公路边坡稳定性研究与分析及综合治理-陈强.doc

1、学校代号：10532HUNAN UNIVERSITY工程硕士学位论文公路边坡稳定性研究与分析及综合治理学位申请人姓名陈强培养单位土木工程学院导师姓名及职称赵明华教授刘代全高工学科专业建筑与土木工程研究方向边坡稳定分析论文提交日期2005年4月10丨丨学 号：G000118 密 级：湖南大学工程硕士学位论文公路边坡稳定性研究 与分析及综合治理学位申请人姓名：陈强导师姓名及职称：赵明华教授刘代全高工培养单位：十木工稈学院专业名称：建筑与土木工程论文提交日期：2005年4月10日论文答辩日期：2005年4月24日答辩委员会主席：邹银生教授Stability Analysis and Comprehe

2、nsive Treatment of Highway SlopebyCHEN QiangB.E.(Changsha Jiaotong University) 1987A thesis submitted in partial satisfaction of theRequirements for the degree ofMaster of EngineeringinArchitectural & Civil Engineeringin theGraduate SchoolofHunan UniversitySupervisorProfessor Zhao MinghuaSenior Engi

3、neer Liu DaiquanApr. 10, 2005学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果Q除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献 的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法 律后果由本人承担。作者签名： 抒、綠日期：4年弘月0曰学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被 查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分

4、内容编入 有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属亍1、 保密，在年解密后适用本授权书。2、不保密口。(请在以上相应方框内打“ V ”）作者签名： ?务考杲曰期年月曰曰导师签名曰期：年0月T：程硕L学位论文目录m iAbstractII第1章绪论11.1 醜11.2边坡的分类11.3边坡稳定性研究发展概况21.4本文的主要研究内容与工作5第2章边坡稳定性分析方法与计算理论62.1概述62.2边坡稳定性分析特点62.2.1稳定性分析特点62.2.2影响边坡稳定因素72.3边坡的破坏形式-82.4边坡稳定性计算方法与计算理论92.4.1定性分析方法9

5、2.4_2定量分析方法112_4.3非确定性分析方法142A4物理模型方法152.4.5现场监测分析法152.5存在的问题与讨论15第3章边坡弹塑性有限元模拟分析173.1弹塑性基本理论173.U概述173_1.2岩土塑性力学基础173.1.3非线性问题的求解方法193.2常用的弹塑性模型233J有限元方法的基本理论 263.3.1平面八节点等参单元数学分析263.4弹塑性有限元的程序实现31.01.21.4低的1.21.21.4高的1.41.41.4注：本表给出的安全系数为推荐值，为减少经济损火，特殊情况下采用较高或较低安全 系数或许是恰当的；表中稳定系数取小值的边坡，是指地质和岩土条件己经

6、仔细研究，边 坡形成时间已很长，且荷载条件、地下水状态及基本坡形人体上保持不变的己有边坡。岩土工程勘察规定规定：新设计的边坡，对一级边坡工程，Fs值宜 采用1.31.5，二级边坡工程宜采用1.151.30，而三级边坡工程则宜采用 1.051.15;演算已有边坡的稳定时，八值宜采用1.01.25。建筑物地基基础设计规范规定：滑坡推力安全系数应根据滑坡现状及 其对工程的影响等因素确定，对一级建筑物取1.25，二级建筑物取1.15,三级建 筑物取1.05。上海市地基基础设计规范规定：当用总应力法确定土体抗剪强度，并 用固结快剪峰值（或最大值）指标时，用简单条分法（瑞典法）计算边坡安全系 数，对于一般

7、结构物，进行复核演算时，容许的最小安全系数可选用1.25，而设 计时可采用1.30。2.2.2影响边坡稳定因素1. 内在因素岩土性质：岩土的成因类型、矿物成分、岩土结构和强度等是决定立 定性的重要因素、由坚硬C密实）、矿物稳定、抗风化性能好及强度较!I 土构成的边坡，其稳定性一般较好，反之就较差。岩体结构方面：岩体的结构类型，结构面形状及其与坡面的关系是穿公路边坡稳定性研究与分析及综合治理坡稳定的控制因素。风化作用：风化作用使岩土体的抗剪强度减弱，裂隙增加或扩大，影响斜 坡的形状和坡度；透水性增加，使地面水容易侵入，改变地下水的动态，沿裂隙 风化时，可使岩土体脱落或沿斜坡崩塌、堆积、滑移等。地

