1、1岩体力学结课论文题目：岩石边坡稳定性分析姓名: 赵鹏飞 2班级: 城 地 142 学号: 3141651054 2016 年 6 月岩体力学论文第 1 页摘要边坡失稳破坏是一种复杂的地质灾害过程，边坡内部结构的复杂性和组成边坡岩石物质的不同，造成 边坡破坏具有不同模式。对于不同的破坏模式就存在不同的滑动面，因此应采用不同的分析方法及计算公式来分析其稳定状态。目前用于边坡稳定性的分析方法包括工程类比法、图解法、极限平衡法、极限分析法及可靠度分析方法，其它如模糊数学分析法、分形分维理论、灰色理 论分析法及神经网络分析法、信息优化 处理法等，另外，还有地 质力学模型等物理模型方法和现场监测分析方法
2、等。计 算结果表明,采用有限元法和极限平衡两种方法结合使用来评价岩质边坡稳定性能是可行的,而对于复杂的岩质边坡,采用多种方法相互校核可以提高评价分析的准确度,这也是今后的研究方向。关键字：边坡 稳定性 模型 方法 信息化岩体力学论文第 2 页目 录目 录 2第一章绪论 31.1 简介 31.2 岩质边坡的研究背景和意义 .3第二章 土坡失稳原因分析 42.1 内部因素 42.2 外部因素 4第三章 土坡稳定性分析 53.1 无粘性土坡稳定性分析 53.2 粘性土坡稳定性分析的常用设计方法 63.3 边坡稳定分析的总应力法和有效应力法 9第四章 土坡稳定分析的几个问题讨论 104.1 关于挖方边
3、坡和天然边坡 104.2 关于圆弧滑动法 104.3 土的抗剪强度指标选用问题 114.4 安全系数选用问题 11岩体力学论文第 3 页第五章 结语及建议 11参考文献： 12第一章绪论1.1 简介边坡一般是指具有倾斜坡面的土体或岩体，由于坡表面倾斜，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为的工程措施，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土（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。土坡就是具有倾斜坡面的土体。土坡有天然土坡
4、，也有人工土坡。天然土坡是由于地质作用自然形成的土坡，如山坡、江河的岸坡等；人工土坡是经过人工挖、填的土工建筑物，如基坑、渠道、土坝、路堤等的边坡。本文主要介绍目前常用的土坡稳定分析方法，学习要点也是与土的抗剪强度有关的问题。1.2 岩质边坡的研究背景和意义随着国民经济的发展，矿山开采、交通运输、水利和人防等建设工程中所遇到的岩质边坡问题越来越多，这些边坡工程的稳定性及其对周边环境的影响岩体力学论文第 4 页已引起了人们的极大关注。目前，边坡稳定已经和地震、火山并称为当今三大地质灾害源。国家和地方已经投入了大量的人力、物力和财力来进行这方面的研究和治理。在采矿工业中，露天采矿所占的比重迅速增加
5、，露天矿开采深度的逐渐加大，不可避免地出现高达数百米的高边坡，如何在保证这些边坡稳定的前提下使得废石剥离量较小而矿石开采量较大，在经济性与安全性之间追求一个最优的平衡点，己成为了众多专家和学者要致力解决的问题。很多水利水电工程也都涉及到边坡问题，特别是那些水利水电枢纽工程，形成水库的基本物质条件山体，本身就有大量的边坡稳定性问题。举世瞩目的长江三峡工程，其中一个关键的问题就是船闸边坡的稳定性问题。因此岩质边坡的研究极为重要。岩体力学论文第 5 页第二章 土坡失稳原因分析土坡的失稳受内部和外部因素制约，当超过土体平衡条件时，土坡便发生失稳现象。2.1 内部因素产生滑动的内部因素主要有：（1）斜坡
6、的土质：各种土质的抗剪强度、抗水能力是不一样的，如钙质或石膏质 胶结的土、湿陷性黄土等，遇水后 软化，使原来的强度降低很多。 （2）斜坡的土层结构：如在斜坡上堆有较厚的土层，特别是当下伏土层(或岩层)不透水时，容易在交界上发 生滑动。 （3）斜坡的外形：突肚形的斜坡由于重力作用，比上陡下缓的凹形坡易于下滑；由于粘性土有粘聚力，当土坡不高时尚可直立，但随时间和气候的变化，也会逐渐塌落。2.2 外部因素促使滑动的外部因素主要有：（1）降水或地下水的作用：持续的降雨或地下水渗入土层中，使土中含水量增高，土中易溶盐溶解，土 质变软 ，强度降低；还可使土的重度增加，以及孔隙水压力的产 生，使土体作用有
