边坡稳定计算

边坡稳定计算（共10篇）

边坡稳定计算 篇1

1 稳定性理论分析

土坝的稳定性破坏有滑动、液化及塑性流动三种状态。

(1) 坝坡的滑动是由于坝体的边坡太陡, 坝体填土的抗剪强度太小, 致使坍滑面以外的土体滑动力矩超过抗滑力矩, 因而发生坍滑或由于坝基土的抗剪强度不足, 因而坝体坝基一同发生滑动。

(2) 坝体的液化是发生在用细砂或均匀的不够紧密的砂料作成的坝体中, 或由这种砂料形成的坝基中。液化的原因是由于饱和的松砂受振动或剪切而发生体积收缩, 这时砂土孔隙中的水分不能立即排出, 部分或全部有效应力即转变为孔隙压力, 砂土的抗剪强度减少或变为零, 砂粒业就随着水的流动向四周流散了。

(3) 土坝的塑性流动是由于坝体或坝基内的剪应力超过了土料实际具有的抗剪强度, 变形超过了弹性限值, 不能承受荷重, 使坝坡或者坝脚地基土被压出或隆起, 因而使坝体的坝基发生裂缝、沉陷等情况。软粘性土的坝或坝基, 如果设计不良, 就容易产生这种破坏。

进行坝坡稳定计算时, 应该杜绝以上三种破坏稳定的现象, 尤其前两种, 必须加以计算以及研究。

2 PC1500程序编制依据及计算方法

2.1 编制依据及使用情况综述

PC1500程序在计算方法方面采用了瑞典条分法和考虑土条水平侧向力的简化毕肖甫法。从对土料物理力学指标的不同选用又可分为总应力法, 有效应力法和简化有效应力法。程序规定, 计算公式中无孔隙水压力为总应力法;计入孔隙水压力为有效应力法;令孔隙水压力一项为零而将孔隙水压力包含在土体重量的计算之中, 称为简化有效力法[1]。分别考虑了稳定渗流期, 施工期, 水位降落期三种情况。程序按照“水工建筑物抗震设计规范”, “碾压土石坝设计规范”编制。

2.2 计算方法

PC1500程序安排了四种计算方式, 即计算一个指定的滑弧, 用优选法连续计算, 用网格法连续计算, 用混合法连续计算[2]。所谓优选法, 是先给定圆心座标X1、Y1, 滑弧深度DP和它们各自的变化步长。第一步, Y1, DP不变, X1变步长算五次, 找出最小安全系数所对应的X1;第二步, X1, DP不变, Y1变步长算五次, 找出最小安全系数所对应的Y1;第三步, X1Y1, 不变, DP变步长算五次, 找出最小安全系数所对应的DP, 此时一个循环完成, 如精度不满足要求, 将上一循环中最小安全系数对应的X1Y1, DP为新的初始值, 继续计算, 向最小安全系数逼近, 直到满足要求。

所谓网格法, 要计算若干滑弧深度, 对每一滑弧度计算过程如下:以给定滑弧圆心为中心, 以大步长向四周由49个点, 逐一计算, 找出安全系数最小的点, 以该点为中心, 以小步长向四周布49个点, 计算后就找出相应该滑弧深度的最小安全系数。

混合法是先用网格法。将大步长布下的49个点算完后, 找出安全系数最小的点, 转入优选法计算。混合法吸取了优选法和网格法的优点, 即:滑弧位置分布适当, 优化性强, 计算度高;程序具有划分土条宽度的功能, 可绘出断面图及危险滑弧位置;程序能输出原始数据、中间成果、滑弧圆心位置座标, 滑弧深度及相应的安全系数。

3 程序初始化设置

(1) 建立坐标系:坐标原点O放在坝顶上, 一般取在坝轴线与坝顶的交点处, 规定X轴水平指向滑动体滑动方向为正, Y轴铅直向下为正。

(2) 节点编号:先坝面后坝内, 坝坡面节点编号必须沿坝坡面自X坐标值最大一点到最小一点止。所编第一点的Y坐标值即坝高 (程序由此值选取地震惯性力分布系数) , 坝坡面上第一点和最后一点的X坐标值的绝对值必须取得足够大, 以求保证所有滑弧都能与坝坡线交上, 坝内节点号不受先后限制, 但所有编号必须连续, 计算坝坡上不允许相邻节点相距较大, 否则要增加节点号。

(3) 线条编号:任一区域均由封闭折线组成 (即区域边界) , 其中X坐标最小的初始点和X坐标最大的终点将这封闭折线分成上、下两部分, 仅对本区域上边界线条编号, 显然, 这是连续的、单值的。从第一区域起到最后一个区域, 逐一对线条进行编号。铅直线条不必编号或将其放缓后编号。

(4) 编区域号:按土质指标不同划分区域, 分区编号顺序为先上后下, 先干后湿再水下。区域初始点为本区域中X坐标最小的节点, 区域终点为本区域中X坐标最大的节点。区域初始线为本区域中线条编号最小的线条。坝内的浸润线应是区域的边界线。

(5) 孔隙水压力网格的绘制:结点成行列布置, 各行必须水平, 各列可倾向计算坝坡一侧, 但要求各列平行, 将第1行 (编号为0) 中各结点X坐标, 第一列 (编号为0) 各结点的Y坐标, 及列线与铅直线夹角的正切值输入, 并输入各结点的孔隙水压力值, 程序即内插求出土条底部中心线处的孔隙水压力值, 供有效应力法计算时使用[3]。

4 程序的使用技巧

为了更好应用PC1500程序, 应从以下几个步骤进行程序操作, 即: (1) 拟定坝体剖面和计算坝体浸润线; (2) 确定数组中的控制变量21个, 主要是确定其中的循环中心, 它对于整个程序的运行有着至关重要的作用, 可以找到准确而且最小的安全系数。 (确定最危险滑裂面圆心的范围参见《土坝设计》上册P312。) ; (3) 将坝体节点编号, 计算上游坝体稳定按顺时针编号, X坐标方向在上游坝坡, Y坐标向下, 下游坝体稳定计算按逆时针编号, X坐标方向在下游坝坡, Y坐标向下; (4) 线条编号先Ⅰ区域再Ⅱ区域最后Ⅲ区域, 计算上游坝体稳定按顺时针编, 下游坝体稳定计算按逆时针编; (5) 区域编号初始点是X坐标最小点, 终点是X坐标最大点, 然后线条编号最小点; (6) 确定坝体和坝基的三个区域中的摩擦角, 粘结力, 容重; (7) 将以上数据编6行数据组。运行, 调试, 得出最小安全系数。

5 坝体浸润线计算即土坝渗流计算

土坝渗流计算结果是计算坝体稳定计算的前提, 所以这部分也是至关重要的。几个常见的坝体渗流计算类型为:不透水地基上均质土坝的渗流分为有水平排水的均质土坝、有棱体排水的均质土坝、有表面排水 (或无排水) 的均质土坝;不透水地基斜墙土坝的渗流;不透水地基上心墙土坝的渗流;透水地基上均质土坝的渗流分为无限深透水地基上的均质土坝, 有限深透水地基上的均质土坝;透水地基上有铺盖的土坝渗流分为铺盖斜墙土坝和铺盖心墙土坝;透水地基上有截水墙的土坝渗流。截水墙 (截水槽, 混凝土防渗墙, 板桩, 灌浆帷幕) 。

6 结束语

应用PC1500程序过程中, 应注意以下方面的问题:在计算的过程中, 下游的出逸点与坝体的渗流系数有很大的关系, 渗流系数越大, 逸出点越高。在坝体稳定计算中, 调试程序的时候, 其他数据不可以变化的情况下, 增加摩擦角, 安全系数会增高, 同样的情况对于粘结力也是一样的。总之对于整个土坝设计工作, 土坝渗流和稳定计算是很重要的, 对于后面的设计有很大的关连, 所以要作好这部分的工作。

摘要：文章针对土石坝边坡稳定分析与计算方法进行了系统的分析与整理, 主要是对PC1500程序稳定性理论分析中三种状态进行了分析并介绍了编制依据及使用情况。

关键词：土坝,稳定性,边坡,程序

参考文献

[1]陈志恺.水文与水资源分册[M].北京:中国水利水电出版社, 2004.

[2]李炜.水力计算手册 (第二版) [M].北京:中国水利水电出版社, 2006.

[3]黄河水利委员会勘测规划设计院研究院.SL274-2001.碾压土石坝设计规范[S].北京:中国水利水电出版社, 2002.

