（岩土工程专业论文）路堑边坡的治理及其稳定性的可靠度分析.pdf

摘簧 上世纪丸十举代良来，我嚣掀起了离速公路建设静热潮，交逮建设攀激豹发震辩我 国缀济的腾飞起了极大的促进作用。随着高遴公路建设向山地丘陵地区延伸，路堑边坡 韵必稳破坏b 箍成为一种危害较犬的工程事敞。公路为线性构造物，路堑边坡所经历的 气暇蘩释、遮痰繇瀵等臻复杂多炎，影翡鼹黧逑城稳定援豹遴素众多，基大多其畜不确 定性。对路錾边坡的失稳机理开照研究，针对不同环境下的失稳边坡提出合理而经济的 整派方案，其霄鬟大的现实意义。 待统装迭皱稳定径分辑圭蚕袋雳懿是激豢全系数巍译徐标准豹常纛定傻设诗滚，甏 安全浆数未能考蕊不确定性因素对边坡稳定性的影响。基于这一点，本文采用结构w 雅 毪璎谂袋磺究逡坡稳定阕题。 籁体来说，本文首先对路蘩选坡的治理进行了实饿分耩研究，根据滑坡酶往震、戏 因、舰模大小、滑体厚度以及对工程的危害襁随提出相应的工程治理措矗妪。然后以可嚣 性瑷论为基础，对路堑边坡进杼稳定性分辑；将反分辑方法和可靠性理论嚣方西知识捆 结食，糖出了耱简单两实用魏计算方法露予程边缓爱葵巾帮韵选择裟主体参数；涛蠢 限鼐与幼态规划投术相结合，提出了在岩土参数存在诸多不确定性的情况下，确定路凝 边坡袋危浚涛动繇及其辐瘟霹纛攒棘的毅方滚；觚系统霹嚣瞧理论基本翔谖窭发，对不 止一个危险淆两豹潞堑边壤之稳定状琵遴行了裙步磷究，并锌对若干个工程实饿遂行了 计嚣分析。 磺究续栗表秘，本文熬一黧绥埝对鼹蘩翘皱豹稳定懿谬徐襄渡理其窍蜜嚣意义。 关键词：路堑边坡稳定性边坡治理可靠性联论岩土力学参数动态规 划爨论 t r e a t m e n to f r o a d c u t t i n gs l o p e a n d r e l m b i l t ya n a l y s i s o n s l o p es t a b i l i t y w u g a n g ( g e o t e c h n i c a le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e d b y ：c h e n j i n g x i w u h a n i n s t i t u t e o f r o c k & s o i l m e c h a n i c s ，c h i n e s e a c a d e m y o f s c i e n c e ，r r 。c h i n a a b s t p a c t ：h u g e i n v e s t m e n th a sb e e n s p e n ti nc o n s t r u c t i o no f e x p r e s s w a ys i n c et 9 9 0 s ， w h i c hd o e sa g r e a th e l p 协c h i n e s ee c o n o m y t h ef a i l u r eo fr o a dc u t t i n gs l o p ei sb e c o m i n gas e r i o u st h r e a ta se x p r e s s w a ye x t e m si t s w a yi n t oh i l l ya r e a 。m a n yf a c t o r sh a v ei m p a c t so nt h es l o p es t a b i l i t y , a n dm o s to f t h e mh a v er a n d o m p r o p e r t y i ti sm e a n i n g f u l t os e tr e s e a r c ho nf a i l u r em e c h a n i s mo f t h er o a dc u r i n gs l o p ea n dp u tf o r t ht r e a t m e n t so fs l