【正文】 供分不同土層情況的高路堤、陡坡路堤、路塹、浸水堤基等例題，并可由用戶不斷擴充。 三種土層模型： 等厚土層 土層分界線互相平行（水平）；不等厚土層 土層分界線傾斜；任意復(fù)雜土層 土層任意分布，處理斷層、夾層、互層、透鏡體等各種復(fù)雜情況。 加筋材料對穩(wěn)定的貢獻(xiàn)： 錨桿；土工布。 1輸入輸出： 操作簡單直觀，輸入動態(tài)指示；計算 簡圖與計算書，左右對照相得益彰；安全系數(shù)彩色云圖及其它可視化計算結(jié)果。 Flac3D 軟件有限元分析 ]10[ ]11[ FLAC 3D是由美國 Itasca Consulting Group lnc 開發(fā)的三維顯式有限差分法程序 ,它可以模擬巖土或其它材料的三維力學(xué)行為。 FLAC 3D軟件的基本原理是拉格朗日差分法。拉格朗日元法是一種利用拖帶坐標(biāo)系分析大變形問題的數(shù)值方法，并利用差分格式按時步積分求解。隨著構(gòu)形的不斷變化，不斷更新坐標(biāo)， 允許介質(zhì)有較大的變形。模型經(jīng)過網(wǎng)格劃分，物理網(wǎng)格映射成數(shù)學(xué)網(wǎng)格，數(shù)學(xué)網(wǎng)格上的某個結(jié)點就與物理網(wǎng)格上相應(yīng)某水庫邊坡穩(wěn)定性分析與加固治理 19 的結(jié)點坐標(biāo)相對應(yīng)。對于某一個結(jié)點而言，在每一時刻它受到來自其周圍區(qū)域合力的影響。如果合力不等于零，結(jié)點就具有了失穩(wěn)力，就要產(chǎn)生運動。假定結(jié)點上集中有連接該結(jié)點的質(zhì)量，于是，在失穩(wěn)力的作用下，根據(jù)牛頓定律，結(jié)點就要產(chǎn)生加速度，進(jìn)而可以在一個時步中求得速度和位移的增量。對于每一個區(qū)域而言，可以根據(jù)其周圍結(jié)點的運動速度求得它的應(yīng)變率，然后根據(jù)材料的本構(gòu)關(guān)系求得應(yīng)力的增量。由應(yīng)力增量求出 t 和 t + Δ t 時刻各個 結(jié)點的不平衡力和各個結(jié)點在 t + Δ t 時的加速度。對加速度進(jìn)行積分 ,即可得結(jié)點新的位移值，由此可以求得各結(jié)點新的坐標(biāo)值。 從 FLAC 3D進(jìn)行實際工程分析計算過程可看出，生成網(wǎng)格、確定邊界條件、賦予材料的物理力學(xué)參數(shù)及計算是在 FLAC 3D中進(jìn)行的。 FLAC 3D程序含有一個三維網(wǎng)格生成器，只要輸入各網(wǎng)格點的坐標(biāo) ,系統(tǒng)會按照設(shè)定的形態(tài)生成網(wǎng)格。為了模擬實際工程材料及巖土材料， FLAC 3D程序提供了十種材料模型 :一個 NULL 模型，該模型可用于模擬開挖等；三個彈性模型，分別模擬各向同性、橫觀各向同性、各向 異性彈性材料；六個塑性模型 (如摩爾 庫侖準(zhǔn)則 ,D P 準(zhǔn)則等 ) 。針對巖體工程中經(jīng)常遇到的斷層、節(jié)理等結(jié)構(gòu)面 ,程序提供了一種界面或滑動面模型。 FLAC3D程序還提供了結(jié)構(gòu)元素 (例如錨桿、錨索、樁等 ) 來模擬邊坡加固 , 可以很方便地評價支護效果。 ANSYS 軟件非線性有限單元法分析 ]12[ ANSYS 軟件是融結(jié)構(gòu)、流體、電場、磁場、聲場分析于一體的大型通用有限元分析軟件。由世界上最大的有限元分析軟件公司之一的美國 ANSYS 開發(fā)，它能與多數(shù) CAD 軟件接口，實現(xiàn)數(shù)據(jù) 的共享和交換，如 Pro/Engineer, NASTRAN, Alogor 等。 