四川大學(xué)碩學(xué)位論史 沙灣廠房深基坑邊坡穩(wěn)定性及地基承載特性研究 巖土工程專業(yè) 碩士研究生陳方竹指導(dǎo)教師何江述教授 在渫_ 攀覆燕屢遺區(qū)興建承零拳迤工程，存在滌基撬邊裝穩(wěn)定性、混凝主院 滲墻結(jié)構(gòu)安全及建慕面承載特性等關(guān)鍵性技術(shù)問鼷，如何科學(xué)地分折論證這些 問題組接涉及到t 稃的安全和投資。 沙灣水電站廠房深蘩境具有面積大，面 貉工稷地質(zhì)、水文地質(zhì)條釋復(fù)雜， 開挖深度大霹運(yùn)行鞭長等籍贏，本文采疆擎線性蠢陵元法鞫辯# 俸極限乎衡法系 統(tǒng)硪突深蒸壤王程中塑性混凝防滲墻工作性狀及開挖邊坡的穩(wěn)定性，并慕翅 非線性有限元法對廠房壩段地基承載特性進(jìn)行研究，主要成果包括： ( 1 ) 根據(jù)沙灣廠房深基坑邊坡地形、地質(zhì)條件以及防滲墻特性，建立非線 性育限元法和剛俸極限平衡法計冀模型，重點(diǎn)模擬防滲嬙及礫石秸土罄等不嗣 條昝。 ( 2 ) 運(yùn)用非線性有限元法礙 究三種不同建基暖蕙攫防滲墻的工作性狀，以 及基坑開挖邊坡的整體穩(wěn)定性，確定廠房深纂坑的建基面高程。 ( 3 ) 針對選定建基面高稷方案，采用有限元法模擬肇坑分層開挖過程，研 究靜滲墻正露往狀及透敬的穩(wěn)定性；論證含繇石精土甏黠院滲墻工 挈穗態(tài)韻彩 晌，撼示8 一i l 援型秘e b 模型對防滲墻應(yīng)力狀態(tài)的影嚷，并研究防滲壤甥聯(lián)蛙 狀變化對賭體變形舅應(yīng)力的影響，為工程邊坡的加固以及防滲墻的處理提供依 據(jù)。 ( 4 ) 采用鵪日棒板限平衡法中酌畢肖營法，研究邊玻分緩開挖過程中邊城的 整體穩(wěn)定姓：論證主釘壤毒鬟方寰的艇瓣效粱。 ( 5 ) 針對漫計建漢的建基蕊贏程方案，結(jié)合沙灣，忡房滾基境地形、地威以 及廠房的幾何和力學(xué)特性，建立廠房壩段地纂承載特性研究三維作線性有照元 計算摸型。 旃要 ( 6 ) 運(yùn)用 線性有限元法，計箅正常運(yùn)行、校核工況下，廠房壩段基礎(chǔ)變 形和應(yīng)力情況以及廠房壩毆的整體抗滑穩(wěn)定性，并對地蘑承載力進(jìn)行復(fù)核。 ( 7 ) 采用超載法和強(qiáng)儲法研究廠房壩段可能出現(xiàn)的破壞模式，為加固描施 提供科學(xué)依據(jù)。 關(guān)鍵詞：深基坑邊坡防滲墻穩(wěn)定性非線性有限元剛體極限平衡法 地基承載特性 s t u d yo nt h es t a b i l i t yo fd e e pf o u n d a t i o np i ts l o p ea n d t h e b e a r i n gc h a r a c t e r i s t i co ff o u n d a t i o no ft h es h a n w a n h y d r o e l e c t r i cp o w e r s t a t i o n m a j o r ： g e e t e c h n i c a le n g i n e e r i n g p o s t g r a d u a t e ：c h e nf a n g z h ut u t o r ：p r 唾h ej i a n g d a b u i l d i n gh y d r a u l i ca n dh y d r o e l e c t r i cp r o j e c t so nd e e p l yo v e r b u r d e n e da r e a f a c e st h ep i v o t a l l yt e c h n o l o g c i a lp r o b l e m ss u c ha st h es t a b i l i t yo f d e e pf o u n d a t i o np i t s l o p e ，t h es t r u c t u r a ls e c u r i t yo fc o n c r e t ec u t o f f w a l la n dt h eb e a r i n gc h a r a c t e r i s t i co f f o u n d a t i o n h o wt o s c i e n t i f i c l ya n a l y s ea n dd e m o n s t r a t et h e s ep r o b l e m sd i r e c t l y c o n n e c t st ot h es e c u r i t ya n di n v e s t m e n to f t h ep r o j e c t s t h e d e e p f o u n d a t i o n p i t o ft h e w o r k s h o p o fs h a w a n h y d r o e l e c t r i c p o w e r s t a t i o nf a c e st h ep r o b l e m ss u c ha sb i ga r e a , c o m p l i c a t e dh y d r o l o g i c a la n d g e o l o g i c a le n g i n e e r i n gc o n d i t i o n s ，t h ed e e pd i s t a n c ed i g g i n ga n dl o n gr u n t i m e s o t h i sp a p e ru s e st h en o n l i n e a rf i n i t ee l e m e n tm e t h o da n dr i g i db e d yl i m i te q u i l i b r i u m m e t h o dt os y s t e n f i c l yr e s e a r c ht h ep l a s t i cc o n c r e t ec u t o f fw a l l w o r kc h a r a c t e ra n d t h es t a b i l i t yo fd e 印f o u n d a t i o np i ts l o p e a n da l s ou s et h en o n l i n e a rf i