（岩土工程专业论文）四川犍为县医院后边坡滑动机理及治理方案研究.pdf

西南交通大学硕士研究生毕业论文第1 页手两姜在交通运输、矿山开采、水利和国防等建设工程中，存在着大量的高边坡。确保这些高边坡在施工和运营过程中的稳定，对于保证整个建设工程的顺利开展和应用具有非常重要的意义。本文以四川犍为县人民医院门诊大楼后边坡为研究对象，运用工程地质、岩体力学、数值模拟等理论和方法，研究了边坡的变形破坏机理及其稳定性，提出了确保边坡长期稳定的支护方案。取得了以下几个方面的研究成果：1 、利用工程地质力学分析原理，对该边坡的变形破坏机理及破坏模式进行了分析研究，结果表明，缓倾角泥化夹层、下部相对软弱的粉砂质泥岩浅部的风化及软化变形、与边坡走向近乎平行和垂直的两组陡倾节理面是导致边坡破坏的主要原因。随着边坡的开挖，中上部巨厚层状砂岩层中陡倾节理面由于应力释放和回弹变形而被拉开，下部软弱基座浅部发生差异变形，当雨水渗入张开节理面，孔隙水压力有所增加而泥化夹层的力学性质进一步恶化，最终边坡发生以座落为主的滑动破坏。2 、利用极限平衡法中的不平衡推力法和s p e n c e r 法，对该边坡的稳定性进行了分析评价，认为该边坡在不利的自然营力作用下很难保持自身稳定；为了了解不平衡推力法理论假设的可靠性，分析了条块间作用力倾角与稳定系数的关系，结果表明条块问作用力倾角对该边坡的稳定系数影响很大；考虑到不平衡推力法在国内应用广泛的实际情况，利用切角法对其进行了改进处理，切角处理后的不平衡推力法计算结果与s p e n c e r 法计算结果基本一致，该结果客观反映了边坡的稳定状态。3 、在认识了边坡变形破坏机理和稳定状态的基础上，对该边坡提出了综合治理方案，即系统的排水措施和预应力锚索框架梁支挡措施，结合前人研究成果对预应力锚索框架梁进行了优化设计，结合该实际工程的研究对现有的设计理论作了的一定的改进。4 、利用f l a c 3 d 软件对边坡的变形破坏机理进行了数值模拟，验证了工程地质力学分析结论的可靠性；结合强度折减法理论和数值分析方法计算出边坡的稳定系数，与极限平衡法的分析结果接近；为了评价边坡治理方案的合理性，通过f l a c 3 d 中的结构单元模块分析了边坡加固前后的应力和位移等的变化，进一步验证了预应力锚索框架梁治理措施的显著效果。关键词：高边坡，滑坡，边坡稳定性分析，边坡支护方案西南交通大学硕士研究生毕业论文第1 i 页a b s t r a c tt h e r ea r em a n yh i g hs l o p e si ns o m ep r o j e c t ss u c ha sc o m m u n i c a t i o ne n g i n e e r i n g ，m i n i n ge n g i n e e r i n g ，h y d r a u l i ce n g i n e e r i n ga n dn a t i o n a ld e f e n c ec o n s t r u c t i o ne t c i no r d e rt ok e e pt h e s ep r o j e c t sw e l ld e v e l o p i n ga n do p e r a t i n g ，i ti si m p o r t a n tt om a k et h e s eh i g hs l o p e ss t a b i l i t yd u r i n gt h et i m eo fc o n s t r u c t i o na n do p e r a t i o n i nt h i sp a p e r , t h eh i g hs l o p ei st a k e na sa ne x a m p l e ，w h i c hi sb e h i n dt h eo u t p a t i e n tb u i l d i n go fq i a n w e ip e o p l eh o s p i t a li ns i c h u a np r o v i n c e a c c o r d i n gt ot h et h e o r ya n dm e t h o d sw h i c ha r ef r o me n g i n e e r i n gg e o l o g y , r o c km a s sm e c h a n i c s ，a n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o ne t c ，t h ea u t h o ra n a l y s e st h ed e f o r m a t i o nd a m a g em e c h a n i s ma n ds t a b i l i t yo ft h es l o p e ，a n dp r o v i d e ss o m eo p t i m i z i n gs u p p o r t s c h e m et om a k et h es l o p el o n g - t i m es t a b i l i t y t h ea c q u i r e dr e