ANSYS 軟件主要包括三個部分：前處理模塊，分析計算模塊和后處理模塊。前處理模塊提供了一個強大的實體建模及網(wǎng)格劃分工具，用戶可以方便地構(gòu)造有限元模型；分析計算模塊包括結(jié)構(gòu)分析（可進(jìn)行線性分析、非線性分析和高度非線性分析）、流體動力學(xué)分析、電磁場分析、聲場分析、壓電分析以及多物理場的耦合分析，可模擬多種物理介質(zhì)的相互作用，具有靈敏度分析及優(yōu)化分析能力；后處理模塊可將計算結(jié)果以彩色等值線顯示、梯度顯示、矢量顯示、粒子流跡顯示、立體切片 顯示、透明及半透明顯示（可看到結(jié)構(gòu)內(nèi)部）等圖形方式顯示出來，也可將計算結(jié)果以圖表、曲線形式顯示或輸出。軟件提供了 100種以上的單元類型，用來模擬工程中的各種結(jié)構(gòu)和材料。該軟件有多種不同版本，可以運行在從個人機到大型機的多種計算機設(shè)備上，如 PC， SGI， HP， SUN， DEC， IBM， CRAY等。 某水庫邊坡穩(wěn)定性分析與加固治理 20 穩(wěn)定問題的分析方法可以大致分為解析方法和近似方法兩類。其中解析方法主要有平衡法、能量法和動力法，而近似方法有瑞利 里茲法、伽遼金法、有限差分法、有限積分法以及有限單元法。隨著計算機技術(shù)和有限元理論的飛速發(fā)展，使得有 限單元法的優(yōu)勢日益明顯。而且對于大型復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，采用解析方法進(jìn)行穩(wěn)定分析困難太大，尤其是非線性穩(wěn)定分析幾乎是不可能，此時就必須使用計算機以及專業(yè)分析軟件。 ANSYS 是一個非常有用的有限元通用軟件，可以對結(jié)構(gòu)進(jìn)行各種穩(wěn)定分析。對于發(fā)生平衡分枝失穩(wěn)的理想結(jié)構(gòu)在不考慮幾何非線性和材料非線性的情況下，可以在 ANSYS 中進(jìn)行特征值屈曲分析，通過提取特征值的方法來確定發(fā)生各分枝失穩(wěn)時的臨界荷載，通過擴展屈曲模態(tài)來獲得結(jié)構(gòu)失穩(wěn)時各處相對位移的大??；對于發(fā)生極值點失穩(wěn)的實際結(jié)構(gòu)，需要預(yù)先引入一個初始擾動，一般采用 NEWTON RAPHSON 迭代法進(jìn)行靜力分析即可追蹤求得極值點荷載。對于跳躍失穩(wěn)問題，需要考慮屈曲后的變形受力行為，一般采用弧長法追蹤屈曲后的屈曲加載路徑，計算出屈曲后的荷載 位移曲線。 5 某水庫邊坡穩(wěn)定性分析與加固治理 工程概況 某水庫工程主要用于農(nóng)業(yè)灌溉，兼顧發(fā)電及人畜用水。該水庫樞紐建筑物由混凝土面板堆石壩、左岸輸水隧洞、發(fā)電廠房、右岸泄洪沖沙洞及溢洪道組成。設(shè)計壩頂長 200m，總庫容 2770萬 m179。，裝機總量 6400kw。 溢洪道施工開挖時右岸邊坡發(fā)生滑動，施工被迫停止。為保證施工安全及永久建 筑物運行的安全，及時查明邊坡失穩(wěn)的機理，并采取切實有效的加固治理措施是極為必要的。 該邊坡平面圖及穩(wěn)定性分析計算斷面地質(zhì)剖面圖見附錄圖 1和圖 2。 設(shè)計工程地質(zhì)概況 在勘察工作中布置了 1 條邊坡計算斷面，按點距 15～ 30m 的 布置鉆孔， 共 布置鉆孔3 個 ，鉆孔編號 1～ 3，預(yù)計孔深 15～ 30m。