边坡稳定性分析.doc

1、第 一 章 绪论 1 1 引言 边坡是自然或人工形成的斜坡，是人类工程活动中最基本的地质环境之一，也是工程建设中最常见的工程形式。随着我国基础设施建设的蓬勃发展，在建筑、交通水利、矿山等方面都涉及到很多边坡稳定问题。边坡的失稳轻则影响工程质量与施工进度，重则造成人员伤亡与国民经济的重大损失。因此，边坡的勘察监测、边坡的稳定性分析、边坡的治理，是降低降低灾害的有效途径，是地质和岩土工程界重点研究的问题。 随着城市化进程的加速和城市人口的膨胀， 越来越多的建筑物 需要 被建造，城市的用地也越来越珍贵。 特别是对于长沙这样多丘 陵的城市来说，建筑边坡成为了不可避免的工程。 1.2 边坡 破坏类型 边

2、坡的破坏类型从 运动形式 上 主要 分为崩塌 型和滑 坡 型 。 崩塌破坏是指块状岩体与岩坡分离，向前翻滚而下。一般情况岩质边坡易形成崩塌破坏，且在崩塌过程中岩体无明显滑移面。崩塌破坏一般发生在既高又陡的岩石边坡前缘地段， 破坏 时大块岩体 由于重力或其他力学作用下 与岩坡分离而倾倒向前。 崩塌经常发生在坡顶裂隙发育的地方。主要原因有：风化等作用减弱了节理面的黏聚力，或者是雨水进入裂隙产生水压力，或者是气温变化、冻融松动岩石，或者是植物根系生长造成膨胀压力，以及地震 、雷击等外力作用 （图1-1）。 滑 坡是指岩土体在重力作用下 ，沿坡内软弱面产生的整体滑动。 与崩塌相比滑坡通常以深层破坏形式

3、出现，其滑动面往往深入坡体内部，甚至可以延伸到坡脚以下。其滑动速度虽比崩塌缓慢，但是不同的滑坡滑动速度相差很大，这主要取决于滑动面本身的物理力学性质。当滑动面通过塑性较强的岩土体时，其滑动速度一般比较缓慢；相反，当滑动面通过脆性岩石，且滑动面本身具有一定的抗剪强度，在构成滑面之前可承受较高的下滑力，那么一旦形成滑面 即将下滑时，抗剪强度急剧下降，滑动往往是突发而迅速的。滑坡根据滑动模式和滑动 面的纵断面形态可以分为平面滑动、 圆弧滑动 、 楔形滑动 以及复合形 。 当滑动面倾向与边坡面倾向基本一致，并且存在走向与边坡垂直或接近垂直的切割面，滑动面的倾角小于坡角且大于其摩擦角时有可能发生平面滑动

4、。平面滑动可以分为单平面形、折线形 、连续曲面形 等 。 单平面形滑动面为一平直面，它常常是地质上先期已经存在的软弱结构面，如岩层面、构造面（断层错动面、大节理面、片理面等），基岩顶面的剥蚀面、不整合面、老地面、不同成因的堆积（坡积、崩积、洪积物）面等 （图 1-2）。常见的有三种情况 :第一，堆积物（包括坡积、崩积、洪积物及人 工堆积物）沿下伏的平直的基岩顶面，老地面或不同成因的堆积面滑动；第二，较坚硬的岩层（如砂岩、石灰岩等 ） 或互层岩层沿下伏软弱岩层（如泥岩、页岩、泥灰岩等）或层向错动带滑动。其后缘破裂面符合与走向与层面走向一致的张裂面，或一组X 节理面，所以呈直线；第三，半层岩地层，

5、如第四纪初形成的河、湖地层，因含有遇水易膨胀的矿物（如蒙脱石），强度低，上覆岩层沿下伏受水软化的岩层滑动。 折线形滑动面为若干个平直面得组合，它可以是基岩顶面的剥蚀面、不同成因或成分的堆积面，也可以是基岩中层面或构造结构面得组合面，是最常见的滑动面形 态 （图 1-3）。 连续曲面形滑动面为倾向沟谷等临空面得上陡下缓逐渐变化的软弱岩层或层间错动带，常常是向斜的一翼，形成大型或特大型岩石顺层滑坡（图 1-4）。 圆弧滑动的滑动面为圆弧面或螺旋曲面，它不受地质上先期形成的软弱面控制，主要受控于坡形造成的最大剪应力面，与滑动过程同时形成，因此也有人称其为同生面 （图 1-4） 。滑坡发生前在坡脚附近