边坡稳定计算 篇2

每次大的深部构造运动都会导致产生新的应力状态

水平应力=上覆岩层重力×侧压应力系数

构造应力场内：自重应力

水平应力

铅直应力

李四光《地质力学理论》

非洲测得：水平应力是铅直应力的2.6倍

2.6其他因素影响

一、露天矿存在年限

具体讲应指边坡服务年限

时间长，岩体强度减弱大，稳定系数大些

二、边坡形状

凹形：侧向阻力大，稳定性好

凸性：侧向阻力小，稳定性不好

但凸性边坡剥离量最小，经济合理

三、地形荷载：外排土场就近位置

推进方向（工作线）破坏岩体完整性，引起边坡滑落

总之，因为边稳固什么很多，尚待研究。

3—1

边坡工程地质工作程序

一、边坡工程工作主要任务：

1、搜集影响边坡稳定性的各项因素；

2、分析边坡岩体的稳定性：

—查明岩体中结构面分布及岩性变化；

—分析潜在滑面；

—建立滑动模式。

二、边坡工程地质工作程序：

三、1、区域地质背景；

四、2、矿区地质构造；

五、3、露天矿现采场边坡工程地质条件；

六、4、露天矿最终采场边坡工程地质条件；

七、5、露天矿边坡工程地质分区。

三、露天矿边坡各阶段的工作内容

-矿山地质勘探报告；

-露天矿设计阶段；

-投产以后岩层暴露。

1、岩性分布；

2、地质结构面分布

3、出水点；

4、采掘台阶现状；

5、工程地质分区及剖面线；

6、岩石力学试验取样地点

3—2

岩体结构面的调查

主要调查节理、岩层面产状、密度。

方法：地面测量；钻孔。

一、结构面地面调查（表3-1为调查内容）

二、钻孔定向取芯，主要是探明深部的不利结构面。

（一）岩芯定向

三个要素：倾向、倾伏角、围岩轴

线（旋转的某一基准线）。

第五章

边坡稳定性计算

5.1概述

一、边坡岩体内部分析

1、有两种运动

a、相对静止：边坡稳定

b、显著变动：滑坡（变动非常复杂）

2、滑坡原因

a、驱动滑坡因素

荷载

震动

水

构造应力

温差应力

b、抗滑能力

岩体强度

二、露天采场边坡

1、高大边坡

2、暴露岩层多

3、地质构造面纵横交错

4、水文及工程地质条件复杂

因此，边坡随时监控调整，合理的边帮角只能最终评价。

三、目前研究现状及任务

1、土体边坡稳定研究，解决岩石边坡有许多问题

2、露天边坡稳定计算任务

a、验算已有边坡的稳定性，以便决定是否采取防护措施，并作为防护设施设计的依据。

b、设计露天矿合理边坡角，在已知开采深度，设计既经济合理又安全的边坡角。

c、边坡的技术原理

Ⅰ、到界边帮台阶的减震爆破

Ⅱ、防排水

Ⅲ、伞檐处理

管理不善，缓坡可能滑坡，管理好陡帮也可能安全（例如平装西露天矿）结合生产工艺

3、经验法选取边帮稳定角

爆破<40度

金属矿<50度

4、边坡稳定表示方法

当

Fs<1，滑坡

当

Fs=1，极限平衡

当

Fs>1，稳定。保守起见:

=1.1－1.5，多数取1.3。

根据边坡服务年限选取不同值

四、本章研究内容：

1、确定边坡岩体内最危险区

2、分析区内的全部作用力

3、求FS4、判断稳定程度

5.2计算基础及方法分类

一、边坡稳定分析步骤

1、确定滑面

2、分析滑面上的作用力及反作用力，建立平衡条件

二、计算方法

1、刚性极限平衡法

①、将滑体视为刚体

②、滑体的位移是剪切破坏

③、滑体在滑面上的平衡条件，应用滑块在斜坡上的平衡原理

2、有限元法

3、概率法

5.3平面滑面计算法

边坡沿某一倾斜面滑动，发生在以下条件：

1、滑面走向与边坡走向平行或近于平行（）度左右

2、滑面出露在坡面上，二者相交在坡面上

3、滑体两侧有裂面，侧阻力小（略）

一、边坡内有确定的滑面及垂直裂隙

(一)、数学分析法

设：1、岩石不透水，垂直裂隙渗入，流经滑面自坡面逸出，水的压强呈线性分布。

2、滑体重力W，水压U及V均通过滑体重心不产生力矩，滑体无转动，则滑体稳定条件为：

当断裂出露在坡顶时：

当断裂出露在坡面时：

边坡的稳定程度，以稳定系数表示，抗滑力与滑动力之比：

C=0

（二）矢量法

力多边形封闭为平衡状态

步骤：

1、绘铅直重力矢W，比例自选

2、接W之首绘V矢，与W方向垂直

3、接V之首绘U矢，与铅直方向成β角

4、接U之首绘反力矢N，与铅直方向与U同

5、求封闭力矢S，其方向平行滑面，指向与滑动方向相反。

自W之尾绘线，使其平行滑面，并与N矢相垂交，便是所求平衡抗力S。

抗力中摩擦阻力

接U绘拐角φ，在S线上截取便是

稳定系数：

二、边坡内无确定的滑面，最危险滑面位置可分析求得

1、滑面临界倾角（不计U、V）

平衡方程：

又由于：

故：

或：

令：

最后解得：

（最危险滑面倾角）（排土台阶，土边坡，锡盟地区）

α<45度多为圆弧滑坡，坡角较大时，多为平面滑面

2、直立边坡的临界高度：

当边坡垂直时，α=90度

所以：

带入整理后得：

应用公式：

教材中：

方法二：

5－7式将

代入上式可得：

对于垂直边坡时，α=90°：

把α=90°代入5－7式：

以上绘制曲线图5－6：

说明：

1、垂直边坡的高度大于上式值时，岩体自重力足，以使边坡产生剪切破坏，滑坡。

2、小于上式值时，处于弹性应力状态，不发生剪切位移。

3、任意边坡滑动时，剪切面仅在距坡顶一定的深度即

以下方能产生，以上岩层成为弹性层，它的破坏呈拉断。

抗拉强度小于抗剪强度

4、当边坡体内某局部开始达到塑性变形，而远未形成滑坡之前，坡顶处便首先出现

垂直张裂隙，往往称作为滑坡的前兆特征，用来预报即将发生滑坡。

存在最小的极限高度，相对应的弱面倾角为：

当C=0时，张性断裂时，岩石坚硬：

极限平衡

说明：当C

趋于0

时，滑面被较陡的坡面切割，而沿滑面的摩擦角又小于滑面倾角时，即：，则可能产生滑坡，与坡面和坡角无关（在α>β时而言）,此时为增加边坡稳定性,减少坡高和削坡是无益的,只有沿滑面削掉或机械加固，煤矿多见此种例子。

三、边坡内无确定的拉张裂缝，其最危险的位置可分析求得

1、滑体稳定系数

将

带入上式

2、拉张裂缝的临界高度

解Fs的极限值（最小化）

不考虑水的因素，一般采用减弱系数法处理，分步微分法

设：

求Fs极值，设，用分步微分法：令

又知：，令：

得：

3、滑体临界顶宽

从图中求：

代入上式：

四、实例分析

1、条件：已知某矿坡高382m，坡角42度，断层倾角70度（弱面），宽度5m，求解①：Fs，②：坡角

岩体力学性质：

闪长岩：

γ=27KN/m3

c=500－1000KPa

φ=40度

断层c＇=0－30KPa

φ＇=18度

2、滑动模式

经分析确定为平面滑动

膨胀土边坡稳定性分析 篇3

关键词：膨胀土；边坡工程；失稳破坏

中图分类号： TU23 文献标识码： A 文章编号： 1673-1069（2016）20-69-2

0 引言

膨胀土属于特殊土，分布较为广泛并且对工程建筑物危害较大。大量的粘土矿物是膨胀土具有膨胀结构的根本原因，其中蒙脱石的存在会使得土体易于开裂、亲水性强、胀缩性高，同时膨胀土的液限也很高。判断一种土是否为膨胀土的依据就是液限和自由膨胀率，当液限和自由膨胀率均大于40%时，判别为膨胀土[1]。

膨胀土的破坏特性是复杂的，具有潜在性、反复性和长期性，全世界由膨胀土造成的损失很大，甚至超过了洪水、飓风、地震和龙卷风所造成破坏的总和[2]。美国专门组织召开膨胀土大会，国际工程地质大会、国际土力学及基础工程大会以及地区性的会议都会针对膨胀土的研究进行交流探讨，在此的背景下，国际上制定了一些相关的规范。我国在20世纪五六十年代开始注重膨胀土带来的一系列问题。当时的研究程度不够深入，在膨胀量和膨胀力以及引起膨胀的相关因素方面的研究成果很少[3]。