o p e si nd i f f e r e n tg e o t e c l m i e a l e n v i r o n m e n t s w eu s u a l l yj u d g es l o p es t a b i l i t y b yi t ss a f e t yp a r a m e t e r s h o w e v e 毛s a f e t y p a r a m e t e r sd o n tc o n s i d e rt h er a n d o mp r o p e r t yt ot h es l o p es t a b i l i t y i nt h i sp a p e r s t r u c t u r er e l i a b i l i t yt h e o r ya g e a p p l i e d t or e s e a r c ht h es l o p es t a b i l i t y f i r s t l y , t h ea r t i c l es t u d i e st h es t a b i l i t yo f r o a dc u 杖i n gs l o p ew i t he x a r n p l e s ，a n d p u tf o r w a r dt r e a t m e n t sa c c o r d i n g t oi t sr l a 拙d e , c a u s eo ff o r m a t i o n ，t h i c k n e s sa n dt h e d e g r e eo f h a m m e s s s e c o n d l n b a s e do n r e l i a b i l i t yt h e o r y , t h e f a i l u r em e c h a n i s mo f m a d e u 蛀i n gs l o p e i sa n a l y z e d ，c o m b i n i n gt h eb a c ka n a l y s i sm e t h o d a n d r e l i a b i l i t y , as i m p l e a n d p r a c t i c a l t h o u g h ti sp r e s e n t e dt os e l e c tm e c h a n i c a lp a r a m e t e r so f r o c ka n ds o i l i n c o r p o r a t i n g f i n i t ee l e m e n t a n a l y s i s a n dd y n a m i cp r o g r a m m i n gt e c h n i q u e ，an e wm e t h o d i s i n t r o d u c e dt oa s c e r t a i nt h em o s td a n g e r o u ss l i d es u r f a c eo f r o a dc u r i n g s l o p ea n d t h e r e l i a b i l i t yi n d e x o n t 1 1 ef o u n d a t i o no fs y s t e mr e l i a b i l i t yt h e o r y , ar e s e a r c hi sp u to n t h er o d ec u t t i n gs l o p ew i t hs e v e r a ls l i d es u r f a c e s 弧er e s e a r c hr e s u l t sa r eo f p m e t l c a lm e a n i n g t oj u d g e m e n to f s l o p es t a b i l i t ya n d t r e a t m e n to f 氆ef a i l u r es l o p e 。 