6、出现应力集中，剪应力超过该部位土体的抗剪强度造成坡体蠕动，应力调整，坡顶则产生拉力破坏出现张拉裂缝，一旦滑面中段全部出现剪应力大于土体的抗剪强度，滑坡将发生整体滑移。由于滑动面 为圆弧型，故以旋转滑动为主。在有地下水活动的情况下，滑动面的一部分常符合与 地下水位的波动线上，这类滑坡多出现在匀质土坡和强风化的破碎岩石斜坡。 楔形破坏一般发生在边坡中有两组结构面与边坡斜交，且相互交成楔形体。当两组结构面的组合交线倾向与边坡倾向相近，倾角小于坡面角而大于其摩擦角时，容易发生这类破坏（图 1-5）。 由于边坡物质组成和坡体结构的特殊性和复杂性，但以破坏形式的发生往往较少，或者其规模相对较少，一般的边坡

7、变形和破坏是上述几种基本破坏类型的复合，故称之为复合型破坏（图 1-6）。复合型破坏可以简单的归 纳为平面形和圆弧形的组合，由于其空间形态的组合变化，其复合形式更为多样和复杂。 1.3 边坡滑动变形发育过程 边坡在发生滑动之前通常是稳定的，由于各种因素影响，边坡土体强度逐渐降低， 或边坡内部剪切力不断增加，使边坡的稳定状况受到破坏。在边坡内某一部分因抗剪强度小于剪切力而首先变形，产生微小滑动， 以后变形逐渐发展，直至坡面出现断续的拉张裂缝。随着裂缝的出现，渗水作用加强，变形进一步发展。后缘拉张裂缝加宽，开始出现不大的错距，两侧剪切裂缝也相继出现。坡脚附近的土石被挤压，滑坡出口附近潮湿渗水，此时

8、滑动面己大部分形 成，但尚未全部贯通。随着边坡变形的继续发展，后缘拉张裂缝进一步加宽，错距不断增大。两侧剪切裂缝贯通井撕开。边坡前缘的土石挤紧并鼓出，出现大量的鼓张裂缝，滑坡 出口附近渗水混浊，这时滑动面已全部形成，接着便开始整体地向下滑动了。 边坡变形破坏的发生是一个长期的变化过程， 按照滑坡的受力和变形特征将其分为蠕动阶段、挤压阶段、滑动阶段、剧滑阶段和稳定压密阶段（表 1-1）。 1.4 边坡稳定影响因素 1.4.1 结构面在边坡破坏中的作用 边坡的稳定性随组成边坡的岩体中结构面（诸如断层、节理、层面等）的倾角而变化。如果这些 结构面是直立的活水平的，就不会发生单纯的滑动，此时的边坡破坏

9、将包括完整岩块的破坏以及沿某些结构面的滑动。另一方面，如果岩体所含的结构面倾向于坡面，倾角又在 30 70之间，就会发生简单的滑动。因此，边坡中存在的各种形式结构面 是影响其稳定性的首要因素。岩体的结构特征对边坡应力场的影响主要表现为由于岩土体的不均一和不连续性，使沿结构面周边出现应力集中和应力阻滞现象。因此，它构成了边坡变形与破坏的控制条件，从而形成不同类型的变形与破坏机制。 1.4.2 边坡外形对边坡稳定性影响 边坡形态指边坡的高度、长度、坡角、 平面形态、剖面形态以及边坡的临空条件等 。 边坡形态对边坡的稳定性有直接影响。不利形态的边坡往往在坡顶产生张应力，并引起坡顶出现张裂缝 ： 在坡

