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geostudio2007如何求边坡稳定性
geostudio2007如何求边坡稳定性
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[定稿]geostudio的一些常见问题总结
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3秒自动关闭窗口上传用户：dwotwzckwg文档下载 ：『』&&『』『』学位专业：&关 键 词 ：&&&&&权力声明：若本站收录的文献无意侵犯了您的著作版权，请点击。摘要:（摘要内容经过系统自动伪原创处理以避免复制，下载原文正常，内容请直接查看目录。）跟着城市古代化的疾速成长，城市高层修建越建越高，基坑开挖深度愈来愈深，须要斟酌的情况身分也愈来愈多，个中地下水渗流就是一个主要影响身分。在基坑开挖进程中，因为采用降水办法下降基坑水位，导致地下水活动趋于加速，招致坑内初始渗流场、应力场和位移场产生转变，地下水渗流对基坑工程形成的影响则成为工程扶植中一个重点、难点成绩，是以有需要深刻展开地下水渗流对基坑工程影响的研讨。本文以某地铁年夜厦深基坑工程为研讨配景，基于渗流实际，采取二维无限元盘算办法对基坑饱和-非饱和渗流及流固耦协作用下基坑变形性状停止研讨。起首，基于渗流实际树立非饱和渗流方程和庞杂的饱和-非饱和渗流方程，应用软件GEO-SLOPE对饱和-非饱和渗流和分歧工况下基坑渗流场停止了剖析。其次，以节点位移和孔隙水压力为变量树立流固耦合无限元盘算方程，对深基坑开挖变形停止了模仿剖析。再次，剖析了分歧地下水位、围护构造嵌固深度及桩截面临基坑变形的影响，获得基坑围护构造、坑外埠表沉降等变形纪律，提出了较为适合的围护构造嵌固深度掌握基坑位移变形。最初，提出经由过程流固耦合和非耦合两种盘算方法对地表沉降、桩身位移和基底竖向位移变形停止剖析。该研讨成果对往后基坑渗流成绩的剖析供给了参考。Abstract:With the rapid development of the city's ancient times, the higher the city's high-rise building, the deeper the foundation pit excavation depth, the more and more important factors to consider. In the process of foundation pit excavation, because of the use of precipitation method to decrease the level of foundation pit, the groundwater activity tends to accelerate. The initial seepage field, stress field and displacement field are changed. The effect of groundwater seepage on foundation pit engineering is a key and difficult problem in engineering construction. Taking a subway deep foundation pit project building as the research background, based on the actual seepage, take two-dimensional FEM calculation method research on excavation of saturated unsaturated seepage and fluid solid coupling association under the action of foundation pit deformation behavior. Firstly, based on the seepage flow, the seepage field of foundation pit is analyzed by establishing the unsaturated seepage equation and the heterogeneous saturated unsaturated seepage equation. The seepage field of foundation pit is analyzed by using the software GEO-SLOPE. Secondly, the displacement and pore water pressure are the variables to establish the fluid solid coupling infinite element calculation equation. Again, analysis of the underground water level, different enclosure structure embedded depth and pile cutting face on deformation of foundation pit, foundation pit, pit structure obtained outside surface subsidence deformation discipline, proposed the enclosure structure is more suitable for the embedded depth of foundation pit deformation control. At first, the deformation of the surface subsidence, the displacement of the pile and the vertical displacement of the base was analyzed by the two methods of fluid structure coupling and non coupling. The research results provide reference for the analysis of the seepage of foundation pit.目录:摘要3-4ABSTRACT4主要符号说明8-9第一章 绪论9-16&&&&1.1 选题的依据9&&&&1.2 国内外研究现状9-14&&&&&&&&1.2.1 饱和-非饱和渗流研究现状9-12&&&&&&&&1.2.2 渗流场与应力场耦合研究现状12-14&&&&1.3 研究内容14&&&&1.4 研究方案与思路14-16第二章 深基坑工程概况16-24&&&&2.1 工程概述16-17&&&&&&&&2.1.1 水文气象条件17&&&&2.2 工程地质条件17-18&&&&&&&&2.2.1 地层岩性17-18&&&&&&&&2.2.2 水文地质条件18&&&&2.3 基坑工程支护体系选取18-22&&&&&&&&2.3.1 基坑支护结构形式18-19&&&&&&&&2.3.2 基坑支护结构设计19-22&&&&2.4 基坑工程施工22-23&&&&&&&&2.4.1 地下水降水22&&&&&&&&2.4.2 基坑开挖施工22-23&&&&2.5 小结23-24第三章 降水条件下基坑渗流场有限元分析24-45&&&&3.1 饱和-非饱和渗流基本理论及方程24-28&&&&&&&&3.1.1 非饱和渗流的基本方程24-26&&&&&&&&3.1.2 饱和-非饱和渗流基本方程26-27&&&&&&&&3.1.3 定解条件27-28&&&&3.2 非饱和渗透系数28-32&&&&&&&&3.2.1 渗流特性试验28-29&&&&&&&&3.2.2 土-水特征曲线29-30&&&&&&&&3.2.3 非饱和土渗透系数30-32&&&&3.3 GeoStudio 软件介绍32-34&&&&&&&&3.3.1 软件的特点32-33&&&&&&&&3.3.2 SIGMA/W 和 SEEP/W 模块的特点33-34&&&&&&&&3.3.3 GeoStudio 软件中各模块的结合使用34&&&&3.4 基坑渗流场模拟分析34-44&&&&&&&&3.4.1 模型建立34-35&&&&&&&&3.4.2 边界条件及参数的选取35-38&&&&&&&&3.4.3 模拟结果分析38-44&&&&3.5 小结44-45第四章 渗流场与应力场耦合计算45-73&&&&4.1 概述45&&&&4.2 渗流场与应力场耦合模型45-49&&&&&&&&4.2.1 土的本构模型45-46&&&&&&&&4.2.2 地下水渗流方程46-47&&&&&&&&4.2.3 应力场与渗流场耦合有限元方程47-49&&&&4.3 算例分析49-52&&&&&&&&4.3.1 建立模型49-50&&&&&&&&4.3.2 模型初始条件和边界条件50&&&&&&&&4.3.3 参数的选取50-51&&&&&&&&4.3.4 计算方案51&&&&&&&&4.3.5 计算过程51-52&&&&4.4 耦合计算结果分析52-61&&&&&&&&4.4.1 基坑位移变形图53-58&&&&&&&&4.4.2 地表沉降分析58-59&&&&&&&&4.4.3 基底隆起变形分析59-60&&&&&&&&4.4.4 桩身变形分析60-61&&&&4.5 不同工况下的计算结果分析61-71&&&&&&&&4.5.1 不同地下水水位61-62&&&&&&&&4.5.2 不同嵌固深度62-64&&&&&&&&4.5.3 不同桩径64-66&&&&&&&&4.5.4 耦合与非耦合对比66-71&&&&4.6 小结71-73第五章 结论与展望73-74&&&&5.1 主要结论73&&&&5.2 展望73-74参考文献74-77个人简历 在读期间发表的学术论文77-78致谢78分享到：相关文献|当前位置： >>