1 膨胀土边坡稳定性研究现状

1.1 强度准则

传统的摩尔库伦准则是应用最广泛、认可度最高的强度理论，后续的很多新理论都是在摩尔库伦理论的基础上建立起来的。由于自然条件下膨胀土边坡为非饱和土，故目前研究的热点集中在非饱和土力学。Bishop等于1960年提出了非饱和土抗剪强度的有效应力公式[4]：

以上学者提出的公式虽然得到了国际上很多转接学者的认可，但是还是存在缺陷，Bishop法ua-uw数值难以测定，Fredlund法？渍″的测定非常复杂，都未能在工程中大量应用，应用最广的依然是摩尔库伦强度准则。

1.2 膨胀土边坡裂隙开展深度

膨胀土裂隙开展深度对土体稳定性影响非常的大。膨胀土在不同的温度、含水量等作用影响下产生应力不均匀分布，于是产生相应的应变。膨胀土形成的众多裂隙致使其结构稳定性降低，导致膨胀土体工程性质变得极差。因此研究其裂隙扩展深度极其重要。由于膨胀土裂隙深度并非受单一因素影响，它与风化卸荷、地应力、工程地质条件密切相关，要精确求解比较困难。

易顺民和袁俊平对裂隙的分布进行了研究，并依据统计法建立了裂隙度的概念，但并未针对某一具体裂隙深度进行求解。在工程实际中，很多时候都是根据当地的地质勘察资料和当前气候条件进行经验估算得到裂隙深度。根据经验统计分析，膨胀土体的稳定性系数随着裂缝深度的变化幅度基本在10%以下，就可以在进行稳定性计算时取稳定性系数为最小时的深度。

1.3 膨胀土的渗透性

非裂隙性的膨胀土渗透系数很小，对边坡土体的稳定性影响很小，因此关于非裂隙性的边坡渗流问题研究的文献也比较少，只有少部分文献研究了裂隙生成后的渗流问题。对于边坡表层的膨胀土受风化应力改造比较严重，裂隙发育较多，大小不一，根据不同的工程地质条件，边坡形态，雨水入渗对边坡会产生不同程度的影响，对边坡稳定性造成一定的威胁。袁俊平初步建立了非饱和膨胀土边坡裂隙网络的入渗模型。

1.4 膨胀力与含水率的关系

膨胀土遇水后会产生膨胀力，而大气条件下膨胀土吸水后产生膨胀力的情况要比室内膨胀力测试实验复杂得多，室内试验膨胀土试样完全浸入在水中，并且在测试过程当中完全没有变形，这与大气条件下差别较大，因此准确测定膨胀力困难比较大。卢肇钧定义膨胀土的的膨胀力为土体积不变的情况下测定的，现在土工试验规程也使用了这种方法。Asuri Sridharan设计了三种方法来测定膨胀力，包括自由膨胀法、线性求解法和定体积法，从不同的角度，通过大量实验对比分析三种方法的不同特点，测定膨胀力以获得更加合理的方法，同时还总结出了膨胀力与初始含水率和干密度的关系。

2 膨胀土边坡稳定性分析

2.1 室内试验研究

目前室内试验是获取膨胀土的膨胀力和强度参数的主要方法，在进行稳定性计算时往往要先做室内试验。

2.1.1 膨胀力试验

膨胀力试验测量的是膨胀土试样在不同初始含水率试样达到或接近试样的最大干密度条件下的膨胀力，分析了膨胀力与含水率之间的关系并且实现了定量化，能够为极限平衡计通过研究以往试验可以发现，试样在实验前虽然含水率相差很大，膨胀力试验结束后发现含水率都接近塑限。膨胀速度呈现先快后慢的趋势。在实验过程中，当膨胀力趋于稳定的并且接近末尾阶段，不同试样表现出了不一样的变形差别，含水率大于等于最优含水率的试样完全限制试样变形，在实际条件下，膨胀土边坡的变形是不可能被完全限制住的，因此在进行极限平衡计算时需要选择一个合理的折减系数来平衡实验室与实际间的差别。

2.1.2 压实性膨胀土的抗剪强度试验

压实性膨胀土的抗剪强度试验测定了膨胀土抗剪强度随含水率的变化情况而变化的规律，为膨胀土边坡稳定性计算提供定量数据。

在做固结慢剪试验时，需要制备不同含水率的试样，并且固定一个压实度作为基准，在制备试样时，分别将试样压实到相对于试样的最大干密度。当固定一个含水率的值的时候，制备不同压实度的试样，来考察最优含水率附近压实度对强度的影响。还可以控制含水率，制备不同压实度的试样来进行快剪试验。

2.2 大气作用下的试验研究

孔令伟[6]研究了大气作用下膨胀土边坡的现场响应试验研究。试验场地选在了广西南宁郊外，属于亚热带季风气候，日照充足，降水量大，雨季旱季分界明显。多年平均降雨量约为1318mm，其中雨季的降水量达到全年降水的80%，年平均蒸发量约为1220mm。地形地貌属于垄状地貌，选在一块面西向的缓坡上，坡度较小，10°-14.5°，边坡上安装相关检测设备，包括小型气象站、TDR土壤含水率测量系统、测斜管、沉降传感器等。

通过试验数据分析得出：降雨量、蒸发量、净辐射量、湿度等都会对膨胀土的含水率有影响，但是降雨和蒸发两个参数是影响程度最大的，进而影响膨胀土边坡稳定性；土壤温度是与净辐射量有关系，在一定程度上可以间接性的反映边坡不同温度区域的含水率情况；植被覆盖对膨胀土边坡的变形有一定影响，植被可以保持水分、固定土壤、控制径流，进而影响边坡的稳定性。

3 总结

膨胀土的特殊性使得膨胀土坡稳定性变差，膨胀土工程边坡经常发生滑坡等地质灾害。影响膨胀土边坡稳定性的最重要因素为裂缝的开裂情况，裂缝即降低了土体强度，又为雨水入渗提供通道，加剧土体抗剪强度的降低，最终导致土体变形失稳。

对于膨胀土的研究日渐成熟，但也存在很多尚待解决的问题，在理论研究结合生产实践的基础上，对膨胀土的认识会进一步，为实际工程带来帮助。

参 考 文 献

[1] JTJ033一95公路路基施工技术规范.

[2] 孙志伟.裂隙膨胀土切岭滑坡形成机理及发育阶段分析[J].中国地质灾害与防治学报.1994，6（5）：60-65.

[3] Huang X L.Problems of buildings on slopes of expansive soils[A].Proc of the Inter Conf on Engineering Problems of Regional Soils[C].Beijing，China，1998.67-110.

[4] 林鲁生，蒋刚.考虑降雨入渗影响的边坡稳定分析方法探讨[J].武汉大学学报（工学版），2001，34（1）：42-44.

[5] 中华人民共和国行业标准，公路土工试验规程（JTJO51-93）.人民交通出版社，1993.

冻土路基边坡稳定性计算程序开发 篇4

温度变化对高含冰量冻土边坡,特别是多年冻土地区的高含冰量边坡的稳定性具有显著影响。多年冻土区边坡路堤内岩土体在外界气温周期性正负交替变化影响下,形成了如图1所示的两种典型形式的冻结和融化现象[5]。在正融或正冻状态的剧烈相变区内,冻土的力学强度因冰水相变作用而发生较大的变化。砂黏土和黏砂土的室内快剪试验证明[6]冷季冻融交界面的抗剪强度大于冻后全融土的抗剪强度,而在暖季冻融交界面的抗剪强度显著下降,严重威胁边坡的稳定性。

因此,本文针对寒区边坡的特殊性,将温度场引入边坡稳定性计算中,考虑温度分布对土体力学性质改变及冻融交界面的影响,开发了耦合温度场的冻土边坡稳定性评价程序,并对非圆弧滑面稳定性系数求解中取矩中心的求解做了相应改进。算例结果表明,整个搜索算法具有较高的稳定性和准确性,有助于快速确定寒区边坡的临界滑面,为寒区边坡设计和治理提供帮助。最后利用开发的冻土路基稳定性计算程序,对坡度为1∶1.5的4 m路基进行了不同地温条件下的工况计算。

1 计算原理

冻土边坡稳定性计算程序包括以下三个步骤:①数据的预处理,包括读入地层坐标和物性参数、求解各个地层折线方程和导入区域温度场;②根据滑面类型,使用不同的滑面搜索方法求解临界滑面和最小稳定性系数;③数据的输出及后处理。程序由六个计算子模块构成,在计算过程中各模块互相调用,程序计算流程图如图2所示。下面按照计算程序中各子模块的调用顺序,详细介绍冻土边坡稳定性系数的计算方法。