10、脚产生强烈的剪应力，出现剪切破坏带，这些作用极大地降低边坡的稳定性 。 一般来说，坡度越陡，边坡越容易失稳，坡度越缓，边坡越稳定：而坡高越大，对边坡稳定越加不利。平面上呈凹形的边坡较呈凸形的边坡稳定：同是凹形边坡，边坡等高线曲率半径越小，越有利于边坡稳定。 1.4.3地下水条件对边坡稳定的影响 滑坡的发生与地下水和地表水的关系紧密。绝大多数 滑坡都或多或少有地下水的作用。 地下水对 边坡稳定性的影响可反映在以下几个方面： a.静水压力 处于地下水位以下的透水边坡将承受水的浮托力的作用，使坡体的有效重量减轻；而不透水的边坡，坡面将承受静水压力，充水的张开裂隙也将承受裂隙静水压力的作用，这些都对边

11、坡的稳定不利。地下水的存在使边坡上体的含水量增大，上体容重也随之增加，而且孔隙水压力也随之增大，从而引起剪应力增大和土体抗剪能力下降，使边坡稳定受到影响。 b.动水压力 地下水的渗透流动，将对坡体产生动水压力，在动水压力作用下，水流将带走边坡断层破碎带或其它软弱结构面中的细小颗粒，经过长期的渗流作 用，上质边坡内部可能形成较为连贯的渗流通道，随着通道的不断扩大，坡体不断被淘空，最终将导致边坡失稳。 c.水的软化作用 水的软化作用指由于水的浸泡使边坡土体强度降低的作用。对于碳酸盐岩红粘性土边坡，在地下水的作用下，土体强度将比干燥时大为降低，浸水后的软化现象非常明显，严重影响边坡稳定。 此外，地下

12、水的溶蚀和潜蚀也直接对边坡产生破坏作用。出露的地下水可能，冲刷边坡坡脚，并不断侵蚀掏空，使边坡不断崩垮，引起坡体整体失稳。 1.4.4各种外力作用多边坡稳定性的影响 区域构造应力的变化、地震、气候条件及人类活动等 都会对边坡稳定性造成较大的影响。 边坡处于一定历史条件下的地应力环境中，特别是在新构造运动强烈的地区，往往存在较大的水平构造残余应力。因而这些地区边坡岩体的临空面附近常常形成应力集中，主要表现为加剧应力差异分布。在坡脚、坡面及坡顶张力带表现的最为明显。地震对边坡稳定性的影响较大，地震作用导致边坡稳定性降低主要是由于地震作用产生水平地震附加力，使边坡下滑力增大：而且，在地震力的作用下，

13、边坡岩上体的结构发生变化甚至破坏，出现新的结构面或使原有结构面张裂、松弛，地下水状态也有较大变化，孔隙水压力增大，边坡岩上体强 度降低，随着地震力的反复作用，边坡发生位移变形，最终导致破坏。 分化作用使坡体强度减小，坡体稳定性大大降低，加剧了斜坡的变形与破坏。坡体土风化越深，斜坡稳定性越差，稳定坡角越小。降水对滑坡形成也十分明显。降水是地下水的重要补给来源，降水量大的地区较降水量小的地区滑坡数量多，灾害严重。 人为因素在滑坡形成中的作用越来越大。开挖削坡、坡顶加载、爆破震动、地下开挖以及破坏坡面植被都会对边坡稳定产生影响。 1.5边坡 稳定性分析与评价 边坡的稳定性分析一直是学者研究的热点问题

14、，目前边坡稳定评价方法很多归纳起来有以下六 类： a.地质分析法 。 根据边坡的工程地质条件分析、判断边坡的稳定性。其不足之处是不能进行定量评价。 b.经验类比法 。 通过大量相似的两个或多个边坡进行比较，根据它们的属性推出其它属性的相似性的方法，这是一种定性评价方法。 c.结构分析法 。 通过大量的结构面统计，应用赤平投影、实体比例投影和摩擦圆方法判断边坡稳定性，也是一种定性评价法，难以量化。 d.极限平衡法 。 该法把滑体视为刚体，分析其沿滑动面的平衡状态。常用方法有 Fellenius法、 Bishop法、 Sarma法等，主要优点是简便，其缺点是把岩体作为刚体处理 不能反映岩体内部的真

