邊坡穩(wěn)定性(開題報告)

1、三峽大學(xué)留學(xué)生公寓邊坡穩(wěn)定性分析1課題來源三峽大學(xué)擬在其校園內(nèi)新建“三峽大學(xué)留學(xué)生公寓 1、2#樓”工程項目，該項目位于大學(xué)路西側(cè)，逸夫樓南側(cè)，該建筑均為7層框架結(jié)構(gòu)，建筑高度22.35m，擬建工程重要性等級為二級，場地復(fù)雜程度為二級，地基復(fù)雜程度為二級，綜合評價該項目的巖土工程勘察等級為乙級，該項目由三峽大學(xué)建筑設(shè)計研究院負(fù)責(zé)設(shè)計。2 選題背景及研究意義 伴隨著我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)的高速發(fā)展，出現(xiàn)過大大小小由于邊坡失穩(wěn)造成的人身和財產(chǎn)損失，邊坡綜合防護(hù)設(shè)計日益引起社會的重視。邊坡設(shè)計不僅僅需要因地制宜地選擇實(shí)用、合理、經(jīng)濟(jì)、美觀的工程措施，確保人民的生命安全和財產(chǎn)，同時達(dá)到與周圍環(huán)境的相對協(xié)調(diào)與平衡

2、，以及美化社會的效果。更需綜合考慮地下水、降雨強(qiáng)度、地形、土質(zhì)、材料來源等情況來進(jìn)行合理布局。研究邊坡的穩(wěn)定性及治理方案有重大的理論與實(shí)踐意義，更是保護(hù)生命財產(chǎn)安全的迫切需要。因此，通過對邊坡的穩(wěn)定性評價及治理措施的研究將對其他類似邊坡的穩(wěn)定性評價和治理具有很強(qiáng)的指導(dǎo)性意義。對已產(chǎn)生的滑動的邊坡以及瀕臨滑動的邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析，并采取合理的治理方案，消除安全隱患，對于保證工程的順利進(jìn)行減少工程投資，保護(hù)人民群眾的生命財產(chǎn)安全都有著重要的意義。3 國內(nèi)外邊坡穩(wěn)定性研究現(xiàn)狀3.1 國外邊坡穩(wěn)定性研究現(xiàn)狀（1)起步階段 起步階段，滑坡研究開始于20世紀(jì)20年代的瑞典，瑞典人彼得森最早提出了條分法。但

3、之后的20年左右的時間里世界各國對滑坡的研究也只是零星的和片段的。大多數(shù)國家都是由單獨(dú)的研究人員進(jìn)行小規(guī)模的滑坡研究，只有瑞典、挪威、前蘇聯(lián)是由國立土工研究所進(jìn)行滑坡研究，并發(fā)表過一些著作和論文，其中瑞典人取得的成果最大。原蘇聯(lián)曾于1934年和1946年召開過兩次全國性的滑坡會議。瑞典條分法同時考慮了粘聚力和摩擦力，缺點(diǎn)是原理粗淺而且它的基本假定脫離了實(shí)際情況是一個膚淺的理論，還有待進(jìn)一步完善。（2）初步發(fā)展階段 初步發(fā)展階段(20世紀(jì)50年代)，人們開始考慮巖體的結(jié)構(gòu)面和材料特性，并且隨著理論的研究，出現(xiàn)了極限平衡論和彈塑性理論，這些新角度新方法的出現(xiàn)顯然推動了邊坡穩(wěn)定性研究的進(jìn)步。接著索柯