通過取土試樣，標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗，得出以下結(jié)論： 一、地層巖性構(gòu)成 第四系人工堆積（ Qml ） 粘性素填土（單元層代號①層）：褐紅、褐黃色、堆土地段為灰～灰黑色，可塑，濕。成為以粘性土 為主，含少量碎石角礫及植物根系。層厚 ～ ，場地部分地段有某水庫邊坡穩(wěn)定性分析與加固治理 21 分布。 第四系坡洪積（ Q pldl? ） 粘土（單元層代號②）：褐紅色、紅色，可塑～硬塑狀態(tài)，飽和。無搖振反應(yīng)，切面稍有光滑，干強度及韌性中等。含少量 Fe、 Mn 質(zhì)結(jié)核。層厚 ～ ，整個場地均段有分布。 粘土（單元層代號③）：褐黃色夾褐紅、灰白色，呈花斑狀，硬塑狀態(tài)，部分可塑狀態(tài)，飽和。無搖振反應(yīng)，切面光滑，干強度及韌性中等。部分地段夾粉質(zhì)粘土。層厚 ～，場地部分地段有分布。 基巖（γ 25 ） 第四層及其以下為燕山期黑云二長花崗巖。 二、巖土物理力學(xué)性質(zhì) 為獲取土的物理力學(xué)指標(biāo)，本次勘察共采取原狀及擾動土樣 34件，進(jìn)行室內(nèi)常規(guī)土工試驗，進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗 27次，同時利用了部分原勘察報告試驗成果。現(xiàn)將室內(nèi)土工試驗及野外原位測試成果統(tǒng)計歸納于表 1和表 2。 軟件在邊坡工程中的穩(wěn)定性分析 計算成果分析 根據(jù)工程地質(zhì)剖面圖、各土層 的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)、地下水位線、地震烈度等參數(shù)利用計算軟件應(yīng)用不同的邊坡穩(wěn)定性計算分析方法計算出最 小安全系數(shù)及搜索出其對應(yīng)的最危險滑裂面。見下表： 表 3 Tab 3 計 算 方 法 瑞典條分法 簡化 Bishop法 F 最不利滑動面 數(shù)據(jù)文件 F 最不利滑動面 數(shù)據(jù)文件 滑動圓心坐標(biāo) 滑動半徑 （ m） 滑動圓心坐標(biāo) 滑動半徑 （ m） (,) (,) 加固前邊坡穩(wěn)定性分析計算結(jié)果圖見附錄圖 3和圖 4。 計算結(jié)果表明應(yīng)用不同計算方法計算結(jié)果有所不同。瑞典條分法，假設(shè)滑動面為圓弧面，不考慮土 條的條間力，即 Ei=Xi=0,減少 2n2個未知數(shù)（其中 n為未知數(shù)個數(shù)）；某水庫邊坡穩(wěn)定性分析與加固治理 22 簡化 Bishop 法，假設(shè)滑動面為圓弧面，考慮土條的水平條間力，切向條間力 Xi=0，減少 n1 個未知數(shù)，但在計算時有時不收斂。由于最小安全系數(shù)小于 1，所以邊坡可能處于不穩(wěn)定狀態(tài)。 穩(wěn)定性分析 根據(jù)地質(zhì)調(diào)查和邊坡穩(wěn)定性計算分析，發(fā)現(xiàn)邊坡處于不穩(wěn)定狀態(tài)。 邊坡地層主要由第四系人工素填土①層、第四系坡洪積粘土②、粘土③構(gòu)成，各土層強度一般。根據(jù)鉆探及地質(zhì)調(diào)查結(jié)果，邊坡坡體地下水位線與邊坡坡向一致，具有較大的水力坡度，坡體中存在局部 分布的上層滯水，沿粘性土與上部粉土、砂土界面滲出，或以下降泉形式排泄，給邊坡造成較大的動水壓力。由于該邊坡已產(chǎn)生明顯的變形破壞，坡體內(nèi)形成的裂縫是地下水補排的主要通道，地下水長期滲（徑）流也導(dǎo)致周圍土體強度降低，同時也加大了邊坡土體的重量，這是引起邊坡變形的主要外部因素。