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1、三峡大学留学生公寓边坡稳定性分析1 课题来源三峡大学拟在其校园内新建“三峡大学留学生公寓 1 、2#楼”工程项目，该项目位于大学路西侧， 逸夫楼南侧，该建筑均为 7 层框架结构，建筑高度 22.35m，拟建工程重要性等级为二级， 场地复杂程度为二级， 地基复杂程度为二级， 综合评价该项目的岩土工程勘察等级为乙级，该项目由三峡大学建筑设计研究院负责设计。2 选题背景及研究意义伴随着我国经济建设的高速发展，出现过大大小小由于边坡失稳造成的人身和财产损失， 边坡综合防护设计日益引起社会的重视。边坡设计不仅仅需要因地制宜地选择实用、合理、经济、美观的工程措施，确保人民的生命安全和财产，同时到达与周围环
2、境的相对协调与平衡，以及美化社会的效果。 更需综合考虑地下水、降雨强度、地形、土质、材料来源等情况来进行合理布局。研究边坡的稳定性及治理方案有重大的理论与实践意义，更是保护生命财产安全的迫切需要。因此，通过对边坡的稳定性评价及治理措施的研究将对其他类似边坡的稳定性评价和治理具有很强的指导性意义。 对已产生的滑动的边坡以及濒临滑动的边坡进行稳定性分析， 并采取合理的治理方案， 消除安全隐患， 对于保证工程的顺利进行减少工程投资，保护人民群众的生命财产安全都有着重要的意义。3 国内外边坡稳定性研究现状3.1 国外边坡稳定性研究现状1)起步阶段起步阶段，滑坡研究开始于 20 世纪 20 年代的瑞典，
3、 瑞典人彼得森最早提出了条分法。但之后的20 年左右的时间里世界各国对滑坡的研究也只是零星的和片段的。大多数国家都是由单独的研究人员进行小规模的滑坡研究，只有瑞典、挪威、前苏联是由国立土工研究所进行滑坡研究，并发表过一些著作和论文， 其中瑞典人取得的成果最大。 原苏联曾于 1934 年和 1946 年召开过两次全国性的滑坡会议。瑞典条分法同时考虑了粘聚力和摩擦力，缺点是原理粗浅而且它的基本假定脱离了实际情况是一个浅薄的理论，还有待进一步完善。2初步发展阶段初步发展阶段 (20 世纪 50 年代) ，人们开始考虑岩体的结构面和材料特性，并且随着理论的研究， 出现了极限平衡论和弹塑性理论，这些新角
4、度新方法的出现显然推动了边坡稳定性研究的进步。接着索柯夫斯基在1954 的时候提出了松精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页，共 9 页散介质极限平衡原理， 但是这种方法存在着一些缺陷， 会发现计算的结果与实际不符，其原因是因为没有考虑到岩体的力学状态和结构面，后来其他人在他的基础上完善了他的理论并提出一种边坡边坡稳定性的方法，完善了这个时期边坡稳定性分析的发展。3深入发展阶段深入发展阶段 (20世纪60年代) ，这个阶段比较清晰明朗， 人们对稳定性分析的角度主要是两个方面。 一是考虑岩体中的结构面， 以极限平衡理论为基础， 运用图
5、解法和计算分析法求出安全系数来判断其稳定性。John在1970提出了图解法。3.2 国内边坡稳定性研究现状由于长时间的封建社会以及战争，新中国解放以前在边坡稳定性分析这方面几乎没有什么研究， 要远远地落后于欧美等国。 但中国那些可敬的研究人员们发奋图强使新中国成立以后边坡稳定性分析取得了很大的进步。总的来说，可分为以下四个阶段：(1)50 年代起步阶段，主要以地质灾害为着眼点， 通过工程地质类比法与极限平衡法等定性的分析方法，初步实现一些基本的边坡稳定性分析和防护设计。(2)60 年代进步阶段。当时使用的主要方法是实体比例投影法，既通过赤平极射投影，来实现对边坡岩体的结构类型的划分，同时提出了