n i t ee l e m e n t m e t h o dt oa n a l y z et h ew o r k s h o pb a n k sb e a r i n gc h a r a c t e r i s t i co ff o u n d a t i o n t h e m a i na c h i e v e m e n t sa r eo b t a i n e da sf o l l o w si nt h i sp a p e r ： 1 b a s e do rt h es l o p e st o p o g r a p h i ca n dg e o l o g i c a lc o n d i t i o n so ft h ed e e p f o u n d a t i o np i to ft h ew o r k s h o po fs h a n w a nh y d r o e l e c t r i cp o w e rs t a t i o na n dt h e c h a r a c t e r i s t i co ft hc u t o f fw a l l ，t h ei n t e g r a lc a l c u l a t i o nm o d e lb a s e do nn o n l i n e a r f i n i t ee l e m e n tm e t h o da n dt h er i g i db e d yl i m i te q u l i b r i u mm e t h o di se s t a b l i s h e d ，t h e u n f a v o r a b l ef a c t o r ss u c ha sc u t o f fw a l la n do v e r b u r d e na r ep a y e dm o l ea t t e n t i o nt o s i m u l a t i o n 2 t h en o n l i n e a rf i n i t ee l e m e n tm e t h o di su s e dt os t u d rt h ec u t e f fw a l l i i i 摘要 w o r k s h o pc h a r a c t e ro ft h r e ed i f f e r e n tf o u n d a t i o na l t i t u d ea n dt h ee x c a v a t i n gs l o p e s h o l i s t i cs t a b i l i t y , b a s e d o na l lo ft h e s e ，t oc o n f i r mt h ef o u n d a t i o na l t i t u d e o ft h e w o r k s h o p sd e e pf o u n d a t i o np i t 3 b a s e do nt h es e l e c t e df o u n d a t i o na l t i t u d ep r o j e c t ，t h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o di s u s e dt os i m u l a tt h ee x c a v a t i n gs t e p so ft h es l o p e s ，a n dt os t u d yt h ec l a yl a y e r s i n f l u e n c et ot h ec u t o f fw a l l o p e r a t i o n a lc h a r a c t e r i s t i c s ，t oo p e no u tt h ei n f l u e n c et o t h ec u t o f fw a l l ss t r e s sb e h a v i o ro fe 一“m o d e la n de bm o d e l ，a l s ot os t u d yt h e c h a n g eo ft h ec u t o f fw a l l p h ) r s i c sc h a r a c t e r i n f l u e n c et ot h et h ec u t o f fw a l l ss t r e s s a n dd i s t o r t i o n , ，a l lo ft h e s ec a no f f e rt h e o r e t i c a le v i d e n c et od i s p o s et h es l o p e sa n d t h ec u t o f f w a l l 4 t h eb i s h o pm e t h o da m o n gb o d yl i m i te q u i l i b r i u mm e t h o di su s e dt os t u d y t h e s l o p e s 。g l o b a ls t a b i l i t y o nt h e e x c a v a t i n gs t e p s a n dd e m o n s t r a t et h e r e i n f o r c e m e n te f f e c to f t h es o i l n a i lw a l l 5 a c c o r d i n gt h ep r o p o s i t i o n a la l t i t u d eo f t h ew o r k s h o p sf o u n d a t i o n ，c o m b i n i n g w i t ht h et o p o g r a p h i ca n dg e o l o g i cc o n d i t i o n so f d e e pf o u n d a t i o np i to f t h ew o r k s h o p o fs h a n w a nh y d r o e l e c t r i cp o w e rs t a t i o na n dt h e w o r k s h o p sg e o m e t r ya n d m e c h a n i c sc h a r a c t e r i s t i