边坡稳定（精选十篇）
边坡稳定 篇1
1 生态边坡的概念
生态边坡就是对环境、原生物等生态造成最低影响, 并且适当还原、保护的边坡工程, 是在保证边坡安全的基础上考虑生态保护、环境景观的边坡工程理念。
生态边坡的核心内容是生态护坡。生态护坡就是边坡工程设计和施工中考虑生态环境保护, 采用天然材料以自然的方式加固和保护边坡坡面及坡体, 露天矿生态边坡主要是指采用边坡植被保护排土场边坡 (采用生长植物, 即单独采用生长植物, 或者采用生长植物与土木工程措施相结合的方法, 或者采用生长植物与非成活植物材料相结合的方法) , 以减轻边坡的不稳定性和坡面的侵蚀破坏, 即植被护坡。
植被护坡不是通常意义的的园林绿化植被技术, 而是采用植被蓄水固土的原理来稳定岩质或土质边坡, 并能降低工程施工所带来的环境破坏, 达到美化环境和景观的一种技术。该技术涉及岩土工程学, 生物学、植物学、园艺学、土壤肥料学等多种学科的综合性工程技术, 是环境土体工程的重要组成部分。
露天矿生态护坡除了美化环境、恢复生态的作用外, 另外一大功能就是可以加固边坡、稳定边坡。当然, 这需要根据不同的边坡条件, 选择适宜的护坡形式和植被类型, 才能起到植被护坡的作用。因此, 必须认清露天矿边坡的特点, 同时考虑采用植被加固的露天矿边坡的稳定性的评定方法与特性。
2 生态边坡与露天矿边坡稳定性
边坡失稳主要有三种类型, 表面运动、浅层失稳和深层失稳。表面运动包括土壤的蠕动、冰融和土壤的侵蚀作用;浅层失稳是指发生在地面下2m内的滑移、转动和两者相结合的破坏形式;深层失稳的破坏深度超过了大多数树根和灌木根系所能伸展到的范围。研究表明, 边坡植被对边坡的表面稳定和浅层稳定具有重要作用。
植被对边坡的影响, 不能简单笼统地以“有利”或“不利”来划分, 本文以植被的“水文作用”和“力学作用”来说明边坡植被对边坡稳定性的影响如表1所示:
注:1) H—水文作用;M—力学作用。
2) 该类作用对边坡稳定可能是有利的或不利的, 取决于具体场地条件采用植被护坡的人工边坡是否稳定, 可以用边坡的稳定系数F来评定。
2.1 无植被边坡的稳定分析模型
假定边坡失稳破坏时沿平行于边坡坡面的某一倾斜滑面滑移, 取失稳边坡的某条滑体为分析模型, 应用有效应力分析法 (如图1) , 无植被边坡滑移面上的边坡稳定系数为:
式中z—土体的竖直高度, m;
c'—土体的有效粘聚力, k N/m 2;
γ—土的重度, k N/m 3;
β—坡角, °;
γw—水的重度, k N/m3;
hw—地下水平面距滑动面的垂直高度, m;
φ'—土体的有效内摩擦角, °。
2.2 有植被边坡的稳定性分析模型
考虑边坡植被对边坡稳定的主要影响作用 (如图2) , 植被边坡滑移面上的稳定系数为:
式中c'R—因边坡植被根系对土体的加强作用, 土体的有效粘聚力的增量, k N/m2;
θ—植被的根系与滑动面的夹角, °;
W—由植被重量造成的超载, k N/m 2;
T—滑动面上根的抗拉力, k N/m;
D—平行于边坡的风载荷, k N/m。
3 露天矿生态边坡的力学效应
植被能增强边坡的浅层稳定性, 为了达到这一目的, 植被主要通过其根系的加固作用来提高土壤的抗剪强度。边坡植被对坡体的加固作用主要表现为深根的锚固作用和浅根的加筋作用两方面。植被根系的存在可以提高边坡岩土体的粘聚力, 锚固作用可以提高边坡岩土体的抗剪强度, 使原先岩土体的抗剪强度向上升高, 加筋作用又限制了岩土体的侧向膨胀变形而使增大到, 在不变的情况下这将使最大剪应力减小, 如图3所示, 在这两种护坡植被根系作用的共同影响下, 能使得人工边坡岩土体的承载力提高。
边坡植被的存在可以降低坡体的孔隙水压力, 提高岩土体的抗剪强度, 有利于边坡的稳定。其中, 护坡植被的须根通过传递作用在边坡土体中的剪应力提高边坡土体的抗剪强度。
须根引起的岩土体抗剪强度的提高值可由下式表示:
式中, △s—岩土体抗剪强度的提高值;
tR—单位岩土面积上须根产生的拉应力;
φ—岩土体的内摩擦角;
θ—在剪应力区须根受剪扭曲的角度。
值得注意的是, 只有在须根充分生长, 并且陷入边坡岩土体中的须根不发生滑动或不被拔出时, 护坡植被须根才发挥出最大作用。因此, 护坡植被须根在坡体受剪过程中, 一般会发生下列三种不同程度的变形破坏:
3.1 折断
须根的抗拉强度可用来提高边坡岩土体的抗剪强度。设计时, 需要计算须根的平均抗拉强度TR和须根截面积与岩土体截面积的比值AR/A。在这种情况下, 岩土体的张拉应力tR为:
将式 (4) 带入式 (3) 得:
根据经验数据, [sinθ+cosθtanφ]的平均值为1.2, 所以上式简化为:
可见, 护坡植被对坡体抗剪强度的提高取决于根系的平均抗拉强度和根系的面积率。
3.2 伸长
须根的伸长量不足时, 根的抗拉强度没有被充分利用。在这种情况下, 须根抗拉强度的应用量就由须根的伸长量和须根的抗拉系数ER所决定。用力的平衡分析法可以得到单位面积岩土中须根所受拉应力为:
式中ER—须根的抗拉系数;
τb—须根和岩土之间的粘结力;
z—受剪区的厚度;
θ—须根受剪弯曲角度;
D—须根的直径。
在式 (7) 中须根的抗拉应力假定为线性分布。将式 (8) 、式 (9) 带入式 (3) 中, 得到由须根的伸长所引起的岩土抗剪强度的提高值为:
式 (10) 表明了坡体抗剪强度的提高与护坡植被须根直径的平方根成反比, 因此, 在根面积率相同的情况下, 直径小的须根比直径大的须根对坡体土的抗剪强度的加强作用更有效。
3.3 滑动
如果护坡植被根系的抗剪强度低于坡体破坏面上的剩余下滑力, 则在外力的作用下边坡将会沿着滑面下滑。一般而言, 护坡根系的加筋作用能够增强无扰动岩土体的抗剪强度, 而锚固作用能在岩土体扰动后增强根系对岩土体下滑变形的抵抗作用, 从而增强坡体的抗剪强度。也就是说, 护坡植被根系的存在能够增强岩土体的抗剪强度, 一定程度上减轻滑体的滑动模式。如果须根很短, 那么当坡体土和根系的复合体受到剪力作用时, 须根就很容易滑动或被拔出, 这样须根就不再起到加强坡体的作用。须根产生滑移时作用在须根上的最大拉应力为:
式中D—须根的直径;
L—最大剪应力作用处须根的长度。
某一个级径范围内, 如果有n个须根, 则这些须根对岩土体抗剪强度的提高值为:
如果护坡植被有j种会产生滑动的根, 并且属于每种根系的根的数量为, 则由于根系的存在, 坡体岩土抗剪强度的提高值为:
在实际边坡的岩土环境中, 护坡植被根系具有不同的直径和长度, 而且具有不同的抗拉强度, 上述三种情况可能会同时发生, 所以需要根据具体情况来综合分析考虑。
4 生态护坡的水文效应
护坡植被有多种水文作用, 包括蒸发、截水、渗透、延缓、过滤和表面硬化等作用, 可以有效地控制雨水对土体的侵蚀, 控制边坡的水土流失, 降雨截留, 削弱溅蚀, 降低坡体的空隙水压力以及增加土体粘聚力等。露天矿边坡植被的水文作用, 主要表现为对降雨的冲击和侵蚀的控制。一定密度的草地、草本植被可以大大减少雨水冲蚀所造成的土体流失。如果边坡植被的密集覆盖区是立体统一的, 那么减少的流失量会更大;如果开阔的覆盖区是单一或分散的, 其作用就大大降低, 甚至产生负面影响。这是因为当雨水水流绕过土块发生分流时, 土块上游的压力比下游的高, 那么在下游就会出现漩涡或湍流, 在上游也可能出现逆流现象, 所以在上游和下游都可能发生侵蚀, 这就意味着独立植被区的侵蚀率可能还高于无植被区, 因此应尽量避免一簇一簇的植被种植方式。
5 结论
1) 生态边坡是在保证边坡安全的基础上考虑生态保护、环境景观的边坡工程理念。具有与边坡周边环境和谐的突出优点, 未来将会在露天矿中得到推广。
2) 植被根系的存在可以提高边坡岩土体的粘聚力, 植被生态护坡主要是通过深根的锚固作用提高土壤的抗剪强度和浅根的加筋作用增强土体的粘聚力, 从而实现对边坡的有效保护。
3) 植被对坡体抗剪强度的提高取决于根系的平均抗拉强度和根系的面积率。而坡体抗剪强度的提高与护坡植被须根直径的平方根成反比, 因此, 在根面积率相同的情况下, 直径小的须根比直径大的须根对坡体土的抗剪强度的加强作用更有效。
4) 密集立体统一的边坡植被覆盖区, 能够有效的减少雨水冲蚀造成的土体流失。
生态边坡技术和景观方法的应用具有重要社会意义和工程价值。它可以最大程度地减少露天矿边坡工程对周围环境造成的负面影响, 恢复被破坏的生态环境, 改善露天矿边坡附近的环境和景观。
参考文献
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露天矿边坡稳定总结2 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
水对边坡稳定影响的分析 篇3
【关键词】边坡;边坡稳定分析;边坡治水
随着现代化建设事业的迅速发展，各类工程大量开工建设，在这些工程的建设过程或建成后的运行期间,有时形成了大量边坡工程；这些边坡工程的稳定状况，会对整个工程的可行性、安全性及经济性等起重要的制约作用，并在很大程度上影响着工程建设的投资及使用效益。
1.综合分析水对边坡稳定的影响
（1）边坡的稳定是一个比较复杂的问题,影响边坡稳定性的因素较多，简单归纳起来有以下几个方面：边坡体自身材料的物理力学性质；边坡的形状和尺寸；边坡的工作条件；边坡的加固措施等等,在这其中水是边坡失稳的重要因素之一。现在簡单分析水流对边坡稳定性的影响边坡。一般说，水对边坡的影响主要分以下两个方面：一是使得边坡土体本身抗剪强度减少；二是使得边坡土体剪应力增加。
（2）边坡一般是倾斜坡面的土体或岩体边坡，由于坡面倾斜，在坡体本身重力及其他外力作用下，整个坡体有从高处向低处滑动的趋势，同时，由于坡体土(岩)自身具有一定的强度和人力的工程措施，它会产生阻止坡体下滑的抵抗力。一般来说，如果边坡土(岩) 体内部某一个面上的滑动力超过了(岩) 体抵抗滑动的能力，边坡将产生滑动，即失去稳定；如果滑动力小于抵抗力，则认为边坡是稳定的。
（3）水流渗进土体，使土体的密度增加，这是增加土体剪切应力的主要因素。水对岩质边坡的影响较小,这是因为岩质边坡的强度较高。当地表水在岩石坡面排泄受阻时，会加大岩体的重量,增加坡体的下滑力。对于遇水容易软化的岩层，地下水常可以使岩石内部的联结变弱,强度降低，从而导致土体康剪强度降低。
（4）地下水在渗流过程中会对岩土体颗粒施加一个动水压力。它是一个体积力，其大小与流动水的体积、水的容重和水力梯度有关,其方向与水流的方向一致。结构面的填充物在水的浮力作用下，重量降低，动水压力稍大时，就会带走结构面中的填充物颗粒，侵蚀掏空岩块之间的填充物；同时动水还会磨平粗糙的岩石面,使其变得光滑，降低了岩石的摩擦系数,减小了岩体的抗滑力，降低了边坡的稳定性。由于水流对边坡稳定性的影响非常大，所以边坡工程对水流的防治是边坡稳定的重要方面。