1.1 温度场耦合

冻土的力学性质随着土温的不同而发生变化,研究表明,冻土的抗剪强度与土温的关系可用下面的公式表示[7]:

因而在寒区坡体的滑面稳定性系数求解中,需求解计算区域的温度分布情况。坡体温度场分布可由实际测量和模拟计算两个途径获得。实际测量所得土体温度分布为系列散点坐标,但由于所测点的个数限制,很难整体反映土体温度分布情况。而模拟计算所得温度分布反映了地层中土体的温度分布特征,但某些情况下,由于计算区域较大,对于局部区域的刻画较为粗糙。针对上述情况,本文首先通过最小二乘距离加权插值法计算得到关心区域地层剖面较为细致的温度场。然后利用差值处的温度场数据确定滑块的温度值。

局部细致温度场网格划分方法为在计算区域X和Y方向上均分N和M等分,构成网格数为M×N的温度场网格。本文以滑块底面中点温度值Tbi作为该滑块的黏聚力和内摩擦角的定性温度。在滑块温度值求解中,首先根据滑块地面坐标(xbi,ybi),求解此节点与每个温度场网格的四个节点所构成的四个三角形的面积和,然后将此面积和与预先求得的每个温度场网格面积比较,若

则说明此节点位于网格i内,由事先记录的构成此网格的节点标号可知相应的网格节点坐标,然后通过最小二乘距离加权插值法得到此点的温度值,插值计算公式为

1.2 临界滑面搜索算法

本文假定坡面和各土层分界面由一系列节点相连组成,折线方程为

当地层参数读入和温度场耦合计算环节完成后,程序会根据滑面类型的不同,采用不同的搜索算法确定寒区边坡的临界滑面。对于圆弧滑面,采用基于模拟退火原理的搜索算法;而对于折线型滑面,采用基于蒙特卡罗原理的搜索算法。

1.2.1 基于模拟退火原理的圆弧滑面搜索算法

圆弧滑面的稳定性系数可表示成圆心(x0,y0)的坐标和半径r的函数:

则临界滑面的搜索问题转化为通过变化(x0,y0)坐标和半径r数值使目标函数FS最小的问题。本文采用模拟退火算法搜索圆弧型滑面的临界滑面,其具体程序实现思路为[4]:

1)依据边坡几何参数,确定圆弧滑面圆心坐标(x0,y0)以及半径r的取值范围,并设定模拟退火的初始温度。

2)根据确定随机圆弧滑面的圆心坐标和半径,使用简化BISHOP法计算其稳定性系数。

3)运用状态产生函数对圆心及半径做随机扰动,计算新滑面的稳定性系数。

4)执行收敛判断,若收敛则程序结束;若不收敛则在此温度下继续迭代搜索。

5)若在某温度下迭代一定次数后计算仍未收敛,执行退火算法降低温度回到步骤2)继续计算。

在某些情况下随生成的随机圆弧滑面可能位于坡体之外,需要加以剔除并重新生成合理值。另外,程序在每次随机滑面安全系数计算完成后,会自动更新并记录历史最危险滑面,且程序执行退温操作时,搜索滑面初值定义为上一温度下搜索得到的历史最危险滑面,进而避免模拟退火算法中搜索结果陷入局部最小的情况出现。

在计算程序,状态产生函数为:

若新产生的状态xj不在搜索范围(xmin,xmax)内,则可按式(7)重新产生随机状态xj:

状态接受函数采用广义的Metropolis准则来判断是否接受新解,其具体实现方法为:若新状态对应的目标函数值优于当前状态的目标函数值,则接受新状态,否则将exp(-Δ/tk)作为状态接受函数。

降温函数采用线性下降方式,表达式为

1.2.2 基于蒙特卡罗原理的折线型滑面搜索算法[8]

在笛卡尔坐标系中,折线型滑面可以表示为2n维空间中的一个点:

确定的S点对应相应边坡的稳定性系数FS,类似地,折线型临界滑面的搜索即是寻找使FS最小的S点。本文通过节点随机摆动与滑面整体移动的方法生成大量随机滑面,在满足滑面几何合理性条件的前提下逐步缩小搜索步长最终获得满足收敛条件的临界滑面。

在向临界滑面逐渐逼近的搜索过程中,包括一系列的节点探测循环和滑面整体探测循环。在节点探测循环中,构成滑面的所有节点在一次滑面的轮替搜索中都要依次探测一遍。所有节点轮替搜索一次后,滑面S各个节点同时移动完成整体探测搜索过程。

在计算程序中,节点探测x方向及y方向的初始基准步长取为

每完成一次节点探测和滑面整体探测循环,计算程序都进行收敛判断,其收敛条件如下:

式中Δ和δ均为容差,δ一般取为0.001,Δ应满足:

1.3 稳定性系数求解

1.3.1 基于扩展简化BISHOP法的稳定性系数求解

刚体极限平衡法是边坡稳定分析中最常用的计算方法,其中经典简化BISHOP法因其简单、快捷且具有很好的精度而运用最为广泛,然而此算法并不适用于非圆弧滑面,具有一定的局限性。因此,本文采用张鲁渝等提出的扩展简化Bishop条分法求解滑面的稳定性系数[9]。

程序中边坡稳定性系数求解公式如下:

式(15)中,mai=cosαi+tanφisinαi/Fs,此表达式不受滑面形状为圆弧还是非圆弧的限制,且计算量没有大幅增加。

1.3.2 坡体取矩中心求解

本文结合张鲁渝[10]、王军[11]取矩中心求解方法的优点,提出基于逐步逼近思想的取矩中心求解方法。即首先使用取矩角θ快速确定一个取矩中心O,并基于此取矩中心,迭代求解得到一个滑面误差较小的稳定性系数Fs,然后以此Fs求解得到更新的取矩中心O,最终计算得到在忽略条间力假设下严格成立的稳定性系数Fs。

此方法克服了王军方法中Fs难以预知的缺点,也摆脱了张鲁渝方法中取矩中心具有随意性,缺乏通用性的缺点,实际计算结果表明,采用逐步逼近的取矩中心求解方法可以获得较文献值更为准确的滑面稳定性系数。

2 程序验证

目前文献中关于耦合温度场的斜坡稳定性分析的计算结果还未见报道,为说明本文计算程序的正确性和可靠性,下面分别通过未耦合温度场的圆弧型和折线型滑面搜索的计算分析,来做以验证。

2.1 圆弧型滑面搜索验证

圆弧滑面的搜索程序验证采用与文献[12]中图3的计算结果加以对比。在计算中采用了与文献相同的土体物性、滑弧圆心和半径搜索区间以及土条划分方法,采用的冷却表为Ti+1=0.5Ti,T0-in=1.0,T0-out=1.0,每个温度下搜索次数上限设为50。临界滑面搜索计算结果如图3所示,由图中可见,本程序所搜索到的危险滑面与文献结果十分接近,从而验证了圆弧型滑面搜索程序的正确性。

2.2 折线型滑面搜索验证

折线型滑面的搜索程序验证采用与文献[8]中图8的计算结果加以对比。计算程序搜索到危险滑面如图4所示,由图中可见,本程序所搜索到的危险滑面与文献结果十分接近,同时本计算程序计算得到的最危险滑面的稳定性系数值为1.640,未使用取矩中心更新之前的计算结果为1.696,而相应的文献值结果为1.729(四点控制滑面)和1.674(8点控制滑面),从而证明了折线型滑面搜索程序的正确性。此外,本程序采用4点控制滑面所得结果要优于文献中同样采用4点控制滑面所得结果,说明程序所采用的取矩中心迭代更新求解稳定性系数的计算方法较文献方法更优。

3 冻土路基斜坡稳定性评价

本文利用编制的耦合温度场冻土斜坡稳定性评价程序,对4 m高路基在不同地温条件下的大量工况进行了稳定性评价。

坡体温度场分布采用本课题组基于大型多物理场耦合计算软件COMSOL MULTIPHYSICS 3.4二次开发的数字路基仿真平台计算获得。坡体由三种土层构成,分别为路基填土、亚黏土和全风化泥岩,密度分别为20、18和30 kg/m3。各层冻土的力学参数取值方法如下:在暖季,当土温大于0.05℃时,认为处于融化状态,ai、bi均等于0;当土温小于-0.05℃时,认为土体处于冻结状态,ai、bi按表1取值;当土温在-0.05~0.05℃时,则认为其处于冻融交界面区域,其抗剪强度取值为,C=4 k Pa,φ=13°;在冷季则不考虑冻融交界面的影响,认为当土温大于0℃时,认为处于融化状态,反之处于冻结状态,取值方法与暖季相同。

