边坡稳定性(开题报告)

1、三峡大学留学生公寓边坡稳定性分析1 课题来源三峡大学拟在其校园内新建“三峡大学留学生公寓 1 、2#楼”工程项目，该 项目位于大学路西侧， 逸夫楼南侧，该建筑均为 7 层框架结构，建筑高度 22.35m， 拟建工程重要性等级为二级， 场地复杂程度为二级， 地基复杂程度为二级， 综合 评价该项目的岩土工程勘察等级为乙级， 该项目由三峡大学建筑设计研究院负责 设计。2 选题背景及研究意义 伴随着我国经济建设的高速发展， 出现过大大小小由于边坡失稳造成的人身 和财产损失， 边坡综合防护设计日益引起社会的重视。 边坡设计不仅仅需要因地 制宜地选择实用、合理、经济、美观的工程措施，确保人民的生命安全和财

2、产， 同时到达与周围环境的相对协调与平衡， 以及美化社会的效果。 更需综合考虑地 下水、降雨强度、地形、土质、材料来源等情况来进行合理布局。研究边坡的稳 定性及治理方案有重大的理论与实践意义，更是保护生命财产安全的迫切需要。 因此，通过对边坡的稳定性评价及治理措施的研究将对其他类似边坡的稳定性评 价和治理具有很强的指导性意义。 对已产生的滑动的边坡以及濒临滑动的边坡进 行稳定性分析， 并采取合理的治理方案， 消除安全隐患， 对于保证工程的顺利进 行减少工程投资，保护人民群众的生命财产安全都有着重要的意义。3 国内外边坡稳定性研究现状3.1 国外边坡稳定性研究现状 1）起步阶段起步阶段，滑坡研究

3、开始于 20世纪 20年代的瑞典，瑞典人彼得森最早提出 了条分法。但之后的 20 年左右的时间里世界各国对滑坡的研究也只是零星的和 片段的。大多数国家都是由单独的研究人员进行小规模的滑坡研究，只有瑞典、 挪威、前苏联是由国立土工研究所进行滑坡研究， 并发表过一些著作和论文， 其 中瑞典人取得的成果最大。 原苏联曾于 1934 年和 1946 年召开过两次全国性的滑 坡会议。瑞典条分法同时考虑了粘聚力和摩擦力， 缺点是原理粗浅而且它的基本 假定脱离了实际情况是一个浅薄的理论，还有待进一步完善。2初步发展阶段初步发展阶段 （20 世纪 50 年代） ，人们开始考虑岩体的结构面和材料特性， 并且随着

4、理论的研究， 出现了极限平衡论和弹塑性理论， 这些新角度新方法的出 现显然推动了边坡稳定性研究的进步。接着索柯夫斯基在 1954 的时候提出了松 散介质极限平衡原理， 但是这种方法存在着一些缺陷， 会发现计算的结果与实际 不符，其原因是因为没有考虑到岩体的力学状态和结构面， 后来其他人在他的基 础上完善了他的理论并提出一种边坡边坡稳定性的方法， 完善了这个时期边坡稳 定性分析的发展。3深入发展阶段深入发展阶段 (20 世纪60年代) ，这个阶段比较清晰明朗， 人们对稳定性分析 的角度主要是两个方面。 一是考虑岩体中的结构面， 以极限平衡理论为基础， 运 用图解法和计算分析法求出安全系数来判断其

5、稳定性。John在1970提出了图解法。3.2 国内边坡稳定性研究现状由于长时间的封建社会以及战争， 新中国解放以前在边坡稳定性分析这方面 几乎没有什么研究， 要远远地落后于欧美等国。 但中国那些可敬的研究人员们发 奋图强使新中国成立以后边坡稳定性分析取得了很大的进步。总的来说，可分为以下四个阶段：(1) 50 年代起步阶段，主要以地质灾害为着眼点， 通过工程地质类比法与极限平衡法等 定性的分析方法，初步实现一些基本的边坡稳定性分析和防护设计。(2) 60 年代 进步阶段。当时使用的主要方法是实体比例投影法，既通过赤平极射投影， 来实现对边坡岩体的结构类型的划分， 同时提出了岩体结构与控制的观

