堤坝边坡稳定性研究

堤坝边坡稳定性研究（精选11篇）

堤坝边坡稳定性研究 篇1

边坡稳定分析是土力学中的一个经典的领域, 极限平衡法是岩土体稳定性分析方法之一[1]。极限平衡分析方法是将在滑动趋势范围内的边坡岩体沿某一滑动面切成若干竖条或斜条, 在分析条块受力的基础上建立整个滑动岩体的力或力矩平衡方程, 并以此为基础确定边坡的稳定安全系数。相对于边坡稳定性分析中的数值分析法, 极限平衡法出现较早, 发展较为成熟, 在国内外的工程中多次使用。目前常用的二维极限平衡分析方法有:瑞典法[2] (亦称作Fellenious法) 、简化Janbu法[3]、Bishop简化法[4]、严格Janbu法、Morgenstern-Price法[5]等, 区别主要在于条间力假设。这些方法都是假定滑体各分条块在某种条件下在剪切面上都达到极限平衡状态, 并将超载倍数或强度折减系数定义为边坡稳定的安全系数。

Autobank软件可对土坝、堤防、涵洞、水闸等进行详细的分析计算[6], 渗流、变形、应力、稳定计算一体化, 各个计算阶段无缝结合。直接应用AutoCAD图形, 全部图形化界面, 操作简便, 最大限度地提高工作效率;并且内部采用有限元技术和先进计算方法, 使用内置的瑞典条分法、毕肖普算法、摩根斯顿法可对边坡稳定性进行计算对比。

因此, 本研究利用Autobank软件对水厂铁矿北采场边坡进行建模, 在允许范围内变化其上下坡角的大小, 通过Autobank软件中的三种算法算出各个情况下的安全系数, 并做以对比分析。以此来分析坡角变化对边坡整体稳定性的影响, 并针对现场工况寻找最优的上下坡角配比。

1 工程背景及地质条件

水厂铁矿床位于迁安铁矿区北区西矿带上复向斜的东北端, 复向斜由北山向斜、旧水厂背斜、南山向斜组成。褶皱轴北东端翘起, 向南西倾伏, 区内构造断裂发育, 大小断层有40余条。矿区处于构造侵蚀类型的中低山地区, 地势特征西南高, 东北低。西部最高峰为将军墓岭, 标高332.90m, 采坑底标高-136.38m, 地貌单元属低山丘陵地貌。矿区出露地层主要有:侏罗系砾岩、泥岩及火山熔岩, 太古界迁西群组麻岩 (黑云混合片麻岩组和辉石黑云斜长片麻岩组) , 第四系残坡积土。

火山熔岩位于侏罗系后城组 (J2h) 的底部, 与下覆的太古界地层为不整合接触关系, 为似层状、透镜状至不规则状, 厚度变化大, 1线西南220m处至21线出露的火山熔岩为似层状、不规则状, 9线以南30m处为透镜状, 其它地段缺失。砾岩组以砾岩为主。灰白色, 角砾状结构, 层状结构。角砾成分主要有各种片麻岩, 沉积岩、火山岩组成, 硅质胶结, 局部铁质胶结。地表岩石风化强烈, 裂隙较发育, 各向异性, RQD值62～88%, 平均RQD值78%;线裂隙率0.13～0.21%, 平均线裂隙率0.17%。泥岩组以泥岩为主。紫红色, 泥质结构, 中厚层状构造。岩心完整, 多呈长柱状。失水后迅速干裂粉化, 易破碎;遇水后迅速软化和膨胀, 变成泥状。裂隙发育一般, 各向异性, RQD值61～79%, 平均RQD值70%;线裂隙率0.16～0.17%, 平均线裂隙率0.17%。辉石黑云斜长片麻岩组以辉石黑云斜长片麻岩、辉石角闪黑云斜长片麻岩、黑云斜长片麻岩、石榴黑云变粒岩为主。灰白色-灰绿色, 中粗粒结构, 弱片麻状构造。岩心较完整, 局部破碎。节理裂隙发育, 各向异性, RQD值39～74%, 平均RQD值62%;线裂隙率0.1～0.27%, 平均线裂隙率0.17%。黑云混合片麻岩组以黑云混合片麻岩为主, 浅部风化强烈, 深部较完整, 除风化裂隙外, 裂隙发育一般, 各向异性。RQD值45～93%, 平均RQD值66%;线裂隙率0.13～0.34%, 平均线裂隙率0.20%。浅部含风化裂隙水。第四系堆积物及人工填土由分布于采坑两帮范围地表的坡残积土及人工废石等组成, 结构松散, 含孔隙水且透水。

通过现场取得的各类岩石样品的室内物理力学试验, 得出如表1所示的边坡岩体的物理力学参数取值表[7]。

水厂铁矿地区属于地震活动多发地区, 天然地震与爆破同时发生的可能性极小, 因此, 只在整体边坡稳定性计算中考虑天然地震, 按7°地震烈度考虑, 取水平地震影响系数为0.05。

2 坡角对边坡稳定性影响研究

2.1 边坡的开挖深度最低达到-440m水平, 坡角在43～47度范围内变化。

本研究分别选取43、45、47°进行边坡剖面稳定性计算 (项目在水厂铁矿北采场该段边坡进行边坡坡角开挖试验, 监测从43～47°坡角的岩石应力情况。因此, 本论文中模拟计算选取43、45、47°, 跨度2°进行计算, 具有代表性并有针对性, 最后利用该次研究成果与监测数据作对比) 。

首先在Autobank中建立模型, 为上下角均为43° (即为上下角均为43°) , 而后在模型中改变其坡脚角度 (45°、47°) 分别进行计算, 如图2-1。

(1) 第四系人工堆积物 (2) 砾岩 (3) 熔岩 (4) 泥岩 (5) 黑云混合片麻岩 (6) 辉石黑云斜长片麻岩

边坡极限平衡分析采用瑞典法、毕肖普法和摩根斯顿法三种方法, 利用Autobank软件建模。自重情况下, 利用三种不同的极限平衡分析法计算43°坡脚的安全系数, 如图2-2。由于露天矿边坡是非永久性边坡, 而且是逐步形成的, 最终边坡形成后保留的时间短, 这些因素决定了边坡容许安全系数不必过大。考虑到露天矿边坡为岩质边坡, 因此全部计算以摩根斯顿法为依据, 其它方法为辅。

通过边坡角的设置, 利用瑞典法、毕肖普法、摩根斯顿法分别计算出45°、47°边坡角时的安全系数, 整理对比如表2。

如上表2所示, 仅在自重应力作用下时, 在坡脚变化对边坡稳定性有一定的影响, 并且随着坡脚角度的增加使得稳定性慢慢下降, 三种分析方法中均可得此规律, 可以得出边坡角对边坡坡面的整体稳定性是有一定的影响的。

2.2 根据现场工况需要, 在自重情况下需要筛选出安全系数在1. 6 0 0 左右的坡脚, 从表2中可以看出43°坡角更符合被筛选的条件。在选取上边坡角为43°同时, 分别选取下边坡角为45°、47°进行分析, 如图2-3。在自重及自重+水+地震的两种工况下进行计算, 图2-4为上下角为4 3/45°的计算分析结果。

通过对下边坡角的变化, 利用瑞典法、毕肖普法、摩根斯顿法计算得出边坡在两种工况下的安全系数, 整理对比分析如表3。

通过表3可以看出, 当上边坡角固定为 (1) 节中筛选出的最佳度数43°时, 变化下边坡角角度同样对边坡整体稳定性造成影响。水和地震导致边坡极限平衡分析得出的结果较单纯自重工况下低, 说明影响其边坡整体的稳定性。计算结果以摩根斯顿法为主, 根据现场的需要, 在水和地震的影响下选取安全系数在1.200以上的上下边坡角, 可以从表3中看出, 43/47°最为合适。

3 结束语

3.1 本次计算的剖面重点在西帮扩帮区域边坡坡底最低标高为-440m, 边坡变化情况局部较大, 应进行边坡角修正;对其他分区边坡变化较小的区域进行稳定性验算, 可采用原设计边坡角。

3.2 通过多方案的优化计算, 并综合考虑矿区地质构造、岩层性质和水文地质条件等因素, 依据边坡设计规范规定的边坡安全系数最小应大于1.166。

3.3 边坡稳定性的两个主要影响因素:水和地震。从计算结果可以看出, 水和地震对边坡稳定性的影响较大。因此, 边坡开挖过程中应密切注意矿区的水文地质情况, 及时进行排水疏干。

3.4 根据现勘察场的需要, 在水和地震的影响下选取安全系数在1.200以上的上下边坡角, 43/47°最为合适。在保证边坡稳定性的前提上, 能使矿山资源得到最大化的利用, 从而获得更好的经济效益。

摘要：以水厂铁矿北采场边坡作为研究对象, 通过Autobank软件建立边坡模型进行计算, 在允许范围内设置边坡上下角的不同的角度, 利用软件内置的极限平衡法来计算各种情况下边坡的安全系数, 分析边坡开挖坡角对边坡稳定性的影响。分析结果表明, 开挖边坡上下坡角对边坡安全系数都会有一定程度的影响。当开挖过深使得坡角增加过多时, 坡面稳定性降低, 边坡产生滑移的可能性增大。本次研究针对水厂铁矿边坡环境, 试图寻求最优坡角, 为水厂铁矿及相似工程提供理论支持并做以借鉴参考。

关键词：边坡,坡角,极限平衡分析,安全系数,稳定性

参考文献

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[6]杜守来.AutoBank软件在土坝渗流稳定计算中的应用[J].现代农业科技, 2012, 6:252-253.