8、应力：开挖边坡导致坡体内岩土的初始应力状态改变，坡脚附近出现剪 应力集中带，而坡顶和坡面的一些部位可能出现张应力区。在新构造运动强烈地 区，开挖边坡能使岩土中的残余构造应力释放，可直接引起边坡的变形破坏。(5) 地震：地震使边坡岩土体的剪应力增大，抗剪强度降低。2. 外因条件水的作用：水的渗入使岩土体质量增加，结构软化而抗剪强度降低，并使 孔（裂）隙水压力升高；地下水的渗流将对岩土体产生动水压力，水位的升高将会产生浮托力。人为因素：边坡不合理的设计，削坡、开挖或加载，大量施工用水的渗入 及爆破等都能造成边坡失稳。2.3边坡的破坏形式边坡破坏常发生在岩土软弱结构面和风化较严重地段。破坏前总有一些

9、迹象 发生，如边坡及其建筑物开裂、错动、歪斜、挤凸和松弛。为保行车安全，要十 分注意检查工作，及早发现初期微小的变形迹象，采取看守监视、强护加强和病 害治理等措施。至于边坡破坏的型式，主要有如下六种类型2()，21:滑坡：指岩土斜坡（一般缓于30 )在重力作用下沿一定的软弱面向下前 方整体滑动的现象。有层状平移式的滑坡和渐进型的旋转滑动。不少滑坡由于河 流冲刷或人工切割了前缘部分，也有由于上部超载地下水富集有效应力减少，以 及岩土中软弱带抗剪强度降低等原因造成了滑动。崩塌：指陡坡（30 )上岩土沿残积层中的裂隙和下覆风化较浅的岩层 或软弱面瞬间脆性破坏的现象。这是由于岩土本身处于不稳定状态，在

10、振动、雨 水、温差和冻胀作用下就易于促成。崩塌的垂直位移大于水平位移，并且运动速 度较快，崩塌体散落于坡脚下，不能保持原来的岩土的结构和整体性，无明显的 滑动面，可和滑坡区别。错落：指斜坡上风化严重的岩体受地下水潜蚀作用，细粒被带走，岩土空 隙增大强度降低，在重力作用下发生以竖向压实为主的剪切变形。流坍：由于土质边坡饱水至抗剪强度非常之低或完全消失，发生表层 坡。破坏常自坡脚或含水量最大处开始，规模较小，无明显的滑面，多见于 或粘土的新路堤和大雨后发生。(5) 剥落：指边坡上岩土表面或片状结构，由于风化作用而与母岩脱离、工程硕士学位论文经常脱落的现象。(6) 冲刷：滨河或河滩上路基，边坡受洪水

11、冲刷，滨河路堤还有潮水，风浪的 侵袭，均可能造成局部或成段冲毁。然而，对于路堑边坡、山坡和陡坡路堤的破坏面就不一定是圆弧型。2.4边坡稳定性计算方法与计算理论边坡稳定性评价方法大致可分为两大类，即定性分析法和定量分析法19。此 外，近年来，人们在前面两种分析方法的基础上，又引进了一些新的学科、理论 等，逐渐发展起来一些新的边坡稳定性分析方法，如可靠性分析法、模糊分级评 判法7、系统工程地质分析法、灰色系统理论分析法和遗传算法22，这里暂且称 之为非确定性分析方法。另外，还有地质力学模型等物理模型和现场监测分析方 法等。2.4.1定性分析方法定性分析方法主要是通过工程地质勘察，对影响边坡稳定性的