k e y w o r d s ：r o a dc u t t i n gs l o p e 融蕊瓣s l o p et r e a t m e n t r e l i a b i l i t yt h e o r y m e c h a n l c a l p 甜a m e t c 髂d y n a m i c 聊d 剐m 融g 中国科学院硕士生学位论文 第一章绪论 随着改革开放和经济发展的进一步深入和加快，我国大力加大交通建设项目的投 入。因此，各地、各级政府已经把建设高速公路列为经济发展中首当其冲的基础设施建 设项目，仅湖北省年计划公路建设投入即达1 4 0 亿元人民币。我国的高等级公路建设始 于8 0 年代，落后于国外公路建设步伐，但发展迅猛，9 0 年代始即在全国掀起一股修建 高速公路的热潮。目前，我国的高速公路营运里程已近万公里。从普通公路到高等级、 高速公路，公路造价从每公里数万元猛增到每公里数十万元直至每公里数百万到数千万 元；汽车运行速度也从6 0 k r n h 突增到1 0 0 - - 2 0 0 k m h 。高速公路已经或正在成为我国交 通事业的主干，成为我国经济发展、文化交流与军事运输的生命线。我们已经进入了高 速公路时代。 与一般的工程场地相比，道路工程在大范围内呈线状延伸，通过山区时，其位置的 可选范围不大，完全避开地质灾害的可能性很小，所遇地质灾害种类繁多、数量巨大， 严重地影响着道路工程选线、设计、施工及运营等每一个环节。据统计，全国铁路沿线 分布有泥石流沟1 3 8 6 条，大中型滑坡1 0 0 0 多处，崩塌近万处，2 0 多条铁路干线、1 1 2 万多公里铁路、6 0 多个车站受着地质灾害的严重威胁。截至1 9 9 0 年底，由地质灾害造 成的重大铁路事故达2 5 0 多起，颠覆列车5 起，淤埋列车4 l 起，累计中断行车5 万多 小时。公路具有顺坡攀缘的特点，因此公路边坡地质灾害的危害更大。公路经常遭受泥 石流、滑坡、崩塌等边坡地质灾害的威胁。1 9 8 5 年川藏公路培龙沟特大泥石流共冲毁 汽车8 0 余辆，断道阻车长达半年以上；成松公路叠溪一较场段，在长仅3 o k m 左右的 路段上，发育滑坡、崩塌十数处，经常发生崩塌、掉块等现象，阻断公路交通，被迫多 次改变公路线路：川藏公路二郎山段地质条件极为复杂，公路边坡地质灾害频仍，长期 阻碍公路运营，成为川藏公路的咽喉，最后不得不以4 6 0 0 m 长的特大型公路隧道通过 该区，但隧道出口引道公路仍处在边坡地质灾害非常发育的部位：1 0 8 国道凉山高速公 路西昌一泸沽段由于边坡地质灾害不清，导致不合理的选线与开挖，形成若干欠稳定的 高边坡，不得不花费数千万元人民币进行治理。由上可见，在高速公路建设中，公路边 第一章绪论 坡地质灾害研究显得尤为重要。任何公路边坡地质灾害研究的失误，都可能造成重大的 经济损失，哪怕是边坡掉块等普通公路时代认为是微不足道的边坡问题，都可能导致惨 重的交通安全事故。 1 2 边坡稳定性分析的常用方法 边坡地质灾害的发生并不是一个孤立的事件。地质灾害是地质构造、地形地貌、水 文地质、岩性特征以及人类活动等多因子的综合函数。 国内对边坡地质灾害的研究大致可分为三个阶段。6 0 年代以前为定性分析阶段， 主要停留在滑坡、崩塌等岸坡地质灾害的识别与定性描述方丽；6 0 年代到8 0 年代初为 第二阶段，人们的认识已经由感性上升到了理性阶段，以滑坡、崩塌形成机制分类研究 为主要特点，广泛开展物理模拟，再现重大斜坡地质灾害的变形破坏过程与机制，此一 研究工作至今仍是斜坡灾害研究的重点；8 0 年代以来，随着计算机技木的发展，斜坡( 边 坡) 数值模拟得以实现，已经成为滑坡、崩塌研究不可或缺的手段。此阶段中，对滑坡 运动学、动力学的研究也取得了突出的成绩，提出了高速滑坡运动速度公式和滑坡滑动 的空隙液压作用、气垫作用等一系列理论。