边坡工程及处治技术

边坡工程及处治技术•第一部分边坡工程概述•第二部分边坡稳定性分析评价简介•第三部分边坡防护与处治•第四部分边坡工程监测第一部分边坡工程概述•一、基本概念•1、术语•边坡是指地表面一切具有倾向临空面的地质体，是广泛分布于地表的一种地貌景观。峰峦起伏的山川大地，有千变万化的边坡所显现；蜿蜒曲折的河流湖泊，有水上和水下的边坡所约束。•边坡工程是岩土工程的重要组成部分。边坡的工作状况直接或间接地影响工程建筑物的稳定和安全，尤其是道路边坡，直接危及道路运营的车辆和人员安全性。第一部分边坡工程概述•边坡工程研究的理论基础需要多种学科的相互结合、相互渗透，不仅包括工程数学、工程力学、工程地质学、岩土力学，还应结合计算机仿真技术、岩土工程测试技术等手段。经过100多年的研究和发展，从边坡的规律性分析，到边坡的变形破坏机制的研究，以及边坡稳定性评价和预测预报，均取得了令人瞩目的成果，已初步形成边坡工程独立的学科体系。这一体系应包括四大部分：•①边坡（或滑坡）的区域分布规律性研究；•②边坡的变形破坏机制研究；•③边坡的稳定性评价和预测预报；•④边坡工程治理。•由于边坡与滑坡成因、滑面形成、失稳机理、稳定分析方法及其防治措施等不同而形成了两种不同的防治工程，可称为边坡工程与滑坡工程。•边坡是指由于工程行为而人工开挖或填筑的斜坡，坡体中滑面是新形成的，开挖与填筑前没有变形与滑动迹象。•滑坡多数指山于自然因素而引起坡体变形或滑动的自然斜坡，坡体中的滑面是自然存在的，坡体正处于蠕动变形或滑动阶段，坡体有变形或滑动迹象，少数滑坡指工程开挖形成的斜坡。第一部分边坡工程概述2.边坡与滑坡？•通常，边坡与滑坡没有非常严格的区别标准，通常可按下述特征来进行综合区别:•(1)边坡指由工程原因开挖或填筑的人工斜坡;而滑坡指由于自然原因正在蠕动滑动的自然斜坡；•(2)边坡在工程开挖与填筑前坡体内不存在滑面，但可以存在未曾滑动的构造面。开挖前坡体无蠕动或滑动迹象；滑坡在坡体内存在天然的滑面，坡体已有蠕动或滑动迹象。•(3)当人工斜坡内存在天然的滑面或引发古老滑坡滑面复活时，称为工程滑坡。反之，当天然斜坡危及工程安全而需治理时则称为自然边坡。第一部分边坡工程概述边坡与滑坡的区别在于：•（1）边坡是涉及工程建设中的人工斜坡，即使是自然边坡也必须与工程建设有关；滑坡通常是由自然原因引发的自然斜坡，只有工程滑坡才与工程建设有关；•（2）边坡坡体的滑动面是由于人工开挖与填筑后才形成的，原先并不存在，且坡体无蠕动与滑动的迹象；滑坡具有自然的滑面，且坡体有蠕动与滑动等现象。第一部分边坡工程概述3.滑坡的危害•滑坡是一种重要的地质灾害，对人类的生命则产带来重大威胁。例如滑坡可导致交通中断，河道堵塞，厂矿城镇被掩埋，工程建设受阻。•我国日前正处于经济建设高速发展的时期。滑坡给水利、铁路、公路、矿山建设带来巨大损失。•滑坡可以发生在土质边坡，也可能发生在岩质边坡。发生于土质边坡的形态通常比较单一，基本上以剪切破坏为主，滑裂面为圆弧型或圆弧与夹泥层的组合型。第一部分边坡工程概述第一部分边坡工程概述二、边坡工程的分类1.边坡的组成第一部分边坡工程概述关于边坡的分类，在国内至今还没有一个公认的统一分类方法，一般情况下有以下几种分类方式:边坡分类BECDA按岩性不同地质环境与人工改造的程度按边坡高度按变形情况按边坡坡度第一部分边坡工程概述1.按岩性不同分类根据岩性不同，边坡可分为岩质边坡和土质边坡。2.按地质环境与人工改造的程度分类可以分为自然边坡和人工边坡。3.按边坡高度不同分类按边坡高低可分为超高边坡、高边坡、中边坡和低边坡4类。4.按边坡坡度不同分类按边坡坡度可分为微斜边坡、平缓边坡、陡坡、急坡、悬坡、倒坡6种类型。5.按变形情况不同分类未变形边坡：边坡岩体未发生位移变形。变形边坡：边坡岩体曾发生位移变形。第一部分边坡工程概述第一部分边坡工程概述三、边坡破坏的特征（1）破坏形式崩塌落石坍塌滑塌错落倾倒破坏形式第一部分边坡工程概述崩塌，是陡坡上的巨大岩体或土体，在重力和其他外力作用下，突然向下崩落的现象。