構(gòu)成邊坡的主要地層粘土③層具有吸水膨脹、失水收縮和反復(fù)脹縮變形的特點，對邊坡的穩(wěn)定性極為不利。同時由于坡體內(nèi)無穩(wěn)定地下水位，坡頂補給、坡腳排泄的地下水受氣候影響大，坡體內(nèi)土體處于相對干濕交替的環(huán)境，導(dǎo)致地基土反復(fù)脹縮變形，也是引起邊坡變形的 因素。 邊坡的加固治理 加固方法的比較 一、 支擋 。 支擋（擋墻、抗滑樁等）是邊坡處治的基本措施。對于不穩(wěn)定的邊坡巖土體，使用支擋結(jié)構(gòu)（擋墻、抗滑樁等）對其進(jìn)行支擋，是一種較為可靠的處治手段。它的優(yōu)點是可從根本上解決邊坡的穩(wěn)定性問題，達(dá)到根治的目的。 二、 加固 。⑴ 注漿加固 。 當(dāng)邊坡坡體較破碎、節(jié)理裂隙較發(fā)育時，可采用壓力注漿這一手段，對邊坡坡體進(jìn)行加固。灌漿液在壓力的作用下，通過鉆孔壁周圍切割的節(jié)理裂隙向四周滲透，對破碎邊坡巖土體起到膠結(jié)作用，形成整體；此外，砂漿柱對破碎邊坡巖土體起到螺栓連 接作用，達(dá)到提高坡體整體性及穩(wěn)定性的目的。注漿加固可對邊坡進(jìn)行深層加固 ；⑵ 錨桿加固 。 當(dāng)邊坡坡體破碎，或邊坡地層軟弱時，可打入一定數(shù)量的錨桿，對邊坡進(jìn)行加固。錨桿加固邊坡的機理相當(dāng)于螺栓的作用。錨桿加固為一種中淺層加固手段 ；⑶ 土釘加固 。 對于軟質(zhì)巖石邊坡或土質(zhì)邊坡，可向坡體內(nèi)打入足夠數(shù)量的土釘，對邊坡起到加固作用。土釘加固邊坡的機理類似于群錨的作用。與錨桿相比，土釘加固具有 “ 短 ” 而 “ 密 ” 的特點，是一種淺層邊坡加固技術(shù)。兩者在設(shè)計計算理論上某水庫邊坡穩(wěn)定性分析與加固治理 23 有所不同，但在施工工藝上是相似的 ；⑷ 預(yù)應(yīng)力錨索加固 。 當(dāng)邊坡較高、坡體 可能的潛在破裂面位置較深時，預(yù)應(yīng)力錨索不失為一種較好的深層加固手段。目前，在高邊坡的加固工程中，正逐漸發(fā)展成為一種趨勢，被越來越多的人接受 ；⑸ 土工布加固。該方法屬于內(nèi)部加固結(jié)構(gòu)的鋪設(shè)型方法，這類構(gòu)件具有不同的規(guī)格型號，隨著填土一層一層地鋪設(shè)，以適應(yīng)不同的環(huán)境要求，在坡面往往將土工布彎回。 三、 防護 。 邊坡防護包括植物防護和工程防護。 ⑴ 植物防護 。 植物防護是在坡面上栽種樹木、植被、草皮等植物，通過植物根系發(fā)育，起到固土，防止水土流失的一種防護措施。這種防護措施一般適用于邊坡不高、坡角不大的穩(wěn)定邊坡 ；⑵ 工程防 護 ：① 砌體封閉防護 。 當(dāng)邊坡坡度較陡、坡面土體松散、自穩(wěn)性差時，可采用圬工砌體封閉防護措施。砌體封閉防護包括漿砌片石、漿砌塊石、漿砌條石、漿砌預(yù)制塊、漿砌混凝土空心磚等 ；② 噴射素混凝土防護 。 對于穩(wěn)定性較好的巖質(zhì)邊坡，可在其表面噴射一層素混凝土，防止巖石繼續(xù)風(fēng)化、剝落，達(dá)到穩(wěn)定邊坡的目的。這是一種表層防護處治措施。 四、 排水 。⑴ 截水溝 。 為防止邊坡以外的水流進(jìn)入坡體，對坡面進(jìn)行沖刷，影響邊坡穩(wěn)定性，通常在邊坡外緣設(shè)置截水溝，以攔截坡外水流 ；⑵ 坡內(nèi)排水溝 。 除在邊坡外緣設(shè)置截水溝外，在邊坡坡體內(nèi)應(yīng)設(shè)置必要的排水溝 ，使大氣降雨能盡快排出坡體，避免對邊坡穩(wěn)定產(chǎn)生不利影響。 