斜坡( 边坡) 地质灾害研究与具体工程实践相 结合已经成为本阶段的一个突出特点。 斜坡( 边坡) 稳定性分析是工程地质学研究重点之一，历经上述三个阶段的锤炼，已 经形成了一套以工程地质原形研究为基础，通过对岩体力学模型研究、变形破坏机制研 究及演化过程的全程模拟，进行稳定性评价及预测的系统工程地质分析方法。 到目前为止，斜坡( 边坡) 稳定性计算方法可归纳为三类，即极限平衡法、数值分析 法与概率法。近年来，为了解决斜坡( 边坡) 稳定性计算中的不确定性因素，模糊数学方 法、人工神经网络方法、块体力学分形方法等也被尝试性地用来进行斜坡( 边坡) 稳定性 分析。 1 3 边坡稳定性分析的瓤途径一边坡工程可靠性分析 边坡工程可靠性分析时近三十年来发展起来的评价边坡工程质量状态的新方法，它 中国科学院硕十生学位论文 是基于边坡岩体性质、荷载、地下水条件、破坏模式等作为不确定性量，借鉴结构工程 可靠性理论方法，结合边坡工程的具体实践，用可靠指标或破坏概率来描述边坡工程质 量状态的理论体系。该方法较传统的确定性方法能更好的反映边坡工程实际状态，正确 合理的解释许多用确定性理论无法解释的工程问题。例如为什么安全系数大于l 的边坡 已经破坏了，而某些安全系数小于1 的边坡仍然稳定等，因此引起国内外有关人员广泛 关注和研究应用，并成为研究边坡工程的主要发展方向之一。 确定性方法在边坡工程稳定性分析中实际上只考虑各材料参数的均值，可靠性分析 方法不仅考虑参数的均值，而且还考虑参数的方差，显然后者对边坡工程的描述更加合 理。另外，可靠性分析方法还能对影响边坡稳定的各因素进行敏感性分析，从而为边坡 稳定性评价和采取治理措施提供科学依据。 1 4 本文的主要研究工作 岩土作为大自然的产物，其性质十分复杂、多变，具有比任何人工材料大得多的变 异性。路堑边坡工程稳定问题所包含的不确定性因素较多，精确的定量分析不易取得， 这是造成路堑边坡失稳发生率较高的原因之一。因而对路堑边坡工程所处的工程地质条 件进行调查，以分析边坡失稳发生的原因，从中吸取经验、总结教训，针对不同的工程 地质条件采取不同加固与治理措施，这无疑是一项很有意义的工作。 但仅仅分析事故原因是不够的，还必须由定性分析提高到定量分析一从理论角度把 握边坡失稳的原因以减少边坡失稳情况的发生。这方面结构可靠度理论不啻为一种有效 的方法。 本文研究工作主要涵盖下面几项内容： 1 、衡枣高速公路路堑边坡工程地质调查的总结。从路堑边坡所处的地形地貌条件、 水文地质条件、岩性组成、结构面的分布情况以及施工活动因素等方面进行分析， 找出影响边坡稳定性的因素，并按稳定程度对路堑边坡分类统计，然后针对不同 的工程地质条件采取不同的加固与治理措施。 2 、可靠性理论在边坡反分析中的运用研究。将反分析方法和可靠性理论两方面知识 相结合，分析这两种方法的异同点和存在的问题，提出了一种简单而实用的计算 第一章绪论 方法用于在边坡反算中选择岩土体参数，该方法考虑了各参数均值的不可预知性， 并给出了处理这一问蹶的思路。 3 、 路堑边坡整体稳定的可靠性分析研究。结合边坡问题的稳定性分析的计算方法， 将有限元与动态规划技术相结合，提出了在岩土参数存在诸多不确定性的情况下， 确定路堑边坡最危险滑动面及其相应最小可靠指标的新方法。 4 、多滑面边坡稳定性的可靠性分析研究。从系统可靠性理论基本知识出发，在前辈 学者研究的基础上，对不止一个危险滑面的路堑边坡之稳定状况进行了初步研究。 中国科学院硕士生学位论文 第二章高速公路路堑边坡的工程地质灾害与治理措施 2 1 国内外对公路边坡地质灾害研究概况 路堑边坡地质灾害研究与公路发展密切相关。德国于2 0 世纪3 0 年代就开始修建高 速公路。同时期，美国开始进行跨越美国大陆的三纵三横高速公路的可行性研究，并于 4 0 年代开始高速公路建设，至7 0 年代形成了国家公路网络。1 9 9 3 年，美国洲际高速公 路总长度已达7 0 6 4 2 k m 。英国、法国、意大利、日本等发达国家也先后于上世纪5 0 年 代进入高速公路建设的大发展时期。