层状黄土高边坡稳定性分析及防护优选决策研究
Ｖ９７．７８１６长安大学硕士学位论文伍红煎申请学位级别 论文提交Ｅｔ期 学位授予单位亟± ２ＱＱ互：垒学科名称 论文答辩日期地』亟；；Ｉ：程２ＱＱ§生５目丛目盐盘点鲎答辩委员会主席：！：ｉ垂竭丛蕉学位论文评阅人：垂董盔摘要随着国民经济的发展及西部大开发的推进，越来越多的工程项目在黄土地区 进行，尤其以公路建设为主，而在该区的工程建设中，遇到的一个重要问题就是 黄土边坡的稳定问题，这一问题如果处理不好，不仅在人力和经济上遇到大的损 失，更重要的是给工程的正常运行带来事故，因此，黄土高边坡的稳定性分析及 其防护在边坡工程中占有重要的地位。本文分析了目前在黄土高边坡研究中存在 的不足之处以及诸多问题以后，从边坡稳定性及其防护方案两方面入手展开研究。通过研究，在如下方面取得了一些成果：首先，本文在对大量已建高等级公路黄土高边坡现状的调查、分析和研究上， 对黄土高边坡变形破坏的基本形式及其机理进行了分析，得出黄土高边坡的变形 破坏形式主要有：坡面冲刷、坡面剥落掉块、坡体湿陷变形、崩塌、滑塌、泥流 等几种，其中滑塌最常见；黄土高边坡变形破坏机理模型主要有以下三种：滑塌、 滑坡的破坏模型、崩塌破坏模型和坡面破坏模型；将影响边坡变形的因素可归纳 为内在因素、外界条件、人为影响三个主要方面。其次，应用ＧｅｏＳｔｕｄｉｏ ２００４软件包对黄延公路高边坡进行了稳定性计算评价和有限元模拟分析，通过分析发现古土壤和钙质结核由于内聚力较大，其存在 对边坡的稳定性有积极意义，计算评价时可以考虑其影响；设置平台可以降低坡 脚处的剪应力集中，改变边坡的应力应变分布，有利于边坡的稳定，并在前人研 究的基础上，对常用的稳定性评价方法进行了分析讨论。再次，以黄延公路为例，对黄土高边坡的坡面防护进行了分析总结，将坡面防护分为植物防护技术、工程防护技术和新型防护技术三大类。针对其中存在的 问题，提出了公路路堑边坡综合防护的原则和注意事项，并提出了一个黄土地区路堑高边坡防护方案推荐表。最后，本文给出了坡面防护方案评估的熵权多目标决策优化模型，该方法是 作者首次将熵权多目标决策原理引入边坡防护优化决策，其最大优点在于可以在只有判断矩阵而没有专家权重的情况下，确定出可信度较高的优选方案。经实践验证，效果较好，对于同类工程具有参考意义。关键词：黄土；公路高边坡；稳定性；有限元；强度折减法；防护方案；熵权ＡｂｓｔｒａｃｔＷｉｔｈｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ ｎａｔｉｏｎａｌ ｅｃｏｎｏｍｙ ａｎｄ ｔｈｅ ｐｒｏｐｕｌｓｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇ ｔｈｅ ｗｅｓｔｅｒｎ ｒｅｇｉｏｎ，ｍｏｒｅ ａｎｄ ｍｏｌｌ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｗｏｒｋ ｉｓ ｂｅｉｎｇ ｂｕｉｌｔ ｉｎ ｔｈｅ ｌｏｅｓｓ ａｒｅａ，ｅｓｐｅｃｉａｌｌｙ ｔｈｅ ｈｉｇｈｗａｙ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ，ｂｕｔ ｔｈｅ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｓｌｏｐｅ ｉｓａｓｅｒｉｏｕｓｐｒｏｂｌｅｍ ｉｎ ｔｈｉｓ ａｒｅａ．Ｉｆ ｔｈｅ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｏｆ ｔｈｉｓ ｐｒｏｂｌｅｍ ｉｓｎ＇ｔ ｇｏｏｄ，ｎｏｔ ｏｎｌｙ ｍｅｅｔｉｎｇｇｒｅａｔ ｄａｍａｇｅｏｎｔｈｅｍａｎｐｏｗｅｒａｎｄｔｈｅ ｅｃｏｎｏｍｙ，ｍｏｒｅ ｉｍｐｏｒｔａｎｔｌｙ ｂｒｉｎｇｉｎｇ ｔｈｅｎｏｒｍａｌｒｕｎｏｆｔｈｅ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｔｒｏｕｂｌｅ，ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ，ｔｈｅ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｓｌｏｐｅ ａｎｄ ｉｔｓｐｒｏｔｅｃｔｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅ ｈｉｇｌｌ ｓｌｏｐｅ ｏｃｃｕｐｙ ａｎ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｐｏｓｉｔｉｏｎ ｉｎ ｔｈｅ ｓｌｏｐｅ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ．Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ａｎａｌｙｚｅｄ ｔｈｅ ｅｘｉｓｔｅｎｔ ｓｈｏｒｔａｇｅ ａｎｄ ｍａｎｙ ｐｒｏｂｌｅｍｓ ｉｎ ｔｈｅｈｉ曲ｓｌｏｐｅｒｅｓｅａｒｃｈ，ｔｈｅｎ ｃｏｍｍｅｎｃｅ ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｓｌｏｐｅ ｓｔａｂｉｌｉｚａｔｉｏｎ ａｎｄ ｉｔｓ ｐｒｏｔｅｃｔｉｎｇ ｓｃｈｅｍｅ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ，ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｏｂｔａｉｎｅｄ ｓｏｍｅ ｒｅｓｕｌｔｓＦｉｒｓｔ ｏｆ ａｌｌ，ｏｎ ｔｈｅ ｂａｓｉｓ ｏｆ ｔｈｅａｓｆｏｌｌｏｗｓ：ｓｕｒｖｅｙ，ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄｒｅｓｅａｒｃｈ ｍａｎｙ ｈｉｇｈｗａｙｓｌｏｐｅｓ 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ｏｆｓｌｏｐｅ，ｃｈａｎｇｅｔｈｅ ｓｔｒｅｓｓ ｓｔｒａｉｎ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｓｌｏｐｅ，ａｎｄ ｂｅ ａｄｖａｎｔａｇｅｏｕｓ ｔｏ ｔｈｅ ｓｔａｂｉｌｉｔｙａｏｆ ｔｈｅ ｓｌｏｐｅ．Ｏｎ ｔｈｅ ｂａｓｉｓ ｏｆｌａｒｇｅ ａｍｏｕｎｔ ｏｆ ｗｏｒｋ ｔｈａｔ ｆｏｒｅｆａｔｈｅｒｓ ｈａｖｅ ｄｏｎｅ，ｔｈｅｃｏｍｍｏｎ ｃａｌｃｕｌａｔｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄｓ ｏｆｓｔａｂｉｌｉｔｙ ａｒｅ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ． Ｔｈｉｒｄｌｙ，ｗｉｔｈ ｔｈｅ Ｈｕａｎｇ－Ｙａｎｈｉｇｈｗａｙｆｏｒ ｅｘａｍｐｌｅ，ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ａｎａｌｙｚｅ ａｎｄｓｕｍｍａｒｙ ｔｈｅ ｓｌｏｐｅ ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ ｏｆｈｉ出ｌｏｅｓｓｓｌｏｐｅ，ｄｉｖｉｄｅ ｔｈｅ ｓｔｏｐｅ ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ ｉｎｔｏｔｈｒｅｅ ｃｌａｓｓｅｓ：ｔｈｅ ｐｌａｎｔ ｐｒｏｔｅｃｔｉｎｇ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ，ｔｈｅ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｐｒｏｔｅｃｔｉｎｇ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ａｎｄ ｎｅｗ ｐｒｏｔｅｃｔｉｎｇ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ．Ａｓ ｔｈｅ ｐｒｏｂｌｅｍｓ ｓｈｏｗｅｄ ｉｎ ｔｈｅｍ，ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｐｕｔ ｆｏｒｗａｒｄ ｔｈｅ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅａｎｄ ｒｅｇｕｌａｔｉｏｎ ｏｆｔｈｅｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅ ｐｒｏｔｅｃｔｉｎｇ ｍｅａｓｕｒｅｓ ｏｆｈｉｇｈｗａｙ ｓｌｏｐｅｓ，ａｎｄ ａ ｒｅｃｏｍｍｅｎｄ Ｆｉｎａｌｌｙ，ａｎｓｌｏｐｅ ｐｒｏｔｅｃｔｉｎｇ ｓｃｈｅｍｅ ｔａｂｌｅ ｏｆｔｈｅ ｌｏｅｓｓ ｒｅｇｉｏｎ． ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｓｌｏｐｅ ｓｕｒｆａｃｅ ｐｒｏｔｅｃｔｉｖｅ ｓｃｈｅｍｅ ｂａｓｅｄｏｎｅｎｔｒｏｐｙ ｗｅｉｇｈｔ ｍｕｌｔｉｐｌｅｏｂｊｅｃｔｉｖｅｏｐｔｉｍｉｚｉｎｇ ｄｅｃｉｓｉｏｎｓ ｍａｋｉｎｇ ｉｓ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ，ｔｈｉｓｍｅｔｈｏｄ ｉｓ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ ｔｏ ｔｈｅ ｓｌｏｐｅ ｐｒｏｔｅｃｔｉｖｅ ｓｃｈｅｍｅ ｏｐｔｉｍｉｚｉｎｇ ｄｅｃｉｓｉｏｎ ｆｏｒ ｔｈｅ ｆｉｒｓｔｔｉｍｅ．Ｔｈｅ ｍｏｓｔ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ａｄｖａｎｔａｇｅ ｏｆ ｔｈｉｓ ｍｅｔｈｏｄ ｉｓ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｂｅｓｔ ｃｈｏｉｃｅｓｅｌｅｃｔｅｄ ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｃｉｒｃｕｍｓｔａｎｃｅｃａｌｌｂｅｉｆｏｎｌｙｊｕｄｇｉｎｇ ｍａｔｒｉｘ ａｎｄ ｓｐｅｃｉａｌｉｓｔ’Ｓ ｗｅｉｇｈｔＣａｌｌ’ｔｂｅｇｏｔ．