西安建筑科技大学硕士学位论文高填方边坡的稳定性分析与治理措施研究.doc

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高 填方 边坡的稳定性分 析与 治理措 施研究

专 业：岩土工程
硕 士 生：李 桂 贤
指导教师：李 辉 副教授
摘要
随着我国西部大开发战略决策的实施，西部地区的基础设施建设得到了空前
的发展。由于特殊的环境地貌,在西部山区工程建设过程中经常会遇到 高填深挖的
问题,由此形成的高边坡变形和稳定性问题均十分突出。相对于低边坡而言，高边
坡的变形破坏机制更复杂，因此，如何准确分析这些高边坡的变形并且保证其在
正常运营时期的稳定性满足安全要求已经成为边坡应用工程中急需解决的关键技
术问题。
本文对土质高填方边坡的稳定分析和治理措施进行了研究。以某土质高填方
边坡项目为研究出发点，探讨土质高填方边坡的变形破坏形式，分析影响土质高
边坡稳定因素的作用机理及其敏感性。采用极限平衡法和有限元强度折减法分析
研究了土质高填方边坡，重点分析其稳定性和变形破坏机制。对比两种方法对边
坡变形和稳定性的分析结果，总结了土质高填方边坡的变形破坏特征，综合评价
了土质高填边坡的稳定性。根据高边坡的变形特征，结合工程实际情况，本文拟
定了四种高填方边坡治理方案。考虑了六个评价指标，运用熵权多目标决策法对
拟定的四种边坡治理方案进行优化选择，理论分析优选得到的边坡治理措施的加
固机理，并运用数值模拟方法进一步分析治理后的高填方边坡防护结构的受力特
性。
关键词： 高填方边坡；稳定性；灰 色关联分析 ；有限元强 度折减法； 熵权多目标
决策

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The Resea rch of the Stability and the Reinfo rcement
measures of Hig h Fill S lo pe

Specialty： Geotechnical Engineering
Na me: Li Guixian
Inst ructo r: Associate Pro f. Li Hui
ABSTRACT
With the imp lementatio n o f the decisio n- making o f China's western develop ment
strategy, the wes tern regio n's infrastructure construction has been an unprecedented
develop ment. Dur ing to the special enviro nmental land forms, in the process o f the
engineering co ns tructio n, we often encounter the p rob lem o f high ly fill and ferret o ut in
the western mo untain. So the res ulting high s lope defor matio n and stab ility iss ues are
ver y pro minent. Relative to the lo w slope, the deformation and failure mechanis ms o f
high slope are mo re co mp lex. Therefore, an accurate analysis o f the high-slope
defo rmation and the enforcement to ensure the stab ility o f the nor mal operating period
to meet the security req uirements have become the key technical issues in th e
app licatio n o f slope engineer ing.
In this paper, the analysis of stab ility and optimizatio n o f enfo rcements o f the high
so il fill slope have been s tudied. As a star ting po int fo r the research, o ne soil high fill
slope p roject has been used to exp lore the for m of the so il high fill slop e defo rmation
and failure, and to analyze the mechanism o f actio n and sensitivity o f the high so il s lope
stability factors. Limit eq uilib rium method and finite element strength reduction are
used to analyze and s tud y the so il high fill slope, fo cusing o n the analysis of its stab ility
and the defo r matio n and failure mechanisms. By comparing o ne of the two res ults o f the
two calculation methods with the other, the defo rmatio n and failure mechanisms o f high
so il fill slope have been summarized and the co mprehensive evaluation o f the stab ility
of the high slope have been done. Based o n the defo rmation and failure characteristics
of high so il fill slope and geological conditio ns o f the engineering, fo ur enfo rcements
were been proposed in this paper. And the method o f entrop y weight multi-objective
decis io n which co nsider ed the six evaluatio n indexes was used to op timize the fo ur

