1、邊坡工程處治技術(shù)Tel:12本課程講述的主要內(nèi)容： 1 概 述 2 邊坡穩(wěn)定分析的基本原理和方法 3邊坡工程穩(wěn)定性數(shù)值計(jì)算分析方法 4 邊坡可靠性的分析方法 5 邊坡處治的常用措施 6 邊坡工程處治技術(shù) 7 邊坡處治設(shè)計(jì)程序 8 邊坡工程處治技術(shù)作業(yè)31 概 述 邊坡是工程中最常見的工程形式，邊坡工程中遇到的滑坡問(wèn)題是全球性三大地質(zhì)災(zāi)害之一。邊坡處治，在公路、鐵路、水利、市政、土建、水運(yùn)、礦山等工程中占有重要的地位，特別在公路、鐵路工程建設(shè)中，邊坡處治問(wèn)題十分突出，也是工程建設(shè)中比較棘手的問(wèn)題。 本課程比較系統(tǒng)地介紹了邊坡工程處治的各類方法。其主要內(nèi)容包括：邊坡處治基本理論及穩(wěn)定性分析，坡率法

2、與減重設(shè)計(jì)，抗滑擋土墻的設(shè)計(jì)與施工，注漿加固邊坡的設(shè)計(jì)與施工，邊坡排水工程設(shè)計(jì)與施工，邊坡工程監(jiān)測(cè)，邊坡工程與環(huán)境。 41.1 邊坡穩(wěn)定分析的研究現(xiàn)狀 邊坡穩(wěn)定分析問(wèn)題一直是土木工程中的重要研究課題，邊坡穩(wěn)定分析有定性分析法和定量分析法。 定性分析法主要是通過(guò)工程地質(zhì)勘察，對(duì)影響邊坡穩(wěn)定性的主要因素、可能的變形破壞方式、邊坡失穩(wěn)的力學(xué)機(jī)制以及對(duì)已變形地質(zhì)體的成因及其演化史進(jìn)行綜合分析，從而對(duì)被評(píng)價(jià)的邊坡給出一個(gè)穩(wěn)定性狀況及其可能發(fā)展趨勢(shì)的定性說(shuō)明和解釋。 定量分析法是運(yùn)用數(shù)值分析方法、塑性極限方法、條分法、可靠度方法和模糊數(shù)學(xué)方法等，對(duì)邊坡的穩(wěn)定安全性（安全系數(shù)）進(jìn)行定量的評(píng)價(jià)。 5 定性分析

3、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(duì)邊坡的穩(wěn)定狀況及其發(fā)展趨勢(shì)作出評(píng)價(jià)。然而，人們更關(guān)心的是如何定量的表示其邊坡的穩(wěn)定性，即邊坡穩(wěn)定的定量分析計(jì)算方法。邊坡穩(wěn)定分析的計(jì)算方法有多種，如數(shù)值分析方法、塑性極限方法、條分法、可靠度方法和模糊數(shù)學(xué)方法等。目前，對(duì)于土質(zhì)邊坡來(lái)說(shuō)，為人們所熟知和廣泛討論應(yīng)用的方法有條分法和有限元方法。條分法因?yàn)槠淞W(xué)模型簡(jiǎn)單適用，可對(duì)邊坡進(jìn)行定量的評(píng)價(jià)，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的工程實(shí)踐和不斷的完善和補(bǔ)充，已經(jīng)成為邊坡穩(wěn)定分析的成熟方法。近年來(lái)隨著數(shù)值分析方法在工程領(lǐng)域應(yīng)用技術(shù)的成熟，同時(shí)為彌補(bǔ)條分法假設(shè)上的不足，有限元方法正成為邊坡穩(wěn)定分析的熱點(diǎn)。 61.2 邊坡穩(wěn)定

4、分析的發(fā)展歷史 二十世紀(jì)20年代以前，對(duì)于土坡穩(wěn)定和土壓力的計(jì)算，一律只計(jì)算土體的內(nèi)摩擦力，并假定滑動(dòng)面為平面。1773年法國(guó)工程師庫(kù)侖和1857年英國(guó)學(xué)者郎肯分別提出的土壓力理論，就是這類方法的代表。 1906年，瑞典人彼德森（K.E.Petterson）和胡爾頓根據(jù)大量觀測(cè)實(shí)驗(yàn)論證了某些土體(特別是有粘結(jié)力的土體)在發(fā)生滑動(dòng)失穩(wěn)破壞時(shí)，滑動(dòng)面是與圓弧面接近的曲面。在此基礎(chǔ)上，彼德森提出了圓弧滑面分析法。此法初創(chuàng)時(shí)，仍只計(jì)及土的內(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。 7 二十世紀(jì)30-40年代，是瑞典圓弧法逐漸完善的時(shí)期。瑞典學(xué)者費(fèi)倫紐斯（W.Felleni

5、us）將最初的圓弧法推廣到兼有摩擦力和粘結(jié)力的土體穩(wěn)定計(jì)算中去，并初步探索了最危險(xiǎn)滑弧位置的變化規(guī)律。瑞典圓弧法假定土坡穩(wěn)定為平面應(yīng)變問(wèn)題，滑動(dòng)面為圓弧面，計(jì)算中不考慮滑動(dòng)土體內(nèi)部各土條之間的相互作用力，抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)是用滑弧面上的全部抗滑力矩與滑動(dòng)力矩之比來(lái)定義的。 8 二十世紀(jì)40年代以后，不少學(xué)者致力于改進(jìn)瑞典圓弧法。他們研究的方向主要有以下兩個(gè)方面:一方面，不少作者致力于探索最危險(xiǎn)滑弧面的位置，通過(guò)制作數(shù)表、曲線，以減少計(jì)算工作量。如泰勒(D.W.Taylor)、畢肖普(A.W.Bishop)、拉姆里和包洛斯等，通過(guò)一些特殊情況的研究，揭示了最危險(xiǎn)滑弧圓心位置的某些變化規(guī)律。另一方面