崩塌过程中岩体(或土体)猛烈地翻滚、跳跃、互相撞击，最后堆于坡脚，原岩体(或土体)结构遭到严承破坏。崩塌形成条件:1.地形4502.脆性岩石或上硬下软3.高陡裂隙崩塌形成机理示意图第一部分边坡工程概述坍塌，是上层、堆积层或风化破碎岩层斜坡，由于土壤中水和裂隙水的作用、河流冲刷或人工开挖坡陡于岩体自身强度所能保持的坡度而产生逐层塌落的变形现象。这是一种非常普遍的现象，一直塌到岩土体自身的稳定角时方可自行稳定。第一部分边坡工程概述滑塌，是斜坡上的岩体或土体，在重力和其他外力作用下，沿坡体内新形成的滑面整体向下以水平滑移为主的现象。它与坡体滑坡十分类似，滑坡是沿坡体内一定的软弱面（或带)整体向下滑动。GZ40陕西省勉县～宁强高速公路K31+300高边坡在施工中发生滑塌第一部分边坡工程概述倾倒，是陡倾的岩体山于卸荷回弹和其他外力作用，绕其底部某点向临空方向倾倒的现象，它可以转化为崩塌或滑塌，也可停止在倾倒变形阶段。错落，是被陡倾的构造面与后部完整岩体分开的较破碎土体，因坡脚受冲刷或人工开挖和震动影响，下伏软弱层不足以承受上部岩体压力而被压缩，引起坡体以垂直下错为主的变形现象。落石，是指破碎且节理裂隙发育硬质岩斜坡，软、硬岩土层和断层破碎影响带岩块逐渐松动、坠落现象，及大型危岩倒塌、坠落，统称危崖落石。第一部分边坡工程概述四、边坡工程的研究意义（1）明确发生自然滑坡的条件，了解人工修筑的工程边坡所处的安全性环境；（2）防治工程滑坡的发生和发展；（3）明确工程边坡的计算方法和稳定分析方法；（4）了解工程边坡的加固方法和监测手段，为实际工程提供理论支持。第一部分边坡工程概述•一、概述•边坡稳定性分析：衡量、判定边坡的稳定程度。•一般来说，如果边坡土(岩)体内部某一个面上的滑动力超过了土(岩)体抵抗滑动的能力，边坡将产生滑动，即失去稳定；如果滑动力小于抵抗力，则认为边坡是稳定的。•在工程设计中，判断边坡稳定性的大小习惯上采用边坡稳定安全系数来衡量。1955年，毕肖普(A.W.Bishop)明确了土坡稳定安全系数的定义：(2.1)式中：—沿整个滑裂面上的平均抗剪强度；—沿整个滑裂面上的平均剪应力；—边坡稳定安全系数。按照上述边坡稳定性概念，显然，1，土坡稳定；1，土坡失稳；=1，土坡处于临界状态。问题的关键:如何寻求滑裂面，如何寻求滑裂面上的平均抗剪强度和平均剪应力τ。fsFf第二部分边坡稳定性分析评价简介f•近年来，随着经济的日益发展，在诸如水电、露天采矿、能源及交通等地质工程活动领域出现了越来越多的高陡边坡；边坡往往成为制约工程是否经济合理乃至成败的重要因素。•如何经济、安全可靠地设计合理的边坡工程或分析评价天然边坡的稳定性，其重大的意义越发显得突出。•《建筑边坡工程技术规范》GB50330-2002第5.1.1规定：下列建筑边坡应进行稳定性评价：(1)选作建筑场地的自然斜坡；(2)由于开挖或填筑形成并需要进行稳定性验算的边坡；(3)施工期出现不利工况的边坡；(4)使用条件发生变化的边坡。《建筑边坡工程技术规范》中的基本规定1）边坡稳定性评价应在充分查明工程地质条件的基础上，根据边坡岩土类型和结构，综合采用工程地质类比法和刚体极限平衡计算法进行。2）对土质较软、地面荷载较大、高度较大的边坡，其坡角地面抗隆起和抗渗流等稳定性评价应按现行有关标准执行。3）在进行边坡稳定性计算之前，应根据边坡水文地质、工程地质、岩体结构特征以及已经出现的变形破坏迹象，对边坡的可能破坏形式和边坡稳定性状态做出定性判断，确定边坡破坏的边界范围、边坡破坏的地质模型，对边坡破坏趋势作出判断。4）边坡稳定性计算方法，根据边坡类型和可能的破坏形式，可按下列原则确定：(1)土质边坡和较大规模碎裂结构岩质边坡宜采用圆弧滑动法计算；(2)对可能产生平面滑动的边坡宜采用平面滑动法计算；(3)对可能产生折线滑动的边坡宜采用折线滑动法计算；(4)当边坡破坏机制复杂时，宜结合数值分析法进行分析。