巖土工程邊坡的穩(wěn)定性分析與設(shè)計(jì)(共6頁)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上巖土工程邊坡的穩(wěn)定性分析與設(shè)計(jì)巖土工程邊坡的穩(wěn)定性分析與設(shè)計(jì) 摘要：我國的巖土工程發(fā)展迅速,交通、水利、礦山等相關(guān)部門都會涉及很多邊坡問題，特別是山區(qū)的邊坡，由于各種地質(zhì)環(huán)境的影響，處于山區(qū)地段的邊坡穩(wěn)定性直接影響著山區(qū)老百姓的人身安全，滑坡災(zāi)害嚴(yán)重危及到國家基礎(chǔ)建設(shè)，所以對巖土工程邊坡的穩(wěn)定性研究十分必要。本文在對邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析和討論的基礎(chǔ)上，介紹了邊坡的破壞形式和影響因素，概述了邊坡的穩(wěn)定性分析方法，并通過實(shí)例闡述了邊坡穩(wěn)定性分析方法的具體應(yīng)用，最后對邊坡穩(wěn)定性的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了探討。 關(guān)鍵詞：巖土工程邊坡；穩(wěn)定性分析；定量分析；有限元；防護(hù) 中圖分類號：F40

2、7.1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 一、巖土工程邊坡的破壞類型及影響因素 邊坡分為人工邊坡和自然邊坡。由于受設(shè)計(jì)和施工以及其他因素的影響，邊坡土體會出現(xiàn)失穩(wěn)破壞現(xiàn)象，具體可分為： （一）邊坡崩塌 崩塌往往發(fā)生在地形陡峭的山坡或高陡的路塹邊坡上。 （二）邊坡滑坡 滑坡一般是緩慢地、長期地往下滑動，位移速度在突變階段顯著增大，滑動過程可以是幾年、幾十年甚至更長。 （三）邊坡流動 流動往往緩慢地沿坡面或地面溝谷方向呈流體移動。 邊坡的穩(wěn)定性受很多因素的影響，根據(jù)各種因素影響的大小和特點(diǎn)，可分為內(nèi)部因素和外部因素兩類：內(nèi)部因素邊坡土體的材料構(gòu)成和物理力學(xué)指標(biāo)，以及邊坡的地形地貌和巖石的礦物組成，邊坡巖土體中的地

3、質(zhì)結(jié)構(gòu)面和邊坡的形狀等。外部因素邊坡外在所受的雨水、地震、構(gòu)造應(yīng)力、植被和風(fēng)化作用的影響和人為因素等。 巖土工程邊坡穩(wěn)定性分析的方法 （一）定性分析法 定性分析方法分為成因歷史分析法、工程地質(zhì)類比法、赤平極射投影法、專家系統(tǒng)法。 1、成因歷史分析法 成因歷史分析法研究內(nèi)容包括兩方面：首先是邊坡所處的區(qū)域背景，大地構(gòu)造，地質(zhì)結(jié)構(gòu)特性；其次是邊坡的坡形和坡高，坡體外部和內(nèi)部的變形跡象。因此，該分析方法適合于自然形成的斜坡。 2、工程地質(zhì)類比法 工程地質(zhì)類比法類比的原則是相似性，只有相似性較高的邊坡才能進(jìn)行類比，類比的方面包括邊坡的工程地質(zhì)條件和影響邊坡穩(wěn)定性的各種因素。 3、赤平極射投影法 赤平極

4、射投影法就是確定不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)體的可能變形位移方向，進(jìn)而作出邊坡穩(wěn)定條件的初步評價(jià)。該法是目前邊坡穩(wěn)定性分析的主要方法之一。 4、專家系統(tǒng)法 專家系統(tǒng)法是一種計(jì)算機(jī)程序分析法，該法以專家的水平來完成對邊坡穩(wěn)定性的分析，并且把對邊坡穩(wěn)定性分析的大量實(shí)際知識和經(jīng)驗(yàn)同模擬人類的解題策略結(jié)合起來。 （二）定量分析法 定量分析法可大致分為如下四類：極限平衡分析法、極限分析法、滑移線法、數(shù)值分析法。其中極限平衡分析法和數(shù)值分析法中的有限元法應(yīng)用較廣。 1、極限平衡分析法 極限平衡分析法發(fā)展的時(shí)間長，研究的人員多，出現(xiàn)了很多有代表性的分析方法。根據(jù)各種方法自身的特點(diǎn)可分為如下幾種：瑞典圓弧法、瑞典條分法、畢肖普

