边坡稳定问题

关键词： 原文 讨论 笔者 边坡

边坡稳定问题（精选九篇）

边坡稳定问题 篇1

《工程勘察》2006年第12期刊登了周宏磊等先生题为“关于边坡稳定性分析中几个问题的讨论”的文章(以下称“原文”)。笔者对“原文”的一些观点有不同意见,撰写此文就这些观点进行讨论。为使意思表述更加清楚也更符合工程界的习惯,笔者在援引“原文”的某些原句时在确保不改变原意的前提下对个别字词作了增删调整,如:把原句中的“安全系数”改为“稳定系数”,把“常规方法”改为“瑞典法”,把“滑床”改为“滑面”。

1 关于传递系数法条间力假定没有考虑力矩平衡的说法

“原文”说,传递系数法“在条间力的假定上至少有三点值得讨论”,其中第二点是:“在传递函数中,没有考虑力矩平衡的影响。前述分析已证明,在边坡稳定性分析中,根据力矩平衡得出的稳定系数对条间力的假定不甚敏感而相对稳定;而仅仅考虑力的平衡时得出的稳定系数可能受不同条间力假定的显著影响。”这种把没有考虑力矩平衡视做传递系数法条间力假定的缺陷的说法是不恰当的。

(1)如果没有考虑力矩平衡是个缺陷,那么这个缺陷是传递系数法的缺陷,不是该法条间力假定的缺陷。虽然简化Bishop法仅满足力矩平衡,简化Janbu法(修正前)仅满足力平衡,但两种方法却有相同的条间力假定(当然二者对滑面的要求是不同的)。

(2)“原文”关于两类稳定系数对条间力假定敏感性的“前述分析”仅对各条块条间力方向斜率为非0常数的条分法有效。在“原文”的“前述分析”中涉及两类稳定系数对条间力假定敏感性的论述是:“从图3看出,相对于力的稳定系数而言,力矩的稳定系数对λ值不太敏感。”根据该图图名,图中两条曲线似乎是“各类极限平衡分析方法稳定系数比较”曲线,但实际上是用f(x)取为非0常数的Morgenstern-Price法计算某个无水平荷载且滑面为圆弧形的边坡时两类稳定系数Fsf、Fsm与待定系数λ的关系曲线。这一判断是基于下列两点分析综合作出的:

(1)根据该图内左上方显示的图例和文中第一次引出该图的段落意思(为说明Morgenstern-Price法的求解原理而引出该图),该图的两条曲线应是反映Morgenstern-Price法中两类稳定系数(即仅满足力平衡的稳定系数Fsf和仅满足力矩平衡的稳定系数Fsm)随待定系数λ的变化规律的曲线;

(2)该图中标注有仅适用于圆弧形滑面的“简化Bishop法”且该图与钱家欢等人给出的Fsf、Fsm与λ关系曲线图[1]相似,而后者乃由一个无水平荷载且滑面为圆弧形的边坡算例整理而得且其中Morgenstern-Price法的两条曲线只针对f(x)取为非0常数的情形。据此并考虑到通常的相关算例均未计入水平荷载,“原文”图3中的两条曲线应是计算某个无水平荷载且滑面为圆弧形的边坡时两类稳定系数Fsf、Fsm与待定系数λ的关系曲线(对Morgenstern-Price法而言,只考虑f(x)为非0常数的情形)或是参考钱家欢等人的图中Morgenstern-Price法的两条曲线画出的两条示意曲线。

因f(x)取为非0常数,故图中的λ与条间力方向斜率成正比,这意味着各条块条间力方向斜率为非0常数。由此可见,“原文”的“前述分析”并不包含各条块条间力方向斜率不是非0常数的条分法(如传递系数法)。

(3)对圆弧形滑面,当各条块条间力方向斜率不是非0常数时,仅考虑力矩平衡的条分法未必都优于仅考虑力平衡的条分法。瑞典法是仅考虑力矩平衡的条分法,简化Janbu法(修正前)是仅考虑力平衡的条分法(在有水平外荷载时它不自动满足力矩平衡),但前者的计算精度低于后者。

(4)对非圆弧形滑面,仅考虑力矩平衡不如仅考虑力平衡。对非圆弧形滑面,求矩中心的位置是不确定的,因而计算结果不仅受条间力假定的影响还受求矩中心选取的影响。Fredlund曾详细研究过求矩中心对稳定系数影响的规律,得出的结论是仅考虑力矩平衡计算非圆弧形滑面的稳定系数是不可靠的[2,3]。正因为如此,对非圆弧形滑面也适用的非严格解法通常都选择仅考虑力平衡的做法。

(5)同时满足力和力矩平衡的条分法(即严格解法)未必都优于仅考虑力平衡的条分法。有这样一个折线形滑面算例[4]:用满足力平衡并自动满足力矩平衡的严格Janbu法计算不收敛,而用仅考虑力平衡的方玉树法计算的结果与用另外几种严格解法计算的结果平均值相差不到1%。

(6)大量算例表明,影响一种条分法计算精度的关键因素不是是否满足力矩平衡,也不是是否同时满足力和力矩平衡,而是条间力假定的合理性。如果对某一情形而言条间力假定合理性较高,那么在这一情形下用仅满足力平衡的条分法进行计算也能获得较高的精度;如果对某一情形而言条间力假定合理性较低,那么在这一情形下用严格解法进行计算也不能获得较高的精度。如果对各种情形而言条间力假定合理性均较高,那么,仅满足力平衡的条分法不仅也是一种较好的条分法而且是一种首选的条分法(由于严格解法方程组的高度非线性,其求解需要繁复迭代试算,计算过程很复杂甚至不收敛,除应用较少的Correia法外各种严格解法都有过不收敛的记录[1,3])。

2 关于传递系数法有多个条间力方向假定造成严格解析困难的说法

“原文”认为传递系数法条间力假定有这样的缺陷:“如果滑面是由m段组成的折线,在分析中涉及的条间力合力作用方向倾角就有m个之多,也就是说,在整个体系中,条间力合力作用方向的假定有m个之多,这会造成严格解析的困难”。这种说法有三种错误。

(1)传递系数法条间力方向的假定没有m个而只有一个,那就是两个条块之间的作用力(条间力)与后一条块底面平行。

(2)因传递系数法不是严格解法,其条间力假定的提出无需考虑是否造成严格解析困难的问题。

(3)条间力作用方向多寡与严格解析是否困难没有必然联系。除Spencer法和f(x)取为常数的Morgenstern-Price法条间力作用方向单一外,所有的严格解法条间力作用方向数量都与土条数量一样多,这就是说,当滑面折点数量少于土条数量时,这些方法的条间力作用方向数量比传递系数法还要多。

3 关于传递系数法条间力假定在滑面为平面时的合理性

“原文”以其图6为计算模型进行传递系数法和Spencer法的比较计算,以此说明传递系数法条间力假定在滑面比较平直的情况下也是不合理的。这部分内容存在两个问题。

(1)“原文”的比较计算不能说明传递系数法条间力假定在滑面比较平直的情况下也是不合理的。“原文”认为,“在图6的模型中,坡面与滑面平行,滑动面与水平面的夹角均为β”。实际上,该图中的滑面是由倾斜和水平两个直线段组成的折线,两个直线段的夹角(即β)高达27～48°。从“原文”提到“边坡下端底面水平的条块面积”可以看出,“原文”的计算中也考虑了滑面中的水平段。因此,计算模型中的滑面并非比较平直。

(2)传递系数法条间力假定在滑面为平面的情况下是合理的。当滑面为平面时,用单块力的平衡方程就能准确地求出边坡稳定系数。因此,考察滑面为平面时传递系数法条间力假定是否合理的最好也是最简单的办法是将用传递系数法计算的结果与用单块力的平衡方程计算的结果直接进行比较,其中最严格的办法就是进行数学证明。

对隐式解法,有:

式中:iP为第i条剩余下滑力(即第i条与第i+1条条间力);ψi-1为第i-1条对第i条的传递系数;ϕi为第i土条底面内摩擦角;αi为第i土条底面倾角;iT为第i土条重力等外力引起的下滑力;iR为第i土条重力等外力引起的抗滑力;Fs为稳定系数。

当滑面为平面时,因αi-1=αi,故ψi-1=1。代入(1)式得:

由(3)式得:

令T=,由(4)式得:

同理可证明对显式解法也能得到(5)式。

(5)式正是用单块力的平衡方程计算的结果。可见,滑面为平面时传递系数法(无论是隐式解法还是显式解法)的结果是精确解。由此可知,当滑面较平直时,传递系数法计算结果精度较高。某大坝算例[4,5]表明,当潜在滑体后侧面竖直并有较大水压力作用时,在滑面为平面的情况下恰恰是用Spencer法和f(x′)=1的严格Sarma法这两种严格解法计算不能获得正确结果。这也说明影响一种条分法计算精度的关键因素不是是否满足力矩平衡,也不是是否同时满足力和力矩平衡,而是条间力假定的合理性。

顺便指出,“原文”对其观点的陈述方式(“即便是对滑面比较平直的情况,关于条间力的合力与滑面平行的假定也不具有完全的合理性”)是不恰当的。只有在滑面为平面的情况下稳定性计算才有唯一的精确解。滑面“比较平直”只表示滑面接近于平直还不是真正的平直,在这种情况下,由于不同条分法的假定不同,采用不同条分法计算自然会得到不尽相同的结果。无论对哪一种条分法而言,假定既然被称之为假定,其合理性总是相对的,不可能有完全的合理性。因此,这种说法不符合“原文”作者的本意。符合其本意的表述应是:“即便是对于滑面为平面的情况,关于条间力的合力方向与滑面平行的假定也是不合理的”。

4 关于传递系数法显式解法稳定系数的意义

“原文”说:传递系数法显式解法稳定系数“定义在材料重力上,类似于超载系数”。这种说法是不对的。

传递系数法显式解法稳定系数不是定义在材料重力上。这是因为:在(3)式中,不仅各条块的下滑力涉及材料重力,各条块抗滑力中的正压力也涉及材料重力,但显式解法的稳定系数仅伴随着各条块的下滑力而没有伴随着各条块抗滑力中的正压力。

显式解法稳定系数的意义究竟是什么呢?