Ｔｈｉｓ ｍｅｔｈｏｄ ｉｓ ｖｅｒｙ ｇｏｏｄ ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ ｐｒａｃｔｉｃｅ ｖｅｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ，ｈａｖｉｎｇ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｍｅａｎｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｓａｍｅ ｋｉｎｄ ｏｆｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ．Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｌｏｅｓｓ，ｈｉ。曲ｓｌｏｐｅｏｆ ｈｉｇｈｗａｙ，ｓｔａｂｉｌｉｔｙ，ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｍｅｔｈｏｄ，ｓｔｒｅｎｇｔｈｒｅｄｕｃｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ，ｐｒｏｔｅｃｔｉｖｅ ｓｃｈｅｍｅ，ｅｎｔｒｏｐｙｗｅｉｇｈｔ论文独创性声明本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行 研究工作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的 研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论 文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。本声明的法律责任由本人承担。论文作者签名：佃乒前２００６年归如日论文知识产权权属声明本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归 属学校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请 专利等权利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为长安大学。（保密的论文在解密后应遵守此规定）沦姘 锚 作 名孔 名５纠彳心２００６年母月瑚日２００６年乒月３９日导 师 前和醋，卜前前第一章绪论１．１问题的提出黄土（Ｌｏｅｓｓ）在全世界有较广泛的分布，主要分布在中纬度干旱、半干旱地区，面积达１３００万平方公里，约占陆地总面积的９．３％。具体在欧洲、北美、南美、亚洲均有分布，此外，在澳洲等地区也有零星分布。 我国黄土分布面积大约有６．３２×１０５ｋｍ２，约占全国面积的６．６％。主要分布 在北纬３００～４９０，东经７５０～１２７０之间。在大范围分布区中，黄河中游地区，西起乌鞘岭，东到太行山西麓，北起长城附近，男抵秦岭北麓，地表几乎全部被黄 土所覆盖，形成了地层连续、厚度大、面积广的典型黄土地区［１】。 随着国民经济的发展及西部大开发的推进，越来越多的工程项目在黄土地区 进行，尤其以公路建设为主，而在该区的工程建设中，遇到的一个重要问题就是黄土边坡的稳定问题，这一问题如果处理不好，不仅在人力和经济上遇到大的损失，更重要的是给工程的正常运行带来事故，因此，稳定性分析在边坡工程中占 有重要的地位【２】。 黄土边坡破坏可分为两大类，即坡体破坏和坡面破坏。坡体破坏是由于边坡 本身的稳定性不够，随着时间的推移，边坡发生徐变变形而最终失稳，形成整体 或局部坡体破坏；坡面破坏是指在边坡本身稳定性满足要求，由于边坡坡面常年 暴露于自然环境中，在各种自然条件的影响下，使边坡表面土体失稳的现象【３１。１．２黄土高边坡稳定性国内外研究现状边坡稳定性研究历来是国内外学术界和工程界关注的重大课题，其研究途径 主要是从两个方面来进行。一是地质方面主张根据土体的工程地质条件类比方法 来研究，这属于定性分析方法；二是土力学方面偏重于地质力学分析验算，这属于定量分析方法。另外，随着边坡理论研究的不断深入发展，又出现了不确定分 析法１９Ｊ。１．２．１定性分析方法 定性分析法，通过工程地质勘察，对影响边坡稳定性的主要因素、可能的变 形破坏方式及失稳的力学机制等分析，对已变形的地质体的成因及其演化史进行分析，从而给出被评价边坡的一个稳定性状况及其可能发展趋势的定性说明和解释。其优点是能综合考虑影响边坡稳定性的多种因素，快速的对边坡的稳定状况 及其发展趋势做出评价【４】。常用方法主要有：自然（成因）历史分析法、工程地质 类比法、边坡稳定性分析数据库和专家系统、图解法和范例推理评价法ｆ５】等。 １．２．２定量分析方法 定量分析法，以工程地质法为前提，，在对黄土边坡稳定性的机理分析基础上，通过数学力学分析，给边坡稳定性以量化概念。常用方法主要有极限平衡法、 极限分析法旧和数值分析法等。 （１）极限平衡法极限平衡法的基本假设是破坏面（直线、圆弧、对数螺旋线或其它不规则面）满足库仑破坏准则，在具体分析时，预先从斜坡中取出一个隔离体，根据作用在隔离体（可以是整体或土条）上的己知力或假定力，计算出维持平衡所需要的士的 抗剪强度，然后将其与有效的土的抗剪强度进：行比较，求出Ｆｓ（安全系数），衡 量边坡稳定性。按平面问题和空间问题，可以将其概化为二维模型和三维模型。 其中二维极限平衡法是最经典的一种定量分析方法，也是目前用于工程设计的主 要方法。其研究历史可追溯到本世纪２０年代或者更早，近年来仍在不断发展和完善。工程上惯用的是费伦纽斯（Ｗ．Ｆｅｌｌｅｎｉｕｓ）（１９２７）的简化条分法，其最大缺点为 静不定问题，毕肖普（１９５５）对此虽作了改进，但计算较复杂。Ｊａｎｂｕ（１９５６），Ｍｏｇｅｎｓｔｅｍ与Ｐｒｉｃｅ（１９６５），Ｓａｒｍａ（１９７９）等人提出的基－ＴＩｌｌ／体极限平衡理论的一 些边坡稳定性评价方法计算稍简单，但主要问题还是静不定问题。Ｄｏｒ Ｌｅｓｈｂｉｎｓｋｙ（１９９４）对Ｂａｋｅｒ和Ｇａｒｂｅｒｓ（１９７８）的变分极限平衡法（Ｔｈｅｅｑｕｉｌｉｂｒｉｕｍｖａｒｉａｔｉｏｎａｌ ｌｉｍｉｔａｎａｌｙｓｉｓ）作了修正，提出了一套可以考虑地震的拟静力法土坡稳定分析图，应用较为方便，同时也解决了土坡稳定分析的静不定问题。陈祖煜对Ｍｏｇｅｎｓｔｅｍ－Ｐｒｉｃｅ法、Ｓａｒｍａ法和能量法进行改进，提出以积分形式表达的安全系数公式。 （２）极限分析法塑性极限分析法考虑岩土体应力一应变关系，用塑性力学上限、下限定理分 析边坡稳定问题，就是从下限和上限两个方向逼近真实解。这一求解方法最大好 处是回避了在工程中最不易弄清的本构关系表达式，因而具有物理概念清晰、应２用简单且在很多情况下可给出问题的严密解等优点。该方法考虑了速度模式（破 坏模式）和能量消耗，应力分布并不要求满足平衡条件。 早在１９７７年，潘家铮就提出了滑坡分析的两条基本原理，即极小值原理和 极大值原理【７】。后陈祖煜ｆ４ｌ】应用塑性力学上限、下限定理证明了潘家铮最大、 最小原理，严格地推导了二维边坡稳定分析的上限解和下限解，通过虚功原理求 解使得Ｓａｒｍａ法求解变得十分简单，大大提高了计算效率。门玉明【８１（１９９３）基于 上限定理，以土坡折线型滑裂面为破坏机构，在假定土体上全部外力所做的功率 等于速度间断面上总的能量耗散功的基础上推导出土坡稳定性计算的极限分析公式。（３）数值分析法 数值分析法是考虑到岩土体为非均质、不连续、大变形等特点而出现的方法， 是目前岩土力学计算中使用最普遍的分析方法。常用的方法有：有限元（ＦＥＭ） 法、边界元（ＢＥＭ）法、快速Ｌｆｌ，．ｎ．ｒＲｏ丑ｉａＩｌ＿分析（ＦＬＡＣ）法、离散元（ＤＥＭ）法、块 体理论（ＢＤ与不连续变形分析（ＤＤＡ）、无界元（ＩＤＥＭ）法等。 １．２．３不确定分析法四１ 随着边坡理论的不断深入发展，人们认识到，传统的边坡稳定性分析中存在 许多不确定性因素，从而发展了不确定分析法。常用的方法有：蒙特卡洛法（Ｍｏｎｔｅｃａ订ｏ）嘲阱】，模糊综合评价法、可靠度评价方法、灰色系统评价法等。１．３黄土高边坡防护国内外研究现状随着公路等级的不断提高．边坡防护也越来越受到重视。由于高速公路路基 较宽、挖填较大，因此对其边坡防护应给子积极关注【１０】。公路高边坡防护的好 坏直接影响到行车安全与行车环境，公路高边坡防护形式包括工程防护和植物防 护两类。西方和日本等发达国家建设高速公路的时间比较早，经过几十年高等级 公路建设的实践积累，尤其对公路边坡与长期加固的研究和实践，已形成了一套工程防护与植物防护相结合的公路边坡防护体系，各种柔性支护和绿化措施，如土工格栅、土工织物、基质喷播等与生态防护相结合的技术已成为设计中的常识， 并实现了边坡的信息化设计【ｌｌ】。我国公路设计和建设部门投入了大量的人力和物力开展对公路边坡设计与防护的研究，国内外各种先进的工程防护技术和植物防护技术都开始在我国公路边坡防护上得到应用，取得了较好的成效。我国公路通常采用的边坡防护与加固方法【１０】ｆ１１】如表１．１所示。表１．１我国公路常用边坡防护加固措施类型干砌片（块）石护坡 浆砌块石护坡或护面墙 混凝土预制块护坡工程防护 坡面防护混凝土骨架护坡 窗孔肋式护坡 六角空心砖护坡 喷射混凝土护坡 铺草皮植物防护种草 植树 护脚墙 抗滑墙 抗滑桩（预应力锚索抗滑桩）坡体加固预应力锚索框架（预应力锚索粱） 压浆固结 土钉墙 排水固结１．４本文的主要研究工作本文在前人研究的部分成果上，根据对大量已建高等级公路黄土高边坡现状的调查、分析和研究，针对目前在黄土高边坡研究中存在的不足之处以及诸多问题展开进一步研究，本文从边坡稳定性及其防护方案两方面入手，主要研究内容有以下几方面：（１）通过大量的黄土地区边坡破坏的调查和资料分析，确定黄土地区边坡变 形破坏的类型，研究其形成机理；（２）对黄土高边坡进行稳定性计算评价和有限元模拟分析；（３）利用熵权多目标决策优化方法确定黄土边坡最佳防护方案，并用工程实 例验证，提出建议优选防护方案。１．５本文的研究技术路线结合以上内容，制定本文的研究技术路线见图１―１。