（岩土工程专业论文）高陡边坡最危险滑动面搜索与有限元分析.pdf

硕十学位论文摘要 摘要 近几年随着国家基本建设力度的加大和西部大开发的进行，边坡 支护建设工程中所遇到的岩质边坡稳定性问题也相应地增多。但在边 坡的施工过程中，边坡失稳现象却时有发生，而边坡一旦失稳，其后 果将是灾难性的。因此，边坡稳定性评判具有十分重要的意义。 本文以深圳职业技术学院二期扩建工程采石场高陡边坡为研究 对象，遵循现场调研一资料收集一计算参数工程处理一稳定性分析的 研究思路。首先对边坡进行了极限平衡分析，运用简化b i s h o p 法的 基本原理编制了胜也a m e 计算程序搜索出边坡的最危险滑动面，计 算得出其最小安全系数及滑动圆弧的圆心坐标，以此得出最危险滑动 面的位置。 在进行有限元分析时，本文将边坡岩体离散为八节点等参单元， 建立计算模型，采用释放荷载法对边坡在重力作用下做出静力分析， 并编制了g e o e p l 2 d 计算程序，从计算结果中分析边坡的位移、变 形及其塑性发展趋势和容易破坏的位置。 极限平衡法计算时分别选取了采石场四个钻孔的剖面为计算剖 面，并对第三剖面进行弹塑性有限元分析，计算结果表明：现阶段采 石场高陡边坡整体稳定较好，但局部稳定性不好，要适当对边坡进行 开挖支护处理。 关键词高陡边坡，稳定性分析，极限平衡，有限元分析 a 堡主堂焦垒茎 基奎塑墨 a b s t r a c t t h e s t a b i l i t ya n a l y s i s o fs l o p ei sa i l i m p o r t a n t r e s e a r c ha r e ai n g e o t e c l l l l i c a le n g i n e e r i n g a l lt h et i m e w i t hm ef a s t d e v e l o p m e n to f d o m e s t i ci n v e s t m e n ti n c a p i t a jc o n s t r u c t i o na n dt h ew e s t e mc h i n a e x p l o i t a t i o ni nt 1 e s ey e a r s ，t h er o c ks l o p es t a b i l i t ya n a l y s i si sm o r ea n d m o r ei ns u p p o r t so f h i g h s t e e ps l o p e i ns l o p e sc o n s t m c t i o np r o c e s s ，t h a t t h es l o p eb e c o m ei n v a l i du s u a l l yb r i n ga b o u t i ft h e s l o p es l i d e s ，t h e r e s u i t sw i l ib ed i s a s t r o u s ，s ot h es t a b i l i t ya n a l y s i so f s i o p e i ss i g n i f i c a n t t h i sp a p e rs t u d i e dt h eq u a r r ys l o p eo ft h es e c o n dc o n s t r u c t i o no f s h e n z h e n p o l y t e c h 王1 i c ，f o l l o w i n g t h er e s e a r c hr o u t ea s6 e l d i n v e s t i g a t i o n - i n f o r m a t i o nc o l l e c t i o n p a r a m e t e rd i s p o s a l - e s t a b l i s h m e n to f c a l c u l a t i o nm o d e l s t a b i l i t ya n a l y s i s 0 nt h eb a s i so ft h es i l n p l yb i s h o p t h e o r y ，t h ep a p e rs e a r c h e d m em o s td a n g e r o u ss l l d i n gs u r f a c ea n dg a i n e d t h em i n i m u m s a f e t yf a c t o ra n dc o o r d i n a t e so f t h ec e n t e ro ft h es l i d i n g s u r f a c eb y a d o p t e d t h ep r o g r a mr r e a m e w h e n u s i n g f i n i t ee l e m e n t m e t h o d ， t h e p a p e r e s t a b l i s h e