6、点， 用该 方法对块体的破坏进行计算更快捷准确， 并开展了许多大型的野外岩体力学实验 为进一步边坡稳定性研究打下了基础 1 。(3) 70 年代进一步发展阶段， 这个阶段已经开始了研究边坡的变形破坏机理工作。 并开 始运用弹塑性力学极限平衡理论等方法来分析和评价边坡的稳定性。 潘家铮提出 了滑坡极限分析的极大值原理和极小值原理两条基本原理进一步扩充了关于边 坡稳定性研究的理论知识。 随着科技的不断进步， 理论知识和硬实力的提高也使 得有限单元法、 边界元法、 离散元法等更前沿的方法进入评价边坡的稳定性、 分 析边坡变形破坏的条件的这个领域中。(4) 80 年代逐渐成熟阶段，人们开始从整体上认识

7、边坡稳定性的发展趋势以及边坡的变 形破坏机理。诸如块体理论、DDA法、灰色理论、模糊数学、数据库与专家系统、 电脑仿真技术、 损伤断裂力学理论、 神经网络模型和遗传算法等一些新理论、 新 技术、新方法开始出现并被运用到边坡稳定性研究， 这些方法的出现为预测边坡的稳定性开创了更为广阔的前景4 国内外边坡治理技术研究现状4.1 国外边坡治理技术研究现状早在19世纪中期，一些欧美国家就已经开始对边坡治理的工作进行研究，但 毕竟是早期发育期由于理论知识和技术的原因， 对象还只能是一些小型偏简单的 边坡。进行治理排水工程的措施大多是减载、反压、和抗滑挡土墙。第二次世界 大战后，欧美各国大兴土木， 公路发

8、展迅猛直接导致了边坡灾害也越来越多， 人 们慢慢一意识到治理灾害的重要性和必要性，人为支挡工程治理大 量边坡灾害取得了明显的成效。 人为支挡工程成为当时普遍流行而且较当时非常 先进的方法成为治理边坡灾害最重要的方法。 支挡工程的发展基本经历了三个阶 段 2 ：(1) 第一阶段20 世纪 50年代以前，正是欧美工业化兴起的时候， 为了大规模的开采矿产资 源和发展交通运输， 许多国家开始大量的修筑高速公路、 铁路等等， 过度的追求 经济效益导致为了速度出现了许多人工边坡， 从而发生大量崩塌和滑坡， 给人们 带来严重生命财产损失。 吸取了教训后， 关于滑面边坡稳定性与防护相关的理论 与实践研究才慢慢

9、开始。(2) 第二阶段20 世纪 60到70年代，人们慢慢开始使用抗滑桩支挡工程， 这成为解决抗滑挡 土墙施工过程的一些困难很好的方法。 当时欧美和前苏联在这方面处于领先地位 亚洲则以日本为代表。 一些国家用承台联接两排或者三排桩顶， 从而产生刚架受 力这样的方法来增加群桩受力和桩的抗剪切能力。 亚洲发展最好的日本更钟情与 采用直径为400-500mm孔深约20-30m的钻孔钢管桩，在孔中插入直径为 318-457mm壁厚约为10-40mnU钢管，在钢管中放入H型钢增加桩的抗剪能力。 其桩间距采用 1.5-4.0m ，大多数为 2.0-2.5m 。(3) 第三阶段20 世纪80年代，在利用小型

10、抗滑桩的同时， 开始使用大直径的挖孔抗滑桩用 以治理一些较大型的滑坡灾害。 锚索的出现是的不仅实现了机械化而且更加经济 适用，更突出的是力学性能比抗滑桩更好，非常好的弥补了抗滑桩的不足。4.2 国内边坡治理技术的研究现状(1) 第一阶段20 世纪50年代，一抗滑挡墙及浆砌片 (块)石防治。当时使用的方法还都是老 方法，但是老方法有一个共同的缺点就是都是暂时使边坡趋于稳定， 外界条件一 旦发生了改变，边坡很可能轻易就会发生失稳破坏。 例如：宝成铁路由于只采取 了减载、排水或抗滑挡土墙等措施就导致在1981年的洪水期间有10余个滑坡出现 了严重的破坏。(2) 第二阶段20世纪60年代晚期，抗滑桩技

11、术3开始运用，以前一些施工难工程量大的 项目他的边坡灾害很不好处理但，一些难度比较大的边坡滑坡灾害的治理因为有 了抗滑桩技术得到很好的解决。抗滑桩承载能力大、施工速度快等优点都是实施 高大难工程项目正好需求的，深受研究人员和施工部门的欢迎，因此在全国得到 迅速推广和运用。(3) 第三阶段20世纪80年代晚期，锚喷技术施工快速、简便、安全，所以它很快得到了各 个国家的使用。与此同时加上我国在这项技术的研究取得了突破性进展，所以我国也开始采用并广泛推行锚喷防护治理技术。锚索具有高强度、抗拉力大的特点， 预应力锚索可以变一般支挡结构物的被动受力为主动受力，滑体扰动力小，可以机械化施工，使其其应用前景