s u l t sa r ea sf o l l o w s ：l 、o nt h eb a s i so ft h em e c h a n i c sa n a l y s i sp r i n c i p l eo fe n g i n e e r i n gg e o l o g y , t h ea u t h o ra n a l y s e st h ed e f o r m a t i o nd a m a g em e c h a n i s ma n de s t a b l i s h e st h em o d e lo fd e s t r u c t i o no ft h es l o p e t h er e s u l t ss h o wt h a tt h el e a d i n gc a u s eo f d e f o r m a t i o na n dd e s t r u c t i o nl i e so nal o wd i pa n g l es i l t i z e di n t e r c a l a t i o n , t h es h a l l o ww e a t h e r i n ga n dd e f o r m a t i o no fs o f ts i l t ys a n d ym u d s t o n e ，a n dt w os e t so fh i g hd i pa n g l ejo i n tp l a n e st h a ta r en e a r l yp a r a l l e la n dp e r p e n d i c u l a rt os l o p es t r i k e f i r s t l y , t w os e t so fh i g hd i pa n g l ej o i n tp l a n e sa m o n gd e r r i c kt l l i c ks a n d s t o n ea r eo p e n e da n dt h ed i f f e r e n t i ad e f o r m a t i o n so c c u ri ns o f tu n d e r l y i n gs t r a t u mb e c a u s eo fs t r e s s - r e l e a s ea n dr e b o u n dd e f o r m a t i o n ，w h i l et h es l o p ei sd u g t h e n ，p o r ew a t e rp r e s s u r eo nj o i n tp l a n e si sa u g m e n t e da n dt h em e c h a n i c sc h a r a c t e r i s t i co fs i l t i z e di n t e r c a l a t i o ni sf u r t h e rw e a k e n e d ，w h i l er a i n w a t e rs e e p si nt h eo p e n i n gj o i n tp l a n e s f i n a l l y , t h es l o p em a i n l ys l i p sd o w n w a r di na b o v ed i s a d v a n t a g ec i r c u m s t a n c e 2 、a c c o r d i n gt oi m b a l a n c et h r u s tf o r c em e t h o d ( i t f m ) a n ds p e n c e rm e t h o d ，w h i c ha r ef r o ml i m i t e de q u i l i b r i u mm e t h o d ，t h ea u t h o ra n a l y s e st h es t a b i l i t yo ft h es l o p ea n de v a l u a t e si t ss t a b i l ys t a t e i ti si n d i c a t e dt h a tt h es l o p ei sh a r d l yt om a i n t a i ni t ss t a b i l i t yi nt h eb a dc i r c u m s t a n c e i no r d e rt od i s c u s st h er e l i a b i l i t yo ft h e o r e t i c a lh y p o t h e s i sw h i c hi sd e d u c e db yi t f m ，t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ed i pa n g l eo fi n t e r - s l i c ef o r c ea n ds t a b i l i t yf a c t o ri sf