4、夫斯基在1954的時候提出了松散介質(zhì)極限平衡原理，但是這種方法存在著一些缺陷，會發(fā)現(xiàn)計算的結(jié)果與實(shí)際不符，其原因是因為沒有考慮到巖體的力學(xué)狀態(tài)和結(jié)構(gòu)面，后來其他人在他的基礎(chǔ)上完善了他的理論并提出一種邊坡邊坡穩(wěn)定性的方法，完善了這個時期邊坡穩(wěn)定性分析的發(fā)展。（3）深入發(fā)展階段 深入發(fā)展階段(20世紀(jì)60年代)，這個階段比較清晰明朗，人們對穩(wěn)定性分析的角度主要是兩個方面。一是考慮巖體中的結(jié)構(gòu)面，以極限平衡理論為基礎(chǔ)，運(yùn)用圖解法和計算分析法求出安全系數(shù)來判斷其穩(wěn)定性。John在1970提出了圖解法。3.2國內(nèi)邊坡穩(wěn)定性研究現(xiàn)狀 由于長時間的封建社會以及戰(zhàn)爭，新中國解放以前在邊坡穩(wěn)定性分析這方面幾乎沒

5、有什么研究，要遠(yuǎn)遠(yuǎn)地落后于歐美等國。但中國那些可敬的研究人員們奮發(fā)圖強(qiáng)使新中國成立以后邊坡穩(wěn)定性分析取得了很大的進(jìn)步?？偟膩碚f，可分為以下四個階段：(1)50年代 起步階段，主要以地質(zhì)災(zāi)害為著眼點(diǎn)，通過工程地質(zhì)類比法與極限平衡法等定性的分析方法，初步實(shí)現(xiàn)一些基本的邊坡穩(wěn)定性分析和防護(hù)設(shè)計。(2)60年代 進(jìn)步階段。當(dāng)時使用的主要方法是實(shí)體比例投影法，既通過赤平極射投影，來實(shí)現(xiàn)對邊坡巖體的結(jié)構(gòu)類型的劃分，同時提出了巖體結(jié)構(gòu)與控制的觀點(diǎn)，用該方法對塊體的破壞進(jìn)行計算更快捷準(zhǔn)確，并開展了許多大型的野外巖體力學(xué)實(shí)驗為進(jìn)一步邊坡穩(wěn)定性研究打下了基礎(chǔ)1。(3)70年代 進(jìn)一步發(fā)展階段，這個階段已經(jīng)開始了研

6、究邊坡的變形破壞機(jī)理工作。并開始運(yùn)用彈塑性力學(xué)極限平衡理論等方法來分析和評價邊坡的穩(wěn)定性。潘家錚提出了滑坡極限分析的極大值原理和極小值原理兩條基本原理進(jìn)一步擴(kuò)充了關(guān)于邊坡穩(wěn)定性研究的理論知識。隨著科技的不斷進(jìn)步，理論知識和硬實(shí)力的提高也使得有限單元法、邊界元法、離散元法等更前沿的方法進(jìn)入評價邊坡的穩(wěn)定性、分析邊坡變形破壞的條件的這個領(lǐng)域中。(4)80年代 逐漸成熟階段，人們開始從整體上認(rèn)識邊坡穩(wěn)定性的發(fā)展趨勢以及邊坡的變形破壞機(jī)理。諸如塊體理論、DDA法、灰色理論、模糊數(shù)學(xué)、數(shù)據(jù)庫與專家系統(tǒng)、計算機(jī)仿真技術(shù)、損傷斷裂力學(xué)理論、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型和遺傳算法等一些新理論、新技術(shù)、新方法開始出現(xiàn)并被運(yùn)用到

7、邊坡穩(wěn)定性研究，這些方法的出現(xiàn)為預(yù)測邊坡的穩(wěn)定性開創(chuàng)了更為廣闊的前景。4 國內(nèi)外邊坡治理技術(shù)研究現(xiàn)狀4.1國外邊坡治理技術(shù)研究現(xiàn)狀 早在19世紀(jì)中期，一些歐美國家就已經(jīng)開始對邊坡治理的工作進(jìn)行研究，但畢竟是早期發(fā)育期由于理論知識和技術(shù)的原因，對象還只能是一些小型偏簡單的邊坡。進(jìn)行治理排水工程的措施大多是減載、反壓、和抗滑擋土墻。第二次世界大戰(zhàn)后，歐美各國大興土木，公路發(fā)展迅猛直接導(dǎo)致了邊坡災(zāi)害也越來越多，人們慢慢一意識到治理災(zāi)害的重要性和必要性，人為支擋工程治理大量邊坡災(zāi)害取得了明顯的成效。人為支擋工程成為當(dāng)時普遍流行而且較當(dāng)時非常先進(jìn)的方法成為治理邊坡災(zāi)害最重要的方法。支擋工程的發(fā)展基本經(jīng)歷