2.边坡治水方法措施
边坡治水包括坡面排水及坡体排水。坡面排水主要是通过设置坡顶截水沟、平台截水沟、边沟、排水沟及跌水与急流槽来实现。坡体排水设施主要有渗沟、盲沟及斜孔等。渗沟又分支撑渗沟、边坡渗沟和截水渗沟三种，主要作用截排地表以及几米范围内的地下水：盲沟(即渗水隧洞) 主要用于截排或引排埋藏较深的地下水；斜孔主要用于排除深层地下水，土层和岩层均可采用，一般用水平钻机,埋置排水管。同时，也可以通过在坡面植草绿化的方法减少水对坡面的渗入边坡。
3.结语
由于水对边坡的影响是多方面和多角度的，因此在防治边坡时，首先要做好对边坡水的处理，做好排水系统，包括地表排水系统和地下排水系统，使水对边坡的影响降到最低限度，甚至消除；其次，针对不同的边坡，了解地下水位情况，采取不同的方法进行加固，本着具体问题具体分析的原则因势利导，多角度、多方面的进行分析，最终采取最优的方法。
边坡稳定 篇4
为了进一步讨论黄土边坡的计算参数对边坡稳定性安全系数的影响, 以兰州榆中地区的自然稳定黄土边坡为研究对象, 在既定坡高和坡率的前提下, 采用基于极限平衡理论的简化毕肖普法, 研究黄土边坡的重度γ、黏聚力c和内摩擦角φ变化时对边坡稳定性安全系数的影响规律, 为类似黄土边坡的稳定性评价时的参数选取提供借鉴。
1 黄土边坡研究区概况和计算方案
1.1 研究区概况
以兰州榆中地区的自然稳定黄土边坡为调查对象, 重点调查统计了高度在20m左右的黄土边坡 (如图1所示) , 其岩性均为Q3马兰黄土, 坡面可近似为直线型, 之后取不同部位的原状黄土做室内物理力学参数试验, 得到所需的主要参数见表1。
1.2 计算方案
黄土边坡稳定性评价所采用的计算方法有很多, 通常包括极限平衡法和数值模拟法, 本文中采用极限平衡理论的简化毕肖普法 (simplified Bishop method) 进行稳定性计算, 为了作对比研究, 统一简化取黄土边坡的坡率为1∶1, 不考虑地下水的影响, 计算当边坡的重度、黏聚力和内摩擦角分别变化时安全系数的变化。黄土边坡的计算示意图如图2所示。
2 稳定性计算参数与安全系数的相关性
2.1 重度与边坡安全系数的相关性
黄土边坡的黏聚力和内摩擦角取试验的平均值, 即c=16.5k Pa, φ=28.6°, 重度从12.0k N/m3依次增加至17.0k N/m3, 安全系数计算结果的变化见表2, 图3为重度与安全系数的变化曲线。
从表2和图3可以看出, 在粘聚力和内摩擦角不变的前提下, 重度与安全系数具有很好的相关性, 随着重度的增加, 边坡的安全系数有所下降, 其变化规律可以用线性函数关系式表达为:
其相关系数R=0.995, 说明相关性很好。分析表2的试验数据, 当黄土的重度从12.0k N/m3增加至17.0k N/m3时, 边坡的安全系数仅从1.35下降至1.18, 说明在边坡的粘聚力和内摩擦角不变的前提下, 黄土重度的变化对边坡安全系数的影响较小。
2.2 黏聚力与边坡安全系数的相关性
黄土边坡的重度取工程中常用的经验值, 即为γ=13N/m3, 内摩擦角取试验的平均值, 即φ=28.6°, 黏聚力从12.0k Pa依次增加至21.1k Pa, 安全系数计算结果的变化见表3, 图4为黏聚力与安全系数的变化曲线。
从表3和图4可以看出, 在重度和内摩擦角不变的前提下, 粘聚力与安全系数具有很好的相关性, 随着黏聚力的增加, 边坡的安全系数有所增加, 其变化规律可以用线性函数关系式可以表达为:
其相关系数R=0.998, 说明相关性很好。分析表3的试验数据, 当黄土的黏聚力从12.0k Pa增加至22.0k Pa时, 边坡的安全系数仅1.16增加至1.47, 说明在黄土边坡的重度和内摩擦角不变的前提下, 黏聚力的变化对边坡安全系数的影响较大。
2.3 内摩擦角与边坡安全系数的相关性
黄土边坡的重度取工程中常用的经验值, 即为γ=13k N/m3, 黏聚力取试验的平均值, 即c=16.5k Pa, 内摩擦角从24.0°依次增加至34.0°, 安全系数计算结果的变化见表4, 图5为内摩擦角与安全系数的变化曲线。
从表4和图5可以看出, 在重度和黏聚力不变的前提下, 内摩擦角与安全系数具有很好的相关性。随着内摩擦角的增加, 边坡的安全系数有所增加, 其变化规律可以用函数关系式表达为:
其相关系数R=0.9995, 说明相关性很好。分析表4的试验数据, 当黄土的内摩擦角从24.0°增加至34.0°时, 边坡的安全系数从1.16增加至1.49, 说明在黄土边坡的重度和黏聚力不变的前提下, 内摩擦角的变化对边坡安全系数的影响较大。
3 结论
通过对兰州榆中黄土边坡的稳定性计算参数与其安全系数关系的对比研究中, 可以得到如下的结论:
1) 在黄土边坡的坡高坡率既定的前提下, 黄土边坡稳定性计算参数的变化与其安全系数之间具有较好的相关性。黄土的重度与边坡安全系数呈负相关, 而黄土的黏聚力和内摩擦角与边坡的安全系数呈正相关;
2) 在黄土的重度、黏聚力和内摩擦角中有其中之一变化时, 安全系数随之呈线性变化, 其变化趋势可近似用以一次函数关系式定量表达;
