1、目录 第一章绪论 . 1 1.1 课题研究的意义 .卜 . 1 1.2 加锚边坡稳定性分析的研究现状 . 1 1.3 课题主要内容及研究路线 .， .， . 5 第二章常用的加锚边坡稳定性分析方法 .， .， .8 2.1 刚体极限平衡法 . 8 2.1.1 直线型滑楔法 .， .， . 8 2.1.2 瑞典圆弧滑动法 . 10 2.1.3Bishop 法 .， . n 2.1.4 扰动力法 . 13 2.1.5 分项安全系数法 . 14 2.2 塑 性极限分析法 .， .巧 2.2.1 极限分析的基本原则 .， . 15 2.2.2 土钉支护结构的极限分析法， . 16 2.3 有限元强度折
2、减法 .， . 18 第三章基于倾斜条块划分的加锚边坡稳定极限平衡分析法 .， 20 3.1 弓 一言 . 20 3.2 基于倾斜条块划分的边坡稳定性分析方法的基本原理 . 21 3.2.1 强度准则的选取及安全系数的定义 . 21 3.2.2 静力平衡条件及基本假设 . 22 3.2.3 计算分析需满足的合理性条件 .， .， . 23 3.2.4 理论公式的推导 . 23 3.2.5 小结 .， .， . 8 3.3 计算程序的编写与介绍二， . 29 3.3.1 概述 . . 9 武汉理工大学硕士学位论文 3.3.2 计算程序的编制原理 .， . 31 3.3.3 计算程序的功能介绍 .
3、 35 3.4 小结 .， . 39 第四章实例分析及与其它分析方法的对比 . o 4.1 自然边坡算例分析与对比 . 40 4.1.1 与各种边坡计算软件结果进行对比 .， . 1 4， 1.2 与数值模拟结果进行对比 .， .， . 43 4.1.3 小结 .， . 4 4.2 加锚边坡算例分析与对比 . 44 4.2.1 与理正边坡计算软件计算结果对比 . 44 4.2.2 与数值模拟结果进行对比 . 45 4.2.3 小结 . 46 4.3 结论与讨论 . 8 第五章结论与展望 .， . 49 5.1 论文研究的主要成果 . 49 5.2 需要进一步研究的问题 . 50 参考文献 .，
4、 . 51 硕士期间参与的科研项目与发表的论文情况 . 55 致谢 .， . 56 武汉理工大学硕士学位论文 第一章绪论 课题研究的意义 边坡稳定问题一直是岩土工程的一个重要研究内容，而边坡稳定评价结 果的正确与否直接关系到边坡工程的成败，关系到国计民生。因此各种对边 坡的稳定性分析方法相继出 现，如费伦纽斯法、 BIShoP 法，简布法、 SARMA 法、 M一 P 法和有限元数值分析法等。这些方法都有各自的优缺点，虽然极限平 衡法的有关假设与岩土的一些特性出入很大，但由于这种方法计算简单，研 究时间较长，研究人员多，理论相对成熟，基本能够满足工程需要，所以仍 然是目前工程上用的最多的方法。
5、 目前土质边坡加固用的较多的方法是挡土墙、抗滑桩、土层锚杆、土钉等， 对于土性较好的土质边坡也可采用预应力锚索，根据不同的工程条件选择合适 的加固措施。对锚固后边坡的稳定性分析则能反应出最终加固的效果，边坡在 进行锚固后 ，其稳定性评价方法与加锚前还是有区别的，目前的加锚后边坡稳 定性分析方法则存在一定的弊端和不合理性，为了能更好、更合理的确定加锚 后边坡的稳定性，需找出一个更加可靠、可行的计算方法。此课题的研究在一 定程度上寻求一种新的更合理的稳定性评价方法，这种方法是对之前所用极限 平衡分析法的一个扩展，能有效的丰富和进一步补充传统极限平衡分析法，主 要是针对加锚边坡的稳定性分析，使得分析
6、方法在理论上更加合理，分析结果 更加切合实际，能给边坡锚固的设计和施工提供有效的指导作用。 2 加锚边坡稳定性分析的研究现状 目前，对于 自然边坡的稳定性评价是研究的最多的问题，理论方法也相 对比较成熟，然而，对边坡进行加固后，加固的效果到底如何，分析其稳定 性是比较困难的，支护措施的施加使得本来就复杂的边坡变得更加复杂，我 们不能简单的把锚固力看作是一个施加在条块底面上或顶面上的一个力，按 武汉理工大学硕士学位论文 照自然边坡稳定性分析的方法进行分析计算，这会造成很大的误差。锚固措 施对边坡稳定性影响机理的研究一直不断，但还不能很好的反映出它们的作 用，因为不确定因素实在是太多了，我们所能作