7、动、静水 压力，促使土体失稳，故设计斜坡应针对这些原因，采用相 应的排水措施。 （2）振动的作用：如地震的反复作用下，砂土极易发生液化；粘性土，振 动时易使土的结构破坏，从而降低土的抗剪强度；施工打桩或爆破，由于振动也可使邻 近土坡变形或失稳等。 （3）人为影响：由于人类不合理地开挖，特别 是开挖坡脚；或开挖基坑、沟渠、道路 边坡 时将弃土堆在坡顶附近；在斜坡上建房或堆放重物时，都可引起斜坡变形破坏。岩体力学论文第 6 页第三章 土坡稳定性分析3.1 无粘性土坡稳定性分析干的无粘性土坡：处于不渗水的砂、砾、卵石 组成的无粘性土坡，只要坡面上 颗粒能保持稳定，那么整个土坡便是稳定的。有均 质无粘
8、性土坡，坡角为 ，自坡面上取一单元土体，其重量为 W，由 W 引起的顺坡向下的滑力为 TWsin ，对下滑单元体的阻力为：TfNtgWcostg (式中 为无粘性土的内摩擦角 )，因此，无粘性土坡的 稳定系数为：(3-1-1)tgWTKf sinco由此可得如下结论：当 时，K1，土坡处于极限稳定状态，此时的坡角 为自然休止角；无粘性土坡的稳定性与坡高无关，仅取决与 t 角，当 时， K1，土坡稳定。有渗流作用的无粘性土坡：有渗流作用的无粘性土坡，因受到渗透水流的作用，滑动力加大，抗滑力减小，沿渗流逸出方向的渗透力为 Jir w。因土渗水，其重量采用浮重度 r进行计算，故其稳定系数为(3-1-
9、2)cos(sin icwrtgrk当渗流方向为顺坡时， ，i=sin,则其 K 为岩体力学论文第 7 页(3-1-3)tgrksa式中： ，说明渗流方向为顺坡时，无粘性土坡的稳定系数与干坡相比，将降1satr低 1/2。当渗流方向为水平逸出坡面时，0， i=tg，则 K 为(3-1-4)tgrkw)(_2式中： ，说明与干坡相比下降了一半多。21wrtg上述分析说明，有渗流情况下无粘性土坡只有当坡角 时，才稳定。3.2 粘性土坡稳定性分析的常用设计方法1瑞典圆弧法基本假设：均质粘性土坡滑动时，其滑动面常近似为圆弧形状，假定滑动面以上的土体为刚性体，即设计中不考虑滑动土体内部的相互作用力，假定
10、土坡稳定属于平面应变问题。基本公式：取圆弧滑动面以上滑动体为脱离体，土体绕圆心 O 下滑的滑动力矩为 MsWa，阻止土体滑动的力是滑弧 AED 上的抗滑力，其值等于土的抗剪强度 f与滑弧 AED 长度 L 的乘积 ，故其抗滑力矩为：(3-2-1)RLMf安全系数：岩体力学论文第 8 页K抗滑力矩/滑动力矩 (3-2-2)1WaRLMis式中：L滑弧弧长；R滑弧半径；滑 动土体重心离滑弧圆心的水平距离。该法适应于粘性土坡。后经费伦纽斯改进，提出 的简单土坡最危险的滑弧是通过坡角的圆弧，其圆心 O 是为 AO 与 BO 两线的交点，可查表确定。2瑞典条分法当按滑动土体这一整体力矩平衡条件计算分析时
11、，由于滑面上各点的斜率都不相同，自重等外荷载对弧面上的法向和切向作用分力不便按整体计算，因而整个滑动弧面上反力分布不清楚；另外，对于 0 的粘性土坡，特别是土坡为多层土层构成时，求 W 的大小和重心位置就比较麻烦。故在土坡 稳定分析中，为便于计算土体的重量，并使计算的抗剪强度更加精确，常将滑动土体分成若干竖直土条，求各土条对滑动圆心的抗滑力矩和滑动力矩，各取其总和， 计算安全系数，这即为条分法的基本原理。该法也假定各土条为刚性不变形体，不考虑土条两侧面间的作用力。3毕肖普法毕肖普法提出的土坡稳定系数的含义是整个滑动面上土的抗剪强度 tf 与实际产生剪应力 T 的比，即 Kt ft，并考 虑了各