5、法、簡布法、斯賓塞法等。 2、極限分析法 極限分析法的定義就是應(yīng)用理想剛塑性體處于極限狀態(tài)的普遍定理上限定理和下限定理來求解極限荷載。該法的優(yōu)點(diǎn)是不論邊坡形態(tài)和外加荷載多么復(fù)雜，總能求得一個能適用的荷載，計(jì)算的結(jié)果要比極限平衡分析法嚴(yán)格。 3、數(shù)值分析法 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)值計(jì)算理論的發(fā)展，數(shù)值分析方法已經(jīng)應(yīng)用到邊坡穩(wěn)定性分析中，而且發(fā)展速度很快。到目前為止，常用的數(shù)值分析方法有如下幾種：有限單元法、離散元法、邊界元法、不連續(xù)變形分析法、快速拉格朗日法等。 （三）不確定性分析法 20世紀(jì)70年代，在邊坡穩(wěn)定性分析中出現(xiàn)了不確定性分析方法。目前，不確定性分析法主要有隨機(jī)可靠性分析法、模糊可靠性分

6、析法、人工智能法、灰色預(yù)測系統(tǒng)法等。 1、隨機(jī)可靠性分析法 隨機(jī)可靠性分析法的應(yīng)用相當(dāng)廣泛。該法它分析了很多影響邊坡穩(wěn)定性的不確定性因素，總結(jié)了現(xiàn)有的安全系數(shù)法的不足。近幾十年來，國內(nèi)外學(xué)者對概率和可靠度方法的研究就是對這種方法的延伸。 2、模糊可靠性分析法 模糊可靠性分析法是20世紀(jì)80年代初發(fā)展起來的，晚于隨機(jī)可靠性分析法。模糊可靠性分析法提示人們雙狀態(tài)假設(shè)和概率假設(shè)在很多情況下是不正確的，該法是當(dāng)前可靠性學(xué)科研究的熱點(diǎn)。 3、人工智能法 人工智能法雖然不能分析出土體內(nèi)部的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，但其有完善的理論和充足的數(shù)據(jù)使之成為一種相對簡便的方法，并且已經(jīng)應(yīng)用到建筑工程當(dāng)中。 4、灰色預(yù)測系統(tǒng)

7、法 灰色預(yù)測系統(tǒng)法就是分析邊坡穩(wěn)定性的影響因素，該法的很大好處是找出了各影響因素之間的關(guān)聯(lián)性，它確定出了因素中的主次關(guān)系，進(jìn)而對邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行了多重的分析。 邊坡穩(wěn)定性分析方法的具體應(yīng)用 （一）工程概況 某水電站隧洞邊坡的開挖工程，由于出口邊坡部位山坡地形較陡，垂直山坡的地形坡度一般為35°50°。坡積層厚度約為13m，基巖為花崗巖，全強(qiáng)風(fēng)化厚度約2040m（受斷層影響處較厚）。邊坡各巖層的物理力學(xué)指標(biāo)見下表，開挖后右側(cè)邊坡最大開挖垂直深度約40m,開挖后坡高約143m。 表 邊坡巖體力學(xué)參數(shù)表 （二）ANSYS 有限元法分析 ANSYS 作為世界上著名的大型通用有限元分析

8、軟件，也是國內(nèi)用戶最多、應(yīng)用最廣泛的有限元分析軟件，其可應(yīng)用于建筑工程、鐵路工程等眾多領(lǐng)域。有限元法的基本思想是將連續(xù)的求解區(qū)域離散為一組有限個、且按一定方式相互連接在一起的單元的組合體。 由于單元能按不同的連接方式進(jìn)行組合，且單元本身又可以有不同的形狀，因此可以模型化復(fù)雜的幾何形狀求解區(qū)域?，F(xiàn)用 ANSYS 軟件對該邊坡進(jìn)行力學(xué) 分析?？紤]到土體的彈塑性特征，將土體單元類型設(shè)置成 plane42，之后通過模型建立、網(wǎng)格劃分、模型求解且利用 ANSYS 的通用后處理器查看自然和飽水兩種狀態(tài)下邊坡的應(yīng)力云圖，如圖1和圖2。 圖1自然狀態(tài)邊坡剪應(yīng)力云圖 圖2 飽水狀態(tài)邊坡剪應(yīng)力云圖 從圖1、圖2可

9、以看出，自然及飽水狀態(tài)的邊坡剪應(yīng)力極值均發(fā)生在滑坡坡頂 a 處及滑坡底部 b 處，且邊坡飽水狀態(tài)的剪力大于自然狀態(tài)。由此可以看出邊坡各個部分及不同工況下的剪應(yīng)力大小分布不均。但圖1、圖2無法反映出各處的安全系數(shù)，剪應(yīng)力較大之處未必說明此處安全系數(shù)較小，其也與該處的抗剪強(qiáng)度有關(guān)。下面將摩爾庫倫準(zhǔn)則引入 ANSYS 后處理器中，利用 ANSYS 后處理器強(qiáng)大的數(shù)據(jù)計(jì)算分析功能繪制出模型各處的安全系數(shù)，如圖3、圖4所示。 圖3自然狀態(tài)邊坡安全系數(shù)云圖 圖4飽水狀態(tài)邊坡安全系數(shù)云圖 圖3、圖4中值的倒數(shù)為該處的安全系數(shù)。通過對圖3分析可發(fā)現(xiàn)，在滑坡體的頂部 a 及中部 b 處首先出現(xiàn)了安全系數(shù)小于 1