４图１―１研究技术路线图第二章黄土高边坡变形破坏的基本形式及其机理 分析２．１黄土及黄土的一般特征在黄土边坡研究中，人们一般都把其作为均质体来对待，从计算采用的实验数据，到计算方法都采用土块参数和均质弹塑性体，实际上，黄土并不是均质的，其中存在着原生不连续面（如垂直节理和层理）及经改造后的一些不连续面（如构造节理等）。本文以铜黄公科１６】和黄延公路高边坡为例，分析黄土高边坡的结构模型。２．１．１黄土分布及成因时代黄土古称“黄壤”，本源于土地之色，是一种第四世纪沉积物，具有一系列内部成分和外部形态的特征，不同于同时期的其他沉积物，在地理分布上也有一定的规律性‘１ ２１。 我国黄土高原位于北纬３４。～４１。、东经１０３。～１１４。，地势西北高、东 南低，海拔高度介于２０００～１０００ｒａ之间。其范围北界长城，南抵汾渭盆地北缘， 东起吕梁山西麓，西起陇西盆地西缘，包括陇西、宁夏自治区南部、陇东、陕北、 晋西等地区，呈东西向展布，总面积约２３万平方公里，主要地貌类型有黄土塬、 梁、峁【３】。 我国黄土形成经历了整个地质年代的第四纪时期，各层黄土形成年代和成因 如表２．１所示，表２．２给出了公路部门对黄土的工程分类。表２．１黄土地层划分和特性【１４】年代近期黄土名称新近堆积成因以水成为主备注杂乱无章，具不均匀性、高压缩性、强湿陷性新 黄 马兰黄土 土全新世Ｑ４早期 一般湿陷 浅黄，一般具湿陷性 性黄土 风成为主 非湿陷性 黄 黄土 土 褐红，一般不具湿陷性或在高压下，具轻微湿 陷性晚更新世Ｑ３ 中更新世Ｑ２ 早更新世Ｑｌ离石黄土 午城黄土老６表２．２公路部门对黄土的工程分类１１５１分类名称 地层名称 地质符号Ｑ４新黄土 马兰黄土地质年代全新世（近代）按成因划分亚类１．风积 ２．冲积或洪积Ｑ３ Ｑ２２晚更新世（新第四纪）３，坡积离石黄土上部 老黄土 离石黄土下部中更新世（中第四纪）Ｑ２１ Ｑｌ早更新世（早第四纪）不分红色黄土午城黄土２．１．２黄土岩性及特征黄土在我国分布面积相当广泛，由于各地的地理、地质和气候条件的不同， 使黄土在沉积厚度、地层特征和物理力学性质上都表现出明显的差异和变化，一 般具有以下特征‘１２】：（１）颜色以黄色、褐黄色为主，有时呈灰黄色； （２）颗粒组成以粉粒（０．０５―０．００５ｍ）为主，含量一般在６０％以上，粒径大 于０．２５ｒａｍ的较少； （３）有肉眼可见的孔隙，较大孔隙，一般在１，Ｏｍｍ左右；（４）富含碳酸盐类矿物，垂直节理发育。 天然黄土的基本特性主要有‘１３１：（１）一般黄土为非饱和士，天然黄土含水量为６９６－２３９６，饱和度为２０％一７０９６；（２）黄土的压缩性大，孔隙比约为０．７－１．２：黄土中的碳酸盐类矿物一般具有可溶性；黄土的节理发育，并存在大孔隙，从而使黄土的可压缩性明显； （３）黄土的结构性强，并具有触变性，其中盐类矿物的成分和含量对黄土结构性的影响显著：（４）黄土具有湿陷性，其与沉积年代和地区环境密切相关； （５）黄土具有湿软性，水稳定性差，沉积年代近的黄土崩解性强烈。 ２．１．３黄土地貌 地貌是在一定的物质组成的基础上，受内力地质作用和外力地质作用相互作用而形成的。因而地貌类型不同，反映了构成地貌的地层或构造的不同。而地层、 构造又恰是与工程建设密切相关的。高原黄土主要由塬、梁、峁三种地貌特征组成Ｉ”。（１）黄土塬，塬的地势平坦，面积较大，流水以片蚀为主，在源的周围有 沟谷环绕。在山西南部、陕西洛河流域和甘肃陇东径河流域分布广，在其上多有乡镇、村落。 （２）黄土梁，两个沟谷之间的平原，呈长条形分布，长达数十公里，梁的 顶部宽度为数十米到数百米不等。在陕北、晋西南、陇东北部和陇西等地区最为 典型。（３）黄土峁，为弯形的黄土丘陵地形，顶部浑圆，呈馒头弧立的丘陵。在陇西、陇南和陕北北部分布最广。 黄土路堑边坡的形成与沿线路的地形地貌有关。在塬地貌地区公路建设中遇到的路堑边坡相对较少，但在路线穿越塬边沟谷时也会遇到许多高路堑边坡问题 在梁地貌地区修筑公路时，线形主要沿沟谷布置，并靠近山脚处，拓宽道路时出现大量的半填半挖路段以及全挖方路段，山脚挖方段即形成较高的路堑黄土边 坡。高等级公路路基宽，线形要求高，挖方量大，路堑边坡也就更高：在峁地貌地区公路建设中也将遇到大量半填半挖或全挖方路段，但相对于黄土梁地貌，高路堑边坡情况出现的少一些。２．２黄土高边坡结构类型２．２．１黄土高边坡的一般特征边坡包括人工边坡和自然斜坡，根据开挖高度可将黄土边坡分为三种类型， 即低、中、高边坡，如表２．３所示。表２．３黄土高边坡按开挖高度分类‘ｌｌ开挖高度（ｍ） 类型≤１５ １６～３０ ＞３０低边坡中边坡高边坡根据长期的工程实践和实地工程调查研究，黄土边坡从地质条件到稳定性规律均较其它岩土边坡具有许多特点。对高陡边坡来讲，这些特点更加突出。概括起来，黄土边坡的特点主要有如下方面【１２１［１３】：（１）黄土结构性强，湿水软化后强度降低显著。因此，可将人工开挖的黄 土边坡按所属工程特点分为两类。一类为公路、铁路边坡，一般坡脚受湿水条件的影响较少。因此，边坡的稳定性主要与天然地质条件有关。另一类为水利渠道及坝体边坡，坡脚受湿水条件的影响显著。因此，边坡稳定性设计中要充分考虑 下部坡体土层湿水后强度软化的影响。（２）人工开挖的黄土边坡高陡，植被条件差，常受雨水剧烈冲刷，坡肩受雨水入渗影响明显。 （３）黄土边坡土体的均匀性差，高陡边坡土层通常可分为多种地层结构， 同一地层中也常有不同性质和结构的土间夹层。同一结构土的成岩性一般较好； 在滑坡地带由滑坡堆积层组成的黄土边坡，其土层比较紊乱混杂，成岩性很差。 无论完整地带或滑坡堆积地带，土层中节理、裂隙均较发育，影响黄土的整体强度。（４）由于浸水和干缩，黄土边坡中常有垂直裂隙出现，自然坡面一般为ｌ：１．２―１：１．５（５）无论完整地带或滑坡堆积地带，土层中的裂隙均较发育，影响黄土的整体强度。（６）完整土层和滑坡体土层具有不同的力学性质。完整土层呈多层结构， 强度差异大：滑坡体中为受扰动的次生黄土，成岩性差，强度随深度变化大。（７）人工开挖的黄土边坡失稳时，滑动面上部受节理和裂隙的影响，多为分段折线型或折曲圆弧型，下部滑动面接近为圆弧型。对高陡边坡，易发生牵引 式崩塌。 （８）地下水一般为黄土层中的潜水层，不太丰富。土体一般处于非饱和状态。 （９）黄土地区虽属干早或半干旱区，降水较少，但降水较集中，且多为暴 雨。 （１０）由于地面及坡面植被差，因此，冲沟较发育。（１１）从安全性和经济型考虑，黄土边坡设计通常根据坡高情况采用不同坡 形，对坡体较高情况，适宜采用阶梯型。 ２．２．２黄土高边坡地质结构及结构面‘１６１［１７】【１棚 ２．２．２．１黄土中的节理和裂隙 黄土中存在垂直节理是其特征之一，它被认为是黄土中原生节理，一般情况下，垂直节理与土的层面垂直，但也有大角度相交，其走向变化无常，无明显的９规律性，在调查中发现，Ｑ３马兰黄土中，垂直节理间距较小，密度大，最密处可达３条／米，具有一定的张开。Ｑ２离石黄土中原生垂直节理密度变稀，间距较大， 节理多呈闭合，在Ｑ２下部原生节理几乎消失，黄土中垂直节理面上凹凸不平， 无明显移动痕迹，基本无充填物，因此大部分学者认为黄土中的垂直节理为土体 的湿度变迁产生收缩作用而成，它是在成岩过程中因水分运动引起的一种物理、 化学作用结果。除黄土中的原生垂直节理外，高边坡剖面中存在构造节理，虽然这类节理在 黄土中不是普遍发育，但由于其规模较大，且在Ｑ２老黄土中发育，因此对于边坡稳定性具有控制意义。２．２．２．２黄士边坡的地质结构面 铜黄公路黄土高边坡开挖深度不同，其边坡的地质结构有明显的差异，但是，边坡中的地质结构主要存在以下几种类型； （１）黄土底部基岩风化剥蚀面黄土底部通常为基岩风化面，为相对隔水层，若倾向坡外，边坡很容易从基岩面产生滑动。 （２）流水作用形成的层理面 流水作用形成的层理实际上在黄土中较常见，但往往经过后期的成壤作用已 不明显。层理是一种原生堆积的不连续面，也是土体内物理力学性质的弱面，边坡的位移和滑动也易沿该面进行。（３）黄土中的层状结构及结构面风成作用形成的黄土典型结构为继承性堆积，即在古地形的基础上形成慢覆，堆积时继承了塬边的倾斜或梁状地形，形成了倾斜层面和近水平面。黄土在 后期的成壤、淋滤等地质应力作用下，形成层状的黄土、古土壤和钙质结核层相 间分布。各层之间为沉积间断面、剥蚀面或物理力学性质差异面。黄土的钙质结核层是黄土特有的一种层状物质，钙质结核层的成因在黄土研 究中较多，普遍认为是在黄土成壤过程中ＣａＣ０３淋滤富集而成，但是对其工程意义，特别是对边坡稳定的影响研究较少。在铜黄公路发现层状结构分布广泛， 如Ｋ１０５＋７５０．９５０剖面，钙质结核层达８层，且层位稳定，厚度在０．８―１．５ｍ之 间，其中深度５５ｍ、６３ｍ、６９ｍ和８１ｍ的钙质结核层厚度分别为Ｏ．９ｍ、１．３ｍ、ｌｏ１．２ｍ和１．０５ｍ，且己形成完整的钙板。为了研究其特性对边坡稳定的影响，在该高边坡取样，分别进行实验和物理成分测试，其结果如表２．４。表２．４铜黄Ｋ１０５＋７５０－－－９８０剖面钙质结核层（板）综合试验成果表取样ＣａＣ０３抗压 强度 （％） （Ｍｐａ）２７．１１ ３４．６６ ２７．３８ ２２．５７ ４４．４ ６８．１ ２８．６ ２６．８抗剪强度Ｃ（ＭＰａ） 干燥６．８ ７．６ ２．７ １３序号深度由（ｏ） 干燥４０．６ ４３．２ ４３．２ ４３．２㈤１ ２ ３ ４ ５５ ６３饱和２．４ ５．１ １．Ｏ Ｏ．７饱和３９．６ ４２．１ ４３．Ｏ ３９．７６９８１从表２．４中可以看出，钙板中ＣａＣ０３的百分含量己接近泥灰岩的ＣａＣ０３含量，其单轴极限抗压强度，抗剪强度类似于岩石，其抗压强度和内聚力最大分别为６８．１ ＭＰａ和７．６ ＭＰａ，按岩石强度分类标准，已属硬质岩石。当然，强度与 ＣａＣ０３含量有密切关系，从表２．４中的数据还可看出，抗压强度和内聚力都随着ＣａＣ０３百分含量的增高而增强，内摩擦角变化不大。由于钙质结核层在Ｑ２黄土 中存在，且层数较多，当然一些没有形成钙板层，但其中的碳酸钙成分和钙核也己胶结成连续层，其存在无疑有利于边坡稳定，因此，在计算评价中将充分考虑 其作用。 （４）其它不连续结构面 在调查中，发现边坡中还存在一些其它不连续结构面，如冲沟经后期充填形 成的不规则“ｕ”型面，在铜黄Ｋ１０７＋１６０－－Ｋ１０７＋３６０剖面中有两个冲沟经旖工充填形成明显的槽型结构面，坡体滑动后的老滑面也是极不稳定的弱面，在Ｋ１０４＋２９３－－Ｋ１０４＋３５５剖面中，老滑坡侧向滑动面清晰可见。