15、实的应力 应变关系；稳定性系数是滑动面上的平均值，带有一定的假定性， 也无法考虑累进性破坏对稳定性的影响；各种计算方法本省还有不同的假设，均有一定的适用范围和局限性，都是把超静定问题变为静定问题处理。 e.数值分析法 。 在边坡稳定性评价中常用的数值分析方法有有限元法、边界元法、离散元法等。这些分析方法本身具有较高精度，但受地质模型、简化的力学模型和力学参数等的影响，使“高精度”的计算结果难以作出“高准确”评价。 f概率分析法 。 该法是以极限平衡原理建立状态方程，在定值稳定系数方法基础上计算边 坡的不稳定性概率的方法。 边坡稳定性评价研究已取得很大进步，但任存在不少问题 ，无论那一种评价方法

16、都有其适用性与局限性。近年来，非线性科学理论、非连续介质理论、可靠性分析理论以及计算机技术的发展为边坡稳定性问题研究提供了新的方法。多学科，多专业的交叉渗透研究已成为边坡稳定分析的发展方向。 一般而言对于土质边坡， 由于边坡表面倾斜，在岩体自重及结构物的作用下，整个岩体都有从高处向低处滑动的趋势。如果岩体内某一个面上的下滑力超过抗滑力，或者面上的每点的剪应力达到抗剪强度，若无支挡就有可能发生滑坡。边坡失稳在力学上主 要是一个强度问题，这时计算上可简化为一个静力平衡问题和一个岩土体屈服条件 ，常用极限平衡法。用极限平衡法分析边坡稳定时一般采用边坡稳定系数与（允许）安全系数（一般由规范规定）进行对

17、比的方法来加以判断，当边坡稳定系数大于安全系数时边坡安全稳定，否则，就认为是不稳定的不安全的。 1.6边坡加固研究 在边坡的稳定性系数不能满足规范要求时，就需要采取工程措施提高安全系数，以满足安全使用的需要。卸荷、坡趾压载、排水是通常采取的措施。采用这些方法，在边坡稳定性分析方面不增加任何新的内容，可以按已有的分析方法进行分 析和复核。当没采用上述措施或采取措施后仍不能使安全系数达到允许数值时，就需要使用结构性工程措施对边坡进行加固。 一些学者将土体的加固系统分为外部加固和内部加固两大类（表 1-2）。在20世纪 60年代以前，边坡加固主要依赖与外部加固。随着技术的进步，越来越多的内部加固措施

18、在边坡工程中得到了应用。内部加固依赖于施加在坡体内的加筋构建，如锚杆、锚索、土工布等。这些构件通常应插入潜在滑动面以后的岩体中。 对于内部加固的结构，一些学者又将其分为铺设型和现场改良型。 1.铺设型 铺设型指在填土过程中施加各种加筋构件，主要 包括以下几种： a.条型加筋构件。此类构件可以是经过处理的钢筋，也可以是条型非金属加筋带。 b.土工布加固构件。这类构件具有不同的规格型号，随着填土一层一层的铺设以适应不同的环境要求。 c.格栅型加筋构件。在 20世纪 70年代，制作此类构件技术日益更新，格栅型构件具有很高的强度与韧性，同时有利于排水。 d.插入式锚固件。 此类型构件的作用于土锚杆类似

19、，但是是随着填土现场铺设的。 2.现场改良型 a.土钉。土钉也即钢筋或金属管，可直接将其插入土体或软岩中，也可以埋进预先钻好的钻孔中。土钉与土体共同作用，以提高土体 凝聚力，通常可用于支护临时开挖边坡或加固不稳定边坡，以阻止其位移变形。 b.锚索。采用深部预应力锚索加固边坡方法可使滑坡体的空间变位得到有效约束，对于保持边坡稳定十分有效。 c树根桩。树根桩系统通常由直径为 7.5cm 30cm的混凝土群桩组成。该 群桩的树根状三维几何分布形态可使加固土体形成一个整体，可以有效地提高边坡稳定性。 国内外对边坡的 加固的支挡抗滑结构研究一直没有停止过。近年来抗滑桩作为一种支挡抗滑结构物广泛应用于边坡

