边坡稳定性安全系数

2024-09-02

边坡稳定性安全系数（精选9篇）

边坡稳定性安全系数篇1

摘要：指出在边坡稳定性分析中, 一般采用安全系数来衡量边坡的稳定性, 并根据安全系数采取相应的边坡治理措施, 因此边坡的安全系数取值大小对于边坡安全、工程效益有着直接影响, 采用有限元分析法, 利用ANSYS有限元分析软件, 确定了安全系数范围, 从而确定安全系数的大小。

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)

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

$\tan φ^{'} = \frac{\tan φ}{F} (3)$

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

[1]潘家铮.建筑物的抗滑稳定和滑坡分析[M].北京:水利出版社, 1980.

[2]罗晓辉, 邹金林.土工结构物的稳定性数值分析[J].岩土力学, 2001, 22 (2) :12-13.

[3]简洁, 谷拴成.结构性土体破损的全过程分析[J].岩土力学, 1998, 19 (4) :24-25.

[4]沈珠江.结构性粘土的弹塑性损伤模型[J].岩土工程学报, 1997, 19 (2) :48-49.

[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.

[6]钱家欢, 殷宗泽.土工原理与计算[M].第2版.北京:中国水利水电出版社, 1996.

边坡稳定性安全系数篇2

边坡稳定性评价方法综述

通过收集国内外文献,介绍了边坡稳定性评价的`定性评价方法和定量评价方法中的各种方法及其特点,为工程人员选用边坡稳定评价方法提出了建议.

作者：杨俊凯作者单位：铁道第四勘察设计院集团有限公司,430063刊名：中国科技信息英文刊名：CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION年，卷(期)：“”(16)分类号：U4关键词：边坡稳定定性评价方法定量评价方法

边坡稳定性安全系数篇3

所谓边坡的稳定性分析,就是用土力学的理论来研究发生滑坡时滑动面可能的位置和形式、滑动面上的剪应力和抗剪强度的大小,抵抗下滑的力素分析以及如何采用措施等问题,以估计边坡是否安全,设计的坡度是否符合技术和经济的要求。路堤实际上是复杂土体结构,不同的路堤深度,路堤的密度γ,粘聚力c,内摩擦角φ等指标均不相同。如何在复杂土体中迅速而又准确地搜索出最危险滑动面(临界滑动面)及计算出相应的最小安全系数,一直是众多学者和工程技术人员探讨的问题。近代数学最优化理论和相应的算法为求解安全系数的极小值提供了十分有效的手段。本文运用最优化方法,结合边坡稳定性分析的常用土力学方法确定边坡稳定性最小安全系数及其相应的最危险滑动面。

1 边坡稳定性分析的常用土力学方法

经过国内外研究人员多年研究,形成了多种体系的边坡稳定性分析理论与方法,这些方法按其理论基础和分析原理可分为极限平衡法、极限分析法、随机理论分析法、数值分析法等几类。这几类方法中,极限平衡法有计算模型简单、计算方法简便、计算结果能满足工作需要等优点,因而被认为是边坡工程分析与设计中最主要的且最有效的实用分析方法,并为各国规范所采用。应用极限平衡法进行边坡稳定性分析时,常常将滑动面的形状简化为圆弧,非圆弧光滑曲线等形状。按圆弧滑动面假定进行极限平衡分析的方法有瑞典条分法、毕肖普法等。按任意形状滑动面假定进行极限平衡分析的方法有通用条分法,简布法等方法。关于这些方法的详述可参考文献[1][2]。

2 确定最小安全系数的最优化方法

2.1 概述

稳定性分析应包含下面两个步骤:

第一步:对滑坡体内某一滑裂面按最大值原理的思想,确定抗滑稳定安全系数;第二步:在所有可能的滑裂面中,重复上述步骤,找出最小安全系数及其相应的临界滑裂面。

上述步骤的第一步可用极限平衡法进行,本文着重讨论第二步,即寻找最小安全系数的方法。圆弧和任意形状滑裂面均可用一系列参数来描述,其安全系数则可表达为这些参数的函数。设坐标原点位于坡角,则稳定性安全系数Fs表示为滑弧圆心坐标(x0,y0),滑弧半径R,土体密度γ,粘聚力c,内摩擦角φ等的函数,函数形式如下:

Fs=f(x0,y0,R,γ,c,φ) (1)

求解该函数的常用方法是枚举法,其基本思想是不断改变自变量的数值,逐一比较相应的安全系数,最终找到最小的安全系数。由于边坡的复杂性,常常使求解相当繁琐且效率低。用最优化方法通过数值计算找到安全系数的极值是一个快速而又现实可行的途径。

2.2 最优化方法简述[4]

最优化问题常表述为如下一般形式:

minf(X) (2)

s.t.X∈S (3)

其中,f(X)为目标函数;X为自变量,为n维向量(x1,x2,…,xn);S为可行域,即X的取值范围,为n维欧几里德空间的子空间;s.t.之意为subject to,为X被约束于某一空间。式(2),式(3)表示自变量X取值在S范围内时,函数f(X)的最小值。

最优化方法是近代数学中十分活跃的一个领域,它能迅速找出目标函数的极值,目前已有许多十分成熟的计算方法,可以分为两大类。一类称为模式搜索法(Pattern search method),即根据一定的模式,比较不同自变量的目标函数,经过筛选,找到最小值,如单纯形法等;另一类称为牛顿法,通过解析手段寻找使目标函数对自变量的偏导数为零的极值点,如梯度法等。

研究表明,对安全系数的函数求导比较困难,故运用最优化方法求安全系数最小值时模式搜索较可行。下文即运用模式搜索法。

2.3 用最优化方法确定最小安全系数

用最优化方法中的单纯形法求Fs最小值的过程如下:

1)在n维变量空间中确定n+1个顶点,这些点构成初始单纯形。

X(i)=(x1i,x2i,…,xni),i=1,2,…,n+1 (4)

式(4)代表n+1个顶点的坐标。

2)计算各顶点的函数值:

f(i)=f(X(i)),i=1,2,…,n+1 (5)

3)找出上述顶点中函数值最大的点,称为最坏点,记为X(R),对应的函数值记为f(R);同时找出函数值最小的点,记为X(L),对应的函数值记为f(L);还应找出除去X(R)以后函数值最大的点,记为X(G),对应的函数值记为f(G)。

4)求出最坏点X(R)的对称点:

XT=2XF-X(R) (6)

其中,XT为单纯形的形心。

5)按以下原则形成新的顶点,并以之代替原顶点,构成一个新的单纯形。

若f(XT)<f(L),则需由下式将XT扩大为XE:

XE=(1-μ)XT-μXF (7)

其中,μ为扩张系数,一般取μ=1.2～2.0;此时若f(XE)<f(L),则用XE替换XR,否则用XT替换XR;

若f(XT)≤f(G),则用XT替换XR;

若f(XT)>f(G)且f(XT)≤f(R),则用XT替换XR,然后由下式将XT缩小为XE:

XE=λXR+(1+λ)XF (8)

其中,λ为收缩系数,一般取λ=0.0～1.0;此时,若f(XE)>f(R),则新的单纯形的n+1个顶点为:

X(i)=(X(i)+XL)/2,i=1,2,…,n+1 (9)

并计算新的单纯形各顶点对应的函数值,否则,用XE替换XR。

以上过程中,每当有顶点替换时,均需计算新顶点的函数值。

6)重复步骤2)～步骤5),直到单纯形中各顶点距离小于预先给定的精度要求为止。

只要令上述n维变量空间中顶点坐标分别代表滑弧圆心坐标(x0,y0),滑弧半径R,土体密度γ,粘聚力c,内摩擦角φ等参数,各顶点的函数值代表稳定性安全系数Fs,即可运用单纯形法求Fs最小值。

单纯形法也适合于任意形状滑动面稳定性安全系数最小值的求解,只是须将滑弧圆心坐标(x0,y0)以代表任意形状滑动面的参数代替即可。

2.4 计算实例

某公路填高30 m,填料参数为c=43.74 kPa,φ=23.96°,地基参数为c=500 kPa,φ=36.76°,运用毕肖普法结合最优化方法计算稳定性最小安全系数及搜索相应的最危险滑动面。当运用枚举法计算时,以坡角为坐标原点,滑弧圆心坐标(x0,y0)及半径R的变化最大步长为0.1 m,变化幅度为100 m,各参数分别变化10 000次后求得稳定性安全系数最小值为1.405,在Pentium 1.4 G计算机上的计算时间为10 min;而运用单纯形法,仅计算200次循环,在Pentium 1.4 G计算机上计算5 s即求得稳定性安全系数最小值为1.412。可见,用最优化方法计算迅速而又可靠。

3 结语

用最优化方法求解边坡稳定性安全系数最小值是迅速而有效的,但仍需进一步研究,因为影响边坡稳定性的因素是多样而复杂的,对代表这些影响因素的参数的取值,往往也需要进行最优化分析,这就使得用最优化方法求解边坡稳定性安全系数最小值更显复杂,这也正是今后工作的方向。

参考文献

[1]洪毓康.土质学与土力学[M].第2版.北京:人民交通出版社,1995.

[2]钱家欢,殷宗泽.土工原理与计算[M].第2版.北京:中国水利水电出版社,1996.

[3]潘家铮.建筑物的抗滑稳定和滑坡分析[M].北京:水利出版社,1980.

[4]黄继焕.例述边坡稳定性评价规范方法[J].山西建筑,2008,34(15):88-89.

浅谈公路边坡稳定性分析方法篇4

浅谈公路边坡稳定性分析方法

文中针对公路边坡稳定性问题进行了分析,对目前常用的边坡稳定性分析方法,如:刚体极限平衡法、有限元法、离散元法和非连续变形法等进行了介绍.

作者：张乃刚 ZHANG Nai-gang 作者单位：贵州省毕节公路工程处,贵州,毕节,551700 刊名：物流工程与管理英文刊名：LOGISTICS ENGINEERING AND MANAGEMENT 年，卷(期)： 31(5) 分类号：UI412.36 关键词：公路边坡稳定性分析刚体极限平衡法有限元法离散元法

基于传递系数法的边坡稳定性分析篇5

边坡治理是一项技术复杂、施工难度大的灾害防治工程, 而边坡稳定性分析又是边坡治理的前提和基础。目前边坡稳定性定量分析有以静力学分析为基础的极限平衡分析法, 还有以一定的力学本构模型和几何模型为基础的数值计算法。传递系数法是极限平衡分析法中的一种, 又称不平衡推力法或折线法, 它适用于刚体极限平衡边坡稳定性分析。该法计算简单, 能判断边坡的稳定状态, 且能为边坡的治理提供下滑推力的计算, 因此在工程中得到了广泛应用[1]。

2 传递系数法

传递系数法是滑坡分析和处理的常用方法, 其计算图为折线形 (如图1) 。其中, Wi为自重, Ni为自重的法向分量, Ti为切向分量。

2.1 基本假定

传递系数法是针对滑面为折线形的条件下提出的, 其基本假定[2]为:

(1) 将滑坡稳定性问题视为平面应变问题;

(2) 在顺滑动主轴方向的纵断面图上, 按滑带产状和岩土性质, 划分为若干铅直条块, 由后向前计算各条分界面上的剩余下滑力, 即为该部位的滑坡推力;

(3) 条块横向按每米宽计算, 不计块体两侧的摩阻力;

(4) 视体为连续无压缩介质, 由后向前作整体滑动, 不计滑体内局部应力;

(5) 每条块的下滑力方向与条块滑带平行。

2.2 计算方法

方法一:不考虑地震、地下水的影响, 参照GB50021-2001的计算式:

$\begin{array}{l} F_{S} = \frac{\sum_{i = l}^{n - 1} (R_{i} \prod_{j = 1}^{n - 1} ψ_{j}) + R_{n}}{\sum_{i = l}^{n - 1} (Τ_{i} \prod_{j = i}^{n - 1} ψ_{j}) + Τ_{n}} (3) \\ ψ_{j} = \cos (α_{i} - α_{i + 1}) - \sin (α_{i} - α_{i + 1}) \tan φ_{i + 1} (4) \\ \prod_{j = i}^{n - 1} ψ_{j} = ψ_{i} \cdot ψ_{i + 1} \cdot ψ_{i + 2} (5) \end{array}$

方法二:计算基本公式如公式 (3) , 同时考虑地下水的影响, 由赵广春等[3]所列公式, 如下:

$F_{S} = \frac{\sum_{i = l}^{n - 1} {{[W_{i} ((1 - γ_{u i}) \cos α_{i} - k s i n α_{i}) - R_{D i}] \tan φ_{b i} + c_{b i} l_{i}} \prod_{j = 1}^{n - 1} φ_{j}} + R_{n}}{\sum_{i = l}^{n - 1} {[W_{i} (\sin α_{i} + k c o s α_{i}) + Τ_{D i}] \prod_{j = i}^{n - 1} ψ_{j}} + Τ_{n}} (6)$

$\prod_{j = i}^{n - 1} ψ_{j} = ψ_{j} \cdot ψ_{i + 1} \cdot ψ_{j + 2} \dots \dots ψ_{n - 1} (8)$