显式解法剩余下滑力公式为:

由(6)式可得下列稳定系数显式:

式中,ψn=1。值得注意的是,虽然(7)式由(6)式而来,但两者只有在条间力不为负值的情形下才等效,原因是:用(6)式时可以通过将负值剩余下滑力视为0而排除导致负值剩余下滑力的条块,用(7)式时由于不计算剩余下滑力而无法排除导致负值剩余下滑力的条块。

(6)式和(7)式是无法通过条块两个方向力平衡方程推导出来的或者说是不满足条块两个方向力平衡方程的,原因是:重力等外力沿条块底面的分量被乘上了稳定系数而重力等外力垂直条块底面的分量未被乘上这样的系数,这造成力的分解和合成原理未被遵守。事实上,(6)式是在条间力与上一条块底面平行的假定下通过对稳定系数为1(即极限平衡)时剩余下滑力(即条间力)公式(被称为基本式)即(8)式的改造直接写出来的。

改造方式就是把式中重力等外力沿条块底面的分量乘上稳定系数[6]。这样的稳定系数不是力平衡方程的解。因此,(6)式和(7)式只能理解为定义式。鉴于传递系数法显式解法没有建立在力平衡的基础上,不宜继续应用此法。

如果仍把传递系数法显式解法视为条分法中的一种的话,当采用(6)式计算稳定系数时,其稳定系数只能理解为剩余下滑力定义式中重力等外力引起的下滑力的调整系数(此时,稳定系数实际上不是显式解,相应解法称为显式解法已不恰当,因为该式不是显式)。当采用(7)式计算稳定系数时,其稳定系数只能理解为在条间力与上一条块底面平行的假定下由重力等外力引起的作用在最末一个条块上的总抗滑力与总下滑力之比。后一个定义只有在条间力不为负值的情形下才与前一个定义等效。这是两个专用于传递系数法显式解法的稳定系数定义,不具有普遍意义。

5 关于稳定参数法中稳定参数与孔隙压力比的关系

“原文”说:Bishop和Morgenstern“阐明了孔隙压力比对稳定参数的重大影响”。这是不对的。

为了说明这一点,先解释稳定参数和稳定参数法这两个概念。Bishop和Morgenstern在1960年为求出有孔隙水压力作用的简单土坡(即坡顶和坡底水平、坡面为斜平面的均质土坡)的稳定系数而提出一种以查图为主的简化方法[1]。该法用下式计算稳定系数:

式中,ur为孔隙压力比,用平均值代表;M,N为稳定参数,根据土体的性质指标、坡度、坡高和第一个硬土层埋藏深度查图确定。因稳定系数是通过M和N两个稳定参数计算的,故将这种方法称为稳定参数法。稳定参数英文名称(stability coefficient)的直译名应是稳定系数,为避免与工程界常用的稳定系数(safety coefficient)(即式中的sF)混淆,本文对M和N两个参数及这种方法的命名没有采用稳定参数英文名称的直译名(也就是说,本文中的稳定参数就是“原文”中的稳定系数;本文中的稳定系数就是“原文”中的安全系数)。

在这个方法中,M和N两个参数与孔隙压力比无关,因此,孔隙压力比对稳定参数无影响更谈不上重大影响,当然也不可能阐明这种影响。

由(9)式知,孔隙压力比对稳定系数(safety coefficient)有影响。按“原文”的用词习惯,可以写成“Bishop和Morgenstern阐明了孔隙压力比对安全系数的影响”。

6 关于Bishop等人对极限平衡分析方法发展产生了深远影响的事项

“原文”认为,Bishop和Morgenstern在四个方面的贡献对极限平衡分析方法的发展产生了深远影响:一是提出了孔隙压力比的定义;二是提出了稳定参数(stability coefficient)的概念;三是在土力学文献中第一次正面叙述了计算机的重大作用;四是提出了等孔隙压力比的概念,从而可以确定滑弧的位置。笔者认为这种说法是不准确的。

(1)稳定参数(stability coefficient)和等孔隙压力比这两个概念是专用于稳定参数法的。这种方法因过于简化而很少应用,因此,提出稳定参数(stability coefficient)和等孔隙压力比这两个概念并没有对极限平衡分析方法的发展产生深远影响。

(2)在稳定参数法中,水力计算上只用到平均孔隙压力比而不存在计算各土条周边孔隙水压力的问题。孔隙压力比的定义是某点的孔隙水压力与该点(按半无限空间计算的)竖向自重应力之比,据此可知,孔隙压力比是个变量,采用这个概念并不能给条分法中的水力计算带来方便。因此,提出稳定参数(stability coefficient)的概念也没有对极限平衡分析方法的发展产生深远影响。

(3)对边坡稳定系数定义的改变应是Bishop等人对极限平衡分析方法的发展影响最大的事项。起初,边坡稳定系数是用滑面上全部抗滑力矩与滑动力矩之比来定义的。后来,Bishop等人将边坡稳定系数定义为沿整个滑面的抗剪强度与实际产生的剪应力之比。这个定义不仅使稳定系数的物理意义更加明确,而且使稳定系数的使用范围更加广泛,为以后非圆弧形滑动分析及条块分界面上条间力的各种考虑方式提供了有利条件[1],这是因为:非圆弧形滑动分析及条块分界面上条间力的各种考虑方式都需要建立条块力的平衡方程,而没有这一定义,条块力的平衡方程便无法建立。可以这样说,没有Bishop等人的边坡稳定系数定义就没有具有较完整理论体系的极限平衡条分法。

7 关于其它问题

(1)“原文”说,瑞典法“各条块底面法向力(均)偏小”。这是不对的。简化Bishop法中底面倾角αi大于0而两侧水平条间力合力ΔEi小于0的那些条块,其底面法向力就小于瑞典法中相应条块底面法向力。瑞典法计算结果偏小并不需要各条块底面法向力均偏小。

(2)“原文”说,“假定Spencer法的条间力倾角θ等于0°,结果便与简化Bishop法一样”,Morgenstern-Price法的“λ值等于0时,结果也是如此”。情况并非这样。简化Bishop法假定滑面为圆弧形,只有在滑面为圆弧形的条件下才能将Spencer法和Morgenstern-Price法的结果与简化Bishop法比较。

(3)“原文”说,Morgenstern-Price法“假定条间剪力与法向力之比可以用某个函数f(x)来描述”。其实,Morgenstern-Price法并没有这样的假定。函数f(x)是预先给定的反映条块分界面相对位置影响的函数(常常采用半正弦函数的形式),Correia法、Sarma法(三)和方玉树法的条间力假定式也含有这个函数,它不能描述条间剪力与法向力之比。对Morgenstern-Price法而言它只能描述这个比值的相对变化。

(4)“原文”说,对瑞典法而言,“当坡角比较大时,将会导致偏于保守的稳定系数”。把坡角比较大作为瑞典法稳定系数偏于保守的条件是不对的。多人的研究表明,瑞典法稳定系数的偏小程度随滑面圆心角增大[1,2]。当坡高和土体性质相同时,随着坡度的减小,滑面圆心角越来越大,故瑞典法稳定系数的偏小程度越来越大。

(5)“原文”图3中“简化Bishop法”和“简化Janbu法(修正前)”的标注位置是不正确的,理由是:这两种方法均假定条间力水平,故λ均是定值且为0,因此,它们的稳定系数与λ的关系反映在图上时均不是一条曲线而是一个点且是一个位于稳定系数坐标轴上的点。

(6)“原文”认为,传递系数法“关于条间力的假定显然与条分法的思路不同”。和大多数条分法一样,传递系数法的条间力假定是关于条间力方向的假定,怎么能说传递系数法关于条间力的假定与条分法的思路不同呢?