[7]刘立鹏, 于红杰, 陈奇.力学、几何参数对土质边坡稳定的敏感性分析[J].岩土工程技术, 2008, 3:123-126.

堤坝边坡稳定性研究 篇2

基于优化智能方法的边坡稳定性分析研究

边坡稳定影响因素复杂且具有随机模糊性,给边坡稳定性分析带来了诸多障碍.基于进化BP神经网络的智能方法,充分利用BP人工神经网络对非线性函数强大的映射能力、自学习能力和推广能力,本文建立了基于MATLAB神经网络工具箱的优化智能边坡稳定分析系统,同时采用贝叶斯规则化法对系统进行改善,大幅提高了泛化能力和工程适用性.

作 者：孙富学 杨昭宇 阮长锋 朱云辉 作者单位：温州大学,建筑与土木工程学院,浙江,温州,325035刊 名：中国水运(下半月)英文刊名：CHINA WATER TRANSPORT年，卷(期)：20099(1)分类号：U418.5+2关键词：边坡稳定性 人工神经网络 优化智能方法

堆积体边坡稳定性分析研究现状 篇3

【关键词】堆积体；边坡；稳定性分析；研究现状

0.引言

我国是一个地质灾害十分频繁的国家，尤其是我国西南地区，不仅地质灾害数量多，而且灾种全。其中崩塌、滑坡、泥石流等浅层表生地质灾害异常突出，分布有大量的由滑坡堆积、崩塌堆积、残积层、冰溃堆积、坡积物等组成的松散堆积体斜坡[1]。与此同时，西南地区一系列大型乃至巨型正在建设或规划中的水电站相继开工建设，在复杂地质环境和大规模工程活动、水库蓄水及暴雨等复杂条件下，可能会有大量的水库库岸堆积体边坡发生变形甚至失稳破坏。

水库库岸堆积体边坡失稳的代价是巨大的。斜坡或边坡作为一种人类不可回避的地学环境与工程形式，总是伴随着人类的工程活动，人类为了安全始终关注着边坡的稳定性。一百多年来，人们对边坡变形过程、失稳形式、失稳机制、稳定评价及滑坡预测预报等进行了广泛的研究，借助数学、力学和计算科学理论与方法，试图对边坡的稳定、演化及滑坡的预测预报进行研究，并应用到工程实践中。

1.土坡稳定性分析理论研究现状

1.1边坡稳定性分析现状

边坡失稳作为普遍存在的工程问题受到国内外学者的重视。对此课题的研究，国内外都经历了从实践积累到理论归纳，再实践，再归纳，并逐步总结提高的过程。十九世纪末二十世纪初，随着发达国家的大规模土木工程建设，大量边坡工程问题、特别是滑坡问题随之产生，并造成了很大损失，人们开始应用材料力学和近代土力学的理论对边坡问题进行半经验、半理论的研究。上世纪五十年代，我国学者引进了前苏联的工程地质分析的体系，继承和发展了地质历史分析法，着重研究边坡的工程地质背景和边坡类型的划分，以此进行边坡的工程地质类比分析，在滑坡的分析和研究中取得了一定的成果。

1.2边坡稳定研究方法现状

研究边坡稳定的方法主要有：“地质历史分析”方法、极限平衡法、概率分析法、极限分析法、数值计算分析方法、物理模拟法、非线性方法等。现将主要边坡稳定性评价方法列述如下：

（1）“地质历史分析”方法：五十年代，我国许多工程地质工作者在滑坡研究中采用了苏联的“地质历史分析”方法[4]，但该方法偏重于定性描述和分析。

（2）极限平衡法：极限平衡法是一种定量方法，也是工程中使用最多、最成熟的方法，其理论基础为极限平衡理论。它通过分析在临界破坏状态下，土体外力与内部强度所提供的抗力之间的平衡计算土体在自身和外荷作用下的稳定程度。同时，根据假设不同而形成不同方法，具有不同的适用范围。

（3）极限分析法：岩土工程极限分析是典型的塑性极限分析问题。塑性极限分析对象包括塑性区Gussmnna.P提出了运动单元法，以莫尔一库仑岩土介质为研究对象，采用离散技术与现代数值手段，通过运动分析、静力分析和求多变量目标函数值的优化分析，有效地分析了地基极限承载、挡土墙极限土压力及斜坡稳定性问题。

（4）数值计算分析方法：数值计算方法上，随着计算机的普及和发展，出现了一批以弹性力学、结构力学为基础的数值计算方法：FDM（有限差分法）、FEM（有限单元法）、DEM（离散单元法）、DDA（不连续变形分析）、FLAC（快速拉格朗日插值）、NNM（流形元方法）等。

（5）非确定性分析方法：该方法的评价基础是工程地质类比法、滑坡静态规律的认识以及预测科学的一般原理。随着概率论、数理统计、信息理论、模糊数学等方法用于滑坡预测，目前已形成了多种预测模型。其预测成果可相互对比、检验，使预测成果更具合理性、科学性。目前常用的非确定性定量分析方法主要有以下几种[7]：①经验方法；②数理统计方法；③信息模型法；④模糊数学评判法；⑤灰色系统方法；⑥模式识别方法；⑦非线性模型预测法；⑧人工智能法。

其中，数值计算分析方法又可以分为如下几种：

①有限单元法（FEM）：该方法是目前应用最广泛的数值分析方法。它能够考虑滑坡体的非均质性、不连续性等特征，考虑岩体的应力应变特征，避免将坡体视为刚体，能够切实地以应力、应变为变量分析边坡的变形破坏机制，对了解滑坡的应力分布、应变发展很有利。其不足之处是：数据准备工作量大，而且原始数据易出错，不能保证整个区域内某些物理量的连续性；对解决无限性问题、应力集中等问题精度较差。

②边界单元法（BEM）：该方法只需对已知区域的边界进行极限离散化，具有输入数据少的特点。其计算精度较高，在处理无限域方面有明显的优势。其不足之处为：一般边界元法得到的线性方程组的关系矩阵是满的不对称矩阵，不能采用有限元中成熟的求解稀疏对称矩阵的解法。另外，边界元法在处理材料的非线性严重不均匀的滑坡问题方面，远不如有限元法。

③快速拉格朗日分析法（FLAC）：为了克服有限元等数值分析法不能求解岩土大变形问题的缺陷，人们根据显式有限差分原理，提出了FLAC数值分析方法。该方法较有限元方法能更好地考虑岩土体的不连续性和大变形特征，求解速度较快。其缺点是同有限单元法一样，计算边界单元网格的划分带有很大的随意性。

④离散单元法（DEM）：该方法可以直接反映岩体变化的应力场、位移场以及速度场等各个参量的变化，也可以模拟边坡失稳的全过程。另外，该方法特别适合块裂介质的大变形及破坏问题的分析，但所需计算时步非常小，阻尼系数也难以确定。

⑤块体理论（BT）：该方法是以构造地质和简单的力学平衡计算为基础，利用拓朴学和群论提出的一种评价三维不连续岩体稳定性的方法。随着关键块体类型的确定，块体理论能够找出具有潜在危险的关键块体的临空面位置及分布。

除以上几种方法外，近几年还出现了如无界元（IDEM），不连续变形分析（DDA）等方法。此外，由于工程实践的需要，出现了多种数值方法的算法，使滑坡稳定分析数值方法化的趋势更加明显。但数值分析方法也存在着不足：由于地质条件的复杂性及认识的局限性，往往使计由于计算参数的选取是以某种简化为基础的，与实际存在一定误差，继而影响了计算结果的精度[5，6，7，8，9，10]。

1.3边坡参数选取研究现状

边坡的静力稳定研究中，计算采用参数的准确程度会对边坡稳定的评价结果产生重大的影响，因此，本节对边坡物理力学参数选取的研究现状进行论述。

当前国内外岩体力学参数选取研究的总趋势是有经验、半经验、精度较低的数值计算方法向考虑多种因素影响，计算过程复杂、精度较高代表性较强的数值中计算分析法发展。尤其是计算机的使用，使这一领域的研究加快。岩体力学参数选取常用的方法有点群中心法、优定斜率法、最小二乘法、随机一模糊法等。点群中心法由于人为因素影响过多，目前已不常采用，国内对于岩体力学参数的研究主要是从岩体力学参数本身所包含的随机性和模糊性出发，应用随机理论和模糊数学的方法，对试验所得的数据进行分析以获得更为逼近岩体力学实际参数的“真值”[11]。

