边坡工程第3章-边坡工程设计与分析方法(冶金出版社)

边坡工程SlopeEngineering第三章边坡工程设计与分析方法特别感谢本教材及PPT中引用文献及图片的作者！本章简要介绍边坡工程设计及其稳定性分析方法，主要内容包括边坡设计的基本流程与原则、安全系数的基本概念与选用以及各类边坡稳定性分析方法。理解并掌握边坡设计的基本流程与原则，熟练掌握安全系数的选用，了解各类边坡稳定性分析方法的基本原理。本章主要内容学习要点3.1边坡工程设计与计算方法综述目录CONTENTS3.2边坡工程设计的基本流程与原则边坡设计的基本流程边坡设计的基本原则3.3设计安全系数及其取用安全系数的概念设计安全系数的取用3.4边坡稳定性分析方法工程地质类比法图解法坡率法极限平衡法数值模拟法概率设计方法敏感性分析法荷载抗力系数设计法边坡稳定性分析方法选用原则3.1边坡工程设计与计算方法综述3.1边坡工程设计与计算方法综述边坡失稳的基本特征为岩土体沿某一滑动面或滑动区域发生剪切破坏，即若滑动面上的剪切力(下滑力)大于岩土体的抗剪能力(抗滑力)，则该边坡将失稳。失稳形式可能表现为滑动体产生位移，也可能表现为边坡逐渐或突然崩塌。(1)安全系数F——对边坡进行极限平衡分析，将边坡稳定性量化，若F＞1，则边坡稳定边坡稳定性的设计计算方法或指标(2)应变——不稳定边坡定义为边坡发生足够大的应变且影响生产安全，或滑体位移速度大于规定值。(3)失稳概率——通过抗滑力与下滑力概率分布的差异，将边坡稳定性量化。(4)荷载抗力系数设计法——稳定边坡定义为抵抗力与其对应的分项系数的乘积大于或等于荷载与其对应的分项系数的乘积之和。3.2边坡工程设计的基本流程与原则3.2.1边坡设计的基本流程3.2.2边坡设计的基本原则3.2.1边坡设计的基本流程边坡设计大体都应遵循三个基本工作阶段，即工程勘察、工程设计和工程施工，边坡工程设计贯穿于这三个阶段中，也就是说边坡设计的基本流程可概括为：(1)在充分掌握工程水文地质条件、岩土体特征及工程环境的基础上，进行边坡设计或单体工程设计；(2)在边坡开挖及相关工程运营过程中，连续监测边坡工作状态；(3)收集有关资料，验证边坡工程设计，并将有关信息反馈到设计中，从而控制边坡的性态，实现边坡工程设计的不断优化。3.2.1边坡设计的基本流程(1)地质模型地质模型可表征边坡岩层的空间状况，其分布不仅与岩性相关，还受地质作用的变化程度及类型的影响，这种变化有积极作用(如硅化作用)也有消极作用(如黏土化作用)。下文以露天矿山边坡为例，概述各类模型的基本特点(2)岩体结构模型岩体结构模型通常包括两个层次，即主要结构(如边坡尺度的褶皱、断层等)与次要结构(如台阶尺度的节理等)。(3)岩体强度模型岩体强度性质决定了边坡开挖方式及设计方法。在岩体强度相对较大的高边坡中，结构可能是边坡稳定性的主要控制因素.(4)水文地质模型水文地质模型包括地下水压力和地面水流动力等因素，其对边坡稳定性影响显著。3.2.1边坡设计的基本流程(1)在工程设计阶段，结合勘察获得的地质模型、结构模型、岩体模型、水文地质模型等资料，以定性分析为基础，以定量计算为重要辅助手段，开展边坡稳定性及设计方案研究。(2)在工程施工阶段，按照边坡设计参数控制边坡空间形态，随边坡开挖高度的增加，继续收集相关地质资料，修正或补充原有边坡设计基础资料，为未来可能的改造、设计提供新的依据。综合起来，各阶段工作应按照相关规范或规定有序进行，完整的边坡工程设计基本流程如右图。3.2.2边坡设计的基本原则进行边坡工程设计时，一般应按照下列原则进行：(1)边坡工程设计前，应进行详细的工程地质勘察，对周围环境的危害性作出预测，获得设计所需的各项参数；指出主要结构面的所在位置；提供边坡设计所需要的各项参数；并对边坡稳定性作出准确的评价。(2)工程设计时应依山就势，防止大挖大填；(3)边坡设计时应保护和整治边坡环境；(4)边坡的支挡结构应进行排水设计；(5)支挡结构后部的填土，应选择透水性强的填料；(6)边坡工程的平面布置和立面设计应考虑对周边环境的影响，满足美化环境、体现生态保护的要求。