２．２．３黄土高边坡结构模型【１ｑ 结构模型主要考虑组成高边坡的地层岩性、成因时代、厚度变化和地层结构。根据以上四方面内容，将黄土高边坡划分为以下几种常见结构模型：（１）新黄土单一结构模型：由Ｑ３新黄土组成，岩性单一、均质、分层不明显、 原生垂直节理发育、具湿陷性，无地下水，主要分布在塬的边缘，大部分高度较，Ｊ、。（２）老黄士单一结构模型：主要由Ｑ２老黄土组成，坡体内由黄土、古土壤、钙质结核形成多层结构，垂直节理不很发育，但有的地段有构造节理存在，一般 不具湿陷性，或顶部有轻微湿陷，一般情况下无连续含水层存在，但是在一些古 土壤层之上有潮湿带存在。（３）新老黄土组合型：顶部Ｑ３新黄土，下部为如老黄土，该类型边坡具有新、老黄士的所有性质，由于新老黄土的物理力学性质的不同，则上部边坡易产生陷穴、冲沟，下部产生剥落，尤其古土壤层剥落严重，这类边坡是公路中高边坡主要类型。 （４）黄士、基岩组合型：上部坡体主要由黄土（包括新老黄土）组成，在坡脚为基岩，基岩顶面为风化剥蚀壳，风化剥蚀面稍有起伏，在基岩顶面往往有地下 水或潮湿土存在。（５）黄土、钙板、古土壤组合型；按其物质成分和力学性质，可将黄土高边坡分为黄土、钙板、古土壤组合型，其特点是层数多，单层厚度小，钙板强度大，对于边坡稳定有着积极作用。２．３黄土高边坡的变形破坏形式１２１１３］［１９１１２０ｌｌｚｌ】黄土高边坡修建后，挖方边坡以一定的坡比暴露于自然界中，经受风化、 雨水冲刷及湿陷变形等作用，从而改变边坡的原貌或失稳。根据野外调查及前人 研究资料，概括总结出如下黄土高边坡几种主要的变形破坏形式。２．３．１坡面冲刷黄土具有干燥时强度高，浸水后结构破坏，粘聚力迅速减小，且变化幅度 大的特点。而黄土地区降雨时间集中，又多以暴雨形式出现，所以，黄土高边坡 极易受雨水及地表水的破坏，表现为击溅侵蚀、细沟侵蚀、浅沟侵蚀、跌水等形式。坡面冲刷会引起大量的水土流失。坡面冲刷使坡面成沟状或洞穴状，一般形成坡肩冲刷坍塌、坡面冲刷串沟、坡面冲刷跌水、坡脚冲刷淘空、坡面冲刷沟穴、岩石接触的冲刷沟穴等。黄土边坡坡面冲刷与土层、岩性、微地貌条件、水文条件等有密切的关系。 ２．３．２坡面剥落 坡面剥落是黄土边坡坡面破坏的一种普遍现象，会发生在各种黄土类型中，虽然这种边坡坡面变形破坏不是坡体整体变形破坏，但其危害极大，会引起其它 更严重的边坡变形或破坏，处理也十分困难。剥落按其形态可分成以下几种： （１）鱼鳞状剥落 这种变形破坏易发生在含易溶盐多（一般１￣２％）的地区，新第四系风积黄土和冲积洪积黄土中。边坡开挖后，随着水分的蒸发，盐分迁移至坡面土，从而引起 土的松胀，同时由于盐分分布不均，使风化剥落程度不同，使坡面形成零乱分布的鳞状凸起和剥落，一般在新开挖的边坡上表现特明显。 （２）片状剥落 主要发生在新第四系风积和近代坡积的均质黄土层中。这种土层的较陡边坡 表面，常形成一层厚约３～４厘米的硬壳，这层硬壳在自然营力作用下呈大块片状剥落。剥落下的硬壳常呈灰黑色，主要由于开挖年代较久，尤其在阴坡坡面长满苔鲜，苔鲜死后遗留下来的。由于坡脚易受土中水分的变化引起干湿循环以及 温度变化引起的冻融循环的影响，这种剥落一般从坡脚开始，逐渐向上发展。（３）层状剥落主要发生在洪积冲积黄土互层中，这类黄土多为粘土、砂粘土及砂等互层构 成，由于各层的岩性、含水量以及含易溶盐情况不同，使得风化的快慢和强烈程 度也不完全相同。一般粘粒含量高者，剥落快而严重，相比较而言，粉土粒和砂粒含量高者剥落较轻、且慢，因而就形成层状或带状的剥落现象。第四系黄土层 中的埋藏层，由于粘粒含量较高，也比相邻的黄土层易于剥落，而在边坡上形成明显的条带状分布。 （４）块状剥落 块状剥落主要发生在古土壤中，由于古土壤的粘粒含量高，降雨过后由于蒸发时千裂，形成裂缝在重力的作用下剥落，发生块状剥落后坡面形成反向凹坡。（５）混合状剥落 边坡坡面剥落并不象上面那样类型单一，有时几种剥蚀类型同时出现，因为黄土表层的剥落，直接同黄土的岩性有关，因而在同一坡上同时会出现几种类型剥落现象的混合状剥落。坡面剥落的影响因素主要与土质岩性、地质年代以及风 化条件有关，不同黄土含盐量也不同，边坡所处位置也会影响剥落的程度。一般阳坡比阴坡剥落严重；粘粒含量大的易剥落；易溶盐含量在０．１２％以下时，边坡剥落现象几乎不存在。２．３．３坡体湿陷变形 对于Ｑ３黄土或新近堆积黄土，由于其具有湿陷性，在水的作用下，坡面上形成了陷穴或整体下沉，破坏了坡面的整体性。据对陕北公路黄土高边坡调查， 一些边坡的失稳就是冲刷和湿陷破坏坡面，最终失稳。 ２．３．４崩塌崩塌多发生在旅工阶段或形成较久的陡边坡上。沿坡顶坍塌或坡腰以及台阶 顶部塌落。坡顶崩塌多出现在新黄土中，坡腰及坡脚崩塌多见老黄土中，形成原 因有如下几种：（１）沿节理面或交叉节理处塌落： （２）沿黄土的微层理剥裂塌落； （３）高边坡形成后暴露地表，受到各种外部营力的作用，使坡形产生改变，最终下部形成反坡，反坡形成后，下部失去支撑，坡体应力会进一步调整，加快变形，后缘裂隙张开，如果组合的块体一旦形成，将产生崩塌；（４）由Ｑ３黄土组成的黄土高边坡，如果地表没有排水设施，大气降水或灌 溉等地表水沿黄土垂直裂隙入渗，久而久之形成黄土洞穴，从而造成边坡的破坏。 ２．３．５滑塌 滑塌是黄土高边坡一种常见的破坏形式，在黄土厚度比较大，尤其是马兰黄 土厚度超过３０ｍ的地带，黄土滑塌灾害十分普遍吲。它兼有崩塌和滑坡的特征， 在破坏土体中局部可见滑动面但又不整体下滑，而是带有迅速崩塌破坏的特点，在高陡边坡顶部及中部皆有发生。黄土滑塌灾害与降雨无直接关系，这一点与黄 土滑坡有很大不同。它兼有突发性、频繁性和群发性等特点，常给工程带来维修 和维护上的麻烦及大量资金浪费，并诱发其环境地质问题。２．３．６泥流泥流多发生在边坡的局部湿润地带或地下水出露部位，土体因饱和而产生塑性流动。这种变形破坏现象在黄土高边坡中不多见。２．４黄土高边坡变形破坏机理模型跚ｍ孙９１处于天然状态下的黄土经过开挖后形成高陡边坡，由于其应力调整，将发 生一系列的变形，如果边坡设计合理，则变形向趋于稳定方向发展，即减速变形，１４如果其设计值不能满足黄土自稳要求，或边坡中存在诸如不利结构面、地下水等因素，变形进一步发展，将会使边坡处于不稳定状态，甚至破坏。根据铜黄公路黄土高边坡的和陕西省内黄土高边坡的一些调型１６１，总结出黄土高边坡变形破坏的规律和模式。２．４．１滑塌、滑坡的破坏模型 （１）黄土高边坡开挖过程中的蠕动变形一后缘拉裂 黄土中的天然应力场主要为自重应力，在开挖前，自重应力以垂直方向为主， 由于人工迅速开挖，形成高陡临空面，其应力要进行调整，调整的结果是应力的 偏转，即形成平行于坡面的最大主应力和与之垂直相交的最小主应力，两应力的 交线成为剪应力轨迹，最大主应力的偏转程度与坡高和坡型有着直接关系，其坡 越高越明显，则剪应力在坡脚越集中，同时在坡脚形成较高的压应力集中，导致坡脚发生塑性变形当边坡的侧向应力削弱后，坡顶由于卸荷回弹而出现的张开裂隙，它是在边坡应力调整过程中发生的变形。如铜黄公路Ｋ１０７＋１４０－－３００处， 其坡脚的黄土及古土壤有明显的压裂痕迹，使得土体呈鳞片状，平行于坡面开裂， 局部以沿开裂面产生剥落。坡体设计和施工成高ｌＯ～１５ｍ留有平台的多级坡可以 消除或降低这种影响。如果坡高较大，坡度较陡，则在坡面上部和坡肩部位形成拉应力，而黄土的拉应力强度很低，据前人的试验研究Ｈ２】［２５１，黄土的极限抗拉强度变化较大，但其值一般较低（表２．５）。表２．５黄土极限抗拉强度盯变化范围土样编号Ａ１ Ｂ２ Ｂｌ含水量（％）１６．４．１７．５ １０．４．１６．２ ｌＯ．４－１４．４ ８．１干重度（ｋ＿Ｎ／ｍｓ）１６．０．１６．７ １５．Ｏ．１５．７ １３．Ｏ．１３．６ １５．７．１６．３极限抗拉强度盯（Ｉ中ａ）３７－４６．５ １１．５．５６ １０．５．２１．Ｏ １４．７．２９．Ｏ受裂隙影响极限抗拉强度仃（ｋＰａ）２３．２５．７ ７．３Ｑ２ Ｑ２ Ｑ２７８－ＥＱ３９．３从表中可以看出Ｑ２黄土的极限抗拉强度的变化范围为１０．５￣４６．５ｋＰａ，Ｑ３土的 极限抗拉强度为９．４￣２９．０ ｋＰａ，其主要影响因素为含水量和土中的裂隙。特别是在坡顶如存在原生节理和风化裂隙，则抗拉强度为零，所以在坡顶及坡肩易产生张裂。 （２）黄土边坡的渐进破坏性１２６］１２７］Ｉｅｓ］黄土高边坡的失稳现象并不是在同一时间内滑动面上各点一起达到极限状 态，最可能的模式是先从一个局部开始破裂，一般是在应力高、强度低的部位首先破裂，而一旦发生局部破坏，必然发生应力释放、应力转移和应力重新调整， 而在破坏了的局域所受到的影响最大，该邻域可能由原先没有超过强度值转变为 超过强度值而发生破坏，使应力集中区向其它部位转移，这样在不断地发生应力释放、转移和调整过程中，破坏面也在不断的延伸。这种过程继续进行，最后将 有两种可能，一种是破坏面完全贯穿，滑体将在滑床上开始做加速运动，一种是破坏面没有贯穿，在伸展到某一区域后就停止扩展其前方区域的应力应变均未超过强度值，此时就不会发生整体滑动。这种破坏模式称为逐渐发展的破坏或称为 渐进性的破坏。渐进破坏的过程按弹塑性力学变形原理可以划分为三个阶段，由坡脚弹塑性变形到坡顶出现张拉裂缝是滑坡的孕育阶段，这一阶段的发展较慢， 历时较长，如及时采取增稳措施，可以防止大滑坡发生；从坡顶出现裂缝到抗剪弧段强度衰减为滑坡发展阶段：潜在滑动面运渐贯通，坡顶裂缝的宽度、深度扩展到一定程度，滑动力矩超过抗滑力矩，滑坡随即发生。渐进破坏发生的条件为：坡体中局部剪应力超过局部剪强度，土体的应力一应变曲线为软化型，具有较高的峰残强度比。黄土虽非超固结土，但具有较高的 结构强度，在低围压和低湿度情况下的应力～应变曲线呈软化型。引起渐进性破坏的原因可能是：①应力和应变分布的不均匀性；②发生应变 软化特性；③应力释放；④出现裂缝以及黄土在水作用下的软化：⑤土体中存在 节理或不连续的结构面；⑥空隙水压力增长：⑦小地质构造；⑧环境影响。（３）剪出口形成―坡体突滑滑带不断发展，最终在剪出口贯通，边坡变形过程中积蓄的能量在此突然释放，坡度陡、位置高的边坡体以崩滑方式快速下滑，能量在坡体前突然释放，导致滑体前部破碎，后部结构、形态相对完整。 （４）下卧层相对隔水，地表水入渗或沿裂隙灌入产生滑移破坏 这种模式仅为滑坡的一个模式。