6、岩体结构与控制的观点，用该方法对块体的破坏进行计算更快捷准确，并开展了许多大型的野外岩体力学实验为进一步边坡稳定性研究打下了基础1 。(3)70 年代进一步发展阶段， 这个阶段已经开始了研究边坡的变形破坏机理工作。并开始运用弹塑性力学极限平衡理论等方法来分析和评价边坡的稳定性。潘家铮提出了滑坡极限分析的极大值原理和极小值原理两条基本原理进一步扩充了关于边坡稳定性研究的理论知识。 随着科技的不断进步， 理论知识和硬实力的提高也使得有限单元法、 边界元法、 离散元法等更前沿的方法进入评价边坡的稳定性、分析边坡变形破坏的条件的这个领域中。(4)80 年代逐渐成熟阶段，人们开始从整体上认识边坡稳定性的
7、发展趋势以及边坡的变形破坏机理。 诸如块体理论、 DDA 法、灰色理论、 模糊数学、数据库与专家系统、电脑仿真技术、 损伤断裂力学理论、 神经网络模型和遗传算法等一些新理论、新技术、新方法开始出现并被运用到边坡稳定性研究，这些方法的出现为预测边坡精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页，共 9 页的稳定性开创了更为广阔的前景。4 国内外边坡治理技术研究现状4.1 国外边坡治理技术研究现状早在19世纪中期，一些欧美国家就已经开始对边坡治理的工作进行研究，但毕竟是早期发育期由于理论知识和技术的原因，对象还只能是一些小型偏简单的边坡。进行治
8、理排水工程的措施大多是减载、反压、和抗滑挡土墙。第二次世界大战后，欧美各国大兴土木， 公路发展迅猛直接导致了边坡灾害也越来越多，人们慢慢一意识到治理灾害的重要性和必要性，人为支挡工程治理大量边坡灾害取得了明显的成效。 人为支挡工程成为当时普遍流行而且较当时非常先进的方法成为治理边坡灾害最重要的方法。支挡工程的发展基本经历了三个阶段2 ：(1) 第一阶段 20世纪50年代以前，正是欧美工业化兴起的时候， 为了大规模的开采矿产资源和发展交通运输， 许多国家开始大量的修筑高速公路、铁路等等， 过度的追求经济效益导致为了速度出现了许多人工边坡，从而发生大量崩塌和滑坡， 给人们带来严重生命财产损失。 吸
9、取了教训后， 关于滑面边坡稳定性与防护相关的理论与实践研究才慢慢开始。(2) 第二阶段 20世纪60到70年代，人们慢慢开始使用抗滑桩支挡工程，这成为解决抗滑挡土墙施工过程的一些困难很好的方法。当时欧美和前苏联在这方面处于领先地位亚洲则以日本为代表。 一些国家用承台联接两排或者三排桩顶，从而产生刚架受力这样的方法来增加群桩受力和桩的抗剪切能力。亚洲发展最好的日本更钟情与采用直径为 400-500mm ，孔深约 20-30m的钻孔钢管桩，在孔中插入直径为318-457mm ，壁厚约为 10-40mm 的钢管，在钢管中放入 H型钢增加桩的抗剪能力。其桩间距采用 1.5-4.0m ，大多数为 2.0
10、-2.5m 。(3) 第三阶段 20世纪80年代，在利用小型抗滑桩的同时， 开始使用大直径的挖孔抗滑桩用以治理一些较大型的滑坡灾害。 锚索的出现是的不仅实现了机械化而且更加经济适用，更突出的是力学性能比抗滑桩更好，非常好的弥补了抗滑桩的不足。4.2 国内边坡治理技术的研究现状(1) 第一阶段 20世纪50年代，一抗滑挡墙及浆砌片 (块)石防治。当时使用的方法还都是老方法，但是老方法有一个共同的缺点就是都是暂时使边坡趋于稳定，外界条件一精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页，共 9 页旦发生了改变， 边坡很可能轻易就会发生失稳破坏。例