12、土条侧面 间存在着作用力，其原理与方法如下：假定滑动面是以圆心为 O，半径为 R 的滑弧，从中任取一土条 i 为分离体，其分岩体力学论文第 9 页离体的周边作用力为：土条重 Wi 引起的切向力 Ti 和法向反力 Ni，并分别作用于底面中心处；土条侧面作用法向力 Ei、Ei+1：和切向力 Xi、Xl+i，。根据静力平衡条件和极限平衡状态时各土条力对滑动圆心的力矩之和为零等，可得毕肖普法求土坡稳定系数的普遍公式，即(3-2-3)aiWtgXiLCmk iiiasn)(co111(3-2-4)aitgXibkiiasn)(111式中：(3-2-5)Kaitgimai 1snco上式用起来十分繁杂，为
13、此，毕肖普忽略了条间切向力，即 Xi+1Xi0， 这样就得到了国内外广泛使用的毕肖普简化式(3-2-6)aiWtgCiLmkiasn)co(1由于推导中只忽略了条间切向力，比瑞典条分法更为合理，与更精确的方法相比，可能低估安全系数(27) 。4有限元法基本思路：上述方法都是把滑动土体切成有限宽度的土体，把土体当成刚体，根岩体力学论文第 10 页据静力平衡条件和极限平衡条件求得滑动面上力的分布，从而可计算出稳定安全系数。但由于土体是变形体，并不是刚体，用分析 刚体的 办法，不满足变形协调条件，因而计算出滑动面上的应力状态不可能是真实的，有限元法就是把土坡当成变形体，按照土的变形特性，计算出土坡内
14、的应力分布，然后再引入圆弧滑动面的概念， 验算滑动土体的整体抗滑稳定性。应用步骤：（1）将土坡划分成许多单元体，用有限元法可以计算出每个单元的应力、应变 和每个结点的结点力和位移，一座土坝用有限元法分析所得竣工时坝体的剪应变分布图，可以清楚地看出 坝坡在重力作用下剪切变形的轨迹类似于滑弧面。 （2）土坡的应力计算出来以后，再引入圆弧滑动面的概念。图 96 中表示一个可能的圆弧滑动面，把滑动面分成若干小弧段Li，小弧段 Li 上的应力用弧段中点的应力代表，其值可以按有限元法应力分析的结果，根据弧段中点所在的单元的应力确定，表示为xi，zi，xzi 。如果小弧段 Li 与水平线的倾角 i，则作用在
15、弧段上的法向应力和剪应力分别为：(3-2-7)iiizixixzii xziziiziini 2sn)(21cos snco)(根据摩尔库仑强度理论，该点土的抗剪强度为：(3-2-8)itgCinfi（3)求边 坡稳定安全系数。将滑动面上所有小弧段的剪应力和抗剪强度分别求出后，累加求沿着滑动面的总 的剪切力 ili 和抗剪力 fi，边坡稳定安全系数为岩体力学论文第 11 页(3-2-9)niiilitgCk1)(其它方法：山区一些土坡往往覆盖在起伏变化的基岩面上，土坡失稳多数沿着这些界面发生，对这种起伏不平的滑动面分析，国内常用不平衡推力传递法。此外，土坡稳定分析也有洛巴索夫图表法，模糊 综合
16、评判法。3.3 边坡稳定分析的总应力法和有效应力法由于许多情况下土体内存在孔隙水压力，因此，在讨论边坡稳定计算方法中，作用在滑动土体上的力是用总应力表示还是用有效应力表示，这是一个十分重要的问题。当土坡中因某种原因存在孔隙水压力，计算摩阻力时如果扣除孔隙水压力，完全由有效应力计算，抗剪强度指 标应用有效强度指标，这样的分析方法称为有效应力法；如果不扣除孔隙水压力，摩擦阻力直接用公式了 TfiNitg 计算，这就是总应力法。通过参考有关书籍文献中对几个控制时期如何应用总应力法和有效应力法作较详细的探讨，其基本规律如下：1稳定渗流期土坡稳定分析，由于坝体内各点的孔隙水压力均能由流网确定，因此原则上
17、用有效应力法分析，而不用总应力法。2施工期的边坡稳定分析，可以分别用总应力法和有效应力法，前者不直接考 虑孔隙水压力的影响，后者必 须先计算施工期填土内孔隙水压力的发生和发展情况，然岩体力学论文第 12 页后才能进行稳定计算。3地震对边坡稳定的影响有两种作用：一是在边坡土体上附加作用一个随时间变化的加速度，因而产生随 时间变化的惯性力，促使边坡滑动；另一种作用是振动使土体趋于变密，引起孔隙水 压力上升，即 产生振动孔隙水压力，从而减小土的抗剪 强度。对于密 实的粘性土，惯性力是主要作用， 对于饱 和、松散的无粘性土和低塑性粘性土，则 第二种的作用影响更大目前更有效应力法进行地震边坡稳定分析尚有