黄土中存在相对隔水层，其坡脚一些地段是 相对隔水的泥岩、泥质砂岩及风化剥蚀面，相对黄土而言，这些层位其渗透系数 很小，如果层位较低，又有适当的水源补给，则可能在这些层位之上形成黄土的 饱和层。黄土的入渗系数较小，一般为１０”１０。５ｃｍ／ｓ之间，黄土的覆盖较厚，一１６般情况下，在降水过程中，不可能入渗到达下部相对隔水层，但是由于张裂隙及 一些大的空洞存在，在降水时地表水形成面流，会沿这些裂隙、孔洞直接灌入到达一定深度，加之地下水的侧向补给就会在该处形成地下潜水或上层滞水，使黄土呈现流塑或软塑状态。这样在坡体重力作用下就会沿着薄弱面产生滑动，使边坡破坏。２．４．２崩塌形成模型 （１）高边坡形成后暴露地表，受到各种外部营力的作用，使坡形产生改变， 最终下部形成反坡，如有不利的裂隙切割组合成块体，最终将产生崩塌破坏。 形成反坡的原因如下：①边坡坡脚附近为古土壤层。②剪应力在坡脚集中， 同时在坡脚形成较高的压应力集中。③在坡脚附近，由于其处于饱水带或潮湿 带，在冬季冻结，春季消融，反复进行，在坡脚形成凹进的反坡；④地表水的 冲刷作用；⑥风化作用等。 反坡形成后，下部失去支撑，坡体应力会进一步调整，加快变形，后缘裂 隙张开，如果组合的块体一旦形成，将产生崩塌。 （２）新黄土单一结构黄土高边坡，当地表水没有排水设施的，大气降水或 灌溉等地表水沿黄土垂直裂隙入渗，久而久之，形成黄土洞穴，从而造成边坡崩塌破坏。２．４．３坡面破坏模型 坡面破坏主要表现为冲刷、湿陷和剥落。 冲刷受坡比控制。坡比直接控制着汇水面积和地表面流的流速，坡面土体 的移动与水的厚度、流速及土粒的抗剪强度有关，一般情况下，坡面越大，其汇 流水的厚度越大，冲刷力越强，而坡面越陡，其水流流速越大，因此，坡比似乎 与坡面冲刷和稳定相互矛盾，也就是适当的坡比是决定坡面冲刷的关键。边坡愈缓愈稳定，但折学森教授在铜黄公路边坡做现场冲刷实验【ｌ ６】时发现，黄土边坡坡度不宜太缓，否则易受到冲Ｊ￥１ｈ同时也不宣太陡，否则易使降雨对 坡面上裂隙、节理产生冲刷作用，产生剥落或局部坍塌，他建议黄土边坡的坡 度，一般以１：０．４～１：０．７５为易。坡面破坏与坡体的岩土性质、降雨量、坡面形态有着密不可分的关系。组 成坡体的黄土上部一般为Ｑ。马兰黄土，疏松、欠压密、具中等湿陷性，因此在１７连阴雨和强降雨时，由于溅击作用，会使土粒与坡面失去联系。随集中水流一 起带走，更为重要的是坡顶如无排水措施，形成的面流就会沿着节理、裂隙冲 蚀或潜蚀，形成小型冲沟。对于Ｑ。黄土或新近堆积黄土，由于其具有湿陷性， 在水的作用下，坡面上形成了陷穴和整体下沉，破坏了坡面的整体性。 前面己提到，由于坡脚的压应力、古土壤的反复饱水和干裂剥落、坡面上 水分的变化、开裂等原因会引起坡面的剥落破坏。它对于坡体稳定的影响不大， 但不加以保护，其坡脚路旁的堆积对公路的养护也是值得注意的。２．５影响黄土边坡变形的因素胆１ｌ综合野外黄土路堑边坡调查研究资料，可以看出造成黄土边坡变形的各种条件有：（１）松散结构湿陷性黄土干容重小、孔隙度大、强度低；（２）具有呈粉粒点式接触大孔性结构和粉粒叠盖式多孔性结构； （３）黄土节理发育； （４）黄土中含易溶盐； （５）边坡土质不均匀，有时存在粘土等夹层：（６）微地貌条件；（７）风化作用； （８）地表径流冲刷； （９）边坡过高过陡或过缓（受水面积大，滞流系数大）， （１０）水文地质条件，水的浸润作用和坡脚冲刷或泡水； （１１）陷穴、沟穴的发育、地鼠穴道的危害； （１２）地震作用影响； （１３）排水不良。 将上述条件加以分析，影响边坡变形的因素可归纳为：内在因素：外界条件； 人为因素的影响三个主要方面。 ２．５．１内在因素边坡变形的内因，主要包括黄土所具有的一些特性，是影响边坡变形破坏的主要因素。 （１）黄土的层位和成因类别：松散结构的新黄土（Ｑ３、Ｑ４）和密实结构的老１８黄土（Ｑ２）其物理力学性质差别较大，因此，在两类黄土中发生的破坏变形现象亦不相同。在同一时代的黄土中由于其成因不同，其稳定性也有较大差异，一般现代坡积的松散坡积黄土（Ｑ４３一舢）最不稳定，而阶地上部洪积和冲积的黄土Ｑ４３－４则较稳定。 （２）黄土的结构和构造：黄土中节理、裂隙的密度、性质、土的均匀性、结构孔隙特征、夹层的特性以及构造变动等都影响到边坡的稳定性。 （３）黄土下卧岩层的影响：下卧岩层的岩性、产状、风化程度及黄土的接触关系等，是影响边坡稳定性很重要的条件。 （４）物质组成：矿物成分、易溶盐含量对边坡稳定性也有影响。（５）黄土的物理力学性质；在黄土的工程地质性质指标中，主要的是粘土颗粒的含量、干容重、液限和塑性指数、天然含水量、孔隙度以及力学性质指标 等。２．５．２外界条件 边坡变形的诱因，系指边坡所处的环境，它会促进边坡变形破坏的发生和发展，是引起边坡变形破坏的诱发因素和外因。 （１）地貌单元和微地貌特征：边坡处于阶地上，阶地的前缘坡面、或处于 分水岭斜坡上，不仅会通过不同成因类型的黄土，而且坡顶的汇水条件将不同。在微地貌特征上，如陷穴、暗洞、低洼积水、冲沟坡面形态等的位置及分布都影响到边坡的稳定。 （２）地下水条件：地下水在黄土层中，或在底砾层中，或在下卧岩层中出 露，一般都会对边坡稳定性产生不利影响。（３）地表水作用：主要表现在坡面的冲刷，坡脚和侧沟的浸湿和冲刷，渗入土体中的水将引起土体重量增加及强度的降低，水渗入裂隙和节理而产生的静 水压力，促进冲沟、陷穴的发展等，对边坡稳定性都不利。 （４）风化作用：常形成次生节理并使构造节理张开，坡面的剥落现象，是 造成边坡变形的直接原因之一。（５）震动的影响：包括地震及列车行走时的振动影响。有些自然山坡的大滑坡显然是和区域性的地震有关，至于列车振动对边坡稳定性的影响则是经常 的。１９２．５．３人为因素的影响人为因素系指设计、施工、维修不当及加载、灌溉等而造成的一些不利条件，有时这种影响也可成为边坡变形破坏的直接原因。（１）设计不合理：设计黄土边坡时，如未能全面考虑上述各因素，以及边坡的坡高、坡度或坡形不能适应黄土的特性时，将引起边坡的变形破坏。（２）施工不当：坡面不平整，边坡平台未加防护和加固，以致地表水渗入而引起变形。（３）防、排水系统不完善、养护维修不当或设计不合理。 （４）边坡顶部人为增加荷载等（如堆放东西，设置建筑物等），增加了下滑 力，降低了边坡的安全系数。 （５）边坡植被被破坏。２．６本章小结通过对黄土高边坡变形破坏的基本形式及其机理分析的研究，可以得出： （１）黄土高边坡常见结构模型主要有：①新黄土单一结构模型，②老黄士 单一结构模型，③新老黄土组合型，④黄士、基岩组合型，⑤黄土、钙板、古土壤组合型：（２）黄土高边坡的变形破坏形式主要有：坡面冲刷、坡面剥落掉块、坡体 湿陷变形、崩塌、滑塌、泥流等几种，其中滑塌最常见； （３）黄土高边坡变形破坏机理模型主要有以下三种：滑塌、滑坡的破坏模 型、崩塌破坏模型和坡面破坏模型： （４）滑塌、滑坡的破坏模型表现如下：①黄土高边坡开挖过程中的蠕动变 形一后缘拉裂，②黄土边坡的渐进破坏性，③剪出口形成一坡体突滑，④下卧层 相对隔水，地表水入渗或沿裂隙灌入产生滑移破坏； （５）崩塌形成模型表现如下：①由边坡下部的反坡引起的崩塌，②由黄土洞穴引起的崩塌； （６）坡面破坏模型主要表现为冲刷、湿陷和剥落。（７）影响边坡变形的因素可归纳为：内在因素、外界条件、人为因素的影 响三个主要方面，其中内在因素是影响边坡变形破坏的主要因素。对于人工开挖的路堑黄土高边坡而言，人为因素是主要的。第三章层状黄土高边坡稳定性计算及有限元分析３．１黄土边坡稳定性分析方法简介随着我国的改革开放，国内基础设施建设蓬勃兴起，尤其是西部大开发，为 边坡工程豹发展创造了良好条件。随着现代科学技术的不断发展和边坡理论研究 的不断深入，出现了很多评价分析边坡稳定性的方法。目前用于黄土高边坡稳定性分析的方法也比较多，如极限平衡法、裂隙圆弧法、稳定图表法、塑性极限分析法、有限元法等口４１。另外，随着计算机技术的发展，尤其是岩土材料的非线 性弹塑性有限元计算技术的发展，有限元强度折减法【３６】正成为边坡稳定分析研 究的新趋势，在国内外越来越受到关注。 边坡稳定性分析过程一般步骤为：实际边坡、力学模型、数学模型、计算方 法、结论。其核心内容是力学模型、数学模型、计算方法的研究，即边坡稳定性 分析方法的研究。边坡稳定分析方法研究一直是边坡稳定性问题的重要研究内容，也是边坡稳定研究的基础【３５】。３．１．１极限平衡法 极限平衡理论是将有滑动趋势范围内的边坡岩土体按某种规则划分为一个 个小块体，通过块体的平衡条件建立整个边坡平衡方程，以此为基础进行边坡分 析。该方法具有模型简单、计算公式简捷、可以解决各种复杂剖而形状、能考虑 各种加载形式。传极限平衡法经过７０多年的发展，发展了多种方法，如瑞典圆 弧法、简化Ｂｉｓｈｏｐ法、Ｊａｎｂｕ法及Ｍｏｒｇｅｎｓｔｅｍ．Ｐｒｉｃｅ法、Ｓｐｅｎｃｅｒ法等。尤其是 简化Ｂｉｓｈｏｐ法因其计算模型简单、计算方法简便、计算结果能满足工作需要等优点，得到广泛的应用，并为各国规范所采用。一般而言，极限平衡解是满足力和力矩平衡以及摩尔一库仑破坏准则的。然而，因为极限平衡解忽略了相容性条件和土的应力应变关系，只有当平衡条件不依赖应力应变关系或应力历史，计算的安全系数是严格的。 条分法到摩根斯坦法的出现已发展到相当完善的程度，因此再在条分法的框架下作新的发展已经很难了：同时条分法的工程应用表明，ＢＩＳＨＯＰ法的计算结果 具有很高的可信度。３．１．２裂隙圆弧法１１３１０７１ 裂隙圆弧法是西安公路科学研究所的赵学勐【３ ８】等人于八十年代初针对黄土２１边坡的特点提出的。该方法认为，黄土中由于垂直节理的存在，以及高陡边坡坡脚受到很大的自重应力，发生不均匀变形等现象，都会导致坡顶出现成组的拉力 裂隙。裂隙的平面分布呈与边坡坡肩线平行的圆弧状。该方法提出后，受到工程界的关注并被应用。后经折学森教授改进后，该法得到较为广泛的应用。 ３．１．３稳定图表法【１２１１３９１１４０ｌ稳定图表法是根据边坡的坡高与坡比有一定的函数关系而提出的，根据这种函数关系将其制成图片，这样使得边坡设计计算变得简单、方便，只需查相应的 图表即可。该法步骤简单、直接，工程界常常使用，但它是在简化基础上进行归 并而得，使用时要注意其适用条件和适用范围。 ３．１．４塑性极限分析法塑性极限分析法考虑岩土体应力一应变关系，用塑性力学上限、下限定理分 析边坡稳定问题，就是从下限和上限两个方向逼近真实解。