3) 通过进一步的分析发现, 黏聚力和内摩擦角的变化对边坡安全系数的影响相对于重度的变化对边坡安全系数的影响较大。因此, 在黄土边坡稳定性计算中, 应特别重视粘聚力和内摩擦角的参数值的选取。
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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)
加强公路边坡稳定性的措施分析 篇6
关键词：公路边坡稳定性
0 引言
随着社会经济的飞速发展，高等级公路的建设已深入到全国各地，但是由于公路等级的提高，地形困难路段修建的公路越来越多，有时候边坡问题制约了我们公路建设的进度、质量和投资控制，也影响到今后公路的养护和环境保护。从新闻中我们也看到往往连续几场大雨过后，一些边坡滑动、崩塌和冲刷十分严重，影响较大。因此，公路边坡问题的重要性已是提到议事日程的重要技术问题之一。
1 公路边坡失稳的分类
1.1 滑坡 滑坡是路基山坡土体或岩体由于长期受地下水、地表水活动的影响使其结构逐渐失去支撑力，在自重的作用下，整体沿着一定软弱面向下滑动。滑坡按其引起滑动的力学特性来区分，可分为牵引式和推移式滑坡。牵引式滑坡是下部先滑动，使上部失去支撑而变形滑动，一般速度较慢，横向张性裂隙发育，表面多呈阶梯状或陡坎状。推移式滑坡是上部岩土挤压下部岩土体产生变形，滑动速度较愉，滑体表面波状直伏，多见于有堆积手分布的斜坡地段。
1.2 崩塌 崩塌是整体岩土块脱离母体，突然从较陡的斜坡上崩落下来，并顺斜坡猛烈翻转、跳跃，最后堆落在山脚。其具有突发性，危害较大。
1.3 剥落 即边坡表层受风化，在冲刷和重力作用下，不断沿斜坡滚落。
2 公路边坡稳定性评价
2.1 边坡稳定性评价依据 在对边坡进行稳定性评价之前，需要搜集工程地质环境资料，这既是选取边坡稳定性评价方法的依据，也是边坡稳定性评价的基础性资料。
2.2 边坡稳定性分析 边坡稳定性问题一直是边坡工程中的一个重要研究内容。边坡稳定性分析主要采用定性与定量相结合的评价方法，根据2种方法的评价结果，得出统一结论，确定该边坡的治理措施。
2.2.1 稳定性定性分析 边坡稳定性定性分析能综合考虑影响边坡稳定性的各种因素，并可快速地对边坡的稳定状况及其发展趋势做出评价。①公路路线设计中的边坡处理分析。目前公路沿线景观上的“黄土高坡”偏多，滑坡、崩塌也时常发生。这与公路平纵面设计是否恰当关系较大。首先山区公路应用足最低技术标准，宜弯则弯，宜坡则坡，不要片面追求路线平直，减少大填大挖。二是要充分利用地形。过去低级公路是“就地扒”，高等级公路不行了。但应尽量减少破损山体。三是要充分且恰当的利用人工构造物的作用。②关于支挡结构问题分析。随着科技的发展进步，人们已从传统的被动支挡发展到考虑加固岩土体自身，改善其力学特性，加强其整体性达到稳定边坡的目的。这方面比较成熟的技术有：通过灌浆或高城市喷射注浆加固岩土体、加筋土、锚喷支护及预应力锚索等。这项技术可以说是边坡稳定防护技术的主要方向。③地貌形态及地质条件对比分析。边坡失稳是在一定地质条件下产生的，它的形成具备一定的不良地质基础，有其发育阶段的微地貌特征和地表迹象。因此，可以将需要判断边坡稳定性斜坡的地层、岩性、地质构造、水文地质条件、软弱夹层和滑带土性质等与周围的稳定斜坡、类似地质条件下的稳定斜坡和不稳定斜坡及不同滑动阶段的边坡进行对比分析，结合地质条件的可能变化，分析判断边坡的稳定性。
2.2.2 稳定性定量分析 边坡稳定性定量分析评价是在定性分析评价的基础上，根据勘察所确定的边坡地质剖面，采用静力平衡理论计算拟评价边坡的稳定系数，根据计算得的稳定系数来评价边坡的稳定性。目前工程中常用的定量分析评价方法主要是传递系数法。
3 加强公路边坡稳定性的措施分析
3.1 对滑坡路基病害的预防及治理
3.1.1 防治原则 ①预防。对有可能新生滑坡的地段或可能复活的古滑坡，应采取必要的工程措施，以防止产生新的滑坡或古滑坡的复活。②治早。滑坡的发生与发展，是有一个过程的，早期整治，能收到事半功倍的效果。③一次根治与分期整治相结合。滑坡一般应一次彻底根治，不留后患。但对规模较大、性质复杂、变形缓慢，一时尚不致造成重大灾害的滑坡，也可在全面规划下，分期整治。同时注意观测每期工程效果，为确定下期工程提供依据。
3.1.2 防治措施 应在弄清滑坡成因的基础上，对诱发滑坡的各种因素，分清主次，采取相应的工程措施。常用的防治对策有排水、减重、支挡、改善土体物理力学性质等。①排水措施。滑坡的发生和发展都与水的作用有关，排水是防治各类滑坡之本。但应根据具体情况，采用切合实际的排水方式。②减重措施。当滑动面不深，且滑体呈上陡下缓状，滑坡范围外有稳定的山坡，滑坡不可能向上发展时，在滑坡上部减重，以减小滑坡的下滑力，是一种操作简单、经济实惠的防治措施。将减重的土体堆在坡脚反压，以增加抗滑力，效果更好。③支挡措施。根据滑体推力的大小，可以选用适当的支挡结构防滑。
抗滑挡墙。施工方便，稳定滑坡收效快。抗滑挡墙多为重力式，石砌，也有用混凝土或钢筋混凝土的。
抗滑桩。它具有对滑体扰动少，操作简便，工期短，收效快，对行车干扰小，安全可靠等优点。
锚杆挡墙。用于薄层块状滑坡或基岩埋深较浅、滑体横长滑面较陡的滑坡。
