生态混凝土护坡复合结构稳定性研究方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于混凝土护岸技术领域，具体涉及一种生态混凝土护坡复合结构稳定性 研究方法。
【背景技术】
[0002] 泥沙淤积，河床抬升，黄河下游渐成地上河，为安全起见人们不断筑堤束水。然而， 水流对岸坡的淘刷往往造成河堤坍塌，强降雨对岸坡的冲蚀又常常导致岸坡水土流失。对 此，人们又不得不对河堤采取硬化护岸措施，保护堤防安全。传统的混凝土护岸工程技术， 主要考虑河道抗冲刷和岸坡稳定，较少考虑生态环境因素。采用的施工形式，一是现浇混凝 土面板，二是铺砌混凝土预制板。两种施工方法的后果是在河道两岸土基上形成了大面积 的混凝土面板长廊。这些硬质长廊结构，阻碍了河岸带生物栖息地功能的发挥，破坏了河流 原有的生态系统。
[0003] 无砂大孔生态混凝土护岸是以土质岸坡为基础，再加上混凝土、植被组成的一个 复合结构防护工程，土壤层的稳定对整个工程的安全运行至关重要，不论是浅层土体还是 深层土体的滑动破坏，都会导致护岸的失稳。护岸防护工程的作用就是改善和提高防护土 体稳定性，所以在设计工程方案前需要分析土体的稳定，研究影响其稳定性的因素，并进行 稳定性试验。
[0004] 岸坡的整体稳定性主要受三个方面要素的影响，有岸坡内在结构形态、岸坡土壤 层抵抗冲刷的能力、靠近河岸处水流条件。传统的护岸工程以防止雨水径流、河水波浪对岸 坡土体冲刷作为主要使命，随着现代社会的快速发展，这一较单一的功能已经无法满足需 求，目前，尚未有好的研究技术对生态混凝土护坡符合结构稳定性进行研究的技术。
【发明内容】
[0005] 本发明为了解决现有技术中的不足之处，提供一种抗强降雨冲刷能力强、安全可 靠性强、能提高施工质量的生态混凝土护坡复合结构稳定性研究方法。
[0006] 为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：生态混凝土护坡复合结构稳定 性研究方法，包括以下步骤： (1 )、对岸坡土体内部稳定性进行分析； (2) 、对岸坡土体平面稳定性进行分析计算； (3) 、进行抗滑稳定性试验，并对抗滑稳定性试验结果进行分析； (4) 、进行抗雨水冲刷稳定性试验，并对抗雨水冲刷稳定性试验结果进行分析。
[0007] 所述步骤(1)包括以下内容： 岸坡土体内部稳定分析常用极限平衡法，极限平衡法是建立于摩尔-库伦强度准则基 础之上的，其表达式是下面的公式1.1
式中:破坏面上的剪应力； "c·· -;土的有效粘聚力； #一破坏面上总应力和有效法向应力； gl 土的有效内摩擦角； 在运用极限平衡法研究分析岸坡的稳定性时只考虑土的摩尔-库伦强度准则和静力平 衡条件，设想土体的某一个部位顺沿着某一个滑裂面位置处滑动，在这个滑裂面之上，每一 个地方都可达到土体极限平衡的状态，其剪切应力r和正应力％满足摩尔-库伦强度准则； 如果将土条底部位置的切向应力和法向应力各自定义为T和N，就会有下面的公式：
:鐵:.? 式中：@一:土条底部位倾角，; .截： .? 一土体孔隙水压力，孔隙水压力系数:響; 土体的滑裂面位置处滑动安全系数值F指的是把土体抗剪强度的指标值减低为 :_|f茨和絮/ir，进而土体顺沿着这一滑裂面就可以达到极限平衡状态，如下式所示：
通过多年的实践经验，这种由土体抗剪强度指标来定义安全系数的方式已经得到工程 界从业者的普遍认可，但是此方法也存在一些计算上的问题，即数值计算时会多出收敛和 迭代方面上的问题;土体边坡稳定分析的方法非常多，每种方法对公式中多余的未知数有 非常多的假定方案，这些假定必须符合岩土力学性特征，其中最被认可的合理性前提条件 为式1.6:
式中垂直面通过式(1.4)和式(1.5)缩减以后得出的安全系数； 一施加在土体条状垂直面法向的有效压力值； Ι?施加在土体条状垂直面法向的剪应力值； tea#_ = 是土体条状垂直面有效平均摩擦系数； _ ，&.是土体条状垂直面有效平均粘聚力； 滑裂面纵坐标值； ^ 一土坡表面纵坐标值； 顺沿着区分的土体两侧位置条形状垂直面处的剪应力不可大于在其上所能表现出的 抗剪切能力，而且当施加在土条上有效应力合力作用点位置落于土条相垂直面之外处，才 可使得在土条接触面上不产生拉应力； 土体边坡深层失稳滑面包括既有滑面、平面性滑面和曲面型滑面:在有历史滑坡或层 状顺向滑坡的天然边坡体内部已经存在了滑坡面，再次出现失稳破坏时将会沿着这些滑动 面发生滑移破坏;开挖边坡后滑面一般为平面的情况多出现在分层的非均质砂性土或者均 匀质砂性土，坡面、坡顶处会在平面滑动的同时形成张裂缝，临界倾角计算式为式1.7;曲面 型滑面形状的可能性非常多，相应的确定方法也较为复杂；
丨： 式中:〃:一^边坡坡面的倾角； 彡一滑面材料内摩擦角。
[0008]所述步骤(2)包括以下内容： A、岸坡土体平面破坏稳定性分析计算包括有张裂隙岸坡土体稳定性分析计算和无张 裂隙岸坡土体稳定性分析计算： ①、有张裂隙岸坡土体稳定性分析计算 岸坡边沿坡面或坡顶附近，在张拉应力和收缩的作用下，有可能出现张裂缝;单宽滑体 重量W分两种情况计算： 张裂隙处于坡面时，
賴 张裂隙处于坡顶面时， ?·
稳定系数匕计算公式为：
式中：4一单宽滑动面面积； :泛一滑动面上由水压力而产生的向上托举力； $-张裂隙中水平方向的水压力； &、一水的容重、张裂隙中水的深度； 參、Ct滑动面的内摩擦角、粘聚力； 岸坡的垂直高度； α-边坡坡面的倾角； 声一滑面材料内摩擦角； 张裂隙所处位置釋(^<ΜΜ-€Μβ -:?敗路，张裂隙深度名ε破爾， 考虑地震力时的稳定系数Fs为：
式中:E所指的水平地震系数，事护坡处地震发生时水平方向的加速度和重力加速度的 比值； ②、无张裂隙岸坡土体稳定性分析计算 无张裂隙破坏下，假定滑体沿坡面方向的截面呈三角形ABC，AC为与岸坡接触的滑动面，滑体 ABC沿着岸坡面出现滑动损坏;依照极限平衡法分析，单宽滑体体积为：
，单宽滑体重力为
I ;稳定系数匕为抗滑力和滑动力的比值，Fs〈l时 岸坡会失稳，Fs=l时岸坡会处在临界状态，FS>1时岸坡会处在稳定状态;抗滑力、滑动力计算 公式如下：
公式中：:F-岩石的天然重度，（单位KN/m3); :伊一结构面内摩擦角，（单位°); C一结构面的黏聚力，（kPa); B、圆弧滑面是曲面型滑面破坏典型的类型，常用的稳定性分析方法有瑞典圆弧法和毕 肖普法； ①、瑞典圆弧法 将土体边坡的稳定分析假设视为平面应变问题，滑动面当作是圆弧状形态，假定沿坡 面方向的截面呈四边形ABCD是滑动土体，CD弧是圆弧形滑动面，0为CD弧的圆心，在滑坡出 现时，滑动土体ABCD会整体性的顺沿着弧CD向下滑动，且于整个全部的滑动土体都将会沿 着弧⑶围绕圆心0转动； 瑞典圆弧法的稳定系数^计算式为：
Fs>l时土体处于稳定状态； ②毕肖普法 毕肖普法认为所有的土条和土坡安全系数相同，在FS>1时，土体处于稳定状态，任意 一个土条滑动面抗剪强度和相对应滑动面上的滑动力平衡，即下式：
U.1" 式中:一土条i滑动面之上的内摩擦角、粘聚力； .? 一滑动面处孔隙水压力； 滑动面长度；
(US) 上式1.18为依据有效应力法推导的简化毕肖普法公式，按此公式计算，因把条间力切 方向分量定为零而引起的误差不超过1%;但是当土条:興是负值时，就需要考虑是否可能使 轉k接近于零;如果接近于零，则上式1.18就不可使用。
[0009]所述步骤(3)包括以下内容： 在120cm X 120cm的方形木板上面覆盖2cm厚岸坡处采集的土壤，模拟成人工可调坡度 的护岸;按照不同类型的组合形式，依次进行下面六组对比试验； ① 、木板上面只覆盖有2cm厚的土层，把土层夯实，坡比为1:4时，土层稳定，没有出现滑 动;坡比增大为1: 3时，土层能够继续维持稳定;再次调整坡度直到土层无法维持自身稳定 开始下滑时止，量取垂直高度Η和水平长度L值计算出坡比为1:1.6; ② 、在木板上表面覆盖2cm厚的土层，把土层夯实，土层上按"角对角"的形式摆放4块六 边形格埂混凝土块，坡比为1:4时，结构稳定，没有出现滑动;坡比增大为1:3时，结构仍然能 够维持稳定;再次调整坡度直到结构无法维持自身稳定开始下滑时止，量取垂