c ，o nt h eb a s i so f t h e s e ，t h et h r e e d i m e n s i o n a ln o n l i n e a rf i n i t e e l e m e n tm e t h o dm o d e li se s t a b l i s h e dt o s t u d yt h ew o r k s h o pb a n k sb e a r i n g c h a r a c t e r i s t i c 6 u s i n g t h en o n l i n e a rf i n i t ee l e m e n tm e t h o dc a l c u l a t e s w o r k s h o pb a n k f o u n d a t i o n sd i s t o r t i o na n ds t r e s ss t a t u s a sw e l la st h ew o r k s h o pb a n k sh o l i s t i c s t a b i l i t yc h a r a c t e r i s t i co nt h ec o n d i t i o n so f w o r k i n go r d e ra n dp r o o f - t e s t 1 1 1 eb e a r i n g c h a r a c t e r i s t i co f f o u n d a t i o ns o i li sa l s oc h e c k e d 7 a d o p t i n gt h eo v e r l o a d i n gs a f e t yf a c t o rl a wa n dt h ei n t e n s i t yd e p o s i t e d s a f e t yf a c t o rl a wr e s e a r c ht h ep o s s i b l ed e s t r u c t i v em o d eo ft h ew o r k s h o pb a n l ls oa s t oo f f e rt h es c i e n t i f i ce v i d e n c ef o rr e i n f o r c e m e n tm e a s u r e k e yw o r d s ：d e e pf o u n d a t i o np i ts l o p e ，c u t o f f w a l l ，s t a b i l i t y n o n l i n e a rf i n i t ee l e m e n tm e t h o d ， b o a yl i m i te q u i l i b r i u mm e t h o d b e a t i n gc h a r a c t e r i s t i co ff o u n d a t i o n j j1j11 四川大學(xué)碩士學(xué)位論丈 1 概論 1 1 論文選題的依據(jù)及研究意義 2 0 世紀(jì)8 0 年代以來，隨著經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展和人們生活水平的提高，我國各 類建筑與市政工程、交通工程和水利水電工程飛速發(fā)展。多層建筑及高層建筑 的地下室、地下車庫、地鐵、大型橋梁等都會面臨深基坑工程問題，水利水電 工程的截流圍堰實際上也是一個大型的水利基坑工程。 深基坑工程既是土力學(xué)基礎(chǔ)工程中一個古老的傳統(tǒng)課題，同時又是一個綜 合性的新型巖土工程問題，涵蓋學(xué)科眾多，如土力學(xué)、水力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、材 料力學(xué)、地質(zhì)、施工等，既涉及到土力學(xué)中典型的強(qiáng)度、穩(wěn)定與變形問題，又 涉及到水、土與支護(hù)結(jié)構(gòu)的共同作用問題。 目前深基坑工程的邊坡穩(wěn)定性問題仍處于邊實踐邊摸索階段，由于發(fā)展的 不成熟導(dǎo)致深基坑事故時有發(fā)生，一般事故率約占基坑工程的2 0 ，有的高達(dá) 3 0 ，造成了嚴(yán)重的損失，從而制約了深基坑工程的發(fā)展。因此，加強(qiáng)對深基 坑計算理論及數(shù)值模擬方法的研究，對提商深基坑工程實踐指導(dǎo)的科學(xué)性尼為 重要。 地基及巖基承載力問題也是巖工程及基礎(chǔ)工程領(lǐng)域最重要的課題之一。 自土力學(xué)發(fā)展以來，國內(nèi)外雖然對該問題作過廣泛的研究，取得了系列成果， 但仍有一些深層次的理論分析問題，新的分析方法，工程實用性及現(xiàn)場試驗方 面的問題值得進(jìn)一步研究。據(jù)統(tǒng)計，全世界6 0 以上的結(jié)構(gòu)破壞是由于地基問 題造成的，可見地基承載力也是結(jié)構(gòu)設(shè)計中的一個重要課題。 地基承載力、土壓力和邊坡穩(wěn)定是經(jīng)典力學(xué)的三個主要領(lǐng)域，深摹坑工程 的土體力學(xué)性狀，滲流( 飽和滲流、飽和非飽和滲流) 規(guī)律以及水、土及支護(hù)結(jié) 構(gòu)相互作用規(guī)律，對科學(xué)地指導(dǎo)深基坑工程的設(shè)計、施工和實時監(jiān)控具有重要 的意義，也是深基坑發(fā)展的關(guān)鍵。因此本文深入研究深基坑工程中開挖邊坡的 穩(wěn)定性，合理模擬深基坑開挖的基本過程，采用 線性有限元法和剛體極限平 衡法對深基坑施工過程的邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行研究：以及運(yùn)用非線性有限元法對廠 房壩段的地基承載特性進(jìn)行研究，具有十分重要的理論意義和實用價值。 沙灣水電站樞紐工程位于四川省樂山市大渡河干流上，足大渡河干流下游 梯級開發(fā)中的龍頭電站，是一座以發(fā)電為主，兼顧灌慨和航運(yùn)功能的大型水利 i 概論 樞紐工程。電站裝機(jī)容黽4 8 0 m w ，額定水頭2 4 5 m ，正常蓄水位4 3 2 o r a ，保 證出力1 5 1 m w ，年發(fā)電量2 4 0 7 億度，總庫容4 8 6 7 萬1 1 2 3 ，是一座混合式( 河 床式廠房加長尾水渠) 開發(fā)的電站。