6、，有不少人研究滑裂面的形狀。1941年太沙基就提出，土體破壞時(shí)的滑動(dòng)面更接近對(duì)數(shù)螺旋線。但假定滑動(dòng)面為對(duì)數(shù)螺旋線，不僅計(jì)算工作更繁，而且大量計(jì)算對(duì)比表明，似乎也不必要。 9 二十世紀(jì)50-60年代，人們研究的主攻方向，一是如何在計(jì)算中考慮滑動(dòng)土體內(nèi)部土條間的相互作用力，二是研究如何將此法推廣應(yīng)用到任意形狀的滑動(dòng)面。這一階段的研究工作，使土坡穩(wěn)定分析的理論和方法逐漸完善，主要表現(xiàn)在:1954年，簡(jiǎn)布(N.Janbu)提出了普遍條分法的基本原理，將最初的圓弧法推廣到任意滑動(dòng)面的情況，并通過(guò)假定土條間推力的作用點(diǎn)位置，使問(wèn)題得到比較合理的解決。1955年，畢肖普明確了土坡穩(wěn)定安全系數(shù)的定義，為滑動(dòng)面

7、是非圓弧滑面和考慮分條間作用力的各種方法提供了有利條件。1965年摩根斯頓與普賴斯(Morgenstern and N.R.Price)提出了“多余未知函數(shù)假定的合理性要求”，從而使得分析的成果更趨合理。 10 1967年人們第一次嘗試使用有限元研究邊坡的穩(wěn)定性問(wèn)題，給定量評(píng)價(jià)邊坡的穩(wěn)定性創(chuàng)造了條件，并使其逐步過(guò)渡到數(shù)值方法，從而使邊坡穩(wěn)定性研究進(jìn)入模式機(jī)制和作用過(guò)程研究成為可能，同時(shí)以概率論為基礎(chǔ)的可靠度方法也被引入邊坡穩(wěn)定性研究中。同一時(shí)期，我國(guó)在邊坡工程穩(wěn)定性研究方面也取得了豐碩成果，如巖體結(jié)構(gòu)理論及相應(yīng)的邊坡巖體穩(wěn)定性分析的巖體工程地質(zhì)力學(xué)方法等。11 20世紀(jì)80年代后期，邊坡問(wèn)題的

8、研究將傳統(tǒng)的邊坡工程地質(zhì)學(xué)、現(xiàn)代巖土力學(xué)和現(xiàn)代數(shù)學(xué)力學(xué)相結(jié)合，形成了所謂的現(xiàn)代邊坡工程學(xué)，各種現(xiàn)代科學(xué)的新技術(shù)，如系統(tǒng)工程論、數(shù)量理論、信息理論、模糊數(shù)學(xué)、灰色理論、現(xiàn)代概率統(tǒng)計(jì)理論、耗散論、協(xié)同論、突變理論、混沌理論、分形理論等不斷用于邊坡問(wèn)題研究中，從而給邊坡的穩(wěn)定性研究提供了新理論、新方法。 12 20世紀(jì)90年代后，陸續(xù)出現(xiàn)了采用非數(shù)值分析方法搜索安全系數(shù)的極值方法，如隨機(jī)搜索法、遺傳算法等。隨機(jī)搜索方法最大的缺點(diǎn)就是計(jì)算量大，當(dāng)自由度數(shù)較多時(shí)，要想用該方法搜索出最危險(xiǎn)滑動(dòng)面，幾乎是難以想象的。陳祖熠(1992)把隨機(jī)搜索方法與數(shù)學(xué)規(guī)劃方法結(jié)合起來(lái)，根據(jù)數(shù)學(xué)規(guī)劃方法易于陷入局部極值的現(xiàn)

9、象提出了置信區(qū)間的概念，認(rèn)為當(dāng)數(shù)學(xué)規(guī)劃方法搜索起始滑動(dòng)面落入這個(gè)區(qū)間時(shí)，其搜索的最終結(jié)果就會(huì)趨于全局極小值點(diǎn)，這兩種方法的聯(lián)合克服了隨機(jī)搜索方法搜索效率低的缺點(diǎn)，又在很大程度上克服了數(shù)學(xué)規(guī)劃方法易于陷入局部極值點(diǎn)的缺點(diǎn)。 132 邊坡穩(wěn)定分析的基本原理和方法 邊坡穩(wěn)定問(wèn)題一直是巖土工程中的一個(gè)重要研究?jī)?nèi)容，邊坡穩(wěn)定性分析方法也很多，包括眾多的確定性和不確定性方法，但目前使用最多的主要有兩種方法:一種是在工程設(shè)計(jì)中廣泛使用的極限平衡法，它的力學(xué)模型比較簡(jiǎn)單，但所包含的假設(shè)條件和經(jīng)驗(yàn)成份比較多。另一種方法是建立巖土的非線性本構(gòu)關(guān)系，嚴(yán)格地把邊坡當(dāng)作數(shù)學(xué)物理邊值問(wèn)題進(jìn)行計(jì)算的有限元方法。由于極限平衡

10、法計(jì)算簡(jiǎn)單，已應(yīng)用于大量的工程實(shí)際中，積累了豐富的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，而且可以依據(jù)規(guī)范的指導(dǎo)，因此它仍然是占主導(dǎo)地位的一種分析方法。 142.1 邊坡穩(wěn)定性的概念 邊坡是指具有傾斜坡面的土體或巖體。邊坡在自身重力及其它外力作用下，整個(gè)坡體有從高處向低處滑動(dòng)的趨勢(shì)，同時(shí)坡體自身具有一定的強(qiáng)度和人為的工程措施，會(huì)阻止坡體下滑的抵抗力。如果坡體土內(nèi)部某一個(gè)面上的滑動(dòng)力大于抵抗力，則邊坡產(chǎn)生滑動(dòng)；反之，則邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。 判斷邊坡穩(wěn)定性采用邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)FS表示。FS1，土坡穩(wěn)定； FS1，土坡失穩(wěn)； FS=1，土坡處于臨界狀態(tài)。15 判斷邊坡是否穩(wěn)定的關(guān)鍵問(wèn)題是如何尋求滑裂面？如何尋求滑裂面上的平均抗剪強(qiáng)