u l l ya n a l y z e d t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ed i pa n g l eo fi n t e r - s l i c ef o r c eh a sag r e a ti n f l u e n c eo ns t a b i l i t yf a c t o r i t f mh a sb e e nw i d e l yu s e di nt h ef i e l do fs l o p es t a b i l i t ya n a l y s i s ，s ot h ea u t h o ra d o p t sq i e j i a o西南交通大学硕士研究生毕业论文第1 页_ _ _ _ 一_i i i i i i _ _ - _ _ _ - - - _ _ _ - - _ _m e t h o d ( t h eu n f i tn o d ei sc o n t i n u o u s l yd i v i d e d ) t oi m p r o v ei t f m t h ee r r o rb e t w e e nq i e j i a om e t h o da n ds p e n c e rm e t h o di si g n o r e dd u r i n gc a l c u l a t i n gs t a b i l i t yf a c t o ro ft h es l o p e 3 、b a s e do nt h ed e f o r m a t i o nd a m a g em e c h a n i s ma n ds t a b i l ys t a t eo ft h es l o p e ，ar e a s o n a b l es u p p o r t - s c h e m ei n c l u d i n gt h es y s t e m i cd r a i n i n ga n dt h ep r e s t r e s s e dc a b l ef r a m eb e a mi sp u tf o r w a r d a c c o r d i n gt ot h ep r e v i o u sr e s e a r c hf r u i t sa n dt h ep r a c t i c a lp r o j e c t ，t h ea u t h o rb r i n g su po p t i m i z i n gd e s i g nf o rt h ep r e s t r e s s e dc a b l ef r a m eb e a ma n di m p r o v e so ns o m eo p t i m i z i n gm e t h o d s 4 、t h r o u g hc o m p a r i n gt h er e s u l t so b t a i n e db yf a s tl a g r a n g i a na n a l y s i so fc o n t i n u ai nt h r e e d i m e n s i o n ( f l a c 3 u ) w i t ht h em e c h a n i c sa n a l y s i so fe n g i n e e r i n gg e o l o g y , i ti si n d i c a t e dt h a tt h el a t t e ri sa l m o s ta c c o r d a n tt ot h ef o r m e r i nl i g h to fn u m e r i c a ls i m u l a t i o nm e t h o db a s e do ns t r e n g t hr e d u c t i o nt h e o r y , t h ea u t h o rw o r k so u ts t a b i l i t yf a c t o rt h a ti sa l m o s te q u a lt ot h er e s u l t sb yl i m i t e de q u i l i b r i u mm e t h o d i no r d e rt oe v a l u a t et h es u p p o r t s c h e m eo ft h es l o p e ，t h ea u t h o ra n a l y s e st h ed i f f e r e n c eo fs t r e s sa n dd i s p l a c e m e n ti nt w os t a t e ( r e i n f o r c ea n dn o n - r e i n f o r c e ) b yt h es t r u c t u r a le l e m e n t sm o d e lo ff l a c 3 0 t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ep r e s t r e s s e dc a b l ef r a m eb e a mi sa ne f f e c t i v es u p p o a s c h e m e k e yw o r d s ：h i g hs l o p e ，l a n d s l i d e ，s l o p es t a b i l i t ya n a l y s i s ，s l o p es u p p o r t - s c h e m e西南交通大学学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于口保密，在年解密后适用授权书；囤不保密，适用本授权书。