1 绪论
1.1 选题背景
1.1.1 选题背景
我国的西北部，黄土边坡是非常普遍的，陕西泾河南塬就存在着大量的黄土边坡。人们为了自身的生存和生产活动，需要在黄土地区修建房屋和道路，在进行这些活动时，可能会对现存的黄土边坡进行开挖和改造。一些平缓的黄土边坡经过人们的开挖和改造变得高而陡峭，开挖后的边坡打破了原来的平衡状态，从而存在着失稳的风险。尤其是开挖后的边坡在经受雨水的冲刷或是遇到地震时，这些边坡就很容易发生一些地质灾害，比如崩塌、滑坡等，这些灾害一旦发生将会带来无法估量的损失[1]。所以对黄土边坡的稳定性进行分析就显得尤为重要。
近年来，由于边坡失稳引起的边坡灾害事故时有发生，轻则堵塞交通影响人们的正常生活，重则威胁人们的生命财产安全，给人们带来不可估量的损失和伤痛。例如，2007年 4 月 27 日，青海省西宁市某公司基地边坡支护工程施工现场因局部有地下水渗透，导致地基不稳引发一起坍塌事故，造成 3 人死亡、1 人轻伤，直接经济损失 60 万元。2015年 6 月，山西黄土高原的晋东南太行山区某县城的环城道路旁的黄土质高陡边坡突然发生大片喷射混凝土护面及部分土体塌滑，造成道路堵塞，影响人们出行，给人们的生活带来不便。2016 年 11 月 26 日晚，山西省某煤业厂区发生黄土边坡坍塌事故，塌方 3000方左右，坡体高度 30 多米，导致工棚内 6 人被困，2 人经医院抢救无效死亡。
在边坡稳定性分析方面，至今为止，专家学者提出了很多关于边坡稳定性分析的方法，总的来说这些方法可以总结为定量计算和定性评价这两种。定量计算主要是利用三种边坡稳定性分析方法进行验算，这三种方法分别为塑性极限分析法、刚体极限分析法、应力—应变分析法；定性评价是在施工的时候，依据以往的施工经验，对某工程采取相应的施工方法。在边坡失稳事故屡屡发生的大背景下，研究边坡稳定性分析，有针对性地探索适用于某个边坡的加固方法，对减小边坡灾害、保护周边地质环境以及保障施工过程的安全具有重要的现实意义和应用前景。
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1.2 国内外研究现状
1.2.1 理论分析方法
（1）二维分析法
在黄土地区，人们在修建道路和房屋时，往往需要对黄土进行开挖，这些开挖后的黄土会形成黄土边坡。由于开挖作用打破了原来的稳定性结构，使有些黄土边坡存在着安全隐患，在地震或雨水的冲刷下，很容易引起边坡灾害，针对这一问题，国内外众多学者开展了研究，取得了众多成就[3]。
侯晓坤、廖红建、赵杰等[4-6]早在 2002 年就开始了对黄土边坡稳定性的研究，他们利用实验与数值模拟相结合的方式进行研究，根据实验结果和数值模拟的分析得出黄土边坡破坏的机理。
FedaJ[7]在 1994 年做出的研究为后面学者的研究奠定了基础，他提出了应力路径对土体的变形和强度特性有较大的影响，将研究对象放在应力路径上，这在应力变化研究上是一个突破。
龚成眀等[8]的研究为对边坡开挖带来的应力变化做出了贡献，他以具体工程实例为依据，分析了边坡应力在开挖过程中的变化，并提出最大应力出现的位置为潜在的最有可能发生边坡灾害的位置，这也为边坡防护提供了依据。在边坡开挖过程中，为了第一时间发生问题，需要实时跟踪边坡的变形变化，张振华等[9]提出的研究思路和方法为研究动态监测预警指标做出了贡献。
陶纬等[10]在 2008 年推导出了带有垂直裂隙的岩质边坡的稳定性分析上限解，他是在极限分析上限法的基础上，引入广义 Hoek-brown 准则，分析在不同外界条件下边坡的稳定性变化。王如宾、徐卫亚、黄志鹏等[11-13]基于一个一级水电站左岸的高边坡对边坡岩体的蠕变变形特征进行了研究，根据蠕变特征推导出边坡变形特征、破坏特征及其破坏需要的时长，可以推测出水电站的年限，保证人民的生命财产安全。
徐平、孙均等[14-15]利用试验模拟的方式对施工期间边坡岩体流变稳定性进行了研究分析，并对实际工程实施追踪监测，证明了由实验分析得到的结论的正确性。