11、度 和平均剪應(yīng)力。icEi-1liSiNiWxiabTi-1dEiTiWyi（b）受力分析（a）條塊劃分Rabcdin21圖1 土條的劃分與受力分析162.2 邊坡穩(wěn)定性的影響因素 地質(zhì)構(gòu)造。地質(zhì)構(gòu)造因素主要是指邊坡地段的褶皺形態(tài)、巖層產(chǎn)狀、斷層和節(jié)理裂隙的發(fā)育程度以及新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)等。通常在區(qū)域構(gòu)造復(fù)雜、褶皺強(qiáng)烈、斷層眾多、巖體裂隙發(fā)育、新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)比較活躍的地區(qū)，往往巖體破碎、溝谷深切，較大規(guī)模的崩塌、滑坡極易發(fā)生。 巖體結(jié)構(gòu)。不同結(jié)構(gòu)的巖體，物理力學(xué)性質(zhì)差別很大，邊坡變形破壞的性質(zhì)也不同。 風(fēng)化作用。邊坡巖體，長(zhǎng)期暴露在地表，受到水文、氣象變化的影響，逐漸產(chǎn)生物理和化學(xué)風(fēng)化作用，出現(xiàn)各種

12、不良現(xiàn)象。當(dāng)邊坡巖體遭受風(fēng)化作用后，邊坡的穩(wěn)定性大大降低。172.2 邊坡穩(wěn)定性的影響因素 地下水。處于水下的透水邊坡將承受水的浮托力的作用，使坡體的有效重力減輕；水流沖刷巖坡，可使坡腳出現(xiàn)臨空面，上部巖體失去支撐，導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)。 邊坡形態(tài)。邊坡形態(tài)通常指邊坡的高度、坡度、平面形狀及周邊的臨空條件等。一般來(lái)說(shuō)，坡高越大，坡度越陡，對(duì)穩(wěn)定性越不利。 其他作用。此外，人類的工程作用、氣象條件、植被生長(zhǎng)狀況等因素也會(huì)影響邊坡的穩(wěn)定性。182.3 極限平衡法 極限平衡法是建立在摩爾庫(kù)侖強(qiáng)度準(zhǔn)則的基礎(chǔ)上，只考慮邊坡巖（土）體的靜力平衡條件和土體的摩爾庫(kù)侖破壞準(zhǔn)則，通過(guò)分析巖（土）體破壞時(shí)力的平衡來(lái)求得問(wèn)

13、題的解。在大多數(shù)情況下，問(wèn)題是靜不定的，極限平衡法是靠引入一些簡(jiǎn)化假定，使問(wèn)題變得靜定可解。在求解問(wèn)題時(shí)要求所采用的計(jì)算方法不違背極限平衡法的一般要求：在靜力學(xué)方面要求土條和滑動(dòng)土體的力和力矩滿足平衡條件；在運(yùn)動(dòng)學(xué)方面要求運(yùn)動(dòng)模式是直觀意義上可接受的，不能有嵌入和裂縫；在物理學(xué)方面要求滑動(dòng)土體整體上不違背破壞條件。19 極限平衡法的基本思路是:假定邊坡的巖（土）體破壞是由于邊坡內(nèi)產(chǎn)生了滑動(dòng)面，部分坡體沿滑動(dòng)面滑動(dòng)造成的，滑動(dòng)面上的坡體服從破壞條件。假設(shè)滑動(dòng)面已知，通過(guò)考慮滑動(dòng)面形成隔離體的靜力平衡，確定沿滑動(dòng)面發(fā)生滑動(dòng)時(shí)的破壞荷載，或者說(shuō)判斷滑動(dòng)面上滑體的穩(wěn)定狀態(tài)或穩(wěn)定程度。由于該滑動(dòng)面是人為

14、確定的，其形狀可以是平面、圓弧面、對(duì)數(shù)螺旋面或者其他不規(guī)則的曲面。隔離體的靜力平衡可以是滑動(dòng)面上力的平衡或力矩平衡。隔離體可以是一個(gè)整體，也可由若干人為分隔的豎向土條組成。 20 由于滑動(dòng)面是人為假定的，我們只有通過(guò)系統(tǒng)地求出一系列滑動(dòng)面發(fā)生滑動(dòng)時(shí)的破壞荷載，其中最小的破壞荷載與之相應(yīng)的滑動(dòng)面就是可能存在的最危險(xiǎn)的滑動(dòng)面?；w發(fā)生破壞所能承受的最小荷載就是要求的極限破壞荷載，與之對(duì)應(yīng)的滑動(dòng)面就是最危險(xiǎn)的滑動(dòng)面。極限平衡分析法計(jì)算時(shí)先假定邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)為K，則當(dāng)邊坡體材料的抗剪參數(shù)(主要是內(nèi)摩擦力c和摩擦系數(shù)tan )降低K倍后，邊坡體內(nèi)某一最危險(xiǎn)滑動(dòng)面上的滑體將瀕于失穩(wěn)的極限平衡狀態(tài)，也就

15、是說(shuō)，對(duì)于所求邊坡的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)，可先假設(shè)安全系數(shù)值，將材料的摩擦系數(shù)和內(nèi)摩擦力都除以這個(gè)安全系數(shù)，作為計(jì)算參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，若能滿足極限平衡條件，則所假定的安全系數(shù)即為所求的安全系數(shù)值，否則重新設(shè)置安全系數(shù)，重復(fù)上述計(jì)算，直至滿足極限平衡條件為止。212.4 極限平衡條分法 極限平衡法采用條分法進(jìn)行，這種方法假定邊坡穩(wěn)定問(wèn)題是平面應(yīng)變問(wèn)題，以極限平衡理論為理論基礎(chǔ)，其基本要點(diǎn)是當(dāng)邊坡體的抗剪強(qiáng)度參數(shù)c和tan降低K倍以后，邊坡體內(nèi)存在一個(gè)達(dá)到極限平衡狀態(tài)的滑動(dòng)面，滑體處于臨界失穩(wěn)狀態(tài)。其中，K為邊坡坡體的安全系數(shù)，處于極限平衡狀態(tài)的滑動(dòng)面滿足摩爾庫(kù)侖強(qiáng)度準(zhǔn)則，即： 對(duì)坡體進(jìn)行極限平衡分析時(shí)，