( 请在以上方框内打“”)学位论文作者签名：三b 矗辫象指导教师签名：日期：加芳年r 月舶日期心肚揖西南交通大学学位论文创新性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：溺描日期：如孑年j 月心日西南交通大学硕士研究生毕业论文第1 页第一章绪论1 1 课题背景及研究意义随着人类活动范围的不断扩大，水库和发电站的修建、矿山的开采、数以万公里计的铁路和公路的修建、山区城市公共建筑等等，人为的改变着自然环境和生态平衡，促使了许多新灾害的产生。据统计，世界各国死于自然灾害的人数7 0 年代为4 0 万人，8 0 年代已达9 8 万人，每年因自然灾害造成的经济损失达4 0 多亿美元【l 】。近半个世纪以来，在我国城镇建设工作的进展中，建筑边坡治理工程大幅度增长，其规模虽然较小，但危害较大，经常引发附近建筑物破裂或倒塌，导致建筑物不能正常使用或破坏，给人们的日常生活和工作带来很大的麻烦，甚至危及人们的生命及财产安全。所以，对边坡变形破坏机理和防治措施进行深入细致的研究，可以有效的保护人民生命财产不受损害。犍为县为四川i 省乐山市一个重要的县城，其县人民医院在当地医疗、卫生等方面具有很重要的地位。考虑到今后的远景发展，医院筹资在c t 楼东侧斜坡地带新建门诊大楼。在开挖平整施工场地时，在门诊大楼后约1 5 m 处形成1 8 m 的高边坡。由于边坡内部存在控制岩体稳定性的结构软弱面，在边坡开挖卸载、地表水渗入坡顶裂隙等不利的外部因素作用下，边坡开挖不久坡体便发生变形和破坏。据地面调查表现为c t 楼及变电房墙面产生裂缝，局部地面出现环状裂缝，缝宽l - 3 c m ，延伸长度0 5 1 5 m ，目前坡体处于极限平衡状态。但是，在不利的外部因素继续作用下，特别是在暴雨季节作用下，极易引发大范围的边坡变形破坏，直接危及拟建门诊大楼、c t 楼、变电房以及医院职工宿舍楼共4 6 户约1 5 0 人的安全，给医院及其职工带来无法弥补的损失。鉴于犍为县人民医院在当地卫生医疗事业方面的重要地位，对门诊大楼后边坡变形破坏机理的研究和整治已刻不容缓。所以本文对边坡变形破坏的机理和过程、影响因素进行研究，并对该边坡进行稳定性分析评价，在此基础上提出技术可靠经济合理的防治措施，不仅能够丰富和完善类似边坡的相关研究内容，而且能为该边坡的治理提出可行的方案。因此，本文的研究具有较为重要的理论意义和实际意义。1 2 国内外研究现状西南交通大学硕士研究生毕业论文第2 页1 2 1 边坡变形破坏机理研究现状边坡在形成及运营过程中，在诸如重力、工程作用力、水压力及地震作用等力场的作用下，坡体内应力分布发生变化，当组成边坡的岩土体强度不能适应此应力分布时，就要发生变形破坏，引发事故或灾害。因此，研究边坡的变形破坏机理就显得非常重要，国内外学者在这方面做了大量的研究工作，并获得许多重要的成果。在国外，1 9 5 0 年，k t c r z a g h i 认为土坡的破坏主要是由于潜在滑面上孔隙水压力的增大而引起滑面上的有效正压力和摩擦阻力的减小，从而降低了土体的抗剪强度，引起土坡的破坏【2 1 ；1 9 6 8 年，p e k e n t 认为碎屑体在运动过程中排出的空气快速向上运动，使碎屑体的各块体保持扩张状态，这种扩张导致块体间的摩擦系数降低，使碎屑流体化而产生滑动【3 】；1 9 6 9 年，q z a r u b a 和vm e n c l 从土力学与岩土力学和工程地质学角度论述了滑坡形成机理【4 】；1 9 7 5 年，k j h s u 提出高速滑坡运动的“无粘性颗粒流说”【5 】；1 9 7 5 年，p h a b i b 等人先后用“孔隙水压力的变化”来解释滑坡的形成机理，并认为大型岩体沿结构面滑动时，消耗在滑动面上的由重力所做的功将产生热量，这种释放的热量可将岩石中的水变成水气而形成气垫，气垫支持着岩体并产生润滑作用，使得滑体抗滑力减小而发生滑动【6 1 ；m e l o s h 先后于1 9 7 9 年和1 9 8 6 年提出用声波场诱导感声流体化机制解释大型高速滑坡机理【7 l ；此外，s h r e v e r o n a l dl ( 1 9 6 8 年) l ，t c h a l e m k e j s ( 1 9 7 0 年) 【9 】，m u l l e r v ( 1 9 7 2 年) 【l o 】等国外许多学者也对与滑坡机理的有关问题进行了多方面的探讨和研究。