1.3.1水库库岸堆积体边坡塌岸范围预测方法研究现状

水库蓄水运行过程中，库岸所处的地质环境将发生改变，自然平衡条件遭到破坏，引起岸坡变形失稳，库岸线也逐渐后退，直至达到新的平衡状态为止，这一过程称为库岸再造。库岸再造是一个十分复杂的动力地质过程，受岸坡物质组成、结构特征、形态及水流等多因素控制，塌岸过程复杂，尚无法精确地通过数学计算式来表达。

1.3.2地震作用下边坡稳定性分析研究现状

地震边坡稳定性研究是边坡稳定性研究的重要方面，是岩土工程和地震工程中关心的重要问题之一。刘红帅等认为，从地震作用下是否考虑边坡岩体参数的不确定性的观点来看，岩土边坡地震稳定分析方法可分为确定性方法和概率分析方法两大类；从边坡稳定性计算中对地震动作用的不同处理方式来看，岩土边坡地震稳定性分析方法宜分为拟静力法、滑块分析法、数值模拟法和试验法四大类[5，10，12-18]。

2.结束语

目前，我国的大部分已建、正在兴建和规划中的水利水电工程都在该地区。水利工程中库岸边坡的滑动范围和稳定性问题是大坝安全、社会效益和水利工程经济效益考虑的重要因素之一。同时，西南地区地壳活动频繁，地震震级高、强度大，大量库岸边坡都是重力崩塌堆积体。西南堆积体边坡，考虑地震作用下修正塌岸预测方法中图解法，并将其用于预测边坡滑动范围；与实际情况对比进行反分析，藉此评价堆积体边坡震后滑动范围图解法反分析在工程上的适用性。

【参考文献】

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某隧道边坡稳定性研究 篇4

边坡问题无论是在施工过程中还是在工程建成后,边坡失稳问题一直威胁着工程的质量。因此对边坡稳定性的研究,历来是工程技术人员非常关心的课题。而目前运用刚体极限平衡法能够比较容易地处理各种复杂的几何形状和各种类型的边界条件,解决难以用解析法求解的力学问题。因此,它成为解决复杂岩土体力学问题的有力工具。

本文围绕某隧道边坡稳定性,在工程地质调查的基础上,进行边坡地质模型概化与试验参数研究,运用刚体极限平衡法对边坡在不同工况下的稳定性进行计算,最终对该隧道边坡稳定性进行综合分析与评价,并为进一步探讨该隧道边坡的加固方案提出了合理建议。

1 工程概况

在建的某隧道是某高速公路重要控制工程之一,隧道上方边坡工程主要为岩质挖方路堑边坡,该边坡岩石力学性质较差。随着隧道的开挖可能导致其上方边坡发生严重变形甚至破坏。因此有必要对其进行系统性的稳定性研究。

1.1 区域地质背景

边坡区内构造形迹以NNE向为主。工程场区位于养长河背斜北西翼,其周边5 km2范围内没有大的断层出露,岩层产状总体稳定,约330°∠40°。在桥址周围发育众多不同形态的结构面(包括裂隙面和层面),这些结构面对桥头边坡稳定性起控制作用。

研究区主要出露三叠系下统大冶组碳酸盐岩地层,另外在河床底部出露有一定厚度的冲洪积层。

1.2 气象与水文地质

研究区属潮湿气候温暖区,春早、夏热、秋雨绵绵,冬暖而多雾,无霜期长,气候温暖湿润,雨量充沛。地下水主要为岩溶裂隙水和松散堆积体孔隙水。地下水补给主要靠大气降水,且大多以地表径流的方式向河谷区排泄。

2 边坡变形破坏现状

目前,边坡岩体受构造、侵蚀、风化、卸荷及人类工程活动影响,局部地段有明显的变形破坏迹象,随着裂隙面规模逐渐扩大,力学特性逐渐开始弱化,并逐步形成裂隙带、软弱层面、层间软弱带。

同时,因20世纪70年代修建水电站而开挖的引水渠,致使在坡脚带形成了高3 m～8 m不等的临空面,临空面以上块体不能自稳,进而发生顺层面或裂隙面的滑动破坏,其中部分岩体的失稳又会带动周边块体的渐进性失稳、破坏。而随着隧道施工的进行,坡体将可能由于坡脚的破坏、坡体自重、动水压力及其他荷载共同作用下发生进一步的失稳。

3 边坡稳定性分析

为了对边坡稳定性进行合理分析与评价,考虑边坡的潜在变形破坏以顺层破坏为主,故选取走向与岩层倾向一致的工程地质剖面,按最不利组合模式,剖面中共有3个代表性潜在滑移体,其位置形态如图1所示。

3.1 计算参数选择

控制性结构面的抗剪强度参数是边坡稳定性计算的关键指标之一,滑动面的剪切强度参数通常依据以下三种数据来确定,即试验数据、极限状态下的反算数据和经验数据。

本文根据现场采集代表性结构面样和岩块样,基于室内试验,分析这些样本在天然和饱水状态下的物理力学参数,并确定饱水参数和天然参数之间的相关关系。由于室内试验存在尺度效应和时间效应等问题,其成果往往难以直接应用到工程稳定性评价及治理设计中,所以在本次研究中还开展了反演分析,并参照了现有规程规范给出的经验参数,以及以往的工程经验,最后综合确定了控制性结构面抗剪强度参数取值。

3.2 稳定性计算与评价

根据前期勘察资料与地质模型,可以概化出如图2所示的极限平衡分析计算模型。其中图2a)～图2c)为剖面1中的潜在滑移体,编号分别为1-1,1-2和1-3。

由于传递系数法适用于滑面为任意形状的滑体,并可考虑坡体自重、暴雨和地震等荷载及各个滑块不同抗剪强度参数的影响。因此,本文针对两种工况对潜在滑移体稳定性系数进行计算,两种工况如下:

工况1:当前天然状态;工况2:坡脚开挖+暴雨+地震工况(最不利工况)。

经计算,最终得到稳定性系数计算结果,如表1所示。从表1可以看出,边坡目前条件下整体稳定性较好,同时该边坡在暴雨状态下稳定性较差,需要采取相应的防护措施。

4 结语

本文通过对某隧道顺层边坡岩体变形模式分析,并基于刚体极限平衡法计算了不同工况条件下的安全系数,得出如下结论和建议:

1)边坡的潜在变形破坏模式有两种:

其一是单纯的顺层面向临空面的滑移破坏;

其二是部分顺层面、部分剪切岩体的组合破坏。

2)通过宏观地质调查和数值计算结果表明:自重荷载作用下,隧道边坡变形相对均匀,变形主要以沉降为主,边坡整体稳定性较好,隧道的开挖会导致边坡稳定性一定程度降低,而暴雨工况会进一步导致边坡稳定性显著降低。基于以上情况,建议消除边坡的临空面,加强边坡的截排水工程以增加边坡稳定。

参考文献

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[5]JTJ013-95,公路路基设计规范[S].

堤坝边坡稳定性研究 篇5

以黄衢南高速某隧道为例,探讨了采用半明半暗法对该隧道洞口稳定性的影响,介绍了半明半暗隧道进洞方案在该隧道中的应用,利用数值模拟手段对最终方案进行了分析,并对现场监测数据进行了比较,研究结果表明“半明半暗”进洞方案对隧道洞口边坡稳定性影响较小,其应用是成功、有效的.

作 者：李林 张琴 赵宝云 LI Lin ZHANG Qin ZHAO Bao-yun 作者单位：李林,张琴,LI Lin,ZHANG Qin(四川广安职业技术学院,四川,广安,638000)

赵宝云,ZHAO Bao-yun(重庆大学土木工程学院,重庆,400045)

堤坝边坡稳定性研究 篇6

【关键词】岩质边坡；稳定性；失稳破坏；加固措施

1.前言

岩质边坡失稳是当今非常常见的一种斜坡变形现象，无论是人工开挖的的边坡还是自然斜坡，失稳现象都十分普遍，很容易形成区域性灾害。并且边坡失稳具有反复性和长期潜在的危害性，修复极其困难。因此，岩质边坡的稳定问题已经成为工程领域中迫切需要解决的难题之一。随着我国工程建设的飞速发展，岩质边坡的研究显得日益重要。边坡稳定性分析常常是确保工程安全和降低建设费用的重要环节，也是决定工程成败的关键技术。因此，需要对影响岩质边坡稳定性的各种因素进行分析整理，确定这些因素对岩质边坡稳定性有哪些影响。而对于稳定性情况较差的边坡，我们要结合实际情况和已有工程经验制定出合理可行的加固措施，确保工程安全稳定地运行。

2.岩质边坡稳定性影响因素分析

边坡发生破坏失稳是一个复杂、动态的耗散过程。通常将导致边坡失稳的因素归结为两类，一是由于外界各种因素的影响，降低了边坡岩土体的抗剪强度，另一类是由于外界力的作用，破坏了原来岩土体的应力平衡。影响边坡稳定性的因素有很多，往往是多种因素共同作用的结果，主要有以下几个方面。