这一求解方法最大好处是回避了在工程中最不易弄清的本构关系表达式，因而具有物理概念清晰、应 用简单且在很多情况下可给出问题的严密解等优点。该方法考虑了速度模式（破 坏模式）和能量消耗，应力分布并不要求满足平衡条件。 ３．１．５有限元法１４１１ 有限元分析法是七十年代以来伴随着计算机的发展而逐渐成熟的分析法。该 方法既可将边坡稳定问题视为平面应变问题进行分析计算，也可按空间问题分 析，并可较合理地反映边坡的边界条件，以及坡体土应力一应变的非线性关系， 因此，被视为较有发展前途的分析方法。该方法的基本原理为，将边坡土体离散为很多小单元体，根据单元体的应力一应变关系及平衡条件建立变形谐调方程，然后根据各单元体间的变形谐调关系及边坡边界条件建立边坡整体稳定的应力和位移方程，最后通过计算机求解方程，得出边坡体中的应力、应变及位移。 ６０年代以来，有限元方法开始应用于土坡的稳定性分析，为土坡稳定分析 提供了新的思路。Ｆｒｅｄｈｍｄ认为有限元法是边坡稳定分析的未来，一方面条分法 存在前提假定上的缺陷，另一方面有限元法用于土坡的稳定分析有其众所周知的独特优点【４７】：１．可以考虑土体的非线性本构关系，可考虑复杂的荷载及模拟施工过程， 从而使得滑动面上的计算应力比较真实。２．将稳定和位移的发展联系起来。现场观测只能测出位移的发展；无法测 出安全系数，将稳定性和位移的发展联系起来就可以依据位移估计安全性的变化，这对施工中检测和控制边坡的稳定性是十分重要的。３．用有限元可计算膨胀土边坡和黄土边坡在浸水条件下的变形，进而反映对稳定性的影响。３．１．６有限元强度折减法 Ｄｕｎｃａｎ（１９９６）㈣指出边坡稳定系数可以定义为使边坡刚好达到临界破坏状态时，对土的剪切强度进行折减的程度，即定义稳定系数是土的实际剪切强度与临界破坏时折减后的剪切强度的比值。这种强度折减技术特别适合用有限元方法来实现，早在１９７５年Ｚｉｅｎｋｉｅｗｉｃｅ［４５】就用此方法分析边坡稳定，只是由于需要花费大量的机时而在具体应用中受到限制现在，随着微机的发展和有限元计算技术 的提高，强度折减有限元法正成为边坡稳定分析研究的新趋势。ＧｒｉｆｆｉｔｈｓＤ．Ｖ【４２１通过绘制边坡内某一点位移与折减系数关系曲线来确定安全系数。郑颖人ｍ】在这方面做了许多工作，为有限元强度折减法在我国的普及做了很大的贡献。 对于复杂边坡的稳定分析利用有限元法，考虑土体的非线性应力应变关系，求得边坡内部每一计算点的应力应变，这样能够比较真实地反映应力应变情况， 接着再降低土体材料的抗剪强度参数，直至边坡达到临界破坏状态，从而得到边 坡的稳定系数。这样的做法与实际边坡失稳过程较为吻合，即大部分边坡失稳都 是由于土体材料的抗剪强度降低所致。随着计算机软硬件及非线性弹塑性有限元计算技术的发展，采用理论体系更 为严密的有限元法分析边坡的稳定性已经成为可能。在有限元静力稳态计算中，如果模型为不稳定状态，有限元计算将不收敛，基于此原理，在非线性有限元边 坡稳定性分析中，利用公式３―１和３―２通过不断降低岩土体强度（粘聚力和内 摩擦角），使系统达到不稳定状态，有限元静力计算将不收敛，此时的折减系数 Ｒ就是边坡稳定系数只。有限元强度折减法得到的稳定系数具有强度储备的概 念，这与在极限平衡法中被广为接受的稳定系数定义在概念上是一致的，所以强 度折减法得到的结果同极限平衡法具有可比性。ｃＩ．ｃ／Ｒ（３一１） （３－－２）妒’＝ａｒｃｔａｎ（协ｎｐ／Ｒ）强度折减法的优点是稳定系数可以直接得出，不必事先假设滑裂面的形状和 位置，另外可以考虑土坡的渐进破坏过程㈤。 强度折减有限元的关键问题是临界破坏状态的确定，即如何定义失稳判据。 目前主要有三种失稳判据：①边坡某个部位的位移或最大位移；②迭代求解过程 的不收敛；③土体塑性应变、应力水平等某些物理量的变化和分布ＭＴＪ。 需要说明的是，进行强度折减非线性有限元分析，要有一个过硬的非线性有 限元程序和收敛性能良好的本构模型。因为收敛失败可能表明边坡已经处于不稳 定状态，也可能仅仅是有限元模型中某些数值问题造成计算不收敛。３．２数值分析软件ＧｅｏＳｔｕｄｉｏ简介３．２．１软件简介ＧｅｏＳｔｕｄｉｏ是加拿大ＧＥＯ－ＳＬＯＰＥＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＬｔｄ．公司出品的一套功能强大、适用于岩土工程和岩土环境模拟计算的仿真软件。ＧｅｏＳｔｕｄｉｏ ２００４是以Ｇｅｏ―ＳＬＯＰＥ为主体的一套地质构造模型软件的整体分析工具，它包括以下几种专 业模块：①ＳＬＯＰＥ／Ｗ（专业的边坡稳定性分析模块） ②ＳＥＥＰ／Ｗ（地下水渗流分析模块） ⑧ＳＩＧＭＡ／Ｗ（岩土应力变形分析模块） ④ＱＵＡＫＥ／Ｗ（地震响应分析模块） ⑤ＴＥＭＰ／ｗ（地热分析模块） ⑥ｃＴＲＡＮ／ｗ（地下水污染物扩散分析模块） ⑦ｖＡＤｏｓＥ／Ｗ（综合渗流蒸发区和土壤表层分析模块） ⑧ＳＥＥＰ３Ｄ（－－维渗流分析模块） 各个软件模块互相紧密结合，不同模块之间的数据可相互应用。这使用户可 分析解决更多的问题。针对不同问题，各模块之间也可独立使用。当用户需要使 用ＧＥＯ－ＳＬＯＰＥ软件时，不仅可以考虑整个系统，也可以根据所研究的对象灵活的考虑单独模块。由于各模块采用统一的界面和接口，所以会使用其中一个模块，就可以快速的熟悉另外的模块。该软件包操作简便、易于上手、安全稳定。 ３．２．２软件模块介绍 （１）ＳＬＯＰＥ／Ｗ（专业的边坡稳定性分析模块）ＳＬｏＰＥ／ｗ软件对于综合问题公式化的特征使得它可以同时用八种方法分析计算简单的或复杂的边坡稳定问题，用户可以利用ＳＬＯＰＥ／Ｗ软件对简单或者复杂 的滑移面形状改变、孔隙水压力状况、土体性质、不同的加载方式等岩土工程问 题进行分析。 ＳＬＯＰＥ／Ｗ软件使用极限平衡理论对不同土体类型、复杂地层和滑移面形状的 边坡中的孔隙水压力分布状况进行建模分析，ｓＬＯＰＥ／Ｗ提供多种不同类型的土体 模型，并使用确定性的和随机的输入参数方法来进行分析，也可让用户做随机稳定性分析。除用极限平衡理论计算土质和岩质边坡（含路堤）的安全性外，ＳＬＯＰＥ／Ｗ软 件还使用有限元应力分析法来对大部分边坡稳定性问题进行有效计算和分析。 正是由于具有广泛的应用范围和强大的分析功能，ＳＬＯＰＥ／Ｗ软件可以分析在 地质构造、土木工程、采矿工程等学科中遇到的几乎所有边坡稳定性问题。主要特色：①建模容易、操作简便。 ②可以直接使用Ａｕｔｏｅａｄ底图建模，计算结果可以采用多种格式输出，供 打印和汇报使用。 ③对一个问题可采用不同的计算方法，与ＳＩＧｌＶＩＡ／Ｗ模块结合，可以按有 限元应力法计算边坡的稳定度；与ＱＵＡｄＣｄＥ／Ｗ模块相结合，可以分析在地震荷 载作用下的边坡问题：还可以采用Ｍｏｎｔｅ Ｃａｒｌｏ可靠度法来对边坡问题进行分析计算。④可以分析计算有孔隙水压问题的对象。 ⑤加固措施可以直接施加在计算断面上，甚至可以根据输入参数分析锚固段所需长度的问题。⑥对于均质土可以十分完美的搜索出最不利滑裂圆弧，对于其它问题也可 以搜索最不利滑面。 ⑦在中国已应用十几年，在北美已应用几十年，积累了大量的应用经验。 实践证明，该软件是安全可靠的，现在ＳＬＯＰＥ／Ｗ已成为全球岩土工程界应 用最广泛的专业边坡稳定性分析软件。 （２）ＳＩＧ姒月（岩土应力变形分析模块）ＳＩＧＭＡ／Ｗ模块是一款用于对岩土结构中的应力和变形进行有限元分析的专业软件，它是一款完全基于土（岩）体本构关系建立的专业有限元软件。它具有 全面模型公式，使得这种软件不但可以对简单的岩土问题进行分析，也可以对高 度复杂的岩土问题，如线性弹塑性、非线性弹塑性、非线性等进行分析，许多经 典的土体模型可以使用户对各种土体或结构材料进行建模分析。 有很多岩土问题不仅要计算稳定度，还希望进行应力应变分析，ｓＩＧＭＡ／ｗ模块可以执行线弹性变形分析、高度复杂的非线性弹塑性有效应力分析，与ＳＥＥＰ／Ｗ组合应用，可模拟外荷载作用下，孔隙水压的产生、消散过程进行固结分析。 ＳＩＧＭＡ／ｗ分析实质上是求解平衡方程，而ＳＥＥＰ／Ｗ分析是求解连续方程。两种分析结合起来可以同时求解方程，可得出变形和孔隙水压力随时间的变化。同 时运行ＳＥＥＰ／Ｗ和ｓＩＧＭＡ／ｗ模块可完全实现两种分析结合。在ＳＩＧＭＡ／ｗ模块中，可以模拟加载在地基里面产生的超孔隙水压力，可对 施工前后边坡的稳定性进行分析，有助于决定加固措施。在ｓＩＧＭＡ／ｗ模块中所计算的在加载过程产生的超孔隙水压力，可在ＳＥＥＰ／Ｗ 模块中分析其消散所需时间。这有助于分析加载频率。在ｓＩＧＭＡ／ｗ模块中可选用加载频率或非线性土体模型来分析与估计静压力，将可用作ＱｕＡＩ（Ｅ／ｗ模块中的初始静压力进行动态分析。 上述的这些特点使得ｓＩＧＭＡ／ｗ软件模块可以解决用户在地质构造、土木工 程、采矿工程等领域内遇到的几乎所有的应力或变形问题。 在实际应用中，以上两模块可与ＱＵＡＫＥ／Ｗ（地震响应分析模块）、ＳＥＥＰ／Ｗ（地下水渗流分析模块）、ＳＥＥＰ３Ｄ（三维渗流分析模块）等各模块耦合，综合考虑地 震、渗流等各方面因素对边坡的影响。３．３工程实例分析ＳＬＯＰＥ／Ｗ软件独特的有限元法结合极限平衡理论可对边坡稳定性问题进行有效计算和分析，也可用参数法进行随机稳定性分析，已成为全球岩土工程界应 用最广泛的专业边坡稳定性分析软件；而ＳＩＧＭＡ／ｗ软件则是一款用于对岩土结构中的应力和变形进行有限元分析的专业软件，它完全基于土（岩）体本构关系建立，可对高度复杂的岩土问题进行分析。因此本文应用ＧｅｏＳｔｕｄｉｏ ２００４软件包中的ＳＬＯＰＥ／Ｗ，ＳＩＧＭＡ／Ｗ两个模块对黄延公路高边坡进行分析评价。３．３．１层状黄土高边坡稳定性分析与模拟评价黄土中存在古土壤和钙质结核层，由于其物理力学参数与黄土差别较大，形 成非均质的层状结构，黄延公路Ｋ２００＋９３５～Ｋ２０１＋４５０路基右侧路堑高边坡就十 分典型，现以该边坡为例，对其进行稳定性计算和有限元模拟评价。３．３．１．１工程概况黄延公路Ｋ２００＋９３５～Ｋ２０１＋４５０路基右侧路堑高边坡位于洛川县北西方向黄土塬边的沟谷中，属黄土台塬地貌区，边坡长５１５余米，设计最高边坡７３米。 该边坡为Ｑ：单一型路堑高边坡，黄～褐黄色，土质较均匀，含钙质结核，结构致密，硬塑～半坚硬。垂直节理不发育，一般不具湿陷性。（见图３．１及照片 ３－１）。设计方案如表３．１。 表３．