7、的更好的就是把不确定因素 减到最少，使得理论更加的 符合实际。对边坡进行加固后到底效果如何，稳 定性该如何评价计算，国内外也有不少这方面的研究成果。 土钉支护的稳定分析 (包括内部稳定分析和外部稳定分析 )一般采用的是 极限平衡分析方法，滑动面或破坏面的形状常假定为双折线、圆弧线、抛物 线或对数螺线中的一种，比较著名的分析方法国外有法国的 Schlosser 方法、 美国的 Davis 方法、德国的 Stocker 方法、英国的 Bridle 方法等 ;国内有太 原煤矿设计院方法、北京工业大学方法、洛阳总参科研三所方法、清华大学 方法和北京治建总院方法等 ;这些方法从各个不同的角度 满足了部分
8、工程实 践的需要幻。 中国科学院成都山地灾害与环境研究所的李新坡、何思明等人针对预应力锚 索加固边坡的稳定性分析问题，基于极限分析上限定理，把锚索锚固作用简化为 边坡表面上的外力，推导了预应力锚索加固土质边坡的安全系数计算公式 3，。 1979 年由 Stocker 提出的德国方法，其假定滑移面为双曲线形并通过土坡 坡脚，进行力的极限平衡总体稳定分析，仅考虑土钉的抗拉作用，土的抗剪强 度由莫尔一库仑准则确定。 1981 年由沈智刚提出的 DaviS 法以及后来经 Jurau 改进的 Dav15 法，其假定滑移面为过 坡脚的抛物线形，仅考虑土钉的抗拉作用。 DaviS 法和改进的 DaviS 法
9、区别仅在于土强度参数和土钉抗拔力所取的分项安全 系数不同。 1983 年由 Schlosser 提出的法国方法，其假定滑移面为圆弧形，根 据传统边坡稳定中的条分法，并考虑穿过滑移面土钉的抗拉、抗剪和抗弯作用 来进行力矩极限平衡分析。 1989 年，由 R.J.Bridle 提出的 Brldle 方法。其假 定滑移面为对数螺旋线形并通过坡角，用条分法分析滑移土体的平衡，并认为 滑动总力矩与抵抗总力矩间的不平衡力矩即为土钉应提供的平衡力矩，进而确 定土钉的位置 并给出了计算各土钉剪力的经验公式。 1990 年，由 Juran 等人提 出的机动法或运动法。其假定滑移面为对数螺旋形，结合模型试验中观察
10、的机 动许可位移 (破坏 )与静力极限平衡进行稳定分析。这种方法不仅考虑了土体的 整体平衡，而且认为土钉挡墙的失稳往往是上层土钉被拔出，再逐步发展为整 体失稳，为此，进行了土钉最大内力的局部稳定验算。们。 中南大学祝方才一等人指出土钉支护内部整体稳定性分析常用 BISh 叩条分法 武汉理工大学硕士学位论文 和 FelleniuS 条分法，己有的计算方法大多数是将土钉对土体的抗滑作用与土 体 本身的抗滑作用分开考虑，祝将两者合并考虑进行稳定性分析，提出用改进 BIShop 条分法进行土钉内部稳定性分析，并得出了相应的计算公式 5。同济大 学徐正来也采用简化 Bishop 法对土钉支护基坑边坡进行
11、内部稳定性计算仁。南 京水科院邹广电亦采用 BIShop 法对土钉支护边坡进行内部稳定性分析 3。 盛威高、孔宪宾等人根据土一锚杆相互作用的分析，结合传统的计算边坡稳 定的条分法，建立了以土体位移为基本参数的分析锚固边坡的新方法一位移法， 用位移法可以算出锚杆在每个阶段位移下的工作力和相应的锚杆工作力极 限， 在此基础上再用传统的极限平衡条分法求出锚固边坡的稳定安全系数仁 6。 清华大学张明聚、宋二祥等基于土坡稳定分析常用的瑞典条分法，考虑土钉 的极限拉力作用，建立稳定安全系数公式。该法只考虑力矩平衡，基本假设如 下 :(l)滑动面为圆弧面，破坏形式为主动土体绕圆心产生微小转动 ;(2)滑动