在国内，1 9 8 1 年，张倬元、王兰生、王士天等学者根据岩体变形破坏的力学机制，提出斜坡的变形破坏机制可概括为：蠕滑一拉裂、滑移一压致拉裂、滑移一拉裂、滑移一弯曲、弯曲一拉裂、塑流拉裂等6 种基本变形破坏模式，以及这些演变过程的各种复合形式，比较形象地说明了斜坡演化的过程，为分析有关滑坡的形成机制提供了依据】；1 9 8 2 年，徐邦栋对洒勒山大型高速滑坡机理进行了分析，并以滑动带成因和形态为主结合滑动特征，阐述了黄土滑坡的发生机制和变化过程【1 2 】；1 9 8 3 年，卢肇钧从应力状态和应力路径、应变、孔隙水压力、加荷速率受力时间、土体不均匀性和不等向性等方面综述了土体的破坏机理【”】；1 9 8 3 年，晏同珍根据滑坡发生的初始条件、原因及滑动方式等，将滑坡机理概括为9 种类型【1 4 】；1 9 8 3 年，孙玉科等对盐池河山体崩滑机理及其运动方式进行了研究，并将我国岩质斜坡变形破坏机理分为水平剪切变西南交通大学硕士研究生毕业论文第3 页形机制、顺层剪切变形机制、顺层逆剪变形机制和反倾逆剪变形机制等四种类型”】；1 9 8 9 年，黄润秋教授提出斜坡岩体高速滑动的“滚动摩擦”机制【1 6 】；1 9 9 4年，晏同珍对滑坡形成机理、高势能滑坡滑程等进行了系统深入的研究；2 0 0 0年，刘国霖进行了高陡边坡节理岩体的卸荷岩体力学物理基础研究【1 7 】；2 0 0 0年，徐平、周火明进行了高边坡开挖卸荷的流变数值分析【1 8 】；2 0 0 1 年，黄润秋，林锋等研究了岩质高边坡卸荷带的形成机理【1 9 】：2 0 0 4 年，黄润秋结合西部地区独特的地域地质环境对该区域发生的典型滑坡进行了深入分析，提出了该区域边坡变形破坏的滑移一拉裂一剪断三段式典型破坏模式，并对该类破坏模式的地质结构、渐进演化机理进行了深入分析【2 0 1 。此外，潘家铮( 1 9 8 0 年) 【2 1 1 ，王思敬等( 1 9 8 8 年) 【2 2 】，王家鼎( 1 9 9 1 年) 【2 3 1 ，晏同珍、杨顺安等( 2 0 0 0 年) 【2 4 1 ，杨学堂、哈秋黔、高希章( 2 0 0 4 年) 【2 5 】等国内许多学者也对与滑坡机理有关的问题进行了多方面的探讨和研究。可见，虽然国内外学者在边坡变形破坏机理方面做了许多研究和探索，但由于边坡种类多、结构复杂、作用因素各异，所以对其机理较全面系统的研究还不够。早期的研究仅以土体为研究对象，其方法的显著特点是采用材料力学和简单的均质弹性、弹塑性理论为基础的半经验半理论性质的研究方法，并把此方法用于岩质边体的稳定性研究，但由于对其力学机理认识的粗浅或假设的不合理，其计算结果与实际情况差别较大。往往将边坡变形破坏及其发展演化作为两种不同运动机制，虽然一些变形破坏机理研究中，也提到边坡的变形，如蠕动挤压阶段，但显然较为简单，未能完全揭示从边坡变形到破坏直至消亡的全过程。1 2 2 边坡稳定性研究现状自2 0 世纪2 0 年代以来，国内外学者在边坡稳定性评价方面就做了大量的研究工作，并获得许多重要的成果。归纳起来主要包括两大类：定性评价和定量评价。其中，定性评价方法主要包括：成因历史分析法、工程地质类比法、赤平投影法等；定量评价方法主要包括：极限平衡分析法、数值分析法、极限分析法等。现就其中应用最为广泛的成因历史分析法、极限平衡分析法和数值分析法研究现状概述如下：( 1 ) 成因历史分析法【2 6 】成因历史分析法是通过研究边坡的形成历史和所处的自然地质环境、边坡外形和物质组成、边坡变形破坏形迹，以及影响边坡稳定性的各种因素特征和西南交通大学硕士研究生毕业论文第4 页相互关系，从而对它的演变阶段和稳定状况做出评价和预测。成因历史分析法是一种定性的工程地质分析方法，不仅能判定边坡的稳定性状态，也能对边坡稳定性演化做出预测，并能为定量的力学计算方法确定边界条件和选取参数，为工程地质类比法提出比拟依据。因此，成因历史分析法是各种分析方法的基础。( 2 ) 极限平衡分析法极限平衡法( l i m i t e de q u i l i b r i u mm e t h o d ) 直到目前为止，仍然是边坡稳定性分析的重要手段和实用方法。长期以来，国内外许多学者和研究人员一直致力于这种方法的研究，并取得了一系列重要的成果。1 9 1 5 年，瑞典人彼德森( p e t t e r s o nk e ) 首先对西= 0 粘性土坡提出了瑞典条分法【2 7 】：1 9 2 7 年费伦纽斯( f e l l e r m i u sw ) 在此基础上提出了普通条分法，该方法将边坡滑面假定为圆弧形，它满足力矩平衡条件，但不满足力平衡条件【2 。