防波堤抗滑稳定性分析
第10卷 第3期 2008年5月
大连民族学院学报Journal of Dalian N ationalitiesU n i v ersity
V o. l 10, N o . 3M ay 2008
文章编号:1009-315X (2008) 03-0257-04
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防波堤抗滑稳定性分析
段红霞, 李守巨
1
2
(1. 大连民族学院土木建筑工程学院, 辽宁大连116605; 2. 大连理工大学运载工程与力学学部, 辽宁大连116024)
摘 要:基于极限平衡理论的瑞典法和简化的B ishop 算法, 是计算边坡抗滑稳定安全系数最有效和最直接的方法。对比较均匀的边坡, 采用圆弧滑裂面假设, 可使用简单的模式搜索法自动搜索出边坡的最小安全系数和与之相对应的临界滑裂面的位置。用极限平衡方法分析了海洋红中心渔港防波堤在施工阶段和使用阶段的抗滑稳定性, 表明了该方法在实际工程中应用的有效性。关键词:稳定性分析; 条分法; 极限平衡; 滑裂面; 防波堤中图分类号:U 656. 2
文献标志码:A
Stability Analysis of Break water
DUAN Hong -xia , LI Shou -ju
1
2
(1. Co llege of A rchitecture &C iv il Eng ineer i ng , D a lian N ationa lities U niversity , D a lian L iaon i ng 116605,
Ch i na ; 2. F acu lty of V eh i c l e Eng i neering and M echanics . D ali an U n i ve rsity o f T echno l ogy ,
D a lian L i aoning 116024, Ch i na)
A bstract :B ased on li m it equili b rium , the Fellen i u s and si m plified B ishop m ethods wh ich can deter m ine the factor o f safety in slope stability are the m ost d irect and po w erf u lm ethods . For an even sl o pe , w hen a circ u lar fail u re surface is applied , a si m ple m odel searching m ethod is
presented to search for t h e m i n i m al sa fety factor free l y . The m ethod can si m ultaneousl y deter m i n e t h e m i n i m um safety factor and the correspond i n g m ost dangerous sli p surface . I n th is pa per , the above m ethod is used to analyze the an ti-slidi n g stability o fH aiYang H ong breakw a ter . The analytica l results sho w that it is feasi b le and efficient for practical eng ineeri n g . K ey words :stab ility ana l y sis ; slice m et h od ; li m it equ ili b ri u m; slip surface ; breakw ater
滑坡是一种常见的重大地质灾害, 在水利、水
电、铁路、公路及建筑领域, 滑坡事故是最常见的。随着水利、水电等工程的日益增多, 如何分析岸坡的稳定性, 防止滑坡, 成为日益突出的问题。但是由于滑坡发生的地质条件相当复杂, 作用因素多且具有不确定性, 目前还不能完全掌握滑坡的发生机理, 也不能从定量上完全把握坡体变形的演化过程, 因此滑坡灾害的防治仍然是一项很艰巨的任务。深入分析研究滑坡的稳定性具有重要的理论意义和应用价值
[1]
