路基边坡稳定分析方法及防护体系的发展与展望(pdf6)(1).PDF

路基边坡稳定分析方法及防护体系的发展与展望 安淑红 张正雄 (福建农林大学交通学院,福建南平 353001) 【摘要】 论述了边坡稳定分析方法和综合防护体系的发展现状和存在问题,进而提出了路基边坡工程的 未来发展趋势。 【关键词】 路基边坡;可靠性分析;综合防护;边坡稳定性 近年来,我国公路建设发展迅速,东南亚 金融危机后,中央将发展公路交通基本建设 作为拉动内需促进经济稳定发展的国策,从 1998年至2000年公路建设投资由1 800亿 元发展为2 400亿元,居于全国各行业之首, “十五” 期间仍需修建大量公路。 公路建设对国民经济增长起到了巨大的 推动作用,提高了人们的生活质量,但同时对 生态环境也造成了一些负面的影响。一方 面,公路建设引起岩土体移动、 变形,增加边 坡的不稳定性,诱发边坡失稳;另一方面,由 于植被和表土损失,易引起坡面土壤侵蚀,水 土流失,山体坍滑,河流阻塞,水污染等人为 灾害。因此,如何处理好工程建设与自然环 境和生态平衡之间的关系,如何把环境保护 工作纳入公路设计、 施工、 养护与管理的全过 程,已成为公路建设中一个十分重要而紧迫 的课题。 叶梢,使端端的草坪变成 “瘌痢头”,严重的造 成成片草坪枯萎。药剂防治是在发病及虫害 初期,分别喷洒退菌特500倍液或75 %百菌 清600800倍液治叶枯病、 立枯病;喷洒 15 %粉锈宁可湿性粉剂1 000倍液防治草锈 病;于黄昏时在草地上喷洒1 %的乐果液或 50 %马拉硫磷1 500倍液防治鼻蚁、 蛄蝼及 小稻叶蛾等防治效果一般达90 %以上。 (6)肥。在花地草坪、 花坛、 花基上的花 木或草丛合理施肥,不仅有效地促进植被生 长,还可提高植被的抗病能力。如粘重的土 质可掺些沙土;砂质土壤可掺些沟泥、 塘泥或 垃圾土。植被生长季节多施氮、 磷、 钾肥,尤 其是花地须勤薄施化肥,既保证花卉生长所 需养分,又可减少环境污染。 4 建立城市园林绿地的管理法规 城市管理、 环境保护或园林主管部门要 联合建立与健全必要的绿地管理法规。如建 立房地产绿化面积达标法规,公共绿地保护 法规,领导干部绿化管理一票否决制制度等 等。切实加强蓝天碧水工程中的绿地保护和 管理。 参考文献: 1David du Puy 定量分析方法根据不同边坡 类型,稳定分析目的及精度要求对应不同的 方法,大致可归纳为刚体极限平衡分析法及 数值分析方法,定量分析都属于确定性分析。 由于边坡工程的随机性、 模糊性和不确定性, 边坡稳定理论在定值分析方法的基础上,吸 收现代科学理论中的耗散理论、 协同学理论、 混沌理论、 随机理论、 模糊理论、 灰色系统理 论、 突变理论等,创立和发展了一批非确定性 分析方法,如边坡稳定可靠性分析方法、 随机 过程方法、 模糊数学方法等。 定性分析方法是通过工程地质勘察,对 影响边坡稳定性的主要因素、 可能的变形破 坏方式及失稳的力学机制、 已变形地质体的 成因及其演化史等进行分析,给出被评价边 坡的稳定性状况及其可能发展趋势的定性说 明和解释。 刚性极限平衡分析法假定岩土体破坏是 由于滑体沿滑动面发生滑动而造成的,并假 设滑动面已知,其形状可以是平面、 圆孤面、 对数螺旋面或其他不规则面,通过考虑由滑 动面形成的隔离体的静力平衡,确定这一滑 动面发生滑动时的破坏荷载。有的方法考虑 隔离体的整体平衡,有的方法把隔离体分成 若干竖向的土条,并对条间力作一些简化,然 后考虑每一土条的静力平衡,这样可以求出 一系列滑动面发生滑动时的破坏荷载。最小 的破坏荷载就是要求的极限荷载,与之对应 的滑动面就是最危险滑动面。几十年来,很 多学者对刚体极限平衡法进行不断的研究和 改进,其发展大致可概括为两个方面:第一是 着重探索最危险滑动面位置的规律,制作数 表、 曲线,以减少计算工作量;第二是对基本 假定作些修改和补充,提出新的计算方法,使 之更加符合实际情况。 