7 】：1 9 5 5 年毕肖普( b i s h o p ) 提出了修正的条分法( b i s h o p 法) ，该方法也假定边坡滑面为圆弧形，它满足力矩平衡条件和垂直方向的力平衡条件，但不满足水平方向的力平衡条件【2 8 】；1 9 5 6年j a n b u 提出了更精细的条分法( j a n b u 法) ；1 9 6 5 年m o r g e n s t e m 和p r i c e 又提出了一种新的条分法( m o r g e n s t e m - - p r i c e 法) ，该方法不对边坡滑面性状做任何假设，它既满足力平衡条件又满足力矩平衡条件，还容许条块间力的方向发生变化f 2 9 】：1 9 6 7 年s p e n c e r 提出了一种简化的条分法( s p e n c e r 法) ，它预先假定了条块间作用力方向【3 0 】；1 9 6 8 年j a n b u 提出了一种相对精确的条分法，它满足所有的平衡方程，适用于任意形状的滑面，条块间作用力方向也可以变化，但该方法容易产生计算方面的问题p u ；1 9 7 4 年h o c k 提出了进行边坡楔形体分析的方法，假定各滑面均为平面，以各滑面总抗滑力与楔形体总下滑力来确定稳定系到3 2 】；1 9 7 7 年r e v i u a 和c a s t i l l o 提出了剩余推力法【3 3 】；1 9 7 9 年s a r m a 提出了非垂直条分法( s a r m a 法) ，他认为除平面和圆弧面外，滑动体必须先破裂成相互滑动的块体后才能滑动【3 4 】。在岩质边坡的稳定性分析中，剩余推力法和s a r m a 法得到了广泛的应用。此外，国内学者也在极限平衡分析方法方面获得许多重要的成果。如潘家铮对边坡稳定问题提出了最大值和最小值原理，陈祖煜对该原理进行了理论上的证明。再如，不平衡推力法【3 别( i t f m ：i m b a l a n c et h r u s tf o r c em e t h o d ) 就是由我国工程技术人员在实践中独创出来的一种方法，由于该法计算简单，并且能够为边坡治理提供设计推力，在水利、铁路、公路等部门得到了广泛的应用，在国家规范和行业规范中都将其列为推荐的计算方法。还有，朱大勇等人对3西南交通大学硕士研究生毕业论文第5 页种著名边坡稳定性计算方法( m o r g e n s t r e n - - p r i c e 法、严格j a n b u 法与s a r m a 法)进行了实质性的改进，基于这些方法的基本假设，重新推导出更为简洁实用的稳定系数计算公式，极大的方便了边坡工程技术人员的掌握与应用【3 6 】。极限平衡法均以条分法为基础，将边坡划分为多个土条，分析各土条所受到的各种下滑力和抗滑力，用土条上的全部抗滑力矩与滑动力矩之比来定义边坡稳定系数，而不必考虑岩土体的应力应变关系以及边坡的变形。这种方法具有概念明确、假设基本合理、算式简捷、计算速度快等优点，目前国内外大多数规范中推荐或强制性规定边坡稳定性分析采用极限平衡法。但是，由于这种方法假定岩土体为理想刚塑性材料，把岩土体作为刚体按极限平衡原理进行力学分析，无法确定边坡变形、应力分布特征及其对边坡稳定性的影响。因此，极限平衡法存在着理论上的缺陷，在应用中受到一定的限制。( 3 ) 数值分析法自从1 9 6 6 年美国的c l o u g h 和w o o d w a r d 应用有限元法分析土坡稳定性问题以来，数值计算方法在岩土工程中的应用发展迅速，并取得了巨大进展。边坡稳定数值计算方法主要包括两大类：连续介质力学方法和不连续介质力学方法。连续介质力学方法包括：有限单元法p7 i ( f e m ：f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ) 、边界元法【3 8 ( b e m ：b o u d a r ye l e m e n tm e t h o d ) 、无限元法【3 8 i ( i e m ：i n f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ) 、显式有限差分法【3 9 l 等；不连续介质力学方法包括：块体理论、离散单元法【加 ( d e m ：d i s t i n c te l e m e n tm e t h o d ) 、不连续变形分析方法【4 1 ( d d a ：d i s c o n t i n u o u sd e f o r m a t i o na n a l y s i s ) 、界面元法等。将连续介质和不连续介质力学相互结合，又提出了若干耦合方法，以发挥离散元和d d a 在模拟不连续岩体方面的长处，并利用有限元、边界元等在模拟连续介质方面成熟的理论和计算技术，使应力分析、破坏及运动整个过程的数值有可能实现。王可均等研究了离散元与有限元的耦合方法及其应用，王元汉等研究了离散元法与边界元法耦合的方法及其应用。2 0 世纪9 0 年代初，由石根华、林德璋等人开拓和发展的数值流形元法【4 2 ( n m m ：n u m e r i c a lm a n i f o l dm e t h o d ) ，在解决有动、静交叉及连续与非连续介质耦合问题方面表现出明显的优势。近年来，国内不少学者改进和推广应用了流形元法，如建立了考虑岩体大变形和损伤问题的流形分析格式，应用流形元研究了裂隙扩展与追踪问题，建立了大变形问题的增量法流形元求解格式，以及应用无单元伽钌金法研究了流形元理论，进行了有关工程问题的计算。数值分析法弥补了极限平衡法不能求出本身的应力一应变关系和与实际西南交通大学硕士研究生毕业论文第6 页工作状态不完全相符的不足，计算结果比较精确，但本构关系的研究远远落后于计算技术的发展，成为制约边坡稳定分析计算成果可靠程度的瓶颈。因此，数值分析方法在理论模型的辨识、本构关系方面仍需作进一步深入研究。