这些最早发展高速公路的国家，从修建高速公路开 始，就非常重视公路边坡地质灾害研究与防治。1 9 5 8 年，美国公路研究部门滑坡调查 委员会编写了滑坡与工程实践，1 9 7 8 年，又出版了滑坡的分析与防治。在公路 建设中，发达国家并非单一强调公路边坡地质灾害研究与防治，而是把公路环境保护、 环境美化与边坡地质灾害防治有机地融合在一起。据报道，美国的公路建设中，环境保 护费用已达公路建设费用的五分之一。 与发达国家不同，我国的公路边坡地质灾害研究有我国的国情。上世纪8 0 年代以 前，我国以低等级公路建设为主，一般是“先通后畅”，以建设能够通行的连通城乡的 公路网络为目的，不太重视公路边坡地质灾害研究。8 0 年代以后，特别是进入9 0 年代 以来，随着高等级与高速公路的建设与运营，公路边坡地质灾害问题接踵而来，这些由 地质灾害引起的公路病害问题已经严重的影响了公路设计、施工、运营管理以及建设成 本与工期，比如1 0 8 国道西昌马鞍山段、漫水湾段等，就因选线过程中对边坡岩体地质 灾害研究不清，导致开挖后不得不重新设计边坡整治工程。即浪费了财力，又影响工程 进度；成松公路叠溪段先把公路建于地震滑坡、崩塌堆积前缘，后因边坡多发地质灾害 而不得不改线。据有关资料1 9 8 3 - - 1 9 9 3 年的l o 年间，我国公路因地质灾害造成的直接 经济损失总计达1 1 5 亿元人民币。同时，由于公路边坡地质灾害造成的重大车毁人亡事 件时有发生。目前，我国对公路边坡地质灾害的研究才刚刚起步。 2 2 边坡常见加固措施 第章高速公路路堑边坡的工程地质灾害与治理措施 边坡加固首先应根据滑坡的性质、成因、规模大小、滑体厚度以及对工程的危害程 度提出相应的工程治理措施。到目前为止，治理滑坡的工程措施大致有以下几种： l 、 绕避。对一些规模巨大、难以整治的滑坡，如果对它们进行整治则工程浩大，一 般采用绕避措施。 2 、加载反压。对于前沿失稳的牵引式滑坡，工程治理措施是在滑坡前缘修建片石垛 加载反压，增加抗滑部分的土重，使滑坡得到新的稳定平衡。 3 、清方减重。整治推移式滑坡，在滑体上部( 下滑区) 清方减重，以减少下滑力来 稳定滑坡。 4 、抗滑挡墙。对浅层滑坡可考虑采用重力式挡墙整治，为增加墙身抗剪力，可将基 底做成倒坡。 5 、抗滑明洞。人工挖方引起的工程滑坡，破坏原来山体的平衡，滑坡前缘临空面高， 下滑力大，如果采用抗滑明洞，在明洞顶部回填土恢复山体平衡，则较其它工程 措施显得经济合理。 6 、排水整治。滑坡一般发生在雨季，主要是雨水可以湿化坡体，降低岩土体强度， 润化滑面，促使和加速滑体滑动，故有“十滑九水”之说。所以滑坡体的排水工 程是十分重要的。地表排水设施有滑坡体外环形水沟，滑坡体内树枝状或人字形 排水沟、支撵渗沟等，地下排水设施有渗沟、泄水渗洞等。 7 、抗滑桩。对一些中深层滑坡，用抗滑挡墙往往难以奏效，这时可以考虑用抗滑桩。 抗滑桩在滑体上部挖孔成桩，滑体整体稳定性在施工期间不会受到破坏。桩身嵌 固在滑动面以下的稳固地层内，藉以抵抗滑坡体的下滑力，这是整治滑坡比较有 效的措施。 8 、锚杆( 索) 加固。即在滑坡体上设置若干排锚杆( 索) ，锚固于滑动面以下的稳定 层中，地面用梁或墩作反力装置给滑体施加预应力来稳定滑坡。 2 3 衡枣高速公路边坡地质概况 按照衡枣高速公路公司的要求，我随同课题组的各位老师对公路全线1 8 0 多公里的 6 0 0 多处边坡进行了拉网式的调查。为配合工程实际的需要，边坡地质调查对象主要针 中国科学院硕士生学位论文 对处于不良工程地质条件下的边坡和高陡边坡。按岩土层的组成成份及风化程度、层理、 节理裂隙产状及层面和节理面之间的充填物特性、边坡的地形条件，对边坡稳定性进行 评价并对原设计坡比提出了若干建议。 根据所碰到的边坡地质现象，按岩性将路堑边坡分为三类：土质边坡、土石边坡、 岩质边坡。 出于边坡评价的需要，又在地质调查的基础上，将路堑边坡大体分为三种，即稳定 型边坡、基本稳定型边坡、不稳定型边坡。 衡枣高速公路从衡阳到枣木铺，全长1 8 0 多公里。