式 (3) ～式 (8) 中:FS—滑坡稳定系数;

Ri—作用于第i块段的抗滑力 (kN/m) ;

φi—第i块段滑带土的内摩擦角 (°) ;

Ti—作用于第i块滑动面上的滑动分力 (kN/m) ;

ψj—传递系数;

αi—第i块段滑动面夹角;

Di—作用于第i块段的动水压力 (kN/m) 。

在式 (6) 中, 由于考虑了地下水的影响, 根据章勇武、赵广春等[2,3], 计算时动水压力可按下式:

式 (9) 中:γw—水的重度 (kN/m2) ;

hwi—水头差 (m) ;

li—水平距离 (m) ;

βi—第i块段的水力坡度角 (°) 。

在计算范围内, 水力坡度角的正切等于水流线变化点的水头差 (hwi) 与水平距离 (li) 的比值。计算方法:在一个条件滑体内水力坡度角相同时, 取该水力坡度角;在一个条件滑体内水力坡度角不同时, 取几段分别计算, 再求和, 每段取各自对应的水力坡度角及相应的参数。

在求得Di后, 可求正压力[6]Ni=Wicosαi-Di, 其中Wi为块体每米重量, 单位kN/m。

3 应用实例

某天然状态下的边坡, 断面滑体比重γ=22kN/m3, 粘聚力c=15kPa, 内摩擦角φ=4°, 滑块面积用Si表示, 如图2所示, 依次用方法一和方法二计算边坡稳定性系数Fs, 分别见表1和表2。在方法一中, 不考虑地下水的影响, 边坡基本处于极限平衡状态;而在方法二中, 考虑了地下水的影响, 边坡处于不稳定状态。

4 结束语

从计算结果来看, 是否考虑地下水的影响会对计算结果产生重要影响:方法一的简化, 使得计算简单, 但同时使得所计算的稳定性系数偏大, 这在实际的工程中是必须要考虑的。

注:水的重度按10kN/m2

通过多次类似的计算, 并更加深入地分析, 无论是方法一还是方法二, 各种参数的选取、变动也会给计算带来差异, 这些也表明, 传递系数法存在一定的局限性:

(1) 当底滑面为凸凹不平或两条块底滑坡倾角差异较大的情况时, 传递系数法计算边坡稳定性就会出现大的偏差。

(2) 水力坡度角的变化也会给计算带来差异, 首先表现在动水压力的流网绘制比较困难[3], 其次当其计算的动水压力值增大, 而增大的动水压力又会对前一块体产生影响。

(3) 作用于突变点后的滑块, 水平的推力分量很小, 会使稳定系数大得不可思议[5], 因此, 作为相对静态的表达式, 它不能计算正在发生突变的岩体。

在工程计算中, 应结合上述影响边坡稳定性系数的因素, 根据勘察出来的滑面形态, 综合考虑条块间倾角变化的正负来决定划分条块的数目, 确定合理的滑面内摩擦角及滑面线以上的浸润线高度。

摘要：传递系数法是一种较为常用边坡稳定性分析方法。简要地介绍传递系数法及其在边坡稳定性分析中的应用, 在不考虑地下水和考虑地下水两种情况下计算同一处边坡断面, 并对两者作出了对比分析, 进而讨论传递系数法在分析边坡稳定性时的局限性和应注意的问题。

关键词：传递系数法,安全系数,稳定性,对比分析

参考文献

[1]李开文.传递系数法计算边坡安全系数的影响因素探讨[J].路基工程, 2011, 156 (3) :79-82.

[2]章勇武, 马惠民.山区高速公路滑坡与高边坡病害防治技术实践[M].北京, 人民交通出版社, 2007.1:134-135.

[3]赵广春, 徐光黎, 等.传递系数法在滑坡稳定性评价中的几个问题探讨[J].地球与环境, 2005 (11) :7-11.

[4]张艳娇.传递系数法在边坡稳定分析中的应用[J].北方交通[J], 2007 (1) :41-42.

[5]李庆生, 程正龙.传递系数法计算滑坡剩余推力的适用范围及其局限性初探[J].中南水力发电, 2008, 10 (4) :3-3.

露天矿边坡稳定性的安全因素分析篇6

关键词：露天矿,边坡稳定性,破坏模式,影响因素

随着开采深度的不断增加, 我国一些露天矿山相继转入地下开采, 形成的高陡深凹露天边坡, 对采空区围岩的破坏极易诱发坡脚失稳而发生滑坡, 如板石沟铁矿、眼前山铁矿、石人沟铁矿等。

据不完全统计, 在我国露天矿山中, 不稳定边坡或具有滑坡危险的潜在不稳定的边坡占边坡总长度的15%~20%, 个别的高达30%以上。

因此, 弄清边坡稳定性安全因素, 对保证深部开采中的安全生产, 具有重要的理论与实际意义。

1 露天矿边坡特征[1,2,3]

1) 露天矿边坡一般较高, 从几十米到几百米, 走向从几百米到数千米, 其揭露的岩层多, 边坡各部分地质条件差异大, 变化复杂, 岩体暴露时间长、破碎、完整性差, 岩体的强度低;

2) 露天矿最终边坡是由上而下逐步形成的, 上部边坡服务年限长, 下部边坡服务年限短, 因此上下部边坡的稳定性也不相同, 具有时效性;

3) 露天矿场每天频繁的穿孔、爆破作业和车辆行走, 使边坡岩体受到经常性的震动影响;

4) 边坡是随着露天矿开采作业而形成的, 其稳定性不断发生变化。

边坡的类型按坡体成分可分为岩石边坡、泥土边坡、沉积物边坡、构筑堆坡和尾矿坝;按几何形状可分为倾斜边坡、内陷边坡和外鼓边坡。

露天矿边坡的主要特点是岩体开挖与边坡形成贯穿于生产过程的始终, 开采的过程就是边坡形成的过程, 它是一动态过程。边坡从地表开始, 最初只有一个或几个台阶, 最终可能形成含有数十个台阶的高大的岩体边坡, 其形成过程一般需要数年或更长时间。边坡工程的最终形成亦标志着工程功能的完结和废弃。

2 露天矿山边坡破坏模式

有关学者经大量的研究后, 提出了我国露天矿山边坡的变形与破坏模式分类[1]:①金川模型——反倾边坡的倾倒破坏;②葛洲坝模型——沿水平软弱层面的整体滑动;③塘岩光模型——顺层的快速滑动;④白灰厂模型——坐落式平推滑动;⑤盐池河模型——滑动倒塌。各类边坡破坏的地质模型如图1—5所示。