2.1地形地貌与地质构造

边坡岩体的破坏与地形地貌有着直接的关系。在地形陡峻的山区，自然地质作用强烈，对边坡稳定性不利；而在开阔的、地形相对平缓的河谷盆地，自然地质作用缓慢，对边坡稳定性影响也就相对简单。总体上来说，山区河流凹岩地段以及山间缓坡地段，容易汇集地下水和地面水，易受水流淘蚀和冲刷，容易导致边坡的失稳。岩质边坡稳定性同时也受地质构造的影响。在区域构造比较复杂以及几种构造体系复合交接部位的向斜河谷地区，边坡稳定性较差。另外，当构造线方向与河谷的走向相垂直时，岸坡比较稳定，而当构造线方向与河谷走向相一致时，处于向斜河谷的顺向坡就成了滑坡发育的敏感部位。

2.2岩体结构

岩体结构包括两个因素，结构面和结构体。结构面是指岩石物质不连续面及分异面，具有一定方向、形态和规模的各种地质界面。结构体是由不同产状的各种结构面组合起来，将岩体切割单元块体而形成的。影响边坡稳定的岩体结构因素主要包括：结构面的走向、倾向和倾角，结构面的数量和组数，结构面的表面性质和结构面的连续性等等。

2.3水的作用

水是影响边坡失稳的一个重要因素。对于岩质边坡，地表水对其影响较小。因为岩质边坡的强度较高，不容易受到侵蚀。但若在降雨强度较大的地区，如果岩石风化较严重，则会使岩石的风化层受到影響。在地表水的流动下，剥离了的岩屑会被水冲走，这就使新鲜基岩露出地表，继续接受风化。这种长期往复的恶性循环会使岩体变薄，风化裂隙加深，强度降低。当边坡岩体有易矿物成分时，如含有钙质页岩、泥灰岩、黏土质页岩、凝灰质页岩或断层角砾岩等，浸水容易软化、泥化或崩解，造成边坡变形破坏。

2.4人为因素

开挖、堆载、填筑等人为因素同样会影响边坡的稳定性。边坡开挖对边坡稳定性的影响因素主要为坡高与坡比，坡高越大，坡比越大，边坡的稳定性越差，边坡破坏的概率也就越大。开挖的边坡面可以是凹形、凸形或者是直线形。如果用力学知识进行分析，凹形坡面是最稳定的形态。超过设计深度的开挖对边坡破坏程度也很大，可能导致上部坡面岩体发生滑动和崩塌。另外，把一些弃土堆置在滑坡体上部，会增加坡体荷载；人为对山坡地表、天然植被及其覆盖层造成破坏，会滑体风化速度加快，对坡体稳定性不利。

3.岩质边坡加固处理措施

边坡的安全系数达不到规定的要求，会直接影响到工程建设的质量，甚至诱发严重的事故，危害人民生命财产的安全。因此需要采取相应的加固措施来提高边坡的安全度。

3.1减载措施

减载措施有两种，一种是削头减载，另一种是削坡减载。削头减载是以降低边坡总高度为目的，一般是将边坡上部一定范围内岩体或覆盖层削掉；而削坡减载是削掉一部分不稳定岩体，使边坡坡度放缓，减轻滑坡体下滑段的滑体超重部分，使其稳定性提高。两种减载措施都可以减小可能引发边坡滑动破坏的下滑力。实际工程中，削头措施应用广泛，较少受到制约；而削坡减载若处理部位不当，有产生此生滑坡的可能，所以需要验算滑坡减载后，滑面从残存滑体薄弱部分剪出可能性。

3.2排水措施

排水措施可分为地表排水措施和坡内排水措施。地表排水按其采用措施的分布位置有滑体外和滑体内两种情况。在滑体外，主要是设置截水沟，以拦截、引离为原则，使地表水不流入滑坡范围；在滑体内，通常是充分利用自然沟谷，修建渗沟或明沟等引水工程，使降落在滑坡体上的雨水能迅速排走，防止其渗入滑坡体，减少水对坡面的冲刷。坡内排水措施应根据边坡所处的位置、工程地质和水文地质条件等来确定布置设计方案，可选用排水孔、排水井、大口径管井、水平排水管等。这种排水措施可以使大气降雨等尽快排出坡体，降低坡内的地下水位，减小作用在边坡滑体上的水荷载，避免对边坡稳定性产生不利影响。坡内排水措施的排水效果取决于输水能力和方位、不连续面的规模、渗透性能等。

3.3锚固措施

锚固是把受拉杆件埋入地层中，将结构体与地层连锁在一起，依靠受拉杆件与地层间的相互作用，将结构体受到的荷载传递到地层，有效地承受拉力和剪力，改善结构的应力状态，使其更加安全稳定。锚固措施按是否预先施加应力分为预应力锚固和非预应力锚固两种，预应力锚固是主动加固，非预应力锚固是被动加固。目前，预应力锚索加固正逐渐被广泛使用，并逐渐发展成为一种趋势，尤其对于较高的边坡或者坡体可能的潜在破裂面位置较深时，预应力锚索会有较好的加固效果。预应力锚索加固对地形、地质条件适应力强，施工速度快，施工条件容易满足，作用力可以均匀分布于需要加固的边坡上，受力可靠，并且无需放炮开挖，对坡体不产生破坏和扰动。

3.4支挡以及工程防护措施

支挡是边坡加固的基本措施，是一种较为可靠的处治手段，它是从外部解决边坡滑体的稳定问题，以达到稳定边坡的目的。支挡主要形式是挡土墙和抗滑桩。挡土墙是目前整治中小型边坡比较常用的措施之一。它的主要作用是稳定滑坡，防止边坡表面坍塌造成的危害。挡土墙类型的选择与布置应根据边坡的位置、类型、规模以及基础地质条件等因素，来综合分析进行考虑。抗滑桩与一般的桩基类似，主要由桩身将上部承受的坡体推力，并把其传给桩下部的土体或者岩体，依靠桩下部的侧向阻力来承担边坡的下推力，而使边坡保持稳定，主要承担水平荷载。除以上四大措施外，岩质边坡加固的措施还有现场检测、控制爆破等。虽然这些措施在边坡设计中通常作为辅助性措施出现，但有时在实际工程中也是必不可少的。

4.结语

综上所述，随着边坡理论的发展，边坡稳定性因素的研究已经取得了很大进步。影响岩质边坡稳定性的因素有很多种，但无论那一种影响因素都不是独立存在的，各个因素共同影响着边坡的稳定性。因此在实际工程分析过程中，一定要考虑每个影响因素的局限性，并且抓住主要影响因素，并辅以对次要影响因素的研究进行综合分析，力求得到一个更加可靠、合理、客观的结果。

参考文献

关于新建道路边坡稳定性的研究 篇7

新建道路边坡的防护形式将直接影响着道路的安全与美观, 目前国内边坡防护的形式种类繁多, 从形式上可以分为植被防护、工程防护、还有将两者结合使用的综合防护。下边介绍几种路堑边坡防护常用方法, 包括工程防护、植被防护、以及两者结合的防护方式。

1.1 浆砌片石护坡。

浆砌片石护坡是工程中坡面防护应用最多的方法, 主要有片石护坡和片石护面墙两种方式, 通过浆砌片石防护坡面, 可防止雨水对坡面的冲刷, 同时对坡体也具有一定的稳定作用。护面墙是浆砌片石的坡面覆盖层, 用于封闭各种软质岩层和较破碎的挖方边坡, 多用于易风化的云母片岩、绿泥片岩、泥质灰岩、千枚岩及其他风化严重的软质岩层和较破碎的岩石地段, 以防止继续风化。可以有效地防止边坡冲刷, 防止滑动型、流动型及落石型边坡崩坍, 是上边坡最常见的一种防护形式, 护面墙除自重外, 不担负其他荷载, 亦不承受墙后土压力, 因此护面墙所防护的挖方边坡坡度应符合极限稳定边坡的要求。浆砌片石护坡施工工艺简单, 是应用较为普便的一种边坡防护形式, 但由于其形式单一, 与环境协调效果差, 在现代公路边坡防护中, 其应用有不断减少的趋势。

1.2 骨架植被防护。

骨架植被防护是目前应用比较广泛的方法, 与浆砌片石护坡相比较, 该方法在能满足坡面防护功能的情况下, 还具有节省材料、降低工程造价, 对高边坡能降低坡体荷载, 在格栅内种植草皮还能较好的协调周围环境等优点, 因而在边坡防护工程中得到广泛应用。骨架可以采用拱形、人字形、菱形、矩形等多种形式, 但骨架形式与尺度应从美学和当地的文化背景方面多加考虑。当要突出骨架时, 骨架施工应精细。骨架内的植被防护可结合边坡岩土性质、坡率, 采用前述植被防护的各种措施。一般情况下, 浆砌片石或混凝土骨架植被防护、多边形混凝土空心块植被防护适合于坡率缓于1:0.75的土质和全、强风化岩石边坡。

1.3 挂网喷射混凝土护坡。

挂网喷射混凝土护坡也是护坡工程中常用的方法, 该方法主要应用在石质边坡且岩石比较破碎的地段。石质边坡, 一般边度比较陡, 坡体自稳性较好, 当坡高很高、岩质较差、坡面岩石易风化、坡面岩石切割破碎严重、节理发育易受自然营力影响而产生危害时, 或其他防护措施造价较高或难以实施时, 为了防止高陡石质边坡坠石砸伤行人或车辆, 采用坡面挂网喷射混凝土的方法防护。它是依靠锚杆、钢筋网和喷射混凝土共同负荷来提高边坡岩体的结构强度和抗变形刚度, 以减少岩体侧向变形, 增强边坡整体稳定性和耐久性。