8、了三個階段2：(1)第一階段 20世紀(jì)50年代以前，正是歐美工業(yè)化興起的時候，為了大規(guī)模的開采礦產(chǎn)資源和發(fā)展交通運(yùn)輸，許多國家開始大量的修筑高速公路、鐵路等等，過度的追求經(jīng)濟(jì)效益導(dǎo)致為了速度出現(xiàn)了許多人工邊坡，從而發(fā)生大量崩塌和滑坡，給人們帶來嚴(yán)重生命財產(chǎn)損失。吸取了教訓(xùn)后，關(guān)于滑面邊坡穩(wěn)定性與防護(hù)相關(guān)的理論與實(shí)踐研究才慢慢開始。(2)第二階段 20世紀(jì)60到70年代，人們慢慢開始使用抗滑樁支擋工程，這成為解決抗滑擋土墻施工過程的一些困難很好的方法。當(dāng)時歐美和前蘇聯(lián)在這方面處于領(lǐng)先地位亞洲則以日本為代表。一些國家用承臺聯(lián)接兩排或者三排樁頂，從而產(chǎn)生剛架受力這樣的方法來增加群樁受力和樁的抗剪切能

9、力。亞洲發(fā)展最好的日本更鐘情與采用直徑為400-500mm，孔深約20-30m的鉆孔鋼管樁，在孔中插入直徑為318-457mm，壁厚約為10-40mm的鋼管，在鋼管中放入H型鋼增加樁的抗剪能力。其樁間距采用1.5-4.0m，大多數(shù)為2.0-2.5m。(3)第三階段 20世紀(jì)80年代，在利用小型抗滑樁的同時，開始使用大直徑的挖孔抗滑樁用以治理一些較大型的滑坡災(zāi)害。錨索的出現(xiàn)是的不僅實(shí)現(xiàn)了機(jī)械化而且更加經(jīng)濟(jì)適用，更突出的是力學(xué)性能比抗滑樁更好，非常好的彌補(bǔ)了抗滑樁的不足。4.2國內(nèi)邊坡治理技術(shù)的研究現(xiàn)狀(1)第一階段 20世紀(jì)50年代，一抗滑擋墻及漿砌片(塊)石防治。當(dāng)時使用的方法還都是老方法，但

10、是老方法有一個共同的缺點(diǎn)就是都是暫時使邊坡趨于穩(wěn)定，外界條件一旦發(fā)生了改變，邊坡很可能輕易就會發(fā)生失穩(wěn)破壞。例如：寶成鐵路由于只采取了減載、排水或抗滑擋土墻等措施就導(dǎo)致在1981年的洪水期間有10余個滑坡出現(xiàn)了嚴(yán)重的破壞。(2)第二階段 20世紀(jì)60年代晚期，抗滑樁技術(shù)3開始運(yùn)用，以前一些施工難工程量大的項目他的邊坡災(zāi)害很不好處理但，一些難度比較大的邊坡滑坡災(zāi)害的治理因為有了抗滑樁技術(shù)得到很好的解決。抗滑樁承載能力大、施工速度快等優(yōu)點(diǎn)都是實(shí)施高大難工程項目正好需求的，深受研究人員和施工部門的歡迎，因此在全國得到迅速推廣和運(yùn)用。(3)第三階段 20世紀(jì)80年代晚期，錨噴技術(shù)施工快速、簡便、安全，

