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边坡的稳定性评价是岩土工程领域一个重要的研究课题,边坡稳定问题也是在目前工程中经常要考虑到的实际问题。目前,我国在大面积范围内大搞基础设施建设,在这些基础设施兴建的同时,自然生态的破坏也给我们带来了各种各样的边坡稳定问题。因此,如何准确、高效地进行边坡稳定性分析评价,对加快我国经济建设的快速发展,对保证工程建设的安全,都具有极大的现实意义。
在边坡的极限平衡理论体系中,二维极限平衡条分法已趋向成熟,但是边坡从变形到破坏本身是三维问题,采用二维模型分析,往往会低估了边坡的稳定性,并导致治理工程设计参数偏大。现有的二维极限平衡分析方法大多基于滑裂面的平面假定,与滑坡实际失稳的三维滑裂面特征有着较大的差异。与二维方法相比,三维极限平衡方法能使边坡稳定评价建立在更加科学合理的基础之上,采用三维极限平衡方法对边坡稳定性进行计算分析可以获得更加相对可靠的结果,三维方法所建立的理论模型更能反映出边坡的实际情况。因此,对其开展深入研究有理论意义和应用价值。总体来说,三维极限平衡方法目前尚处于研究和探索阶段,随着三维极限平衡理论的发展和逐步完善,越来越多的工程实际问题将提出了建立三维极限平衡分析的要求。
本文在已有研究的基础上,从极限平衡法的基本理论和已知概念出发,基于一定的假设条件,将二维普遍条分法扩展为三维极限平衡条柱法,通过对以往三维极限平衡方法的归纳总结,提出一种改进的三维极限平衡分析方法。通过建立的三维空间坐标系,详细论述了所提出的三维极限平衡方法的计算原理、计算方法。该方法是对二维极限平衡条分法的扩展,它使用一系列具有倾斜界面的柱体将滑坡体离散为棱柱体来模拟边坡滑体,通过分析作用于条柱上的力与力矩关系,联立求解力的平衡与力矩平衡方程,从而求得边坡的整体稳定系数。在所做的假设上,令条柱体行界面的条间力方向不再假定为水平,条柱底滑面的剪切力T的方向也不再假定为平行于主滑平面,而是考虑了与主滑动方向所成的角度β,同时令条柱体底滑面及侧面全部达到极限状态,满足了摩尔库伦准则方程。在考虑条柱重力和水平地震力的作用,忽略其他外部荷载作用力的前提下,建立三维极限平衡条件下的平衡方程,通过对具体工程边坡稳定性计算结果的对比分析,证明了该三维方法的合理性和实用性。
在前人的研究基础上,通过对极限平衡理论的深入研究,对边坡稳定分析的三维极限平衡方法进行了一系列的应用探讨,总体来说,论文主要开展了以下几方面工作:
(1)简单回顾了极限平衡方法理论体系的形成及发展过程,对工程上常用的几种二维极限平衡方法进行了介绍,并对二维方法在实际工程中的局限性进行了剖析,从而提出了对边坡问题进行三维极限平衡分析的必要性,同时介绍了三维极限平衡理论的基本计算原理和发展概况。
(2)介绍了边坡稳定分析的极限平衡方法的理论基础和合理性限制条件;对极限平衡理论中稳定系数的概念及几种定义方法进行了讨论,同时对影响稳定系数的一些因素进行了分析;推导出了边坡稳定分析的极限平衡方法统一计算公式。
(3)对目前三维极限平衡方法的研究现状进行了系统研究,归纳了以往的一些三维极限平衡分析方法,在建立三维极限平衡理论方法的统一模型的基础上,对目前存在的主要的三维极限平衡方法进行了详述和公式推导,并总结了它们各自的使用情况及其优缺点。
(4)在前人研究基础上,借鉴二维极限平衡理论的主要经验,同时基于一定的假设条件,对三维极限平衡方法进行了改进,并对其计算原理进行了详细的阐述;分析并推导出了改进后的三维极限平衡方法的计算公式,对改进方法的计算公式所涉及到的物理,几何参数的具体求解进行了详细的说明。
(5)以宝成铁路K237+100~+372.5处的巨亭滑坡为例,采用改进的三维极限平衡方法对滑坡体的稳定性进行了分析评价,计算出了巨亭滑坡在两种工况下的整体稳定系数,与二维方法的结果对比验证了三维极限方法在解决实际工程问题上的合理性,最后提出了对巨亭滑坡治理方案的建议及进一步研究所需要做的工作。