2 道路边坡防护设计稳定性的基本原则

2.1 在岩土结构稳定并满足安全要求的时

候, 应考虑选择刚性结构与柔性结构相结合, 多层防护与生态植被防护相结合的方式, 尽量避免高大的混凝土圬工或者浆砌工程在自然环境, 混喷植生护坡中凸现而影响美观。上边坡切忌高挡墙、护面墙进行大段落防护。路基防护应以边坡稳定为前提, 只要稳定, 有利于生态植被绿化, 都应尽量绿化防护。在防护方案选择时, 需要考虑实际工程中的边坡岩土性质、环境气候条件、排水条件等多种因素影响, 选择合理的防护措施。

2.2 无论是工程防护还是植被防护都有多种防护措施可以选择。

而在实际工程中, 往往是两者结合使用。在满足使用功能的条件下, 应从环境保护、美学观感上考虑防护措施的选择与调整。条件可以达到时, 优先考虑植被防护, 以期取得良好的景观效果。

2.3 贯彻协调自然的原则, 应充分考虑公路

与沿线景观的协调、防护措施与公路景观的协调、防护措施自身的协调。力求避免采用连续的大面积护面墙, 使公路与沿线景观达到有机的协调。多种防护措施在同一边坡上采用, 或相邻边坡群采用不同的防护措施时, 应考虑防护措施间的协调。与沿线景观不协调的防护, 既会破坏公路景观, 也会破坏沿线的环境景观。稳定的岩质边坡有时不防护比进行不必要的人为防护更好。自然的边坡坡形、坡面有利于与周围环境相协调, 适当保持稳定的孤石能增加公路景观的情趣。

3 对于新建道路边坡的稳定性分析

自然边坡或人工边坡保持安全稳定的条件和能力。这两类边坡的岩土体在各种内外因素作用下逐渐发生变化, 坡体应力状态也随之改变, 当滑动力或倾覆力达到以至超过抗滑力或抗倾覆力而失去平衡时, 即出现变形破坏, 造成灾害或威胁建筑物安全。山坡变形破坏是相当普遍的一种自然灾害;大规模工程开挖边坡或大型水库岸坡的安全稳定问题也很突出。中国的高山深谷和地质复杂地区, 山坡失稳现象时有发生, 水利部门将其列为工程地质或环境地质重要课题之一。许多国家和地区都很重视这方面的勘测与研究, 国际工程地质协会也设置滑坡及其他块体滑动专门委员会, 从事学术交流和促进工作。

3.1 边坡的破坏类型:

有松弛蠕动、崩塌和滑坡三种及其他过渡型或复合型等。3.1.1松弛蠕动:山坡在形成过程中, 先是岩土体产生回弹变形和大致平行于山坡的卸荷裂隙, 形成一定深度的松弛卸荷带, 并使此带岩土体强度降低、渗透性增大, 各种风化能力更易侵入。继在重力作用下, 使岩土体向临空面产生弯曲或弯折, 以至倾倒、松动等缓慢蠕动变形现象。蠕动变形往往是破坏的先兆, 可导致急剧崩塌或滑坡。3.1.2崩塌:陡崖上部被高倾角裂隙切割的岩土体, 突然滚落堆积于坡脚的现象。规模大的又称山崩。崩塌还可发生于:陡坡下部存在软弱岩层并产生塑性蠕变, 导致上部沉陷、滑移以至崩塌;坡体下部有洞穴或采掘空间, 使岩体塌陷并将临空一侧的岩体挤出而溃散崩塌。崩塌冲击力强, 往往造成交通断绝、河道堵塞以及人员伤亡、财产损失等灾害。如1933年中国四川叠溪发生山崩, 堵塞岷江干流, 形成迄今犹存的堰塞湖。3.1.3滑坡:边坡土体沿着贯通的剪切面向临空一侧发生整体滑动的现象。滑坡是分布广、危害大的一种边坡破坏形式, 在或陡坡或缓坡的斜坡, 不同结构的各类岩土体均可发生。产生过滑坡的地段, 往往出现独特的地貌形态, 可作为鉴别滑坡的标志。

3.2 影响因素:

3.2.1属于岩土体本身的主要有:a.坡高与坡形。高陡山坡一般比低缓的易于变形破坏;凸形坡的稳定性比凹形坡要差。b.岩土体的强度与结构。c.地下水作用对山坡稳定影响很大而且复杂。3.2.2影响山坡稳定的外部因素主要有:a.河流、水库、湖泊与海洋等水流对坡脚的冲淘和浪袭作用;b.连续降雨或河、湖、水库水位骤然升降;c.地震、雪崩及冻融作用;d.人为因素, 如施工爆破、削断坡脚、增加坡体上部荷载、施工方法不当以及天然植被遭受破坏等, 均可促使边坡失稳。一个地区的边坡失稳或塌滑体的形成, 往往是上述内、外影响因素中的某几种因素的综合作用, 并由其一二种因素诱发产生。

3.3 评价方法:

大致有定性分析和定量计算两类。定性分析是对所在地区的地质条件和影响因素以及山坡变形破坏的迹象和特征进行调查、勘探、试验与观测, 结合已有山坡变形破坏的实例或经验, 通过工程地质类比分析与研究, 对所在地区的边坡稳定性做出决定性评价和预测。定量计算是采用岩土力学的理论公式, 选定适当的边界条件和计算参数进行稳定计算, 从而得出定量的评估。由于边界条件和计算参数受到复杂地质条件所控制, 一般只有依靠定性分析和相似经验来确定, 所以这两种方法又要密切配合, 才能得出比较符合实际的成果。捷克斯洛伐克、苏联、美国等国已建立全国的或地区的山坡稳定信息数据库或资料库, 并对重点山坡开展动态监测工作和采取有效的防治措施, 以避免或减轻可能发生的重大灾害。

参考文献

[1]辽宁交通科技, 2005, 11.

[2]孙向东.岩土工程, 2006 (6) .

黄土地区某边坡稳定性治理研究 篇8

山西某场厂区占地面积约30万m2, 三面环山, 开挖边坡高度最大处20 m, 需要对工程进行三面边坡支护。

2 边坡的工程地质条件

1) 位置、地形及地貌。拟建场南边邻近二级公路, 距市区约10 km, 交通便利。目前为耕地, 地势呈现南低北高的走势, 场地中部为一深度约为10 m~20 m南北走向的冲沟, 该沟的端面呈现“U”字形, 在中部有几个小冲沟分支。沟底比较平坦、开阔。场地东、西、北三面环山, 南侧为沟口。场地总体的地形起伏较大, 地面标高约介于859.64 m~902.19 m。其地貌单元属中低山。

2) 地质层。据勘探资料显示, 场地的地层自上而下依次为:耕土 (Qpd) 、第四系的全新统坡、洪积 (Q4dl+pl) 黄土状土、上更新系统残积 (Q3el) 粉质粘土以及二叠系 (P) 强风化、中风化砂岩。

3) 地下水。根据地质勘察报告, 在206个钻孔中只在10个钻孔中发现地下水, 地下水位介于1.4 m~22.2 m。该水属于上层滞水, 层顶有上更新统的残积 (Q3el) 粉质粘土层, 由大气的降水补给, 水位、含水量都将随季节和降雨量变化而变化。

3 水文地质条件

1) 气候。按中国气候带标准划分, 该市属暖温带季风性气候, 其主要特征是:大陆性气候较明显, 四季分明, 季风较强盛。年平均气温为9.8℃, 最低气温为-24℃, 最高气温为38.6℃, 年平均蒸发量为1 792.6 mm, 年平均降水量为617.1 mm, 最大冻土深度为0.56 m。2) 地表水。该市属于黄河水系, 其主要河流丹河, 它是沁河的最大支流, 属于季节性河流, 非汛期即将断流。该河流距拟建场地较远, 可以不考虑其对拟建场地的影响。

4 边坡稳定性分析

根据该厂场地工程地质勘察报告, 场地地形呈“U”形沟谷, 沟谷将场地从中部分开, 东、西两侧台阶式向中部沟谷缓倾, 北高南低, 呈缓倾状, 总体认为:边坡呈台阶式或缓坡地貌景观, 其上覆盖岩土主要为第四系坡洪积、残积层。综合分析认为, 本场地可不考虑崩塌与滑坡问题。但由于边坡的地形起伏较大, 基坑开挖或场地平整较深, 最大深度将近地下20 m, 涉及土层较深, 且边坡进行大面积开挖后, 坡体内岩土的初始应力状态将会改变, 在坡脚附近会出现剪应力的集中区, 可能在坡顶和坡面出现张应力区域, 坡体中应力的变化可以直接引起周围边坡的变形破坏, 受开挖过程中振动的影响, 将会使坡面岩土产生松动, 加剧风化, 容易造成地表水的下渗, 增大岩土的重量, 升高孔隙水压力, 软化裂隙面, 降低抗剪级度, 从而影响边坡的整体稳定性, 将会造成边坡及其坡体失稳。