11、所以它很快得到了各個國家的使用。與此同時加上我國在這項技術(shù)的研究取得了突破性進(jìn)展，所以我國也開始采用并廣泛推行錨噴防護(hù)治理技術(shù)。錨索具有高強(qiáng)度、抗拉力大的特點(diǎn)，預(yù)應(yīng)力錨索可以變一般支擋結(jié)構(gòu)物的被動受力為主動受力，滑體擾動力小，可以機(jī)械化施工，使其其應(yīng)用前景十分廣闊。在排水方面，人們開始主張結(jié)合預(yù)應(yīng)力錨索、抗滑樁支擋等以排水為主綜合治理。(4)第四階段 20世紀(jì)90年代，出現(xiàn)框架錨固結(jié)構(gòu)和壓力注漿加固手段，它是一種應(yīng)用前景非常廣泛的邊坡治理方式。通過深層加固的技術(shù)，能夠解決邊坡的深層加固以及穩(wěn)定性問題，在邊坡治理過程中得到應(yīng)用廣泛。5 本人選擇的研究方法： 根據(jù)長時間的研究總結(jié)，邊坡穩(wěn)定性分析方

12、法大致可分為確定性方法和不確定性方法4細(xì)分的話有極限平衡分析法5、極限分析法、數(shù)值分析法，這些方法統(tǒng)稱為確定性方法。相對應(yīng)的不確定性方法則以隨機(jī)概率分析法為代表。本人選擇的是極限平衡法，下面對極限平衡法的簡單介紹。5.1、極限平衡法的特點(diǎn) （1）核心思想 極限平衡法的核心思想有兩點(diǎn)：一是化整為零，即將邊坡滑體進(jìn)行條塊劃分，并研究條塊之間的相互作用，不同的極限平衡法之間的差異就在于條塊間相互作用假定的不同；二是極限平衡，即滑體在一定條件下達(dá)到極限平衡狀態(tài)，亦即邊坡安全系數(shù)Fs=1.0，當(dāng)然不同方法對邊坡安全系數(shù)的定義也有差異。 （2）方法的可行性 極限平衡法雖然簡單，但是簡單并不代表其理論上不嚴(yán)

13、密，在此有兩個問題需要說明：一是為何可以選取平面作為邊坡剖面進(jìn)行分析，這是由于在選擇計算剖面時通常選取最不利的平面，并且平面忽略了垂直于平面的約束，將其簡化為平面應(yīng)力問題，這使得典型剖面的計算結(jié)果更加保守，因此更偏于安全；二是邊坡實(shí)際所處的彈塑性狀態(tài)，根據(jù)潘家錚上下限原理，巖土體所處狀態(tài)總是介于上下兩個極限之間，對邊坡而言，其上限是整個滑體達(dá)到塑性狀態(tài)，下限是僅滑動面達(dá)到塑性狀態(tài)，極限平衡法對應(yīng)的極限狀態(tài)首先是使滑面達(dá)到塑性狀態(tài)，滑體則根據(jù)不同方法條間力假定的不同而在不同程度上達(dá)到塑性狀態(tài)。基于以上兩點(diǎn)，可以看出極限平衡法雖然簡單，但是它在一定程度上反映了邊坡穩(wěn)定狀態(tài)的本質(zhì)，而且在理論和方法上

14、是嚴(yán)密可行的。 （3）優(yōu)缺點(diǎn) 極限平衡法的特點(diǎn)即是忽略邊坡演化過程，直指特定狀態(tài)下的穩(wěn)定分析結(jié)果，這個特點(diǎn)既是其優(yōu)點(diǎn)所在，也是其不足之處，優(yōu)點(diǎn)在于忽略了邊坡巖土本構(gòu)這個難題，直接分析邊坡極限狀態(tài)下的穩(wěn)定性；不足在于由于忽略了本構(gòu)，因此不能分析邊坡的變形演化過程，而且只求解邊坡整體穩(wěn)定系數(shù)，目的過于單一。當(dāng)然極限平衡法和數(shù)值算法亦存在一個共同問題，即必須在典型剖面上搜索出滑動面，不同之處在于，極限平衡法是通過經(jīng)驗和試算選取安全系數(shù)最小的剖面作為滑動面，而數(shù)值算法則選取塑性貫通區(qū)作為滑動面。 5.2、安全系數(shù)的定義方法 在確定邊坡滑動面以后，通過調(diào)整滑動面上正應(yīng)力、剪應(yīng)力與強(qiáng)度參數(shù)c、關(guān)系使邊坡達(dá)