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enfo rcements. Analys is o f the reinforcement mechanism of the op timal enfo rcement and
the numerical simu latio n have been do ne to further analyze the mechanical
character istic of the o f high fill slope protectio n structures after treatment.
Keywo rds: High fill slope; stab ility; grey correlation analysis; strength red uctio n finite
element method; Entrop y weight multi- objective decisio n

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目 录

1 绪论 .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . 1
1.1 论文的研究背景................................................................................................. 1
1.2 国内外研究现状................................................................................................. 1
1.2.1 边坡稳定性分析方法研究现状................................................................ 1
1.2.2 边坡加固技术发展现状............................................................................ 3
1.3 研究目的............................................................................................................. 4
1.4 研究内容、技术路线......................................................................................... 4
2 边坡稳定性分析相关 理论 . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . . .. . . .. 7
2.1 边坡分类............................................................................................................. 7
2.2 土质边坡变形破坏形式..................................................................................... 7
2.3 影响边坡稳定因素............................................................................................. 9
2.3.1 影响因素.................................................................................................... 9
2.3.2 灰色关联度法的主次因素的敏感性分析.............................................. 11
2.4 边坡稳定性分析方法....................................................................................... 13
2.4.1 极限平衡法.............................................................................................. 13
2.4.2 有限单元法.............................................................................................. 17
3 土质高填方边坡有限 元分析 . . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . . .. . . . 19
3.1 MIDAS/GTS 有限元程序 ................................................................................ 19
3.2 土质高填方边坡数值模拟在 GTS 中的实现................................................... 19
3.2.1 初始地应力场的建立............................................................................. 19
3.2.2 模型的建立............................................................................................. 20
3.2.3 土-筋材接触面处理 ............................................................................... 21
3.2.4 本构模型的选取..................................................................................... 22
3.2.5 土质高填方边坡有限元分析的实现过程.............................................. 23
3.3 本章小结........................................................................................................... 24
4 高填方边坡稳定性分 析与治理措施研究 . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. 25
4.1 工程概述........................................................................................................... 25
4.1.1 地层岩性.................................................................................................. 25

I

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4.1.2 水文地质条件 .......................................................................................... 26
4.2 基于极限平衡法的高填方边坡稳定性分析 ................................................... 26
4.2.1 计算分析方法 .......................................................................................... 26
4.2.2 计算工况及参数选取 .............................................................................. 27
4.2.3 安全系数 .................................................................................................. 27
4.2.4 计算结果分析 .......................................................................................... 29
4.3 MIDAS/GTS 数值模拟分析 ........................................................................... 30
4.3.1.计算范围及模型概化 .............................................................................. 30
4.3.2.数值模拟中弹性模量和泊松比的取值 .................................................. 31
4.3.3.计算模型的建立 ...................................................................................... 31
4.3.3.1 基本假定........................................................................................ 31
4.3.3.2 建模过程与网格划分.................................................................... 31
4.3.3.3 边界条件与荷载............................................................................ 32
4.3.4.计算结果分析 .......................................................................................... 32
4.4 高填方边坡治理措施研究 ............................................................................... 41
4.4.1 高填方边坡治理措施的优化选择 .......................................................... 41
4.4.1.1 熵权多目标优选决策法原理........................................................ 41
4.4.1.2 高填方边坡治理方案的熵权多目标优选决策............................ 44
4.4.2 加筋土作用机理 ...................................................................................... 48
4.4.2.1 摩擦加筋原理................................................................................ 48
4.4.2.2 准粘聚力原理................................................................................ 50
4.4.3 高填方边坡治理措施设计计算 .............................................................. 52
4.4.3.1 重力式挡墙结构设计................................................................... 52
4.4.3.2 加筋土边坡结构设计计算........................................................... 52
4.4.4 土工格栅内力分析 .................................................................................. 54
4.5 本章小结 ........................................................................................................... 57
5 结论与展望 . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. 59
5.1 结论 ................................................................................................................... 59
5.2 展望 ................................................................................................................... 60
致谢 . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. 61
参考文献 . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. 62

II

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攻读学位期间发 表的论文 . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . . .. . . . 65