(7)“原文”说:“在人为假定条间力合力作用方向一定与滑面始终一致的前提下,得到的稳定系数不见得是最合理的。以上缺陷,都与条间力作用方向假定不合理有关。”这是一种不恰当的说法。稳定系数最合理是一种最高标准,不能把稳定系数不见得最合理作为传递系数法的缺陷,如果这是一种缺陷,那么几乎全部的条分法都有这种缺陷。

(8)“原文”说:传递系数法隐式解法稳定系数的“物理意义不够清晰”。这是不对的。虽然(1)式也是在条间力与上一条块底面平行的假定下通过对前述基本式的改造直接写出来的(改造方式是把式中重力等外力垂直条块底面的分量引起的抗滑力除以稳定系数[6]),但如果采用Bishop定义,(1)式是能够通过条块两个方向力平衡方程推导出来的或者说是满足条块两个方向力平衡方程的。因此,传递系数法隐式解法稳定系数的意义与其它条分法一样清楚。

(9)“原文”说:使用传递系数法时,“滑动面是主观确定的,虽然有一定依据,但往往不见得就是最危险的滑动面。”这种说法是不对的。找出最危险滑面是边坡稳定性计算的共同任务和共同需要。任何一种对滑面没有限制的条分法都不会给寻找最危险滑面设置障碍。需要说明的是,传递系数法并不回避圆弧形滑面,因为在条分法中圆弧形滑面可以处理成有多个折点的折线形滑面,只是由于精度和习惯等因素人们不愿意选择这一方法罢了。

(10)“原文”用图9来说明水位骤降的影响。该图显示,水位骤降有两种影响:一是形成未消散的孔隙水压力,二是形成较大的渗透力。这样说明水位骤降的影响是不对的。孔隙水压力和渗透力不能同时出现在一种水力计算方式中[7]。我们可以说水位骤降导致土体中孔隙水压力变化,也可以说水位骤降在导致静浮力变化的同时也导致渗透力形成或变化,但不能说水位骤降使土体中既有未消散的孔隙水压力又有较大的渗透力。

8 两点说明

(1)本文只是就“原文”的一些具体观点进行讨论,并未对讨论中涉及到的传递系数法及其它方法的条间力假定合理性和计算精度进行总体评价。关于后者请见本文作者的另两篇文章[8,9]。

(2)为把传递系数法隐式解法纳入极限平衡条分法理论体系,推导其计算公式不应象以往一些文献(包括“原文”)那样先建立基本式(即稳定系数为1时的公式)然后对其进行改造(即添加稳定系数),而应引用Bishop等人的边坡稳定系数定义直接导出含有稳定系数的满足力平衡方程的计算公式。

摘要：对传递系数法两种稳定系数的意义、坡度对瑞典法稳定系数误差的影响、Bishop等人对边坡稳定性分析极限平衡法影响深远的贡献等问题进行了分析。对传递系数法条间力假定在滑面为平面时是否合理、力矩平衡满足与否是否是稳定性计算精度的决定因素、瑞典法各土条底部法向力是否均最小等问题作出了解答。

关键词：边坡稳定性分析,传递系数法,条间力,力矩平衡

参考文献

[1]钱家欢,殷宗泽.土工原理与计算(第二版)[M].北京:水利水电出版社,1994.

[2]D.G.Fredlund,et al..Effect of the axis of moment equilibrium in slope stability analysis[J].Can.Geotech.J.,1992,29:456~465.

[3]杨明成.边坡稳定性分析的条分法及临界滑动面的确定[D].重庆:后勤工程学院博士学位论文,2003.

[4]方玉树.边坡稳定性分析的一种新条分法[J].工程勘察,2007,(6).

[5]李广信(主编).高等土力学[M].北京:清华大学出版社,2004.

[6]顾宝和.滑坡稳定分析传递系数法的讨论[J].工程勘察,2006,(12).

[7]方玉树.有渗流边坡稳定性分析中的水力计算[J].工程勘察,2007,(9).

[8]方玉树.边坡稳定性分析传递系数法若干问题探讨[J].工程地质学报,2007,(6).

露天矿边坡稳定总结2 篇2

每次大的深部构造运动都会导致产生新的应力状态

水平应力=上覆岩层重力×侧压应力系数

构造应力场内：自重应力

水平应力

铅直应力

李四光《地质力学理论》

非洲测得：水平应力是铅直应力的2.6倍

2.6其他因素影响

一、露天矿存在年限

具体讲应指边坡服务年限

时间长，岩体强度减弱大，稳定系数大些

二、边坡形状

凹形：侧向阻力大，稳定性好

凸性：侧向阻力小，稳定性不好

但凸性边坡剥离量最小，经济合理

三、地形荷载：外排土场就近位置

推进方向（工作线）破坏岩体完整性，引起边坡滑落

总之，因为边稳固什么很多，尚待研究。

3—1

边坡工程地质工作程序

一、边坡工程工作主要任务：

1、搜集影响边坡稳定性的各项因素；

2、分析边坡岩体的稳定性：

—查明岩体中结构面分布及岩性变化；

—分析潜在滑面；

—建立滑动模式。

二、边坡工程地质工作程序：

三、1、区域地质背景；

四、2、矿区地质构造；

五、3、露天矿现采场边坡工程地质条件；

六、4、露天矿最终采场边坡工程地质条件；

七、5、露天矿边坡工程地质分区。

三、露天矿边坡各阶段的工作内容

-矿山地质勘探报告；

-露天矿设计阶段；

-投产以后岩层暴露。

1、岩性分布；

2、地质结构面分布

3、出水点；

4、采掘台阶现状；

5、工程地质分区及剖面线；

6、岩石力学试验取样地点

3—2

岩体结构面的调查

主要调查节理、岩层面产状、密度。

方法：地面测量；钻孔。

一、结构面地面调查（表3-1为调查内容）

二、钻孔定向取芯，主要是探明深部的不利结构面。

（一）岩芯定向

三个要素：倾向、倾伏角、围岩轴

线（旋转的某一基准线）。

第五章

边坡稳定性计算

5.1概述

一、边坡岩体内部分析

1、有两种运动

a、相对静止：边坡稳定

b、显著变动：滑坡（变动非常复杂）

2、滑坡原因

a、驱动滑坡因素

荷载

震动

水

构造应力

温差应力

b、抗滑能力

岩体强度

二、露天采场边坡

1、高大边坡

2、暴露岩层多

3、地质构造面纵横交错

4、水文及工程地质条件复杂

因此，边坡随时监控调整，合理的边帮角只能最终评价。

三、目前研究现状及任务

1、土体边坡稳定研究，解决岩石边坡有许多问题

2、露天边坡稳定计算任务

a、验算已有边坡的稳定性，以便决定是否采取防护措施，并作为防护设施设计的依据。

b、设计露天矿合理边坡角，在已知开采深度，设计既经济合理又安全的边坡角。

c、边坡的技术原理

Ⅰ、到界边帮台阶的减震爆破

Ⅱ、防排水

Ⅲ、伞檐处理

管理不善，缓坡可能滑坡，管理好陡帮也可能安全（例如平装西露天矿）结合生产工艺

3、经验法选取边帮稳定角

爆破<40度

金属矿<50度

4、边坡稳定表示方法

当

Fs<1，滑坡

当

Fs=1，极限平衡

当

Fs>1，稳定。保守起见:

=1.1－1.5，多数取1.3。

根据边坡服务年限选取不同值

四、本章研究内容：

1、确定边坡岩体内最危险区

2、分析区内的全部作用力

3、求FS4、判断稳定程度

5.2计算基础及方法分类

一、边坡稳定分析步骤

1、确定滑面

2、分析滑面上的作用力及反作用力，建立平衡条件

二、计算方法

1、刚性极限平衡法

①、将滑体视为刚体

②、滑体的位移是剪切破坏

③、滑体在滑面上的平衡条件，应用滑块在斜坡上的平衡原理

2、有限元法

3、概率法

5.3平面滑面计算法

边坡沿某一倾斜面滑动，发生在以下条件：

1、滑面走向与边坡走向平行或近于平行（）度左右

2、滑面出露在坡面上，二者相交在坡面上

3、滑体两侧有裂面，侧阻力小（略）

一、边坡内有确定的滑面及垂直裂隙

(一)、数学分析法

设：1、岩石不透水，垂直裂隙渗入，流经滑面自坡面逸出，水的压强呈线性分布。

2、滑体重力W，水压U及V均通过滑体重心不产生力矩，滑体无转动，则滑体稳定条件为：

当断裂出露在坡顶时：

当断裂出露在坡面时：

边坡的稳定程度，以稳定系数表示，抗滑力与滑动力之比：

C=0

（二）矢量法

力多边形封闭为平衡状态

步骤：

1、绘铅直重力矢W，比例自选

2、接W之首绘V矢，与W方向垂直

3、接V之首绘U矢，与铅直方向成β角

4、接U之首绘反力矢N，与铅直方向与U同

5、求封闭力矢S，其方向平行滑面，指向与滑动方向相反。

自W之尾绘线，使其平行滑面，并与N矢相垂交，便是所求平衡抗力S。

抗力中摩擦阻力

接U绘拐角φ，在S线上截取便是

稳定系数：

二、边坡内无确定的滑面，最危险滑面位置可分析求得

1、滑面临界倾角（不计U、V）

平衡方程：

又由于：

故：

或：

令：

最后解得：

（最危险滑面倾角）（排土台阶，土边坡，锡盟地区）

α<45度多为圆弧滑坡，坡角较大时，多为平面滑面

2、直立边坡的临界高度：

当边坡垂直时，α=90度

所以：

带入整理后得：

应用公式：

教材中：

方法二：

5－7式将

代入上式可得：

对于垂直边坡时，α=90°：

把α=90°代入5－7式：

以上绘制曲线图5－6：

说明：

1、垂直边坡的高度大于上式值时，岩体自重力足，以使边坡产生剪切破坏，滑坡。

2、小于上式值时，处于弹性应力状态，不发生剪切位移。

3、任意边坡滑动时，剪切面仅在距坡顶一定的深度即

以下方能产生，以上岩层成为弹性层，它的破坏呈拉断。

抗拉强度小于抗剪强度

4、当边坡体内某局部开始达到塑性变形，而远未形成滑坡之前，坡顶处便首先出现

垂直张裂隙，往往称作为滑坡的前兆特征，用来预报即将发生滑坡。

存在最小的极限高度，相对应的弱面倾角为：

当C=0时，张性断裂时，岩石坚硬：

极限平衡

说明：当C

趋于0

时，滑面被较陡的坡面切割，而沿滑面的摩擦角又小于滑面倾角时，即：，则可能产生滑坡，与坡面和坡角无关（在α>β时而言）,此时为增加边坡稳定性,减少坡高和削坡是无益的,只有沿滑面削掉或机械加固，煤矿多见此种例子。