3 边坡稳定性的主要影响因素

边坡既是矿山生产的安全和经济边界, 又是生产作业的对象。生产过程中的爆破、采装、运输、天然降水及冻结、融化等影响因素的反复作用, 影响和恶化了边坡的质量状态。

3.1 地质因素

3.1.1 岩石性质与结构构造的影响

岩石是在一定的地质作用下, 由各种矿物按一定规律聚集而形成。岩石的矿物组成和结构构造对岩石的性质起主要作用, 并影响着岩石抗风化能力。

岩石矿物成分与结构构造主要影响岩石的力学性质和强度, 对岩体性质乃至边坡稳定性起重要的作用。如抚顺西露天矿煤层下盘, 沉积很厚的凝灰岩, 其含有大量蒙脱石黏土矿物, 导致该矿下盘不断发生规模巨大的边坡滑落。

3.1.2 岩体孔隙度的影响

岩石的孔隙度影响岩石的吸水性。随着孔隙度增大, 岩石的强度降低、弹性模量减小, 从而影响岩体的抗压、抗剪、抗弯和抗拉强度。

3.1.3 岩体结构面的影响

结构面就是在岩体内形成具有一定方向、规模、形态和特性的面、缝、层、带状的地质界面。结构面直接影响着边坡岩体变形、破坏的发生和发展过程, 主要体现在以下几个方面:

1) 岩体的结构面都是弱面, 较破碎, 易风化, 结构面中有裂缝, 抗剪强度较低;

2) 孔隙、裂隙、节理为地表水的渗入及活动提供了良好的通道, 使岩石抗剪强度进一步降低;

3) 结构面影响滑体的滑动面及边缘轮廓, 甚至决定了边坡破坏的类型。

结构面的成因 (原生、次生、构造) 、规模、连续性与间距、起伏度与粗糙度、结合状态和充填物都对边坡的稳定性产生影响, 尤其结构面与边坡临空面走向关系的影响最大。典型的结构面破坏类型分为平面滑坡、楔体滑坡、倾倒滑坡, 如图6所示。

3.1.4 地应力的影响

地应力除自重应力外, 还包括地质构造的残余应力、水应力、震动应力、温差应力等。

地应力的存在会增加边坡岩体向自由面变形, 使原有裂隙进一步扩大或造成新的卸荷裂隙, 从而降低岩石强度, 增高坡底的应力, 减小边坡的稳定性。随着开采深度的增加, 地应力也随着增加。

3.2 边坡结构因素[2,4]

3.2.1 台阶高度和平台宽度的影响

确定台阶高度和平台宽度要考虑矿岩的埋藏条件和力学性质, 以及穿爆作业和采掘工作面的要求。我国大中型矿山的台阶高度为8~15 m。平台宽度不但影响边坡角的大小, 也影响边坡的稳定, 因此台阶的最小宽度必须保证运输和安全的需要。

3.2.2 边坡角与边坡高度的影响

在边坡角相同的条件下, 边坡越高稳定性越差, 这是由于边坡自重力加大使边坡滑动的剪切力也相应增加。增加量与滑体体积的增加成正比, 而抗滑动剪切的内聚力的增长与滑体面积成正比, 增长量较小。当边坡高度一定时, 边坡角越大, 边坡越不稳定。

3.2.3 台阶坡面角和最终边坡角的影响

台阶坡面角的大小也与矿岩性质、穿爆方式、推进方向、矿岩层理方向和节理发育情况等因素有关。在一般情况下, 台阶坡面角大小取决于矿岩的性质:松软矿岩的工作台阶坡面角小于矿岩的自然安息角, 较稳定的矿岩的坡面角小于55°, 坚硬稳固的矿岩的坡面角小于75°。

3.3 水的因素[3,5]

水能改变矿岩物理力学性质, 在页岩、凝灰岩等岩石中可作为润滑剂, 并在岩体的裂隙中产生静水压力与浮力作用。同时, 岩体中的动水压力使岩体下滑力增加24%。一般地下水压可以降低边坡稳定性20%~30%, 在保持安全系数不变的情况下, 降低岩石裂隙水压可增加边坡角5°~7°。

3.3.1 静水压力的作用

当水存于岩石裂隙中时, 对裂隙两边产生静水压力, 所产生的静水压强为γW× ZW, 则总压力V为[4]

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式中:γW 为水的体积质量;ZW为裂隙充水深度。

当裂隙中的水沿坡面继续向下流动至坡脚溢出坡面时, 将产生沿此坡面的浮力, 则总托力U为

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式中L为裂隙内水柱到坡脚距离。

托力U和作用在边坡坡面上的正应力方向相反, 抵消了一部分正应力的作用, 从而减小了沿坡面的摩擦阻力。静水压力的作用能增大滑动力和减小摩擦力。在地下水高于滑动面时, 静水压力能使岩体抗剪强度降低25%~50%。

3.3.2 动水压力的作用

1) 水压力

当地下水在裂隙中流动时, 作用于岩石颗粒上的压力称为动水压力。压力的方向为水流的切线方向, 此时, 动水压力为推动岩体向下滑动的力。

2) 潜蚀作用

所谓潜蚀作用就是当动水压力较大时, 岩石颗粒和岩体的可溶解成分会被地下水流带走。潜蚀作用会破坏岩体的稳定性, 使岩体内聚力和摩擦力减小而失去平衡, 产生滑坡。当地下水和结构面联系在一起时, 对边坡的稳定性威胁更大。

3) 水的软化作用

对黏土质岩体和节理裂隙发育的岩体, 随着含水量增加, 其内聚力和摩擦力显著降低, 抗剪强度降低到干燥时的1/20~1/4。当断层破裂带存有大量黏土质填充物时, 水的软化作用更明显。

在上述几种水的作用中, 静水压力的作用更为突出, 因为静水压力的作用受地下水位变化的影响, 地下水位又受地表水、降雨量和岩体的渗透性等的影响。此外, 当水冻结后则对边坡产生膨胀作用力, 也可降低边坡稳定性。因此, 降低地下水位是改善边坡稳定性的主要方法之一。

3.4 生产因素

3.4.1 震动影响

震动对边坡的影响源主要有爆破作业和运输作业, 此外还要注意地震的影响。

爆破作业对边坡稳定性的影响:①爆破震动增加了边坡的滑动力;②爆破作用破坏边坡岩体完整性。爆破方法形成的边坡岩体破坏严重、表层岩石破碎, 易剥落崩塌, 易受风化、水渗流等的影响, 从而降低边坡的稳定性和安全系数。

