系数。它是从选定可能的破坏面中寻找最危险的滑动 面，虽然这些滑动面是假设的，但是通常结果是很合理的。采用这个方法需要先假设沿 滑动面的应力分布，然后才能列出平衡方程，这样问题就由超静定转化为静力学问题了。 需要指出的是，滑动面两侧的应力均不能很好的满足固体力学方程，而极限平衡法利用 极限分析的上限规则基本原理，即利用一个假设的滑动面求得一个最小上限，但却无法 精确的求出上限解，而且基本不考虑土体运动学条件，平衡条件也是在有限条件下满足 的。因而极限平衡解不一定是一个上限解或者一个下限解，然而任何极限分析的上限解 都会是一个极限平衡解。利用这种方法获得的各种解在t e r a z h g i 和t a v l o r 【2 1 】的著作中以 图表的形式给出，目前在实践中仍然被广泛应用。 ( 2 ) 极限分析法 极限分析方法将土体视为服从流动法则的理想的塑性材料，外力作用时，当外力达 5 地震作用下土石混合体边坡稳定性研究 特定值时，在外力不变的情况下会发生塑性流动，此时边坡岩土体处于极限状态， 荷载称为极限荷载。d r u c k e 和p r a g e r l 2 2 】最先对边坡稳定性进行了极限分析，首先 动面为直线破裂面，然后用一个满足平衡条件并且在任意点都不违背屈服准则的 假想应力场确定破坏荷载，从而得到一个下限，而上限是通过一个与流动法则相容的速 度场得到的。国内外的许多学者对此进行了深入研究，如陈惠发【2 1 】等假定破裂面为对数 螺线，根据线性m o h r - c o u l o m b 破坏包络线对各向同性、匀质的以及各向异性、非匀质 的边坡稳定问题进行了极限分析，得出了这类问题的上限解。潘家铮【2 3 】在深入分析各种 抗滑稳定性分析方法后，提出了滑坡极限分析极大值和极小值两条基本原理，试图弥补 传统分析方法在理论上的不足，后来陈祖煌【2 4 】对此进行了理论证明。孙君实硷5 2 们通过剖 析塑性力学极限理论蕴涵的模糊性，建立了边坡稳定分析模糊极值理论，而且提出了一 套数值计算方法。另外，c o l l i n s 等人【2 7 】研究了岩石边坡在非线性破坏包络线的情况下， 主要是取滑移线为对数螺线，将极限分析的计算进行简化，并用反分析方法估计了材料 的强度参数。蔡中民等【2 s 】就双曲线和抛物线的m o h r - c o u l o m b 破坏包络线的情况，对边 坡的极限荷载作了一定的研究。 ( 3 ) 数值分析法 随着近年来计算机技术的迅猛发展，各种数值方法逐渐被引入到边坡稳定性研究中 来，边坡的稳定分析中最常用的数值分析方法是有限单元法和有限差分法，这些方法为 数值模拟计算和分析提供了重要的技术手段。数值计算可以进行静力、动力、多场祸合 等各种类型的分析，同时考虑了材料非线性，几何的非线性以及边界条件非线性等各种 非线性因素。边坡稳定问题数值分析法取得了一定的研究成果：p a s t e m a c k 等【2 9 】把有限 元法和极限平衡法结合起来，主要采用非线性弹性材料规律，先由有限元提供应力、应 变和位移，然后按照极限平衡法计算求得安全系数；m a t s u i 和s a n l 3 0 在有限元法分析中 应用剪应力破坏准则定义边坡的破坏；王如路和孙钧【3 l 】应用非连续变形分析( d d a ) 法对 三峡船闸1 6 0 m 高岩体边坡稳定性进行了分析。 ( 4 ) 经验分析法 早期的的经验分析方法主要是只限于赤平极射投影法，基本理论仍然是基于极限平 衡理论，根据边坡结构体在平面上的点、线、面的角距关系，从几何学的角度，确定岩 体的形状及重力作用下的滑动趋势。