高边坡稳定性分析与支挡结构设计理论

4.1 常用支挡结构类别
4）加筋土挡土墙
依靠拉筋与填土间的摩阻力维持墙体稳定，拉筋 宜采用土工格栅。
4.1 常用支挡结构类别
5）抗滑桩
由锚固段侧向地基抗力来抵抗悬臂段的土压力或 滑坡下滑力。
4.1 常用支挡结构类别
6）预应力锚索结构
预应力锚索框架 梁——预应力锚 索在工程中的应 用大大地改善了 框架梁的受力状 态，降低了工程 造价
3）强度折减法
图中，Fs为安全系
数，当c、 φ同时
除以安全系数 FS 时，边坡达到临界 破坏，即抗剪强度 线与摩尔圆相切。
3 高边坡稳定性分析理论
边坡稳定系数的定义问题： （1）Fellenius法－极限平衡法可用 （2）Bishop法－极限平衡法可用 （3）强度折减法－数值模拟分析多用、极限平 衡法可用
l 抗滑桩、预应力锚索结构的推广，使得支挡结构 与被支挡体之间已经不能简单用极限平衡条件来 解释，应充分考虑滑坡体与支挡结构间的相互作 用，如采用弹性理论或弹塑性理论等方法对其进 行分析。
5.2 支挡结构设计理论发展
目前常用的岩土分析软件主要有以下几种： 1、geoslope分析软件
GeoStudio是一套专业、高效而且功能强大的适 用于岩土工程和岩土环境模拟计算的仿真分析软件， 百度文库全球岩土工程界首选的专业岩土分析仿真软件。 其分析模块主要包括以下几种：
1.1 边坡工程概念
我国丘陵及山地等复杂地区，经常会出现大量坡 度高、纵横向延伸长的高边坡，经各种内外因素 的影响，其稳定性问题便会时常出现。
1.2 边坡的分类
v 按构成边坡的物质分类： ①土质边坡， ② 岩质边坡，③岩土混合边坡
v 按边坡的高度分为： ①一般边坡，岩质边坡 总高度在30m以下，土质边坡总高度在15～ 20m。②高边坡，岩质边坡总高度大于30m ，土质边坡总高度大于15～20m
高边坡稳定性分析与支挡结构 设计理论
主讲人：苏谦 教授
报告提纲
一. 边坡工程概况
二
高边坡破坏类型与成因分析
三. 高边坡稳定性分析理论
四. 常用支挡结构类别及发展 五. 支挡结构设计理论
六. 两种新型支挡结构应用工点分析
一、边坡工程概况
1.1 边坡工程概念
边坡工程是岩土工程三大领域中最为常见的 一类工程，边坡通常指人类经济活动而开挖 形成的斜坡，它与未经过开挖的天然斜坡有 所不同，后者若存在易滑动的滑面，则即为 常说的滑坡，是地质灾害的一种。
简单土坡的试算搜索简易经验办法：
（1）Φ＝0的土体，临界滑面经过坡脚，根据 坡角及a、b两角确定最危险滑动面圆心位置。
（2）Φ>0的土体，临界滑面一般仍经过坡脚， 在EO线的延长线上任取点试算最危险滑动面 圆心位置。
3 高边坡稳定性分析理论
3 高边坡稳定性分析理论
Bishop法：
考虑法向条间力的作用，忽略切向条间力，即假设条间合力 方向为水平方向。
极限平衡法：抗滑力部分、下滑力部分
极限抗滑力部分：摩擦力（重力的正压力分 量对应的抗滑部分）+粘聚力
下滑力部分：重力的下滑分量
3 高边坡稳定性分析理论
3）强度折减法
1、强度折减法是通过折减边坡的强度指标来得到边 坡安全系数的方法。 2、有限元/有限差分强度折减法就是在弹塑性有限 元或有限差分计算中,对岩土体的抗剪强度 进行逐步 折减，直到边坡达到极限破坏状态。 3、目前，有限元和有限差分强度折减法遇到的困难 是，尚没有一种统一的边坡失稳判据，即安全系数 求解的终止条件。
二、高边坡破坏类型与成因分析
2.1 高边坡破坏类型
v 按其变形规模和范围分为坡面变形、边坡 变形、坡体变形三类。
1）坡面变形 范围：坡体表层1～2m。 现象：坡面发生剥落、碎落、落石、冲沟 、溜坍等变形。 工程措施：护面墙、网格骨架内植草、浆 砌片石护坡、拱形骨架内植草等。
2.1 高边坡破坏类型
3 高边坡稳定性分析理论
3）强度折减法
对于摩尔-库仑本构模型，其屈服准则为：
c tan
故有：
' c tan c tan c ' tan '
FS
FS
FS
FS
因此，在对强度进行折减时，将c、φ 值同时除以折 减系数FS，得到一组新的强度指标ci、φi，然后进行