爆破振动对岩体造成的损害取决于岩体振动速度的大小, 其大小又与爆破所用的炸药量、爆破中心至边坡的距离、岩石性质及地质条件有关。岩体振动速度v的大小为

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式中:K为爆破系数;Q为炸药量;R为爆破中心至边坡的距离;α为衰减系数。

目前通常按照等效静力来考虑爆破振动力对边坡稳定性的影响, 爆破振动等效静力Fb为

Fb=BbKdW (4)

式中:Bb为动力系数;W为滑体质量;Kd为地震系数。

爆破作业可促发边坡滑动。在1981年6月10日, 攀枝花钢铁公司石灰石矿H1滑体, 在滑坡区前缘采用硐室爆破, 约5 h后, 岩体滑动而形成大滑坡。原因是爆破切断了软弱层, 降低了滑动面岩石的强度, 致使裂隙不断扩大而导致岩体滑动。

露天矿台阶上机车、汽车的运输和挖掘机作业等设备的震动力对露天矿整体边坡的稳定性也有影响, 有时会触发局部台阶的滑动。

3.4.2 开采顺序和推进方向的影响

在生产过程中, 开采顺序和推进方向对露天矿边坡岩体的稳定性和整体性产生重要的影响。当采用不合理的开采顺序, 或在作业台阶底部进行掏底开采, 则边坡形成伞檐状和空洞, 致使边坡失稳。

3.5 其他因素影响

3.5.1 风化作用

风化作用会使原生结构面和构造结构面的规模增大, 条件恶化, 并有可能产生风化裂隙等次生结构面。同时长时间的风化作用还会使岩石自身强度降低, 尤其对一些抗风化性能较差的软岩, 降低得更多, 对边坡稳定则产生不利影响。

岩体开采年限、岩石本身成分、结构构造、后期蚀变和构造作用、湿度、温度、降雨、地下水和爆破震动等作用影响风化的速度。在同一个露天矿, 同样的岩性, 上部边坡比下部边坡风化程度要大, 稳定条件也相应降低。

3.5.2 人为因素

培训制度不健全, 人的素质低, 对边坡稳定性的影响因素认识不足, 人为破坏边坡。如在边坡上部堆积废石和设备, 以及建造建筑物等, 使边坡岩体的滑动力加大;或从坡脚挖掘, 减小抵抗滑动的阻力, 加大边坡的不稳定性, 甚至导致边坡的破坏。

3.5.3 开采时间与气候的因素

在矿山开采中, 开采时间与矿区气候因素是不可忽略的重要因素。随着开采时间的延续和气候的变化, 边坡的状态相应发生变化, 影响边坡岩体稳定的因素如岩层成分与构造面、地下水、地应力、边坡几何形状等都随着变化。

4 建议

在露天矿山的开采过程中, 边坡稳定性随着开挖作业的进行而变化。有些影响因素短期内难于准确估计, 有些因素则尚难进行定量分析。为防止边坡事故, 减少或控制边坡破坏所产生的严重后果, 可采用以下措施:

1) 加强地质调查。矿区地质调查是露天矿边坡稳定性分析的基础, 包括矿区岩石类型、岩体结构面、水文地质调查、边坡滑落情况、自然边坡等。

2) 在生产上, 确定合理的边坡角、坡面角、开采顺序和推进方向, 做到有计划、有条理地开采。

3) 采用削坡减压和减重压脚等边坡减重措施, 抑制滑坡体的进一步发生和发展。边坡坡体减重是控制边坡失稳体活动的有效措施。

4) 在边坡下部坡脚采用抗滑桩、锚杆 (索) 、挡墙及注浆等加固支挡工程。

5) 松动爆破破坏滑面, 使附近岩体的内摩擦角增大, 采用切断弱面回填法, 增强岩体的整体性;同时使地下水通过松动岩体, 降低地下水位。

6) 对边坡岩体进行地下水排放疏干, 降低边坡的地下水位。采用挖沟排 (截) 洪、矿区地面防渗、防水堤坝和整治河道, 控制地下水的水源。

7) 在开采中合理选择爆破方法, 在施工和运输过程中采用减、防震措施, 减少震动对边坡的影响。

8) 加强对边坡的状态调查与监测, 建立有效的边坡状态监测系统和边坡状态参数数据库。

9) 加强矿山的安全生产监督管理与安全教育, 加速采矿人才培养, 加大矿山安全技术与管理人员的安全培训力度, 建立专门边坡维护队, 建立安全规章制度, 实行安全生产责任制。

参考文献

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[4]张震宇.影响露天矿边坡的定性的因素[J].金属矿山, 2005 (增刊) .

边坡稳定性安全系数篇7

随着我国经济的快速发展, 基础工程建设迅速, 如新建高速公路、高层建筑均包含边坡工程, 其中边坡工程的稳定性评估是影响工程安全的重要因素之一。边坡工程指岩体、土体由于重力作用或人力作用形成倾斜临空的地质体, 边坡工程在在我国广泛分布, 由于边坡组成成分多、自身结构复杂, 边坡工程时常受人类活动影响, 同时人类对边坡工程稳定性与防护治理的不重视, 导致部分边坡工程在施工期间或运营过程中受到不同程度的破坏。

基于案例推理方法是人工智能评估边坡工程稳定性的一种新方法。在我国的计算机应用等方面, 有关案例推理方法的应用研究刚刚开始, 在岩土工程领域的应用很少, 由于岩土工程中不确定因素多, 常需要工程师的具体工程分析能力和相关工程经验。我国的一些学者和专家对于案例推理方法在岩土工程中的应用展开了研究, 张清与田伟涛率先在国内岩土工程界开展案例推理方法的应用, 并开发了“隧道支护经验设计系统”[1]。姚建国将案例推理方法引入采矿工程的应用, 实现了基于事例推理的矿山支架智能CAD[2]。刘沐宇进行了案例推理方法在边坡稳定性分析中的研究[3]。由于边坡工程稳定性评价由许多因素组成, 其知识获取存在一定困难, 案例推理方法成为边坡稳定性评价的一种新方法。

1 传统的边坡理论方法

边坡是一个受多种因素影响的非线性的、不确定的动态工程, 由于边坡工程评价的不完整和不确定性, 对于边坡稳定性评价方法的研究是相对复杂的问题。边坡稳定性评价在一定程度上依靠以往工程经验。传统的边坡工程评价方法, 如工程类比法主要是人工操作, 导致工程类比法效率较低、主观性强。近年来, 面对信息的不完整和不确定性, 涌现出许多新的边坡稳定性评估理论方法, 如灰色理论法、神经网络法、模糊综合法等[4]。