该高速公路穿过丘陵地区，公路 沿线有5 0 0 多座大小山丘，或把山丘一切两半，形成左右边坡，或在山坡处形成切方边 坡。衡枣高速公路共切出6 0 0 多处路堑边坡，边坡切深由几米至几十米不等，其中边坡 切深2 0 米以上的就有1 1 9 处。 从普查的初步结果来看，本区段山丘普遍不高，岩性单一，岩层产状平缓，岩层内 部构造结构面不发育。所以，大多数边坡的原设计坡比能保证边坡稳定。但是设计的边 坡坡比一般都陡于自然山坡，消减了山丘天然边坡赖于保持稳定的压坡荷载。从地貌学 和工程地质学角度来讲，这种人类工程活动破坏了山坡原有平衡状态。这样，部分陡 于自然山坡或岩层层面倾角的边坡势必会出现不稳迹象，以至产生滑坡。 2 4 影响路堑边坡稳定性的因素分析 影响路堑边坡稳定的因素很多，主要因素有岩土成份、软弱夹层、裂隙和不利结构 面、风化作用、环境工程地质条件、边坡高度与陡度等等。下面结合工程实例对影响路 堑边坡稳定的因素进行分析。 2 4 1 不利结构厩对边坡稳定的影响 k 6 0 + 1 4 0 k 6 0 + 2 8 0 右坡切方边坡是该标段最高切方段，也是全线最高切方段。最 高切方超过6 0 m ，目前切方工作接近于路基标高，出露的岩层主要是砂岩，为钙质砂岩 夹泥质砂岩，灰褐紫红色，岩石一般为弱风化层和微风化层，但在切方边坡的机耕道 上下坡面附近有顺坡向节理，节理产状为1 3 4 。z 5 5 。，节理密度为o 3 0 5 条米， 节理面基本平行公路轴线。该高切边坡如图2 1 所示，坡底顺坡向高倾角节理面、层面 笙三童塞鎏坌堕堕錾边坡的工程地质灾害与治理措施 构成潜在不稳定因素。再加上切方较高且较陡，受较高的应力以及软化、风化等作用 边坡局部已经产生滑移。 图2 - lk 6 0 + 2 2 0 坡面示意图 2 4 2 古滑坡对边坡稳定的影响 k 6 8 + 7 4 0 k 6 8 + 9 2 0 左坡处切方边坡最高为2 5 m ，切方岩石主要为钙、泥质砂岩， 切方边坡顶部外8 1 5 m 的自然坡面有水塘。切方上部有3 6 m 的残积坡层，在 k 6 8 + 7 4 0 k 6 8 + 8 0 0 段边坡上，砂岩产状明显转折，与整个区域砂岩不一致，初步分析 判断该段为古滑坡( 见图2 2 ) 。但古滑坡是否已稳定，公路切方后对古滑坡有何影响等 尚需要进一步开展现场调查工作。根据现场初步调查，坡顶已有坍塌，所以局部边坡需 要放缓，在放缓稳定和少征地不影响水塘使用两者之间找出一个较佳的方案，这些也需 要进一步的现场调查，然后进行分析计算和成本预算，对边坡稳定性作出评价或进行边 坡工程设计。 残坡积层 图2 2 k 6 8 + ，4 0 坡面示意图蓦笔篓翥竺螽磊鬈嚣霎：篙龛葚：。 2 4 3 煤炭采空区对边坡稳定的影晌 c 川咽科学院硕：e 生学位论文 k 1 0 5 + 7 1 0 k 1 0 5 + 8 5 0 左坡边坡原设计一级台阶二级坡面进行削方，坡比由下至上 依次1 ：o 7 5 、1 ：1 ，切方边线垂直高度约3 0 m ，下设抗滑挡墙。该该段下方存在南北走向 的煤炭采空区，宽度约1 0 0 m ，采空区埋深上部始于煤层露头，下部为+ 1 0 m 水平，主 要为解放前老窑在路基浅表层开采。采空区存在下沉和塌陷隐患，尤其在高速公路动荷 载作用下，经常激化采空区，易使其处于活化状态。从切方揭露的地质情况来看，坡面 上覆盖有较厚层“粉煤灰”状松散堆积物，为煤矿开采时的地面残留物，该层的存在将 使护坡工作难以进行。下伏地层主要为砂岩夹泥质页岩，产状为2 9 5 。z 5 0 。， 该段切方快达到设计标高，局部已经产生脱坡现象。 2 4 4 边坡岩性对边坡稳定的影响 “煤矸石”问题对边坡稳定的不利影响。在稳定性差的边坡中，有6 处出露“煤矸 石”，具体桩号为：1 l 标( a ) k 1 3 6 + 6 8 0 9 0 0 ，k 1 3 8 + 6 3 0 7 7 0 ；永州匝道a k o + 0 0 0 0 8 0 ：1 1 标( b ) 一k 1 3 3 + 5 8 0 6 9 0 ；1 4 标_ k 1 6 4 + 9 2 0 k 1 6 5 + 0 4 3 ，k 1 6 7 + 0 0 0 1 2 0 。