沙灣水電站樞紐主要由左岸1 溢流面板壩、 泄洪沖沙閘，發(fā)電廠房、水渠及右岸接頭壩等建筑物組成?，F(xiàn)一期圍堰已經(jīng)基 本完建，堰體及堰基主要采用塑性砼防滲墻( 墻厚l o o c m ) ，上、下游圍堰堰肩 采用灌漿帷幕處理。其中，廠房基坑殲挖深度約7 0 m ，縱、橫圍堰背坡高度超 過7 0 m ，廠房建基面約1 4 1 0 4 m 2 ，廠房壩段河床覆蓋層深厚，覆蓋層最大厚 度達(dá)6 6 o m ，滲透性強(qiáng)，并分布有多層砂層透鏡體，砂層以粉細(xì)砂和粉土為主， 力學(xué)性質(zhì)差，對廠房的深基坑邊坡開挖穩(wěn)定性和廠房壩段地基的承載力起至關(guān) 重要的作用。廠房深基坑面i 均工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件復(fù)雜，受開挖面應(yīng)力 釋放和基坑邊坡滲透體力共同作用，深基坑邊坡的穩(wěn)定程度和分級開挖過程動 態(tài)變化如何? 深基坑邊坡可能的失穩(wěn)模式，分級開挖深基坑邊坡的塑性屈服和 拉裂破壞分布范圍，動態(tài)變化特征，以及基坑邊坡整體失穩(wěn)的可能性? 圍堰埋 性砼防滲墻的穩(wěn)定性及對深基坑邊坡穩(wěn)定性的影響? 含礫石枯土層對防滲墻工 作性態(tài)的影響? 采用不同的土體本構(gòu)模型對防滲墻應(yīng)力狀態(tài)的影響? 不同的工 程處理措施對深墓坑邊坡穩(wěn)定性的改善程度和效果如何? 施工完建后廠房的抗 滑穩(wěn)定性和地基的穩(wěn)定性? 這些問題都是工程設(shè)計中極度關(guān)心的。本文將借助 三維非線性有限元法和剛體極限平衡法來計算分析以上這些問題，為工程的加 固處理提供依據(jù)。 1 2 國1 勾9 1 研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 1 ，2 1 深基坑邊坡穩(wěn)定研究的發(fā)展嗍叫”1 嗍 對深基坑邊坡穩(wěn)定性的研究是人們長期以來孜孜不倦所探討的問題，也是 巖土工程或土木工程中的重要研究課題之一。近一百年來，許多研究者致力于 這一工作，因此邊坡穩(wěn)定分析的內(nèi)容十分豐富，經(jīng)過一個多世紀(jì)的發(fā)展，取得 了很大的成就。其大致可分為以下幾個階段： 二十世紀(jì)初，對土坡穩(wěn)定和土壓力計算只考慮土體的內(nèi)摩擦角，并假定滑 動面為平面。1 7 7 3 年法國工程師庫侖和1 8 5 7 年英國學(xué)者朗肯分別提出的庫侖 廠 四川i 大學(xué)碩t 學(xué)位論史 土壓力和朗旨土壓力就是這類方法的代表。1 9 1 6 年彼德森氏提出了圓弧面分析 法，該法只計及上的內(nèi)摩擦力，并且不考慮土體內(nèi)部土條間的相互作用力，這 就是最初的瑞典圓弧法【4 】。后經(jīng)f e l l e n i u s 修改成為著名的瑞典條分法，被譽(yù)為 現(xiàn)今巖上工程界的一個里程碑 5 1 ，現(xiàn)在仍被列入各因高校土力學(xué)教材 6 1 1 7 1 1 8 。 二十世紀(jì)四十年代，因瑞典條分法沒考慮滑動土體內(nèi)部備土條間的相互作 用力，將滑動砸簡化為平面應(yīng)變?nèi)铡款}中的圓弧面，因而其安全系數(shù)較實際情況 偏低，不少學(xué)者致力于改進(jìn)瑞典圓弧法。一方面探索最危險滑弧的位置，制作 數(shù)表、曲線以減少計算工作量，如泰勒、畢肖普、拉姆哩和包洛斯等通過研究 揭示了最危險滑弧圓心位置的某些變化規(guī)律。另一方面研究滑裂面的形狀。1 9 4 1 年太沙基指出：土體破壞時的滑動面更接近對數(shù)螺旋線唧。但這種假設(shè)使得計 算工作繁瑣，計算量大卻沒有必要，因為安全系數(shù)k 值在真正的最危險滑面附 近變化十分遲鈍，利用圓弧滑面假設(shè)仍然可以獲得滿意的結(jié)果。不過，土體越 不均質(zhì)，真正的最危險滑面偏離圓弧面越遠(yuǎn)，此時對數(shù)螺旋線并 乍能夠逼近真 實情況。 二十世紀(jì)五、六十年代，人們研究的主攻方向為：一是如何在計算中考慮 滑動土體內(nèi)部土條間的相互作用力；二足研究如何將此法推廣應(yīng)用到任意形狀 的滑動面。1 9 5 4 年簡布提出了普通條分法的基本原理【i 。1 ，將最初的圓弧法推廣 到任意滑面情況，并通過假定土條間推力的作用點(diǎn)位置使問題得到比較合理的 解決。1 9 5 5 年，畢肖普明確了土坡穩(wěn)定安全系數(shù)的定義【1 1 1 ： 式中：f ，為沿整個滑面的平均抗剪強(qiáng)度；f 為滑面上的平均剪應(yīng)力。1 9 6 5 年摩根斯頓普賴斯提出了“多余未知函數(shù)假設(shè)的合理性要求”i l l 】，從而使分 析的結(jié)果更趨合理。 二十世紀(jì)七十年代以后，我國學(xué)者在邊坡穩(wěn)定分析方法的改進(jìn)方面做出了 重要的貢獻(xiàn)。潘家錚提出了滑坡極限分析的兩條基本原理極大值原理和極 小值原理。他指出：滑坡體如有可能沿許多滑蘧滑動，則失穩(wěn)時它將沿抵抗力 最小的那一個滑面破壞( 極小值原理) ；滑坡體的滑面肯定時，則滑面上的反力 及滑坡體內(nèi)的內(nèi)力皆能自行調(diào)整，以發(fā)揮最大的抗滑能力( 極大值原理) 。這是 對邊坡穩(wěn)定分析力學(xué)原理的最精辟的總結(jié)和最重要的發(fā)展。1 9 7 8 年，張?zhí)鞂毻?過按照瑞典法建立的簡單土坡穩(wěn)定系數(shù)函數(shù)的數(shù)值分析全面歸納了最危險滑弧 3 i 撬論 的變化規(guī)律。他補(bǔ)充了前人研究成果的不足，制成了可供查用的數(shù)表和曲線， 提出了在確定最危險滑弧位置方面較費(fèi)蘭斯的m m 線，方捷耶夫的扁形面積等 更為準(zhǔn)確的方法1 1 2 1 【n 1 啤1 。1 9 8 0 年，張?zhí)鞂毻ㄟ^對復(fù)合土坡穩(wěn)定系數(shù)函數(shù)的分析 和數(shù)值計算研究闡明了復(fù)合土坡最危險滑面分白的多極值規(guī)律：( 1 ) 只有對滑出 點(diǎn)相同的滑弧在k 等值曲線圖中研究，極值區(qū)個數(shù)才具有實際意義；( 2 ) 滑出點(diǎn) 相同時，滑弧穿越不同土層的組合數(shù)一般就是理論上安全系數(shù)k 的極小值個數(shù)。 