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1、大连交通大学 2012 届本科生毕业设计（论文）实习（调研）报告1实习（调研）报告一、国内外研究现状及发展趋势人们对边坡稳定性的认识最早是从滑坡现象开始的，早期对边坡的研究多以长期观测的资料为基础，采用地质历史分析方法进行定性描述。20 世纪 60 年代初，人们认识到边坡稳定性的研究必须将地质分析与力学机制分析结合起来，这期间，主要采用的是刚体极限平衡法 1-4。进入 80 年代以来，由于计算技术的发展，使一系列数值分析方法发展起来。近年来一些新理论也被引入到边坡的研究中，它们从不同的角度，对边坡体的结构及稳定性影响因素等进行分析，从而极大地推动了边坡稳定性的研究。在极限平衡方法理论体系的形成
2、过程中，出现过一系列简化的方法，常见的有瑞典法、Bishop 法，Janbu 法，Spencer 法，Morgenstern - Price 法，Sarma 法 5等等。在这以后，又出现了一些改进方法，如改进的 Morgenstern - Price 法 6等。另外，Enoki和 Yagi （1990）考虑在滑楔间的界面上引入局部强度发挥度，运用滑块离散格式提出了广义极限平衡法。栾茂田（1995）提出了改进的滑楔模型。朱大勇（1997）提出了边坡全局临界滑动场理论 7。近年来发展起来的基于极限平衡理论的有限元法 8，是在求解复杂条件下岩土边坡应力和位移分布的基础上，采用各类搜索技术获得临界滑裂
3、面及相应的安全系数，从而评价边坡的稳定性。仍有一些学者致力于极限平衡方法的研究工作，但从目前看还没有完善的已为公认的评价方法，其安全系数的各种表述时常不具有明确的物理意义。因此，鉴于极限平衡方法在计算中所作的种种假定，而且在最危险滑裂面的搜索以及最小安全系数的确定上均存在许多的困难，随着理论体系更为严格的数值分析在岩土工程中的大量应用，一定程度上减小了极限平衡方法的应用范围。目前有限元在边坡稳定分析中常用的方法有圆弧搜索法和强度折减法等。有限元圆弧搜索法沿用了极限平衡法的思想，只是在假定滑裂面上的下滑力和抗滑力是由有限元计算较为精确地确定。而强度折减法是在有限元计算中，通过不断折减土体强度参数
4、， 当计算不收敛时的折减系数即认为是边坡稳定安全系数。强度折减法一个主要的特征是不需要事先假定滑裂面，从目前应用情况看，是一种比较有发展前途的边坡稳定分析方法。由于岩土是一种材料特性异常复杂的非连续体，因此也相应产生了一些能处理这种离散非连续体的数值分析方法。如 CundaII（1979）提出了分析颗粒状材料性质的DEM 方法（离散单元法） 。近年来得到很大发展的 FLAC 法（快速拉格朗日法）就是在此基础上发展起来的，它是一种处理非连续、非均匀、各向异性和非线性的新型数值方法。在离散元的基础上，石根华（1988）提出了分析边坡稳定的 DDA 方法 9（非大连交通大学 2012 届本科生毕业设
5、计（论文）实习（调研）报告2连续变形分析方法） ，非常适合处理非连续的节理化岩体，但由于忽略了岩块的变形过程，因此无法模拟裂隙产生及失稳过程。另外石根华还应用流形中的有限覆盖技术建立了流形方法 10（MM） ，解决了在数学上对连续与非连续材料域总体近似函数统一构造的问题，从而使得连续变形与非连续变形问题的统一分析成为可能，能够进行岩体裂隙张开、滑移等特征的分析。近年来，无单元方法或无网格计算技术发展很快，以 BeIytschko（1994）等基于滑动最小二乘法提出的无单元 GaIerkin 法 11（EFGM）应用最为普遍。此外，田荣、栾茂田等人利用流形方法的有限元覆盖技术，结合无单元法，发展