1 2 3 边坡治理研究现状【4 3 h 删欧美国家从1 9 世纪中叶开始了对边坡灾害防治的研究，我国对边坡灾害的系统研究和治理起步较晚，是2 0 世纪5 0 年代初才开始的。早期，由于人们对滑坡的性质和变化规律认识不深，对大、中型滑坡采取绕避措施，对小型滑坡则采取削坡减载、反压，以及抗滑挡土墙进行治理，排水工程更是优先考虑的措施。在第二次世界大战之后，随着各国经济的发展和国土资源的大力开发利用，工程中遇到的滑坡越来越多，其规模也越来越大，传统的简单治理措施已很难满足工程要求，此时，人们才开始考虑利用支挡结构进行滑坡治理。在滑坡防治的工程措施方面，我国同国外已没有本质区别，主要也经历了以下几个发展阶段：( 1 ) 5 0 年代以前，抗滑支挡结构基本上以抗滑挡土墙为主。( 2 ) 6 0 - - - 7 0 年代，抗滑支挡结构形式主要为大截面抗滑桩，其中包括悬臂桩、承台式桩、椅式桩、排架桩、刚架桩等。6 0 年代中期，铁二院在成昆线沙北1号滑坡及甘洛车站2 号滑坡首次采用大截面挖孔钢筋混凝土抗滑桩。7 0 年代中、后期，在深入研究抗滑桩受力状态和设计理论的同时，又研究开发出新的结构形式。1 9 7 6 年，铁四院在枝柳线罗依溪滑坡中使用了刚架排桩。1 9 8 3 年，成都铁路局在川黔线k 1 8 0 路堤滑坡中使用了椅式桩。( 3 ) 8 0 年代以来，预应力锚固技术被广泛应用于边坡工程灾害治理中，如李家峡水电站坝肩加固工程、京珠高速公路沿线边坡、金丽温高速公路k 8 1边坡加固工程等都大量使用了预应力锚固技术。在三峡工程建设过程中，仅永久船闸工程就采用了约1 0 万根锚杆和超过l 万根预应力锚索。预应力锚固技术既可以在框格梁、地梁、锚墩等条件下单独使用，也可以和抗滑桩联合使用而形成预应力锚索抗滑桩。由于预应力锚固工程具有结构简单、机械化施工程度高、施工灵活安全、对坡体扰动小、可迅速起到稳定坡体或减缓坡体变形的作用等优点而被广泛使用。( 4 ) 近年来，在边坡工程治理中，出现了微型桩、沉埋桩等新型的支挡措施。微型桩，即直径小于3 0 c m 的抗滑桩，这种桩具有桩位设置灵活、施工速度快等优点，在治理中小型滑坡方面优势非常明显；沉埋桩，即桩顶埋入地面西南交通大学硕士研究生毕业论文第7 页以下一定深度的抗滑桩，由于其桩长的减小而使得桩身弯矩和截面减小，可以有效的节省材料和工程造价。虽然，以上新型抗滑桩存在着诸多方面的优势和较大的应用潜力，但是，在e t 前的实际工程中应用还是比较少，以上其适用条件和计算理论尚不完善，还需要进行深入研究。长期以来，人们在进行支挡结构的设计时，习惯于采用确定性的设计方法，即认为边坡施工前的信息是确定的，通过对边坡信息的掌握在室内进行边坡的支挡结构设计。但是，由于边坡所处的地质条件的复杂性和多样性，在边坡施工前的信息总是具有不确定性，只有在施工过程中随着地质的揭露逐渐显示出来，因此，确定性设计总存在着许多不确定的因素。近年来，人们针对确定性设计的种种弊端，提出了基于风险概念的可靠性设计和动态设计方法，为边坡支挡的设计提出最佳和动态的治理方案。但是，这些方法目前在理论上还不是很完善，许多问题有待进一步解决。1 2 4 研究尚面临的难题目前，以上三方面的研究存在的主要难题体现如下：( 1 ) 边坡变形破坏机理研究方面：边坡的变形破坏机理在很大程度上取决于边坡所处的地质条件和外部影响因素，因此，要准确的判断边坡变形机理及破坏模式的首要任务就是清晰地认识和掌握复杂多样的地质条件及外部影响因素。然而，由于目前地质勘察手段还存在一定的局限性，对变形破坏模式的分析主要取决于工程技术人员的经验，在同样的问题上可能有不同的认识和判断。因此，对边坡变形破坏机理准确认识还存在一定的困难。( 2 ) 边坡稳定性评价方面：虽然，在边坡稳定性评价方法中，数值分析法克服了极限平衡法未考虑岩土体应力应变关系等方面的弊端，可以采用精确的本构关系进行分析计算，在实际理论上具有很大的优越性。但是，许多数值分析软件只能计算出坡体的应力、位移与塑性区的大小，而不能求得边坡的稳定系数，这就使得数值分析法的计算结果无法与极限平衡法计算出来的稳定系数进行定量比较，给两者的相互校对带来困难。( 3 ) 边坡治理效果定量评价方面：目前，对于边坡治理前稳定性评价的理论和方法相对比较成熟，已可以通过极限平衡法准确的计算出边坡稳定系数并对其稳定状态进行定量评价。但是，对于边坡治理后的稳定系数的计算则相对比较困难，在这方面的研究也比较少。由于只有计算出边坡治理后的稳定系数，才可能对边坡的支挡结构进行优化设计，否则，将会出现因治理后的边坡稳定西南交通大学硕士研究生毕业论文第8 页系数过高而造成不必要浪费。1 3 本文研究目标及研究内容l - 3 1 研究目标以犍为县医院门诊大楼后边坡治理工程为依托，在野外勘察和室内试验的基础上，分析边坡的变形破坏机理、影响因素、稳定状态及可能的发展趋势，提出技术可靠、经济合理的治理方案。1 3 2 研究内容结合国内外边坡目前的研究现状和门诊大楼后边坡的具体情况，确定本论文的研究内容如下：( 1 ) 地质环境研究：对边坡所处的区域地质环境、场区地质环境进行分析研究。包括地形地貌、地层岩性、地质构造、水文地质、气象特征、地震特征等，目的是全面分析边坡变形破坏的内在因素。( 2 ) 边坡变形破坏现象及过程研究：调查边坡的变形破坏现象和特征，恢复变形前的地质环境，模拟各种诱发因素的历史作用，以研究边坡变形、发展、破坏的全过程。