10、 的塑性區(qū)，但是塑性區(qū)卻未貫通，邊坡整體安全系數(shù)大于1。對圖4進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，在滑坡體的中部a率先出現(xiàn)了安全系數(shù)小于1的塑性區(qū)，但塑性區(qū)并未貫穿整個滑體，邊坡的整體安全系數(shù)仍大于1。 通過對圖1圖4分析發(fā)現(xiàn): 滑坡體中剪應(yīng)力的分布不均勻，且剪應(yīng)力大的地方未必是最危險(xiǎn)的塑性區(qū)域；自然與飽水狀態(tài)下的邊坡剪應(yīng)力分布情況相似；自然及飽水狀態(tài)下的邊坡在破壞之前會率先在某部分形成塑性區(qū)域，且塑性區(qū)域并未貫通；邊坡工況不同時(shí)，塑性區(qū)域的分布范圍不盡相同。 巖土工程邊坡穩(wěn)定性的設(shè)計(jì)要點(diǎn) 巖土工程邊坡的穩(wěn)定性設(shè)計(jì)可以分為防護(hù)與加固兩種。防護(hù)是在邊坡穩(wěn)定的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，如果邊坡不穩(wěn)定，先要進(jìn)行加固。常用的防護(hù)與加固

11、的特點(diǎn)以及適用范圍如下： （一）各類加固的特點(diǎn)及適用范圍  抗滑樁 抗滑樁是一種用于處理滑坡或防止邊坡下滑的鋼筋水泥混凝土結(jié)構(gòu),是一種較理想的抗滑設(shè)施,但投資較大。錨索抗滑樁具有抗滑樁的特點(diǎn)但比抗滑樁能承受更大的土體壓力或滑坡推力；樁頂加了錨索后可使埋入土體的樁長大大簡短；適用于邊坡開挖后土體壓力或滑坡推力很大的情況。 預(yù)應(yīng)力錨索 用預(yù)應(yīng)力錨索處理單斜構(gòu)造巖石邊坡，對保證該類邊坡的穩(wěn)定有較好的效果，但難以準(zhǔn)確計(jì)算被錨固體的下滑力和張拉控制應(yīng)力。錨索的錨固段應(yīng)設(shè)置在穩(wěn)定的巖體中，一般用于巖石路段。壓漿錨柱(固結(jié))壓漿錨柱(固結(jié))簡單地說就是往地層注入水泥漿(摻加一定量的外加劑)

12、，以改變土(巖)體物理力學(xué)性質(zhì)(必要時(shí)，加一鋼筋籠或鋼筋束，即錨柱)從而穩(wěn)定邊坡的一種方法。 預(yù)應(yīng)力錨索加固 用高強(qiáng)度低松馳型鋼絞線預(yù)應(yīng)力錨索對滑坡體或崩落體施加一定的預(yù)應(yīng)力，提高它們的剛度，使預(yù)應(yīng)力錨索作用范圍的巖石相應(yīng)擠壓，滑動面或巖石裂隙面上摩擦力增大，加強(qiáng)它們的自承能力，可有效地限制巖體的部份變形和位移。 （二）各類防護(hù)的特點(diǎn)和適用范圍  菱形網(wǎng)格護(hù)坡 菱形網(wǎng)格護(hù)坡，可預(yù)制安裝也可用水泥混凝土現(xiàn)澆和石砌。工藝簡單，網(wǎng)格內(nèi)可植草。但只適用于填方邊坡和土質(zhì)挖方邊坡。 噴射混凝土護(hù)坡 對一些較高的風(fēng)化巖石邊坡，采用噴射混凝土作護(hù)坡可阻止風(fēng)化，且重量輕，施工所需設(shè)備簡單，但費(fèi)用較高，厚度難以控制。 生物防護(hù) 生物防護(hù)除植樹(主要用于小邊坡)，除傳統(tǒng)防護(hù)形式外，植草或鋪草皮是近年來才在高速公路上興起的一種綠色防護(hù)形式。其優(yōu)點(diǎn)是能在短期內(nèi)恢復(fù)公路沿線的綠色景觀和防止邊坡沖刷，但養(yǎng)護(hù)費(fèi)用高，要隨時(shí)保持綠色有一定的困難。防護(hù)所選用的植物應(yīng)盡量采用當(dāng)?shù)剡m宜生長的植物，避免破壞別處的生態(tài)來防護(hù)本地的邊坡。 參考文獻(xiàn) 1謝磊.邊坡穩(wěn)定性分析若干問題的研究D.合肥工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)