11、如：宝成铁路由于只采取了减载、排水或抗滑挡土墙等措施就导致在1981年的洪水期间有 10余个滑坡出现了严重的破坏。(2) 第二阶段 20世纪60年代晚期，抗滑桩技术 3 开始运用，以前一些施工难工程量大的项目他的边坡灾害很不好处理但， 一些难度比较大的边坡滑坡灾害的治理因为有了抗滑桩技术得到很好的解决。 抗滑桩承载能力大、 施工速度快等优点都是实施高大难工程项目正好需求的， 深受研究人员和施工部门的欢迎，因此在全国得到迅速推广和运用。(3) 第三阶段 20世纪80年代晚期，锚喷技术施工快速、简便、安全，所以它很快得到了各个国家的使用。 与此同时加上我国在这项技术的研究取得了突破性进展，所以我国
12、也开始采用并广泛推行锚喷防护治理技术。锚索具有高强度、抗拉力大的特点，预应力锚索可以变一般支挡结构物的被动受力为主动受力，滑体扰动力小， 可以机械化施工， 使其其应用前景十分广阔。 在排水方面， 人们开始主张结合预应力锚索、抗滑桩支挡等以排水为主综合治理。(4) 第四阶段 20世纪90年代，出现框架锚固结构和压力注浆加固手段，它是一种应用前景非常广泛的边坡治理方式。 通过深层加固的技术， 能够解决边坡的深层加固以及稳定性问题，在边坡治理过程中得到应用广泛。5 本人选择的研究方法：根据长时间的研究总结， 边坡稳定性分析方法大致可分为确定性方法和不确定性方法 4 细分的话有极限平衡分析法5 、极限
13、分析法、 数值分析法， 这些方法统称为确定性方法。 相对应的不确定性方法则以随机概率分析法为代表。本人选择的是极限平衡法，下面对极限平衡法的简单介绍。5.1 、极限平衡法的特点1核心思想极限平衡法的核心思想有两点： 一是化整为零， 即将边坡滑体进行条块划分，并研究条块之间的相互作用， 不同的极限平衡法之间的差异就在于条块间相互作用假定的不同； 二是极限平衡， 即滑体在一定条件下到达极限平衡状态，亦即边坡安全系数 Fs=1.0，当然不同方法对边坡安全系数的定义也有差异。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页，共 9 页2方法的可行性极
14、限平衡法虽然简单，但是简单并不代表其理论上不严密，在此有两个问题需要说明：一是为何可以选取平面作为边坡剖面进行分析，这是由于在选择计算剖面时通常选取最不利的平面， 并且平面忽略了垂直于平面的约束，将其简化为平面应力问题， 这使得典型剖面的计算结果更加保守，因此更偏于安全； 二是边坡实际所处的弹塑性状态， 根据潘家铮上下限原理， 岩土体所处状态总是介于上下两个极限之间， 对边坡而言， 其上限是整个滑体到达塑性状态，下限是仅滑动面到达塑性状态， 极限平衡法对应的极限状态首先是使滑面到达塑性状态，滑体则根据不同方法条间力假定的不同而在不同程度上到达塑性状态。基于以上两点，可以看出极限平衡法虽然简单，
15、 但是它在一定程度上反映了边坡稳定状态的本质，而且在理论和方法上是严密可行的。3优缺点极限平衡法的特点即是忽略边坡演化过程，直指特定状态下的稳定分析结果，这个特点既是其优点所在， 也是其不足之处， 优点在于忽略了边坡岩土本构这个难题， 直接分析边坡极限状态下的稳定性；不足在于由于忽略了本构， 因此不能分析边坡的变形演化过程，而且只求解边坡整体稳定系数，目的过于单一。当然极限平衡法和数值算法亦存在一个共同问题，即必须在典型剖面上搜索出滑动面，不同之处在于， 极限平衡法是通过经验和试算选取安全系数最小的剖面作为滑动面，而数值算法则选取塑性贯穿区作为滑动面。5.2 、安全系数的定义方法在确定边坡滑动
16、面以后，通过调整滑动面上正应力、剪应力 与强度参数 c、 关系使边坡到达极限平衡状态， 根据调整关系的不同衍生出不同的安全系数定义方法，目前公认且应用较多的有以下三种方法：1)强度折减法强度折减法通过折减强度参数c、 从而使边坡到达极限平衡状态，并将折减的具体数值定义为安全系数Fs。强度折减法是经过多年来的实践被国际工程界广泛承认的一种方法， 这种安全系数只是降低抗滑力， 而不改变下滑力。 同时，用强度折减法也比较符合工程实际情况，许多边坡的发生常常是由于外界因素如降水、震动等引起岩土体强度降低而导致岩土体滑坡。2下滑力超载法精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 -