dt h e c a l c u l a t i o nm o d e lo fh i g h s t e e p s l o p ew i t he i g h t n o d e de l e m e n t s ，a n d c o m p i l e dt h e p r o g r a m g e o e p l 2 d i ti so b t a i n e dt h a tt h ee l e m e n t d i s p l a c e m e n t a n ds t r e s sf 幻ma n a l y s i so ft h ec a l c u l a t i o nr e s u l t s f o u rb o r es e c t i o n sw e r es e l e c t e da st h ec a l c u l a t i o nc a s e sw h e n u s i n g t h el i m i te q u i l i b r i u mm e t h o da n dt h et h i r dw h e n u s i n gt h ef i n i t ee l e m e n t m e t h o d ，a n da n a l y s i so ft h ec a l c u l a t i o nr e s u l t sw e r em a d e t h er e s u l t s s h o w e dt h a tt h es l o p ei so f s t a b i l i t ya tp r e s e n t b u tt h i n k i n go fi m p o r t a n c e o ft h es l o p es t a b i l i t ya n di n s t a b i l i t yo ft h es i o p e sp a r t s ，r e a s o n a b l ed e s i g n a n ds u p p o r t so ft h es l o p ew a sn e c e s s 哪 k e yw o r d sh i g h s t e e p s l o p e ，s t a b i l i t ya n a l y s i s ，l i m i te q u i l i b r i u m ， 6 n i t ee l e m e mm e t h o d b 原创性声明 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。尽我所知，除了论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 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在在论文中作了明确的说 明。 作者签名： 日期：年一月一日 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位 论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论 文；学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 作者签名： 导师签名日期：年一月日 硕士学位论文 第一章前言 第一章前言 1 1 边坡稳定性研究的意义与目的 近年来，随着国民经济的快速发展，在诸如水电、露天采矿、能源交通及建 筑场地质工程活动领域出现了越来越多的高陡边坡，而这些边坡又往往成为制约 该工程是否合理及成败的重要因素。因此，如何经济、安全可靠地设计合理的边 坡工程或分析评价天然边坡的稳定性，其重大的意义越发显得突出，与之不可分 割的一个方面就是边坡稳定性分析方法的使用。不同的边坡工程常常赋存于不同 的工程地质环境中，不同的边坡稳定性分析方法又各具特点，有一定的适用条件。 因而，如何根据具体的边坡工程地质条件，合理有效的选用与之相适应的边坡稳 定性方法，是值得深思的问题。 1 2 边坡稳定性研究概况 岩质边坡稳定性问题是岩体力学研究的重要内容之一。作为岩体力学的一个 重要组成部分其出现和发展与人类工程活动的迫切需要和有关学科的迅速发展 紧密相关。岩体力学作为一门独立的学科，其历史是较短的【2 j 。最初从事岩质 边坡稳定性研究的是地质工程师，逐渐地，从事力学研究的学者也参加了边坡稳 定性研究，但早期的地质研究与力学研究自成体系，互相分离。对于岩质边坡的 研究，在国际学术界形成两种学派，其一是以m u l l e r 和g 0 0 d m a n 为代表的“岩 体不连续面控制论学派”；另一是单纯的数值学派。随着时间的推移和不断的工 程实践，两种学派趋于融合并相互借鉴，使岩质边坡稳定性研究形成比较完善的 理论体系1 3j 。岩质边坡的稳定性研究大约经历了三个阶段： 1 上世纪初至5 0 年代，岩质边坡稳定性评价几乎完全属于土力学范畴。在 研究初期，基本上采用了以材料力学和简单的均质弹性理论为基础的土力学的原 理和方法。