Rawats 等[16]分别利用两种不同的理论分析方法对不同坡度下的边坡加固时的稳定性进行了分析研究。
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2 黄土边坡稳定性影响因素及变形破坏特征
2.1 黄土边坡基本性质
2.1.1 黄土的分布及特性
（1）黄土的分布
黄土是陆地重要的一部分，在全球均有分布，在降雨量不大的干旱和半干旱地区容易形成黄土地貌。我国是黄土分布最广的国家之一，黄土高原是黄土最集中的地区，分布着大量的黄土地貌，其面积约为 661.5km2，形成了特有的黄土文化，在我国的政治、经济、文化中占有重要地位。
黄土的分布广泛，受气候条件、降雨量、人类活动影响，各地域的黄土状况各不相同[49]。在我国，黄土主要分布在黄河流域，在受其自身重力和黄河水系冲刷的影响下，我国的黄土形成了其特有的黄土地貌，即为塬、梁、峁等[50]。在黄土地区，居住着我国大量的人口，劳动人民为了生存生计，不得不开垦土地，改造土地，修建房屋道路，建设工业用地。黄土地区在人类活动的影响下，地质条件慢慢发生了改变，原来的稳定结构也被打破，黄土的地质条件日益脆弱，发生自然灾害的频率也越来越高，人们开始关注环境问题，对黄土的保护也越来越受到重视。
（2）黄土的特性
黄土作为第四纪松散沉积物，拥有其独有的特性。在遇到地震或是强大外荷载时，极易发生坍塌等灾害，灾害一旦发生，轻则影响人们的日常生活，重则威胁到人们的生命安全，将会给人们带来不可估量的损失。人们要想合理的开垦黄土并不破坏生态环境，就必须了解它的特性[51]。
①多孔性：这一性质主要源于黄土的组成成分，其最主要的组成成分是粉状颗粒，一般情况下，肉眼就可以看到土颗粒，土颗粒之间的结合并不太密切，颗粒间的空隙较多，空隙也可肉眼看见，所以黄土也被称为大孔王。
②垂直节理发育：黄土在自身重力作用下，经过日积月累的沉积，土体在垂直方向上压实比较紧密，在垂直方向上颗粒间的间隙小，而在水平方向上颗粒间的间隙要相对大一些，所以黄土一般可以承受较大的竖向力，在水平方向上的支撑力要小。当坡体受到剪切力的时候，很容易发生边坡灾害。
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2.2 边坡失稳的影响因素
在进行边坡稳定性分析前，分析影响边坡稳定性的因素是必不可少的关键环节。在分析影响边坡稳定性的因素时，一般情况下先分析内部因素，如：边坡的形态和边坡土层组合、黄土节理、黄土强度特征、地下水等，再分析降雨因素，地震因素，卸荷剥落因素，化学侵蚀因素等对边坡稳定性的影响。
2.2.1 内部因素
（1）边坡的形态和土层组合。边坡的稳定性受边坡形态的影响比较大，通常，边坡越高越不稳定；坡度陡的边坡发生边坡危害的可能性越大。另外，一般情况下，边坡的组成土层也不是单一的，由于每个土层的抗剪强度不同，每个土层的稳定性也不一样，所以含有土层越多的边坡的稳定性就越难评测。
（2）黄土的强度特性。不同黄土的强度特性是不一样的，这主要和黄土本身的特性有关，另外，由于黄土主要由颗粒成分组成，所以颗粒间的空隙较大，容易被浸润，一旦受到水的作用，黄土的强度也会降低。
（3）黄土的节理及构造。一般情况下，新黄土的节理是垂直的，而老黄土的节理是斜节理，在降雨条件下，雨水会沿着这两种节理慢慢往内入渗，边坡受到水的作用，稳定性就会受到影响。另外，经过大量考察统计，在黄土地区也会有断层、不整合等构造现象，在分析内部影响因素时，应该予以考虑[63]。
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3 黄土边坡的稳定性分析..................................... 23
3.1 工程概况................................23
3.1.1 气象与水文............................ 23
3.1.2 地层岩性....................... 24