3.3设计安全系数及其取用3.3.1安全系数的概念3.3.2设计安全系数的取用3.3.1安全系数的概念在边坡稳定性分析中，安全系数是最常用的评价指标，指某一滑面所能提供的抗滑力(抗滑力矩)与沿该面实际下滑力(下滑力矩)的比值。边坡最危险滑面安全系数大于1，表明边坡稳定；小于1，表明边坡不稳定；等于1则表明边坡处于临界稳定状态。获得准确安全系数的前提，是获取有关地质构造、岩土体力学性质、地下水条件及其随时间变化等方面的可靠资料。但是，在处理工程问题时，常遇到边坡的实际状况与安全系数计算值不协调的情形。例如，有时按试验指标计算的安全系数小于1，而边坡处于稳定状态；有时安全系数计算值大于1，随后边坡却发生了破坏。因此，对边坡稳定性的计算决不能脱离对上述各个因素的周密研究与合理确定。为了使安全系数能真实地反映实际情况，应正确评估其合理性并加以有效使用。3.3.2设计安全系数的取用边坡稳定性计算含有若干不确定性因素，为了保证设计的边坡处于稳定状态，应使计算得到的安全系数大于1，即规定一个设计限值，一般称之为设计安全系数或稳定安全系数。下文结合国家标准《岩土锚杆与喷射混凝土支护工程技术规范》(GB50086)、《非煤露天矿边坡工程技术规范》(GB51016)、《建筑边坡工程技术规范》(GB50330)，分别简要介绍常规边坡锚固设计、非煤露天矿边坡及建筑边坡工程中如何选取合理的设计安全系数。根据《岩土锚杆与喷射混凝土支护工程技术规范》，确定边坡设计安全系数前应首先确定边坡变形破坏类型、岩质边坡结构分类和边坡安全等级。边坡设计安全系数依据边坡安全等级和边坡工作状况，按表3-1确定；其中滑动破坏型岩质边坡结构分类、边坡安全等级可分别按表3-2及第一章中表1-5确定。3.3.2设计安全系数的取用边坡工况边坡安全等级持久状况(天然状态)短暂状况(暴雨、连续降雨状态)偶然状态(地震力作用状态)一级1.35~1.251.20~1.151.15~1.05二级1.25~1.201.15~1.101.10~1.05三级1.15~1.101.10~1.051.05表3-1锚固边坡设计安全系数(GB50086)边坡结构类别亚类岩体结构及结构面结合情况滑动控制性结构面与边坡面关系岩体完整性指标岩石单轴饱和抗压强度直立边坡自稳能力I整体状结构及层间结合良好的厚层状结构无滑动控制性结构面，层面产状为陡倾角或近水平，但层面不明显0.7560MPa30m高边坡可长期稳定，但偶有掉块IIII1块状结构及层间结合较好的厚层状结构滑动控制性结构面不很发育，层面产状为陡倾角或接近水平0.7560MPa20m高边坡可基本稳定，但有掉块II2块状结构或结合较好的中厚层结构滑动控制性结构面不很发育，局部交切出潜在不稳定块体。层面以不同倾角倾向坡内，或以25°倾角倾向坡外0.630~60MPa15m高边坡基本稳定，但15~20m边坡欠稳定；有较大的掉块IIIIII1薄层状结构，层间结合一般，局部有软弱夹层或夹泥岩层以不同倾角倾向坡内，或以25°倾角倾向坡外0.5~0.3硬岩60MPa软岩20MPa8m高边坡基本稳定，但15m高边坡欠稳定，有较多掉块III2碎裂镶嵌结构，节理面多数闭合，少数有充填存在节理组合滑动块体0.4~0.360MPa5m高边坡基本稳定，但8m高边坡欠稳定，有较多掉块IVIV1碎裂结构或中厚至薄层状结构，层间结合差存在贯穿性顺坡向中等倾角软弱结构面；层面以大于其摩擦角的倾角，倾向坡外---IV2散体结构，多为构造破碎带、全强风化带存在潜在滑动面或可能形成弧状滑动面---表3-2滑动破坏型岩质边坡岩体结构分类注：①按定性与定量指标分级有差别时，一般以低者为准；②层状岩体可按单层厚度划分，即厚层大于0.5m，中厚层0.1~0.5m，薄层小于0.1m；③当地下水丰富时，III1或III2类边坡岩体结构可视情况降低一档，为III2或IV1类；④主体为强风化岩的边坡可划分为IV2类。