15、到極限平衡狀態(tài)，根據(jù)調(diào)整關(guān)系的不同衍生出不同的安全系數(shù)定義方法，目前公認(rèn)且應(yīng)用較多的有以下三種方法： （1)強(qiáng)度折減法 強(qiáng)度折減法通過折減強(qiáng)度參數(shù)c、從而使邊坡達(dá)到極限平衡狀態(tài)，并將折減的具體數(shù)值定義為安全系數(shù)Fs。強(qiáng)度折減法是經(jīng)過多年來的實(shí)踐被國際工程界廣泛承認(rèn)的一種方法，這種安全系數(shù)只是降低抗滑力，而不改變下滑力。同時，用強(qiáng)度折減法也比較符合工程實(shí)際情況，許多邊坡的發(fā)生常常是由于外界因素（如降水、震動等）引起巖土體強(qiáng)度降低而導(dǎo)致巖土體滑坡。 （2）下滑力超載法 下滑力超載法是將滑裂面上的下滑力增大一定倍數(shù)使邊坡達(dá)到極限狀態(tài)，其增大倍數(shù)即為安全系數(shù)Fs，也就是增大荷載引起的下滑力項，而不改變

16、荷載引起的抗滑力項。從形式上看，下滑力超載法與強(qiáng)度折減法的表達(dá)式基本相同，但是含義并不同，這種定義在國內(nèi)采用傳遞系數(shù)法顯式解求安全系數(shù)時應(yīng)用，不過由于傳遞系數(shù)法顯式解還作了一些假定（如下滑力方向假定等），其安全系數(shù)計算結(jié)果與一般條分法并不完全一致，一般情況下其計算結(jié)果偏大。下滑力超載法表達(dá)式表明，極限平衡狀態(tài)時，下滑力增大Fs倍， 一般情況下也就是巖土體質(zhì)量增大Fs倍，而實(shí)際上質(zhì)量增大不僅使下滑力增大，也會使摩擦力增大，因此下滑力超載法不符合工程實(shí)際。 （3）超載儲備法 超載儲備法是是將荷載(主要是自重)增大Fs倍后，使坡體達(dá)到極限平衡狀態(tài)。超載儲備法相當(dāng)于折減黏聚力c值的強(qiáng)度儲備安全系數(shù)，對

17、無黏性土 ( c=0) 采用超載儲備安全系數(shù)顯然是不適用的。 （4）其他方法 矢量和法7認(rèn)為邊坡滑體的抗滑力和下滑力都是矢量，因此應(yīng)將抗滑力R和下滑力T的矢量疊加投影到某一計算方向后計算安全系數(shù)。 5.3、未知量、平衡方程及引入條間力假定 極限平衡法將邊坡滑體劃分為n個條塊，選取第i個條塊進(jìn)行分析。根據(jù)條塊是否滿足力矩平衡關(guān)系又將分析方法劃分的嚴(yán)格條分法和不嚴(yán)格條分法，嚴(yán)格條分法的每個條塊均滿足力和力矩平衡，而不嚴(yán)格條分法則僅滿足力平衡。 整個邊坡未知量數(shù)量分別為：邊坡整體安全系數(shù)Fs計1個；條底力Ni計n個；條底力Ti計n個；條側(cè)力Ei計n-1個；條側(cè)力Xi 計n-1個；Ei作用高度計n-1

18、個（不嚴(yán)格條分法不考慮條塊力矩平衡，Ei作用高度不參與計算，因此未知量計0個）。未知量總數(shù)合計5n-2個（不嚴(yán)格條分法為4n-1個）。 整個邊坡平衡方程數(shù)量分別為：水平力平衡方程計n個；垂直力平衡方程計n個；力矩平衡方程計n個（不嚴(yán)格條分法為0個）；每個條塊的局部安全系數(shù)均與整體安全系數(shù)相等計n個方程。平衡方程合計4n個（不嚴(yán)格條分法為3n個）。 由上述邊坡未知量和平衡方程數(shù)量可以看出，未知量數(shù)量多于平衡方程數(shù)量，嚴(yán)格條分法多n-2個，不嚴(yán)格條分法多n-1個。為了便于未知量和平衡方程的求解，因此必須引入條間力假定。引入條間力假定后，n個條塊之間將增加n-1個平衡方程，對于嚴(yán)格條分法，未知量和平