图5为-0.8℃地温条件下路基边坡5~10月份的温度场和临界滑面叠加效果图。由图可知,路基边坡的稳定性系数呈现先增大后减小的趋势,且采用折线型滑面所计算出的路基边坡最小稳定性系数要远小于圆弧型滑面的计算结果;而临界滑面先是贴近冻融交界面伸展,然后随着天气逐渐转暖,逐渐远离冻融交界面。

图5的计算结果表明在暖季早期,由于边坡融深很浅且临界滑面距离冻融交界面较近,导致了边坡的稳定性系数较小,从而验证了实际观测中暖季早期冻土边坡易形成热融滑塌的工程现象。同时还可以看到,折线型计算滑面可以更好地体现冻融交界面的控制作用,所计算出的边坡稳定性系数也远低于圆弧型滑面的计算结果,因此采用折线法评价冻土路基在暖季时的正融期斜坡稳定性更为准确。

图6为不同地温条件下路基稳定性随月份变化情况。由图可知,路基边坡的最小稳定性系数并非出现在每年的10月份(融深最大季节),而是出现在每年的6、7月份,且地温越低,年度最小稳定性的出现时间越往后推移。由前文可知,此现象的出现与土体力学性质和温度分布有直接关系:5月份路基开始融化时由于融深较小,最危险滑面受冻土区影响,只能存在于冻融交界面之上,其下滑力较小,从而使得路基边坡稳定性系数较大;而后随着融化的深入,土体内部的内黏聚力等抗滑力减弱,下滑力增加起控制作用,路基边坡的稳定性降低,在6月份时路基边坡的稳定性达到了年度最小值;而在8月份之后其最危险滑面不再受冻土区限制,位于冻融交界面上方,则最危险滑面为圆弧滑面且形状几乎不变,其稳定性系数也无变化。

4 结论

本文针对寒区边坡特殊性,提出以冻土物性参数随温度变化作为温度场和应力场的耦合纽带,考虑温度分布对土体力学性质改变及冻融交界面的影响,开发了耦合温度场的冻土边坡稳定性评价程序,并在前人研究基础上,通过取距中心的二次更新解决了扩展简化BISHOP法取距中心困难的问题。最后利用开发的冻土路基稳定性计算程序对坡度为1∶1.5的4 m路基进行了不同地温条件下的工况计算,计算结果表明:

(1)所采用的滑面搜索算法具有较高的稳定性和准确性,能够快速确定寒区边坡的临界滑面。

(2)在评价冻土路基正融期滑坡的稳定性时,采用圆弧滑面的方法削弱了软弱夹层的影响,易造成评价结果过大,而采用折线滑面的方法来评价更为科学、严谨。

(3)冻土路基年度最小稳定性并非出现在融深最大的10月份,而是通常出现在暖季的早期,形成热融滑塌现象且年度最小稳定性出现的时间随地温的降低而向后推移。

摘要：寒区边坡稳定性评价的特殊性在于其土体内部温度场的不均匀性。针对寒区边坡特点,提出以冻土物性参数随温度变化作为温度场和应力场的耦合纽带。考虑温度分布对土体力学性质改变及冻融交界面的影响,开发了耦合温度场的冻土边坡稳定性评价程序;并对非圆弧滑面稳定性系数求解中取矩中心的求解做了相应改进。利用开发的冻土路基稳定性计算程序,对坡度为1∶1.5的4 m路基进行了不同地温条件下的工况计算。计算结果表明在评价冻土路基正融期滑坡的稳定性时,采用折线滑面的方法来评价更为科学、严谨。此外计算结果还表明,冻土路基年度最小稳定性并非出现在融深最大的10月份,而是出现在暖季的早期从而形成热融滑塌现象;且年度最小稳定性出现的时间随地温的降低而向后推移。

关键词：滑面搜索,冻土路基,边坡稳定性,冻融交界面

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某工程边坡稳定加固方法选择研究 篇5

通过对工程边坡稳定性计算,建立边坡稳定性模型.通过压力注浆、钢筋混凝土格构加锚杆和打抗滑桩三种边坡加固方法,对各自工程量、沉降、施工难度、质量保障、工程造价的综合评价,选出较好的`边坡加固方法.施工完工一年的沉降检验,边坡未发现异常情况.

作 者：屈云光 焦思红 占文锋 Qu Yunguang Jiao Sihong Zhan Wenfeng 作者单位：屈云光,Qu Yunguang(深圳中广核工程设计有限公司,广东,深圳,518057)

焦思红,占文锋,Jiao Sihong,Zhan Wenfeng(北京工业职业技术学院,北京,100042)

岩质边坡稳定性计算及敏感性分析 篇6

1 计算方法

1.1 计算软件介绍

计算采用楔形体理论进行计算,同时考虑裂隙面中的水压力作用。本文计算采用的是Rocscience软件中的Swedge模块进行计算的。此软件具有很好的用户界面,可操作性强。Swedge软件可以通过多种方式模拟不同的水压力情况,可以计算不同的开裂位置作用下的边坡稳定情况,同时还可以考虑地震荷载作用的影响,另外此软件还可以算出达到某控制安全系数要求时所需的最小锚固力,所计算的锚固力又可分为主动锚固力及被动锚固力,根据具体锚固要求的不同,可选择不同的锚固力形式,此软件为一款国外软件,在国外用的比较多。

1.2 楔形体计算简图

此边坡计算简图可在Swedge软件中生成,计算简图见图1。

1.3 计算参数

计算模型所需要的计算参数见表1。

1.4 计算荷载及计算工况

本次计算未考虑地震荷载作用的影响,仅考虑了自重荷载,1/2水头作用的影响。计算工况考虑了以下几种情况:即c取100 kPa,75 kPa,50 kPa,35 kPa及20 kPa的几种情况;同时还考虑了后张裂面距离坡顶线2 m,5 m,10.88 m,13.22 m,16.03 m以及115 m的几种情况,其中前面5组距离都是此边坡实际存在的几组节理张裂面,115 m距离是没有后张裂面而为完整楔形体时的最大距离。

此边坡位于坝肩右岸,从影响的建筑物等级来看,此边坡为一级边坡,控制安全系数为1.25～1.3。本次分别计算了以上几种情况的边坡稳定性,同时根据计算结果对边坡进行了敏感性分析,敏感性分析时,控制安全系数取1.25。

2 岩质边坡稳定性计算及敏感性分析

2.1 岩质边坡稳定性计算

边坡稳定性计算了以下几种情况:即c取100 kPa,75 kPa,50 kPa,35 kPa及20 kPa的几种情况;同时还考虑了后张裂面距离坡顶线2 m,5 m,10.88 m,13.22 m,16.03 m以及115 m的几种情况。水压力考虑1/2的水头作用,容重取26.4 kN/m3,摩擦系数J1结构面取0.4,J2结构面取0.45,计算结果见表2。

从表2可以看出,后张裂面距离坡面交线2 m时,也就是滑动块比较薄时,边坡安全系数比较小,仅有c=100 kPa的情况满足稳定要求。随着滑块厚度的增大,边坡安全系数逐渐增大。后张裂面距离坡面交线距离为5 m,c=50 kPa时,边坡便能满足稳定要求;当距离为10.88 m,13.22 m,16.03 m,c=35 kPa时,边坡就满足了稳定性要求;当滑块没有后张裂面,而是以整个楔形体进行滑动,c=20 kPa时,边坡即为稳定边坡。由此可见,在岩质边坡稳定性分析中,c值对计算结果影响很大,如果其取值不当,便会影响计算效果,影响工程造价,造成不必要的经济损失。

2.2 岩质边坡稳定性敏感分析

在研究岩质边坡稳定性敏感分析时,主要研究了两个方面,即滑块厚度变化对边坡稳定性的影响以及粘聚力c的变化对边坡稳定性的影响。敏感性分析方法采用相对安全系数与边坡厚度及粘聚力c的关系曲线的研究方法来研究,即(F-[F])/[F]与边坡厚度及粘聚力c的关系曲线,其中,F为各种情况下的计算安全系数;[F]为边坡稳定允许的最小安全系数,取1.25。各种情况下滑块厚度变化以及粘聚力c的变化对相对安全系数的影响计算统计结果见图2,图3。

从图2可以看出,当滑块厚度一定时,粘聚力越大,安全系数越大;当粘聚力一定时,滑块厚度越大,安全系数越大;当厚度在0 m～20 m之间变化时,厚度变化对边坡稳定敏感性影响比较大,曲线走势比较陡;当厚度超过20 m时,厚度增加对边坡稳定影响不是很敏感,曲线走势趋于平缓。因此,当有多种厚度节理面同时存在,稳定性研究时应对其分别进行研究。