III

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1 绪论

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[2]
1.1 论文的研究背景
西部地区的基础设施建设伴随着我国西部大开发战略决策的实施得到了空前
的发展。由于该地区特殊的环境地质地貌特征,在边坡工程建设中常会遇到高填深
挖的问题,由此形成的高边坡变形和稳定性问题均十分突出。相对于低边坡而言，
高边坡的变形破坏机制更复杂，因此，如何准确分析高边坡的稳定性，并根据工
程实际情况选择合理的工程措施加固边坡，是众多岩土工作者长期以来不断探索
的关键技术问题之一 。
边坡应用 工程中因边坡失稳而造成的工程事故屡见不鲜。据不完全统计 ：
我国仅在 1949 年-1990 年之间，发生危害和影响重大的边坡失稳破坏事故至少 850
次。2000 年 4 月 9 号，因春季雪山融化造成的西藏易贡滑坡是目前世界上规模最
大的滑坡之一，高达 3300 m，滑坡造成四千多人被困，交通中断，一万多人面临
着洪水的威胁，造成直接经济损失约 1.3 亿元以上。重庆武隆县于 2001 年 5 月的
滑坡灾难中滑坡体摧毁了一幢多层商住楼，致使 79 人死亡， 319 国道中断 4 昼夜，
造成了严重的社会影响。每年因滑坡、崩塌等坡体灾害造 成的经济损失高达 30 亿
-50 亿美元。
由此可以看出，边坡的稳定问题如果不能妥善解决，将造成很严重的经济损
失后果和不良的社会影响，高填方边坡的变形机制和失稳机制仍需要进一步研究。
本论文的研究课题是“高填方边坡的稳定性分析与治理措施研究”，以某高填方边
坡项目为研究出发点，探讨土质高填方边坡的变形破坏形式，分析影响土质高边
坡稳定因素的作用机理和敏感性。同时根据边坡的变形分析和稳定性分析结果，
结合工程实际情况，选择合理的工程措施加固边坡，为土质高填方边坡的治理设
计提供参考。
1.2 国内外研究现状
1.2.1 边坡稳定 性分析方法研究现状
边坡稳定性研究从 20 世纪 50 年代初期开始逐步发展。伴随着研究人员对工
程地质模型认识的不断深入和边坡稳定性分析方法的多样化，边坡稳定性的研究
得到了长远的发展，边坡变性破坏的预测与防治能力也在逐步提高。边坡稳定性
分析的研究经历了一个较长的发展过程，国内外很多学者对其进行了研究，并取
1