抗滑明洞。若滑动面的下缘处在边坡上的较高位置，可视地基情况设置坑滑明洞，洞顶回填土石支撑滑体，或滑体越过洞顶落在线路之外。但这一措施对行车干扰大，施工困难，造价昂贵，只有在其他措施难以奏效时采用。④改善滑坡土体的物理力学性质。用物理化学方法，加固和稳定滑坡⑤改线绕避。上述整治措施难以奏效时，在经济技术合理情况下，可以考虑改线绕避。
3.2 对崩塌这一常见的路基病害的防治 公路边坡崩塌是较常见病害，它危害严重，经常阻断交通。崩塌与滑坡的明显区别是：崩塌发生急促，破坏体散开，并有倾倒、翻滚现象；而滑坡体一般总是沿着固定滑动面整体地、缓慢地向下滑动。路路堑开挖过深，边坡过陡，或由于切坡使软弱结构面暴露，都会使边坡上的岩体失去支撑，在水流冲刷或地震作用下引起崩塌。防治崩塌的措施主要有：①路基上方的危岩及危石应及时检查清除，特别在雨季前要细致检查。如有威胁行车安全的路段，可根据地形和岩层情况，采用嵌补、支顶的方法予以加固。②在小型崩塌或落石地段，应尽量采取全部清除的办法；如由于基岩破坏严重，崩塌、落石的物质来源丰富，则宜修建落石平台、落石槽等拦截结构物③由于存在软弱结构面而易引起崩塌的高边坡，可根据情况采用支挡墙或支护墙等措施，以支撑边坡，并防止软弱结构面的张开或扩大。④对边坡坡脚因受河水冲刷而易形成崩塌者，河岸要做防护工程⑤在可能发生崩塌的地段，必须做好地面排水设施。
综上所述，在公路建设中需要选用合理的方法评价其边坡稳定性，根据评价结果确定合理的边坡治理措施进而做到既保证公路运营的安全，又节约投资。
参考文献：
[1]廖钰然，赵立铨.浅谈公路边坡滑坡的稳定性[J]黑龙江科技信息2008(11).
[2]罗超俊.公路边坡滑坡稳定性[J].中国科技信息.2005.(18).
边坡稳定分析方法综述 篇7
1 常用的边坡稳定分析方法
边坡稳定分析的刚体极限平衡方法原理。
刚体极限平衡方法原理的三大要点[1]。
(1) 刚体条件:在分析滑坡的受力和变形过程中, 忽略滑体的内部变形, 认为滑体为不可变形的刚体。
(2) 极限强度条件:假定滑体处于极限强度状态。
(3) 力的平衡条件:在考虑安全系数后, 滑体在所受各种力的作用下处于平衡状态。
1.1 瑞典条分法
如图1所实示, 瑞典条分法的安全系数Fs的一般计算公式表达为:
式中:Wi为土条重力;θi为土条底部中点与滑弧中心连线垂直夹角;抗剪强度指标c、ϕ值是为总应力指标, 也可采用有效应力指标。工程中常用的替代重度法进行计算, 即公式中分子的容重在浸润线以上部分采用天然容重, 以下采用浮容重;分母中浸润线以上部分采用天然容重, 以下采用饱和容重, 这种方法既考虑了稳定渗流对土坡稳定性的影响, 又方便了计算, 其精度也能较好地满足工程需要, 因此在实际工程中得到广泛应用。
1.2 毕肖普法[2]
毕肖普 (Bishop) 考虑了土条两边的侧向力的不平衡, 土条上的受力有重力iW, 滑面上的法向力Ni, 切向抗滑力Ti, 两侧面法向力Ei和Ei+1 (水平向) , 切向力Yi和Yi+1 (竖向) , 如图2所示。它们是平衡的, 形成的封闭力多边形。根据竖向力平衡条件, 有
式中, ∆Yi=Yi-Yi+1, 抗滑力Ti是抗剪强度τf提供的。对于有一定安全性的土坡, 抗剪强度并没有全部发挥, 仅仅发挥了1sF。毕肖普定义安全系数sF为土的实际抗剪强度与保持平衡 (指总体平衡) 所须要的强度之比。即sF=τfτ, 安全系数Fs是对整个土坡而言的, 对各土条均取这一相同的值, 意味着假定滑动体各部分强度的发挥程度是一致的。
将其代入式 (2) 整理后求出Ni, 再将Ni代入式 (3) 得:
式中iilb=cosα, 为土条宽。
对滑动体建立整体力矩平衡方程, 各土条间的侧向力成了内力, 在整体方程中不出现, 法向力Ni通过圆心, 又不引起力矩, 故总体力矩平衡方程为ΣWiai-ΣTiR=0
将式 (4) 代入, 整理后可得
1.3 杨布法
杨布 (Janbu) 沿用了毕肖普关于安全系数的定义, 以及土条的竖向力平衡的公式, 因此式 (2) 至式 (4) 照用。杨布补充了土条水平力的平衡方程补充了土条的力矩平衡方程, 为了力矩平衡方程的简化, 将土条宽度取得很小, 不用b而用∆x来表示, 它与土条高度相比是微量。这样对土条底面中心取力矩平衡, 并略去高阶微量, 可得
杨布假定土条侧向力作用位置在土条高的1/3处, 将条土条侧向力作点连成一线, 叫推力线。上式中hi为推力线与滑面线之间的竖向距离, α1i为推力线在各土条的仰角, 它不同于滑面仰角αi。
与毕肖普法的所不同的是, 杨布法不是建立总体力矩平衡方程, 而是建立总体水平向力的平衡方程, =Σ∆0iE。由式 (6) 得
由式 (2) , 将Ni用Ti表示, 代入式 (7) , 再将式 (4) 代入可得
由于没有用整体力矩平衡方程, 因此滑动面不须要假定为圆弧面, 可以是任意形状的面, 这也是与前两种方法不同的。当土层软硬变化使滑动面不成圆弧状时, 这种方法显现其优越性。
2 结语
本文简要介绍了几种边坡稳定分析的方法, 及各种方法的适用性。
摘要：介绍了土坡稳定分析常用的瑞典法、毕肖普法和杨布法安全系数的定义方法, 对土坡稳定分析有一定的指导意义。
关键词：边坡,稳定,安全系数
参考文献
[1]冯守中.公路软基处理新技术[M].北京:人民交通出版社, 2008.