从图3可以看出,各种裂隙宽度下,随着粘聚力c的增大,安全系数在增大。从图3中可以看出,粘聚力c与滑块厚度越大时,安全系数敏感性与粘聚力关系曲线越陡,粘聚力变化对安全系数敏感程度影响越大。

3 结语

本文对岩质边坡稳定性及岩质边坡稳定敏感性进行了计算与分析,通过计算分析可以看出,滑块厚度在0 m～20 m的范围内,随着岩块厚度的增加安全系数在增大,岩块厚度变化对安全系数敏感性影响比较大,曲线比较陡;超过20 m时,曲线走势趋于平缓;粘聚力c与滑块厚度越大,安全系数敏感性与粘聚力关系曲线越陡,粘聚力变化对安全系数敏感程度影响越大。

摘要：以国外某水电站右坝肩的高边坡为研究对象,运用Rocscience软件中的Swedge模块对岩质边坡稳定性进行了计算并对边坡稳定敏感性作了分析,得出了岩块厚度和粘聚力变化对于安全系数敏感性的影响规律。

关键词：边坡,稳定性,安全系数,敏感性

参考文献

边坡稳定计算 篇7

1 工程概况

拟建高边坡工程项目是机械制造厂的一部分。机械厂整个场地南高北低,场地占地面积为2万m2,在机械厂南侧是拟建高边坡,坡顶标高约为9.5 m～40.0 m,坡顶是一个小山坡,坡的北侧外约7.0 m～9.0 m是公路,公路标高约为19 m～36.5 m。要求支护后坡脚标高为0 m。边坡几何位置见图1。

根据岩土工程勘察报告,边坡支护范围内地层及力学参数主要为:①素填土及含碎石粉质黏土:黄褐色,红褐色,一般含5%～10%左右石英岩碎石,局部碎石含量可达45%左右,硬塑～坚硬状态,干强度高,韧性强。揭露层厚1.9 m～8.0 m。C,φ设计值:C=32 kPa,φ=22°。②强风化板岩(Zwhc):灰黄色,碎裂结构,岩体风化节理裂隙发育,岩芯呈碎块状,块状,个别含薄层中风化夹层,但风化不均匀。揭露层厚14.50 m～19.70 m。岩体破碎,岩体基本质量等级Ⅴ级。C,φ设计值:C=44 kPa,φ=29°。③中、微风化板岩:灰褐色,灰绿色,块状结构,岩体风化节理裂隙较发育,岩芯呈块状、短柱状。揭露层厚14.50 m～39.70 m。岩体较完整,局部较破碎,岩体基本质量等级Ⅳ级。C,φ设计值:C=64 kPa,φ=35°。

根据勘察报告,该边坡支护工程开挖范围内无地下水。

2 极限平衡法下安全系数计算值

2.1 极限平衡法原理及概述

极限平衡方法的基本特点是,将边坡视为刚体,只考虑静力平衡条件和土的摩尔—库仑破坏准则。也就是说,通过分析土体在破坏时的力学平衡来求得问题的解。但在大多数情况下,通过这些条件建立的方程组是静不定的。极限平衡方法处理是对某些多余的未知量作一定简化假定,使问题变得静定可解。目前国内外常用的极限平衡法主要有Fellenius法、简化Bishop法、Morgenstern-Price法、Spencer(1967年,1973年)法、Sarma(1973年)法、Janbu(1973年)法和国内常用的推力传递法等,现对这些方法作一概述。

1)简化Bishop法。该法也只适用于圆弧滑动面。与瑞典圆弧法相比,它是在不考虑条块间切向力的前提下,满足力的多边形闭合条件。也就是说,隐含着条块间水平力的作用,虽然在它的计算公式中水平作用力并未出现。很多工程计算表明,该法与满足全部静力平衡条件的方法,如Janbu法相比,结果甚为接近。由于计算过程不很复杂,精度也比较高,所以,该方法是目前工程中很常用的一种方法。2)Fellenius法。Fellenius法又称瑞典圆弧法,假定滑动面为圆弧,是条分法中最古老而又最简单的方法。由于不考虑条间力的作用,严格地说,对每个土条力的平衡条件是不完全满足的,对土条本身的力矩平衡也不满足,仅能满足整个滑动土体的整体力矩平衡条件。由此产生的误差,一般使求出的稳定系数偏低10%左右,而且这种误差随着滑动面圆心角和孔隙压力的增大而增大。3)Morgenstern-Price法。Morgenstern-Price法适用于任意形状的滑动面,满足所有的极限平衡条件,其对多余未知数的假定并不是任意的,符合岩土的力学特性,是极限平衡法理论体系中的一种严格方法。它在数值计算中具有极好的收敛特性,因此被认为是对土坡进行极限平衡分析计算最一般的方法。

2.2 极限平衡法下安全系数计算值

根据图1,运用边坡计算软件进行了安全系数计算,采用圆弧滑动面搜索,经多次试算,选取安全系数为0.979作为边坡的临界稳定状态,安全系数最小的圆弧面滑体出口端接近坡底,滑体入口端接近公路旁。可能的滑动面主要都集中在这一带。

3 强度折减法

3.1 强度折减法原理

强度折减技术是利用折减系数F调整土体强度指标C,φ:C′=C/F,φ′=arctan(tanφ/F),通过不断增加F值,进行有限元反分析,直到计算不收敛,并将此时的折减系数作为安全系数,它能够体现土体的渐进破坏过程。

3.2 强度折减法下安全系数计算值

应用FLAC3D软件对拟建边坡进行了强度分析,围岩物理力学参数参照工程地质条件,由结果可知安全系数约为1.1。

强度折减法计算结果表明,边坡安全系数1.1作为边坡的临界稳定状态,安全系数最小的圆弧面滑体出口端接近坡底,滑体入口端接近公路旁。 这与极限平衡法计算结果是一致的,强调了边坡可能的滑动面主要都集中在坡底———公路滑裂带。

4边坡稳定控制建议

4.1高边坡设计方案

高边坡设计采用放坡联合锚索支护方式,采用1∶0.4放坡开挖。分五级自上而下开挖,各级间设置3.0 m宽平台。道路标高以上部分采用放坡,道路标高以下部分自上而下打入12排～14排预应力锚索,锚索长度10 m～29 m,锚索采用3束或两束1×7-15.2-1860钢绞线,水平间距2.5 m,竖向间距2.5 m,坡面采用钢筋混凝土面墙,厚300 mm,采用双向HRB335钢筋网Ф12@200×200,坡面喷射C30混凝土。坡脚设置一个集水沟,坡顶设置一个拦水带。

4.2高边坡监测及工程验证

高边坡监测主要采用位移监测为主,在公路附近布设了一系列表面位移监测点,监测结果区域稳定,最大位移为-15 mm,说明采用以上支护方案能确保工程安全。

5结语

1)采用极限平衡法及强度折减法计算边坡安全系数是可行的。2)极限平衡法及强度折减法计算结果表明,此边坡安全系数远远低于规范安全系数1.3的要求,且岩体滑裂面主要集中在深部,圆弧面滑体出口端接近坡底,滑体入口端接近公路旁。建议施工期间监测布控主要设置在出口、入口段。3)工程实践表明,联合锚索支护方式能有效确保高边坡安全稳定。

摘要：首先阐述了极限平衡法和强度折减法的基本原理,其次采用上述两种方法进行了安全系数计算,获得了不同算法下安全系数大小,最后对计算结果进行了详细的分析,提出了具体的工程稳定控制对策,工程实践表明,此支护方案是可行的。

关键词：边坡稳定设计,极限平衡法,强度折减法,安全系数

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边坡稳定计算 篇8

关键词：三维边坡,边界条件,有限元强度折减法

在实际工程中边坡的破坏大多呈现三维状态,很显然在此种工况下,二维边坡简化分析不能真实反映边坡的实际受力状态和失稳破坏模式,因此三维分析在边坡工程安全性评估和加固设计中更具有实际意义。国内外学者研究了三维边界条件对边坡稳定性的影响,得到一些有意义的结论[1,2,3],但仍不够全面,需要进一步开展深入研究。本文利用大型有限元软件ABAQUS,采用强度折减技术对经典算例进行分析,以此探讨计算模型尺度和边界条件对边坡稳定性的影响。