近年来，随着模糊数学、概率论以及人工智能技术 应用到边坡稳定技术分析中，出现了如灰色理论方法、概率法、灰色专家系统分析法、 神经网络法等一系列新经验分析方法。总之，极限平衡法和数值分析方法相结合，无疑 是当今边坡稳定性计算分析中的一大特点，但由于边坡失稳破坏影响因素是不确定的， 采用概率论、模糊理论和人工智能技术等多种方法相结合的综合分析方法，将会是今后 发展的一大趋势p 川。 6 西华大学硕士学位论文 在以上边坡稳定性分析方法中，极限平衡法不但没有考虑岩土体的应力历史、加载 过程、材料非线性以及边坡内岩土体材料行为的变化等因素，而且也没有反映滑动面上 安全系数的变化和预测边坡破坏发生发展的过程，但是由于其计算模型简单、方法简便、 计算结果能满足工程需要等优点，目前仍然在边坡工程分析与设计中被广泛采用；极限 分析法具有概念清晰、理论严格等优点，但还是存在外形难以处理、分层和加载复杂等 边坡问题。数值分析方法利用数值计算方法和依据岩土体的本构模型，可以得到边坡体 内每一点的应力和位移，同时还能考虑到边坡复杂的外形、分层、边界条件以及外载等 情况，但由于岩土体本身的复杂性，目前还没有真实客观精确的反映岩土体应力_ 应变 关系的本构模型，使得最终计算结果可能与实际情况有一定差别；经验分析法，是在充 分考虑了岩土体的复杂性和不确定性，以可靠性指标或破坏概率来评定边坡，是边坡稳 定性分析新的方法，但如何建立符合实际的模型和获取统计参数，还要进一步研究。 1 3 主要研究内容 系统深入地研究土石混合体边坡在地震作用下的稳定性，并将研究成果应用于工程 实践，指导设计与施工，提高工程的稳定性和可靠性，论文将通过灾区调研、理论分析 以及数值分析等方法，建立定性分析、计算力学模型及定量分析规律，研究工作的主要 内容： “ ( 1 ) 土石混合体边坡特性研究 ( 2 ) 调研灾区，研究土石混合体边坡的破坏类型和分析地震作用下土石混合体边坡 破坏的主要影响因素。 ( 3 ) 通过对震后土石混合体边坡破坏形式的分析，对土石混合体边坡地震失稳机理 进行研究 ( 4 ) 借助数值模拟软件f l a c 3 d 分析程序，对地震作用下土石混合体边坡稳定性进 行研究。 7 地震作用下土石混合体边坡稳定性研究 2土石混合体边坡失稳基本特征及稳定性影响因素研究 2 1引言 边坡岩体的稳定性受多种因素的影响，一般有内在和外在两种因素。内在因素主要 包括边坡岩体的地层、组成边坡岩体的岩性、地质构造、岩土体结构、地应力以及水的 作用等；外部因素主要指边坡形态的改造、气象变化、振动作用、工程荷载、植被作用 以及人为因素的影响等。研究分析边坡稳定性的因素，尤其是边坡变形破坏的主要影响 因素是边坡稳定性分析和边坡处治是一项重要的任务。 对于土石混合体边坡，由于其物质组成和物理性质的特殊性，在地震作用下，使其 变成被各种结构面切割成的复杂结构体系，而且不同的场地条件对地震波的传播特性也 有显著影响等。决定了该类滑坡具有不同于其他类型的特殊性，比如特殊形成条件、变 形位移特征以及破坏滑移规律等。在前人的研究基础上，总结了土石混合体边坡失稳的 主要影响因素。 2 2 土石混合体边坡基本特征 2 2 1土石混合体边坡成因类型 土石混合体边坡是一种非均质边坡。它一般发育在第四系松散堆积层中，由于其物 质组成的不均质性，它与其他边坡有着显著不同的破坏机理和变形性质。 