與此同時，閻中華也指出過類似的規(guī)律。 1 9 8 1 年，孫君實利用虛功原理，根據(jù)杜拉克公設(shè)，證明了潘家錚的極大值 定理：利用模糊數(shù)學(xué)工具建立了土坡穩(wěn)定安全系數(shù)的模糊函數(shù)和模糊約束條件， 并與傳統(tǒng)的安全系數(shù)和最小安全系數(shù)相對應(yīng)。提出了安全系數(shù)的模糊解和最小 模糊解集的概念。他在土坡穩(wěn)定分析的理論和方法方面進(jìn)行了全面的研究，做 出了重要的貢獻(xiàn)：( 1 ) 較好的解決了長期來人們在計算中尚無法合理處理的滑動 土體內(nèi)土條間相互作用力的大小、方向和作用點(diǎn)問題；( 2 ) 在滑面形態(tài)的構(gòu)成和 形成最危險滑面方法方面提出了行之有效的數(shù)值計算方法；( 3 ) 深刻地揭示了土 坡穩(wěn)定問題的力學(xué)原理，推動了土坡理論的深入發(fā)展1 1 7 1 1 婚】。1 9 8 5 年張?zhí)鞂毟鶕?jù) 索科洛夫斯基推導(dǎo)的邊坡極限穩(wěn)定原理，提出了“等k 邊坡”概念，建立了利 用現(xiàn)行邊坡穩(wěn)定分析方法求解工程實用合理邊坡的計算方法和程j 爭 2 0 l 。他于 1 9 8 6 年論述了產(chǎn)生粘性土土壓力時的合理滑面形狀，提出了求解粘性土土壓力 的圓弧滑面整體平衡法 2 0 1 。 二十世紀(jì)八十年代初，有限元在邊坡穩(wěn)定問題上的應(yīng)用處于探索之中【2 l l 。 應(yīng)用有限元法計算邊坡內(nèi)部的應(yīng)力，然后假定滑動面，滑動面上的法向力和切 向力直接從有限元應(yīng)力成果上獲得。這樣既可避免人為的粗糙假設(shè)，又考慮了 土的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，比極限平衡法更精確合理，開辟了邊坡穩(wěn)定分析的新途徑。 二十世紀(jì)九十年代后出現(xiàn)了概率分析法。由于電子計算機(jī)的普及，借助計 算機(jī)程序使以漪手算難以完成的分析方法變得簡單易行，b i s h o p 法、j a n b u 法、 m o r g e n s t e m 和p r i c e 法、s p e n c e r 法等計算程序應(yīng)運(yùn)而生，可考慮各種附加外力， 計算出邊坡最小安全系數(shù)，并可采用試算法隨機(jī)搜索最危險滑弧的位置。 1 2 2 深基坑邊坡穩(wěn)定分析基本理論和方法研叫” 邊坡穩(wěn)定性分析和評價是邊坡研究的核心，總體上來說，邊坡穩(wěn)定分析有 陰川大學(xué)碩t 學(xué)位論文 定性分析的方法和定量分析的方法。 定性分析方法主要是通過工程地質(zhì)勘察，對影響邊坡穩(wěn)定性的主要因素、 可能的變形破壞方式及失穩(wěn)的力學(xué)機(jī)制等的分析，對已變形地質(zhì)體的成因及其 演化史進(jìn)行分析，從而給出被評價邊坡一個穩(wěn)定性狀況及其可能發(fā)展趨勢的定 性的說明和解釋。定性分析的優(yōu)點(diǎn)是能綜合考慮影響邊坡穩(wěn)定性的多種因素， 快速地對邊坡的穩(wěn)定狀況及其發(fā)展趨勢作出評價。 然而，人們更關(guān)心的是如何定量的表示邊坡的穩(wěn)定性，即邊坡穩(wěn)定分析的 計算方法。邊坡穩(wěn)定分析的計算方法有很多，如條分法、數(shù)值分析方法、塑性 極限方法、極限平衡分析法、模型試驗法、可靠度方法和模糊數(shù)學(xué)方法等。隨 著人們認(rèn)識的不斷深入，目前國內(nèi)外邊坡穩(wěn)定性分析的方法很多【甜，常用的方 法有以下幾種： ( 1 ) 剛體極限平衡分析澍7 】【1 8 l 剛體極限平衡法足巖土力學(xué)中的一個經(jīng)典分析方法，也是我國目前應(yīng)用最 簡易、最成熟、最廣泛的邊坡穩(wěn)定性分析方法，其基本思路是：假定巖土體破 壞是由于滑體內(nèi)滑動面上發(fā)生滑動而造成的，滑動面上土體服從破壞條件，假 設(shè)滑動面已知，其形狀可以足平面、圓弧面、對數(shù)螺旋面或其它不規(guī)則曲面， 通過考慮由滑動面形成的隔離體的靜力平衡，確定沿這一滑面發(fā)生滑動時的破 壞荷載，分析斜坡各種破壞模式下的受力狀態(tài)，以及斜坡體上的抗滑力和下滑 力之間的關(guān)系來評價斜坡的穩(wěn)定性。由于條塊假定的受力不同，或認(rèn)為采用的 模式差異，極限平衡法主要有瑞典圓弧( f e l l e n i u s ) 法、簡化畢肖普( b i s h o p ) 法、簡布( j a n b u ) 法、斯賓塞( s p e n c e r ) 法、摩根斯坦普賴斯( m o r g e n s t e r n - p r i c e ) 法、g l e 法、不平衡推力傳遞系數(shù)法、沙爾瑪( s a r m a ) 法、楔體極限平衡法 等。我國熊傳治教授推導(dǎo)了m o h r - c o u l o m b 破壞準(zhǔn)則的安全系數(shù)表達(dá)式，用優(yōu) 化方法解決了平面或圓弧滑面的確定問題，張?zhí)鞂? 1 9 8 1 ) 對圓弧滑裂面采用 解析法求解i 臨界滑裂面，孫君實( 1 9 8 3 ) 采用復(fù)形法對任意形狀滑裂面確定最 小安全系數(shù)，周文通( 1 9 8 4 ) 使用p o w e l l 法計算“改良圓弧法”的最小安全系 數(shù)。8 0 年代后期陳祖煜、劭長華教授采用了單純形法、負(fù)梯度法和d p f 法來 確定滑面的最優(yōu)形狀、求解任意形狀滑裂面的安全系數(shù)。 ( 2 ) 極限分析法川罔 極限分析法是以d r u c k e r 和p r a g e r 等學(xué)者創(chuàng)立的以塑性力學(xué)上、下限理論 r l-r；，l h i i 概論 為基礎(chǔ)建立起來的力學(xué)分析方法。c h e n 于1 9 7 5 年將這一理論推廣到土的極限 分析領(lǐng)域。由s l o a n 等學(xué)者提出的有限單元法上、下限解以及d o n a l d 和陳祖煜 等提出的斜條分法上限解足兩個較為成熟并具有實用意義的方法。極限分析方 法的關(guān)鍵所在是運(yùn)動許町速度場和靜力許可應(yīng)力場的構(gòu)造技術(shù)及其優(yōu)化分析。 