3.3.2设计安全系数的取用在非煤露天矿边坡工程中，确定其设计安全系数时首先需按第一章中表1-3划分边坡工程安全等级，总体边坡的设计安全系数在不同荷载组合下应不小于表3-3的规定值。边坡工程安全等级边坡工程设计安全系数荷载组合Ⅰ荷载组合Ⅱ荷载组合ⅢⅠ1.25~1.201.23~1.181.20~1.15Ⅱ1.20~1.151.18~1.131.15~1.10Ⅲ1.15~1.101.13~1.081.10~1.05表3-3不同荷载组合下总体边坡的设计安全系数(GB51016)注：①荷载组合Ⅰ为自重＋地下水；荷载组合Ⅱ为自重＋地下水＋爆破振动力；荷载组合Ⅲ为自重＋地下水＋地震力；②对台阶边坡和临时性工作帮，允许有一定程度的破坏，设计安全系数可适当降低。3.3.2设计安全系数的取用在建筑边坡工程中，应根据边坡损坏后可能造成的破坏后果(危及人的生命、造成经济损失、产生不良社会影响)的严重性、边坡类型及边坡高度等因素，按第一章中表1-2确定边坡工程安全等级。根据边坡工程安全等级，总体边坡的设计安全系数应不小于表3-4的规定值。稳定安全系数安全等级边坡类型一级二级三级永久边坡一般工况1.351.301.25地震工况1.151.101.05临时边坡1.251.201.15表3-4边坡稳定安全系数(GB50330)注：①地震工况时，安全系数仅适用于塌滑区内无重要建(构)筑物的边坡；②对地质条件很复杂或破坏后果极严重的边坡工程，其稳定安全系数应适当提高。3.3.2设计安全系数的取用由于边坡稳定影响因素的复杂性、多变性以及人们对其认识上的局限性，安全系数的计算结果与边坡实际稳定状况可能不符，因此，计算得到的安全系数只能从相对意义上去看待其准确性。边坡设计工作者的任务在于力求做好各项工作，基于计算结果的相对正确性来评价边坡的稳定性。虽然稳定性计算结果存在不确定性，但其总是遵循科学原理并依据实际资料进行的，只要人们不断总结经验，改进工作方法，稳定性计算结果接近客观实际的程度就会逐步提高。3.4边坡稳定性分析方法3.4.1工程地质类比法3.4.2坡率法3.4.3图解法3.4.5数值模拟法3.4.7概率设计方法3.4.4极限平衡法3.4.6敏感性分析法3.4.8荷载抗力系数设计法3.4.9边坡稳定性分析方法选用原则3.4边坡稳定性分析方法边坡工程研究的核心问题是边坡稳定性分析，其目的是确定经济合理的边坡结构参数及分析已有边坡的稳定程度，为边坡处治措施的确定提供可靠依据。根据相关规范或规定，对于大型或地质条件复杂的边坡，其稳定性分析一般分两阶段进行：(1)第一阶段(定性分析)：对初勘所取得的地质资料进行研究，用定性分析对边坡稳定性作出评估，定性分析方法包括工程地质类比法、坡率法、图解法、地质分析法(历史成因分析、过程机制分析)及边坡稳定专家系统等。(2)第二阶段(定量分析)：对定性阶段分析认为是不稳定的或不满足设计安全系数要求的边坡进行详勘，取得包括岩土或软弱结构面强度、地下水流与水压等方面的资料后，经定量分析对边坡稳定性作出判断。3.4.1工程地质类比法工程地质类比法指把所要研究的边坡与已取得勘察资料且地质条件类似的边坡进行对照，并作出工程地质评价的方法，又称工程地质比拟法、经验类比法。工程地质类比法具有经验性和区域性的特点，该方法通过对拟建边坡进行长期观测并与邻近同类边坡的相似性进行对比，结合下列对边坡稳定性有不利影响的地质条件(失稳因素)，确定其对边坡稳定的影响程度，从而作出边坡稳定性判断：(1)边坡及其邻近地段已有滑坡、崩塌、陷穴等不良地质现象；(2)岩质边坡中有页岩、泥岩、片岩等易风化、软化岩层或软硬交互的不利岩层组合；(3)土质边坡中裂隙发育、有软弱夹层，或边坡由膨胀土等不良岩土构成；(4)软弱结构面与坡面倾向一致且结构面倾角小于坡角，或基岩面倾向坡外且倾角较小；(5)地层渗透性差异大，地下水在弱透水层或基岩面上积聚流动；断