5 方案设计

根据场地的钻探资料及工程地质勘察报告, 现对该厂场地的边坡总体设计将采用土钉—锚杆挂网喷浆技术或锚杆框架梁支护技术, 配合地表、地下排水相结合的整治措施。由于边坡是永久性支护, 喷射混凝土面层厚度为C20的混凝土15 cm, 钢筋网系Φ6 mm钢筋制作, 挂2层网, 土钉成孔角度为10°~25°。土钉—锚杆设计时, 根据边坡开挖高度分3种类型:1) 边坡开挖高度在10 m以内, 采用直立边坡, 用2层钢筋网喷射C20的混凝土15 cm厚, 2 m×2 m间距土钉, 长度6 m~12 m, 孔径100 mm, 采用Φ25 mm钢筋制作, 土钉成孔角度为10°~25°。2) 边坡开挖高度10 m~15 m, 采用直立边坡, 如场地允许, 尽量作放坡处理, 坡率为1∶0.2, 采用土钉—锚杆联合支护治理。设置4道长为15 m~18 m预应力锚杆, 间距为3 m, 孔径130 mm, 用2Φ25 mm钢筋制作, 0.5水灰比水泥砂浆灌注。锚杆之间用2层钢筋网喷射C20的混凝土15 cm厚, 土钉间距2 m×2 m, 长为12 m~14 m, 孔径100 mm, 用Φ25 mm钢筋制作, 0.5水灰比水泥砂浆灌注, 注浆压力为0.3 MPa~0.5 MPa。3) 边坡开挖高度在15 m~20 m时, 采用二级边坡处理, 在坡间设置1.5 m~2 m的平台, 边坡采用1∶0.2坡率。加固措施采用土钉—锚杆联合治理措施。面层处理同上。4) 预应力锚杆采用2Φ25 mm钢筋, 间距为3 m, 长度为18 m~23 m。钻孔直径为130 mm, 采用1∶0.5水泥砂浆, 水灰比为0.6, 注浆压力为0.3 MPa~0.5 MPa, 锚杆施工角度为15°~20°。C—C剖面施工布置图见图1。

6 截排水措施

在边坡的坡顶距离坡面2 m处设置一个截水沟, 把坡面以外的地表水引入到排水沟进行有序的排放。在边坡的地面设置一个排水沟, 将坡面上水排出厂外。

在10 m以上的边坡上设置仰斜的排水孔, 以排除地表水, 防止其渗入到地层中, 仰斜排水孔间距为10 m×5 m, 长35 m, 直径130, 下PVC花管。坡面设置小排水孔, 直径100 mm, 长度40 cm~60 cm短塑料管。

7 边坡开挖及防护、加固工程施工一般注意事项

7.1 作业面的开挖

在使用机械进行土方开挖时, 为防止边坡出现超挖现象和土体的松动, 采用人工清坡进行修护, 以保证边坡平整时符合设计规定的坡角。为防止边坡裸露土体, 对修整后的边坡立即喷上一层薄的砂浆处理, 待凝结后进行土钉施工。

7.2 排水系统

基坑支护范围内的地表应该加以修整, 构筑一个排水沟及水泥的地面, 防止地表的水向地下渗透。在支护面层背部设置长度为40 cm~60 cm的水平塑料排水管。

A—A剖面施工布置图见图2。

7.3 土钉施工

钻孔之前, 根据设计要求应定出孔位, 并对其作出编号和标记。孔位的允许偏差不能大于200 mm, 成孔倾角的误差不宜大于±3°。如成孔过程中遇有障碍而需调整孔位时, 不能损害原定支护的安全程度。钻孔后, 应该进行清孔检查, 而对于孔中局部出现的塌孔或松土掉落要立即处理。在土钉钢筋置入孔后, 注浆时采用底部注浆方式。注浆用水泥砂浆水灰比为0.5。

7.4 喷射混凝土层面

在喷射混凝土之前, 面层内的钢筋应该牢固地固定在边壁上, 并且保护层厚度要符合规定的要求。钢筋网片可以用插入土中的钢筋来固定, 在混凝土喷射时不应出现振动。喷射混凝土用的射距宜在0.8 m~1.5 m范围内, 并要从底部向上部逐渐喷射。射流的方向一般应垂直地指向喷射面, 但在有的钢筋部位, 应先喷填钢筋的前方, 以防止在钢筋的背面出现空隙。每边钢筋网片的搭接长度至少为一个网格边长。喷射混凝土完成以后至少应养护7 d, 根据当地环境条件, 可采取连续喷水、进行织物覆盖浇水, 或采用喷涂养护剂等养护方法。喷射混凝土的粗骨料其最大粒径不大于12 mm, 水灰比不大于0.45。立面布置图见图3。

8 结语

从以上治理方案可以看出:形成边坡滑坡的主要原因有边坡体岩性的条件、地形和地貌、土体内部的结构及构造、地质水文的条件、地震、气候以及人为因素等;此外, 黄土自身的化学性质、节理及水敏性的构造决定了黄土在滑坡方面的某些特性, 由于边坡受水的影响较明显, 滑坡面大多沿下伏基的岩面, 有时顺沿黄土古土壤层, 有时产生于下伏的第三纪软弱泥岩;在滑坡前易崩塌, 且滑速大, 一般具有崩滑性等特征。因此边坡处治方案主要取决于地形地貌环境、水文及地质条件、使用的要求、地层的性质、原材料的供应、荷载的特性及施工的技术条件等因素, 因此需结合主体工程建筑物的特征实施多项措施综合性的治理原则。

目前, 边坡的稳定性治理技术已日渐成熟, 目前可采取将FLAC分析方法与有限元理论相比较, 用一种分析方法去验证另一种分析方法的合理、可靠性。以后, 随着边坡的支护措施和加固方法的不断改进, 治理边坡的手段也会越来越丰富和可靠。

摘要：分析了黄土地区某边坡工程地质条件, 对其三面边坡进行了土钉支护设计, 并对其进行了稳定性分析, 提出了具体的施工方案, 研究了影响黄土地区的滑坡因素, 为边坡稳定性治理提供了依据。

关键词：黄土地区,稳定性分析,土钉施工

参考文献

[1]黄求顺, 张四平, 胡岱文.边坡工程[M].重庆:重庆大学出版社, 2007.

[2]贺可强, 阳吉宝, 王思敬.堆积层滑坡位移动力学理论及其应用[M].北京:科学出版社, 2007.

[3]夏元友, 李梅.边坡稳定性评价方法研究及发展趋势[J].岩石力学与工程学报, 2002, 21 (7) :1087-1091.

高边坡稳定性的研究现状探讨 篇9

关键词：高边坡,稳定性,评价方法

1 极限平衡法

该方法是工程实践中应用最早、也是目前使用最普遍的一种定量分析方法, 积累了丰富的工程经验。极限平衡分析方法较多, 如:Bishop法、Jaubu法、Morgenstern Prince法、传递系数法、楔体极限平衡分析法等, 常用的极限平衡法分析法如表1所示。其基本出发点是把岩块作为一个刚体, 为方便计算作了一些假定, 不考虑岩体的应力-应变关系, 因而这种建立在刚体极限平衡理论上的稳定分析方法无法考虑边坡的变形与应力分布。当然, 国内外学者针对极限平衡法进行了大量的研究, 如H.Kumsar等 (2000) 介绍了静力和动力荷载条件下楔体滑坡模型试验研究情况, 在极限平衡分析方法中考虑了动力的作用:杨松林 (1999) 针对传统竖直条分法和萨尔玛法应用于岩石边坡稳定性分析的缺点, 提出了适用范围更广的广义条分法, 这一做法更加符合岩土工程的实际情况, 并采用优化搜索的方法给出了相对最危险的潜在滑动面及其安全系数:D.Stark等 (1998) 将二维极限平衡法推广到三维, 使之更能反映实际边坡的状况:李冬田 (2001) 提出一种三维的岩石边坡极限平衡法, 即应用岩石边坡多层DEM几何模型, 参照简化Bishop法的假定, 进行边坡稳定性分析的层分析方法, 进而提出了抗滑系数谱的概念, 以反映碎裂岩体稳定因素的不均匀性。