12、主要因素、可 能的变形破坏方式及失稳的力学机制等的分析，对易变形地质体的成因及演化史 进行分析，从而给出被评价边坡的一个稳定性状况及其可能发展趋势的定性说明 和解释。其优点是综合考虑影响边坡稳定性的多种因素，快速地对边坡的稳定状 况及其发展趋势做出评价。常用的方法主要有下面几种4:1. 自然C成因）历史分析法该方法对边坡发育的地质环境、边坡发育历史中的各种变形破坏迹象及其基 本规律和稳定性影响因素等的分析，追溯边坡演变的全过程，对边坡稳定性的总 体状况、趋势和区域性特征做出评价与预测，对已发生滑坡的边坡，判断其能否 复活或转化，主要用于天然斜坡的稳定性评价。2. 工程类比法该方法实质上是利用已

13、有的边坡或人工边坡的稳定性状况及其影响因素、有 关设计等方面的经验，并把这些经验应用到类似的所要研究边坡的稳定性分析和 设计中去的一种方法。其需要对已有的边坡和目前的研究对象进行广泛的调查分 析，全面研究工程地质因素等相似性和差异性，分析影响边坡变形破坏的各主导 因素即发展阶段的相似性和差异性，分析它们可能的变形破坏机制、方式等的相 似性和差异性，兼顾工程的等级、类别等特殊要求。通过这些分析，来类比分析 和判断研究对象的稳定性状况、发展趋势、加固处理设计等。在工程实践中，即 可以进行自然边坡间的类比，也可以进行人工边坡之间的类比，还可以在 坡和人工边坡之间进行类比，因而，可以说是目前应用最为广

14、泛的一种稳另 析方法。3. 边坡的分析数据库和专家系统9公路边坡稳定性研究与分析及综合治理边坡工程数据库是己有的自然边坡、人工边坡实例的计算软件，其按照一 定的格式，把各个边坡工程实例的发育地点、地质特征（工程地质图、钻孔柱状 图、岩体力学参数等）、变形破坏影响因素、形式、过程、加固设计，以及边坡的 坡形、坡高、坡角等收集起来，并有机地组织在一起23。建立边坡数据库的目的 依然主要是进行工程类比、信息交流，从而可直接根据不同设计阶段的要求和相 关的类比依据，方便快捷地从中查的相似程度最高的实例进行类比，以更好地指 导实践、节约费用。我国在“八五”国家科技攻关期间，已初步建立了“水电工 程高边坡

15、数据库”。专家系统是一种按学科及相关学科专家的水平进行推理和解决问题、并能 说明其缘由的计算机程序。边坡稳定分析设计专家系统就是进行边坡工程稳定性 分析与设计的智能化计算机程序，其把某一位或多位边坡工程专家的知识、工程 经验、理论分析、数值分析、物理模拟、现场监测等行之有效的知识和方法有机 地组织起统的计算机程序）来模拟并再现人（专家）脑的思维（推理与决策）过 程，吸收其合理的知识结构，寻求优化的技术路径。同时，该系统又能建立计算 机模型，结合相关学科不同专家的知识进行推理与决策，对所研究的对象（边坡) 进行稳定性评价。利用良好的边坡工程专家系统，运用专家的知识水平，模拟其 思维方式和决策过程

16、，以提高设计人员的决策水平，并最大限度地降低费用、节 省时间，达到更加优化的目的和效果。4. 图解法图解法可以分为诺模图法和赤平投影图法。诺模图法是利用一定的诺模图或 关系曲线来标识与边坡稳定有关的各参数间的关系，并由此求出边坡稳定安全系 数，或根据要求的安全系数及一些参数来分析其它参数（岩土体的c、p值、结 构面倾角、坡角、坡高等）的方法19。该法实际上是数理分析方法的一种简化方 法，如Taylor图解法，目前主要用于土质或全风化的具有弧形破坏面的边坡稳定 性分析。投影图法就是利用赤平极射投影的原理，通过作图来直观地表示边坡变形破 坏的边界条件，分析不连续面的组合关系，肯恩公室温岩土体形态及其滑动方向 等，进而评价边坡的稳定性，并为力学计算提供信息。常用的有赤平极射投影图 法、实体比例投影图法、MarklandJ J投影图法等。