12、面上土的极限平衡条件符合 Mohr 一 Coulomb 破坏准则，土达到极限状态时，上钉 也达到抗拉或拔出的极限状态 ;(3)忽略条块间的作用力对边坡稳定性的影响 ; (4)土条宽度取得足够小，可认为土钉拉力作用在土条底边中点仁 7。 该方法计算 较简单，但只考虑力矩平衡和有关假设与实际相差较远，计算结果较为保守。 罗晓辉采用 Sarma 提出的扰动力概念分析了土钉支护的极限平衡状态，建立 了考虑条间作用力影响的土钉墙支护稳定分析的数学模型。对土体的极限状态 加以分析可知，土体由弹性稳定状态过渡到极限平衡状态是由各方面影响因数 决定的，如果把这些影响因数看作一种广义力作用，土体将达到极限平衡状
13、态。 将扰动力记为 P，把扰动力 P 指向基坑方向时定义为正 (P0)，相反时为负 (PO 时，分块 j原有受力的合外力与扰动力 P 的合力作用线的夹角 小于滑动 面的内摩擦角，表示分块 j继续保持其稳定状态 ;当 PO 时，表明基坑边坡土 体具有保持其稳定的强度储备，并且这种强度储备使边坡所具有的安全程度由 P(K)=0 来确定 (K为安全系数 )。同理当稳定系数 K=l且 Po0 时，分块 j原有受力的合外力与扰动力 P 的合力作用线的夹 武汉理工大学硕士学位论文 角小于滑动面的内摩擦角，表示分块 j继续保持其稳定状态 ;当 P0 时，表 明基坑边坡土体具有保持其稳定的强度储备，并且这种强
14、度储备使 边坡所具有 的安全程度由 P(K)=0 来确定 (K为安全系数 )。同理当稳定系数 K=1 且 Po0，表 明边坡土体强度储备不足，基坑边坡至少需要有相应于扰动力 Po 的外力作用才 能保持其稳定，而使其达到具有一定安全储备状态所需的支撑外力应大于 K(安 全系数 )倍的扰动力 Po。将扰动力 P 加入条块的受力分析中，考虑条块力的平衡 条件以求出稳定安全系数 K。 2.1.5 分项安全系数法，” 以上所述的方法都是采用一个总的安全系数来评价加锚后边坡的稳定性， 总安全系数的取值与设计采用的不同计算方法以及确定土体力学参数的保守程 度 有很大关系。我国现在设计支护时多采用总安全系数法
15、，分析中取土体和材 料的强度参数为标准强度。在用普通条分法进行分析时，不考虑每一土条侧边 上的内力影响，结果使给出的总安全系数值偏于保守。 在稳定性分析中，如将安全系数放在土体和材料的力学性能参数上，在确 定破坏面上的抗剪能力时，分别对。、 tan 中和 r， (界面勃结强度 )，除以安全系 数 K。、 K，、 KI，这样在作极限平衡分析求支护稳定性安全系数时，要求 K不 小于 1。例如法国 Sch10sser方法 (1983)中取 Kc=K， =K， =1 5(永久支护 ); 美国 Davis 方法 (沈智刚， 1981)中也取戈二 K，二凡二 1.5，修正的 Davis 方法 户取 K。一
16、 K， =1， KI=2 0;德国方法 (Stocker， 1979)中取 K。 =K， =1(因为 这一方法中，切和。的取值以剩余强度为标准而不是试验给出的峰值强度，但后 来又建议用 K。 =K， =L25)， K:=l 5 一 2.00 近年来，结构设计方法向着分项安全系数转变，建筑结构设计统一标准 规定结构设计采用近似概率法，在确定荷载和材料强度时要求以概率统计为基 础，用荷载系数、材料分项系数等来考虑其变异性并赋予一定的安全度。但是 对土 体强度指标而言，较难准确应用概率统计方法，有时只能凭经验给以一定 武汉理工大学硕士学位论文 大小的分项系数。法国、德国现在己建议对土钉支护设计采用分项安全系数方 法。对于荷载基本组合下的一般土钉结构，取分项安全系数见表 2 一 l。 采用分项安全系数方法时，有破坏面的稳定性安全系数为 K。二 S， /S，在 S，、 S 计算式中，砰、 Q、“、甲以及确定 T 值的 fyk、值都要乘各自的分项 系数。 根据材料的各个力学性能本质上的区别，对其取不同的安全系数要比单单 使用一个总安全系数要合理的多，比如钢筋的性能稳定，如果采用总安全 系数 方法，与界面勃结强度采用同样的安全系数显然是很不合理的。土体粘聚力 C 的离散性要大于摩擦角切，所以 C 与 tg 甲的分项安全系数宜取不同数值。 表 2 一 1 分项安全系数表