2 数值分析方法

数值模拟是通过对地质原型的抽象并借助数值分析方法来分析计算不同土况下岩体中应力状态以及边坡的稳定性等课题。20世纪70年代以来, 随着数学、力学理论以及计算机技术的发展, 数值分析方法在工程地质和岩石工程领域得到应用, 并作为解决复杂介质、复杂边界条件下各类工程问题的主要工具而逐渐得以推广。工程计算中常用数值分析方法有:有限元、边界元法、有限差分法、离散元法、块体单元法、刚体有限元法、DDA法、数值流形方法、无单元法、耦合方法。2.1有限元法。现在应用最广的数值分析方法特别适用于连续体的小变形分析。有限元模拟中, 通常的结构而处理方法有:节理单元模拟和等效处理。常用节理单元有无厚度节理单元 (适用于模拟闭合、不含充填物或充填物较薄的节理裂隙) 、等厚度节理单元 (适用于模拟具有一定厚度的弱面或夹层) 以及变厚度节理单元 (适用开模拟较厚的或厚度变化较大的软弱岩带等) , 一般的有限元书籍中均有论述。另外, 用于动力分析的动力有限元软件已经开发出来并已用于工程实际。2.2边界元法。边界元法是同有限元并行发展的另一类数值方法。我国自20世纪70年代开始进行了岩石力学边界元的应用研究, 在岩体渗流问题、地下工程支护、岩体稳定性分的等方面作出了有意义的成果。与有限元法不同, 边界元法只需在边界上进行离散化, 因而具有数据处理工作量少、少占内存、解题时间省等优点。但是在处理多介质问题、复杂的非线性问题以及模拟分步开挖及施工过程等方面, 不如有限元方便有效, 因此在边坡稳定性分析中应用不多。2.3有限差分法。基于有限差分的快速拉格朗日元法FLAC由Cundall所加盟的工TASCA咨询集团于1986年开发成功, 该法将流体力学中跟踪流体运动的拉格朗日方法成功地用于解决岩石力学问题。该法适用于节理岩体的分析计算, 对于含有少量节理的岩体, 可以用界面单元来模拟, 而对复杂密集的节理岩体则可采用遍历节理模型来模拟。FLAC采用Wilkins显式差分方法, 可以求解大变形问题, 还可以进行动力分析。现已广泛应用于岩土工程之中, 在边坡分析中有广阔的前景。后来基于应力分析的FLAC/SLOPE也因能够针对不同岩土层条件进行滑动面搜索与判别而成为重要的研究工具。2.4离散单元法。离散单元法Cundall于1971年提出来的。该法将软弱面所切割的岩体视为复杂块体的集合体, 允许各个块体互相平动、转动甚至互相分离, 允许大位移, 而这些恰好是节理岩体的重要变形和破坏机制。因此, 离散元法是模拟节理岩体的理想工具。Cundall于1985年完成的UDEC (Universal Distinct Element Code) 现已广泛地应用岩土工程和采矿工程之中。三维离散元3DEC已由Cundall等人开发完成, 投入使用。适用于动力分析的动力离散元也已开发完成, 现已广泛投入使用。离散单元法在我国的研究和应用起步较晚, 但发展却非常迅速, 在节理岩体边坡、隧道、岩石基础等方而获得了广泛的应用。2.5块体单元法。块体单元法属于静态分析的方法。仅考虑在恒定荷载作用下系统的平衡及失稳条件。块体理论实质上是一种几何学的方法, 根据岩体中实际存在的节理倾角及其方位, 利用块体之间的相互作用条件找出具有移动可能性的岩体及其位置, 故也称关键块理论。该理论是一种通过判别和描述洞室围岩最危险岩石块体运动。2.6非连续变形分析法。DDA法是由美籍华人石根华博士于1988年提出, 是近年发展的能分析裂隙岩体的一种较好计算方法。它用一种不同于有限元的块体元来模拟被裂隙切割成具体形状的块体系统, 在这个系统中块体是通过裂隙结构面的接触连成整体的。这种方法的计算网格与岩体的物理网络相一致, 每一个计算网格覆盖一块被裂隙切割的块体, 各块体相互独立, 计算上是不连续的。但块体之间在力学上的连续性则取决于裂隙的变形条件:当裂隙滑动 (剪切破坏) 或开裂 (拉力破坏) 时为不连续:当裂隙不错位及闭合时为连续。因此, 用这种方法来模拟岩体可以反映岩体的连续或不连续的具体部位。2.7耦合方法。由上述数值分析可见, 各种方法有长有短。耦合方法 (Coupled method) 应运而生并得到了长足的发展与应用。如有限元与边界元的耦合, 有限元与离散元的耦合, 离散元与边界元耦合等等。这些耦合方法可以发挥各种方法各自的优点, 现已广泛运用于工程实际。

3 其它方法

在高边坡的稳定性评价方法中, 目前成熟的方法, 主要还是以基于刚块体的极限平衡法为主, 以工程类比法和数值计算法为辅。但是高陡边坡的稳定性评价不单是个力学问题, 更应该是工程地质学和岩体结构力学问题。明确高陡边坡的地质模式、岩体的变形演化历史和趋势、边坡的变形破坏机理和模式, 是进行稳定性评价和整治的本质性基础工作。由于边坡的地质条件和水文地质条件是边坡稳定性的控制性因素, 决定了边坡的变形破坏机理和类型, 而地质条件又是千差万别的, 因此, 没有哪一个边坡可以完全套用已有的经验, 这就决定了边坡研究具有典型的场地特征 (Site specific) , 必须具体问题具体分析。

参考文献

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[2]陈祖煜.土质边坡稳定分析-原理, 方法, 程序[M].北京:中国水利水电出版社, 2003.

边坡稳定性及安全系数确定研究 篇10

关键词：边坡,稳定性,安全系数,有限元

因为滑坡安全系数的选取直接关系到设计者的思路, 关系到工程的成本和安全。所以对边坡稳定分析中, 采用适当的分析方法确定边坡安全系数, 对于工程具有重要意义。目前所存在的问题主要是各行业规范规定不统一, 对于安全系数的各种影响考虑不足, 这大大影响了安全系数的安全度。

1 影响边坡稳定性的因素

影响边坡稳定性的主要因素有以下几种:1) 边坡材料力学特性参数。边坡材料力学特性参数包括弹性模量、泊松比、摩擦角、粘聚力、容重、抗剪强度等参数。2) 边坡的几何尺寸参数。边坡的几何尺寸参数包括边坡高度、坡面角和边坡边界尺寸, 以及坡面后方坡体的几何形状, 即坡体的不连续面与开挖面的坡度及方向之间的几何关系, 它将确定坡体的各个部分是否滑动或塌落。3) 边坡外部荷载。边坡外部荷载包括地震力, 重力场、渗流场、地质构造地应力等。

2 有限元法用于边坡稳定性分析的优点

有限元法考虑了介质的变形特征, 真实的反映了边坡的受力状态。它可以模拟连续介质, 也可以模拟不连续介质;能考虑边坡沿软弱结构的破坏, 也能分析边坡的整体稳定破坏。有限元法可以模拟边坡的圆弧滑动破坏和非圆弧滑动破坏, 同时它也能适应各种边界调节和不规则几何形状, 具有很广泛的适用性。

有限元法应用于边坡工程, 有其独特的优越性。与一般解析方法相比, 有限元法有以下优点:

1) 它考虑了岩体的应力—应变关系, 求出每个单元的应力与应变, 反映了岩体真实的工作状态。2) 与极限平衡法相比, 不需要进行条件力的简化, 岩体自始至终处于平衡状态。3) 不需要像极限平衡法一样事先假定边坡的滑动面, 边坡的变形特性、塑性区形成都根据实际应力—应变状态“自然”形成。4) 若岩体的初始应力已知, 可以模拟有构造应力边坡的受力状态。5) 不但能像极限平衡法一样模拟边坡的整体破坏, 还能模拟边坡的局部破坏, 把边坡的整体破坏和局部破坏纳入统一的体系。6) 可以模拟边坡的开挖过程, 描述和反映岩体中存在的节理裂隙、断层等构造面。

鉴于有限元法具有如此多优点, 本文借助通用有限元软件ANSYS来实现对边坡稳定性分析。

3 实例分析

边坡实例选取国内东北地区某煤矿, 该边坡考虑弹性和塑性两种材料, 边坡尺寸如图1所示。分析目的是对边坡进行稳定性计算分析, 以判断其稳定性和计算出安全系数, 边坡围岩材料属性见表1。

进行边坡稳定性分析计算时, 采用强度折减系数法来实现。首先选取初始折减系数F, 然后对边坡土体材料强度折减系数进行折减, 根据库仑—摩尔定律式 (1) 得, 折减后内聚力及摩擦角分别见式 (2) 和式 (3) :

τ= (c+σtanφ) /F=c′+σtanφ′ (1)

$c^{\prime }=\frac{c}{F}(2)$

$\tan {\phi }^{\prime }=\frac{\tan \phi }{F}(3)$

1) c, φ分别为边坡土体的初始粘聚力和内摩擦角。

2) 对c和φ进行折减, 输入边坡模型计算, 若收敛, 则此时边坡是稳定的;继续增大折减系数F直到程序恰好不收敛, 此时的折减系数既为稳定系数也为安全系数。

3.1 有限元分析

对边坡模型进行分析, 首先选取初始折减系数F=1.2, 随后继续增大, 分别为F=2.8, F=3.0, 分析结果如图2～图7所示。

3.2 结果分析

1) 从计算迭代图分析。边坡强度折减系数F=1.2～2.8时, 求解收敛。当强度折减系数F=3.0时, 求解不收敛。

2) 从边坡水平方向位移云图分析。边坡水平方向位移随强度折减系数F的增大而发生很大波动, 刚开始随F增加, 水平位移慢慢增大;当F=2.2以后, 边坡模型的水平位移开始减小;当F=2.8后, 水平方向位移开始急剧下降;当F=3.0时, 边坡模型的水平位移下降到11.609 mm, 并且求解不收敛, 表明此时边坡已经发生破坏。因此, 该边坡的模型安全系数应该是2.9。

4 结语

1) 本文利用ANSYS有限元分析软件, 对边坡稳定性进行模拟分析, 从而确定边坡的安全系数。

2) 通过对边坡模型的模拟, 当折减系数不断增加时, 分析求解的收敛情况及边坡变形情况, 从而确定安全系数的取值范围, 并确定取值大小。

3) 通过对边坡稳定性的模拟分析, 可发现边坡易破坏和不稳定的地带, 对不稳定的地带加大加固力度, 保证工程质量。

参考文献

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[5]孙红, 赵锡宏.软土的弹塑性各向异性损伤分析[J].岩土力学, 1999, 20 (3) :33-35.