土质边坡稳定性的计算分析方法被应用于岩质边坡稳定性问题的研 究。在这个时期，边坡稳定性的计算分析方法，其半经验半理论性质及假定滑动 面具有某一固定位置和形状为其显著特点。在上世纪4 0 年代开始进入重要的发 展阶段，由于第二次世界大战后世界各国水利、交通和建筑等工程的大量兴建， 以及5 0 年代采矿事业的迅速发展，提出了大量的岩石力学研究课题，其中矿山 边坡、路基路堑边坡、大坝坝肩和河谷岸坡等人工和自然的岩质边坡稳定性问题 也亟待解决，在吸取了前阶段应用土力学原理和方法于岩质边坡工程所产生的不 良效果的基础上，加上有关数学力学科学的一定发展，人们普遍认识到系统开展 岩石力学研究的重要性，同时也使人们感到有必要和有可能引进一些较新的理论 硕士学位论文第一章前言 和方法。这一阶段，主要是以均质弹塑性理论和极限平衡理论的普遍应用，均质 体光弹试验和模拟材料模型试验的开展，以及室内小块岩石的物理力学试验大量 进行为其主要特点p 5 j 。总体来说这一阶段属于定性研究阶段。 2 6 0 年代至7 0 年代，岩质边坡稳定性研究理论和方法有了较大的发展。6 0 年代初期意大利瓦依昂水库岸坡失事【6 j ，在工程地质和岩石力学界引起很大震 动，人们开始意识到边坡失稳破坏是累进性变形破坏过程，有着明显的时间效应， 对边坡研究必须将地质分析和力学机制紧密结合起来。边坡稳定性研究进入力学 机制和内部作用研究阶段。为了解决工程实践中出现的岩石力学问题和促进岩石 力学的进一步发展，全面的、深入地j 下展了将岩体视为粘弹性、弹塑性或具有裂 隙的脆性介质等方面的研究，岩体的非均匀性，各向异性和非连续性的研究，岩 体的流变特性及其他时州效应的研究，岩体的应力应变关系和破坏机制的研究， 岩体的非连续性介质力学的研究，利用物深、红外线、电磁波等方法开展原地深 部岩体和工程扰动区岩体的变形特性和应力状态的测试研究，利用遥测技术进行 现场岩体的变形、位移特征的测试研究以及引进了快速电子计算机技术为基础的 有限单元法进行岩体力学的计算分析等等【4 4 】，这一切都标志着岩体力学进入 了金面、深入的崭新的发展阶段。 3 8 0 年代以来，边坡稳定性研究的理论与方法更加成熟，可以利用计算机 或半定量地模拟边坡丌挖至破坏的全过程。一些新理论、新方法、新技术诸如破 坏概率分析方法、信息论方法、模糊数学【8 1 、扶色理论【9j 、损伤断裂力学理论、 神经网络模型、数据库与专家系统【lo 】和计算机仿真技术等被引入边坡稳定性研 究为定量评价和预测岩质边坡稳定性开辟了更为广阔的前景，边坡稳定性研究 已步入系统工程分析研究阶段。从边坡工程研究发展历程可见，边坡稳定性研究 发展的过程，同时又是一个边坡稳定性分析方法不断发展的过程。新的边坡稳定 性分析方法不断出现，古老的方法又不断改进，且逐步由定性向定量、半定量的 方向发展。 1 3 边坡稳定性评价方法的发展概况 边坡稳定性评价方法大致可分为两大类，即定性分析方法和定量分析方法 。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，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。 硕士学位论文第一章前言 1 3 1 定性分析方法 定性分析方法主要是通过工程地质勘察对影响边坡稳定性的主要因素、可 能的变形破坏方式及失稳的力学机制等的分析，对易变形地质体的成因及演化史 进行分析，从而给出被评价边坡的一个稳定性状况及其可能发展趋势的定性说明 和解释。其优点是综合考虑影响边坡稳定性的多种因素，快速地对边坡的稳定状 况及其发展趋势做出评价。常用的方法主要有下面几种。 1 自然( 成因) 历史分析法 该方法边坡发育的地质环境、边坡发育历史中的各种变形破坏迹象及其基本 规律和稳定性影响因素等的分析，追溯边坡演变的全过程，对边坡稳定性的总体 状况、趋势和区域性特征做出评价与预测，对已发生滑坡的边坡，判断其能否复 活或转化，它主要用于天然斜坡的稳定性评价。 2 ，工程类比法 该方法实质上就是利用已有的边坡或人工边坡的稳定性状况及其影响因素， 有关设计等方面的经验，并把这些经验应用到类似的所要研究边坡的稳定性分析 和设计中去的一种方法。它需要对已有的边坡和目前的研究对象进行广泛的调查 分析，全面研究工程地质因素等相似性和差异性，分析影响边坡变形破坏的各主 导因素即发展阶段的相似性和差异性，分析它们可能的变形破坏机制、方式等的 相似性和差异性，兼顾工程的等级、类别等特殊要求。通过这些分析，来类比分 析和判断研究对象的稳定性状况、发展趋势、加固处理设计等。在工程实践中， 即可以进行自然边坡间的类比，也可以进行人工边坡之间的类比，还可以在自然 边坡和人工边坡之间进行类比，因而，可以说它是目前应用最为广泛的一种稳定 性分析方法。 3 边坡性分析数据库和专家系统“稳定 ( 1 ) 边坡工程数据库收集已有的多个自然边坡、人工边坡实例的计算软件。它 按照一定的格式，把各个边坡实例的发育地点、地质特征( 工程地质图、钻孔柱 状图、岩体力学参数等) 、变形破坏影响因素、形式、过程、加固设计，以及边 坡的坡形、坡高、坡角等收集起来，并有机地组织在一起【i “。