由于下限理論遵循協(xié)調(diào)的應(yīng)力場，因此求解相當(dāng)困難，而上限理論則可方便地 構(gòu)造協(xié)調(diào)速度場，預(yù)測極限荷載。工程中從偏于安全角度考慮，常要求獲得下 限分析成果。如能同時求得上限和下限解，則可以準(zhǔn)確確定實際破壞荷載和邊 坡的穩(wěn)定安全系數(shù)，其應(yīng)用將克服其它方法的不確定性口j 題，但極限分析求解 較為復(fù)雜，過去未能獲得廣泛應(yīng)用。 ( 3 ) 現(xiàn)代巖土體數(shù)值模擬方法 計算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展促進(jìn)了巖土體數(shù)值分析方法的研究，采用數(shù)值計算 理論可以分析大型的復(fù)雜工程結(jié)構(gòu)，模擬邊坡丌挖至破壞的全過程。為了更好 地反映邊坡巖土體的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，各種數(shù)值計算方法在邊坡工程中得到了廣 泛的應(yīng)用。目前，比較有代表性的分析方法有：有限單元法( 刪) 、離散單 元法( d e 膨) 、快速拉格朗日法( 凡爿c ) 、邊界元法( 口腑) 、臨界滑動場法、 流形元法等。0 4 h 4 2 1 有限單元法( f e m ) 2 0 l - - 2 8 1 有限單元法足在1 9 5 6 年提出的，應(yīng)用到巖石力學(xué)中足從1 9 6 6 年開始的， 克勞夫、威爾遜、辛克維茨等人首先采用線彈性連續(xù)體有限元分析方法來求解 巖體力學(xué)問題。1 9 6 3 年，威爾遜首先提出應(yīng)用 線性有限元進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析計算。 1 9 6 8 年古德曼等人提出巖體不連續(xù)面單元，這對模擬巖體中的斷層、裂隙、節(jié) 理等結(jié)構(gòu)面的存在有很重要的貢獻(xiàn)。2 0 世紀(jì)7 0 年代，自適應(yīng)理論又被引入有 限元計算中，使有限元實現(xiàn)了網(wǎng)格的客觀控制。迄今，非線性有限元法已日趨 完善和成熟，使用有限元法探討巖體工程問題已相當(dāng)普遍，其中包括用有限元 法來研究巖質(zhì)高邊坡地下洞室的圍巖穩(wěn)定性，以及壩肩巖體和壩體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定 性。 有限元法足目前巖土力學(xué)領(lǐng)域中應(yīng)用最為廣泛的數(shù)值分析手段。就數(shù)學(xué)概 念來講，有限元足通過變分原理( 或加權(quán)余量法) 和分區(qū)插值的離散化處理把 基本支配方程轉(zhuǎn)化為線性代數(shù)方程，使求解待解域內(nèi)的連續(xù)場函數(shù)轉(zhuǎn)化為求解 有限個離散點(diǎn)( 節(jié)點(diǎn)) 處的場函數(shù)值。隨著國內(nèi)外有限元理論與方法研究的日 四川大學(xué)碩士學(xué)位論文 益深入以及計算機(jī)工業(yè)的迅猛發(fā)展，巖土力學(xué)與工程研究中有限元理論研究與 軟件開發(fā)也達(dá)到了較高的水平。 離散單元法( d e m ) 2 9 1 3 0 1 9 7 0 年由c u n d a l l 首次提出離散單元d e m ( d i s t i n c te l e m e n tm e t h o d ) 模型 以來，這一方法在巖土工程和邊坡問題中的應(yīng)用已得到日益增長。離散單元法 應(yīng)用牛頓定律分析相鄰塊體之間的平移和轉(zhuǎn)動，模擬邊坡塊體崩塌的全過程， 模擬邊坡的時效變形等。離散單元法的一個突出功能是它在反映巖塊之問接觸 面的滑移，分離與傾翻等大位移的同時，又能計算巖塊內(nèi)部的變形與應(yīng)力分布。 因此任何一種巖體材料都可引入到模型中，對塊狀結(jié)構(gòu)、層狀破裂或一般破裂 結(jié)構(gòu)巖體邊坡比較合適。剛體彈簧元法1 3 1 1 是近年來提出的與離散元法很近似的 一種方法，在邊坡分析中，它克服了傳統(tǒng)位移型有限元法單元日j 的應(yīng)力跳躍缺 陷和位移有限元法難以直接求出抗滑安全系數(shù)的缺點(diǎn)，從而使得最危險滑動面 的搜索成為可能。但該方法也存在著一定的不足，如位移精度較低：不能直接 求出單元應(yīng)力張量的全部分量，應(yīng)力張量必須由交界面面力間接求得等。 快速拉格朗日法( f l a c ) 【8 】 f l a c 法是由p a c u d a l l 提出的一種顯示時間差分解析法，由美國i t a s c a 咨 詢公司首先使用并推廣，基于牛頓運(yùn)動定律，該軟件可以考慮材料的 f 線性和 幾何學(xué)上的非線性，采用動態(tài)運(yùn)動方程式，有效地克服了系統(tǒng)模型內(nèi)的不安定 因素；采用混合離散化法使塑性破壞和塑性流動得到體現(xiàn)；采用曼式時間差分 解析法，大大提高了運(yùn)算速度。該法結(jié)合了有限元和離散元的特點(diǎn)，既考慮了 單元本身的變形，同時采用時步迭代，能夠反映大變形以及可以考慮不連續(xù)面 的作用，并且可以計算邊坡變化的全過程。該法適用于解決非線性大變形，但 節(jié)點(diǎn)的位移連續(xù)，本質(zhì)上仍屬于求解連續(xù)介質(zhì)范疇的方法。 ( 4 ) 非確定分析方法【4 憫 由于學(xué)科之間的相互滲透使許多與現(xiàn)代科學(xué)有關(guān)的理論和方法應(yīng)用到邊坡 穩(wěn)定性研究當(dāng)中，同時為了適應(yīng)邊坡工程中的非確定性特征，許多學(xué)者改變單 一的確定性正向分析方法，以概率統(tǒng)計、可靠度分析、模糊理論為基礎(chǔ)將耗散 結(jié)構(gòu)、協(xié)同學(xué)、突變理論、分形理論、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等非線性科學(xué)理論引入到邊坡 工程分析中。 可靠度分析方法【3 2 1 1 3 3 】 1 概論 由于作用荷載、巖土體力學(xué)參數(shù)等并 定值，而足服從一定的概率分布， 邊坡穩(wěn)定性分析的一個發(fā)展方向是基于概率統(tǒng)計的可靠度理論?？