灰色系统理论方法在边坡工程的稳定性评价中运用广泛, 灰色系统理论定义在判别事物的因素中既有部分已知的因素, 又有部分未知的或不确定的因素, 综合组成灰色系统。灰色系统方法主要用于分析系统模型的不确定性, 信息的不完整, 组成结构不清晰性的系统, 并进行模型建立、结论预测、结果判别和控制流程等[5]。在灰色系统中各种因素的关联分析非常关键。关联度是表征事物之间的关联程度。研究分析一个稳定性评估系统, 了解系统的组成结构和主要功能, 是提高系统效率的关键点。分析各种因素之间关系的密切性, 系统中存在的主要矛盾和特点, 是灰色关联度分析的手段。通过灰色关联度稳定性分析, 收集不完整的边坡工程信息, 进行一系列的数据处理, 分析出数据之间存在的关联性, 获取边坡稳定性影响因素[6]。

边坡的稳定性评估除了使用理论分析和数值计算, 同时还依靠专家的经验和相关工程类比。人工神经网络理论在边坡工程中应用广泛, 其理论是指通过对人脑进行抽象和模拟, 使其具有学习、记忆和归纳知识的能力, 不必借助理论定理和数学公式, 人工神经网络理论获取知识途径广泛, 在工程人工智能方法中具有实际应用价值。

模糊系统通过总结人具有的经验性知识, 能处理工程模糊性的信息, 与其相比神经网络不具备此项能力;此外模糊系统的规则集和隶属函数中设计参数大多数依靠经验确定, 无法实时设计和调整, 这是模糊系统存在的主要缺陷。然而模糊神经网络将模糊逻辑与神经网络的优点汇集在一起, 一方面可以利用人脑的逻辑思维分析解决问题, 另一方面可以利用人脑的神经元的功能处理, 同时模糊神经网络能够自动获取知识、自动适应周围环境的改变。

2 案例推理方法

案例推理的方法是人工智能领域在边坡稳定性评价中的一个新应用方向, 综合已有边坡工程经验知识用于解决新的边坡工程问题。由于是边坡工程在施工和运营阶段均存在许多不确定因素, 以往的工程经验占有一定重要性, 同时已有大量的稳定性己被研究分析出来的边坡工程案例, 使案例推理方法在边坡稳定性评价具有可行性和可操作性。

2.1 边坡工程案例的表示方法

边坡工程案例各参数表示准确性、全面性, 影响到整个案例库检索的匹配程度和效率。基于案例推理的边坡工程稳定性评价, 是对边坡案例中包含的知识描述。边坡的案例是由一系列的信息组成, 在边坡工程案例中的表述内容, 具体针对于需要解决的问题及解决问题所需的经验知识。边坡案例不只是由问题与解答组成, 同时具有一定的表达方式与组成结构。一个边坡案例是信息组成集合体, 是案例的基本特征信息和检索信息融合。边坡案例推理数据库通过关系数据库组建, 利用记录的方法表示个体案例。边坡工程案例的知识表达主要包括以下几点:

1) 边坡案例编号:表示具体案例的代码。

2) 边坡案例名称:具体案例的名称。

3) 边坡案例类型:设定土质边坡为0, 岩质边坡为1。

4) 边坡案例特点:案例特点是构成组成案例的重要元素, 表征了案例的检索信息, 案例推理过程主要是利用案例特点进行检索和匹配。

2.2 边坡案例系统组织

案例在知识边坡案例推理方法中的重要部分, 影响案例匹配与检索的效率, 案例的表示决定了案例库的组织, 由边坡案例组成的特点和检索关键字, 对案例分类型管理。就单个案例而言, 常见的有两种组织方法:

1) 综合统一组织, 将边坡案例汇集成一个整体检索;

2) 分项目组织, 按一定原则将案例分解成单个部分, 各部分数据均可独立检索。若边坡工程整天结构稳定, 内部各因素关系紧密, 多采用综合统一组织方法, 该方法操作简单, 运用不够灵活;若运用分散组织方法, 边坡工程案例使用和检索更方便, 数据能及时更新。案例检索索中特征信息比例不高者可采用分散组织, 灵活运用检索信息。将边坡工程案例的组织布置好, 可由具体的特点建立相应的索引。

2.3 案例调整

案例推理方法中案例调整非常重要, 在传统案例推理方法系统中, 一旦检索到一个匹配案例, 案例推理方法系统就应该调整这个检索到的案例解答, 以满足当前案例的需要。调整的方法是, 寻找检索到的案例与当前案例的显著区别来, 然后应用基于这些差别的公式和规则提出解答。

2.4 边坡案例库管理

边坡工程案例库的管理主要是案例的日常更新修改、增加、删除等。由于稳定性边坡分析的增加和减少, 案例库及时更新, 保证边坡工程案例的准确性, 案例数据库的完整性与实时性。边坡工程案例库准确性要求基本条件, 主要是以下几个方面:

1) 查询结果的一致性:在一定的检索方法下, 查询的结果无差异。

2) 案例的完整性:检索出的案例要求完整。

3) 案例的无误性:案例库中不存在错误的案例;

4) 案例的无冗余性:案例库中的案例无重复冗余。

检查检索的准确性, 要求边坡工程案例的索引是具有唯一性。就案例系统库而言, 边坡案例的编码代表唯一的案例, 要求新增的边坡工程案例要按照案例结构来补充。

3 结论

1) 将案例推理方法运用与边坡工程稳定性评价, 提出建设案例库结构, 以及组织和管理案例库的法。但是基于案例推理的边坡稳定性评估的计算机数据系统有待研制。

2) 本文由于实际的边坡案例收集较少, 受案例限制, 案例指标的评选受限, 会影响了案例推理方法的使用范围与实际效果。对边坡稳定的影响因素定量分析较广, 定性的分析不具体。

3) 边坡案例是记录式表示方式为主, 若改为面向对象的框架和规则混合表示法来表示案例, 同时利用面向对象的数据库来建立和组织管理案例库, 会促进系统面向对象性, 人机界面也具有面向对象性。