17、- - - - - -第 5 页，共 9 页下滑力超载法是将滑裂面上的下滑力增大一定倍数使边坡到达极限状态，其增大倍数即为安全系数Fs，也就是增大荷载引起的下滑力项，而不改变荷载引起的抗滑力项。 从形式上看， 下滑力超载法与强度折减法的表达式基本相同，但是含义并不同， 这种定义在国内采用传递系数法显式解求安全系数时应用，不过由于传递系数法显式解还作了一些假定如下滑力方向假定等 ，其安全系数计算结果与一般条分法并不完全一致，一般情况下其计算结果偏大。 下滑力超载法表达式说明， 极限平衡状态时， 下滑力增大 Fs 倍， 一般情况下也就是岩土体质量增大 Fs 倍，而实际上质量增大不仅使下滑力增大，也
18、会使摩擦力增大，因此下滑力超载法不符合工程实际。3超载储备法超载储备法是是将荷载 (主要是自重 ) 增大 Fs 倍后，使坡体到达极限平衡状态。超载储备法相当于折减黏聚力c 值的强度储备安全系数， 对无黏性土 ( c=0) 采用超载储备安全系数显然是不适用的。4其他方法矢量和法 7 认为边坡滑体的抗滑力和下滑力都是矢量，因此应将抗滑力R和下滑力 T 的矢量叠加投影到某一计算方向 后计算安全系数。5.3 、未知量、平衡方程及引入条间力假定极限平衡法将边坡滑体划分为n 个条块，选取第 i 个条块进行分析。根据条块是否满足力矩平衡关系又将分析方法划分的严格条分法和不严格条分法，严格条分法的每个条块均满
19、足力和力矩平衡，而不严格条分法则仅满足力平衡。整个边坡未知量数量分别为：边坡整体安全系数Fs 计 1 个；条底力 Ni 计 n个；条底力 Ti 计 n 个；条侧力 Ei 计 n-1 个；条侧力 Xi 计 n-1 个；Ei 作用高度计 n-1 个不严格条分法不考虑条块力矩平衡，Ei 作用高度不参与计算，因此未知量计 0 个。未知量总数合计5n-2 个不严格条分法为4n-1 个。整个边坡平衡方程数量分别为：水平力平衡方程计n 个；垂直力平衡方程计n 个；力矩平衡方程计n 个不严格条分法为0 个；每个条块的局部安全系数均与整体安全系数相等计n 个方程。平衡方程合计4n 个不严格条分法为3n个。精选学
20、习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页，共 9 页由上述边坡未知量和平衡方程数量可以看出，未知量数量多于平衡方程数量，严格条分法多 n-2 个，不严格条分法多 n-1 个。为了便于未知量和平衡方程的求解，因此必须引入条间力假定。 引入条间力假定后， n 个条块之间将增加n-1个平衡方程，对于严格条分法，未知量和平衡方程数量将分别为5n-2 个和 5n-1个，由于平衡方程数量比未知量数量多1 个，因此必须再引入一个新的未知量参与求解；对于不严格条分法，未知量和平衡方程数量均为4n-1 个，因此可以直接求解。5.4 、几种经典方法述评1瑞典法
21、假定：不考虑条间力；适用范围：只适用于圆弧滑面；求解过程：通过整体力矩平衡求解安全系数；计算结果：安全系数计算结果偏低1020% ，因此结果偏于保守；特点：历史悠久，是最早的边坡稳定性分析方法。2简化 Bishop 法假定：只考虑水平条间力；适用范围：只适用于圆弧滑面；求解过程：条块垂直方向的力平衡和整体力矩平衡求解安全系数；计算结果：通常情况下计算结果较为精确；特点：首次采用强度折减定义。4传递系数法不平衡推力法假定：假定剩余下滑力方向为条底倾角方向，并由此确定垂直条间力和水平条间力的比例关系；适用范围：圆弧、折线滑面均适用；精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 -