有限元分析。
2.1 高边坡破坏成因分析
v 1）路堑边坡受地质条件的影响
由于丘陵山区高速公路沿线地形地质条件复杂，边 坡破坏形式也各不相同。按规模划分，路堑边坡 的破坏分为局部失稳和边坡整体失稳。局部失稳 主要有岩屑、块体滑动、倾倒、坠落、崩塌或土 体流动等；边坡整体失稳主要有弧形滑动和崩塌 、倾倒。
2.1 高边坡破坏成因分析
v 2）路堑边坡受坡形的影响
坡形主要由地形、开挖高度和开挖坡度3个因素决定。 地形对地表径流和降雨入渗起着控制作用，同时路堑
开挖会打破山体和山坡原有的平衡状态，岩土体需 向开挖面进行应力释放。若坡形设计合理，应力会 重新达到新的平衡以维持边坡长时间的稳定。否则 ，将会由于变形过大而导致失稳破坏。
2.1 高边坡破坏成因分析
适用于一般地区、浸水地区、地震地区的边坡支 挡工程，当地基承载力较低或地质条件较复杂时 应适当控制墙高。
4.1 常用支挡结构类别
2）卸荷板式挡土墙
优点：减少了衡重式挡土墙下墙的土压力，增加 了全墙的抗倾覆稳定性。
4.1 常用支挡结构类别
3）悬臂式、扶臂式挡土墙
沿墙长方向每隔一定距离设置一道扶壁，以减小 立壁下部的弯矩。
v 3）工程情况对路堑边坡的影响
Ø 个别挡土墙施工不规范 Ø 挡土墙尚未设置足够的排水措施 Ø 挡土墙顶面高度不满足要求，不能阻挡土石方的
塌落等
三、高边坡稳定性分析理论
3 高边坡稳定性分析理论
1）边坡稳定性分析三类方法： v 极限平衡法
刚体分析理论，计算前提条件：滑面位置已知
v 数值模拟法
建立数值分析模型，进行数值计算。常见方法： 有限单元法、有限差分法、离散元法、DDA法、MEM法
3 高边坡稳定性分析理论
3）强度折减法
即：
ci
c FS
tan i
tan
FS
,i
arctan( 1 FS
tan )
u反复计算直至边坡达到临界破坏状态，此时采用
的强度指标与岩土体原有的强度指标之比即为该边
坡的安全系数Fs。
u下图为强度折减法分析边坡稳定性时，边坡破坏
原理示意图。
3 高边坡稳定性分析理论
3 高边坡稳定性分析理论 各种条分法的对比：
3 高边坡稳定性分析理论 各种条分法的对比：
3 高边坡稳定性分析理论 各种条分法的对比：
3 高边坡稳定性分析理论 平面滑动土坡分析 稳定系数定义：K=抗滑力/下滑力
3 高边坡稳定性分析理论
2）平面滑动的岩石边坡 稳定系数定义： K＝极限抗滑力/下滑力
l SLOPE/W（边坡稳定性分析模块）：全球岩土 工程界首选的稳定性分析软件；
l SEEP/W（地下水渗流分析模块）：第一款全面 处理非饱和土体渗流问题的商业化软件；
5.2 支挡结构设计理论发展
l SIGMA/W（岩土应力变形分析模块）：完全基于 土（岩）体本构关系建立的专业有限元软件；
l QUAKE/W（地震响应分析模块）：线性、非线 性土体的水平向与竖向耦合动态响应分析软件；
3 高边坡稳定性分析理论
关键点：
（1）稳定系数定义为K＝Si/τi，在各土条滑面 上相等；
（2）单个土条竖向力的平衡；
（3）整体力矩平衡，即各个土条所受力对滑 动中心的力矩代数和为零。
注意：
在迭代试算过程中，对于起抗滑作用的土条， 即αi<0时，应注意分母项mi是否会趋近于零？若 是，则K计算式无效。一般若出现mi不大于0.2 情况，K值就会产生很大误差，Bishop法失效， 应考虑采用别的稳定性分析方法。
四、常用支挡结构类别及发展
4.1 常用支挡结构类别
常用的支挡结构主要为以下几种： 重力挡土墙、卸荷板式挡土墙、悬臂及扶
壁式挡土墙、加筋土挡土墙、锚定板挡土墙、 抗滑桩及桩板式挡土墙、锚杆挡土墙、土钉 墙、预应力锚索结构、桩基托梁挡土墙、槽 型挡土墙和其他新型支挡结构。
4.1 常用支挡结构类别
1）重力式挡土墙
l VADOSE/W（综合渗流蒸发区和土壤表层分析模 块）：设计理论完善和全面的环境土工设计软件；
l Seep3D（三维渗流分析模块）：将强大的交互 式三维设计引入饱和、非饱和地下水的建模中， 可以迅速分析各种各样的地下水渗流问题。