16、多采用垂直條分方式，下面以垂直條分為例進(jìn)行分析。 22icEi-1liSiNiWxiabTi-1dEiTiWyi（b）受力分析（a）條塊劃分Rabcdin21圖一 土條的劃分與受力分析23 把土條垂直分成n條，取一條塊Ni進(jìn)行分析，其上作用力如圖所示，土條自身重量Wi，水平作用力(例如地震慣性力)Qi，作用于條塊兩側(cè)的孔隙水壓力UCi及UCi+1以及作用于條塊底部的孔隙水壓力Ui。另外還有條塊的有關(guān)幾何尺寸如底部坡角，底長(zhǎng)li.以及滑動(dòng)面上的強(qiáng)度指標(biāo)ci及也都是定值。因此，對(duì)于整個(gè)滑動(dòng)土體來(lái)說(shuō)，極限平衡狀態(tài)下的極限平衡方程個(gè)數(shù)及未知參數(shù)數(shù)量見下表所示。24表2.1 極限平衡方程個(gè)數(shù)及未知參數(shù)數(shù)

17、量25 從上表中可以得知，一共有6n-2個(gè)未知參數(shù)，而整個(gè)滑動(dòng)體可以建立4n個(gè)方程，因此，未知量比方程數(shù)多2n-2個(gè)。顯然，這是一個(gè)高次超靜定問(wèn)題。要求解此方程組，有兩種方法：一是引入變形協(xié)調(diào)條件，增加方程數(shù)；二是對(duì)多余變量進(jìn)行假定，以減少變量數(shù)或增加方程數(shù)。極限平衡分析法采用第二種方法。一般認(rèn)同這樣的假定，即在條塊寬度足夠小時(shí)，可以認(rèn)為土條底的滑裂面合力作用點(diǎn)位于底面中點(diǎn)，這樣就減少了n個(gè)未知量?，F(xiàn)在的問(wèn)題在于如何解決剩下的n-2個(gè)多余變量的問(wèn)題。對(duì)這多余的n-2個(gè)變量的簡(jiǎn)化假定不同衍生出多種不同的極限平衡條分法，目前最常用的主要有：Fellenius條分法、Bishop法、傳遞系數(shù)法、分塊

18、極限平衡法、Spencer法、Janbu法、Sarma法、Morgensten-Price法等，這些方法從不同的側(cè)面進(jìn)行多余變量的簡(jiǎn)化假定，如下表所示。 26表2.2 常用條分法對(duì)多余變量的簡(jiǎn)化假定極限平衡條分法多余變量的簡(jiǎn)化假定Fellenius條分法條塊間無(wú)作用力Bishop法條塊間只有水平作用力傳遞系數(shù)法假定了條塊間作用力的方向分塊極限平衡法條塊間滿足極限平衡條件Spencer法條塊間水平作用力和垂直作用力之比為常數(shù)Janbu 法假定了條間作用力的位置Sarma 法條塊間滿足極限平衡條件Morgensten-Price法條間切向力和法向力之比與水平方向坐標(biāo)之間存在一個(gè)函數(shù)關(guān)系式 272.

19、5 幾種常用極限平衡法Fellenius條分法（瑞典法條分法）其安全系數(shù)公式為：28 Bishop條分法其安全系數(shù)公式為：29 Janbu條分法其安全系數(shù)公式為：30表2.3 幾種常用的剛體極限平衡法平衡條件的比較31表2.4 幾種常用的剛體極限平衡法適應(yīng)滑動(dòng)面的比較322.6 條分法存在的問(wèn)題 剛體極限平衡條分法概念清晰，計(jì)算簡(jiǎn)單，容易被工程技術(shù)人員理解和掌握，能直接給出反映邊坡穩(wěn)定的安全系數(shù)值及潛在滑動(dòng)面形狀及位置，因此一直以來(lái)在工程界被廣泛運(yùn)用。但是也存在一些缺陷，主要?dú)w納如下: （1）對(duì)于滑動(dòng)面未知的邊坡，用剛體極限平衡法計(jì)算其穩(wěn)定安全系數(shù)時(shí)必須首先搜索出臨界滑動(dòng)面，而臨界滑動(dòng)面的搜索

20、方法還不完善，每一種方法的搜索性都有顯著差異，每一種方法都有其自身不可逾越的缺陷，存在著是否能搜索出真正的全局最小值，而不陷入局部極值點(diǎn)或者對(duì)于實(shí)際問(wèn)題是否具有廣泛的適應(yīng)性、易用性和計(jì)算的高效性等問(wèn)題。 （2）極限平衡法所求出的安全系數(shù)只是所假定的滑裂面上的平均安全系數(shù)，并認(rèn)為沿滑動(dòng)面上各點(diǎn)土體具有相同的剪應(yīng)力水平，抗剪強(qiáng)度的發(fā)揮程度是相同的，這與實(shí)際情況不相符合。 33 （3）用剛體極限平衡方法一般多進(jìn)行平面分析，進(jìn)行三維整體分析很困難，特別是在滑裂面形狀復(fù)雜時(shí)，進(jìn)行空間分析幾乎不可能，所以對(duì)滑坡體而言，用剛體極限平衡方法只能得出其中某一個(gè)剖面的安全系數(shù)，而這些安全系數(shù)并不能代表整個(gè)滑坡體的