堤坝边坡稳定性研究 篇11

地处西南的广西以第三系泥岩为主的软岩在南宁盆地、百色盆地和明江盆地等地广泛分布。在工程建设中常常遇到泥岩边坡的稳定性这一问题，由于泥岩具有失水干缩和遇水膨胀的土力学特性，导致了开挖泥岩边坡在干湿循环的自然气候作用下，发生反复胀缩，特别是在雨季，降雨使泥岩边坡土体含水量增加，土体的黏聚力、内摩擦角及基质吸力降低，从而引发泥岩边坡失稳。因此，对考虑降雨入渗条件下泥岩边坡稳定性的研究具有现实意义和工程应用价值。

1 泥岩边坡降雨入渗模型及解法

降雨入渗是一个非常复杂的相互耦合问题，其影响因素众多，要建立全面考虑全部的因素的控制方程并求出各种边值问题的解是一项艰巨的任务。因此要对研究的问题进行如下假设：

(1)假定边坡为理想化的可归结为平面应变问题进行求解的问题，对复杂的降雨过程进行理想处理，考虑土体的各向同性；

(2)模型主要研究降雨入渗引起的土体含水率的再分布，因此，假定土体中初始含水率处处相等；

(3)泥岩边坡地下水位埋藏较深，所以认为降雨对地下水位影响不大。在计算中，假定地下水位保持不变。

1.1 垂直降雨入渗模型

对于泥岩边坡入渗问题，用Richards方程作为水分运动方程，即：

式中，D(θ)为水力扩散系数，θ为体积含水率，k(θ)为土的导水率，t为时间，z为距离，向下为正。对于不同的实际问题可用不同的初始边界条件与基本方程组成定解问题。

1.2 边界条件

(1)初始边界条件

边坡土体在降雨前的水分分布情况在求解降雨入渗水分运动方程时必须先给定，初始的水分分布可以通过实测得到，在土坡上沿竖直方向每隔一定的深度取土样，测定其含水率。

当初始体积含水率均匀时，θ=θi。

(2)上边界条件

1)地表保持湿润或极薄水层，相当于第一类边界条件：

式中，θs为土体的饱和体积含水率。

2)降雨强度已知，但未超过土壤的入渗强度，不形成积水或表面径流，相当于第二边界条件：

式中，R(t)为降雨强度，cm/min。

3)降雨强度已知，但经过一定时间后超过土壤的入渗强度，此时假定形成表面径流或积水，地面含水率可接近饱和含水率θs的值，此时可按第一类边界条件：

(3)下边界条件

地下水位埋藏很深，土壤演算体积含水率均匀分布且恒定。即：

1.3 模型的数值解

水分子运动方程是二阶非线性的偏微分方程，用有限差分法来解。首先将研究区域划分为较小单元，将问题进行时间变量的离散化，把时间划分为若干时段，每个时段的时间称为时间步长k，沿t轴方向结点号为i=0,1,2，…，m，沿z轴方向的结点号为j=0,1,2，…，n，步长为h。用隐式差分格式离散化式(1)，得：

令

于是(7)式可改写为

再令

则式(12)可写成：

式(17)对于某一层时间(m+1)来说，系数nAm,nBm,Cnm及常数项nFm均已在前一时间层(m)计算出来，所以，在同一时间层(m+1)上，对Z轴方向诸节点(n)都能写出一个线性方程组：

这是一个带形三对角阵，可用追赶法求解[1]。

2 降雨入渗条件下泥岩边坡开挖稳定性模拟分析

本文采用有限元软件ANSYS[2]来模拟降雨入渗条件下泥岩边坡稳定性。

边坡在开挖以后由于降雨入渗，边坡土体含水量会升高，含水量的升高具有增加边坡负荷，降低边坡体的物理力学指标，从而影响边坡的稳定性。由泥岩边坡降雨入渗模型及解法，可以得出各降雨强度下，不同时间不同深度边坡土体瞬态含水量的分布，再根据泥岩强度参数与含水量关系研究[3,4]，计算出泥岩边坡在各降雨强度下，不同时间泥岩边坡的平均黏聚力、内摩擦角和密度。然后结合ANSYS有限元软件可对降雨入渗条件下泥岩边坡开挖稳定性模拟分析，根据位移的大小和重分布的应力结果，对边坡稳定性进行定性的评价。

3 算例

南宁某泥岩边坡工程如图1所示，mn为中轴线，开挖深度为6m，竖直边坡，暂不考虑支护措施，边坡土体为膨胀性泥岩，密度为1.9g/cm3，含水量ω=13.7%，颗粒比重为2.7，地下水位埋深10m，研究的边坡都在地下水位以上。

3.1 计算降雨条件下边坡含水量的分布

根据计算模型和边界条件，再以南宁市年降雨量为依据，选取降雨持时和降雨强度。取降雨强度为300mm/d降雨持时为240min、降雨强度为400mm/d降雨持时为480min的工况。初始含水率为0.22，为了便于研究，假定土中的初始含水率均匀分布。饱和含水率为0.41，土壤水分运动参数用经验公式[5,6]K(θ)=α1(θ/θs)b1,D(θ)=α2(θ/θs)b2，依据地区经验，本文取α1=0.0378,b1=3.487,α2=12.435,b2=3.6，基于上一节的算法，用数学软件MATLAB编制计算程序[7]，计算过程中，取时间步长为1min,z轴方向的步长为5cm，迭代误差为0.01。经过计算，在上述的工况下边坡土体瞬态含水率分布如图2所示。

3.2 边坡稳定性模拟分析

(1)建立模型

根据工程概况，研究对象具有空间轴对称性质，根据影响范围，确定研究的区域，长12m，深12m。模拟计算模型图如图3所示，分析的本构模型选用岩土工程中常用的Drucker-Prager弹塑性模型，在ANSYS中通过DP材料来实现，需要输入泥岩边坡的黏聚力、内摩擦角及膨胀角三个参数，保守分析时，取膨胀角为0。单元类型选用Plane42单元，Plane42单元是一种4节点的结构实体平面单元。模型网格划分选用自由网格划分，划分前调整网格大小，网格划分结果如图4所示。

(2)计算参数的确定

如前所述，影响边坡含水量变化的深度是在3m深左右，所以把边坡分为4层，第1、2、3层厚度各为1m，再根据泥岩强度参数与含水量关系研究，即含水量与黏聚力，含水量与内摩擦角的关系，计算确定各层的参数见表1。

(3)计算结果及分析

1)降雨强度300mm/d降雨持时4小时条件下边坡应力、位移分布的结果如图5所示：

通过模拟计算，得出了泥岩边坡在各种工况下的水平和竖直方向位移图、应力图和剪应力图，对这些图进行分析可以得出以下观点：

a边坡开挖后，边坡内应力场重新分布，大部分泥岩边坡出现明显的应力释放降低的现象，在开挖面附近尤为突出，最大的剪应力出现在边坡脚，开挖导致土体向临空面产生位移。

b泥岩边坡在降雨入渗条件下，随着降雨强度、降雨持时的增加，边坡土体位移、应力在不断的增加。从上面的结果图得出不同工况下位移的增加量和应力增加量见表2、3所示。

2)降雨强度400mm/d降雨持时8小时条件下边坡应力、位移分布的结果如图6所示：

4 结语

(1)本文利用ANSYS有限元软件对降雨入渗条件下泥岩边坡稳定性模拟分析，得出了泥岩边坡在降雨入渗条件下的稳定性规律。

(2)本文对降雨入渗条件下泥岩边坡稳定性模拟分析的方法只是一种尝试，其目的是为工程的应用提供一定的理论依据，所以还有待于进一步研究。

(3)ANSYS软件将有限元分析、计算机图形学和优化技术相结合，具备了完善的分析功能，同时拥有良好的用户界面和二次开发功能，为边坡稳定非线性分析提供了丰富的选项，因此ANSYS软件在边坡稳定分析中是个很好的工具。

摘要：本文利用ANSYS有限元软件进行降雨入渗条件下泥岩边坡开挖模拟,并结合了工程实例研究泥岩边坡在不同降雨强度、持时的工况下边坡土体位移、应力的变化,从而分析泥岩边坡在考虑降雨入渗条件下的稳定性。

关键词：泥岩,边坡,降雨入渗,稳定性分析

参考文献

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