１一级平台 坡率ｎｌＫ２００＋９３５～Ｋ２０１＋４５０路基右侧路堑高边坡设计方案二级平台 三级平台 宽度 （ｍ）５．０四级平台 宽度（ｍ）６．０高度 （ｍ）８．０宽度（ｍ）４．０坡率ｍ０．５高度（ｍ）８．Ｏ坡率ｎ３高度（ｍ）８．０坡率１１４高度（ｍ）８．０宽度（ｍ）２０．Ｏ０．５Ｏ．５０．５五级平台 坡率ｎ５六级平台 宽度（ｍ）４．０七级平台 宽度（ｍ）１２．０八级平台 宽度ｍ ６．０高度（ｍ）８．０坡率ｎ６高度（ｍ）８．Ｏ坡率ｍＯ．７５高度ｉｎ坡率ｎｓ高度（ｍ）８．Ｏ宽度（ｍ）８．００．７５０．７５８．０ｏ．５图３－Ｉ Ｉ（２００＋９３５～Ｋ２０１＋４５０路基右侧 路堑高边坡地质剖面图照片３－１ Ｋ２００＋９３５～Ｋ２０１＋４５０路基右侧 路堑高边坡３．３．１．２稳定性验算 对该深路堑黄土边坡分别采用圆弧法、裂隙法，按表３．２所列的参数，对其 稳定性进行计算分析（各分层输入其相应物理力学性质指标值），得出的安全系数值如表３．３所列。不同方法所得到的滑裂面见图３．２。根据《公路路基设计规范》（５ＴＪ０１３－－９５），高速公路、一级公路高边坡设计 时应进行稳定性计算，当采用圆弧滑动面计算时，稳定系数应大于１．２５。由表３．３所列计算结果可以看出：采用直剪固结快剪试验参数的计算，裂隙法、圆滑法采用各种方法得到的结果皆大于１．２５，满足现行规范的要求，说明该 路堑高边坡设计合理，满足安全性要求。 表３．２各土层的物理力学性质指标直剪固结快剪 地质分层 含水量（％） 天然容：ｔ（ＫＮ／ｍ３）ａ㈣６５ ７２ ７００”）２１．２ ２１．８ ３９．９如１８．８０ １８．７ １８．９１９．０３ １５．９ ２３．１古土壤 钙质结核＼＼＼类方Ｎ毕肖普法（Ｂｉｓｈｏｐ） 简布法（２ａｎｂｕ）表３．３按各方法计算所得安全系数值圆滑法 裂隙法瑞典圆弧法（Ｏｒｄｉｎａｒｙ）１．５７８ １．６１１ １．４９４１．６９６ １．６６８ １．６０６（ａ）圆弧法（ｂ）裂隙法图３－２不同方法所得到的滑裂面图２８３．３．１．３有限元分析采用Ｇｅｏ．ｓｔｕｄｉｏ程序对Ｋ２００＋９３５～Ｋ２０１＋４５０路基右侧坡进行有限元分析， 分析结果见图３－３。表３．４各土层有限元模拟所用物理力学性质指标地质分层 弹性模量（Ｎ毋ａ）８５直剪固结快剪 泊松比 天然容ｍ：（ＫＮｌｍ３）㈣６５ ７２ ７００妖。）２１．２ ２１．８ ３９．９Ｑ０．３１０．３１９．０３ １５．９ ２３．１古土壤 钙质结核１１０１８０００．２８（ａ）网格划分（ｂ）位移矢量图（ｃ）剪应力等值线图（ｄ）剪应变等值线图 图３－３ 有限元分析图ｌ（１）为了考虑钙质结核层对边坡稳定性的影响，将其弹性模量由１８００ＭＰａ 变为２０００ ＭＰａ、２５００ ＭＰａ、３０００ ＭＰａ（其它条件未作改变的情况对其进行模拟评价），下面是分析结果。 由于稳定性计算时不涉及弹性模量指标，所以安全系数并未改变，下面是有 限元模拟图。Ｅ＝２０００ＭＰａ（ａ）剪应力等值线图Ｅ＝２５００ｈｆＰａ（ｂ）剪应变等值线图（ｃ）剪应力等值线图Ｅ＝３０００ＭＰａ（ｄ）剪应变等值线图（ｅ）剪应力等值线图（ｆ）剪应变等值线图圈３－４有限元分析图（２）为了考虑钙质结核层对边坡稳定性的影响，将其内聚力由７００ＫＰａ变 为４００ ＫＰａ、１０００ ＫＰａ、１５００ ＫＰａ（其它条件未作改变的情况对其进行模拟评 价），下面是分析结果。汰Ｃ＝４００ＫＰａ表３．５按各方法计算所得安全系数值圆滑法 裂隙法瑞典圆弧法（Ｏｒｄｉｎａｒｙ） 毕肖普法（Ｂｉｓｈｏｐ） 简布法（Ｊａｎｂｕ）１．４３４ｉ．４９２ １．４９９ １．４２６１．５０６１．３７４不同方法所得到的滑裂面见图３．５。（ａ）圆弧法（ｂ）裂隙法图３－Ｓ不同方法所得到的滑裂面图（ａ）剪应力等值线图（ｂ）剪应变等值线图汰Ｃ＝１０００ＫＰａ图３．６有限元分析图表３．６按各方法计算所得安全系数值圆滑法 裂隙法瑞典圆弧法（Ｏｒｄｉｎａｒｙ）１．７１４１．９０１毕肖普法（Ｂｉｓｈｏｐ） 简布法（Ｊａｎｂｕ）１．７１６ １．６２０１．８４ｌ ｉ．７９２不同方法所得到的滑裂面见图３．７。（ａ）圆弧法（ｂ）裂隙法图３．７不同方法所得到的滑裂面图（ａ）剪应力等值线图（ｂ）剪应变等值线图图３４有限元分析图Ｃ＝１５００ＫＰａ不同方法所得到的滑裂面见图３－９。＼类方Ｎ毕肖普法（Ｂｉ５ｈｏｐ） 简布法（Ｊａｎｂｕ）表３．７按各方法计算所得安全系数值圆滑法 裂隙法瑞典圆弧法（ｏｒｄｉｎａｒｙ）１．９０４ １．８９８ ｉ．８２０２．２４２２．１３８ ２．１１０（ａ）圆弧法（ｂ）裂隙法图３－９不同方法所得到的滑裂面图（ａ）剪应力等值线图（ｂ）剪应变等值线图图３．１０有限元分析图’（３）为了考虑黄土层状结构对边坡稳定性的影响，本文将该边坡均质化，即不考虑古土壤和钙质结核的作用（其它条件未作改变的情况对其进行模拟评价），下面是分析结果。瑞典圆弧法（Ｏｒｄｉｎａｒｙ）毕肖普法（Ｂｉｓｈｏｐ） 简布法（Ｊａｎｂｕ）汰表３．８按各方法计算所得安全系数值（均质边坡）圆滑法１．１８８ １．２４７ １．１６６裂隙法１．１７５ ｌ－２３８ １．１５１不同方法所得到的滑裂面见图３．１ ｌ。（ａ）圆弧法（ｂ）裂隙法图３一１１不同方法所得到的滑裂面图有限元分析结果如下图３―１２所示。（ａ）网格划分（ｂ）位移矢量图（ｃ）剪应力等值线图（ｄ）剪应变等值线图图３―１２有限元分析图从以上分析结果的对比可以看出： （１）当不考虑古土壤和钙质结核的作用时，边坡稳定性系数小于１．２５，已不能满足现行规范的要求，与考虑其作用时有较大降低，以毕肖普圆弧法为例，其值由１．６１１降至１．２４７，幅度达２２．５９％，这说明古土壤和钙质结核由于内聚力较大，其存在对提高边坡的稳定性是非常大的，对边坡稳定性起到了积极的作用， 计算评价时可充分考虑其作用。 （２）当不考虑层状结构的作用时，其应力应变值较大，说明层状结构对边 坡应力应变场的影响是很重要的。 （３）当提高钙质结核层的弹性模量时，稳定系数并不增加，但是坡体的应 力应变值有所降低，虽然变化幅度并不大，同样有利于坡体的稳定。 （４）当提高钙质结核层的内聚力时，稳定系数有较大增加（如下图３―１３ 所示）；坡体的应力应变值也有所降低，虽然变化幅度并不大，同样有利于坡体的稳定。图３一１３钙质结核内聚力～坡体稳定系数曲线图 （５）由位移矢量分布图可以看出，坡体的位移由竖直向的分量和水平向临 空面的位移构成，路堑底部主要是水平向的位移。 （６）坡脚处应力集中，剪应力和剪应变最大，在两个地层交界处，应力曲 线发生转折，即在古土壤和钙质结核层部位剪应力轨迹向坡里偏转，没有形成向 坡外剪出的弧状剪应力线，其中钙质结核层作用更为明显，说明古土壤和钙质结核层对剪应力分布有较大影响，即层状结构对边坡的应力应变场的影响显著。（７）坡体中部设置大平台可将坡体分为两个相对独立的坡段（上、下段）， 上下段的应力分布特征相似，但相对独立。在大平台附近剪应力形成向坡里移动的曲线，使其剪应力发生偏转，难以形成圆弧状的剪应力轨迹，意味着坡体整体稳定性较大，发生破坏的可能性减小。同时，大平台还降低了坡脚处剪应力集中， 并且合理改变了边坡的剪应力及剪应变的分布，有利于边坡的稳定。由此可见，地质结构对边坡稳定性的影响是十分明显的，在边坡中部设置大平台也是较理想的。３．４本章小结通过工程实例，应用Ｇｅｏ．ｓｔｕｄｉｏ程序对黄土边坡进行了实例分析，通过不同 的方法计算了其稳定性，并对其进行了有限元分析，可得出如下结论：（１）通过分析，可发现地质结构对边坡稳定性的影响是十分明显的，古土壤和钙质结核由于内聚力较大，其存在对边坡稳定性的影响有积极意义，边坡分 析评价时可充分考虑其影响；（２）通过分析，可发现在边坡中部设置大平台是较理想的。大平台降低了坡脚处剪应力集中，并且合理改变了边坡的剪应力及剪应变的分布，有利于边坡 的稳定。 因此，进行边坡设计防护时必须仔细分析、详细计算并合理选择大平台宽度， 其对稳定性的影响十分重要非常突出，同时也应充分考虑到层状结构对边坡稳定 性的影响。第四章黄土高边坡坡面主要防护措施４．１概述本文以铜黄公路和黄延公路为例，介绍黄土高边坡坡面的主要防护技术。 坡面防护的主要目的是保护边坡，防止边坡风化、冲刷，同时还具有美化路 容、协调生态环境等作用。 坡面破坏是指在边坡本身稳定性满足要求，由于边坡坡面常年暴露于自然环 境中，在各种自然条件的影响下，使边坡表面土体失稳的现象。针对路堑高边坡 坡面破坏的防护，目前还没有统一的行业标准。陕北地区公路路堑高边坡坡面防 护技术可分为植物防护技术、工程防护技术和新型防护技术三大类。４．２主要植物防护技术陕北地区路堑边坡的植物防护形式，主要有种草防护、矮灌木防护、三维植被网、骨架植草防护等方案。４．２．１人工种草防护 人工种草防护是黄土地区最初使用的一种植物防护方法，可分为沟种、穴种、 撒种、铺草皮及植生带等方式。黄延公路采用了穴种的方式植草。它是在坡面上 用特制的钻具，钻头直径为５ｅｒａ，挖掘出直径５～８ｃｍ，深ｌＯ～１５ｃｍ的小洞穴。 将固体肥料和种子放入，用土和砂掩埋（照片组４．１）。也可以根据情况在肥料里 面添加高效保水剂。洞穴的分布密度为１２～２８个／ｍ２。肥料可由草木灰、锯末、禽畜粪便、尿素、磷肥等经特殊的工艺制成，并与土壤按７：３的比例拌和。该方 法适用于坡比不大于１：０．５，坡高小于８ｍ的黄土边坡。穴种费时费工，浇水养护的时候很容易对坡面造成径流冲蚀破坏‘¨】。 ４．２．２灌木及矮乔木防护 在路堑边坡坡脚处或平台上栽植灌木或者矮乔木，对于加固边坡、减少水土 流失、美化路容及隔音降噪均有良好的效果。也可和种草、铺草皮配合采用，使 坡面形成良好的防护层。种植乔木防护法在２１０国道和绛帐至法门寺二级公路的（ａ）凿穴（ｂ）远景Ｃｏ）近景（ｄ）效果图照片４－Ｉ黄延高速公路应用的穴播防护技术（照片摘自刘海松…）边坡上都有应用，树种为紫穗槐和火炬树。黄延公路道南隧道口边坡平台也采用了该技术（照片４－２、４－３）。实验证明，采用合适的坡型并结合植树防护可以取得令人满意的结果（照片４．３、４．４）。照片４－２黄延公路道南隧道口平台小灌木照片４－３黄延公路道南隧道口平台低矮乔木照片４＿４绎帐～法门寺公路路堑边坡植树防护照片４－５禹阎良公路路堑边坡植树防护４．２．３三维网植草防护‘２９１ 三维网植草防护是在铺草皮护坡存在易遭受强降雨或常年坡面径流形成冲 沟、引起边坡浅层失稳和滑塌等缺陷的基础上发展起来的。三维网植草固土是由 多层塑料凸凹网和高强度平面网复合而成