有极限平衡法和有限元方法。极限平衡法是经典的确定性分析方法, 在工程界应用非常广泛。具体作法是:将有滑动趋势范围内的边坡土体沿某一滑动面切成若干竖条或斜条, 在分析条块受力基础上建立整个滑动土体力或力矩平衡方程, 并
[2-4]
以此作为基础确定边坡的稳定安全系数。极限平衡法的条分法虽然不考虑土体的应力应变关系, 但因其计算原理简单、清晰, 计算简便、快捷, 至今的有限元、边界元等数值分析方法还不能将其完全代替, 因而在工程中仍然得到广泛应用。边坡稳定性分析的关键问题是, 确定最危险滑动
。
目前, 在边坡稳定性计算中使用的方法主要
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收稿日期:2007-12-27
(), , ,
面(安全系数最小的滑动面) 和相应的安全系数(最小安全系数) 。而采用极限平衡法进行边坡稳定分析的最大困难也在于此。为了解决这个问题, 国内外很多研究者致力于边坡最危险滑动面的搜索技术, 提出了不同方法。对于没有软弱土层或结构面的边坡, 常采用圆弧滑裂面。圆弧滑裂面的搜索可采用最简单的搜索方式自动求[5-8]出。
本文采用极限平衡法(条分法) 分析了海洋红中心渔港防波堤在施工阶段和使用阶段的抗滑稳定性, 对条分法在实际工程中的稳定分析作了一定的探讨。
防波堤所在海域地层由上至下为:淤泥, 层底标高-6. 12~-3. 38m; 淤泥质粉砂, 层底标高-5. 38~-1. 86m; 粉砂, 层底标高-8. 17~-3. 88m; 淤泥质粉砂, 层底标高-14. 62~-6. 28m ; 淤泥质粉质粘土, 层底标高-18. 64~-9. 48m ; 强风化片岩; 中风化片岩等。
当地水域为不规则的半日潮。波堤的设计高水位为3. 11m, 设计低水位为-3. 06m , 极端高水位为4. 85m, 极端低水位为-4. 75m 。根据甲方提供的工程地质勘察报告汇总的材料物理力学参数
[9]
见表1。
防波堤作为人工构筑的防波浪建筑物, 其边坡稳定问题比较典型。坝体和地基在施工期、正常使用期均存在抗滑稳定性问题。根据甲方提供的海洋红中心渔港防波堤的断面图(如图1) 和相关图纸与资料, 采用极限平衡法(条分法), 运用数值模拟, 对防波堤施工阶段和使用阶段的抗滑稳定性进行分析, 计算出边坡稳定安全系数, 用于评价边坡在这些运用条件下的稳定性。
表1 土的力学性质
湿重度/
土层名称开山石淤泥质黏土
(kN ∀m
2020. 0
-3
1 工程概况与地质条件
海洋红中心渔港位于东港市西南角菩萨庙镇海洋红村, 地理坐标为东经123 32 , 北纬39 45 。港区与大连庄河南尖隔海相望, 水路与陆路交通便利。
海洋红中心渔港防波堤建于-10. 0m 的水深海域, 总长432m 。防波堤采用抛开山石形成的斜坡堤, 堤身护面为3t 扭王字块, 护面下的垫层块石重量为100~150kg , 边坡坡度为1! 1. 5, 堤顶高程为6. 1m, 堤顶宽度为5. 4m 。内外坡脚处的淤泥质土被挖除换填粗砂, 堤心的淤泥质粘土上抛填粗砂, 粗砂层顶高程为-3. 5m 。防波堤以下用间隔1m 梅花形布置的塑料排水板加固软土地基。
凝聚力/)
kPa 0. 05. 0/6. 94(固结后)
内摩擦角/( )
45. 03. 0/24. 77(固结后) 30.
强风化片岩20. 010. 0
图1 防波堤断面图
2 边坡稳定性分析方法
边坡稳定性分析的圆弧滑面法是在极限平衡理论基础上提出来的。在具体计算中, 一般采用条分法, 将滑动土体划分为若干条, 分别进行受力平衡分析后, 再累加, 最后算出稳定安全系数。
边坡稳定性分析应包括两个步骤:#对滑坡体内某一滑裂面按某种方法, 确定其抗滑稳定安全系数; ∃在所有可能的滑裂面中, 重复上述步骤, 找出相应最小安全系数的临界滑裂面。本计算采用以极限平衡理论为基础的瑞典条分法(Fellen i u s) 和毕肖普法(B ishop) 。这两种方
法是以安全系数F s 的大小为判断标准, 将其滑裂面假设为圆柱面。但两种方法的假定前提条件不同时, 其计算原理也不同。2. 1 瑞典圆弧滑动法
瑞典圆弧滑动法(又称瑞典法或费伦纽斯法) 是条分法中最古老而又最简单的方法。除了假定滑裂面是个圆柱面(剖面图上是个圆弧) 外, 还假定不考虑土条两侧的作用力, 安全系数定义为每一土条在滑裂面上所提供的抗滑力矩之和与外荷载及滑动土体在滑裂面上所产生的滑动力矩和之比。
如果整个滑裂面AB 上的平均安全系数为F s , 则
F s =
F s =
m
i