三、边坡内无确定的拉张裂缝，其最危险的位置可分析求得

1、滑体稳定系数

将

带入上式

2、拉张裂缝的临界高度

解Fs的极限值（最小化）

不考虑水的因素，一般采用减弱系数法处理，分步微分法

设：

求Fs极值，设，用分步微分法：令

又知：，令：

得：

3、滑体临界顶宽

从图中求：

代入上式：

四、实例分析

1、条件：已知某矿坡高382m，坡角42度，断层倾角70度（弱面），宽度5m，求解①：Fs，②：坡角

岩体力学性质：

闪长岩：

γ=27KN/m3

c=500－1000KPa

φ=40度

断层c＇=0－30KPa

φ＇=18度

2、滑动模式

经分析确定为平面滑动

水对边坡稳定影响的分析 篇3

【关键词】边坡;边坡稳定分析;边坡治水

随着现代化建设事业的迅速发展，各类工程大量开工建设，在这些工程的建设过程或建成后的运行期间,有时形成了大量边坡工程；这些边坡工程的稳定状况，会对整个工程的可行性、安全性及经济性等起重要的制约作用，并在很大程度上影响着工程建设的投资及使用效益。

1.综合分析水对边坡稳定的影响

（1）边坡的稳定是一个比较复杂的问题,影响边坡稳定性的因素较多，简单归纳起来有以下几个方面：边坡体自身材料的物理力学性质；边坡的形状和尺寸；边坡的工作条件；边坡的加固措施等等,在这其中水是边坡失稳的重要因素之一。现在簡单分析水流对边坡稳定性的影响边坡。一般说，水对边坡的影响主要分以下两个方面：一是使得边坡土体本身抗剪强度减少；二是使得边坡土体剪应力增加。

（2）边坡一般是倾斜坡面的土体或岩体边坡，由于坡面倾斜，在坡体本身重力及其他外力作用下，整个坡体有从高处向低处滑动的趋势，同时，由于坡体土(岩)自身具有一定的强度和人力的工程措施，它会产生阻止坡体下滑的抵抗力。一般来说，如果边坡土(岩) 体内部某一个面上的滑动力超过了(岩) 体抵抗滑动的能力，边坡将产生滑动，即失去稳定；如果滑动力小于抵抗力，则认为边坡是稳定的。

（3）水流渗进土体，使土体的密度增加，这是增加土体剪切应力的主要因素。水对岩质边坡的影响较小,这是因为岩质边坡的强度较高。当地表水在岩石坡面排泄受阻时，会加大岩体的重量,增加坡体的下滑力。对于遇水容易软化的岩层，地下水常可以使岩石内部的联结变弱,强度降低，从而导致土体康剪强度降低。

（4）地下水在渗流过程中会对岩土体颗粒施加一个动水压力。它是一个体积力，其大小与流动水的体积、水的容重和水力梯度有关,其方向与水流的方向一致。结构面的填充物在水的浮力作用下，重量降低，动水压力稍大时，就会带走结构面中的填充物颗粒，侵蚀掏空岩块之间的填充物；同时动水还会磨平粗糙的岩石面,使其变得光滑，降低了岩石的摩擦系数,减小了岩体的抗滑力，降低了边坡的稳定性。由于水流对边坡稳定性的影响非常大，所以边坡工程对水流的防治是边坡稳定的重要方面。

2.边坡治水方法措施

边坡治水包括坡面排水及坡体排水。坡面排水主要是通过设置坡顶截水沟、平台截水沟、边沟、排水沟及跌水与急流槽来实现。坡体排水设施主要有渗沟、盲沟及斜孔等。渗沟又分支撑渗沟、边坡渗沟和截水渗沟三种，主要作用截排地表以及几米范围内的地下水：盲沟(即渗水隧洞) 主要用于截排或引排埋藏较深的地下水；斜孔主要用于排除深层地下水，土层和岩层均可采用，一般用水平钻机,埋置排水管。同时，也可以通过在坡面植草绿化的方法减少水对坡面的渗入边坡。

3.结语

由于水对边坡的影响是多方面和多角度的，因此在防治边坡时，首先要做好对边坡水的处理，做好排水系统，包括地表排水系统和地下排水系统，使水对边坡的影响降到最低限度，甚至消除；其次，针对不同的边坡，了解地下水位情况，采取不同的方法进行加固，本着具体问题具体分析的原则因势利导，多角度、多方面的进行分析，最终采取最优的方法。

基坑支护边坡稳定问题处理方案 篇4

工程总用地面积24711.2m2, 总建筑面积66235.69m2, 地上建筑面积57232.99m2, 地下建筑面积9002.7m2。由8栋单体建筑和地下室组成, 其中1#楼和2#楼有沿街商铺, 地下车库整体一层。

2支护设计概况

基坑围护体系双轴搅拌桩坝体或双轴搅拌桩内插型钢+一道水平内支撑的方式 (见表1) 。基坑面积约6110m2, 大面积开挖深度5.05mm, 局部深坑部位开挖深度6.95m, 最大土方量高达4.2万方, 在上海属于深基坑范畴。

3边坡失稳分析

3.1 5#楼钢筋加工区东侧边坡滑坡

土方开挖完成后, 垫层施工期间基坑监测数据报警, 坡顶出现裂缝, 边坡下滑, 导致施工完成的垫层约150m2抬高20cm左右。

(1) 原因分析:由于钢筋加工场地狭窄, 基坑边堆载大量钢筋, 开挖过程中未按基坑设计要求做二级放坡。边坡支护面未按设计要求φ6@200的钢筋网片, 而是用普通的钢丝网。基坑顶未设置有效的排水措施, 顶部未封闭严实, 导致坡顶积水浸入边坡土体内。

(2) 处理措施:第一次处理在坡顶内打入双排25#槽钢板桩, 桩长9m, 桩体压入基坑底部3m;将钢板桩外扰动的虚土清理干净后重新进行护坡施工, 护坡内绑扎直径6.5间距200的钢丝网片;放坡比例1:1.5, 中间平台2.5m;观察坑底是否有渗水, 如出现渗水在钢板桩外侧重新施工轻型井点降水;坑边堆载钢筋移至坡顶5m范围以外。钢板桩施工完成后, 由于桩外侧虚土未清理彻底, 放坡比例不足, 中间未设置二级放坡平台。边坡支护面出现明显裂缝, 钢板桩外土体继续下滑, 该处边坡不得不进行第二次处理。将虚土全部清理干净, 进行二级放坡, 在坑底部设置3m长间距30cm的木方进行支护, 底板施工完成后边坡未见异常。

3.2 7#楼北侧双轴搅拌桩坝体裂缝

基坑开挖至设计标高后, 监测数据报警, 坝体出现裂缝, 裂缝宽度一开始几毫米, 几天内裂缝宽度增加到近10cm。

(1) 原因分析:坝体顶部压顶未在土方开挖前施工, 而是在基坑开挖后出现裂缝后才施工;雨水浸入导致外侧土及水压力增大;道路超重运输车辆通行;该处基坑长时间未进行垫层封闭施工。

(2) 处理措施:禁止超重车辆在坝体附近通行;将坝体裂缝进行封堵避免雨水浸入坝体外土体内;加快该部位基础底板施工;加大监测频率由原来的一天两次监测改为一天四次监测提供监测数据快报。

3.3 4#楼南侧双轴搅拌桩坝体裂缝

该部位为水泵房, 基坑深度为7.95m, 坝体边缘距4#楼基础1900mm。坝体外一排支护桩与内侧支护桩分开, 4#楼底板砖胎膜下沉开裂。

(1) 原因分析:坝体顶部压顶未按设计要求在土方开挖前施工, 而是在基坑开挖后出现裂缝后施工;雨水浸入坝体外侧土体导致外侧土及水压力增大。

(2) 处理措施:暂停4#楼主体结构施工, 待底板混凝土浇注完成后再施工;增加该部位基坑监测频率;在4#楼南侧增加两口真空降水井 (降水井深度11m) ;在支护桩开裂部位采用型钢支撑避免开裂处支护桩坍塌。基础底板施工期间, 边坡稳定, 基坑边缘裂缝未见增加, 基坑监测未报警。

3.4 8#楼西侧双轴搅拌桩坝体

该处坝体顶部挖除1.5m后做混凝土压顶, 边坡顶部未堆载, 道路距离基坑边缘较远, 坝体只出现了较小裂缝, 监测数据未出现报警。

4结论

(1) 基坑支护施工应严格按支护设计施工:双轴搅拌桩水泥用量、桩长、进入基坑底部的深度、桩身强度均应符合支护设计要求;基坑顶部及底部设置排水沟;按要求设置坝体顶部压顶、斜撑;土方开挖遵循“先撑后挖”的施工顺序、“先开挖对基坑位移要求较低的一侧土方, 再开挖对基坑位移要求较高的一侧土体”、应遵循“时空效应”减少基坑暴露时间和面积;土方开挖应随开挖随浇注混凝土垫层, 无垫层坑底暴露面积不得大于250m2、垫层应在24小时浇注完成。