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得了丰硕的成果。目前，边坡稳定性的分析方法很多，按照分析原理的不同可分
为：定性分析方法、定量分析方法以及不确定性分析方法 。
（1）.定性分 析方法 主要是根据工程地质勘察结果，结合工程实际，分析影
响边坡稳定的主要因素、边坡变形破坏方式以及坡体失稳机制等，分析已发生变
形破坏地质体的形成原因和发展过程，从而定性评价边坡的稳定性工作状况，并
定性说明其变形发展趋势。定性分析方法主要有：工程地质类比法、自然（成因）
历史分析法和图解法等。虽然这类分析方法能够将影响边坡稳定性的多种因素考
虑在内，并对边坡的发展趋势及其稳定状况作出有效的评判，但因无法得到具体
的边坡稳定安全系数，故只能用于判断边坡是否处于稳定状态 。
（2）.定量分析方法是指在一定的地质模型的基础之上建立 数学力学模型，并
根据对该模型的计算分析结果，评价边坡稳定性。依据稳定分析目的、边坡类型
的不同及分析精度要求的不同对应不同的计算方法，其中极限平衡分析法和数值
分析法是目前应用最广泛的两种定量分析方法。
根据求解思路的不同可将极限平衡法分为滑移线法、垂直条分法两种，因为前
者的求解过程相对复杂，因此常选用垂直条分法分析边坡的稳定性。垂直条分法
假定在滑裂面上的土体达到了极限平衡状态，根据静力平衡条件计算潜在滑动面
上的滑动力和抗滑力，通过大量计算和分析比较，选择其中最小的数值作 为边坡
的稳定安全系数，其所对应的滑动面即边坡最危险的滑动面。极限平衡理论的优
点是能精确地评价结构的稳定性，却不需要事先给出应力 作用下结构的变形图像。
边坡稳定分析的早期发展主要围绕着如何提高条分法的精确性进行，改进途径
主要包括完善条分法的假设条件和合理确定临界滑裂面。根 据其假设条件的不同，
基于极限平衡法的简化方法主要有： Fellenius 法 、简化 Bishop 法 、Janbu
法 、spencer(1967、1973)法 、Morgenstern-Price 法 等。随着学者的深入研
究，出现了改进的 Morgenstem-Priee 法，广义极限平衡法 等等。为了简化计
算，极限平衡法假定土体是均匀的，但当分析土质边坡时往往因土体不均匀而使
计算结果与实际情况差别很大，同时该方法很难应用 于复杂土层及土工结构计算，
为此 Lysmer(1970) 、Chen（1975) 将力学上的极限分析方法引入到土力学 中。
后来 Sloan(1988) 等人引入变分原理寻求问题的上 限解，S1oan(1988) 、李
国英与沈珠江 (1997)等人引入数学规划法得出问题的下限解 。
极限平衡法不能考虑岩土体的非均匀性，非连续性和大变形问题，针对这个
问题出现了另一种应用更广泛的边坡稳定分析方法-数值分析法，1976 年有限元法

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[18]
[19]
首次被引入边坡稳定性分析问题中，从此数值计算方法的应用逐渐得到了重视。
数值分析法主要由有限单元法、边界元法、离散单元法、连续介质快速拉格朗日
法及不连续变形分析等组成。为了得到理想的计算结果，需要保证岩土体本构关
系的适用性和输入数据的精度满足相关要求。有限元法是比较常用的数值分析方
法，相对于极限平衡法来说，有限元法有以下特点：不需要对破坏面形状和位置
作出假定；不需要为了简化计算而对边坡引入很多的假定条件，保证了数值模拟
与工程实际情况的一致性；分析结果给出了应力与变形的全部信息 。
（3）.非确定 分析方法
边坡工程并不是独立封闭的系统，复杂特性明显。影响边坡的因素很多，且
具有随机性、模糊性和不确定性等特点，传统的力学方法无法全面考虑以上各方
面的影响，因此进行计算分析及其分析结果均存在许多问题和不足。近年来，新
的分析方法的出现使得边坡稳定分析可以考虑更多的影响因素，如固结和非饱和
状态。现代科学理论不断被引入到边坡稳定研究领域，于是形成了非确定性分析
方法，主要有:边坡稳定可靠性分析法、模糊数学法、灰色系统预测分析法、随机
过程法、人工智能和人工神经网络法等等。
边坡稳定性分析研究的逐渐深入也伴随着稳定性分析方法的不断涌现，对边
坡稳定性的分析已不再仅限于单纯的定性描述和定量计算，随着研究层次的不断
深入，基于现代科学理论并能精确分析边坡稳定状况的研究方法也在不断出现并
被推广应用。目前国内外分析评价边坡稳定性已经由单一的方法研究转向多种方
法并用的综合应用研究。非线性科学方法的应用使得分析计算结果更接近于工程
实际情况，研究人员能更加全面和深入的认识理解边坡破坏现象，更准确地预测
边坡变形的发生与发展，据此给出合理的边坡加固设计。
1.2.2 边坡加固 技术发展现状
早期边坡工程设计内容并不包括边坡加固这一项，边坡工程设计主要是确定
边坡的高度和边界线，并给出稳定的坡角。只有当边坡发生的变形破坏威胁到国
民的生命财产安全时，才考虑采用一定的工程措施，对边坡进行加固。这种边坡
治理原则使得加固措施的经济效益较差，而且加固效果并不理想。
为了使得边坡的稳定性满足安全要求，长期以来，工程师们提出了各种类型
的边坡加固技术。目前边坡加固处理措施可以分为直接加固、间接加固和特殊加
固三类 ①直接 加固，包括挡墙及护坡、锚杆及锚索、抗滑桩等；②间接加固，