滑坡堆积体是指土石混合体边坡的某部分在重力作用下，沿着已经贯通的破坏面以 及破坏带以一定的加速度向下发生整体滑动，并在斜坡下部堆积。滑坡过程一般表现为 在重力作用下发生缓慢或迅速的向下整体移动，一般具有3 个阶段，主要包括蠕变变形、 滑动破坏、渐趋稳定，有时也具有高速剧动等现象。 残积物一般保存在不易受到外力剥蚀的比较平坦的地形部位，而且常常被后期 的其它成因类型的沉积物所覆盖。由残积物、坡积物等组成的堆积体称为残坡积堆积 体。对于堆积体边坡，由于西南地区地质构造条件的复杂性，堆积体边坡尤其是大型堆 积体边坡一般由多种因素造成的，单一成因的堆积体边坡是很少见的，因此，我们通常 所说的滑坡堆积体边坡是指以滑坡堆积为主形成复杂边坡，而非单一成因上的滑坡。 崩塌堆积体主要是指山体上部岩土体受剧烈的风化、剥蚀、地震和岩石裂隙等影响， 坡体失稳破坏坠落于坡脚而形成的堆积物。崩塌主要发生在陡峻的斜坡地段，一般是坡 度大于4 5 0 、高度3 0 m 以上的斜坡。西南地区地貌上多为高山峡谷；大地构造上位于青 藏断块的东部边缘地带，地质构造极其复杂，活动断裂十分发育，现今构造地震活动十 分强烈。基于上述地质环境条件，该区域大型崩塌堆积体多发生在节理裂隙发育、岩体 破碎的高陡斜坡，尤其是沟谷型崩塌堆积体最为常见。 西华大学硕士学位论文 2 2 2 土石混合体边坡基本特征 土石混合体边坡是在漫长的第四纪地质历史进程中逐渐形成的。其中地质构造、河 谷地貌为滑坡的形成分别提供了必要的空间和边界条件，尤其是岩土体中软弱夹层的存 在及其空间展布特征，控制着边坡的稳定或滑动面导致滑坡形成。同时暴雨洪水、地震 和人类工程活动等都是诱发滑坡发育最活跃的可变因素，这客观上也加速了滑坡的发展 进程。土石混合体滑坡是滑坡中暴发频率较高，危害性较大、分布最为广泛的。同时由 于土石混合体边坡物质组成的特殊性，决定了该种滑坡将受到多种因素的制约，滑坡的 形成机理也相当复杂，区别于单纯的土体和岩体边坡，基于上述发育发展过程，结合汶 川地震后实地考察结果，可知土石混合体边坡主要有以下特征聆羽： ( 1 ) 坡体组成特征 土石混合体边坡的物质主要以土夹砾石、卵石或砾石、卵石夹土等为主，其物质结 构杂乱无章、粒间结合力差、分选性差、透水性强。在外力作用和变形滑移过程中，坡 体不仅要发生整体滑动，而且还要发生较大的塑性和流变变形。由于该类边坡物质组成 的特殊性、物理力学性质差别较大以及地震作用规律复杂性等因素，决定了土石混合体 滑坡具有不同于其他类型滑坡的特形成件、变形位移特征及破坏滑移规律。这是区别于 单纯的岩质和土质边坡的主要特点。 ( 2 ) 滑动面特征 滑面上物质多是由易滑地层组成，其形状会随边坡的物质组成和岩土体结构的不同 而不同，但通常是由直线和圆弧复合而成，前部多数是近似水平的直线，其后部一般是 圆弧形；土石混合体滑坡的滑移面可以是土石混合体下的基岩面，也可以是坡体内任一 连通的破裂面。大多数均质厚层边坡的滑移面受坡体内应力控制，滑移面的形状各异， 经常是地下水的富集带。以基岩面为滑移面的土石混合体滑坡，受基岩面形状的控制。 ( 3 ) 地下水作用特征 对于土石混合体滑坡来说，由于经历了漫长的物理风化、水的软化作用等，物质组 成一般为结构松散的块石土、碎石土等，这些物质透水性较好，而且坡体前缘常发育有 次一级的滑坡，而下面的基岩透水性较差，使得基岩面附近常有大量积水，从而降低了 基岩项面处岩土体的强度，致使土石混合体坡体沿着基岩项面滑动。地下水对土石混合 体边坡