(2) 基坑施工过程中基坑边缘3m范围内不得堆载钢筋、钢管、木方等, 坑边地面活荷载不得超过20k Pa, 支撑上施工活荷载不得大于k N/m2。

(3) 基坑施工过程中应委托专业监测单位进行监测, 监测数据应在5小时内提供给设计、监理、总承包单位、业主, 发现异常应加大监测频率并用电子邮件或短信的方式提供快报。

摘要：在分析边坡支护问题的基础上, 文章介绍影响边坡稳定的因素及边坡出现裂缝后的处理办法, 阐述边坡支护施工要点。

边坡稳定问题 篇5

关键词：边坡稳定,加固,锚固,抗滑桩,沉井

我国曾有几十个水利水电工程在施工中发生过边坡失稳问题, 如天生桥二级水电站厂区高边坡、漫湾水电站左岸坝肩高边坡等等。为治理这些边坡不但耗去了大量的资金, 还拖延了工期, 成为我国水利水电工程施工中一个严峻的问题, 有的边坡工程甚至已经成为制约工程进度和成败的关键。因此, 加快水利水电边坡工程的科研步伐, 开发出一套现代化的边坡工程勘测、设计、施工、监测技术, 已经成为水利水电科研攻关的重大课题。笔者认为, 解决高边坡的稳定的方法主要有以下方法:

一、混凝土抗滑结构的应用

1. 混凝土抗滑桩

抗滑桩由于能有效而经济地治理滑坡, 尤其是滑动面倾角较缓时, 其效果更好。因此在边坡治理工程中得到了广泛采用。抗滑桩是穿过滑坡体深入稳定土层或岩层的柱形构件, 用以支挡滑体的滑动力, 一般设置于滑坡的前缘附近, 起稳定边坡的作用, 用于正在活动的浅层和中层滑坡效果较好。为了能使抗滑桩更有效的防止滑坡, 在设置时应将桩身全长的1/3～1/4埋置于滑坡面以下的完整基岩或稳定土层中, 并灌浆使桩和周围岩土体构成整体, 设置于滑体前缘部分, 使其能承受相当大的压力。安康水电站坝址区两岸边坡属于稳定性极差的易滑地层, 由于对两岸进行了大规模的开挖施工, 所形成的开挖边坡最大高度达200多米, 单坡段一般高度在30～40米。大量的开挖造成边坡岩体的应力释放, 断面暴露, 再加上雨水的侵入, 破坏了边坡的稳定, 致使边坡开挖过程中发生十几处大小不等的工程滑坡, 严重影响了工程的施工, 成为电站建设中的重大技术难题。采用抗滑桩是稳定安康溢洪道边坡的主要手段, 在263米高程平台上共设置了9根直径1米的钢筋混凝土抗滑桩, 每根桩都贯穿几个棱体, 最深的达35米, 桩顶嵌入溢洪道渠底板内。为了不干扰平台外侧基坑的施工, 桩身用大孔径钻机钻成, 孔壁完整, 进度较快, 两个月就全部完成。这9根抗滑桩按两种工作状态考虑:在溢洪道未形成时, 抗滑桩按弹性基础上的悬臂梁考虑, 不考虑桩外侧滑面上部岩体的抗力;在溢洪道建成后, 抗滑桩桩顶嵌入溢洪道底板, 此时按滑坡的下滑力考虑, 抗滑桩混凝土标号为R28250号, 钢筋为φ40Ⅱ级钢。抗滑桩于1982年1月施工, 3月完成后, 基坑继续下挖, 边坡上各棱体的基脚相继暴露。同年11月, 在Fb75与F22断层构成的棱体下面坡根爆破开挖后, 发现在263米高程平台上沿Fb75、F22断层及7号抗滑桩外侧近南北向出现小裂缝, 且裂缝不断扩大, 21天后7号抗滑桩外侧的Fb75～F22棱体下滑, 依靠7号抗滑桩的支挡, 桩内侧山体得以保存。抗滑桩的应用使很多的水利水电工程的高坡得以稳定。

2. 混凝土沉井

沉井是一种混凝土框架结构, 施工中一般可分成数节进行, 其结构设计是根据沉井的场地布置、受力状态及基坑的施工条件等因素决定。在高边坡工程中, 沉井具有抗滑桩的作用和挡土墙的作用。

天生桥二级水电站首部枢纽左坝肩下游边坡, 在二期工程坝基开挖浇筑过程中, 曾于1986年6月和1988年2月两次出现沿覆盖层和部分岩基的顺层滑动。滑坡体长80米, 宽45米, 高差35米, 最大深度9米, 方量约2万立方米。为了避免1988年汛后左导墙和护坦基础开挖过程中滑体再度复活, 确保基坑的安全施工, 对左岸边坡的整体进行稳定分析后, 决定在坡脚实施沉井抗滑为主和坡面保护、排水为辅的综合治理措施。沉井结构设计根据沉井的受力状态、基坑的施工条件和沉井的场地布置等因素决定, 沉井结构平面呈“田”字形, 井壁和横隔墙的厚度主要由满足下沉重量而定。井壁上部厚80厘米, 下部厚90厘米;横隔墙厚度为50厘米, 隔墙底高于刃脚踏面1.5米, 便于操作人员在井底自由通行。沉井深11米, 分成4米、3米、4米高的3节。下沉采用人工开挖方式, 由人力除渣, 简易设备运输, 下沉过程中需控制防偏问题, 做到及时纠正。合理的开挖顺序是:先开挖中间, 后开挖四边;先开挖短边, 后开挖长边。沉井就位后清洗基面, 设置φ25锚杆 (锚杆间距为2米, 深3.5米) , 再浇筑150号混凝土封底, 最后用100号毛石混凝土填心。沉井施工包括平整场地、沉井制作、沉井下沉及封底, 且其中的沉井下沉和封底是沉井的施工难点。沉井下沉, 是沉井的关键工序, 其质量的好坏将直接影响工程的质量和进度, 在下沉时, 应尽量减少土体作用在沉井外壁的摩阻力;应在混凝土强度达到100%时方可开始挖土下沉;下沉过程中需控制防偏问题, 并做好及时纠偏措施等。而封底如不成功, 将会导致沉井内部出现渗漏。严重影响沉井寿命。因此, 在封底前, 应清洗基面;在混凝土强度达到70%时, 应浇筑混凝土封底。

二、锚固技术的应用 (锚索)

1. 锚索 (杆) 制作。

锚索材料选用高强度、低松弛预应力钢铰线;锚筋下料时应整齐准确。误差不大于+50毫米, 预留张拉段钢绞线为1.5米, 并注意各单元体长度的不同值;锚索在制作时, 应将无粘结钢绞线绕绕承载体弯曲成u型, 并用钢带与承载体绑扎牢固;注浆管与隔离架应按设计要求安设, 注浆管底端距孔底20厘米;各单元锚杆的外露端应做好永久性标记;制作好的锚索体在运输和安装过程中, 不能出现死弯折, 不得损坏隔离架、注浆管及钢绞线外包的涂塑层。

2. 锚孔注浆。

锚杆注浆的注浆材料应严格按照经试验合格的配比备料, 并应严格按照配合比搅拌均匀;应采用水灰比0.4:0.5的纯水泥浆。锚孔采用孔底返浆法进行注浆, 并且注浆要一次完成, 中间不得间断, 待砂浆强度达到设计强度后, 方可进行锚索张拉。注浆过程应认真做好现场注浆记录, 每批次注浆都应进行浆体强度试验, 试验不得小于两组。当锚索张拉锁定后, 应向锚头与自由段间的空隙实施充填灌浆。

三、减载、排水等措施的应用

1. 减载反压

减载反压在边坡加固治理中应用广泛。减载的目的在于降低坡体的下滑力, 其主要方法是将滑坡体后缘的岩土削去一部分, 但单单减载有时并不能起到阻滑的作用。最好是与反压措施结合起来, 即将减载削下的土石堆置于边坡或滑坡前缘阻滑部位, 使之既能起到降低下滑力, 又增加抗滑力的良好效果。此措施应用于上陡下缓的滑坡效果更好。

2. 表里排水

表里排水包括排除地表水和地下水。

排除地表水, 是要拦截流入边坡变形破坏区的地表水流, 包括泉和雨水。如, 可在滑坡体外修建拦水沟、排水沟的方法排水;在滑坡体内的地表水, 可利用地形和自然沟谷, 布置树枝状排水系统。排除了地表水, 可减小滑动力, 降低了附近岩土体的含水量或孔隙水压力, 达到了增强抗滑力和提高边坡稳定性的作用。

排除地下水的方法, 可根据地下水的埋深分为浅层地下水和深层地下水排水工程两种。浅层地下水排水工程可采用截水沟、盲沟和水平钻孔等方法;深层地下水排水工程可采用截水盲沟、集水井、平孔排水和排水廊道等方法。排除了地下水, 将尽可能降低边坡岩体地下水位, 减小渗水压力, 改善边坡稳定条件, 提高边坡稳定性。

参考文献

【1】张智涌.水利水电工程施工技术.中国水利水电出版社, 2003, 12.