建立边坡数据库 的目的依然主要是进行工程类比、信息交流。它可以直接根据不同设计阶段的要 求和相关的类比依据，方便快捷地从中查的相似程度最高的实例进行类比，从而 能更好地指导实践、节约费用。我国在“八五”国家科技攻关期间，以初步建立 了“水电工程高边坡数据库”。 ( 2 ) 专家系统是一种按学科及相关学科专家的水平进行推理和解决问题、并能 说明其缘由的计算机程序。边坡稳定分析设计专家系统就是进行边坡工程稳定性 分析与设计的智能化计算机程序。它把某一位或多位边坡工程专家的知识、工程 硕士学位论文 第一章前言 经验、理论分析、数值分析、物理模拟、现场监测等行之有效的知识和方法有机 地组织起来，建立一个边坡工程知识库，然后利用智能化的推理机( 个控制整 个系统的计算机程序) 来模拟并再现人( 专家) 脑的思维( 推理与决策) 过程， 吸收其合理的知识结构，寻求优化的技术路径，同时，它又能建立计算机模型， 结合相关学科不同专家的知识进行推理与决策，对所研究的对象( 边坡) 进行稳 定性评价。利用良好的边坡工程专家系统，运用专家的知识水平，模拟其思维方 式和决策过程，以提高设计人员的决策水平，并最大限度地降低费用、节省时间， 达到更加优化的目的和效果。 4 图解法 图解法可以分为诺模图法和赤平投影图法。 诺模图法是利用一定的诺模图或关系曲线来标识与边坡稳定有关参数问的 关系，并由此求出边坡稳定安全系数，或根据要求的安全系数及一些参数来分析 其它参数( 中，c ，结构面倾角，坡角，坡高等) 的方法。它实际上是数理分析 方法的一种简化方法，如t a y l o r 图解法。它目前主要用于土质或全风化的具有 弧形破坏面的边坡稳定性分析( 1 3 l 。 投影图法就是利用赤平极射投影的原理，通过作图来直观地表示边坡变形破 坏的边界条件，分析不连续面的组合关系，可能失稳岩土体形态及其滑动方向等， 进而评价边坡的稳定性，并为力学计算提供信息。常用的有赤平极射投影图法、 实体比例投影图法、m a r k l a n djj 投影图法等。它目前主要用于岩质边坡岩体的 稳定性分析。 5 s m r 法3 岩体质量能够综合反映岩体中各种主要参数对岩体稳定性的影响结果，它又 助于我们认识岩体的固有特性，分析岩体工程的稳定性，为工程提供重要信息。 利用r m r 方法来评价边坡岩体质量的稳定性，方便快捷，且能够综合反映各种 因素对边坡稳定性的影响，但在应用过程中该方法有一些不足之处，如它没能考 虑边坡坡高等因素，对大型的岩质边坡的整体稳定性的状况还不能够做出有效的 分析，在各个参数的具体取值过程中，还会带有很大的经验性，常会因人而异。 1 3 2 定量分析方法 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，它只能算是一 种半定量的分析方法。常用的边坡稳定性方法有下述几种。 1 极限平衡分析法 极限平衡分析法是工程实践中应用最早、也是目前最普遍使用的种定量分 4 硕士学位论文 第一章前言 析方法，该法从土体滑坡计算发展起来，在工程实践中用于评价土体边坡的稳定 性，常常假定滑动面为圆弧形，以此条件建立土体的作用力与土体强度之比的平 衡条件，进行边坡稳定性评价。常见方法有：瑞典圆弧条分法、简化毕肖普法、 简布法、萨尔玛法、斯宾塞法、摩根斯坦普赖斯法、余推力法、楔体极限平衡 分析法等等。 1 9 1 5 年瑞典彼得森( k e p e t t e r s o n ) 提出的圆弧法，其后在各国得到广泛的 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。 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正交的两个分力，并以圆 弧的圆心为力矩中心，求该圆弧的安全系数。这种方法比瑞典圆弧法进了一步， 但与岩质边坡破坏仍有很大的区别。 萨尔玛( s a r f n a ) 法是极限平衡法的最新发展【6 】。自萨尔玛博士于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。它具有的优点是可以用 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。 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。角，o 角及边坡 稳定性安全系数f 。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。 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。 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。 近年来，人们都已经把这些方法程序化了，有的还把有限元方法引入极限平 衡分析法中，先通过有限元方法计算出可能滑面上各点的应力，然后再利用极限 平衡原理计算滑面上的点安全系数及整个滑动面破坏的安全系数，如式( 1 1 ) 所示。 