6、了有限覆盖-无单元法，有效解决了岩土介质渐进变形与破坏、开裂等一系列复杂难题。随着计算机技术、多媒体和网络技术的发展，基于概率理论的摄动随机有限元法、基于 GIS 与 GPS 的计算机仿真技术也正在边坡稳定评价中发挥越来越重要的作用。人们在利用极限平衡理论的条分法进行边坡稳定性分析与研究时，首先使用枚举法搜索临界圆弧滑面。随着计算技术的发展，临界滑裂面的搜索开始转向数值分析方法， 也就是通常所说的最优化方法，这一方法主要又可分为以下：模式搜索法是按照一定的模式，比较不同自变量间的目标函数，确定最优的搜索方向，最终找到最小值。Lefebvre（1971） 12，Huang（1983） 13都采用
7、了模式搜索方法来确定临界滑动面，后来莫海鸿（1999） 14在此基础上提出了改进的模式搜索法，还有江见鲸等 15 基于简化 Bishop 方法，采用消去法中的二分法求算临界滑面。另外，Giam 和 Don-aId（1988 ） 16 提出了一种由已知的有限元应力场确定临界滑移面的模式搜索法，它是根据有限元计算得到的应力场，由应力水平较高点出发，形成一个由坡顶到坡底的破坏面。这类方法一般是用来确定圆弧滑动面，而且该法的搜索点是在搜索过程中产生，容易陷于安全系数的局部极小值。牛顿体系的分析方法借鉴了变分法中把安全系数看成是临界滑动面泛函的思想，再与极限平衡理论相结合，通过解析手段寻找使目标函数对自
8、变量偏导数为零的极值点。从 20 世纪 80 年代起，先后有人在这方面开展了工作。如 Arai 和 Tagyo 应用了共扼梯度法 17，阎中华采用了黄金分割法 18，周文通采用了鲍威尔法 19，孙君实采用了复形法等等。但由于这些方法对目标函数的求导运算异常复杂，当自由度数过多时（7 个以上） ，实践表明，搜索结果将变得异常粗糙，尤其是对于复杂土层情况，该法易于陷入局部极值点。近来来，国内外学者对边坡的三维稳定性问题进行了许多的研究，但是这些方法主要还是集中在三维极限平衡方法上。Duncan（1996） 20曾对过去 20 多年来三维边坡的各种方法作了全面的回顾，并列举了这些方法的特点和局限性。
9、近年来我国的学者也在边坡三维稳定性分析领域取得了一定的成果，主要的有冯树仁等（1999） 21提出的边坡稳定性的三维极限平衡分析法，陈祖煜等（2001） 22-24提出的塑性力学上限定理基础上的边坡稳定三维分析方法和极限平衡理论基础上的简化分析方法，以及张国大连交通大学 2012 届本科生毕业设计（论文）实习（调研）报告3祥 25提出的潜在滑移面理论及其在边坡分析中的应用等。由于三维边坡研究具有重要的理论和现实意义，而利用三维极限平衡方法分析带有明显的缺陷，而且优化方法求解三维临界滑裂面也存在很大的困难，因此考虑直接采用三维有限元对边坡稳定进行分析将成为今后主要的研究方向。用有限元分析分析三维
10、边坡，摒弃了传统的“条柱法”思路，可以使空间滑体满足所有的平衡条件，从而得到严格意义下的边坡三维安全系数。二、课题的目的、意义及可行性边坡是人类生存的重要环境，甚至是工程建筑的重要组成部分。边坡的稳定问题事关人类生命财产安全以及工程本身的安全和效益，对其稳定性进行综合评价具有重要的理论和实践意义。边坡工程的稳定分析，一直是岩土工程领域中的一项重要研究内容。目前分析的方法层出不穷，然而不同的研究方法，只能适用于不同的工程地质环境，稳定分析的合理与否直接影响对工程建设的指导作用，因此如何有效地分析边坡稳定性尤为重要。边坡稳定性分析在滑坡分析和治理中是一个难度较小，发展相对比较成熟的领域。尽管它不能
11、解决滑坡分析和治理的全部问题，但它在边坡的设计和加固中仍然占有十分重要的地位。目前各种研究方法不断涌现，但边坡稳定分析的精确解仍然是岩土工程界的前沿课题之一。随着科学的不断进步和工程研究人员的不断努力，相信边坡稳定性研究会朝着理论更为成熟，方法更为完善的方向发展，从而为边坡工程提供更加合理的分析成果。利用理正岩土计算软件中的岩质边坡分析计算边坡的稳定性，并进行支护结构设计，利用简单平面滑动计算出边坡的临界滑动状态，与手算的边坡直线滑动面滑动进行对比，进而分析边坡的自然现状；然后利用复杂平面滑动分析边坡支护后的稳定性，以及找到不合理设计因素，逐渐完善设计方案。三、理正岩土计算软件介绍理正岩土计算
