边坡工程第5章-结构面控制型边坡稳定性分析方法(冶金出版社)

第五章结构面控制边坡稳定性分析方法，特别感谢本教材和PPT中引用的文献和图片的作者。本章主要介绍了弱面(结构面)控制边坡的稳定性分析方法，分别分析了单平面滑动、同向双平面滑动、锯齿形滑动、倾倒破坏和楔形破坏。简要说明了各种失稳类型的基本概念，详细描述了各种分析方法的基本原理、假设、计算步骤和适用范围。熟悉各种软弱面(结构面)控制型边坡潜在破坏形式，掌握各种分析方法，并能运用这些知识解决工程问题。本文介绍了一种基于计算机科学技术理论的新型计算机软件的开发。内容、基本假设、排土场失效分析、概述、古德曼-布雷法、楔形体失效分析、概述、楔形体滑移条件和判别、楔形体稳定性分析、计算分析、隐式和显式解的计算精度分析、陈祖宇改进分析、5.1、单平面滑移分析、5.1.1概述、5.1.2无拉伸裂纹的单平面滑移、5.1.3有拉伸裂纹的单平面滑移、5.1.4地震力和5.1.5锚固力计算。 典型的单平面滑动破坏通常是沿着与斜坡倾角近似的弱面(结构面)滑动，滑动面的倾角比斜坡倾角慢，滑动面暴露在斜坡面上，滑动体的两侧通常是自由的或被人工挖掘的沟槽切割。 典型的单平面滑动类似于云南乔云水库边坡的失稳(图5-1)。斜坡岩性为下志留统龙马溪组泥页岩。岩层走向与斜坡走向几乎平行，倾角为27 28，为顺层斜坡。开挖切脚暴露边坡滑动面是诱发滑坡的主要外部因素，属于典型的单平面滑动破坏。图51乔云水库边坡滑坡，单平面滑动一般需要满足以下几何条件，如图52所示：结构平面方向与坡面平行或近似平行(在20范围内)；(2)结构面应暴露在坡面上，即结构面的倾斜角应小于倾斜角；(3)结构平面的倾斜角必须大于平面的内摩擦角；(4)滑动面的顶部与边坡的上表面相交，或在上部出现一条拉伸裂缝；(5)滑动体两侧有间隙面，间隙面对滑动体的侧阻力小，确定滑动体的侧边界。图52单平面滑动边坡的几何特征和图53无拉伸裂纹边坡的单平面滑动模型。下面分别讨论滑动面无水和滑动面注水的情况。分析中作了如下假设：计算中的所有力都作用在滑动体的中心，即滑动过程中没有使滑动体转动的力矩，滑动体只沿滑动面滑动；(2)滑动面的抗剪强度由结构面的内聚力C和内摩擦角决定，并遵循莫尔-库仑准则f=c tan。也可以采用其他抗剪强度标准。滑动面为无水(U=0)，滑动体OBC有沿结构面OC滑动的趋势，其中坡高H、坡倾角、滑动面倾角、滑动面长度L、滑动体顶面倾角、滑动体重量是已知的，滑动体截面积A和滑动体重量W=是通过几何关系得到的，因此滑动体的滑动力为Wcos，滑动体对滑动面的正压力为Wsin。根据摩尔-库仑准则，抗滑力为cL-wcostan，因此边坡的安全系数为：图53单平面滑动模型，边坡上无拉伸裂缝，滑动面充满水(U0)，地下水对边坡的稳定性影响很大，边坡失稳大多与水有关，水在边坡中的作用体现在许多方面，包括增加滑动重量，弱化边坡的力学参数静水压力u的方向是滑动表面的外法线方向，这减小了作用在滑动表面上的滑动体的正压力，而不管对滑动重量和剪切强度的影响。边坡安全系数为：由于滑动面上的水压有不同的分布形式，分别讨论如下：滑动面充满水(u 0)，(1)边坡中间高度的水压最大，最大水压最大，图54为水压分布图(边坡中间高度的水压最大)。浸水长度、滑动面充水(U0)、最大水压、最大水压和坡脚浸水长度。上述计算表明，在坡脚最大水压条件下，滑动面的水压值是中间水压值的两倍。图55是水压分布示意图(坡脚水压最大)。大多数岩石和土壤边坡在滑动前会在顶部或坡面上产生拉伸裂缝。如图56和57所示，水将不可避免地填充在拉伸裂缝中，从而产生侧向水压并降低边坡稳定性。为了便于分析，作了如下假设：滑动面和拉伸裂纹的走向与坡面的走向平行；(2)滑重W、滑面水压力U和拉裂缝水压力V的作用线都穿过滑体的重心，即假设没有转动岩体的力矩，破坏完全是由滑动引起的。