20、滑坡的稳定性治理中。抗滑桩这种新型支挡结构由于具有施工方便、速度快、工程量少和节约 陈本等优点而发展的很快。国内抗滑桩较多的应用于铁路、公路中的滑坡治理，并取得了良好效果。 第二章 工程概况及设计依据和原则 2.1 工程概况 “ 麓山恋 迪亚溪谷 ” 山地低密度小区位于长沙市望城县含浦镇，地处于岳麓山 边， 紧靠长沙市 5000 亩白鹤自然保护区 ， 南临香格里拉大道，西临三环线（图 2-1） 。项目用地面积 22.0951 公顷 ， 有效规划用地面积 20.2805 公顷，东西宽 380 米，南北长 690 米，地块较为规划，南向为香格里拉大道，西向靠三环线，东北西向为待开发的山地，用地内有

21、大小各 异的四个湖面 。 “ 麓山恋 迪亚溪谷 ” 山地低密度住宅小区采用一次性规划、开发的建筑方式，包括住宅、商业、会所、幼儿园。共计总建筑面积 131689.82 平方米，其中 住宅面积 123968.36平方米，商业面积 6349.51 平方米，会所面积 626.84 平方米，幼儿园面积 745.11平方米。 本次毕业设计 对 麓山恋 迪亚溪谷山地低密度住宅小区工程 2 号路边坡 支护工程 进行 设计 。 场地地貌单元属低山丘陵地貌。拟 分析的 2 号路边坡 典型剖面 标高 为 68.58m。 2.2 工程水文地质条件 2.2.1 地形地貌 本工程 地处于岳麓山 边， 紧靠长沙市 500

22、0 亩白鹤自然保护区 。 场地地貌单元属低山 剥蚀 丘陵地貌 。 拟 分析的 2 号路边坡 典型剖面 标高 为 68.58m。 山坡植被发育，山坡 整体较陡 ,边坡坡度约 60。 2.2.2 地层岩性 根据钻探揭露， 拟建场地内埋藏的地层有人工填土层、（埋藏）植物层、第四系坡洪积层、残积层、泥盆系泥灰岩及砂岩。各地层的野外特征描述如下： （为地层编号，下同）人工填土（ Qml）：素填土，褐黄色、褐红色，主要由粘性土组成，不均匀夹 10 20的块石及砾石，局部地段夹少量建筑垃圾及生活垃圾，呈稍湿湿，松散稍密状态。层厚 0.50 5.50m。 （埋藏）植物层（ Qpd）：褐灰、深色，可见尚未完全腐

23、烂的植物根茎，湿很湿，可塑状态。摇震无反应，干强度及韧性中等，捻面较光滑。层厚 0.501.80m。 第四系坡洪积（ Qdl）粉质粘土：褐红、褐黄夹灰白、褐黑色团粒，局部块石及小砾石，呈稍湿，硬塑坚硬状态，其捻面稍光滑，摇震无反应，干强度及韧性中等。层厚 0.50 8.20m。 第四系 残 积 （ Qel） 粉质粘土：褐黄、浅红、银灰等色，系由泥灰岩及砂岩风化残积而成，原岩结构较清晰，局部不均匀夹强风化块，呈稍湿，硬塑坚硬状态，其捻面稍 光滑，摇震无反应，干强度及韧性中等。层厚 0.50 9.00m。 泥灰岩：褐黑色，隐晶质结构，中薄层状构造，局部发育完整的方解石脉，根据其风化程度的不同，可分

24、为强风化及中风化两带。 强风化泥灰岩：灰黄、浅红、褐灰等色，节理裂隙很发育，合金钻进容易，岩芯呈碎块状、土夹碎块状，碎块用手可折断。属极软岩，岩体基本质量等级为类。层厚 0.40 5.10m。 中风化泥灰岩：褐黑色，节理裂隙发育，合金钻进难，金刚石钻进容易，岩芯多呈碎短柱状、块状。属极软岩，岩体基本质量等级为类。层厚不详。 2.2.3 地质构造 根 据长沙地区区域地质调查报告（湖南省地质矿产局 1989 年）及野外勘察结果分析：本线路位于长沙洼陷中。长沙洼陷属永安地洼的南西端，在不断的拱断作用下，由地洼沉积层组成褶皱平缓的红色盆地，以及多期活动直至挽近时期仍在活动的三条主干断裂组成的活动断裂带