露天矿生态边坡与边坡稳定性 篇6

1 生态边坡的概念

生态边坡就是对环境、原生物等生态造成最低影响, 并且适当还原、保护的边坡工程, 是在保证边坡安全的基础上考虑生态保护、环境景观的边坡工程理念。

生态边坡的核心内容是生态护坡。生态护坡就是边坡工程设计和施工中考虑生态环境保护, 采用天然材料以自然的方式加固和保护边坡坡面及坡体, 露天矿生态边坡主要是指采用边坡植被保护排土场边坡 (采用生长植物, 即单独采用生长植物, 或者采用生长植物与土木工程措施相结合的方法, 或者采用生长植物与非成活植物材料相结合的方法) , 以减轻边坡的不稳定性和坡面的侵蚀破坏, 即植被护坡。

植被护坡不是通常意义的的园林绿化植被技术, 而是采用植被蓄水固土的原理来稳定岩质或土质边坡, 并能降低工程施工所带来的环境破坏, 达到美化环境和景观的一种技术。该技术涉及岩土工程学, 生物学、植物学、园艺学、土壤肥料学等多种学科的综合性工程技术, 是环境土体工程的重要组成部分。

露天矿生态护坡除了美化环境、恢复生态的作用外, 另外一大功能就是可以加固边坡、稳定边坡。当然, 这需要根据不同的边坡条件, 选择适宜的护坡形式和植被类型, 才能起到植被护坡的作用。因此, 必须认清露天矿边坡的特点, 同时考虑采用植被加固的露天矿边坡的稳定性的评定方法与特性。

2 生态边坡与露天矿边坡稳定性

边坡失稳主要有三种类型, 表面运动、浅层失稳和深层失稳。表面运动包括土壤的蠕动、冰融和土壤的侵蚀作用;浅层失稳是指发生在地面下2m内的滑移、转动和两者相结合的破坏形式;深层失稳的破坏深度超过了大多数树根和灌木根系所能伸展到的范围。研究表明, 边坡植被对边坡的表面稳定和浅层稳定具有重要作用。

植被对边坡的影响, 不能简单笼统地以“有利”或“不利”来划分, 本文以植被的“水文作用”和“力学作用”来说明边坡植被对边坡稳定性的影响如表1所示:

注:1) H—水文作用;M—力学作用。

2) 该类作用对边坡稳定可能是有利的或不利的, 取决于具体场地条件采用植被护坡的人工边坡是否稳定, 可以用边坡的稳定系数F来评定。

2.1 无植被边坡的稳定分析模型

假定边坡失稳破坏时沿平行于边坡坡面的某一倾斜滑面滑移, 取失稳边坡的某条滑体为分析模型, 应用有效应力分析法 (如图1) , 无植被边坡滑移面上的边坡稳定系数为:

式中z—土体的竖直高度, m;

c'—土体的有效粘聚力, k N/m 2;

γ—土的重度, k N/m 3;

β—坡角, °;

γw—水的重度, k N/m3;

hw—地下水平面距滑动面的垂直高度, m;

φ'—土体的有效内摩擦角, °。

2.2 有植被边坡的稳定性分析模型

考虑边坡植被对边坡稳定的主要影响作用 (如图2) , 植被边坡滑移面上的稳定系数为:

式中c'R—因边坡植被根系对土体的加强作用, 土体的有效粘聚力的增量, k N/m2;

θ—植被的根系与滑动面的夹角, °;

W—由植被重量造成的超载, k N/m 2;

T—滑动面上根的抗拉力, k N/m;

D—平行于边坡的风载荷, k N/m。

3 露天矿生态边坡的力学效应

植被能增强边坡的浅层稳定性, 为了达到这一目的, 植被主要通过其根系的加固作用来提高土壤的抗剪强度。边坡植被对坡体的加固作用主要表现为深根的锚固作用和浅根的加筋作用两方面。植被根系的存在可以提高边坡岩土体的粘聚力, 锚固作用可以提高边坡岩土体的抗剪强度, 使原先岩土体的抗剪强度向上升高, 加筋作用又限制了岩土体的侧向膨胀变形而使增大到, 在不变的情况下这将使最大剪应力减小, 如图3所示, 在这两种护坡植被根系作用的共同影响下, 能使得人工边坡岩土体的承载力提高。

边坡植被的存在可以降低坡体的孔隙水压力, 提高岩土体的抗剪强度, 有利于边坡的稳定。其中, 护坡植被的须根通过传递作用在边坡土体中的剪应力提高边坡土体的抗剪强度。

须根引起的岩土体抗剪强度的提高值可由下式表示:

式中, △s—岩土体抗剪强度的提高值;

tR—单位岩土面积上须根产生的拉应力;

φ—岩土体的内摩擦角;

θ—在剪应力区须根受剪扭曲的角度。

值得注意的是, 只有在须根充分生长, 并且陷入边坡岩土体中的须根不发生滑动或不被拔出时, 护坡植被须根才发挥出最大作用。因此, 护坡植被须根在坡体受剪过程中, 一般会发生下列三种不同程度的变形破坏:

3.1 折断

须根的抗拉强度可用来提高边坡岩土体的抗剪强度。设计时, 需要计算须根的平均抗拉强度TR和须根截面积与岩土体截面积的比值AR/A。在这种情况下, 岩土体的张拉应力tR为:

将式 (4) 带入式 (3) 得:

根据经验数据, [sinθ+cosθtanφ]的平均值为1.2, 所以上式简化为:

可见, 护坡植被对坡体抗剪强度的提高取决于根系的平均抗拉强度和根系的面积率。

3.2 伸长

须根的伸长量不足时, 根的抗拉强度没有被充分利用。在这种情况下, 须根抗拉强度的应用量就由须根的伸长量和须根的抗拉系数ER所决定。用力的平衡分析法可以得到单位面积岩土中须根所受拉应力为:

式中ER—须根的抗拉系数;

τb—须根和岩土之间的粘结力;

z—受剪区的厚度;

θ—须根受剪弯曲角度;

D—须根的直径。

在式 (7) 中须根的抗拉应力假定为线性分布。将式 (8) 、式 (9) 带入式 (3) 中, 得到由须根的伸长所引起的岩土抗剪强度的提高值为:

式 (10) 表明了坡体抗剪强度的提高与护坡植被须根直径的平方根成反比, 因此, 在根面积率相同的情况下, 直径小的须根比直径大的须根对坡体土的抗剪强度的加强作用更有效。

3.3 滑动

如果护坡植被根系的抗剪强度低于坡体破坏面上的剩余下滑力, 则在外力的作用下边坡将会沿着滑面下滑。一般而言, 护坡根系的加筋作用能够增强无扰动岩土体的抗剪强度, 而锚固作用能在岩土体扰动后增强根系对岩土体下滑变形的抵抗作用, 从而增强坡体的抗剪强度。也就是说, 护坡植被根系的存在能够增强岩土体的抗剪强度, 一定程度上减轻滑体的滑动模式。如果须根很短, 那么当坡体土和根系的复合体受到剪力作用时, 须根就很容易滑动或被拔出, 这样须根就不再起到加强坡体的作用。须根产生滑移时作用在须根上的最大拉应力为:

式中D—须根的直径;

L—最大剪应力作用处须根的长度。

某一个级径范围内, 如果有n个须根, 则这些须根对岩土体抗剪强度的提高值为:

如果护坡植被有j种会产生滑动的根, 并且属于每种根系的根的数量为, 则由于根系的存在, 坡体岩土抗剪强度的提高值为:

在实际边坡的岩土环境中, 护坡植被根系具有不同的直径和长度, 而且具有不同的抗拉强度, 上述三种情况可能会同时发生, 所以需要根据具体情况来综合分析考虑。

4 生态护坡的水文效应

护坡植被有多种水文作用, 包括蒸发、截水、渗透、延缓、过滤和表面硬化等作用, 可以有效地控制雨水对土体的侵蚀, 控制边坡的水土流失, 降雨截留, 削弱溅蚀, 降低坡体的空隙水压力以及增加土体粘聚力等。露天矿边坡植被的水文作用, 主要表现为对降雨的冲击和侵蚀的控制。一定密度的草地、草本植被可以大大减少雨水冲蚀所造成的土体流失。如果边坡植被的密集覆盖区是立体统一的, 那么减少的流失量会更大;如果开阔的覆盖区是单一或分散的, 其作用就大大降低, 甚至产生负面影响。这是因为当雨水水流绕过土块发生分流时, 土块上游的压力比下游的高, 那么在下游就会出现漩涡或湍流, 在上游也可能出现逆流现象, 所以在上游和下游都可能发生侵蚀, 这就意味着独立植被区的侵蚀率可能还高于无植被区, 因此应尽量避免一簇一簇的植被种植方式。

5 结论

1) 生态边坡是在保证边坡安全的基础上考虑生态保护、环境景观的边坡工程理念。具有与边坡周边环境和谐的突出优点, 未来将会在露天矿中得到推广。

2) 植被根系的存在可以提高边坡岩土体的粘聚力, 植被生态护坡主要是通过深根的锚固作用提高土壤的抗剪强度和浅根的加筋作用增强土体的粘聚力, 从而实现对边坡的有效保护。

3) 植被对坡体抗剪强度的提高取决于根系的平均抗拉强度和根系的面积率。而坡体抗剪强度的提高与护坡植被须根直径的平方根成反比, 因此, 在根面积率相同的情况下, 直径小的须根比直径大的须根对坡体土的抗剪强度的加强作用更有效。

4) 密集立体统一的边坡植被覆盖区, 能够有效的减少雨水冲蚀造成的土体流失。

生态边坡技术和景观方法的应用具有重要社会意义和工程价值。它可以最大程度地减少露天矿边坡工程对周围环境造成的负面影响, 恢复被破坏的生态环境, 改善露天矿边坡附近的环境和景观。

参考文献

[1]张永兴.边坡工程学.北京:中国建筑工业出版社, 2008.