一般来说，忽略力矩引起的误差很小，但对于陡峭的结构边坡，应考虑倾倒破坏的可能性。图56是不同位置拉伸裂纹的示意图，图57是边坡滑动过程中拉伸裂纹的一个例子，图58示出了具有拉伸裂纹的边坡的应力分析，其满足上述基本假设：边坡高度h、边坡倾角、滑动面倾角、平行于坡面走向的拉伸裂纹、深度Zt、与水平面的夹角、岩体重力、水重力w、 拉伸裂缝水压v、滑动表面水压u和最大水压值p。图58具有拉伸裂缝的边坡的应力分析。 当受拉裂缝中没有水和受拉裂缝中有水时，受拉裂缝和滑动面中不同的水压分布形式对边坡稳定性有不同的影响。当水压为线性时，根据最大水压的位置可分为以下三种情况。图59是水压分布示意图(存在拉伸裂缝，且斜坡中间高度的水压最大)，当最大水压位于斜坡底部和拉伸裂缝底部时，分别如图510和图511所示， 图510为水压分布示意图(存在拉裂缝，坡脚水压最大)，图511为水压分布示意图(拉裂缝底部水压最大)，实际工程中边坡水压分布较为复杂。 计算中通常会做一些假设和简化，但即使是简化模型也经常会出现以下问题：滑动体上表面不平整，拉伸裂纹的充水率小于100%，存在外力。然而，边坡稳定性分析的思路和安全系数的计算方法没有改变。在上述分析中，假设拉伸裂缝的位置和深度是已知的，但是如果在斜坡的顶部有土壤或砾石堆，拉伸裂缝的位置可能是未知的。因此，在设计分析中可能需要考虑和判断拉伸裂纹的位置。由于地震发生的概率较低，一般认为地震是可变的或偶然的，但为了安全储备，地震易发区应直接考虑地震力的影响。由于水平振动对边坡的影响很大，所以在计算地震力时一般只考虑水平地震力的影响。如图512所示，水平地震力用KcW表示，Kc是水平地震加速度(也称为地震动力系数)，其大小主动支撑主要表现为减小滑动力和增加抗滑力。此时，安全系数的表达式为：被动支撑主要表现为增加抗滑力。此时，安全系数的表达式为：一般来说，被动支撑的安全系数总是低于主动支撑的安全系数。由于上述水压、地震力等外力为主动力，相当于预应力锚杆的形式，安全系数的计算采用主动模型计算方法。有关锚杆设计的详细信息，请参见第9章。双平面滑动分析，5.2.1概述，5.2.2滑动体中没有结构平面，5.2.3滑动体中有结构平面，当边坡的滑动面由两个相交平面组成，且两个平面的方向与坡面相同或相似时，称为同向双平面滑动，如图514所示。如果两个平面将滑动体切割成楔形体，滑动体沿着两个平面的相交处向下滑动，称为楔形滑动，楔形滑动的计算和分析将在本章第4节中详细描述。图514是在相同方向和两个平面中滑动的斜坡的示意图。同向双面滑动的计算通常包括两种情况：第一种情况是滑动体中没有弱结构面，滑动体被视为刚体，可以用力平衡图解法计算；二是滑动体中存在一个弱结构面，滑动体被切割成若干块，此时需要分块计算。为了便于计算，滑动体被通过点b的假想界面分成两个部分，分别具有权重W1和W2。让P1为块ii施加在块I上的力，P2为块I施加在块II上的力。力的大小相等，方向相反。力的作用方向和水平方向之间的角度为(用图解法确定)。上述公式是在块1处于极限平衡状态时得到的，即它隐含地假设F1=1。在滑动体为刚体的条件下，滑动体整体的安全系数应具有F=F1=F2的关系。然而，如果获得的F2不等于1，则证明假设的F1=1有误差。因此，为了获得边坡安全系数F的大小，可以首先假设安全系数F1，然后将滑动面AB上的抗剪强度参数值除以F1以获得强度参数。绘制了通过循环试算得到的各组F1和F2的关系曲线。找出曲线上的点F1=F2，这是斜率的安全系数。图516同向边坡和双平面滑动稳定性分析的公式1-F2关系曲线；当滑动体中存在结构面时，滑动体不能视为完整的刚体，因为在滑动过程中，除了沿滑动面滑动之外，滑动体还可能在被结构面分开的两个块体之间滑动。显然，在稳定性分析中必须考虑这种滑移。在这种情况下，通常用结构面代替上述假想界面进行分析，也可以用不平衡推力法进行计算。