数值分析法弥补了刚体极限平衡法不能 求出本身的应力 应变关系和与实际工作 状态不完全相符的不足,计算结果比较精确, 但本构关系的研究远远落后于计算技术的发 展,成为制约边坡稳定分析计算成果可靠程 度的瓶颈。数值分析方法包括变形介质边坡 的有限元法(FEM法)、 节理化岩质边坡的离 散单元法(DEM法)、 快速拉格朗日法(FLAC 法)、 块体介质不连续变形分析法(DDA法) 和数值流形元方法(NMM法)。自从1996 年美国的Clough和Woodward应用有限元 法分析土坡稳定性问题以来,数值计算方法 在岩土工程中的应用发展迅速,且成效显著, 但对理念模型的辩识、 本构关系仍需作进一 步深入研究1。 非确定性分析方法包括边坡稳定可靠性 分析方法、 随机过程方法、 模糊数学方法、 灰 色系统预测滑坡失稳分析方法、 人工智能和 人工神经网络方法等。不同分析方法的理论 体系也各不相同,这里只介绍可靠度分析方 法。可靠度理论在土木工程的结构工程中的 应用比较早,1947年苏联的尔然尼钦就提出 了用一次二阶矩理论方法来估计结构的的失 效概率。20世纪60年代开始,关于土性统 计性质和概率模型的研究及资料的收集,进 行了大量的工作。70年代后期,边坡工程界 开始接受不确定性的概念,构造随机模型,采 用概率论和数理统计知识,如可靠指标和破 坏概率评价边坡的安全度。随着科学技术的 发展,可靠度分析方法不断得到发展和完善, 现已形成比较成熟的理论体系。国内学者祝 玉学在边坡可靠性分析中作了大量的、 卓有 成效的工作,他指出可靠性分析方法只是解 决安全度问题的一种方法,是确定性方法的 发展与补充2。可靠度理论引入到岩土工程 52第2期 安淑红等:路基边坡稳定分析方法及防护体系的发展与展望 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 之后,在边皮稳定计算中应用较早,现已与刚 体极限平衡分析方法结合形成新的边坡稳定 计算方法,更接近边坡的实际工作状态,所以 有比较广阔的应用前景。已有不少专家和学 者对这方面进行了研究2 - 6。与此同时,其 它非确定性分析方法也在同步发展1,它们 与可靠度分析方法互为补充。 1. 2 路基边坡防护工程的发展现状 路基防护包括坡面防护和冲刷防护两 种。坡面防护即通常指的 “护坡工程” 。不论 填方或挖方边坡,由于长年暴露在大气环境 中,随着时间的推移,都会逐渐发生变形、 破 坏。如土质边坡在经受反复的雨淋、 日晒、 冻 结与融化,形体会发生变化,表层逐渐剥落, 而新的表层又会遵循固有的规律,从坚硬到 软弱最后剥落,久而久之就引起边坡变形过 量而破坏。在这个变化规律中,起主导作用 的是水,因而防水、 治水、 排水就成为首要的 防护任务。坡面防护常用的方法,大致可分 为两类,即植物防护和工程防护。植物防护 包括种草、 栽树、 铺草皮和植树等;工程防护 包括抹面、 捶面、 喷浆护面墙、 干砌或浆砌片 石等。 1. 2. 1 国外现状 欧、 美、 日等发达国家非常重视保护生态 环境,这些国家建设高速公路的时间比较早, 他们很早就将生态保护和恢复措施纳入了高 速公路建设之中,并且为此进行了长期的研 究和实验,现已研制出很多环保技术成果。 如以欧美为典型的高养护型 湿式喷播快速 植草技术和以日本为典型的高投入型 客土 及厚层生长基础喷播技术。这两种防护技术 现已成为公路生物环境工程治理的重要手 段。 由于经济、 地域和人们认识水平的限制, 在20世纪70年代前,公路环境保护尚未形 成一个完善而有序的系统。但进入20世纪 80年代后,欧美开始着手建立公路环保法律 体系和管理机制。