4 黄土边坡稳定性数值模拟分析.................................... 39
4.1MIDAS 软件介绍...................................... 39
4.2 建立计算模型............................... 40
5 黄土边坡防护措施...................................49
5.1 防护目的和原则................................. 49
5.2 黄土边坡主要防护措施.......................... 49
5 黄土边坡防护措施
5.1 防护目的和原则
根据黄土边坡稳定性评价结果确定防护治理目标，为确保边坡稳定，保证人们的身命财产安全，消除强降雨工况和地震工况下因局部变形破坏对边坡稳定性的影响。根据以上治理目标，确定设计原则：
（1）科学、合理的利用场地建设；（2）灾害治理坚持以人为本、预防为主；（3）在保证安全的前提下，比选方案尽可能的做到经济合理；（4）整体与局部并重原则予以治理；（5）坚持动态设计、信息化施工的原则，同时尽最大可能保护环境，达到人与自然和谐相处。
黄土高边坡主要防护措施有很多种，根据黄土边坡的防护目的和原则，结合锚杆和抗滑桩的受力情况及支护作用机理，本文拟采用锚杆支护或抗滑桩支护两种支护形式，为了加强支防护效果，后期可利用植物防护做辅助防护。锚杆支护和抗滑桩支护属于工程护坡，在支护初期就可以起到明显的效果，但是随着时间推移，工程慢慢进入疲惫期，支护效果可能不如前期效果好。植物护坡在前期的作用效果不明显，随着植物根系的发展，植物防护效果越来越好。工程护坡与植物护坡相结合使用，弥补了双方的不足，使护坡的整体效果达到最好。
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6 结论与展望
6.1 结论
边坡灾害事故越来越受到人们的重视，为了避免这些破坏的发生，减少对人们的生活造成影响，本文依托泾河南塬牛杨村黄土边坡工程实例进行了稳定性分析，取得了以下几点结论：
（1）基于黄土垂直节理发育、多孔性、透水性强以及湿陷性的性质，通过分析黄土边坡的结构及黄土边坡失稳的影响因素，得到陕西泾河南塬黄土边坡变形破坏类型一般包括片状剥落、颗粒状剥落、沟壑状破坏。
（2）选用有限元极限平衡法，计算假定的危险滑裂面的安全系数，并分析其物理意义。结合空间滑动体的主滑方向、滑动力和抗滑力，分析研究区黄土边坡的稳定性，得出经过放坡开挖后的黄土边坡在自然工况下处于基本稳定状态。
（3）建立黄土边坡计算模型，通过施加荷载及设置不同模型边界条件，对其分为三个工况进行黄土边坡稳定性分析。得出自然工况下，边坡的稳定系数 F=1.1125；强降雨工况下，边坡的稳定系数 F=1.0063；地震工况下，边坡的稳定系数 F=0.9625。对三种工况的位移、最大剪应力以及塑性应变云图进行分析总结，得出自然工况下的黄土边坡与理论分析的结果一致，黄土边坡基本处于稳定状态；强降雨工况和地震工况下的黄土边坡处于不稳定状态，有发生边坡灾害的风险。
（4）结合工程实例，分别采用抗滑桩支护和锚杆支护，并与无支护条件下的稳定性系数、位移、剪应力、塑性应变云图进行对比分析，得到实施抗滑桩支护和锚杆支护都对边坡失稳起到了积极的抑制作用，其中锚杆的作用效果更明显。实施锚杆支护后，塑性应变的范围明显减小；竖向位移由 150.20mm 降到 28.08mm；水平位移由 89.00mm 降到 29.94mm。
（5）通过分析不同锚固间距下的竖向位移、水平位移、剪力和塑性应变，得到锚固间距为 2.0m、2.5m、3.0m、3.5m 时都可使边坡处于稳定状态。锚固间距为 2.0m、2.5m时对边坡的锚固效果更好，锚固间距为 3.0m 时的锚固效果与锚固间距为 2.5m 时的效果差距不大，在保证边坡安全的前提下，选择锚固间距为 3.0m 更为经济。
参考文献（略）