评价方法定量分析定性分析自然(成因)历史分析法工程类比法边坡稳定性分析数据库和专家系统图解法：赤平极射投影、实体比例投影、摩擦圆法极限平衡分析法数值分析方法模型模拟试验法等。二、边坡稳定性分析评价方法概述边坡稳定性分析方法边坡稳定性分析方法极限分析法瑞典圆弧法Janbu条分法Bishop条分法物理模拟方法数学模拟方法其他方法极限平衡法数值分析方法斯宾塞法摩根斯坦－普赖斯法沙尔玛法法传递系数法有限单元法(FEM)离散单元法(DEM)、块体理论和不连续变形分析(DDA)边界元法快速拉格朗日法(FLAC)流形元法1、定性分析方法定性分析方法主要是通过工程地质勘察，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的分析，对己变形地质体的成因及其演化史进行分析，从而给出被评价边坡一个稳定性状况及其可能发展趋势的定性的说明和解释。优点:能综合考虑影响边坡稳定性的多种因素，快速地对边坡的稳定状况及其发展趋势作出评价。常用的方法主要有下面几种。(1)自然(成因)历史分析法(2)工程类比法(3)边坡稳定性分析数据库和专家系统(4)图解法2、定量分析法•严格地讲，边坡稳定性分析还远远没有走到完全定量这一步，它只能算是一种半定量的分析方法。常用的边坡稳定性分析方法土要有下述几种：•（1）极限平衡分析法•（2）数值分析方法(1)极限平衡法•块体极限平衡法是当前国内外应用最广的边坡稳定分析方法。它是传统边坡稳定分析方法的代表。•块体极限平衡法首先假定滑移面已知、同时假定滑动体为刚体，即忽略滑动体的变形对稳定性的影响，在以上假定条件下对边坡进行静力平衡计算，从而求出边坡稳定系数.块体极限平衡法的基本思路：•首先，确定滑动面的位置和形状。实际的滑动面将取决于结构面的分布、组合关系及其所具有的剪切强度。实践证明，均质土坡的破坏面都接近于圆弧形，岩体中存在软弱结构面时，边坡岩体常沿某个软弱结构面或某几个软弱结构面的组合面滑动，因此，根据具体情况假定的滑动面与实际情况是很接近的。•其次，确定极限抗滑力和滑动力，并计算其稳定性系数。所谓稳定性系数即指可能滑动面上可供利用的抗滑力与滑动力的比值。由于滑动面是预先假定的，因此就可能不止一个，这样就要分别试算出每个可能滑动面所对应的稳定性系数，取其中最小者作为最危险滑动面。•最后以安全系数为标准评价边坡的稳定性。•当滑移面为一简单平面时，静力平衡计算可采用解析法计算，因而可获得解析解。著名的库仑公式就是一例，一直沿用至今。•当滑移面为圆弧、对数螺线、折线或任意曲线时，无法获得解析解，通常要采用条分法求解。此时坡体为一静不定问题，通过对某些未知量作假定，使方程式的数目与未知数数目相等从而使问题成为静定，这种方法十分简便，而且计算结果能满足工程要求而被广为应用。目前工程中常用的条分法有：Fellenius法（Ｗ.Fellenius，1963）、Bishop法（Ａ.Ｗ.Bishop，1955）、Janbu法（N.Janbu，1954，1973）。Morgestern-Price法、（Morgestern-Price，1965）、Spencer法（Spencer，1973）、Sarma法（Sarma，1979）、传递系数法等•由于假设条件与应用的方程不同，条分法分为非严格条分法与严格条分法.•在非严格条分法中，通常只满足一个平衡条件，而不管另一个平衡条件。在土条的平衡中只满足力的平衡，而不满足力矩平衡，在总体平衡中只满足力的平衡或者力矩平衡。可见，非严格条分法的计算结果是有一定误差的。非严格条分法有两个末知数(安全系数和条间力的作用方向)。但只有一个方程.因而尚需作一个假定。非严格条分法通常是假定条间力的方向，由于假定不同而形成各种方法，有瑞典法、简化Bishop法、简化Janbu法、陆军工程师团法、罗厄法、Sarma法、不平衡推力法(传递系数法)等。•严格条分法满足所有的力的平衡条件，它有三个末知数(安全系数、条间力