1基本问题

1.1 本构模型

合理选择边坡土体的本构模型是解决问题的前提条件。已有的研究表明,对于φ=0饱和软土,采用服从Mohr-Coulomb破坏准则的理想弹塑性本构模型是恰当的[4]。Mohr-Coulomb破坏准则假定作用在某一点的剪应力等于该点的抗剪强度时,该点发生破坏,剪切强度与作用在该面的正应力呈线性关系。ABAQUS采用的本构模型是经典Mohr-Coulomb屈服准则的扩展,该模型的流动势函数在子午面上的形状为双曲线,在π平面上没有尖角,因其势函数完全光滑,确保了塑性流动方向的唯一性。

1.2 强度折减技术

强度折减技术是将土体的抗剪强度参数c′和tanϕ′按等比例进行折减,折减后的强度参数表达为:

$c^{\prime }{}_m=c^{\prime }/SRF,{\text{ϕ}}^{\prime }{}_m=\arctan \left(\frac{\tan {\text{ϕ}}^{\prime }}{SRF}\right)$ (1)

其中,c′m和ϕ′m均为土体实际发挥的抗剪强度;SRF为抗剪强度折减系数。尽管采用强度折减技术的具体细节各有不同,但实际内容却基本一致,且数值结果均表明,强度折减有限元方法能够得到与极限平衡方法相接近的安全系数和临界滑动面[5]。

2有限元计算及分析

2.1 工程概况

三维边坡几何模型如图1所示。纯黏土边坡材料参数如下[1]:坡度为V ∶H=1∶2,c′/γh=0.2,其中,坡高H=10 m,重度γ=20 kN/m3,土的粘聚力c′=40 kPa;变形参数E=105kPa,v=0.3。三维边坡的几何尺寸见表1。

2.2计算模型

三维强度折减有限元分析有限元网格剖分见图2,采用20节点六面体单元。边界条件采用全约束边界[2],鉴于计算模型关于L/2处对称,于L/2处对称取半计算。采用Mohr-Coulomb破坏准则与非关联流动法则的理想弹塑性本构模型。有限元强度折减计算中满足-v不等式要求[6,7]。

2.3计算结果及其分析

三维边坡长高比L/H=2时,强度折减系数与无量位移Eδmax/γH2的变化关系如图3所示。三维边坡不同长高比(L/H)下边坡的安全系数见图4,以及相对应的变形图见图5。

由图3可以看出,当长高比L/H=2时,本文强度折减系数(SRF)与无量纲位移的关系曲线,与Griffiths文献解[1]一致。细网格计算安全系数(1.70)略小于粗网格计算安全系数(1.73),两者结果相差在2%以内。无论细网格和粗网格是否考虑地应力平衡,所得到的安全系数相同,只是考虑地应力平衡时无量纲位移较小。由此可知,有无地应力平衡对均质边坡稳定安全系数计算没有影响,但对边坡变形存在一定的影响。

由图4可见,本文计算结果与文献[1][2]的计算结果一致。当L/H<4时,粗网格计算结果大于细网格计算结果,且当长高比越小这种差值越大,由此可知网格越粗越易受到边界条件的影响。由图4中安全系数变化趋势看,当L/H≤4时,边坡安全系数随着L/H的增大急剧降低,侧向边界条件对边坡稳定性计算影响较大;当L/H≥8时,边坡安全系数随着L/H的增大略有降低,边界条件对边坡稳定性计算影响很小,并趋于3D自由边界条件计算安全系数以及2D平面应变计算安全系数。

由图5可知L/H值的边坡临界滑动面位置分布情况,当L/H较小时边坡临界滑动面的位置较浅,当L/H较大时边坡临界滑动面的位置较深;随着L/H的增大临界滑动面的形状和分布越趋近自由边界条件以及2D边坡计算得到的临界滑动面。

3结语

由以上分析可以看出,考虑地应力平衡与否对边坡的稳定性似乎没有影响,但是对边坡的位移计算有一定的影响;对于纯粘性边坡,L/H较小时边坡的边界条件对边坡安全系数和临界滑动面的影响较大,因此与此类相似的实际边坡在计算中不能忽视边界条件对边坡的影响,避免不必要的工程浪费;但当L/H较大时边坡安全系数与边坡临界滑动面均趋近于3D自由边界条件或2D边坡计算结果,因此与此类相似的实际边坡可以简化成相应的3D自由边界条件下或2D边坡计算边坡稳定性以及考察临界滑动面的位置分布情况,减少计算工作量,节约计算成本。

参考文献

[1]GRIFFITHS D V,MARQUEZ R M.Three-dimensional Slope sta-bility analysis by elasto-plastic finite elements[J].Geotech-nique,2007,57(6):537-546.

[2]万少石.涉水边坡稳定性的三维强度折减有限元分析[D].大连:大连理工大学硕士学位论文,2009.

[3]刘红帅,年廷凯,万少石.三维边坡稳定性分析中的边界约束效应[J].吉林大学学报(地球科学版),2010,40(3):638-644.

[4]年廷凯.桩—土—边坡相互作用数值分析及阻滑桩简化设计方法研究[D].大连:大连理工大学博士学位论文,2005.

[5]Manzari M T,Nour M A.Significance of Soil Dilatancy in SlopeStability Analysis[J].Journal of Geotechnical and Geoenviron-mental Engineering,2000,126(1):75-80.

[6]郑宏,李春光,李焯芬,等.求解安全系数的有限元法[J].岩土工程学报,2002,24(5):626-628.

边坡稳定计算 篇9

煤炭作为中国重要的矿产资源, 对国家经济建设做出了巨大贡献, 就目前来看, 煤炭仍然是中国不可或缺的一大基础能源。露天煤矿作为中国煤矿开采的重要组成部分, 为中国提供了所需的煤炭资源, 为经济发展提供了能源上的支持。但是, 在露天煤矿开采过程中, 边坡治理问题尤为突出, 是需要深入的研究及探讨的问题, 只有切实解决好边坡治理问题, 才能提高露天煤矿开采效率, 充分确保开采工作安全。

1 露天煤矿边坡治理基本情况

早在20世纪60年代, 中国露天煤矿边坡治理工作就已着手进行, 为保证露天煤矿安全顺利开采, 发展到80年代, 边坡治理和研究进入到快速发展阶段。为进一步保证煤炭产量, 国内大型露天煤矿均相继进行了边坡治理研究, 并取得了一定的研究成果和治理效果。

1.1 露天煤矿边坡是动态的地质问题

自从建国以来, 中国对自然资源的大规模开发和利用逐步加大, 露天煤矿开采深度随之不断增加, 边坡由原来的几十米、一百米, 不断发展到600 m甚至700 m。而随着边坡深度不断加大, 露天煤矿边坡逐渐呈现出动态发展过程, 且随着露天煤矿开采的深入, 边坡治理的难度和技术要求越来越高[1]。

露天煤矿边坡不仅是露天煤矿的治理难题, 同时也是露天煤矿的一大重要组成部分。由于露天煤矿随时处于挖掘开采状态, 边坡也会随着露天煤矿开采不断扩大, 同样处于一个动态变化过程。同时, 在露天煤矿开采初期, 基本上很少出现滑坡等事故, 其原因就在于在施工过程中, 会尽可能减少剥离问题, 使边坡呈现缓坡的特点。

1.2 边坡对地质条件要求严格

矿藏开采的主要目的就在于获得矿中的自然物质和能源, 这些有价值的自然物质是地表变迁的结果, 它们一般都储藏在地质条件特殊的环境中, 有其特定的地质环境或地质构造。所以, 露天煤矿的开采也在特殊地质构造上进行。边坡作为露天煤矿的组成部分, 它的形成依赖于特殊的地质环境, 且其它地质建筑如水坝, 可根据人的需求建立在合适的地理位置, 但露天煤矿边坡则不同, 只能根据煤矿资源所在位置形成, 因而露天煤矿边坡的地质环境相对于其它地貌来说, 十分复杂且难以治理。

2 影响露天煤矿边坡稳定的因素

2.1 岩石矿物的组成要素

不同岩石矿物有不同的物理性质, 所拥有强度也存在较大差别。许多岩石的矿物质很硬, 可承受自然风化和影响, 承受因为矿产开采导致的应力。而有的岩石矿物相对较软, 易溶于水且易被风化。在露天煤矿开采过程中, 常见的岩石类矿物就属于质地较为柔软的矿物, 会导致滑坡的为蒙脱石矿物, 这类矿物吸水性强, 透水性弱, 容易被风化导致滑坡产生。岩石具有定向和非定向的区别, 定向排列的岩石强度具有方向性, 层理方向的岩石强度要低于垂直方向的岩石强度。同时, 岩石的力学具有非均质性, 也就是岩石内部性质变化不同。在实践中, 经常可以看到这样的现象, 一小石块的无限侧抗剪强度便可支撑起数千米的边坡, 使其趋于稳定[2]。