在整个公路建设中充分体 现了环保优先原则,采取公路建设与环境保 护统一设计、 统一施工,建设和养护并重的策 略;并在公路规划、 设计、 施工和营运各阶段 都建立了环境调查、 环境治理和环境评价程 序。相对而言,日本的高速公路建设发展较 晚,直到20世纪60年代后期,才拉开建设高 速公路的序幕。由于国家和全民的高度重 视,公路环境工程一直被列为国家优先发展 项目,经过几十年的研究,其综合技术水平优 先于美国,居世界领先地位,现已初步形成了 从计算机设计软件服务到生产各种喷播材料 的新兴产业10 - 12。 1. 2. 2 国内现状 长期以来,路基边坡的综合防护技术一 直是公路修筑中的一个薄弱环节,20世纪80 年代中期以前,我国主要以低等级公路建设 为主,由于交通量小,深挖高填较少,投资不 大,因而防护工程不作为道路建设的主体工 程,由此引起的损失亦不大,所以在工程中对 边坡的综合防护研究常常被忽视。进入20 世纪90年代以后,我国大量修建高等级公 路,遇到许多高填深挖路基,边坡稳定问题日 渐突出。90年代初期,由于缺乏对防护技术 的系统研究,没有成熟的经验供设计部门应 用,因此只能应用低等级公路的防护技术或 者借鉴铁路部门的经验来实施局部防护,缺 乏综合考虑,从而为工程埋下隐患,造成了巨 大的经济损失和不良的社会影响,有的甚至 造成交通中断。同时,在高等级公路建设中, 由于资金有限、 技术和手段落后,对环保意识 不足,没有强调公路路域生态保护应与公路 工程同步设计和实施,在公路沿线区域也留 下了不少生态问题。20世纪90年代后期, 中国公路建设进入了前所未有的高速发展阶 段,人们对公路的要求,已远远超越原有的范 畴,公路工程的理念不再局限于坚固、 耐用、 安全、 畅通,而且还要体现出美,使人能得到 62 林业建设 2003年 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 享受。这要求工程建设与自然环境之间的和 谐。为了适应这一要求,交通部门制定了 “交 通行业环境保护管理规定” 、“交通建设项目 环境保护管理办法” 等有关法规,开展了以 “宜黄公路膨胀土边坡防护研究” 、“西南地区 高等级公路边坡防护技术研究” 、“控制新建 公路对环境有害研究” 等为代表的一系列研 究工作,完成了150多项公路建设的环境影 响评价,对新建公路提出了有效的环保措施, 积极开发和推广先进的生物工程技术,并正 式将公路环境治理工程设计纳入公路工程设 计范畴13 - 19。 然而,当前中国公路环境保护与恢复技 术水平与发达国家相比,还较落后,大约为发 达国家20世纪80年代水平,其技术水平低 已成为影响高等级公路投资效益和环境保护 问题的主要因素之一。 2 我国路基边坡工程发展中存在的问题 2. 1 边坡稳定分析方法中存在的不足 2. 1. 1 传统分析方法忽略土体参数不确定 性引起的误差 传统的边坡稳定分析采用定值分析法, 忽略了荷载效应及抗力计算中各要素实际存 在的随机性质对工程结构安全性的影响,与 边坡的实际工作状态不符,所得安全系数与 真正的边坡稳定安全性水平之间存在一定的 误差。近年来,随着科学技术的发展,人们对 工程设计的精确度要求越来越高,传统的稳 定分析方法已不能满足工程的精度要求。 2. 1. 2 数值分析方法中土体本构关系的研 究落后于计算技术的发展 边坡稳定的另一类分析方法是数值分析 法。由于计算机性能的不断提高,数值分析 方法得到了充分发展,并进入成熟阶段。但 最大的矛盾是对本构关系的研究远远落后于 计算技术的发展,成为制约边坡稳定计算成 果可靠程度的瓶颈。 2. 1. 3 对地下水渗流作用机理存在模糊认 识,计算模型简化不当 为将复杂问题简化,需抽象出适宜的计 算模型。