19、衡方程數(shù)量將分別為5n-2個和5n-1個，由于平衡方程數(shù)量比未知量數(shù)量多1個，因此必須再引入一個新的未知量參與求解；對于不嚴(yán)格條分法，未知量和平衡方程數(shù)量均為4n-1個，因此可以直接求解。 5.4、幾種經(jīng)典方法述評 （1）瑞典法 假定：不考慮條間力； 適用范圍：只適用于圓弧滑面； 求解過程：通過整體力矩平衡求解安全系數(shù)； 計算結(jié)果：安全系數(shù)計算結(jié)果偏低1020%，因此結(jié)果偏于保守； 特點(diǎn)：歷史悠久，是最早的邊坡穩(wěn)定性分析方法。 （2）簡化Bishop法 假定：只考慮水平條間力； 適用范圍：只適用于圓弧滑面； 求解過程：條塊垂直方向的力平衡和整體力矩平衡求解安全系數(shù)； 計算結(jié)果：通常情況下計算結(jié)

20、果較為精確； 特點(diǎn)：首次采用強(qiáng)度折減定義。 （4）傳遞系數(shù)法（不平衡推力法） 假定：假定剩余下滑力方向為條底傾角方向，并由此確定垂直條間力和水平條間力的比例關(guān)系； 適用范圍：圓弧、折線滑面均適用； 求解過程：根據(jù)條塊垂直和水平方向的力平衡求解安全系數(shù)，同時根據(jù)安全系數(shù)不同定義方法分為顯示解法和隱式解法。顯式解，根據(jù)滑面正應(yīng)力和剪應(yīng)力求解抗滑力和下滑力，并由此計算Fs=f(,)；隱式解：根據(jù)最后一個條塊的剩余下滑力為0，求解f(Fs)=0； 計算結(jié)果：若條底傾角變化幅度小于10，則精度很高； 特點(diǎn)：國產(chǎn)方法，簡單實(shí)用，國內(nèi)規(guī)范普遍采用，尤其對支擋結(jié)構(gòu)設(shè)計時較有意義。 （5)Morgenstern

21、-Price法 假定：假定條間力方向的函數(shù)為tan=Xi/Ei=f0(x)+f(x),引入新參數(shù)，（若f0(x)=0、f(x)=1，則tan=，即為Spencer法），通常情況下tan的分布規(guī)律為是f0(x)線性分布，f(x)取正弦函數(shù)； 適用范圍：圓弧、折線滑面均適用； 求解過程：根據(jù)條塊垂直和水平方向的力平衡和力矩平衡求解安全系數(shù)； 計算結(jié)果：公認(rèn)比較精確的方法； 特點(diǎn)：由于Morgenstern-Price法為嚴(yán)格條分法，因此引入了新參數(shù)，的物理意義是什么，如何驗證條間力是否合理？ 5.5、展望 由于極限平衡法自身理論嚴(yán)密性的需要和工程適用性的拓展，以及數(shù)值算法帶來的外部壓力，近年來許多學(xué)者也對極限平衡法進(jìn)行了不斷的改進(jìn)和研究，具有有以下幾個方面的代表性工作： 第一、拋棄原有的條分方法，另起爐灶。如鄭宏等3提出的無條分法，該方法將域積分轉(zhuǎn)為邊界積分，實(shí)現(xiàn)無條分，并通過合理簡單的滑面正應(yīng)力修正方法，建立三個力矩平衡方程替代滑塊平衡方程組，即取滑面底端、頂端及另外一點(diǎn)組成等邊三角形，對三個點(diǎn)求矩，求解時避免力和力矩方程量綱不一致； 第二、對條塊局部安全系數(shù)等