[2]杨俊杰, 王亮, 郑建国等.生态边坡客土稳定性研究[J].岩石力学与工程学报, 2006.

[3]赵华, 黄润秋.岩石边坡生态护坡特点及其关键技术问题探讨[J].水文地质工程地质, 2004.

[4]钱晓红, 关云鹏, 吴玲杰.现代生态护坡技术的应用研究[J].内蒙古水利, 2009.

[5]王可钧, 李焯芬.植物固坡的力学简析[J].岩石力学与工程学报, 1998.

岩质边坡结构面对边坡稳定性的影响 篇7

边坡是人类生活和进行工程活动最为普遍的地质环境。随着经济社会不断的发展，越来越多地质灾害问题出现在人类的生活生产中，不仅对社会造成了巨大的经济损失，而且严重的危害人类的安全及人类社会的进一步发展，很多国内外的学者对各类边坡进行了大量的研究，在解决边坡问题上取得了举世瞩目的成就。然而，边坡稳定性研究方法仍是当今社会一个不容忽视的问题，也是边坡稳定性研究的基础。

2 分析结构面对边坡稳定性的影响

2.1 边坡稳定性系数计算方法[1]

极限平衡法假定岩土体破坏是由于滑体沿滑动面发生滑动而造成的。假设滑动面已知，其形状可以是平面、圆弧面、对数螺旋面或其他不规则面，通过考虑斜坡上的由滑动面形成的隔离体或其分块的力学平衡原理(即静力平衡原理)分析斜坡在各种破坏模式下的受力状态，以及斜坡体上的抗滑力和下滑力之间的定量关系来评价斜坡的稳定性。

本文假定边坡可能产生平面滑动，故边坡稳定性系数Ks按下式计算:

其中，γ为岩土体的重度，k N/m3;c为结构面的粘聚力，k Pa;φ为结构面的内摩擦角，(°);A为结构面的面积，m2;V为岩体的体积，m3;θ为结构面的倾角，(°)。

2.2 分析步骤

1)采用式(1)计算边坡稳定系数。

2)边坡结构面倾角α的变化对安全系数的影响。

在边坡高30.5 m，边坡坡角β=90°，结构面粘聚力c=48 k Pa，结构面摩擦角φ=30°，γ=24 k N/m3，边坡为一层，不考虑张裂隙及地震等作用的工况下，分别计算边坡结构面倾角α变化10°，20°，25°，30°，35°，40°，45°，50°，55°时的边坡安全系数(见表1)。

当结构面倾角α取10°，20°，25°，30°，35°，40°，45°，50°，55°时，其他条件不变，安全系数经历大—小—大变化(见图1)。因此当坡角恒定时，随着结构面倾角的增加，边坡稳定系数可能增加也可能减小。因此，在工程实际中，重点分析结构面倾角的变化，利用上述结论对岩质边坡的稳定性进行分析，确保边坡的稳定性。

3)研究边坡结构面岩体粘聚力c的变化对安全系数的影响。

在边坡高30.5 m，边坡坡角β=90°，结构面倾角α=60°，结构面摩擦角φ=30°，γ=24 k N/m3，边坡为一层，不考虑张裂隙及地震等作用的工况下，分别计算边坡结构面岩体粘聚力c变化20,25,30,35,40,45,50,55时的边坡安全系数(见表2)。

当粘聚力c取20,25,30,35,40,45,50,55时，其他条件不变，边坡安全系数见图2，安全系数随着粘聚力的增大而增大。因此随着粘聚力的增大，边坡安全系数增大，即粘聚力越大边坡越安全。

4)边坡结构面岩体摩擦角φ的变化对安全系数的影响。

在边坡高30.5 m，边坡坡角β=90°，结构面倾角α=60°，结构面粘聚力c=45 k Pa，γ=24 k N/m3，边坡为一层，不考虑张裂隙及地震等作用的工况下，分别计算边坡结构面岩体摩擦角φ变化20°，25°，30°，35°，40°，45°，50°，55°时的边坡安全系数(见表3)。

当摩擦角φ取20°，25°，30°，35°，40°，45°，50°，55°时，其他条件不变，边坡安全系数见图3，安全系数随着摩擦角的增大而增大。因此随着摩擦角的增大，边坡安全系数增大，即摩擦角越大边坡越安全(见图3)。

3 结语

1)岩体中结构面的存在是影响岩石边坡稳定性的重要因素之一。2)其他条件恒定时，边坡稳定性系数不会随着结构面的增加而增加或减小，而是呈现从大—小—大的变化，因此要根据实际情况具体问题具体分析。3)随着结构面的粘聚力或内摩擦角的增加，安全性系数随之不断增大，边坡也越稳定，但是，摩擦角对安全系数的影响表现得更为显著。4)综上可以看出，当想通过增大结构面倾角提高边坡安全系数时，粘聚力和内摩擦角对安全系数的影响不容忽视，反之亦是如此;因此，结构面产状因素对边坡的稳定性影响并不是确定性的，在实际问题中，充分考虑到结构面倾角与粘聚力、内摩擦角的最优组合，这时，边坡处于最理想稳定的状态，对工程安全性及经济的合理性更为重要。

参考文献

[1]张飞,池秀文.岩质边坡稳定性分析的探讨[J].岩土力学,2011,24(sup):37-38.

[2]GB50330-2002,建筑边坡工程技术规范[S].

[3]陈祖煜,汪小刚,杨健,等.岩质边坡稳定分析——原理.方法.程序[M].北京:中国水利水电出版社,2005.

[4]湖北省水利水电勘测设计院.边坡工程地质[M].北京:水利水电出版社,1983.

边坡稳定分析方法综述 篇8

1 常用的边坡稳定分析方法

边坡稳定分析的刚体极限平衡方法原理。

刚体极限平衡方法原理的三大要点[1]。

(1) 刚体条件:在分析滑坡的受力和变形过程中, 忽略滑体的内部变形, 认为滑体为不可变形的刚体。

(2) 极限强度条件:假定滑体处于极限强度状态。

(3) 力的平衡条件:在考虑安全系数后, 滑体在所受各种力的作用下处于平衡状态。

1.1 瑞典条分法

如图1所实示, 瑞典条分法的安全系数Fs的一般计算公式表达为:

式中:Wi为土条重力;θi为土条底部中点与滑弧中心连线垂直夹角;抗剪强度指标c、ϕ值是为总应力指标, 也可采用有效应力指标。工程中常用的替代重度法进行计算, 即公式中分子的容重在浸润线以上部分采用天然容重, 以下采用浮容重;分母中浸润线以上部分采用天然容重, 以下采用饱和容重, 这种方法既考虑了稳定渗流对土坡稳定性的影响, 又方便了计算, 其精度也能较好地满足工程需要, 因此在实际工程中得到广泛应用。

1.2 毕肖普法[2]

毕肖普 (Bishop) 考虑了土条两边的侧向力的不平衡, 土条上的受力有重力iW, 滑面上的法向力Ni, 切向抗滑力Ti, 两侧面法向力Ei和Ei+1 (水平向) , 切向力Yi和Yi+1 (竖向) , 如图2所示。它们是平衡的, 形成的封闭力多边形。根据竖向力平衡条件, 有

式中, ∆Yi=Yi-Yi+1, 抗滑力Ti是抗剪强度τf提供的。对于有一定安全性的土坡, 抗剪强度并没有全部发挥, 仅仅发挥了1sF。毕肖普定义安全系数sF为土的实际抗剪强度与保持平衡 (指总体平衡) 所须要的强度之比。即sF=τfτ, 安全系数Fs是对整个土坡而言的, 对各土条均取这一相同的值, 意味着假定滑动体各部分强度的发挥程度是一致的。

将其代入式 (2) 整理后求出Ni, 再将Ni代入式 (3) 得:

式中iilb=cosα, 为土条宽。

对滑动体建立整体力矩平衡方程, 各土条间的侧向力成了内力, 在整体方程中不出现, 法向力Ni通过圆心, 又不引起力矩, 故总体力矩平衡方程为ΣWiai-ΣTiR=0

将式 (4) 代入, 整理后可得

1.3 杨布法

杨布 (Janbu) 沿用了毕肖普关于安全系数的定义, 以及土条的竖向力平衡的公式, 因此式 (2) 至式 (4) 照用。杨布补充了土条水平力的平衡方程补充了土条的力矩平衡方程, 为了力矩平衡方程的简化, 将土条宽度取得很小, 不用b而用∆x来表示, 它与土条高度相比是微量。这样对土条底面中心取力矩平衡, 并略去高阶微量, 可得

杨布假定土条侧向力作用位置在土条高的1/3处, 将条土条侧向力作点连成一线, 叫推力线。上式中hi为推力线与滑面线之间的竖向距离, α1i为推力线在各土条的仰角, 它不同于滑面仰角αi。

与毕肖普法的所不同的是, 杨布法不是建立总体力矩平衡方程, 而是建立总体水平向力的平衡方程, =Σ∆0iE。由式 (6) 得

由式 (2) , 将Ni用Ti表示, 代入式 (7) , 再将式 (4) 代入可得

由于没有用整体力矩平衡方程, 因此滑动面不须要假定为圆弧面, 可以是任意形状的面, 这也是与前两种方法不同的。当土层软硬变化使滑动面不成圆弧状时, 这种方法显现其优越性。

2 结语

本文简要介绍了几种边坡稳定分析的方法, 及各种方法的适用性。

摘要：介绍了土坡稳定分析常用的瑞典法、毕肖普法和杨布法安全系数的定义方法, 对土坡稳定分析有一定的指导意义。

关键词：边坡,稳定,安全系数

参考文献

[1]冯守中.公路软基处理新技术[M].北京:人民交通出版社, 2008.