12、十分广阔。在排水方面，人们开始主张结合预应力 锚索、抗滑桩支挡等以排水为主综合治理。(4) 第四阶段20世纪90年代，出现框架锚固结构和压力注浆加固手段， 它是一种应用前景 非常广泛的边坡治理方式。通过深层加固的技术，能够解决边坡的深层加固以及 稳定性问题，在边坡治理过程中得到应用广泛。5本人选择的研究方法：根据长时间的研究总结，边坡稳定性分析方法大致可分为确定性方法和不确 定性方法4细分的话有极限平衡分析法5、极限分析法、数值分析法，这些方 法统称为确定性方法。相对应的不确定性方法则以随机概率分析法为代表。本人选择的是极限平衡法，下面对极限平衡法的简单介绍。5.1、极限平衡法的特点1核心思想

13、极限平衡法的核心思想有两点：一是化整为零，即将边坡滑体进行条块划分， 并研究条块之间的相互作用，不同的极限平衡法之间的差异就在于条块间相互作 用假定的不同；二是极限平衡，即滑体在一定条件下到达极限平衡状态，亦即边坡安全系数Fs=1.0，当然不同方法对边坡安全系数的定义也有差异。2方法的可行性极限平衡法虽然简单，但是简单并不代表其理论上不严密，在此有两个问题 需要说明：一是为何可以选取平面作为边坡剖面进行分析， 这是由于在选择计算 剖面时通常选取最不利的平面，并且平面忽略了垂直于平面的约束， 将其简化为 平面应力问题，这使得典型剖面的计算结果更加保守， 因此更偏于安全；二是边 坡实际所处的弹塑性

14、状态，根据潘家铮上下限原理，岩土体所处状态总是介于上 下两个极限之间，对边坡而言，其上限是整个滑体到达塑性状态， 下限是仅滑动 面到达塑性状态，极限平衡法对应的极限状态首先是使滑面到达塑性状态，滑体则根据不同方法条间力假定的不同而在不同程度上到达塑性状态。基于以上两 点，可以看出极限平衡法虽然简单，但是它在一定程度上反映了边坡稳定状态的 本质，而且在理论和方法上是严密可行的。3优缺点极限平衡法的特点即是忽略边坡演化过程，直指特定状态下的稳定分析结 果，这个特点既是其优点所在，也是其不足之处，优点在于忽略了边坡岩土本构 这个难题，直接分析边坡极限状态下的稳定性； 不足在于由于忽略了本构，因此 不

15、能分析边坡的变形演化过程，而且只求解边坡整体稳定系数，目的过于单一。 当然极限平衡法和数值算法亦存在一个共同问题， 即必须在典型剖面上搜索出滑 动面，不同之处在于，极限平衡法是通过经验和试算选取安全系数最小的剖面作 为滑动面，而数值算法则选取塑性贯穿区作为滑动面。5.2、安全系数的定义方法在确定边坡滑动面以后，通过调整滑动面上正应力6、剪应力T与强度参数C、©关系使边坡到达极限平衡状态，根据调整关系的不同衍生出不同的安全 系数定义方法，目前公认且应用较多的有以下三种方法：1）强度折减法强度折减法通过折减强度参数C、©从而使边坡到达极限平衡状态，并将折 减的具体数值定义为安全

16、系数 Fs。强度折减法是经过多年来的实践被国际工程 界广泛承认的一种方法，这种安全系数只是降低抗滑力，而不改变下滑力。同时， 用强度折减法也比较符合工程实际情况，许多边坡的发生常常是由于外界因素如降水、震动等弓I起岩土体强度降低而导致岩土体滑坡。2下滑力超载法下滑力超载法是将滑裂面上的下滑力增大一定倍数使边坡到达极限状态，其增大倍数即为安全系数 Fs，也就是增大荷载引起的下滑力项，而不改变荷载引 起的抗滑力项。从形式上看，下滑力超载法与强度折减法的表达式基本相同，但 是含义并不同，这种定义在国内采用传递系数法显式解求安全系数时应用，不过由于传递系数法显式解还作了一些假定 如下滑力方向假定等，其