[c i b i +(Wi -u i b i ) tan i ]e i W i si n i + Q i R tan i sin i
,
F s
(2)
m i =cos i +
(3)
式中, c 、 为有效抗剪强度指标, u i 为孔隙应力, i 为土条底部的坡角, b i 为土条宽度, W i 为其土条自重, Q i 为水平作用力, e i 为水平作用力Q i 作用点与滑弧圆心在竖直方向的距离, R 为滑弧的半径。
3 防波堤整体稳定性分析
为确保防波堤在施工及使用阶段的安全性和稳定性, 对给定的海洋红防波堤断面结构形式进
(1)
行稳定性分析。防波堤的计算简图如图4。本文计算采用理正软土地基堤坝设计软件, 使用瑞典条分法(Fe llenius) 和毕肖普法(B ishop) 两种方法分别计算稳定安全系数, 并通过不断改变圆心位置和半径大小, 自动搜索临界滑裂面, 计算出相应的最小安全系数。施工期和正常使用期应力模式均采用有效应力法。
[c i l i +
(Wi cos i -u i l i ) tan i ]
W i si n i
式中, c 、 为有效抗剪强度指标, u i 为孔隙应力, i 为土条底部的坡角, l i 为土条长度, W i 为其土条自重。受力分析如图2
。
图2 瑞典法示意图
图4 防波堤计算简图
2. 2 毕肖普法
毕肖普采用的静定化条件是, 假定土条间垂直方向的作用力相等。他于1955年提出了一个安全系数计算公式。受力分析如图3
。
3. 1 防波堤施工阶段整体稳定性的分析
海洋红防波堤建于厚达6m (最大厚度13m ) 的淤泥上。设计采用1. 5m 砂垫层, 规定分期施工并控制填土速率。填土速率和间隙时间通过
计算、试验并结合类似工程分析确定。虽然防波堤抵御波浪作用的能力需要在建筑物建成后通过发挥整体功能才能实现, 但是在施工过程中, 如果不注意风险管理和合理组织施工, 就可能导致防波堤失稳、坍塌等损害。因此在施工中需要采取分期施工的方法, 分三期进行填筑:第一期施工3个月, 填筑高度2m; 第二期施工6个月, 填筑高度3m; 第三期施工3个月, 填筑高度2. 7m 。为了分析各施工阶段防波堤的稳定性, 采用理正软土地基堤坝设计软件对防波堤的施工过程进行模, 图3 毕肖普法示意图
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出的稳定系数偏低。
第10卷
5-图7
。了土条侧面的垂直剪力。因此使用瑞典条分法得
4 结 论
海洋红中心渔港防波堤在施工阶段的稳定系数, 一级加荷为1. 572, 二级加荷为1. 058, 三级加荷为0. 984。可以看出, 随着施工的进行, 稳定安全
系数逐渐降低。这是因为, 砌筑高度加大, 滑动力矩增大, 安全系数减小。因此, 越是施工后期, 就越应控制施工速度, 不要盲目追求进度, 以免造成坍塌滑坡事故。在使用阶段, 极端高水位时, 安全系数为1. 05(瑞典条分法), 接近规范规定的范围1. 1~1. 3的下限。但是考虑到瑞典条分法的简化条件, 实际工作时, 防波堤具有一定数量的安全储备, 因此可以判定即使在极端高水位时, 海洋红
图6 第二级加载(6个月, 3m ) 的安全系数(1.
058)
图5 第一级加载(3个月, 2m ) 的安全系数(1.
572)
防波堤也是安全的。参考文献:
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图7 第三级加载(3个月, 2. 7m ) 的安全系数(0. 984)
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3. 2 防波堤使用阶段整体稳定性的分析
防波堤在使用阶段的稳定性是边坡长期稳定的问题, 能否保持稳定性, 须要计算在极端高水
位、设计高水位、设计低水位、极端低水位时, 防波堤断面的稳定安全系数。采用理正软土地基堤坝设计软件, 使用瑞典条分法(Fe llen i u s) 和毕肖普法(B ishop) 分别计算出安全系数, 结果见表2。
表2 安全系数表
计算水位
极端高水位设计高水位设计低水位极端低水位
瑞典条分法
1. 05
1. 201. 371. 46
毕肖普法1. 181. 381. 421. 57
从表2可看出, 使用瑞典条分法计算得到的
稳定系数比使用毕肖普法得到的稳定系数要小。这是由于瑞典条分法略去了各土条间侧向力的作用; 毕肖普法考虑了各土条间的水平推力, 但忽略
(责任编辑 邹永红)