( 3 ) 边坡变形破坏机理研究：在地质勘察资料和岩土体结构特征分析的基础上，根据边坡变形破坏现象及过程，并结合前人研究的成果，对边坡的变形机理及破坏模式进行分析，为边坡稳定性的评价奠定基础。( 4 ) 边坡稳定性研究：根据边坡变形机理及破坏模式，结合地质勘察资料及典型地质剖面，确定稳定性分析的计算模型和力学参数，计算边坡的稳定系数并进行边坡稳定性评价。( 5 ) 治理方案研究：结合边坡的破坏模式及稳定性评价结果，针对边坡的具体情况，提出技术可靠经济合理的边坡治理方案。( 6 ) 支挡效果研究：为论证边坡的支挡效果，研究设置支挡结构后边坡的变形特征和稳定状态。1 4 本文研究思路及技术路线与研究方法1 4 1 研究思路通过分析门诊大楼后边坡所处的地质环境及变形破坏过程，研究边坡的变形破坏机理，计算边坡的稳定系数，对边坡的稳定状态和发展趋势进行评价，西南交通大学硕士研究生毕业论文第9 页提出技术可靠经济合理的边坡治理措施，并对其治理效果进行研究。1 4 2 技术路线根据研究工作的基本思路，本论文研究工作的技术路线如图1 1 所示。1 4 3 研究方法针对本课题的研究内容，现将其研究方法阐述如下：( 1 ) 地质环境研究：在野外勘察和现场分析的基础上，对边坡所处区域地质环境和场区地质条件进行深入细致的研究，主要采取现场调查研究和室内数据统计分析的方法。( 2 ) 边坡变形破坏现象及过程研究：根据边坡所处区域地质环境和场区地质条件，结合现场调查资料( 边坡开挖卸载、降雨、风化等外部因素) ，从地质环境系统演化的角度，通过现场调查和数值模拟的方法，再现边坡变形、发展、破坏的全过程。( 3 ) 边坡变形破坏机理研究：采用工程地质法( 地质历史成因法) 和数值分析法相结合的研究方法，并借鉴前人的研究成果，分析边坡变形机理及破坏模式。( 4 ) 边坡稳定性研究：采用极限平衡法中的不平衡推力法( 非严格条分法)和s p e n c e r 法( 严格条分法) 计算边坡的稳定系数，为验证极限平衡法计算结果的可靠性，进一步采用数值分析法计算稳定系数。( 5 ) 治理方案研究：结合本边坡具体的变形破坏特征和类似工程的防治措施，提出技术可靠经济合理的整治措施，并对其进行相关的优化设计。( 6 ) 支挡效果研究：利用f l a c 3 d 软件计算分析设置结构支挡前后坡体的应力、位移大小分布情况，以评价支挡结构设置的合理性和支挡效果。西南交通大学硕士研究生毕业论文第1 0 页图1 1 本论文研究工作的技术路线西南交通大学硕士研究生毕业论文第1 1 页第二章场地工程地质条件该边坡位于四川省犍为县人民医院，本医院坐落在g 2 1 3 国道( 乐山至沐川公路段) 西侧，交通条件相当便利( 见图2 1 ) 。考虑到医院在当地医疗、卫生等方面的重要地位及其长远发展，医院于2 0 0 4 年筹资新建门诊大楼，此工程规划在医院c t 楼东侧斜坡中下部，由于受建筑场地所限，需要开挖部分自然斜坡以满足门诊大楼建筑和施工的场地要求。2 0 0 5 年3 月，施工单位进行建筑场地平整施工，在门诊大楼后侧丌挖边坡并形成坡长6 6 m 、坡高1 7 5 3 1 8 1 8 m 、坡度5 0 0 6 0 0 的高陡边坡，此边坡为本文的具体研究对象，其场区工程地质平面图见图2 2 所示。图2 1 边坡交通位置图2 1 自然地理特征犍为县隶属四川省乐山市，是乐山市第一大县，位于岷江下游、川西平原西南边缘，地处北纬2 9 。12 ”至2 9 0 2 7 4 7 ”东经1 0 3 0 4 3 3 5 ”至1 0 4 0 1 1 4 8 ”。北邻乐山市中区，东连四川省工业基地宜宾、自贡两市，南接马边河和金沙江经济开发区。面积1 3 7 5 4 平方公里，辖1 2 镇、1 8 乡，人口5 8 万。犍为县属于亚热带湿润性气候区，四季分明，气候宜人，冬暖夏凉。据县气象站资料，犍为县多年平均气温为1 7 5 ，无霜期长达3 3 3 天，雨量充沛，年平均降水量1 1 4 1 3 m m ，光照充足，年平均日照9 5 7 9 小时。县境内地形地貌多样，坝、丘、山皆具，以丘陵为主。地势东北、西南高，东、南低，最高海西南交通大学硕士研究生毕业论文第1 2 页匝旧蟮霉醛h凶鎏n山匝西南交通大学硕士研究生毕业论文第1 3 页_ _ 一i n |_mm 一团旧幂蟮粤醛h_【i【山匝西南交通大学硕士研究生毕业论文第1 4 页拔1 0 4 7 m ，最低海拔3 0 8 m 。2 2 地形地貌场地位于浅丘斜坡中下部，总体地势西北高东南低，地形呈斜坡小坎状，东侧坡脚处与g 2 1 3 国道( 乐山至沐川公路段) 紧邻，南侧坡脚处为由西向东的宽缓原始冲沟，属斜交坡地形，坡度为1 5 0 4 5 0 ，地面标高最低处为3 3 1 2 3 m ，最高处为3 5 0 0 6 m ，相对高差1 8 8 3 m 。近期门诊大楼场地开挖后，在紧邻c t 楼东侧形成高陡边坡，坡度约5 0 0 6 0 0 ，局部近似直立，坡顶标高3 3 1 7 2 m ，坡底标高3 4 9 5 4 m ，最大坡高1 7 8 2 m 。地貌成因属侵蚀剥蚀堆积类型，微地貌属浅丘斜坡中下部，南端坡脚为原始冲沟，东侧开挖区与岷江i i 级阶地相邻。2 3 地层岩性据钻探揭露及地面地质调查，区内地层呈两大类