4) 边坡工程案例的组织索引有待进一步研究, 提高检索效率和准确性。

参考文献

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边坡稳定性安全系数篇8

堤防边坡坡体内外水的存在,直接影响堤防边坡岩土的性质和行为,与常见边坡稳定影响因素 (如坡角、内摩擦角、黏聚力、坡顶荷载、水位及土体渗透性等)的耦合作用,会改变这些因素对边坡稳定安全系数的影响程度。近年来许多学者对边坡稳定安全系数影响因素进行了大量的研究,如兰雁等[1]对黄河下游堤防各类土体黏聚力与内摩擦角之间的相关性及其对堤防稳定性的影响进行了分析,认为土体抗剪强度参数的相关性是计算边坡可靠指标的一个极其重要的因素;赵宇坤等[2]进行了黄河下游堤防堤岸在洪水浸泡和水位骤降情况下的稳定性分析;刘才华等[3]对地下水引发库岸边坡失稳的机理进行了研究;林鸿州等[4]做了降雨特性对土质边坡失稳影响的研究,指出高强度降雨较易使边坡产生流滑破坏。但是,这些研究主要考虑的是在土的参数、破坏机理、地下水、降雨等单一影响因素下的边坡稳定分析理论研究,忽视了坡体内外初始水与其他影响因素的耦合作用。

因此,本文通过假设一均质土堤防边坡,结合Geo-Studio Slope/W和Seep/W模块,建立土质堤防边坡模型,使用摩根斯坦——普赖斯法,分析了坡体在内外初始水位下,坡顶荷载、水位变化及土体渗透性等对边坡稳定性安全系数的影响,为堤防边坡工程的勘察、设计、计算提供依据。

1 模型建立

假定某一堤防边坡为均质土坡,对其按二维问题进行稳定性分析研究,如无特殊说明模型几何尺寸及土质参数如图1所示,坡角β=30°。

2 影响稳定安全系数因素的Geo-Studio分析

2.1 坡角

取坡角β=20°、25°、30°、35°、40°、45°,研究坡角变化对稳定安全系数Fs的影响。

由图2知:边坡稳定安全系数随坡角β的增加而降低,且β每增加1°,安全系数大约降低2%。此趋势与Chih & Shing[6]使用有限元法的计算分析结果一致。

2.2 内摩擦角

取内摩擦角φ=15°、20°、25°、30°、35°、40°,研究内摩擦角变化对稳定安全系数Fs的影响。

计算结果见图3:随着内摩擦角角度的增大安全系数逐渐增大,且近于线性变化,内摩擦角每增加5°,安全系数大约增加17%,与Chih & Shing[6] 使用有限元法的变化趋势一致。这是由于内摩擦角增加后,土颗粒间的摩擦力增大,造成边坡土体的抗剪强度增大,土体边坡抗滑力也随之增大。可见,内摩擦角对于边坡安全系数影响显著。

2.3 黏聚力

分别取黏聚力c=3,8,13,18,23,28 kPa,研究黏聚力变化对稳定安全系数Fs的影响。

计算结果见图4:安全系数黏聚力的增大而增大,且近于线性变化,黏聚力每增加5 kPa,安全系数增加14%,与Chih & Shing[6]的研究结果一致。这是由于黏聚力c增加后,土颗粒间的连接程度加强,越不容易造成结构的破坏,从而使边坡土体的抗剪强度有所增大,土坡抗滑力随之增大。由此可见,粘聚力对于边坡安全系数也有很大的影响。

2.4 坡顶荷载

坡顶荷载的添加,边坡土体内会产生附加应力,影响土体内土的受力状态,从而影响到土体边坡的稳定性。分别取荷载q=0,10,20,30,40,50 kPa,分均匀施加于坡顶(10 m)、均匀施加于坡顶左侧(5 m)、均匀施加于坡顶右侧(5 m)三种方式。

由图5可知,无论q以何种方式施加于边坡坡顶,其安全系数都是随着外荷载的增加而降低。对比方式b与方式c,远离河道一侧施加荷载产生的影响远小于靠近河道一侧施加荷载,这是由于靠近河道一侧的土体在未受外部荷载的情况下,由于自身重力的作用,最为容易发生塑性变形,形成潜在滑动面,靠近河道一侧施加外荷载,其产生的附加应力比远离河道一侧产生的附加应力大,造成潜在滑动土体的变形加大,甚至发生剪切破坏,失去稳定性。

2.5 水位变化

2.5.1 稳态水位的影响

随着季节的变化,河流有枯水期、汛期之分,在不同时节,河流水位是不同的,为了研究不同时节水位对边坡稳定性安全系数的影响,水位取距坡底分别为1、2、3、4、5、6、7 m,坡体内外水位初始高程一致进行研究,其他计算参数不变,计算结果见图6。

结果显示:随着水位的升高,边坡安全稳定性系数呈现先减小后增大的趋势,在边坡高度的3/10—1/2处存在一个危险水位。由于堤防坡体所处的条件,使得坡体受到坡体内外水压力、浮托力、孔隙水压力及土体自重等作用力的相互作用,在稳态条件(不同稳定水位)下各种作用力在此消彼长,对边坡稳定的贡献也不断变化,从而出现了图5的结果。因此,当堤防坡体外水位稳定以后,不能笼统的认为低水位对堤防边坡的稳定性不利,更不能简单的认为水位越高越不利于边坡的稳定,而是在高水位与低水位之间存在不利于边坡稳定的危险水位,同时,也要求必须对于水位骤变(瞬态条件)下的边坡稳定性进行研究。

2.5.2 水位骤变

假定坡体内外水位初始高程相同,水位以 1 m/h的速度由距坡底7 m骤降为1 m或由1 m骤升为7 m,分析水位骤变对堤防边坡稳定安全系数的影响。

由图7(a)可以看出,在水位骤降过程中,坡内侵润线高程高于坡外水位线高程,且各时间段坡内侵润线高程变化均匀,呈“凸”型,表现为坡内水向坡外渗流,造成水向坡体外推力增大,增加坡体的下滑力,使得安全系数随时间逐渐降低,如图7所示。由图7(b)可以看出,在水位上升过程中,坡内侵润线明显滞后于坡外水位线,且坡体内侵润线变化先密后疏,呈“凹”型,表现为坡外水向坡内渗流,造成水向坡体内推力增大,降低坡体的下滑力,使得安全系数随着时间逐渐变大,见图8。

2.6 土体渗透性的影响

土体的渗透性直接关系到水分入渗的速度,因此,堤防边坡稳定性研究中必须考虑到土体渗透性的影响。本文考虑渗透性在降雨条件下对堤防边坡稳定安全系数的影响,假定降雨类型为等强型,降雨强度为100 mm/h(即2.6×10-5 m/s),时长6 h,渗透系数K=8.0×10-6 m/s、9.0×10-6 m/s、1.0×10-5 m/s、2.0×10-5 m/s、3.0×10-5 m/s。