硕士学位论文 第一章前言 足： 式中i 为第i 条可能滑动面； 盯，、r ，、“，、c ，、，分别为第i 个滑 动面上第j 个单元的法向正应力、剪应力、渗透压力，以及第j 个单元滑动面上 的内摩擦力、粘聚力和长度。 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 定的适用范围及局限性。但极限平衡方法抓住了问题的主要方面，且简单直观， 并有多年的实用经验，若使用得当，将得到比较满意的结果，它是目前应用最多 的一种分析方法。 2 数值分析方法 数值分析方法是目前岩土力学计算中使用最普遍的分析方法，它包括有限单 元法、边界元法、f l a c 法、离散元法、d d a 法、运动单元法等等，其中有限 元法应用比较广泛。 ( 1 ) 有限元( f e m ) 法 有限元法在边坡岩土体的稳定性分析中得到最早( 1 9 6 7 ) 应用。也是目前非 常广泛使用的种数值分析方法。目前，已经开发了多个二维及三维有限元分析 程序，如s a p 2 0 0 0 、a n i n a 、a n s i s 等，可以用来求解弹性、弹塑性、粘弹塑 性、粘塑性、流变问题、大变形和小变形问题以及其他非线性应力变形问题等等。 有限元法的优点是部分地考虑了边坡岩体的非均匀和不连续性，可以给出岩体的 应力、应变大小和分布，避免了极限平衡分析法中将滑体实为刚体而过为简化的 缺点，能使我们近似地从应力应变区分析边坡的变形破坏机制，分析最先、最容 易发生屈服破坏的部位和需要首先进行加固的部位等。它还不能很好地求解大变 形和位移不连续等问题，对于无限域、应力集中问题等的求解还不理想。 ( 2 ) 边界元( b e m ) 法 边界元法是7 0 年代发展起来的一种数值方法，c m n c hsl 于1 9 7 6 年首先将 其应用到分析层状岩体的开挖稳定问题。与有限元方法不同，它只对研究区的边 界进行离散，因而它要求的数据输入量较少。该方法对处理无限域或半无限域问 题比较理想“。它要求事先知道求解问题的控制微分方程的基本解，在处理材 料的非线性、不均匀性、模拟分步开挖等方面还远不如有限元法，它同样不能求 解大变形问题。因而，边界元法目前在边坡岩体稳定性分析中的应用还远不如在 地下洞室中应用广泛。 ( 3 ) 快速l a g 均n g i a n 分析( f l a c ) 法 硕士学位论文第一章前言 为了克服有限元等数值分析方法不能求解岩土体大变形问题的缺陷，人们 根据显式有限差分原理，提出了f l a c 数值分析方法。该方法较有限元方法能 更好地考虑土体的不连续性和大变形特征，求解速度较快。其缺点是同有限元一 样，计算边界、单元网格划分带有很大的随意性。 ( 4 ) 离散元( d e m ) 法 离散元法是由c u 【l d a l l p a ( 1 9 7 1 ) 首先提出并应用于岩土体稳定性分析的 一种数值分析方法。它是一种动态的数值分析方法，可以用来模拟边坡岩体的非 均质、不连续和大变形等特点，因而，也就成为目前较为流行的一种岩土体稳定 性分析数值方法。该方法在进行计算时，首先将边坡岩体划分为若干网0 性块体( 目 前已考虑块体的弹性变形) ，以牛顿第二运动定律为基础，结合不同泵欧关系， 考虑块体受力后的运动即由此导致的受力状态和块体运动随时间的变化。它允许 块体间发生平动、转动，甚至脱离母体下落，结合c a d 技术可以在计算机上形 象地反应出边坡岩体在应力场、位移及速度等力学参量的全程变化7 l 。该方法 对块体结构、层状破裂或一般碎裂结构岩体比较合适。 ( 5 ) 块体理论( b t ) 与不连续变形分析( d d a ) 块体理论是由g o o d m a nre 等于1 9 8 5 首先提出。该方法实际上是种几 何学的方法，它利用拓扑学和群论的原理，以赤平投影和解析计算为基础，来分 析三维不连续岩体稳定性。在计算时，它根据岩体中实际存在的不连续面倾角及 其方位，利用块体间的相互作用条件找出具有移动可能的块体及其位置，故也常 被称为关键块( k b ) 理论。它最初主要用于地下洞室围岩稳定分析，现在也较 好地用于帮助选择开挖的形状和方向。块体理论的缺点是它通常只考虑不连续面 的抗剪强度，不考虑其变形，不计力矩的作用，且通常假定其无限长，这些都在 一定的程度上与实际情况不符。另外，块体理论在块体的划分方面，还存在一定 的随意性，也不能很好地解决大变形问题。 d d a 是s h ig e n h u a 于1 9 8 8 年提出的一种新的数值方法”。该方法用一 种类似于离散元的块体来模拟被不连续面切害8 成的块体系统，在此过程中，块体 通过不连续面间接触连成整体。此方法的计算网格( 单元) 与岩体物理网格相 致，可以反映岩体连续和不连续的具体部位。d d a 通过不连续面间的相互约束 建立整个系统的力学平衡条件但与一般的连续介质法不同，它引入了非连续接 触和惯性力，采用运动学方法来解决非连续性和引入时间因素，既可以计算静力 问题，又可以计算动力问题。它可以计算破坏前的小位移，也可以计算破坏后的 大位移，如滑动、崩塌、爆炸及贯入等，特别适合于极限状态的设计计算。 ( 6 ) 运动单元法 运动单元法由p e t e rg u s s m 籼教授在8 0 年代创立【”】，这种塑性极限数值 硕士学位论文第一章前言 分析方法主要争对莫尔一库仑类岩土介质。