21、安全程度。 （4）條分法不進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變分析，其滑動(dòng)面上的正應(yīng)力和剪應(yīng)力一般由條塊的自重來(lái)確定，這不符合邊坡工程的實(shí)際應(yīng)力狀態(tài)。由于假定每一個(gè)土條的作用下無(wú)法分析邊坡破壞的發(fā)生和發(fā)展過(guò)程，不能考慮邊坡巖土體的變形以及開挖、填筑等施工活動(dòng)對(duì)邊坡的影響，對(duì)于由許多種材料組成的一般性邊坡，目前各種方法都是借助于粗糙的假設(shè)或簡(jiǎn)化模型進(jìn)行分析計(jì)算，對(duì)于復(fù)雜邊坡工程計(jì)算比較困難，因而其適用范圍受到一定限制。 34 （5）極限平衡法將滑坡體視為剛體，并將土體的破壞僅僅看作是剛體沿滑面做滑移運(yùn)動(dòng)，這不符合巖土體的破壞規(guī)律。邊坡土體的破壞，首先從剪應(yīng)力最集中的部位開始，然后按剪應(yīng)力集中程度及破壞點(diǎn)的應(yīng)力釋放結(jié)果，

22、逐步擴(kuò)展，最終形成破裂面。因此破裂面是漸進(jìn)破壞的軌跡，破裂面從土體中分割出滑動(dòng)土體，然后才出現(xiàn)滑動(dòng)土體沿破裂面作滑移運(yùn)動(dòng)，于是破裂面變成了滑動(dòng)面。一般而言，破裂過(guò)程在先，滑移過(guò)程在后，這是客觀存在著的兩個(gè)過(guò)程。而且用分析剛性體的方法，不能滿足變形協(xié)調(diào)條件，因而計(jì)算出滑動(dòng)面上的應(yīng)力狀態(tài)不真實(shí)。 35 （6）目前極限平衡條分法都無(wú)一例外地采用摩爾庫(kù)侖強(qiáng)度準(zhǔn)則，但實(shí)際上，摩爾一庫(kù)侖準(zhǔn)則并非巖土體及極限平衡方法的本質(zhì)準(zhǔn)則，在很多情況下，采用摩爾庫(kù)侖準(zhǔn)則計(jì)算出邊坡不穩(wěn)定，但實(shí)際上是穩(wěn)定的，可能重要的一個(gè)原因就是強(qiáng)度準(zhǔn)則選用不當(dāng)。強(qiáng)度準(zhǔn)則的選擇涉及到許多方面的知識(shí)，本文不具體討論，仍采用該準(zhǔn)則。 （7）對(duì)

23、變量進(jìn)行簡(jiǎn)化的合理性問(wèn)題，一直受到人們的普遍關(guān)注，各種簡(jiǎn)化對(duì)于計(jì)算結(jié)果的精度的影響也很難判斷。Morgenstin-Price最早提出過(guò)解的合理性限制問(wèn)題，即所獲得的解必須滿足以下2個(gè)假定: 條塊間不允許出現(xiàn)拉力； 條分面上的剪應(yīng)力不超過(guò)按摩爾-庫(kù)倫準(zhǔn)則提供的抗剪強(qiáng)度。363邊坡工程穩(wěn)定性數(shù)值計(jì)算分析方法 數(shù)值計(jì)算方法是以彈塑性理論為基礎(chǔ)，分析邊坡土體內(nèi)部的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)，從而尋找最不利滑動(dòng)面、抗滑剪應(yīng)力和下滑剪應(yīng)力，來(lái)評(píng)價(jià)邊坡的穩(wěn)定性。數(shù)值計(jì)算方法是邊坡穩(wěn)定分析計(jì)算的另一種主要方法，常用的方法有：有限元法、邊坡大變形的流形元法、邊坡工程的反分析法以及遺傳進(jìn)化算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法等。 數(shù)值計(jì)算方法

24、需要計(jì)算機(jī)進(jìn)行編程計(jì)算。 37邊坡穩(wěn)定性分析有限元法 所謂有限元法，就是用有限個(gè)單元體所構(gòu)成的離散化結(jié)構(gòu)，代替原來(lái)的連續(xù)體結(jié)構(gòu)，來(lái)分析應(yīng)力及變形。這些單元體只在節(jié)點(diǎn)處有力的聯(lián)系。有限元法的基本出發(fā)點(diǎn)是將一個(gè)連續(xù)結(jié)構(gòu)離散成有限個(gè)單元體，這些單元體在節(jié)點(diǎn)處相互鉸接，把荷載簡(jiǎn)化到節(jié)點(diǎn)上，計(jì)算在外荷載作用下各節(jié)點(diǎn)的位移，進(jìn)而計(jì)算各單元的應(yīng)力和應(yīng)變。最終用離散體的解答近似地替代連續(xù)體的解答。實(shí)際上這就是用一系列的線性問(wèn)題的解來(lái)逐步逼近非線性問(wèn)題的解。非線性問(wèn)題的解可以理解為一系列的線性問(wèn)題的解進(jìn)行迭代的結(jié)果。383.1 有限元法的解題步驟 （1）用虛擬的直線把原介質(zhì)分割成有限個(gè)單元（體），這些直線是單元

25、的邊界，幾條直線的交點(diǎn)稱為單元的節(jié)點(diǎn)； （2）假定各單元在節(jié)點(diǎn)處互相鉸接，節(jié)點(diǎn)位移是基本的未知量； （3）選擇一個(gè)函數(shù)，用單元的幾個(gè)節(jié)點(diǎn)的位移唯一的表示單元內(nèi)部任一點(diǎn)的位移，此函數(shù)稱為位移函數(shù)； （4）通過(guò)位移函數(shù)，用節(jié)點(diǎn)位移唯一地表示單元內(nèi)任一點(diǎn)的應(yīng)變。再利用廣義虎克定律（針對(duì)彈性本構(gòu)關(guān)系），用節(jié)點(diǎn)位移可唯一地表示單元內(nèi)任一點(diǎn)的應(yīng)力； （5）利用能量原理，找到與單元內(nèi)部應(yīng)力狀態(tài)等效的節(jié)點(diǎn)力。再利用單元應(yīng)力與節(jié)點(diǎn)位移的關(guān)系，建立等效節(jié)點(diǎn)力與節(jié)點(diǎn)位移的關(guān)系。這是有限單元法求解應(yīng)力問(wèn)題的最重要的一步。 （6）將每一單元承受的荷載，按照靜力等效的原則移植到節(jié)點(diǎn)上。 （7）在每一節(jié)點(diǎn)建立用節(jié)點(diǎn)位移表示