由图9可知,当降雨强度和降雨持时都相同时,安全系数随着渗透系数的增加明显减小;当渗透系数与降雨强度接近时,安全系数下降的幅度越大。降雨6 h后,水平距离30 m处(图1A-A’剖面)孔隙水压力分布情况见图9。低于16 m高程,空隙水压力变化不明显,高于16 m高程,空隙水压力变化明显,随着kx/ky的减小,最高负压逐渐减小,表现为对边坡稳定越不利。从图11可知,安全系数随着kx/ky的增大而升高,并且kx/ky值越小,初始安全因数越低,如果再经历6 h暴雨,安全系数大幅度下降,致使土坡失稳。因此,当边坡土层的水平渗透系数小于垂直方向时,降雨对边坡稳定性的影响会比各向同性的边坡更为不利。

3 结论

本文通过建立均质土堤防边坡模型,利用SLOPE/W和SEEP/W耦合,分析了不同材料参数及外界因素对土质堤防边坡安全系数的影响,结论如下:

(1)土质黏聚力c、内摩擦角φ的增大将使边坡稳定安全系数Fs有所增大。

(2)坡顶荷载对堤防边坡也存在一定的影响,尤其大荷载靠近坡体一侧施加时对坡体安全最为不利。

(3)对堤防边坡安全系数有一定影响的稳定水位不是在稳态最高水位或最低水位处,大约处于坡高的3/10～1/2存在一危险水位。水位骤变对堤防边坡稳定性影响显著:水位骤升阶段,坡体内侵润线滞后于坡体外水位线,呈“凹”型,安全系数随着水位上升逐渐变大;水位骤降阶段,坡体内侵润线超前于坡体外水位线,呈“凸”型,安全系数随着水位降低时间逐渐降低。

(4)降雨强度与持时均相同的条件下,堤防边坡安全系数随着饱和渗透系数的增大而降低;当降雨强度与饱和渗透系数比较接近时,渗透系数愈高者安全系数下降幅度越大。各向异性渗透系数比kx/ky对于边坡稳定性较为敏感,比值越低,雨水入渗对边坡安全稳定性的不利影响越大。

摘要：坡体内外水的作用,会改变影响边坡稳定性安全系数的因素。借助Geo-Studio Slope/W和Seep/W软件模块,建立均质土堤防边坡模型。选择不同的坡角、内摩擦角、黏聚力、坡顶荷载、水位及土体渗透性等参数,研究在内外初始水作用下堤防边坡稳定安全系数的变化规律。结果表明:内摩擦角、黏聚力、坡顶荷载对堤防边坡安全系数影响明显:水位骤变方式不同,坡体内侵润线变化规律明显不同,对安全系数的影响也有差异。土体的渗透系数,尤其是渗透系数各向异性对安全系数的影响特别显著。

关键词：堤防,边坡稳定性,渗透系数,水位骤变,各向异性

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边坡稳定性安全系数篇9

1 边坡稳定性分析理论分类

边坡稳定性分析按其理论基础和分析原理大致分为:1)极限平衡分析法;2)极限分析法;3)随机理论分析法;4)数值分析法,包括有限元法、边界法、有限差分法、不连续变形法(DDA)和数值流行法(NNM)等;5)其他方法,如变分法、运动单元法、模糊理论分析法、神经网络模型法等。

极限平衡法因其计算模型简单,计算方法简便,计算结果能够满足工作需要等优点,而仍然被认为是边坡工程分析中最主要的且最有效的实用分析方法,并为各国规范所采用。我们也采用极限平衡法进行边坡稳定性分析。

2 边坡稳定性分析计算方法

暂参照填土路堤的规定,同时按圆弧滑动面和任意滑动面分别进行极限平衡分析,取最小值。按圆弧滑动面假定进行极限平衡分析的方法有瑞典条分法、毕肖普法等。

用条分法分析土坡稳定性问题时,任一土条的受力情况是一个静不定问题。为了解决这一问题,Fellennius的简单条分法即瑞典条分法假定不考虑土条间的相互作用力。一般说这样得到的稳定系数偏小,在工程实践中,为了改进条分法的计算精度,许多人都认为应该考虑土条之间的作用力,以求得比较合理的结果。目前已有许多的解决方法,其中毕肖普(A·W·Bish,1995年)提出的简化方法是比较合理实用的。如图1所示土坡,可能的滑动面是圆弧AD,圆心为O,半径为R;将滑动土体分成许多竖向土条,其宽度一般取b=0.1R;土条的重力Wi,其大小,作用点位置和方向都已知;Ei,Ei+1和Xi,Xi+1分别为土条两侧的法向力和竖向剪切力;滑动面ef上的法向反力Ni及切向反力Ti作用在滑动面ef的中点;滑动面长为li。土条i上的受力条件是一个静不定问题,土条i上的作用力中有5个未知数,故属于二次静不定问题。毕肖普在求解时补充了两个假设条件:忽略土条间的竖向剪切力及其作用;对滑动面上切向力的大小作了规定。

根据土条的竖向平衡条件可得:

Wi-Xi+Xi+1-Tisinai-Nicosai=0,

即: Nicosai=Wi+(Xi+1-Xi)-Tisinai (1)

其中,ai为土条i滑动面的法线(亦即半径)与竖直线的夹角。

若土坡的稳定安全系数为Fs,则土条i滑动面上的抗剪强度τfi也只是发挥了一部分,毕肖普假设τfi与滑动面上的切向力Ti相抗衡,即:

$Τ_{i} = τ_{f i} l_{i} = \frac{1}{F_{s}} (Ν_{i} \tan φ_{i} + c_{i} l_{i})$ (2)

其中,ci,φi分别为滑动面上的粘聚力及内摩擦角。

将式(2)代入式(1)得:

$Ν_{i} = \frac{W_{i} + (X_{i + 1} - X_{i}) - \frac{c_{i} l_{i}}{F_{s}} s i n a_{i}}{c o s a_{i} + \frac{1}{F_{s}} \tan φ_{i} s i n a_{i}}$ (3)

由公式知土坡的稳定安全系数为:

$F_{s} = \frac{Μ_{r}}{Μ_{s}} = \frac{\sum_{i = 1}^{n} (Ν_{i} \tan φ_{i} + c_{i} l_{i}) R}{\sum_{i = 1}^{n} Τ_{i} R} = \frac{\sum_{i = 1}^{n} (Ν_{i} \tan φ_{i} + c_{i} l_{i})}{\sum_{i = 1}^{n} W_{i} s i n a_{i}}$ (4)

将式(3)代入式(4)得:

$F_{s} = \frac{\sum_{i = 1}^{n} \frac{[W_{i} + (X_{i + 1} - X_{i})] \tan φ_{i} + c_{i} l_{i} c o s a_{i}}{c o s a_{i} + \frac{1}{F_{s}} \tan φ_{i} s i n a_{i}}}{\sum_{i = 1}^{n} W_{i} s i n a_{i}}$ (5)