煽慷壤碚撟?一種迅猛發(fā)展的新方法，自二十世紀(jì)7 0 年代應(yīng)用于邊坡工程以來，受到了國內(nèi) 外巖土界的高度重視。 可靠性分析是研究在渚多確定和不確定因素作用下系統(tǒng)的安全問題。它的 基本思想是假設(shè)邊坡受控于多種因素x l ( i = 1 , 2 ，問，基于極限平衡理論的狀態(tài) 函數(shù)z = g ( x l ，x 2 ，, x n ，) 為合理的條件下，確定最小可靠度指標(biāo)盧( 最大失 效概率) 。從理論上講，可靠度分析優(yōu)于安全系數(shù)定值評價，然而對巖土材料， 其最大的困難在于確定其物理力學(xué)參數(shù)，此外，因隨機(jī)的因素太多，難以確定 各因素的概率分布，此方法剛走向?qū)嶋H工程應(yīng)用階段，還有待深入研究。 灰色系統(tǒng)理論分析方法p s j 灰色系統(tǒng)理論由我國的鄧聚尼教授首創(chuàng)，邊坡中主要使用灰色關(guān)聯(lián)理論進(jìn) 行穩(wěn)定性判別。將影響邊坡穩(wěn)定的諸因素作為巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性的判別變量，用 多組判別法就可以得到邊坡各種狀態(tài)的概率，以此判別邊坡的穩(wěn)定與否。 模糊綜合評判法1 4 0 l 即把模糊評判和層次分析法相結(jié)合進(jìn)行滑坡綜合評判。其基本思路是，分 析影響滑坡的各種因素，采用層次分析法將各種因素劃分層次：建立遞階關(guān)系， 求出各類影響指標(biāo)對穩(wěn)定性的影響程度，最后用模糊評判方法按最大隸屬度原 則進(jìn)行選擇，判斷邊坡屬于哪種狀態(tài)。 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析方法【4 l 】 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是基于模仿人腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自然生理結(jié)構(gòu)和功能而建立的一種 信息處理系統(tǒng)。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有極強(qiáng)的學(xué)習(xí)功能和非線性表達(dá)能力，正好符 合巖石力學(xué)與土力學(xué)中許多問題描述不完善和非線性特點(diǎn)。與數(shù)值模擬方法相 結(jié)合，可以通過簡單易測的信息束推知不易獲得的信息。 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在邊坡工程研究中主要是用于邊坡穩(wěn)定性的評價和滑坡時空預(yù)測 預(yù)報。他根據(jù)待識邊坡的固有特性、統(tǒng)計特性、結(jié)構(gòu)特性、模糊特性、知識性， 對待識邊坡進(jìn)行描述、量化，然后作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入，設(shè)置其期望值，與一 些標(biāo)準(zhǔn)的( 即已知其類別歸屬的) 邊坡樣本進(jìn)行比較，據(jù)此去調(diào)整權(quán)值，經(jīng)過 反復(fù)學(xué)習(xí)，直到獲得理想的輸出為止，然后用此理想的學(xué)習(xí)結(jié)果去識別未知的 邊坡。利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法和理論，可以盡可能地將多種影響因素作為輸入 四川人學(xué)碩十學(xué)位論文 變量。建立這些定性定量影響因素同邊坡安全系數(shù)與變形中的變形量之間的高 度 線性映射模型，然后用模瓔來預(yù)測和評價邊坡工程的安全性。 ( 5 ) 物理模擬方法 即模型試驗法，地質(zhì)模型試驗方法嘲足在2 0 世紀(jì)7 0 年代發(fā)展起來的，這 種方法能模擬不連續(xù)巖體的自然條件、巖體結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度特性。實驗方法主要有 塊體結(jié)構(gòu)模型實驗、底面摩擦實驗和離心模型實驗。塊體結(jié)構(gòu)模型實驗主要用 于研究施工荷載作用下的邊坡巖體變形機(jī)制，耗資較大，常用于大型重要的工 程邊坡。底面摩擦實驗主要側(cè)藿于邊坡變形破壞機(jī)制的了解，價格低廉，易于 應(yīng)用。離，t l , 模型實驗可真實地反映原型結(jié)構(gòu)的工作狀態(tài)，但其實驗條件復(fù)雜， 模型制作困難，僅用于重要的大型邊坡。 通過模型實驗研究，可以了解在特定的開挖、治理條件下，邊坡巖體變形 與破壞機(jī)制，以及變形的大致部位和危害程度。在實際應(yīng)用中，結(jié)構(gòu)模型實驗 以解決復(fù)雜和重要的工程問題為主，同數(shù)值模擬方法有機(jī)結(jié)合，相互檢驗，互 為補(bǔ)充。在實驗方法上還需要進(jìn)一步完善提高。 近年來，由四川大學(xué)水科所研制出的模擬巖體及軟弱結(jié)構(gòu)面力學(xué)參數(shù)變化 的變溫相似材料1 4 1 t 嘲，推動模型實驗方法進(jìn)一步向前發(fā)展。該方法是通過預(yù)埋 在邊坡關(guān)鍵部位的電阻絲不斷升溫，逐漸降低巖體和結(jié)構(gòu)面的參數(shù)，以此來研 究邊坡的失穩(wěn)演變過程，該方法可以較真實地反映邊坡應(yīng)力場，在一個模型上 實現(xiàn)強(qiáng)度儲備法，代表了地質(zhì)力學(xué)模型新的發(fā)展方向。 ( 6 ) 其它方法 除了上述分析方法外，近年來還提出了不少新的研究方法，如：關(guān)鍵塊體 理論法剛、流形元1 法 3 6 1 和各類耦合數(shù)值分析方法【川；分形分維理論【3 9 1 、模糊 ( f u z z y ) 極值理論 4 0 l 等統(tǒng)計類比方法以及各炎數(shù)據(jù)庫、專家系統(tǒng)、人工智能、 巖體三位數(shù)字模型 4 2 1 等。 