26、的靜力平衡方程，得到一個(gè)線性方程組，求解方程組可以解得節(jié)點(diǎn)位移，從而得出每個(gè)單元的應(yīng)力。393.2 利用有限元法進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析的步驟3.2.1 對(duì)實(shí)際連續(xù)結(jié)構(gòu)離散化 離散就是對(duì)連續(xù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行剖分，一般先在連續(xù)結(jié)構(gòu)上確定節(jié)點(diǎn)，然后將結(jié)構(gòu)從節(jié)點(diǎn)處人為地離散成有限個(gè)基本單元（體）。二維平面問(wèn)題的基本單元形狀可以是三角形、矩形或多邊形；三維空間問(wèn)題的基本單元體可以是四面體、三棱柱五面體及六面體等。并認(rèn)為單元（體）之間只在節(jié)點(diǎn)處相互連接。于是，在荷載作用下的連續(xù)結(jié)構(gòu)，可以用由作用在節(jié)點(diǎn)處的荷載和只在節(jié)點(diǎn)處連續(xù)的結(jié)構(gòu)來(lái)代替。403.2.2 對(duì)單元（體）進(jìn)行分析 對(duì)單元（體）分析的任務(wù)就是要建立作用于單元（體）

27、節(jié)點(diǎn)處的節(jié)點(diǎn)力與節(jié)點(diǎn)位移之間的關(guān)系，進(jìn)而寫出總體平衡方程：K=R，式中，K為剛度矩陣；為節(jié)點(diǎn)位移列陣；R為節(jié)點(diǎn)荷載列陣。把荷載作用于節(jié)點(diǎn)，由上式求得位移，進(jìn)而求出應(yīng)變和應(yīng)力。單元分析的核心是建立單元?jiǎng)偠染仃?，有了單元?jiǎng)偠染仃?，加以適當(dāng)組合，可以得到平衡方程組，進(jìn)而得到求解。413.2.3 整體結(jié)構(gòu)的恢復(fù)及分析 整體分析是保證結(jié)構(gòu)從離散結(jié)構(gòu)狀態(tài)恢復(fù)到原狀所必須的。首先，將各個(gè)單元（體）按連續(xù)條件與平衡條件，重新拼裝成一個(gè)整體，并得到整體剛度矩陣，建立起結(jié)構(gòu)平衡方程組；然后，當(dāng)進(jìn)一步考慮了邊界約束條件后，就能求解這個(gè)方程組的位移，從而得到單元（體）的應(yīng)力和變形。42 國(guó)際上著名的通用有限元軟件有很

28、多種，常用的有：ANSYS、SAP、ADINA、PLAXIS、MIDAS等，其中，MIDAS軟件廣泛應(yīng)用于土木工程、地質(zhì)礦產(chǎn)、水利、鐵道、汽車交通等領(lǐng)域。MIDAS軟件分析問(wèn)題的基本過(guò)程和其他大型通用有限元軟件一樣，其基本過(guò)程如下： (1) 設(shè)定單元類型； （2）定義材料屬性并劃分網(wǎng)格； （3）創(chuàng)建有限元模型； （4）施加荷載、邊界條件和求解； （5）查看分析計(jì)算結(jié)果。43圖3-1 植被護(hù)坡層的變形位移云圖 44圖3-2 錨桿的軸力云圖 454 邊坡可靠性的分析方法 邊坡工程是以巖土體為工程材料，以巖土體天然結(jié)構(gòu)為工程結(jié)構(gòu)，或以堆置物為工程材料，以人工控制結(jié)構(gòu)為工程結(jié)構(gòu)的特殊構(gòu)筑物。這些構(gòu)筑物

29、都程度不同地存在組成和結(jié)構(gòu)上的不均勻性，天然邊坡尤為突出，因?yàn)闃?gòu)成邊坡的地質(zhì)體經(jīng)受長(zhǎng)期的多循環(huán)的地質(zhì)作用，而且作用強(qiáng)度不一，且又錯(cuò)綜復(fù)雜，致使它們的工程地質(zhì)性質(zhì)差異很大。現(xiàn)階段邊坡可靠度分析的常用方法有蒙特卡洛模擬法、可靠指標(biāo)法、統(tǒng)計(jì)矩法以及隨機(jī)有限元法。465 邊坡處治的常用措施5.1 放緩邊坡 邊坡失穩(wěn)破壞通常是由于邊坡過(guò)高、坡度太陡所致。放緩邊坡是邊坡處治的常用措施之一，通過(guò)削坡，削掉一部分邊坡不穩(wěn)定巖土體，使邊坡坡度放緩，從而提高邊坡的穩(wěn)定性。 放緩邊坡的優(yōu)點(diǎn)是施工簡(jiǎn)便、經(jīng)濟(jì)、安全可靠。475 邊坡處治的常用措施5.2 設(shè)置支擋 設(shè)置支擋是邊坡處治的基本措施，對(duì)于不穩(wěn)定的邊坡巖土體，使