22、 - - - - - -第 7 页，共 9 页求解过程：根据条块垂直和水平方向的力平衡求解安全系数，同时根据安全系数不同定义方法分为显示解法和隐式解法。显式解，根据滑面正应力和剪应力求解抗滑力和下滑力，并由此计算Fs=f( , )；隐式解：根据最后一个条块的剩余下滑力为0，求解 f(Fs)=0 ；计算结果：假设条底倾角变化幅度小于10，则精度很高；特点：国产方法，简单实用，国内标准普遍采用，尤其对支挡结构设计时较有意义。5)Morgenstern-Price法假定：假定条间力方向的函数为tan =Xi/Ei=f0(x)+f(x),引入新参数，假设 f0(x)=0 、f(x)=1 ，则 tan
23、=，即为 Spencer 法，通常情况下tan 的分布规律为是f0(x) 线性分布， f(x) 取正弦函数；适用范围：圆弧、折线滑面均适用；求解过程：根据条块垂直和水平方向的力平衡和力矩平衡求解安全系数；计算结果：公认比较精确的方法；特点：由于 Morgenstern-Price法为严格条分法，因此引入了新参数，的物理意义是什么，如何验证条间力是否合理？5.5 、展望由于极限平衡法自身理论严密性的需要和工程适用性的拓展，以及数值算法带来的外部压力， 近年来许多学者也对极限平衡法进行了不断的改进和研究，具有有以下几个方面的代表性工作：第一、抛弃原有的条分方法，另起炉灶。如郑宏等3 提出的无条分法
24、，该方法将域积分转为边界积分， 实现无条分， 并通过合理简单的滑面正应力修正方法，建立三个力矩平衡方程替代滑块平衡方程组，即取滑面底端、 顶端及另外一点组成等边三角形，对三个点求矩，求解时防止力和力矩方程量纲不一致；第二、对条块局部安全系数等于整体安全系数的基本假定提出质疑。如童志怡等9 提出的条块安全系数法，认为条块局部安全系数不等于整体安全系数，精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 8 页，共 9 页通过建立新的条间力假定， 建立条块力和力矩平衡， 并根据条块局部安全系数的分布情况判断边坡的破坏形态；第三、提出新的边坡安全系数定义方法
25、。如刘艳章、葛修润等提出的基于矢量法的安全系数定义方法7 ；第四、由二维向三维极限平衡法发展。即将平面条块分析向立体条柱分析推进，研究条柱各个侧面的受力平衡和力矩平衡。第五、 对经典极限平衡法进行改进。 如朱大勇等 8 对 Morgenstern Price 法、严格 Janbu 法与 Sarma 法等三种经典方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安全系数计算公式。6 工作的主要阶段、进度和完成时间1、2014.9.282014.10.8 完成开题报告编写，质量到达规定要求2、2014.10.92014.11.9 完成基本计算过程3、2014.11.10201
26、4.11.30 完成毕业论文正文编写，提交论文初稿，由指导教师批阅、修改。4、2014.12.12014.12.7 提交论文二稿，由指导教师批阅、修改。5、2014.12.82014.12.15 交毕业论文正本，质量到达规定要求。6、2014.12.162014.12.20 指导教师将评阅好的毕业论文交教研室，进行形式审查， 上网查询及交叉评阅。7、2014.12.212015.1.4 答辩7 现有条件及必须采取的措施：7.1现有条件（1）图书馆资料室；（2）互联网；（3）计算软件；（4）基本的文字编辑软件。7.2 采取措施（1）利用互联网查询获得相关信息（2）通过工程计算，电脑计算等方法。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 9 页，共 9 页