17、安全系数计 算结果与一般条分法并不完全一致，一般情况下其计算结果偏大。下滑力超载法 表达式说明，极限平衡状态时，下滑力增大Fs倍，一般情况下也就是岩土体质 量增大Fs倍，而实际上质量增大不仅使下滑力增大，也会使摩擦力增大，因此 下滑力超载法不符合工程实际。3超载储备法超载储备法是是将荷载（主要是自重）增大Fs倍后，使坡体到达极限平衡状 态。超载储备法相当于折减黏聚力c值的强度储备安全系数，对无黏性土（ c=0） 采用超载储备安全系数显然是不适用的。4其他方法矢量和法7认为边坡滑体的抗滑力和下滑力都是矢量，因此应将抗滑力R和下滑力T的矢量叠加投影到某一计算方向0后计算安全系数。5.3、未知量、平

18、衡方程及引入条间力假定极限平衡法将边坡滑体划分为n个条块，选取第i个条块进行分析。根据条 块是否满足力矩平衡关系又将分析方法划分的严格条分法和不严格条分法，严格条分法的每个条块均满足力和力矩平衡，而不严格条分法则仅满足力平衡。整个边坡未知量数量分别为：边坡整体安全系数Fs计1个；条底力Ni计n个；条底力Ti计n个；条侧力Ei计n-1个；条侧力Xi计n-1个；Ei作用高度 计n-1个不严格条分法不考虑条块力矩平衡，Ei作用高度不参与计算，因此 未知量计0个。未知量总数合计5n-2个不严格条分法为4n-1个。整个边坡平衡方程数量分别为：水平力平衡方程计n个；垂直力平衡方程计n个；力矩平衡方程计n个

19、不严格条分法为0个；每个条块的局部安全系数 均与整体安全系数相等计n个方程。平衡方程合计4n个不严格条分法为3n 个由上述边坡未知量和平衡方程数量可以看出，未知量数量多于平衡方程数 量，严格条分法多n-2个，不严格条分法多n-1个。为了便于未知量和平衡方程 的求解，因此必须引入条间力假定。引入条间力假定后，n个条块之间将增加n-1 个平衡方程，对于严格条分法，未知量和平衡方程数量将分别为5n-2个和5n-1个，由于平衡方程数量比未知量数量多 1个，因此必须再引入一个新的未知量参 与求解；对于不严格条分法，未知量和平衡方程数量均为4n-1个，因此可以直接求解。5.4、几种经典方法述评1瑞典法假定

20、：不考虑条间力；适用范围：只适用于圆弧滑面；求解过程：通过整体力矩平衡求解安全系数；计算结果：安全系数计算结果偏低 1020%因此结果偏于保守；特点：历史悠久，是最早的边坡稳定性分析方法。2简化Bishop法假定：只考虑水平条间力；适用范围：只适用于圆弧滑面；求解过程：条块垂直方向的力平衡和整体力矩平衡求解安全系数；计算结果：通常情况下计算结果较为精确；特点：首次采用强度折减定义。4传递系数法不平衡推力法假定：假定剩余下滑力方向为条底倾角方向，并由此确定垂直条间力和水平条间力的比例关系；适用范围：圆弧、折线滑面均适用;求解过程：根据条块垂直和水平方向的力平衡求解安全系数，同时根据安全 系数不同

21、定义方法分为显示解法和隐式解法。显式解，根据滑面正应力C和剪应力T求解抗滑力和下滑力，并由此计算FS=f( C , T )；购隐式解：根据最后一个条块的剩余下滑力为0,求解f(Fs)=0 ;计算结果：假设条底倾角变化幅度小于10°,则精度很高；特点：国产方法，简单实用，国内标准普遍采用，尤其对支挡结构设计时较 有意义。5)Morge nstern-Price 法假定：假定条间力方向B的函数为 tan B =Xi/Ei=f0(x)+入f(x),引入新参数 入，假设f0(x)=0、f(x)=1，贝U tan B =入，即为Spencer法，通常情况下 tan B的分布规律为是f0(x)线性分布，f(x)取正弦函数；适用范围：圆弧、折线滑面均适用；求解过程：根据条块垂直和水平方向的力平衡和力矩平衡求解安全系数；计算结果：公认比较精确的方法；特点：由于Morgenstern-Price法为严格条分法，因此引入了新参数入，入 的物理意义是什么，如何验证条间力是否合理？5.5、展望由于极限平衡法自身理论严密性的需要和工程适用性的拓展，以及数值算法带来的外部压力，近年来许多学者也对极限平衡法进行了不断的改进和研究， 具 有有以下几个方面的代表性工作：第一、抛弃原有的条分方法，另起炉灶。如郑宏