2）边坡变形 范围：一般深度在6～7m。 现象：以局部契形体滑动、浅层滑坡、坍 塌等形式出现。 工程措施：调整坡形、坡率，或采用仰斜 排水孔或锚杆框架
2.1 高边坡破坏类型
3）坡体变形 此类变形规模大，危害严重，会出现较大规
模的滑坡、错落、坍塌和崩塌等坡体整体 失稳变形现象，常超出边坡范围。 工程措施：抗滑挡土墙、预应力锚索框架， 抗滑桩等，必要的话，同时可以采取排水 及减重等措施以保持坡体稳定。
砂性土边坡
3 高边坡稳定性分析理论 瑞典圆弧法：
安全系数定义： Fs＝抗滑力矩/滑动力矩
基本假设一土条两侧的条间力，大小相
等，方向相反，作用于同一条直线上。
3 高边坡稳定性分析理论
应用注意：
同一坡体坡中存在多个潜在滑面，逐个计算， 找出其中稳定系数最小值者为坡体稳定系数， 对应滑面为最危险滑面或叫临界滑面。
4.2 支挡结构发展
近二十年来，我国岩土工程技术高速发 展，支挡结构形式已从单纯依靠墙身自重来 平衡边坡土压力和滑坡下滑力的重力式挡土 墙，发展为采用支撑、土筋复合结构以及锚 固技术等多种新型、轻型支挡新技术，并在 我国铁路、公路领域陡坡路基工程中得到了 广泛应用，例如，悬臂式、扶壁式、锚杆式、 加筋土式、锚定板式等新类型的挡土墙等新 型的支挡结构，这些新方法增强了工程技术 人员克服陡峻地形和不良地质艰难工程的技 术手段 。
1.4 边坡破坏的危害
u高边坡坍塌、
破坏——中断交 通、侵占河道、 造成人身财产 的损害。
1.5 边坡工程的意义
v 边坡工程作为重要的辅助工程在道路、水 利、国防、矿山等领域广泛出现。
v 边坡的稳定性直接关系到人民的生命财产 安全以及整个项目工程的施工进度和投资 成本。
v 为了保证主体工程的正常运营，边坡的安 全性与否至关重要。
v 概率论法
以可靠度理论为基础，建立边坡稳定的极限状态方 程，再进行边坡稳定的可靠度或失效概率分析。需 要对大量参数的数理统计，操作较麻烦。
3 高边坡稳定性分析理论
3.1 简单边坡的稳定分析
1）土质边坡 v 圆弧滑动：条分法:Fellenius法、Bishop法
粘性土边坡 v 平面滑动：简单极限平衡法
4.2 支挡结构发展
1、第一阶段（20世纪50年代以前），采用抗滑挡墙结合支撑 锚杆，取得了一定效果，但由于滑坡的推力较大，致使抗滑 挡墙的体积庞大，墙基须置于滑面以下一定深度，施工开挖 对滑体的稳定影响大。
2、第二阶段（20世纪70年代），采用抗滑桩支挡，工程效果 比较明显。国内采用矩形截面的钢筋混凝土挖孔桩，由于抗 滑桩提供的抗力大，施工对滑体的扰动小、安全、见效快， 因此曾被广泛采用。
3、第三阶段（20世纪80年代以后），随着锚固技术的发展， 预应力锚索在边坡加固中得到了广泛的应用，在不断的工程 实践中演化出了各种各样的结构形式。
五、支挡结构设计理论
5.1 支挡结构传统设计理论
传统的重力式挡土墙设计一般是基于库伦土压 力理论： l 当墙体向外倾斜变形使墙后土体达到主动土压力
状态时，按滑动土契的极限平衡或第二破裂面法 求解主动土压力；
l 当墙体向内倾斜使墙后土体达到被动土压力状态 时，按照假定的平面或者复合滑动面来计算被动 土压力。
5.2 支挡结构设计理论发展
新型支挡结构的出现带动了对支挡结构设计理 论的试验研究，如：
l 加筋土挡土墙、锚定板挡土墙及土钉墙等复合型 挡土墙研究时，其根据各种结构的特点进行了室 内模型试验和现场测试，修正了墙背的土压力计 算公式；
v 按边坡使用年限分为：①临时边坡，②永久 边坡
1.3 边坡的特征
v 边坡的自然特征：对于岩质边坡，其特殊的结构特 征．可保持较为高陡的边坡。由于高陡边坡容易发 生滑动，因此必须设置支挡工程才能保持其稳定。 通常高陡边坡坡体容易被冲刷，需要设置坡面防护 工程。
v 边坡的滑面特征：无论是土质边坡还是岩质边坡， 在坡体没有开挖或填筑之前，坡体内不存在明显滑 面，即使坡体中存在软弱土夹层或软弱结构面，也 不能视作滑面，因为它们没有滑动的趋势。这正是 边坡与滑坡的不同之处。