但实际工程中,常因计算模型简化 不当,与边坡的真实状态相差较大,使分析结 果的可靠性大打折扣。主要表现在 :(1) 在考 虑非稳定渗流作用时,对自由面(浸润线)位 置的假设不尽合理。许多中小型水库特别是 小型水库忽略了临水坡水位 “缓降” 造成的渗 透压力,假设坡内水位与坡外水位同步降落, 或者假设库水位骤降至某一水位后坡内水位 没有改变,用此条件下所测定的瞬时流网来 分析边坡的稳定性 ;(2) 边坡工程设计中对地 下水渗流的作用机理存在模糊认识,设计计 算沿用一些经验方法或简化计算方法,但这 些计算方法在理论上不尽合理,盲目套用必 然成为工程的隐患。 2. 2 路基边坡防护工程中存在的不足 我国高速公路建设起步较晚,建设资金 非常有限,因此,无论从观念上、 技术上和建 设规模上与发达国家相比都有一定的差距。 目前边坡防护治理措施存在的问题主要有以 下几个方面。 2. 2. 1 高填深挖导致边坡不稳定性增大 在普通公路的设计中,路基深挖高填较 少,只要对边坡采取了防护措施,通车后很少 出现边坡跨坍事故,但在高速公路中,公路对 线型要求标准高,常常有比较多的高填深挖 路段,简单防护设计不能确保边坡的稳定。 另外,由于大量开挖的土石方不能充分利用, 导致弃方占地,处理困难,加剧了对生态的破 坏,生态环境的破坏又增大了边坡滑坡的可 能性。 2. 2. 2 对生态环境的保护意识不强,缺乏全 局观念 许多公路的设计文件中仅从坡面安全、 稳定的角度出发,没有对生态保护和恢复进 行专门设计。大量采用的浆砌片石护坡及喷 射水泥沙浆等防护方式完全封闭了植物生长 72第2期 安淑红等:路基边坡稳定分析方法及防护体系的发展与展望 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 的环境,使得由于公路开挖而破坏的自然植 被永久不能恢复。少量的绿化设计往往只是 局部贴草皮,没有对边坡整个植被的逐步恢 复进行考虑。缺乏植被覆盖的边坡一方面不 利于水土保持,大量的雨水直接流失,还加大 了对道路周边地区的冲刷,给农田水利带来 不利影响,生态环境评估尚未引起高度重视。 2. 2. 3 边坡防护技术的理论研究严重滞后 为了降低工程造价,减少或防止道路病 害,保持生态环境的相对平衡,确保道路的安 全与稳定,急需对高等级公路的边坡防护加 固技术进行全面系统的研究。然而防护技术 在理论方面的研究还远远达不到要求,如边 坡的侵蚀机理、 边坡水力学特性研究、 地区差 异性以及公路部门与园林部门的专业交叉研 究,还需要科研工作者进一步研究,以便提供 边坡综合防护的理论支持和依据。 2. 2. 4 治理措施不合理,综合效益差 常规边坡治理措施未综合考虑工程防护 与环保绿化、 景观之间的相互关系,未从生态 效益、 经济效益综合考虑处治坡面。大量裸 露的岩石和混凝土视觉效果非常差,外观色 泽灰暗、 单调,缺乏生气,既不符合人们对工 程建设和自然环境相和谐的要求,也不利于 吸收阳光和汽车尾气,消除驾驶员疲劳及调 节道路使用者视觉情绪的要求,从一定程度 上给高速公路的行车安全带来不安全因素。 3 展望 3. 1 边坡稳定分析理论方面 3. 1. 1 参数取值的合理化 边坡的稳定性关系到路基合理边坡设计 及滑坡整治等问题,因此稳定性验算要求适 宜的分析方法和合理的参数取值。对于目前 工程实践中实用的基于极限平衡理论的条分 法,误差主要来源于参数的取值,而边坡土体 又固有一定的不均质性,受参数取值的变动, 计算结果必然有一定的离散性。如何将计算 参数合理优化,成为今后研究的焦点之一。 3. 1. 2 增强可靠性分析方法的工程实用性 在边坡稳定性分析时,采用基于概率统 计思想的可靠度理论,充分考虑各种计算参 数的随机变异性和计算模型的不确定性对土 坡稳定性的影响,把土坡稳定问题作为一个 随机过程看待,进行土坡稳定可靠度研究。 