运动单元法认为，对于所有假设的塑 性滑动区和最危险滑动面，真正的最危险塑性区和滑动面对应的安全系数最小。 因此，对于给定的边坡问题，运动单元法在经验的基础上首先假设一个满足莫尔 一库仑准则的塑性区并得到相应的最危险滑动面，在该塑性区内引出有限组塑性 滑移线( 平面问题) 或塑性滑移面( 空间问题) ，这些滑移线( 面) 将塑性区离 散为单元，即运动单元，然后通过严格的自动搜索过程找到满足约束方程和边界 条件的最小安全系数并确定塑性滑动区和最危险滑动面1 2 饥”，2 。 1 3 - 3 非确定性分析方法 1 可靠性分析法 理论与实践均证明，影响岩质边坡工程的稳定性的诸多因素常常都具有一 定的随机性，它们多是具有一定概率分布的随机变量1 2 ”。 7 0 年代中后期，加拿大能源与矿业中心和美国亚利桑那大学等开始把概率 统计理论引用到边坡岩体的稳定性分析中来。该方法的原理是首先通过现场调 查以获得影响边坡稳定性影响因素的多个样本然后进行统计分析。求出它们 各自的概率分句及其特征参数，再利用某种可靠性分析方法，如m o n t e c a r l o 法、 可靠性指标法、统计矩法、随机有限元法等来求解边坡岩体的破坏概率即可靠度。 祝玉学( 1 9 9 3 ) 把在规定的条件下规定的适用期限内，安全系数或安全储备大于 或等于某一规定值的概率，即边坡保持稳定的概率定义为可靠度。可见，用可靠 度比用安全系数在一定程度上更能客观地、定量地反映边坡的安全性。我国的岩 土工程勘察规范( g b 5 0 0 2 1 9 4 ) 3 6 1 1 条已明确指出，大型边坡设计除按3 6 1 0 条边坡稳定性系数值计算边坡的稳定性外，尚宜进行边坡稳定的可靠性分析，并 对影响边坡稳定性的因素进行敏感性分析【2 4 1 。只要我们求出的可靠度足够大， 也即破坏概率足够小，小到人们可以接受的程度，就认为边坡工程的设计是可靠 的。 近年来，该方法在岩土工程中的研究与应用发展很快，为边坡稳定性评价指 明了一个新的方向。但该方法的缺点是：计算前所需的大量统计资料难于获取， 各因素的概率模型即其数字特征等的合理选取问题还没得到很好的解决，另外， 其计算通常也较一般的极限平衡方法显得困难和复杂。 2 模糊分级评判方法 影响边坡稳定性的诸因素除了具有前述的随机不确定性外，还具有一定的模 糊不确定性【8 1 。采用模糊分级评判或模糊聚类方法对边坡的稳定性做出分级评 判，其具体做法通常是先找出影响边坡稳定性的各个因素，并赋予它们不同的权 8 硕士学位论文第一章前言 值，然后根据最大隶属度原则来判定边坡的稳定性。实践证明，模糊分级评判方 法为多变量、多因素影响的边坡稳定性分析提供了一种行之有效的手段。这一方 法主要应用于大型边坡的整体稳定性评价。 目前，除了以上两种常用的非确定性分析方法外，系统工程分析方法、灰色 系统理论方法、突变理论方法、神经元方法、损伤断裂力学理论等也在边坡稳定 性方向上得到了不同程度的应用，为边坡稳定性分析及预测提供了新的途径。 1 3 4 物理模型方法 物理模型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其分布，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 。 1 3 5 现场监测分析法 岩石流变力学认为岩体的变形破坏是一个过程。岩质边坡工程由稳定状态向 不稳定状态的突变也必然具有某种前兆。捕捉这些前兆信息并对其进行分析和解 释，将可更好地认识边坡岩土体变形的发展过程和失稳的征兆及其判据。人们在 生产实践过程中早己认识到这个问题，并对之越来越重视。在发展其它边坡稳定 性分析理论与方法的同时，又开展了现场监测技术、监测结果分析方法等的研究， 力图通过现场监测所获得的信息如位移、位移速度、应力、声发射率、地下水等 有关特征，来对边坡岩土体稳定性做出评价和预测，为加固处理设计提供服务， 同时，又能对加固措施的加固效果进行检验，为施工的安全保护等提供信息。由 于现场监测结果直观可靠，因而利用监测结果对边坡工程的稳定性进行分析，已 成为目前对边坡工程中稳定评价极其重要的一种方法。 1 4 研究课题的来源与技术路线 本文研究的课题来自深圳职业技术学院二期扩建科研项目“深圳职业技术学 院二期扩建工程采石场高陡边坡稳定性评价” 技术路线：结合深圳测绘研究院对采石场所做的越华采石场地质灾害与建 设适宜性评价报告，首先对采石场区范围内的工程地质、水文地质进行调查和 研究，对其典型岩石和弱面力学参数的实验结果进行工程处理选取合理的计算参 数，针对具体的岩体赋存条件，运用极限平衡法中的简化b j s h o p 法进行网格搜 9 硕十学位论文第一章前言 索，得出边坡的最小安全系数，然后再对边坡进行弹塑性静力分析，结合计算机 程序，分析出其变形、应力状态及塑性发展情况。 l o 硕士学位论文 第二章研究区工程地质环境条件 第二章研究区工程地质环境条件 2 1 工程概况 拟建深圳职业技术学院二期工程位于深圳市南山区西丽镇，其地理坐标为 东经1 1 3 05 5 、北纬2 2 0 3 57 ，整个二期占地面积约1 3 0 余万m 2 。