边坡稳定问题 篇9

1 边坡场地稳定性的影响因素

边坡形成后, 在内外应力和人为活动的各种因素作用下, 主要从三个方面影响边坡场地的稳定性:一是影响边坡岩土体的强度, 如岩性、岩体结构、风化和水对岩土体的软化作用等;二是影响边坡的形状, 如地形、河流冲刷、人工开挖等;三是影响边坡体的应力分布, 如地震、地下水压力、堆载等。它们的作用表现为增大下滑力而降低抵抗滑力, 促使边坡向不稳定方向转化。

在影响边坡稳定的诸多因素中可划分为两大类:一是主导因素, 即长期起作用的因素, 如, 岩土体类型和性质、地质构造和岩体结构、风化作用、地下水活动等;另一类是触发因素, 即临时起作用的因素, 如地震、洪水、暴雨、人工爆破、堆载等。

列举两个边坡处于相同地理位置, 二者相隔约800米, 触发因素应基本相同, 地质构造、地下水活动、风化作用都基本一致, 最大的区别在于岩土体类型和性质的不同, 即内因的不同, 使得二者的稳定性评价存在根本的区别。

2 边坡区的工程地质条件

边坡为丘陵地貌单元, 地形起伏较大, 山势呈西南~东北走向, 山坡上段较陡, 坡度约30~45°, 下段较缓, 坡度约10~25°, 山上植被较发育。

场地处晋江上源西溪上游, 戴云山脉东南坡, 闽东火山断拗带中段, 断裂十分发育, 以北北东向、北东东向及北西向断裂规模最大。本次讨论范围内无区域性深、大断裂带通过, 处于相对稳定的地块之中。区域内地层主要以侏罗系南园群流纹质晶屑凝灰熔岩 (J3n) 和燕山期花岗岩 (γ5) 为主, 花岗岩节理裂隙较发育。

经室内土工试验得出边坡区土体的物理力学指标见表1。

3 边坡的稳定性评价

边坡稳定性评价的方法有多种, 主要分为定性评价和定量评价。边坡稳定性定量评价是在定性分析评价的基础上, 据边坡工程地质条件, 采用力学平衡理论计算评价边坡的稳定系数, 据计算得到的稳定系数来评价边坡的稳定性。对土质边坡采取力学计算法;对岩质边坡, 作出节理裂隙面的玫瑰花图和赤平投影图, 根据结构面和坡面的组合进行对比定性分析评价。

3.1 土质边坡的稳定性计算及评价

根据勘察表明, B边坡为土质边坡, 目前处于相对稳定状态, 仅部分地段坡面因雨水冲刷较严重, 出现滑塌、掉块现象, 未发现有危及边坡稳定的不良地质现象。根据场地岩土体结构特征和工程地质、水文地质条件, 结合类似场地的经验以及边坡可能失稳的模式, 在进行稳定性计算时, 潜在滑动面为土体与基岩交界面, 假设滑面呈折线型, 稳定计算采用滑坡推力计算公式, 根据《建筑边坡工程技术规范》 (GB50330-2002) 第5.2.5条, 边坡稳定性系数K按下式计算:

式中K-边坡稳定性系数

Ti-第i计算条块滑体在滑动面切线上的反力 (kN/m)

Ri-第i计算条块滑动面上的抗滑力 (kN/m)

ψi——第i计算条块剩余下滑力向第i+1计算条块的传递系数

取有代表性剖面6-6', 潜在滑动面取上覆土层和下伏基岩的交界面 (残积砂质粘性土和全风化花岗岩) , 将该剖面按下滑面的角度变化划分成10个条块, 分别求其面积和滑面倾角, 按照上述公式计算该剖面处的边坡稳定性, 计算结果见表2:

根据计算结果, 按照《岩土工程勘察规范》要求, 当1.00≤K≤1.05时, 判定边坡稳定性为欠稳定, 但该数值仅代表剖面6-6'处的边坡稳定性, 因此在计算边坡稳定性系数时, 应选择有代表性的剖面进行稳定性计算, 特别有针对性的选择已经出现不良地质现象的地段。

在应用上述方法计算边坡稳定性时, 相关指标的取值是非常重要关键的, 取值的正确与否直接影响到计算的结果。计算所用参数主要有滑体重度、滑带土粘聚力及内摩擦角, 其指标可由试验、查阅类似滑带土相关物理力学指标资料和据当地经验综合确定。

3.2 岩质边坡的稳定性评价

对于有风化岩和稳定基岩组成的岩质边坡, 其稳定性主要由节理裂隙面控制, 故上述的稳定性计算方法不适合岩质边坡的稳定性评价, 在此, 采取结构面组合来判定岩质边坡的稳定性, 以D边坡为例。

该边坡坡高约5.2~25.8米, 为一级岩质边坡, 坡长180米, 坡度70~85°, 坡向约142°, 倾向南东。据勘察表明, 边坡上部坡残积土覆盖层厚度约1.0~4.5米, 下部为碎块状强风化花岗岩和中风化花岗岩, 坡脚为少量杂填土。岩体出露的地段裂隙较发育, 主要发育的裂隙面:一是倾向112~146°, 倾向南东, 倾角51~79°, 为顺坡向陡倾角;二是近似水平裂隙倾向2~20°, 倾角69~73°。三是倾向201°倾向南西, 倾角55~67°。裂隙呈微张状~闭合状, 裂隙面较光滑, 延展性较好, 裂隙宽度2~5mm, 部分水平裂隙宽度大于5mm, 泥质充填, 每米3~6条。现该边坡未采取护坡等措施, 坡顶无建 (构) 筑物, 山上植被较茂密。

根据现场测量裂隙产状统计作岩体裂隙走向玫瑰花图 (图1) 和赤平投影图 (图2) , 据赤平投影图分析表明:J1与坡向夹角为13°, 小角度相交, 倾角接近并且小于坡角, 属同向缓倾裂隙面, 为不稳定结构, 容易发生滑塌;J3与边坡坡向夹角为59°, 大角度相交, 倾角小于坡角, 为基本稳定结构;J2裂隙面倾向与边坡坡向夹角为131°, 倾向与坡向为反向, 为稳定结构。

边坡坡面呈不规则形状, 岩体被节理切割成块状, 部分岩体已出现松动、掉块现象。总体上该边坡目前处于暂时稳定状态。另, 该边坡岩体受此三组裂隙结构面切割成块状, 切割面、临空面和滑移面较多, 形成的块体易产生掉块和崩落, 同时也给雨水对坡体的冲刷提供了较良好的条件, 岩体在大气、雨水等影响下进一步风化, 使岩体强度降低, 趋向不稳定状态。

4 结论

目前边坡稳定性评价的方法很多, 各种方法都有其适应性, 对于不同性质的边坡采取不同的方法进行稳定性验算显得格外重要。在此, 通过上述事例说明土质边坡和岩质边坡稳定性评价的不同之处, 对于土质边坡, 找出潜在滑动面, 划分条块运用力学平衡法计算其稳定性, 能较准确的判定其稳定性;对于岩质边坡, 其稳定性主要为节理裂隙面控制, 采用作图 (玫瑰花图和赤平投影图) 的方法, 定性的评判其稳定性。

摘要：在边坡的勘察设计中, 对边坡稳定性准确判断是至关重要的一个环节, 一直以来, 边坡稳定性的评价都得到了愈来愈多工程师和科研人员的重视。曾负责了《福建省某县河滨北路员潭至参洋段市政道路 (边坡) 工程岩土工程勘察报告》, 在对该项目进行综合分析, 得出以下结论:岩质边坡和土质边坡的稳定性评价存在孑然不同的方面, 对于土质边坡的稳定性评价应采取定量计算的方法, 得出稳定性系数进行定量评价;对于岩质边坡, 主要考虑岩体节理裂隙的发育情况, 查明各组岩体节理裂隙的倾向与倾角, 与边坡的走向及倾角进行对比, 作出节理裂隙玫瑰花图和赤平投影图, 从而定性的对边坡稳定性进行评价。

关键词：岩质边坡,土质边坡,稳定性评价

参考文献

[1]岩土工程勘察规范.GB50021-2001[S].北京:中国建筑工业出版社, 2001.

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[5]林宗元.简明岩土工程勘察设计手册 (上册) [M].北京:中国建筑工业出版社, 2003.

[6]建筑边坡工程技术规范 (GB50330-2002) [M].北京:中国建筑工业出版社, 2002.