30、用支擋結(jié)構(gòu)（擋土墻、抗滑樁等）對(duì)其進(jìn)行支擋，可以提高邊坡的穩(wěn)定性，是一種較為可靠的處治措施。 設(shè)置支擋的優(yōu)點(diǎn)是可以從根本上解決邊坡的穩(wěn)定性問(wèn)題，達(dá)到根治的目的。485 邊坡處治的常用措施5.3 加固 （1）注漿加固 當(dāng)邊坡坡體較破碎、節(jié)理裂隙較發(fā)育時(shí)，可以采用壓力注漿，對(duì)邊坡坡體進(jìn)行加固。灌漿液在壓力的作用下，通過(guò)鉆孔壁周圍切割的節(jié)理裂隙向四周滲透，對(duì)破碎邊坡巖土體起到膠結(jié)作用，形成整體；另外，砂漿柱對(duì)破碎邊坡巖土體起到螺栓連接作用，達(dá)到提高坡體整體性及穩(wěn)定性的目的。495 邊坡處治的常用措施5.3 加固 （2）錨桿加固 當(dāng)邊坡坡體破碎、或邊坡地層軟弱時(shí)，可以采用打入一定數(shù)量的錨桿，對(duì)邊坡坡體

31、進(jìn)行加固。錨桿加固的機(jī)理相當(dāng)于螺栓的作用。505 邊坡處治的常用措施5.3 加固 （3）土釘加固 對(duì)于軟質(zhì)巖石邊坡或土質(zhì)邊坡，可以向坡體內(nèi)打入足夠數(shù)量的土釘，對(duì)邊坡起到加固作用。土釘加固的機(jī)理類似于群錨的作用。 與錨桿相比，土釘加固具有“短”而“密”的特點(diǎn)，是一種淺層邊坡加固技術(shù)。兩者在設(shè)計(jì)計(jì)算理論上有所不同，但在施工工藝上是相似的。515 邊坡處治的常用措施5.3 加固 （4）預(yù)應(yīng)力錨索加固 當(dāng)邊坡較高、坡體可能的潛在破裂面較深時(shí)，預(yù)應(yīng)力錨索是一種較好的深層加固手段。目前，在高邊坡的加固工程中，正逐漸發(fā)展成為一種趨勢(shì)，被越來(lái)越多的人所接受。525 邊坡處治的常用措施 （4）預(yù)應(yīng)力錨索加固 在

32、高邊坡加固工程中，預(yù)應(yīng)力錨索加固的優(yōu)點(diǎn)： 受力可靠； 主動(dòng)受力； 無(wú)需放炮開挖，對(duì)坡體不產(chǎn)生擾動(dòng)和破壞； 施工速度快； 作用力可均勻分布于需加固的邊坡上，對(duì)地形、地質(zhì)條件適應(yīng)力強(qiáng)，施工條件易滿足。535 邊坡處治的常用措施5.4 防護(hù) 邊坡防護(hù)包括植物防護(hù)和工程防護(hù)兩種。 （1）植物防護(hù) 植物防護(hù)是在坡面上栽種樹木、植被、草皮等植物，通過(guò)植物根系發(fā)育，起到固土，防止水土流失的一種防護(hù)措施。這種防護(hù)措施一般適用于邊坡不高、坡角不大的穩(wěn)定邊坡。545 邊坡處治的常用措施5.4 防護(hù) （2）工程防護(hù) 砌體封閉防護(hù) 當(dāng)邊坡坡度較陡、坡面土體松散、自穩(wěn)定性差時(shí)，可采用圬工砌體封閉防護(hù)措施。砌體封閉防護(hù)包

33、括漿砌片石、漿砌塊石、漿砌條石、漿砌預(yù)制塊、漿砌混凝土空心磚等。555 邊坡處治的常用措施5.4 防護(hù) （2）工程防護(hù) 噴射素混凝土防護(hù) 對(duì)于穩(wěn)定性較好的巖質(zhì)邊坡，可在其表面噴射一層素混凝土，防止巖石繼續(xù)風(fēng)化、剝落，達(dá)到穩(wěn)定邊坡的目的。這是一種表層防護(hù)處治措施。565 邊坡處治的常用措施5.4 防護(hù) （2）工程防護(hù) 掛網(wǎng)錨噴防護(hù) 對(duì)于軟質(zhì)巖石邊坡或石質(zhì)堅(jiān)硬但穩(wěn)定性較差的巖質(zhì)邊坡，可采用掛網(wǎng)錨噴防護(hù)，掛網(wǎng)錨噴是在邊坡坡面上鋪設(shè)鋼筋網(wǎng)或土工塑料網(wǎng)等，然后向坡體內(nèi)打入錨桿（或錨釘）將網(wǎng)鉤牢，再向網(wǎng)上噴射一定厚度的素混凝土，對(duì)邊坡進(jìn)行封閉防護(hù)。575 邊坡處治的常用措施5.5 排水 （1）截水溝 為防

34、止邊坡以外的水流進(jìn)入坡體，對(duì)坡面進(jìn)行沖刷，影響邊坡的穩(wěn)定性，通常在邊坡的外緣設(shè)置截水溝，以攔截坡外水流。 （2）坡內(nèi)排水溝 在邊坡坡體內(nèi)設(shè)置必要的排水溝，使大氣降雨能盡快排出坡體，避免對(duì)邊坡穩(wěn)定產(chǎn)生不利影響。586 邊坡工程處治技術(shù)6.1 抗滑樁技術(shù) 邊坡處置工程中的抗滑樁是通過(guò)樁身將上部承受的坡體推力傳給樁下部的側(cè)向土體或巖體，依靠樁下部的側(cè)向阻力來(lái)承擔(dān)邊坡的下推力，從而使得邊坡保持平衡或穩(wěn)定?？够瑯杜c一般樁基類似，但主要承受的是水平荷載。鋼筋混凝土樁是目前邊坡處治工程廣泛采用的樁材，樁斷面剛度大，抗彎能力高，施工方式多樣，其缺點(diǎn)是混凝土抗拉能力有限。抗滑樁施工最常用的方法是就地灌注樁，機(jī)械