本课题研究对 象是扩建区内的一个爆破采石遗留下来的高陡边坡一越华采石场边坡。边坡场 地地处丘陵地貌，山顶标高1 3 0 1 8 0 m ，相对高差多在1 0 0 1 5 0 m 之间，冲沟较 发育，山体自然坡度一般为1 5 。3 0 。坡面普遍种荔枝果树。采石开挖形成的边 坡坡度达5 0 。一8 5 。一般在6 5 。7 5 。之间，坡底地面标高一般在3 7 3 9m 之间， 局部地段有一小平台，其高程为4 8 5 0 m 。西侧坡顶标高4 8 1 4 5 m ，坡高达 l o 1 0 8 m ，回填后最大坡高达9 5 m ( 拟回填标高约为5 0 m ) ：北侧坡顶标高 1 3 7 1 6 9 m ，坡高达1 0 0 1 3 2 m ，回填后最大坡高达1 1 9m 东侧坡顶标高7 0 1 2 0 m ， 坡高达2 3 8 3 m ，回填后最大坡高达7 0 m 。边坡地形地貌是长期以来遭受雨水冲 刷、侵蚀形成的，高陡边坡是多年来人工采石活动所形成的”“。 2 2 气象水文 2 2 1 气象 深圳地区属于亚热带季风气候，气候温和，雨量充足且多为台风暴雨。夏 季高温多雨，冬季低温干旱。多年平均气温为2 2 4 ，多年平均湿度7 3 ，日 最高气温大于3 0 的天数为1 3 2 天( 多年平均气温) ，常年主导风向为东南风 ( e s e ) ，冬季多东北风( n e n ) 多年平均风速3 2 耐s ，最大风力可达1 2 级以上， 最大风速3 4 州j ，阵风最大风速4 0 ，j 。 22 2 水文 深圳地区每年5 月至9 月为雨季，年平均降雨量1 9 2 6 4 珊，且多为6 9 月 问台风型暴雨，日最大暴雨量3 8 5 8 哪，全区日平均最大暴雨量2 8 2 呻，小时最 大暴雨量为9 9 4 册，多年平均蒸发量为1 3 2 2 m m ，最小年蒸发为1 1 0 7 m 。 边坡场地内未见常年性地表水流，雨季时沿冲沟及边坡形成临时性水流， 对边坡及填土( 石) 段产生水土流失和冲刷破坏。勘察期间，边坡坡脚一带回 填至今约5 0 m 标高，使坡前形成封闭形洼地，造成积雨成塘，水深l _ 2 m 。 气象、水文条件对边坡的影响集中表现为暴雨冲刷引起局部坍塌，以及造 硕士学位论文 第二章研究区工程地质环境条件 成填土斜坡和开挖暴露土体的水土流失等。 2 3 地层与岩性 研究区范围为加里东期混合花岗岩体，区外南北两侧为燕山期侵入花岗岩 体，东西两侧为震旦系变质岩体。区内地层结构简单，自上而下描述如下： 1 人工填土( 石) 层( q “) 素填土( 石) ( 地层编号) ：灰黄等色，主要分布于采石边坡西侧山坡及 采石边坡前沿一带，为人工采石、防空洞开挖等弃渣堆填而成，主要成分由中 等风化的混合花岗岩及粘性土组成，块石直径一般在2 0 2 0 0 m m 之间，含量达 3 0 7 0 不等，结构松散，厚度2 o 一1 5 0 m ，以采石边坡坡脚前沿及边坡西侧9 5 m 标高一带厚度较大。 2 第四系坡洪积层( 口“一) ( 1 ) 中细砂( 地层编号) ：表部灰黑色，其下浅黄色，成份以石英质为主， 夹少量粘性土及植物根系，级配较好，稍湿湿，松散。仅钻孔4 一带冲沟内分 布，层厚3 6 m 。 ( 2 ) 粗砂：浅黄色，成份以石英质为主，夹少量粘性土及约1 5 的砾石，偶 含直径2 0 4 0 m m 的卵石，级配良好，饱和，稍密。仅钻孔4 一带冲沟内分布， 层厚1 1 m 。 3 第四系坡残积层( q “) 粉质粘土( 地层编号) ：浅黄、褐黄色，含少量风化碎石，稍湿，可硬 塑。稍有光滑，干强度中等，韧性中等。广泛分布于自然山顶、山坡表部，层 厚o 5 5 1 m 。 4 加里东期混合花岗岩( 均) 混合花岗岩：中粒变晶花岗结构，块状构造，主要矿物成份为石英、长石、 黑云母等，按岩体的风化程度可划为以下四个风化带： ( 1 ) 全风化带：浅红、褐黄色，岩体结构基本破坏，岩芯呈坚硬土状。不连续 分布于山体坡残积层之下，见于钻孔1 、2 中，层厚1 9 7 9m 。 ( 2 ) 强风化带：褐黄夹灰黑色，风化裂隙极发育，岩石结构大部分破坏，岩芯 呈碎块状夹土状，偶夹中等风化块，岩体呈散体结构。其中钻孔3 孔深1 5 2 1 m 、 钻孔5 孑l 深4 7 5 2 m 和8 。7 9 2 m 段为中等微风化球体。广泛分布于山体坡残积 层或全风化带之下，层厚变化于2 1 ，1 1 5 m 之间。 ( 3 ) 中等风化带：褐黄、灰白色，裂隙发育，裂面铁染严重。岩芯呈块状、碎 石状及短柱状，岩石质量差，锤击较易碎，岩体呈镶嵌碎裂状结构，属软岩。 其中钻孔l 孔深2 1 2 2 8 5 m 、钻孔6 孔深4 0 0 5 5 0 m 段夹微风化球或夹层。广 1 2 硕士学位论文第二章研究区工程地质环境条件 泛分布于山体微风化带之上，层厚变化于o 8 5 2 2 m 之间，以边坡北段厚度较大。 ( 4 ) 微风化带：灰白夹灰黑色，岩体因所处位鼍不同其裂隙发育程度差异较大， 一般为稍发育一较发育，裂面较新鲜或稍有铁染，岩体以块状结构为主。岩芯以 短柱状、块状为主，部分长柱状。锤击声脆，属较硬岩。广泛而稳定分布于山 体及坡体下部，厚度大于3 0 m 。 