25、为期特色。但在本场地勘察范围内地质构造简单，未发现有大的断裂存在。 2.2.4 水文条件 勘察期间，正值枯水季节，仅部分钻孔遇见地下水。主要为赋存在人工填土及第四系地层中的上层滞水、基岩裂隙水；上层滞水主要受大气降水和地表水补给，随季节变化大；基岩裂隙水主要赋存在泥 灰岩及砂岩裂隙中，受大气降水补给，随季节性变化较大，无统一水位，水量较小。 根据勘察结果，结合地区工程经验和室内渗透试验结果综合判定：场地内地层均为弱透水地层。 取上层滞水进行简易水质分析 ， 根据场地各地层的渗透性和规范GB50021-2001 第 12.2.1 条、 第 12.2.4 条、 第 12.2.5 条关于场地地下水对

26、建筑材料的腐蚀性评价标准，进行地下水对建筑材料的腐蚀性评价 。 评价结果表明：本场地上层滞水水质对混凝土无腐蚀性，对钢筋混凝土结构中的钢筋不具腐蚀性，对钢结构具弱腐蚀性 。 2.2.5 地震效应 本区属长江中下 游地震亚区的麻城 岳阳 定远地震带。 根据湖南省地震局资料，长沙市历史上没有中强以上地震，长沙市地震基本烈度为六度。区内记载有感地震 18 次，另自 1978 年湖南省地震局建立全省地震台网以来，共测得微地震 24 次，多发生于洞庭湖周围各县。 根据勘察结果、已有研究资料、 2001 年版中国地震局（ GB18306-2001） 中国地震动峰值加速度区划图、铁路抗震设计规范，拟建场区所

27、在地区抗震设防烈度为 6 度，设计基本地震加速度值为 0.05g；地震反应谱特征周期为 0.35s，设计地震分组为第一组。 2.2.6 气候条件 长 沙市属中亚热带湿润季风气候区，具有四季分明、温暖潮湿、雨量充沛、严寒期短等特点。多年平均气温 17.1 ，极端最高气温 40.6 ( 1953 年 8 月13 日 )，极端最低气温 -12.0 (1972 年 2 月 9 日 )。常年主导风向为东南风，多年平均风速 2.6m/s，实测最大风速 20.7m/s ，无霜期 275d，日照时数 l636h，多年平均蒸发量 1316mm。年平均相对湿度 79.5，年最小相对湿度 14.2。多年平均降雨量

28、1394.6mm，最大年降雨量 1751.2mm（ 1998），最小年降雨量 708.8mm（ 1953） ，最大月降雨量 515.3mm，最小月降雨量 1.2mm，最大日降雨量 192.5mm，每年 4 8 月为雨季，其降雨量约占全年的 80，由于雨水集中，易引发山洪，江河陡涨。 2.3 设计依据与原则 2 3.1 边坡设计依据 首先 是 设计所采用的相关规范规程 ： 1、 建筑边坡工程技术规范（ GB50330 2002）； 2、 岩土工程勘察规范（ GB50021 2001）； 3、 建筑地基基础技术规范（ GB50007 2002）； 4、 建筑桩基技术规范（ JGJ94 2008）； 5、 滑坡防治工程设计 与施工技术规范（ DZ/T0219 2006）； 6、 地质灾害防治工程设计规范（ DB50/5029-2004） ； 7、 混凝土结构工程质量验收规范（ GB50204 2002）； 8、 混凝土强度检验评定标准（ GBH107 87）； 9、 混凝土结构设计规范（ GB50010 2002）； 10、 土层锚杆设计与施工规范（ CECS22:90）； 11、 总图制图标准（ GB/T50103 2001）等规程规范。 其次是任务书给定的工程资料： 1、 麓山恋迪亚溪谷山地低密度住宅小区工程 2 号路边坡地质资料 ； 2、 典型计算剖面图（图 2-2）。