18、一定的难度，一般情况下均采用 总应力法。 计算时将随时间变化的惯性力等价成一个静的地震惯性力，作用在滑动土体上，故称拟静力法。第四章 土坡稳定分析的几个问题讨论4.1 关于挖方边坡和天然边坡人工挖出和天然存在的土坡是在天然地层中形成的，但与人工填筑土坡相比有独特之处。 对均质挖方土坡和天然土坡稳定性分析，与人工填筑土坡相比，求得的安全系数比较符合实测结果，但 对于超固结裂隙粘土，算得的安全系数虽远大于 1，表面上看来已稳定，实际上都已破坏，这是由超固结粘土的特性决定的。随着剪切 变形的增加，抗剪力增大到峰值强 度，随后降至残余 值，特 别是粘聚力下降较大，甚至接近于零，这些特形对土坡稳 定性有
19、很大影响。4.2 关于圆弧滑动法该法把滑动面简单地当做圆弧，并认为滑动土体是刚性的，没有考虑分条之间的推力，或只考虑分条间水平推力(毕肖普公式)，故计算结果不能完全符合实际，但由岩体力学论文第 13 页于计算概念明确，且能分析复杂条件下土坡稳定性，所以在各国实践中普遍使用。由均质粘土组成的土坡，该方法可使用，但由非均质粘土组成的土坡，如 坝基下存在软弱夹层或土石坝等，其滑动面形状发生很大变化， 应根据具体情况，采用非 圆弧法进行计算比较。不论用哪一种方法都必须考虑渗流的作用。4.3 土的抗剪强度指标选用问题选用的土抗剪强度指标是否合理，对土坡稳定性分析结果有密切关系，如果使用过高的指标值来设计
20、土坝，就有发生滑坡的可能。因此， 应尽可能结合边坡实际加荷情况，填料性质和排水条件等，去合理选用土的抗剪 强度指标。4.4 安全系数选用问题从理论上讲，处于极限平衡状态的土坡，其安全系数 K1，所以：若设计土坡时的 K1，就应满足稳定要求，但 实际工程中，有些土坡安全系数虽大于 1，还是发生了滑动；而有些土坡安全系数小于 1，却是稳定的。 这 是因为影响安全系数的因素很多，如抗剪强度指标的选用、计 算方法的选择、 计算条件的 选择等。目前 对土坡稳定容许安全系数的数值，各部门尚无 统一标准， 选用时要注意 计算方法、 强度指标和容许安全系数必须相互配合，并要根据工程不同情况，结合当地已有经验加
21、以确定。第五章 结语及建议通过算例分析可得:采用有限元法和极限平衡两种方法 结合使用来评价岩质边坡稳定性能是可行的。岩体力学论文第 14 页强度折减有限元能得到与极限平衡几乎接近的安全系数和最大可能滑动面。通过算例表明有限元计算所得的安全系数与简化 bishop 的误差仅为 5%左右。二者结合来评价实际工程成为岩质边坡稳定性评价的发展趋势。有限元强度折减系数法克服传统极限平衡法的许多不足之处,得到了较符合实际情况的应力应变分布及发展趋势,分析方法概念清晰,意义明确,经由工程验证,可以用于岩质边坡的稳定分析。岩质边坡稳定性分析中虽然有很多新理论新方法,如神经网络、模糊数学等,但是由于还不是很完善
22、,实际工程中应用的较少,需要继续发展这方面的理论和工程应用研究。岩质边坡是一个很复杂的体系,是应该结合使用的定性分析和定量分析方法来分析其稳定性的,现在通常还是考虑多种定量方法并举、相互校核来提高评价分析的准确度。本工程采用极限平衡和有限元法相互校核就是一个很好的例子。参考文献：1 张永兴. 边坡工程学M. 北京：中国建筑工业出版社, 20082 华道柱.浅谈边坡稳定性分析方法J. 创新科技, 2013(09)3李双平. 边坡稳定性分析方法及其应用综述J. 人民长江 ,2010(20)4 王玉平; 曾志强; 潘树林.边坡稳定性分析方法综述J. 西华大学学报(自然科学版) ,2012(02)5 郑文博; 庄晓莹;李耀基等. 基于流形方法和图论算法的岩/土质边坡稳定性分析J.岩土工程学报,2013(11)6 殷宗泽;徐彬. 反映裂隙影响的膨胀土边坡稳定性分析J.岩土工程学报,2011(03)岩体力学论文第 15 页7 唐朝晖;柴波;刘忠臣等. 填土边坡稳定性的可靠度分析J.地球科学( 中国地质大学学报) 2013(03)8 王艳霞. 模糊数学在边坡稳定分析中的应用J. 岩土力学 ,2010(09)