此外，西坡南端及东坡北端见有一褐灰色基性岩脉，两者为同一条。脉宽 o ，5 o 8 m ，总体走向n e 6 5 。，东坡一带倾n w ，西坡一带倾s e ，倾角7 19 7 34 ， 岩质致密坚硬。 2 4 地质构造 2 ，4 ，l 地质构造演化特点 深圳职业技术学院二期工程越华采石场场地位于深圳市珏丽镇留仙大道 北侧，大地构造上属于紫金一惠阳凹褶断束的组成部分，是加里东褶皱基底上发 育而成的晚古生代凹陷，其中被中、新生代构造叠加、改造、发生过多次的断 裂和岩浆活动。 燕山运动规模较大，活动性较强，对区域构造格局的形成、影响尤为深远。 其主要特点是：北向东断裂规模宏大，东西向断裂再次复活，沿海地区出现北 西向断裂。沿断裂有多次大面积岩浆侵入和喷发交替出现，动力变质作用分布 普遍。构造运动形成的大断裂基本上控制了大地构造格局，有些断裂至今仍有 不同程度的活动。 新生代以来，本区的构造活动呈现由西北向东南逐渐增强的趋势。在本区 以差异性断块运动和断裂的继承性活动为主。喜山运动时，在南海海域发生海 底扩张，导致在滨海及近岸浅海地带出现一系列平行于海岸线的大规模北东东 向阶梯状断裂。南海扩张停止，随之而来的是太平洋板块和菲律宾板块前沿的 推挤作用，从而在陆缘地带产生了一系列复活和新生的北向断裂，同时，也使 滨海近岸的北东和北东东向断裂的活动进一步加强，构成了区内的主要地震构 造带一东南沿海地震带。 2 4 2 区域断裂构造 越华采石场附近地区断裂构造主要是北东向的深圳断裂、樟木头断裂和北 西向的狮子洋断裂等，分述如下： 1 深圳断裂 硕士学位论文 第二章研究区工程地质环境条件 深圳断裂属五华一深圳断裂带的西段，该断裂带是横贯粤东与粤中沿海地区 的区域性大断裂。它起自五华，沿莲花山山脉向西南经海丰、惠东、惠阳淡水 进入近场区域的横岗和深圳市区一带，从罗湖延入香港西部，长约4 0 0 k m ，总 体走向是北东3 0 5 0 。，倾向南东或北西，倾角4 5 “8 5 。它所通过的深圳地段 通常称为深圳断裂带。 该带由一组平行斜列展布的单条长数公里、宽十至数十米的断层组成，具 有多期次活动特征。早期活动可追溯到印支期，燕山期后又有正反方向的活动。 早期以韧性变形为主，晚期则以脆性变形为主。总体的力学性质属逆断层兼有 正断层。沿断裂带的震旦系、古生界及中生界地层均受到不同程度的挤压破碎， 动力变质，同时还有中酸性岩的侵入。中生代以来有过多次活动，切割石炭系、 侏罗系、白垩系及燕山期花岗岩，力学性质以压性为主。新生代以来，对区内 构造地貌有明显控制作用，发育了规模不大的诸如多祝盆地、淡水贫地、坪山 盆地等第三纪断陷盆地。第四纪河流阶地在断裂通过的某些地段( 如在横岗段 和莲塘段) 发生幅度不大的构造形变。其第四纪以来的活动性具有自北东段向 南西段增强和活动年代变新的特征。取自断层泥的t l 测年为两组数据、分别 是距令1 8 9 一1 5 5 m a ，距今o 9 1 一o 1 8 m a ，其相对年代为中更新世早期晚更新世早 期( 据广东省地震局) 。在蛇口、前湾一带，断裂发育在燕山期的花岗岩内，但 未见断裂切割上部的第四纪残积层。 断裂历史上未记录到破坏性地震，从现今小震分布来看，自1 9 7 0 年建立地 震仪器监测台往以来，沿断裂共发生9 次m l 2 0 级地震和1 次m 1 3 0 级地震， 这些地震沿断裂形成明显的条带状。由此可见，断裂虽然地震活动和频度不高， 活动性相对较弱，但现今仍存在一定的活动性。 2 樟木头断裂 自惠州经东莞樟木头北侧再延至东莞长安、太平一带，总体走向为 n e 5 0 。6 0 4 ，倾向s e ，倾角4 0 。一8 0 。断裂从中生代开始有活动，并反复活动至 第三纪，切过古生界和侏罗系等地层，力学性质以压性为主。它对构造地貌的 控制作用较小，第四纪以来的活动不明显，t l 的测年数据表明，自晚更新世以 来断裂活动不明显。 此外，近评价区南侧0 5 1 0 k m 范围见有规模较小的区域性北东向断层3 条( 编号f 3 、f 4 、f 5 ) ，平行排列，断层产状n 5 0 。6 0 。e ，n w 么6 5 。7 0 。，长度 1 3 k m ，发育于燕山期侵入岩体内，对评价区场地稳定等不够成影响。 3 狮子洋断裂 分布在珠江口及狮子洋水道，其两侧均为北北西向断裂所控制。它北起广 州黄埔地区，经狮子洋，出虎门而入内伶仃洋，再往南延伸至香港的大屿山， 1 4 硕士学位论文第二章研究区工程地质环境条件 全长1 5 0 k m ，总体走向n w 3 1 0 一3 3 0 。倾向北东或南西，倾角5 0 8 5 。沿珠江 两岸断续可见其构造形迹，虎门沙角炮台海边断裂发育在震旦系浅变质岩内， 采集的断层热释光样品测年结果为1 1 8 6 1 1 2 万年，s e m 分析表明，断裂在 中更新世晚期和晚更新世也曾有强烈运动。在蛇口燕山期花岗岩内发育多条北 西向的断裂，主要由糜棱岩、硅化角砾岩以及石英岩脉和片理化带组成。在宝 安一带该断裂的次级构造上采集的断层热释光样品测年结果为2 1 3 2 0 1 4 9 0 万年，相当于中更新世晚期。 此外，近研究区北侧见有规模较小的区域性北西向断层2 条( 编号f