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包括削坡减载、坡体中使用巷道或通过钻孔疏流、地面排水及铺盖防渗等措施；
③特殊加固，包括压力灌浆和麻面爆破等。目前，国内外多 用直接加固法和间接
加固法加固土质高边坡工程。
在众多的加固方法中，坡脚设置挡墙是常用的边坡加固方法。随着边坡高度
的逐渐增加以及边坡工程地质条件的日益复杂，挡墙工程中引入了多种新技术如
土筋复合结构以及锚固技术等。挡墙结构形式也从过去单一的 重力式，逐渐发展
形成了锚杆式、加筋土式、锚定板式等多种类型，工程应用中 可以根据具体的工
程地质条件选择合理的挡墙结构型式。
根据边坡工程的发展过程可以看出，目前边坡的加固方法以综合治理为主，
与以往采用单一的加固措施有所不同；边坡的加固原则由以前的被动防治变为目
前的主动加固；边坡加固的目的是能主动地提高边坡的稳定性，保证其经济效益
良好，而不再仅仅是当边坡发生变形破坏后的防治手段。
1.3 研究目的
边坡指地表面一切具有一定的倾向临空面的复杂地质体。公路等基础设施的
建设伴随着西部大开发战略的实施而迅速在西部地区展开，由于西部地区地形、
地质条件复杂，根据建设项目的实际需要，局部地区必须高填深挖，为此出现了
许多高边坡，这些边坡的稳定与否直接影响到基础设施建设的正常开展和国民经
济的发展。由于边坡失稳而造成的事故每年都会发生很多次，目前，边坡失稳己
经成为全球性三大地质灾害(源)之一，对边坡稳定与治理问题的研究应随人类工
程实践活动的不断发展而不断深入。
本文的主要目的是对土质高填方边坡的稳定性分析和治理措施进行研究，探
讨土质高填方边坡主要的变形破坏形式，分析影响土质高边坡稳定的各种因素作
用机理及其敏感性。讨论如何采用定量分析方法对土质高填方边坡进行分析，研
究土质高填方边坡的变形破坏特征及其稳定性。同时结合工程实际条件，优化选
择合理的工程措施加固边坡，理论分析优选得到的治理措施的加固机理，采用数
值模拟方法进一步分析边坡防护结构的受力特性，从而保证高填方边坡在正常运
营阶段自身稳定性满足工程安全要求，为土质高填方边坡的整体稳定性分析和治
理设计提供参考。
1.4 研究内容、技术路线
本文依托于兰州某电厂高填方边坡治理工程，对土质高填方边坡的稳定分析

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和治理措施进行了研究。以该项目为研究出发点，探讨土质高填方边坡的变形破
坏形式，分析影响 土质高边坡稳定因素的作用机理及其敏感性。总结了 Fellenius
法、Janbu 法、简化 Bishop 法、有限元法在边坡稳定性 分析中的应用和计算理论。
采用极限平衡法和有限元强度折减法对土质高填方边坡进行研究，分析边坡稳定
性和变形破坏机制。比较两种方法对边坡变形和稳定性的分析结果，总结土质高
填方边坡的变形破坏特征，给出土质高填方边坡稳定性的综合评价及分析结果。
根据高边坡的变形特征，结合工程实际情况，本文拟定了四种边坡治理加固处理
方案，并运用熵权多目标决策法对所提出的四种边坡治理方案进行优化选择，理
论分析优选得到的边坡治理措施的加固机理，并运用数值模拟方法进一步分析高
填方边坡防护结构的受力特性。本文技术路线图见图 1.1。

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高填方边坡的稳定性分析与治理措施研究

土
边
变
坏
质
坡
形
破
形
式
响
素
感