12、软件涵盖岩土工程设计、治理等各个领域，分析计算岩土工程的内力、变形、稳定性等，功能齐全、方便，符合设计规范标准，在实际工程中成功应用；适应铁路、公路、水利、电力、市政、城建等行业应用，特别适合相应的地质灾害治理。理正岩质边坡（稳定）分析软件主要功能是分析计算简单平面、复杂平面、简单三维楔体岩质边坡的稳定计算及相关的分析。考虑的因素包括：岩体结构的结构面、裂隙、裂隙水、外加荷载、锚杆及结构面的抗剪强度、地震作用等。简单平面稳定问题：1）利用极限平衡法及莫尔库仑准则进行分析，计算岩体的稳定安全系数、设计锚杆、及反分析滑面的抗剪强度指标；大连交通大学 2012 届本科生毕业设计（论文）实习（调研）报
13、告42）可分析坡角、坡高、裂隙水等与安全系数的关系曲线；3）可按几种不同方法计算岩石压力等。复杂平面稳定问题：1）对于不加锚杆、不加外部荷载的情况可采用 Sarma 法计算安全；对于有锚杆、有外部荷载的情况只能采用通用方法（扩展 Sarma 法）计算安全系数，这是理正依据Sarma 法改进的公式计算安全系数；2）分析计算临界地震加速度系数；3）分析计算临界地震加速度系数与安全系数的关系曲线等。四、工程实例(1) 工程概况：拟建大连市黄泥川供暖中心高边坡 AB 段工程位于大连市高新园区黄泥川境内北侧丘陵地段，四周与群山毗邻环抱。该边坡工程场地呈北高南低之势，经人工开山凿岩形成拟建场地设计标高为+
14、86.00 米，沿场区外边线西北、北侧及东北、东侧、东南、南侧将分别形成半圆形走向的人工岩质高边坡，边坡长约 163.5m，边坡高度约 20-40 余米，平均坡高 30 米以上。(2) 地质情况及水文地质条件：在勘探控制深度范围内，场地地层自上而下分布为：碎石(Q4dl+pl):黄褐色,主要是石英质碎石混粘性土而成，棱角状，碎石直径 20-60mm,含量约 60-80%，粘性土呈硬塑状,该土层仅分布于场地西侧 A 区范围内，不连续，分布厚度在 1.53.0m 左右。地基承载力特征值 fak=260kPa。1 强风化板岩(Qnq): 褐黄色，混黄褐色条纹，裂隙发育，岩芯呈碎块状。该层分布于场地低
15、丘陵顶部，第四系土层之下，揭示厚度 4.0-18.0m。地基承载力特征值fak=400kPa。2 中风化板岩(Qnq): 黄褐色，泥质结构，层状构造，节理裂隙发育，局部夹石英砂岩，岩芯呈柱状，短柱状，风化呈块状。该层为较软岩，遇水易软化，是场地边坡稳定性控制的主要岩层，分布连续，厚度在 10.030.0m 。地基承载力特征值fa=1200kPa。3 微风化板岩 (Qnq):青灰色，灰黑色，泥质结构，层状构造，节理裂隙比较发育，裂面呈褐色，局部夹石英砂岩，岩芯呈块状，短柱状，属于软岩。岩体基本质量等级为级，为边坡稳定性控制的主要岩层。揭露厚度在 10.030.0m 。地基承载力特征值 fa=20
16、00kPa。场地位于渤海湾所濒临陆域附近，地表发育有第四纪沉积层较薄，下部基岩顶板埋深小，山体大部裸露。地下水主要为季节性孔隙潜水和基岩裂隙水，主要分布于丘陵顶部碎石层中,并随之流失，与地表水水力联系较密切，勘察期间钻孔深度内均未见大连交通大学 2012 届本科生毕业设计（论文）实习（调研）报告5地下水。(3) 边坡支护方案：边坡设计中考虑了以下几个问题：边坡的稳定性；边坡支护的工程造价；节约用地；支护体系的防腐；以及施工方便的问题。结合工程现场实际情况，确定本工程高边坡 AB 段支护方案为：边坡整体采用预应力锚索+挂网喷射混凝土的支护方式+截排水，局部范围内设置泄水孔。选用锚索结合钢筋混凝土喷射的方案，采用锚索对滑动体加固，坡面采用混凝土面层作为锚索的锚固体。截排水：在边坡坡顶及坡面布置截排水系统，以减少雨水对坡面及坡体的冲刷、侵蚀；锚杆支护范围内边坡按 4m4m 间隔设置 100 泄水孔。预应力锚索+挂网喷射混凝土支护：A-A1 段边坡采用