加固措施 根據(jù)邊坡穩(wěn)定性分析計算結(jié)果，考慮邊坡現(xiàn)狀條件、影響邊坡穩(wěn)定性的幾個主要因素及各類邊坡支擋結(jié)構(gòu)的適用條件，邊坡加固措施如下： 采用擋土墻加回填土護坡支護。 擋土墻設(shè)計 應(yīng)用理正巖土軟件中的擋土墻設(shè)計程序進(jìn)行設(shè)計，如下所示（設(shè)計中的參數(shù)設(shè)置及設(shè)計后的驗算祥見附錄，數(shù)據(jù)文件 ） 墻身尺寸 : 墻身高 : (m) 墻頂寬 : (m) 面坡傾斜坡度 : 1: 背坡傾斜坡度 : 1: 墻底傾斜坡率 : :1 邊坡采用擋土墻支護后的地質(zhì)剖面圖見附錄圖 5。 某水庫邊坡穩(wěn)定性分析與加固治理 24 采用抗滑樁支護。 ⑴ 抗滑樁設(shè)計： 應(yīng)用理正巖土軟件中的抗滑樁設(shè)計程序進(jìn)行設(shè)計，如下所示（設(shè)計中的參數(shù)設(shè)置及設(shè)計后的驗算祥見附錄，數(shù)據(jù)文件 ） ： 墻身尺寸 : 樁總長 : (m) 截面形狀 : 圓樁 樁徑 : (m) 樁間距 : (m) 嵌入段土層數(shù) : 2 樁底支承條件 : 鉸接 物理參數(shù) : 樁混凝土強度等級 : C30 樁縱筋合力點到外皮距離 : 35(mm) 樁縱筋級別 : HRB335 樁箍筋級別 : HPB235 樁箍筋間距 : 200(mm) 樁配筋形式 : 縱筋均勻配筋 擋土墻類型 : 抗震區(qū)擋土墻 地震烈度 : 設(shè)計烈度 8度 水上地震角 : 水下地震角 : 水平地震系數(shù) : 重要性修正系數(shù) : 綜合影響系數(shù) : ⑵ 抗滑樁布置設(shè)計如下（設(shè)計中的參數(shù)設(shè)置及設(shè)計后的驗算祥見附錄，數(shù)據(jù)文件） ： 單位米寬滑坡推力的水平分量 = (kN) 布置樁間距 (m)，布置樁排距 (m) 則可提供的抗滑力為 : (kN) 某水庫邊坡穩(wěn)定性分析與加固治理 25 滑坍縱向 寬度 = 范圍內(nèi)， 共需要抗滑樁 122 根 邊坡采用抗滑樁支護后的地質(zhì)剖面圖見附錄圖 6，抗滑樁具體布置見附錄圖 8。 邊坡計算斷面采用擋土墻和抗滑樁支護后安全系數(shù)達(dá)到 。 設(shè)置水平疏干孔，疏導(dǎo)出坡內(nèi)地下水，減少地下水對邊坡穩(wěn)定性的不利影響； 坡面上栽種樹木、植被、草皮等植物，通過植物根系發(fā)育，起到固土，防止水土流失的一種防護措施。 該邊坡綜合治理后的工程地質(zhì)剖面圖和平面圖見附錄圖 7和圖 8。 計算結(jié)果表明通過加固，邊坡基本滿足規(guī)范要求，目前邊坡基本處于穩(wěn)定狀態(tài)。 小結(jié) 根據(jù)邊坡穩(wěn)定性分析計算結(jié)果，考慮邊坡現(xiàn)狀條件、影響邊坡穩(wěn)定性的幾個主要因素及各類邊坡支擋結(jié)構(gòu)的適用條件，對邊坡進(jìn)行了加固治理。由于場地內(nèi)存在膨脹土，基礎(chǔ)開挖應(yīng)盡量避免暴曬或浸泡，基坑（槽）開挖面應(yīng)及時簽證驗收，及時進(jìn)行澆筑封閉。采用綜合治理措施，多道工序交叉作業(yè)，應(yīng)制定合理的施工工序。 通過對實際工程進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性分析和加固治理 ，對 邊坡穩(wěn)定性 分析與加固 方法 有了更深入的了解 ，不同的方法各具特點，有一定的適用條件。如何根據(jù)具體的邊坡工程地質(zhì)條件，具體地分析目的與精度要求， 合理有效地選用與之相適應(yīng)