2.2 开采中的爆破作业震动因素

开采作业中的爆破、震动等会影响到边坡稳定, 主要是从三方面予以考虑:a) 爆破作业破坏了边坡岩体, 降低了岩体本身和其矿物质的强度, 使内部松动增加, 继而使雨水、地下水等侵入岩体, 加速岩体风化;b) 因为爆破作业的震动力使岩体出现滑动, 边坡稳定性随之大大降低;c) 因为爆破作业的震动力, 同时岩体已受到破坏, 减轻了岩体本身的抗破坏力, 由此威胁到了露天煤矿边坡的稳定性, 加速岩体下滑 (见图1) 。

2.3 构造应力因素

露天煤矿边坡处于地应力场内, 地应力包括自重应力外, 还包括水应力、温差应力、残余的地质应力等。其中, 构造应力应重点考虑, 其影响着露天煤矿边坡的稳定性。通常较大的深部构造运动基本上均会产生新的应力、新的构造形迹及边界条件, 就目前的科技发展水平来看, 尚且无法计算出自然状态下的原始应力, 也没有所需工具来确定应力大小。构造应力的存在会驱使边坡向采空区变形, 使原有的空隙和裂痕加大, 导致岩体强度降低、坡底处应力加强的结果。由此可看出, 构造应力的加强会影响到边坡稳定性, 不利于露天煤矿顺利开采。

2.4 水的因素

水的因素是影响露天煤矿边坡稳定性的关键因素。在露天煤矿滑坡事件中可看出, 滑坡多发生在雨后、雨季和解冻时期, 或是因为露天煤矿排水技术较为落后或排水方法不当, 导致边坡不稳定。可见水的影响是影响露天煤矿边坡稳定的关键因素。露天煤矿中边坡岩体的含水带主要包括孔隙含水带、风化裂隙含水带和构造裂隙含水带等, 主要表现形式就是岩石的表土含水、风化岩层含水和基岩含水。岩石的表土含水和风化岩层含水是随季节变化而变化的, 基岩含水由于在岩石矿物内部, 水分一般不会发生变化。基层岩中构造裂隙不易发生变化且互不贯通, 导致基岩内部含水分布不规律, 因而地质研究人员无法对基岩中水文地貌有深入了解, 给边坡稳定带来了很多不确定性。

3 露天煤矿边坡的治理

3.1 建立边坡监测站点

建立边坡监测站点, 从而建立全面的监测网。监测网不仅应对边坡平面进行实时监测, 同时也要对边坡进行立体监测。监测网的形成需在建立前具有良好规划。可一次完成建立, 也可分阶段、分步骤建立监测网。应分别在边坡的主滑面、可能发生的滑动面、地质分层位置等都建立监测点, 重点监测可疑面、风化面等地带[3]。

3.2 使用监测设备

运用适当的监测设备对边坡稳定性进行检测, 主要包括边坡应力监测设备和地下水监测设备、地表变形监测设备等。地表变形监测主要是对边坡产生的异常情况予以检测, 能及时发现边坡出现滑坡的可能性, 对可疑情况采取及时解决措施并制定应急策略。通常使用的仪器设备有两类, 即定期对地表位移进行监测的大地测量仪器及可监测地表位移变化的专门设备用于边坡监测。同时, 还应使用边坡应力监测的设备, 包括边坡内部应力监测仪器、锚杆预应力监测仪器、支护结构应力监测仪器等, 对地下水进行实时监测。

4 结语

煤矿资源作为中国尤为重要的能源, 关系着中国的经济建设乃至人民生活与生产。煤炭资源并不是取之不尽、用之不竭的, 所以务必要科学合理地规划煤炭资源开采。露天煤矿作为煤矿开采的重要部分, 边坡的稳定与安全影响着露天煤矿开采顺利进行, 因此, 要加强露天煤矿边坡的治理, 找出影响边坡稳定性的因素, 有针对性地制定措施, 提高边坡稳定性, 从而为露天煤矿开采提供安全可靠的环境。

摘要：主要分析了露天煤矿边坡工程的基本情况, 着重阐述了露天煤矿边坡稳定的关键影响因素, 不仅找出了影响边坡稳定的因素, 而且还为边坡治理提供了坚实理论基础。最后提出了露天煤矿边坡的治理措施。

关键词：露天煤矿,边坡稳定,因素,边坡,治理

参考文献

[1]贾艳杰.某小型露天煤矿边坡稳定分析研究[J].矿业装备, 2014 (12) :93-94.

[2]杨建伟.浅析影响露天矿边坡稳定的主要因素及防范措施[J].黑龙江科技信息, 2011 (22) :270-271.

太平料场开挖边坡稳定分析 篇10

太平料场及马延坡砂石加工系统, 主要承担向家坝水电站主体工程约1220万m3混凝土所需骨料的供应任务, 共需生产混凝土骨料约2680万t。料源为太平灰岩料场, 料场勘测有效储量约4050万m3, 规划开采储量1586万m3, 由于受地形条件限制, 太平料场灰岩采场在终采时将形成人工高边坡。该边坡呈“┎┒”形, 宽约500～700m, 进深约300m, 最大坡高约216m。

二、料场边坡地质条件

1、地质构造

太平灰岩料场在区域构造上位于五角堡——楼东背斜SW倾伏端的NW翼, 具顺向坡结构。料场山脉走向呈NE向, 与五角堡——楼东背斜的轴向基本一致。场区及外围周边无区域性断裂通过, 区域构造稳定性好。在料场范围内仅发现一条走向80°～85°、倾向SE、倾角70°～82°, 推测长度大于1500m, 宽约2.5m的小断层。

2、岩石物理力学性质

边坡区结构面的力学参数建议值如下表。

备注:靠近原始地面的各类结构面参数应取下限值或适当降低使用。

三、边坡设计原则及稳定标准

1、边坡级别

边坡的级别, 根据它所影响的建筑物级别及边坡失事的危害程度按DL/T 5353-2006《水电水利工程边坡设计规范》规定确定:采场边坡的稳定不致危害建筑物或人身安全。基于以上情况, 将采场边坡确定为Ⅱ级。

2、地震烈度

据1977年中国地震基本烈度区划图, 边坡区的地震基本烈度为7度, 边坡设防烈度取7度。

3、稳定标准

四、料场开挖边坡稳定分析

边坡稳定计算采用刚体极限平衡法, 具体程序使用中国水利水电科学研究院岩土工程研究所研制开发的EMU计算分析程序进行。该程序的核心计算模块是经过改进的Sarma法, 其主要功能和特点为:

a) 采用多块体破坏机制, 自动计算由折线或曲线组成的临界滑裂面及最小安全系数;

b) 在应用最优化方法确定临界滑裂面时, 引入随机搜索, 以提高计算效率, 避免丢失安全系数整体极值的可能性。

c) 具备多种处理功能, 满足设计工作的需要: (1) 在坡外有水时, 采用土石坝规范建议的等效处理方法; (2) 孔隙水压力处理采用等势线铅直和输入孔隙水压力系数两种简化方法; (3) 具有自动输入Hoek-Brown参数的功能; (4) 可以分析具有锚索、抗滑桩、表面荷载的边坡稳定问题。

d) 计算和图形显示同步进行, 用户可以随时了解分析计算进展情况, 并通过各种功能键进行自动设置比例、检查输入数据、调看输出成果、屏幕拷贝等工作。

e) 可进行边坡倾倒破坏的分析功能。

1、岩体力学参数的确定

(1) 灰岩强度较高, 边坡岩体完整性较好, 宜采用刚体极限平衡方法。

(2) 计算边界应以层间的软弱结构面作为潜在滑动面, 卸荷带内宜以破碎夹泥层和夹泥层面作为控制滑面, 卸荷带以外可采用破碎夹层和结合较好的层面作为控制滑面;以NNW向和NNE向的陡倾裂隙作为后缘拉裂面;采用自动搜索最不利滑出点。重点应关注中等风化弱溶蚀带以上部分的稳定。

(3) 高程1400m以上的层面倾角按10°～15°分析, 高程1400m以下的层面倾角可按20°～25°计算。

(4) 计算工况要考虑在暴雨条件下, 浅表部的后缘张裂隙充水的情况, 水柱高度10～30m。

(5) 计算参数:结构面参数可参照前面的建议值表, 岩体的抗剪断强度参数, 卸荷带内岩体可类比Ⅲ1类岩体, 取其中值, f′=1.1, c′=1.3MPa;卸荷带以外岩体可类比Ⅱ类岩体, 取其下限值, f′=1.2, c′=1.5MPa。计算时须考虑节理连通率的影响。

2、稳定分析成果

结论