边坡稳定分析方法讨论 篇8
关键词：边坡,稳定性分析,有限单元法
边坡稳定性分析在于评定边坡工程的稳定性和安全性。文中就目前常用的边坡稳定分析方法做了总结和归纳,并对其适用性及存在问题进行了讨论。
1 极限平衡法
其思路是将假定破坏面之上的土体分成若干垂直土条,并假定土条条间作用力,对作用于各土条上的力和力矩进行平衡分析,求出在极限平衡状态下的土体安全系数。不同的方法采用的条间力假设不同,具体如下。
1.1 Fellenius法(普通条分法)
假定土条为刚性不变形体,不考虑相邻土条间的作用力,安全系数为:
其中,φi为第i土条的内摩擦角;Wi为第i土条的重量;αi为第i土条的底面倾角;ci为第i土条的粘聚力;li为第i土条底面长度;n为土条总数。
1.2 简化Bishop法
假定条块间只有水平作用力而不存在切向力,且各土条底部滑动面上的抗滑安全系数均相同:
其中,
1.3Janbu普通条分法
根据土压力理论假定条块间水平作用力即刺入线的位置:
其中,ΔHi为第i土条两侧的切应力差。
1.4 Morgenstern-Price法
假设刺入线函数y=yt(x),且土条间法向条间力E和切向力X满足X=λf(x)E,利用Newton-Raphson方法通过控制λ和k迭代求解边坡安全系数。
1.5 Spencer法
假定相邻土条之间E和X满足
1.6 Sarma法
假想在水平地震惯性力作用下滑裂面刚好达到极限状态,以临界加速度作为判断土坡稳定程度的标准。
对上述方法满足的平衡条件、使用情况及存在问题总结如下:
1)Fellenius法只满足整体力矩平衡,简化Bishop法满足整体力矩和垂直力平衡,二者均只适用于圆弧滑裂面。其他均满足力和力矩平衡,均适合任意滑裂面边坡稳定分析。
2)由于忽略条间力的影响,Fellenius法安全系数可能降低5%～20%,对于φ=0或数值很小的软粘土,Fellenius法已足够精确,但对高孔压破坏面较深的平缓土坡,Fellenius法计算安全系数偏低,有时高达60%。
3)简化Bishop法在任何条件下是精确的。但当mαi
4)Morgenstern-Price法最通用也最复杂,可以校核其他方法的合理性并确定潜在误差。但该法的求解需对有关假设(如刺入线函数)做出正确的判断。
5)在某些情况下Janbu的普通条分法,Morgenstern-Price法,Spencer法都有数值问题。
6)Sarma法以临界加速度判断边坡稳定程度缺乏理论依据。
7)条分法存在一个缺陷是数学上不够严密,即给出的只是数值的必要条件而未能给出充分条件。
2 有限元法
有限元法分析边坡稳定性思路:1)用有限元方法计算边坡中的应力分布,将应力水平较高的点连接起来作为计算边坡中潜在的滑动面,以该面上抗剪强度的总和与各单元沿滑动方向的剪应力总和的比值作为安全度量指标;2)对抗剪强度指标进行一定的强度折减或荷载放大,计算此时的土体变形量,若变形量已与折减倍数基本无关时,即认为土体已经失稳,此时的折减系数或放大系数即为安全系数。
有限元法与传统的边坡稳定分析方法相比有如下优点:
1)能够动态模拟边坡的滑坡过程及其滑移面形状,滑移面大致在水平位移突变的地方及塑性变形发展严重的部位;
2)考虑了土体的本构关系以及变形对应力的影响;
3)能够对具有复杂地貌和地质的边坡进行计算;
4)求解安全系数时,可以不需要假定滑移面的形状,也无需进行条分也不需要假定土条之间的相互作用力。
3结语
极限平衡法虽已广泛用于边坡稳定性分析,但也存在种种不足,在实际工程中应充分联系实际情况,并结合地区经验,使边坡稳定分析方法更加优化。有限元分析方法虽亦被广泛应用,且存在诸多优点,但其结果不能直接与稳定建立联系,需要根据破坏准则制定合理的安全系数。
参考文献
[1]陈祖煜.土质边坡稳定分析的原理和方法[M].北京:中国水利水电科学研究所,2000.
[2]张天宝.土坡稳定分析和土工建筑物的边坡设计[M].成都:成都科技大学出版社,1987.