35、鉆孔速度快，樁徑可大可小，適用于各種地質(zhì)條件；但對(duì)地形較陡的邊坡工程，機(jī)械進(jìn)入和架設(shè)困難較大。鉆孔時(shí)的水對(duì)邊坡的穩(wěn)定也有影響。人工成孔的特點(diǎn)是方便、簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)，但速度慢，勞動(dòng)強(qiáng)度高，遇不良地層(如流沙)時(shí)處理相當(dāng)困難。另外，樁徑較小時(shí)人工作業(yè)面困難。59606.2 注漿加固技術(shù) 注漿加固技術(shù)是用液壓或氣壓把能凝固的漿液注入物體的裂縫或孔隙，以改變注漿對(duì)象的物理力學(xué)性質(zhì)，從而滿足各類土木建筑工程的需要。注漿加固技術(shù)的成敗與工程問(wèn)題、地質(zhì)問(wèn)題、注漿材料和壓漿技術(shù)等直接相關(guān)，如果忽略其中的任何一個(gè)環(huán)節(jié)，都可能造成注漿工程的失敗。工程問(wèn)題、地質(zhì)特征是灌漿取得成功的前提，注漿材料和壓漿技術(shù)是注漿加固技術(shù)

36、的關(guān)鍵。616.3 加筋邊坡和加筋擋土墻技術(shù) 加筋土是一種在土中加入加筋材料而形成的復(fù)合土。在土中加入加筋材料可以提高土的強(qiáng)度，增強(qiáng)土體的穩(wěn)定性。因此，凡在土中加入加筋材料而使整個(gè)土工系統(tǒng)的力學(xué)性能得到改善和提高的土工加固方法均稱為土工加筋技術(shù)，形成的結(jié)構(gòu)亦稱為加筋土結(jié)構(gòu)。 和傳統(tǒng)支擋結(jié)構(gòu)相比，加筋邊坡和加筋擋土墻的特點(diǎn)有：結(jié)構(gòu)新穎、造型美觀、技術(shù)簡(jiǎn)單、施工方便、要求較低、節(jié)省材料、施工速度快、工期短、造價(jià)低廉、效益明顯、適應(yīng)性強(qiáng)、應(yīng)用廣泛等。由于加筋邊坡和加筋擋土墻的這些優(yōu)點(diǎn)，目前其已從公路路堤、路肩發(fā)展到應(yīng)用于其他各種支擋結(jié)構(gòu)和邊坡防護(hù)。目前已用于處理公路邊坡、市政建設(shè)、護(hù)岸工程、鐵道工程

37、路基邊坡、工民建配套的支擋及邊坡工程、防洪堤、林區(qū)工程、工業(yè)尾礦壩、渣場(chǎng)、料場(chǎng)、貨場(chǎng)等；甚至還用于危險(xiǎn)品或危險(xiǎn)建筑的圍堰設(shè)施等。62636.4 錨固技術(shù) 巖土錨固技術(shù)是把一種受拉桿件埋入地層中，以提高巖土自身的強(qiáng)度和自穩(wěn)能力的一門工程技術(shù)。由于這種技術(shù)大大減輕結(jié)構(gòu)物的自重，節(jié)約了工程材料并確保工程的安全和穩(wěn)定，具有顯著的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益，因而目前在工程中得到極其廣泛的應(yīng)用。錨桿在邊坡加固中通常與其他只當(dāng)結(jié)構(gòu)聯(lián)合使用，例如以下幾種情況：646.4 錨固技術(shù) 錨桿與鋼筋混凝土樁聯(lián)合使用，構(gòu)成鋼筋混凝土排樁式錨桿擋墻。排樁可以是鉆孔樁、挖孔樁或預(yù)置樁；錨桿可以是預(yù)應(yīng)力或非預(yù)應(yīng)力錨桿，預(yù)應(yīng)力錨桿材料

38、多采用鋼絞線(預(yù)應(yīng)力錨索)、四級(jí)精軋螺紋鋼(預(yù)應(yīng)力錨桿)。錨桿的數(shù)量根據(jù)邊坡的高度及推力荷載可采用樁頂單錨點(diǎn)作法和樁身多錨點(diǎn)作法。656.4 錨固技術(shù) 錨桿與鋼筋混凝土格架聯(lián)合使用形成鋼筋混凝土格架式錨桿擋墻。錨桿錨點(diǎn)設(shè)在格架節(jié)點(diǎn)上，錨桿可以是預(yù)應(yīng)力錨桿(索)或非預(yù)應(yīng)力錨桿(索)。這種支擋結(jié)構(gòu)主要用于高陡巖石邊坡或直立巖石切坡，以阻止巖石邊坡因卸荷而失穩(wěn)。666.4 錨固技術(shù) 錨桿與鋼筋混凝土板肋聯(lián)合使用形成鋼筋混凝土板肋式錨桿擋墻。這種結(jié)構(gòu)主要用于直立開挖的，類巖石邊坡或土質(zhì)邊坡支護(hù)，一般采用自上而下的逆作法施工。 錨桿與鋼筋混凝土板肋、錨定板聯(lián)合使用形成錨定板擋墻。這種結(jié)構(gòu)主要用于填方形成

39、的直立土質(zhì)邊坡。67686.5 預(yù)應(yīng)力錨索加固技術(shù) 用高強(qiáng)度、低松馳型鋼絞線預(yù)應(yīng)力錨索對(duì)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(dòng)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。69充706.6 邊坡植物防護(hù) 邊坡植被護(hù)坡技術(shù)是指用活的植物與工程措施結(jié)合，以防止巖土（石）坡面風(fēng)化剝落的技術(shù)與手段，是一類以生物措施為主來(lái)實(shí)現(xiàn)巖土（石）坡面生態(tài)系統(tǒng)良性循環(huán)的坡面生態(tài)工程。逐步替代傳統(tǒng)的單一工程護(hù)坡，應(yīng)用于公路、鐵路、水電及礦山等工程巖石坡面的防護(hù)與綠化。 植物防護(hù)能夠減少巖質(zhì)邊坡地表水下滲，防止水土流失和巖石風(fēng)化，保證邊坡穩(wěn)定持久性，提高邊坡表層土抗