在理论研究的基础上,确定工程实践中方便 适用的方法,是今后努力的方向。 3. 1. 3 理论模型、 本构关系需继续深入研究 尽管边坡稳定分析方法有了很大发展, 但至今仍然没有一种方法能够达到真正完整 解决工程实际问题,对理论模型的辩识、 本构 关系、 计算参数、 仿真方法尚需作进一步深入 具体研究。同时,由于各种技术革新、 数学、 力学及计算机技术的快速发展,理论分析方 法也会不断受到新的挑战。 3. 2 路基边坡防护工程方面 3. 2. 1 避免高填深挖 在公路设计时,在满足公路设计标准的 前提下,对公路的纵面、 平面指标不要刻意追 求高指标,特别是在丘陵地区,尽量按地形起 伏顺其自然设置纵坡,避免大的填挖现象,以 便较好地保护自然生态环境。 3. 2. 2 将公路环境治理工程设计纳入公路 工程设计范畴 在初步设计和施工图设计阶段,同时提 出生物工程防护方法、 立交区、 服务区园林景 观设计方案和技术措施的施工方案,随后在 项目业主负责制、 招标制和监理工程师制的 配合下,确保环境治理工程的质量,从而使高 等级公路环境工程规范化,真正做到设计、 施 工和验收同步,使我国公路环境恢复和治理 达到更高水平。 3. 2. 3 开发和推广先进的生物工程技术 在国内,不论湿式喷播技术还是人工播 种技术,在植物选择上大多采用寿命短、 固土 能力有限的外来草种,公路生物防护表现了 短期行为,同时,岩石边坡的生物防护和生物 82 林业建设 2003年 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 技术较短期的适宜施工季节仍然是阻碍公路 生物工程应用和公路环境恢复的重要技术问 题。针对新建公路路域生态环境的特殊性, 采取生态绿化策略,在坡面上建立与当地环 境相适应的禾豆草本植物群落和灌木群落, 突破草本护坡的单一模式。因此,短时期内 需要加快消化、 吸收和改良日本客土喷播技 术产品,研制出适合于不同地理、 地质条件, 经济而有效的喷播技术,实现客土喷播机、 土 壤团粒剂和改良剂系列产品的国产化。实现 客土喷播技术与湿式喷播技术的结合,才可 能实现大幅度降低工程成本,减少路域植被 的养护费用、 改善路域景观、 恢复自然生态环 境的目的。 3. 2. 4 建立和健全公路环保法律体系和管 理机制 环境保护是我国的一项基本国策,建立 和健全公路环保法律体系和管理机制,是有 效控制公路建设对环境影响、 保护自然环境、 实现土地综合利用、 走可持续发展之路的需 要,也是保证公路建设正常发展的需要。同 时,与高新的公路规划和设计配套的公路生 态环境法律法规、 标准应和定期监测相结合, 及时发现问题,不断完善环境保护措施,全面 提高高速公路环境建设的质量。 参考文献: 1夏元友,李梅.边坡稳定性评价方法研究及发展趋势 J .岩石力学与工程学报,2002 ,21(7) :1087 - 1091. 2祝玉学.边坡可靠性分析M.北京:冶金工业出版社, 1993. 4. 3程心恕,杨育文.土坡可靠的随机BISHOP法J .福州 大学学报,1995 ,23(4) :65 - 68. 4程旭日.非稳定渗流作用下土坡稳定可靠度分析方法探 讨J .福州大学学报,2001 ,29(2) :84 - 87. 5陈伟庆.粘土边坡的可靠性分析J .西南交通大学学 报,1997 ,32(4) :377 - 381. 6刘明维,何春光.基于蒙特卡罗法的土坡稳定可靠度分 析J .重庆建筑大学学报,2001 ,23(5) :96 - 99. 7B. k.Low ,R.B. Gilbert ,and S. G. Wright. 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