某边坡稳定性评价 篇9
工程位于莆田市, 场地属丘陵台地地貌单元, 边坡防护采用喷锚支护形式, 边坡总长约120m, 高度约8.5m, 坡率为1:0.25。边坡安全等级为一级, 如图1所示。
该工程于2002年开始施工, 坡顶邻近边坡有3栋6层住宅楼 (1996年建造) , 为砖混基础 (条形基础, 基础埋深约1.4m) , 距离坡顶边缘线约5.4m～8.5m。2007年6月, 由于相邻边坡发生滑塌, 受业主委托对该段边坡支护的施工质量进行评价, 对确保周边人民生命财产的安全具有重要的实际意义[1,2,3]。
2 边坡工程地质
2.1 水文气象
该地区属于亚热带海洋性气候, 气候温和, 多年平均降雨量为1320mm, 最大年降雨量为1984mm, 最小年降雨量为876mm。降雨时段分布极不均匀, 4～9月受梅雨季节和台风影响, 雨量集中, 强度大, 为多雨季节, 雨量约占全年的76%, 10～3月为少雨季节, 雨量仅占全年的24%。
2.2 场地岩土层
根据相邻地勘资料中钻孔揭露, 主要存在3个岩土工程单元层, 岩土层的分布、结构及工程性状分述如下:
①粉质粘土:土黄色, 可塑, 湿-稍湿, 含少量砂粒, 标贯击数为8～10击。
②残积砂质粘土:灰黄、白色, 硬塑状态, 稍湿, 主要成份为高岭土、石英, 石英颗粒含量约10%, 标贯击数为19～40击。
③强风化凝灰岩:灰白色, 坚硬状态, 原岩结构已强烈风化破坏, 大部分矿物已风化成土状, 手折可碎, 标贯击数大于50击, 工程性质良好。
场地岩土层物理力学参数见表1。
3 设计工况
依据设计院提供的边坡支护图纸, 该边坡采用采用喷锚支护, 坡度约为76度, 锚杆采用B28、B32钢筋。坡顶为六层砖混结构建筑物, 建筑物附加荷载每层按20kPa计算, 附加荷载按120kPa考虑。边坡安全等级按一级考虑, 重要性系数取1.0, 剖面图如图2所示。
4 稳定性评价
4.1 稳定性验算
依据《建筑边坡工程技术规范》监 (GB50330-2002) 并结合《公路路基设计规范》, 边坡稳定性计算应分成以下两种工况:
1) 正常工况:边坡处于天然状态下的工况。
2) 地震工况:边坡处于地震等荷载作用状态下的工况。
边坡稳定性验算时, 其稳定安去系数应满足表2中所规定的稳定安全系数的要求。
运用Slide软件, 对其两种种工况进行分析, 正常工况和地震工况下的安全系数分别为1.41和1.08, 结果具体见图3和图4。
5 监测数据分析
5.1监测点的布置
坡顶三栋建筑物, 每栋建筑物布置6个沉降观测点, 在坡顶边缘埋设分别10个沉降观测点和10个深层水平位移观测点, 具体位置见图5。
5.2 数据分析
观测时间为2008.9.24～ 2009.5.4, 历时222天, 共观测7次, 坡顶建筑物沉降, 边坡坡顶沉降及水平位移观测结果见表3、表4及表5。
坡顶1#、2#、3#楼的累计沉降量为4.0～4.9mm, 沉降速率为0.018～0.022mm/d;根据《建筑地基基础技术规范》 (DBJ 13-07-2006) 第12.10.4条规定:当建筑 (浅基) 沉降速率小于0.04mm/d, 且延续时间3个月以上时, 可认为建筑沉降已达到相对稳定标准。故坡顶1#、2#、3#楼地基沉降已进入稳定阶段。
边坡坡顶水平累计位移为3.4～4.8mm, 位移速率在0.015～0.022mm/d之间。边坡坡顶累计沉降量为4.5～6.0mm, 沉降速率为0.020～0.027mm/d。边坡坡顶水平位移速率和沉降速率较小, 且变化不大, 结合边坡稳定性计算结果, 认为该边坡进入稳定阶段。
6 结论
本次评价以业主提供的边坡设计图纸及坡顶建筑物施工图纸等资料以及边坡监测数据为基础, 根据分析计算, 得到以下结论:
(1) 根据对业主提供的资料进行分析计算, 该边坡变形已进入稳定阶段。
(2) 坡顶建筑物沉降速率在《建筑地基基础技术规范》DBJ 13-07-2006、《建筑地基基础设计规范》GB 50007-2002规定的允许范围内, 坡顶1#、2#、3#楼地基沉降已进入稳定阶段。
(3) 应定期 (或遇暴雨等不利条件时) 对坡顶建筑物及边坡进行变形监测。
摘要：通过对某边坡的工程现状, 并结合专业软件及监测数据对其稳定性做出评价, 评价结果对确保周边人民生命财产的安全具有重要的实际意义。
关键词：边坡稳定性,监测,评价
参考文献
[1]刘全洪, 管瑞光等.京九线南段K1952~K1953右边坡稳定性分析与整治[J].岩土工程界, Vol.6, No.2 2003, 72~74
[2]吴茂明, 简文彬, 吴振祥等, 316国道闽侯—闽清段滑坡灾害及其防治[J].岩石力学与工程学报;2004年S1期
[3]徐克逊, 王万平, 曹校勇等.浅谈公路滑坡分析评价的若干问题[J].岩土工程界, Vol.5, No.8 2002, 49~50
边坡稳定 篇10
库水位回落是土石坝运行过程中的一种不利工况,多数坝体滑坡都与此有关。土石坝上游水位骤降时,坝内孔隙水不能及时排出,导致坝内浸润线高于上游水位,上游坡内形成倒流,对坝坡稳定产生不利影响。本文渗流场及边坡稳定分析均采用有限元法进行,通过对大型通用有限元软件ANSYS二次开发来完成。对渗流场的模拟是根据传热与渗流数学模型的相似性[1,2],在ANSYS热分析模块的基础上开发进行;边坡稳定分析则是利用软件为岩土材料分析提供的DP强度屈服准则,使用强度折减有限元结合优化法寻找临界安全系数。
1非稳定饱和-非饱和渗流场数学模型与程序结构
1.1 数学模型
将非饱和区渗透系数看作是空隙水负压的函数,则不考虑土骨架变形及水压缩性时,非稳定饱和-非饱和渗流控制方程为:
式中:
由(1)式结合一定的边界条件及初始条件便可以进行渗流场的求解。非稳定渗流场内初始水头分布H(x,y,z,t0)=H0(x,y,z,t0);定水头边界为H(x,y,z,t)=H1(x,y,z,t);逸出面边界为H(x,y,z,t)=z(x,y,z,t);流量边界为
1.2 非稳定饱和-非饱和渗流程序结构
非饱和土的渗流问题是一个非线性问题,饱和度、渗透系数、逸出面范围等只能在计算过程中迭代确定。迭代分三层进行:最内层迭代确定渗流参数,该层迭代中边界条件及时步长均不变,渗流参数根据单元空隙水压力不断调整,直到前后两次计算各单元孔压变化均小于某一定小值;次外层迭代确定渗流逸出面边界,该层迭代时步长不变,根据内层的计算结果调整逸出面边界范围,直至迭代收敛;最外层迭代调整时间步长,只有相邻时步间的水头差在允许范围之内时,才进行下一时步计算,否则此步计算结果作废并更改时步长重新计算,程序框图如图1示。
2 边坡稳定分析
2.1 强度折减有限元的优点及原理
目前边坡稳定分析中被广泛采用的仍然是传统的极限平衡法,它以极限平衡理论为基础进行稳定性分析,没有考虑土体内部的应力应变关系,无法分析边坡破坏的发生和发展过程,对于堤坝渗流作用只能以容重分区作替代,在求安全系数时通常需要假定滑裂面形状为折线、圆弧、对数螺旋线等。而强度折减有限单元法正好克服了上述缺陷,不但能够满足力的平衡条件,而且考虑了材料的应力应变关系,使得计算结果更加精确合理;不用事先假设滑裂面并能解决复杂边界条件[3]。随着计算力学的发展及大型商务程序的开发,此种方法的应用范围将进一步扩大。
对于摩尔-库仑材料,强度折减安全系数可表示为:
不断调整fs值,直到达到破坏判断时,即得边坡的安全系数。此时的安全系数具有强度储备的物理意义,和传统意义上的安全系数本质上一致。对于非饱和土,根据Fredlund的双应力变量理论[4]得非饱和土抗剪强度为:
只要将由于基质吸力增加的抗剪强度部分(ua-yw)tanφb合并入粘聚力构成非饱和土的广义凝聚力c″=c′+(ua-uw)tanφb进行折减即可。式中φb表示由于基质吸力增加引起抗剪强度增加的吸力摩擦角,有关研究表明φb并不是一个常量,其本身也可能随基质吸力的变化而变化,为简单起见,本文中不考虑φb的变化情况;ua-uw为基质吸力,一般情况下考虑孔隙气体处于大气压下,即取ua=0。
2.2 有限元中边坡破坏的判据
目前,土体破坏的标准有如下几种:①以有限元静力平衡计算不收敛作为边坡整体失稳的标志;②以塑性区(或者等效塑性应变)从坡脚到坡顶贯通作为边坡整体失稳的标志;③土体破坏标志应当是滑动土体无限移动,此时土体滑移面上应变和位移发生突变且无限发展。实际上,土体滑动面塑性区贯通仅是土体破坏的必要条件,但不是充分条件。土体整体破坏的标志应是滑体出现无限移动,此时滑移面上的应变或者位移出现突变,因此,这种突变可作为破坏的标志,此时有限元计算会同时出现计算不收敛。可见,上述①、③两种判据是一致的[5]。
2.3 DP强度准则
DP准则又称为广义Mises准则,是对Mohr-Coulomb屈服准则的近似。由于Mohr-Coulomb屈服准则在三维应力空间中由6个分段函数构成,不是一个连续函数,在三维空间的屈服面为不规则的6角形截面的角锥体表面,给数值计算带来困难。如图2示DP屈服准则为Mohr-Coulomb屈服准则π平面上6角形的外接圆,在主应力空间的屈服面为光滑圆锥,在 平面上为圆形,不存在尖顶处的数值计算问题[6]。目前流行的有限元软件ANSYS、MARC、NASTRAN均采用此种准则。
式中:I1、J2分别为应力张量的第一不变量和应力偏张量的第二不变量;α、k是与岩土材料内摩擦角φ和黏聚力c有关的常数。
3 算 例
分析一均质土坝,土体参数c′=17 kPa,φ′=25°,φb=25°,饱和容重γsat=2 000 kg/m3,孔隙率n=0.44,则非饱和土容重随饱和度变化范围即在1 560～2 000 kg/m3之间,非饱和土的土水特性如表1[7]所示。坝体高50 m,坝顶宽10 m,上下游坡比均取为1∶2,下游设水平褥垫式排水伸入坝内70 m,取上游水位45 m下游水位为0 m时的稳定渗流场为初态,上游水位在40 d内匀速从45 m下降到5 m。黏性土的饱和渗透系数取为3.4×10-8m/s,为研究渗透系数对边坡稳定的影响,又分别取两个饱和渗透系数3.4×10-7m/s、3.4×10-6m/s进行比较计算。
图3、4、5为饱和渗透系数分别取3.4×10-6、3.4×10-7、3.4×10-8m/s情况下40 d时的压力水头分布,其中0压线即为浸润线,得到空隙水压力分布后,即可计算非饱和土强度。图6绘出了坝坡安全系数随时间的变化,可以看出饱和渗透系数越小,则坝体浸润线越滞后于库水位回落,坝坡安全系数也将越小;库上游水位稳定后,随着时间发展,坝内水体不断排出,超空隙水压力逐渐消散,坝坡的安全系数随之增大,且土体的渗透性越大,这种增长速度越快。图7为某时刻边坡失稳时的塑性区图,由此即可看出最危险滑裂面位置。
4 结 语
通过对大型通用有限元分析软件ANSYS二次开发,得到了渗流分析与边坡稳定分析程序,利用了商业软件前后处理的优越性能,避免了重复编制有限元程序的繁琐,可以方便的完成非稳定渗流分析及渗流作用下的边坡稳定分析。在此基础上,对库水位回降时的坝坡稳定性进行了分析,算例的分析结果与理论结果一致,程序的正确性得到验证。
摘要：在对库水位回落条件下土石坝非稳定饱和-非饱和渗流场进行有限元分析的基础上,考虑非饱和土强度、土体密度都随含水量变化的关系及渗透力作用,利用强度折减有限元技术研究了水位降落过程中边坡稳定性的变化规律及渗透系数对边坡稳定的影响。研究成果为土石坝的设计运行、除险加固提供了参考。
关键词：非稳定渗流,非饱和土强度,边坡稳定,强度折减有限元,ANSYS
参考文献
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