邊坡穩(wěn)定分析方法的多樣性，使人們可以從多種途徑來對邊坡的穩(wěn)定性進(jìn) 行評價，其中極限平衡分析法具有簡單快捷的優(yōu)點(diǎn)，是巖土力學(xué)中的一個經(jīng)典 分析方法，在工程上得到廣泛應(yīng)用；有限元法也是工程中應(yīng)用較多的一種方法， 已發(fā)展得較為成熟，可以用來求解彈性、彈塑性、粘彈塑性、粘塑性等問題， 具有重要的實用價值。 i 概論 1 2 3 影響深基坑邊坡穩(wěn)定性的因素“嘲咖 作為地質(zhì)結(jié)構(gòu)體的邊坡，足一個開放性系統(tǒng)，其演化、形成均處于動態(tài)變 化的過程中，影響巖土邊坡穩(wěn)定的因素是多種多樣的，歸納起來主要有以下幾 個方面。 ( 1 ) 地質(zhì)條件 邊坡的穩(wěn)定性與邊坡所處的地質(zhì)背景、巖士體結(jié)構(gòu)、地層巖性組合、地形 地貌、表面風(fēng)化程度等條件密切相關(guān)。邊坡中的不利結(jié)構(gòu)面組合往往是邊坡失 穩(wěn)的控制因素。查明節(jié)理、結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)狀、空間方位、充填物、張開度、巖體 連續(xù)性、物理力學(xué)參數(shù)以及斷層艦?zāi)５惹闆r，是分析邊坡的穩(wěn)定性的首要條件。 ( 2 ) 水的作用 水的作用是影響邊坡穩(wěn)定的重要因素。水的作用不僅在邊坡具有一定的靜 水壓力和滲透壓力，同時對邊坡巖土體的強(qiáng)度具有一定的軟化作用，從而增大 邊坡失穩(wěn)的概率。水對邊坡穩(wěn)定的影響不僅表現(xiàn)在地下水長期作用，受降雨、 降雪、凍融氣候條件變化的影響，還體現(xiàn)在一些外部水環(huán)境變化帶來的不利作 用，例如蓄水和泄水造成水位經(jīng)常變化，庫水位驟降使邊坡表面產(chǎn)生滲透力， 壩下游泄洪霧化的影響等，引起地下水水位變化及邊坡材料性質(zhì)的變化，最后 導(dǎo)致大規(guī)模的崩岸和滑坡。 ( 3 ) 工程開挖和填筑 工程開挖和填筑是導(dǎo)致滑坡的兩大主要原因。修路矩、基坑殲挖，土石壩 筑壩、路堤填筑、邊坡和邊坡頂上外荷載作用( 如公路路堤邊坡頂汽車荷載、 人行倚載，水壩后水荷載等) 引起邊坡應(yīng)力的重分布，在應(yīng)力調(diào)整過程中達(dá)不 到新的平衡，從局部的巖土體發(fā)生屈服或破壞到最終造成整個邊坡失穩(wěn)。 ( 4 ) 地震作用 地震力引起的慣性力和因循環(huán)退化引起的抗剪強(qiáng)度降低，觸發(fā)邊坡的滑坡、 崩塌，其造成的災(zāi)害往往是毀滅性的。不同巖土性質(zhì)對地震的反應(yīng)不同。據(jù)調(diào) 查研究，百分之九十以上的滑坡產(chǎn)生在各種松散的堆積體中，且對于高靈敏度 的粘土和飽水松散粉細(xì)砂層，易產(chǎn)生觸變和液化，喪失抗剪強(qiáng)度而導(dǎo)致滑坡發(fā) 生。整體性較好的巖石邊坡可能造成崩塌和落石，而對于散體結(jié)構(gòu)的巖石邊坡 則可能產(chǎn)生大規(guī)模的滑坡和溜滑。 個邊坡的失穩(wěn)往往是多種因素共同作用的結(jié)果，以上幾方面因素歸結(jié)起 四川大學(xué)碩士學(xué)位論文 來，導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)的內(nèi)在原因主要體現(xiàn)在兩方面：一是外界力的作用破壞了巖 土原來的應(yīng)力平衡狀態(tài)。二是邊坡巖土體的抗剪強(qiáng)度由于受到外界各種因素的 影響而降低，促使邊坡失穩(wěn)破壞。 1 3 地基承載力概述嗍 1 3 1 地基破壞型式和地基承載力 建筑物因地基引起的破壞，一般有兩種可能：一種是由于建筑物基礎(chǔ)在荷 載作用下產(chǎn)生了過大的沉降或沉降差，致使建筑物嚴(yán)重下沉、上部結(jié)構(gòu)開裂、 傾斜而失去使用價值；另一種是由于建筑物的荷載過大，超過了持力層上所能 承受荷載的能力而使地蓬發(fā)生破壞。 地基因承載力不足而引起的破壞，通常是由于基礎(chǔ)下持力層土的剪切破壞 所造成的。這種剪切破壞的形式主要有以下三種：( 1 ) 整體剪切破壞；( 2 ) 局部剪 切破壞；( 3 ) 沖剪破壞“嘲。 整體剪切破壞的特征是當(dāng)基礎(chǔ)荷載較小時，基底壓力與沉降基本上呈直線 關(guān)系，當(dāng)荷載增加到某一數(shù)值時，在基礎(chǔ)邊緣處的地基開始發(fā)生剪切破壞，隨 著荷載的增加，剪切破壞區(qū)( 或稱塑性變形區(qū)) 逐漸擴(kuò)大，這時壓力與沉降之間 呈曲線關(guān)系。如果基礎(chǔ)上的衙載繼續(xù)增加，剪切破壞區(qū)不斷擴(kuò)大，最終在地基 中形成一連續(xù)的滑動面，基礎(chǔ)急劇下沉或向一側(cè)傾倒，同時基礎(chǔ)四周的地面隆 起，地基發(fā)生整體剪切破壞。 局部剪切破壞是介于整體剪切破壞和沖剪破壞之間的一種破壞形式，剪切 破壞也從基礎(chǔ)邊緣開始，但滑動面不發(fā)展到地面，而是限制在地基內(nèi)部某一區(qū) 域，基礎(chǔ)四周地面也有隆起現(xiàn)象，但不會有明顯的傾斜和倒塌。壓力和沉降關(guān) 系曲線從一開始就呈現(xiàn)非線性關(guān)系。 沖剪破壞先是由于基礎(chǔ)下軟弱土的壓縮變形使基礎(chǔ)連續(xù)下沉，如荷載繼續(xù) 增加到某一數(shù)值時，基礎(chǔ)如同向下“切入”土中一樣，基礎(chǔ)側(cè)面附近的土體因 垂直剪切而破壞。沖剪破壞時，地基中沒有出現(xiàn)明顯的連續(xù)滑動面，基礎(chǔ)四周 的地面不隆起，基礎(chǔ)沒有很大的傾斜，壓力與沉降關(guān)系曲線與局部剪切破壞的 情況類似，不出現(xiàn)明顯的轉(zhuǎn)折現(xiàn)象。 地基究竟發(fā)生哪一種破壞形式，主要與基礎(chǔ)上所加的荷載條件、基礎(chǔ)的埋 1 概論 置深度、土的種類和密度等多種因素有關(guān)。 研究地基破壞的模式、特征，其目的在于確定地基承載力。所謂承載力， 是指地基所能承受的壓力，一般分為極限承載力和容許承載力。前者是指地基 達(dá)到整體剪切破壞階段所承受的最小壓力，也就是說地基從塑性變形階段達(dá)到 整體剪切破壞的界限壓力，后者足指地基不破壞也不產(chǎn)生過大沉降即滿足強(qiáng)度 與變形兩個條件的承載力。 目前地基承載力的確定