对于块1，当滑动力大于抗滑力时，块1有下降趋势。此时，第一区块对第二区块施加的推力P2是从第一区块传递到第二区块的不平衡推力。假设推力P2的方向平行于第一区块的底面，推力P2的反作用力P1提供了第一区块维持平衡所需的支撑力。对于第二块，推力P2是促使它下滑的力量。此时，如果第二块在自重和推力的作用下保持稳定，滑动体整体上是稳定的。锯齿形滑动分析，概述5.3.1，5.3.2的基本假设，5.3.3的计算分析，5.3.4的隐式解和显式解的计算精度分析，天然边坡的失稳一般是沿坡体内的弱面(结构面)滑动，其滑动面往往是不规则的。在这种情况下，根据地质勘测结果，滑动表面被简化为折线形状，如图517所示。对于这种滑动面，稳定性计算通常采用不平衡推力法(也称为传递系数法或剩余推力法)。图517是S10的示意图(1)边坡各计算杆的滑动面是一条直线，即整个滑动面在剖面上是一条折线。(2)块体间的合力平行于前一块体的底面，例如，块体作用在块体上的推力平行于块体的滑动面；(3)当认为施加于第一条第1款砌块的外力(不包括斜坡外的水压)为负时，Pi=0。图517斜坡折叠滑动示意图、图518斜坡不平衡推力法示意图、图518斜坡不平衡推力法示意图、图518斜坡不平衡推力法示意图、图518斜坡不平衡推力法示意图。在Pn=0的条件下，安全系数的计算公式可以通过一系列的简化推导出来：没有外力作用在斜坡上，图518斜坡不平衡推力法示意图，图518斜坡不平衡推力法示意图，图519斜坡不平衡推力法(考虑外力)第一块的应力分析，由上述公式得到的安全系数称为不平衡推力法的显式解。虽然安全系数的表达式与隐式解一致，但无需迭代即可求解，从而减少了计算工作量。在不平衡推力法的计算过程中，隐式方法采用传统抗剪强度指标折减的定义，安全系数隐藏在抗剪强度指标和传递系数中，通过迭代求解。然而，在求解显式方法的安全系数的过程中，隐藏在抗剪强度指标和传递系数中的安全系数被消除，并且滑动力乘以安全系数得到显式计算公式。安全系数的定义不同于其他刚体极限方法，上述显式解是采用过载系数的概念同时进行简化得到的。一般来说，显式和隐式计算结果都比post Bishop方法大，这是不安全的，显式计算结果的误差也较大。当安全系数等于1时，显式和隐式是等价的；安全系数偏离1越多，由两个公式获得的安全系数之间的差异就越大。一些研究认为，对于光滑连续的滑动面，隐式方法可以无条件地使用。隐式解的使用应限于锯齿形滑动面，即滑动面所有转折点的倾斜度变化必须小于10。当转向点的倾斜度变化超过10时，应对滑动面进行处理，以消除喇叭效应。倾倒失效分析，5.4.1概述，5 . 4 . 2伍德曼-布雷法和5.4.3陈祖宇改进分析法。倾倒破坏是岩质边坡的一种主要失稳类型，常见于反层状结构边坡岩体中。当岩体中存在一组陡峭的结构面，且其走向与边坡走向大致一致时，被该组结构面切割的岩柱可能弯曲，边坡可能坍塌。图521是典型的斜坡倾倒破坏示例。图521显示了典型的边坡倾倒破坏。图522显示了倾倒失败的主要类型。根据倾倒破坏的形成过程，可分为四种类型：弯曲倾倒、岩块倾倒、岩块弯曲复合倾倒和二次倾倒。图522显示了倾倒失败的主要类型。Goodman-Bray法将滑坡体切割成n个具有抗倾结构面的矩形块体。不同应力状态下的块体自上而下将滑坡体分为稳定区、倾倒区和滑动区三部分。图524显示了边坡倾倒破坏分析模型。为了使边坡的变形协调条件成立，块体的几何边界条件需要简化为：1)在边坡顶部，最后一个稳定块体与第一个倾倒块体之间存在一条拉伸裂缝；2)在倾倒区内，两块岩块交界处的底部滑动面上有一个台阶，其高度为B；(3)在倾倒区内，相邻两个倾倒块的顶部为点接触，因此侧面没有内聚力，其法向力和切向力满足莫尔-库仑准则；4)在滑动区域，两个相邻滑块的内聚力在侧面和各自的底面上没有考虑，莫尔-库仑c运用古德曼-布雷法分析边坡倾倒稳定性。具体步骤如下：(1)从