从 各处情况看，“煤矸石”并非是一个稳定的层位，有时呈透体状出露。由于它在边坡体 中的分布，以及它的地区层位不稳定，产状变化大，泥化、软化、遇水易崩解、强度低 等特殊的工程地质性质，从而大大降低了边坡的稳定性，甚至使边坡失稳，有的已经失 稳。 2 4 5 施工爆破对边坡稳定的影响 大多数山丘岩层中的岩体粘土质含量较高，矿物颗粒胶结强度低而且易受温度和水 份的交替风化作用的影响，风化裂隙发育。所以，在边坡爆破开挖过程中岩体会严重松 动开裂，旦暴露后，在高低温的反复循环作用下和天然降雨的反复侵蚀作用下易失水 干裂成松散体。这不仅容易使边坡失稳，而且对边坡坡面的防护带来困难。因此，即使 计算稳定的边坡，在开挖坡面时也一定要用光面爆破作业技术，减少坡体松动层厚度， 力求坡面光滑。 2 5 路堑滑坡坡体的加固与治理措施 2 5 1 加固滑坡顶部防止滑坡向上和向深部的扩展 衡枣高速公路沉积岩区路堑边坡中的滑坡，往往首先沿顺坡向软弱层面产生浅层滑 第：章高速公路路堑边坡的工程地质灾害与治理措施 坡，然后过渡到中层或深层滑坡，滑坡体顶部垂直裂缝位置也随即向上部转移，因而滑 坡逐渐向上和向两侧及向深部扩展。 滑体顶部山坡上一般还有民房、农田、树林、水塘、水井，甚至还有高压电塔等重 要国民经济设施。 滑坡一旦向上扩展，将严重影响坡顶生态和国民经济设施的安全，将大大增加公路 建设投资。 为此，我们采取了首先加固滑坡顶部，防止滑坡向上扩展的措施。 如图2 3 所示，k 1 0 0 + 3 6 0 k 1 0 0 + 4 8 0 段左坡我们用一排抗滑桩先加固滑坡顶部， 保障了坡顶上的民房、农田、水井、水塘等设施的安全。 图2 3 滑体顶部设一道防线防止滑坡向上扩展的工程实例 在消除了滑坡向上和向深部扩展的隐患之后，对滑体则采取适当清坡( 不全部挖除) 后进行护坡和护脚，并设排水设施，施工后的情况表明这种加固及治理措施是成功的。 2 5 2 在滑体中部设一道加固防线，把滑体分为两段分别整治 当滑体在横剖面上的宽度较大，并存在滑体进一步向上和向深部扩展趋势，滑体上 部有大量工农业设施及生态林等情况下，我们采取了先在滑体中部设一道抗滑桩防线， 防止了滑坡扩展并保障了坡顶的工农业设施的安全。 对滑体，分为上下两段，抗滑桩上部只平整坡面，在坡顶修截排水沟，坡面植树种 草，甚至允许农民种旱田。 中国科学院硕士生学位论文 抗滑桩下部，适当削坡，按设计坡比整修后进行护坡。护坡以浆砌片石窗式构架为 主，窗框体内埋设排水管。 这套加固与整治措施的工程实例为k 1 0 0 + 1 8 0 k 1 0 0 + 2 8 0 段左侧滑坡，见图2 4 。 施工后的情况表明，滑坡体处于稳定，坡顶上未出现地表开裂现象。 图2 - 4 滑体中部设加固防线，将滑体分为 上下两段分别整治的工程实例 2 5 3 对蠕滑状滑体，大量挖除坡脚塑性岩土，把坡脚线往里移3 5m ，抛石反 压修排水性挡墙来加固滑体 有些处于两山之间的山谷冲积层的路堑边坡，由于边坡岩性为冲积性高含水量的塑 性岩土层，一旦滑坡后，在来不及加固的情况下不断向坡底蠕滑。由于滑体整体含水量 水量较大，削坡减载等对提高滑体稳定性作用不显著。 如k 1 0 0 + 3 6 0 k 1 0 0 + 4 8 0 段，如上所述，我们已经在滑坡上部设一道抗滑桩，防止 滑坡向上扩展，保障了其上的工农业设掩，但由于近二十万方的滑体处于蠕滑状态，整 第二章高速公路路堑边坡的哪鼙地质灾害与治理措施 治工作遇到难题。大量削坡一是效果不佳，二是滑坡体内平坦的表面是良田。因此我们 设计了如图2 5 所示的排水性反压墙，同时把原在路边排水沟下的盲沟移至挡墙底部。 图2 5 滑体下部为蠕滑体时采用的排水性反压墙工程实例 其设计思路是，在坡脚把塑性岩土向坡内挖3 5m ，给滑体蠕滑有一个缓冲空间， 然后边清理蠕滑体边修筑排水性挡墙，这个挡墙主要起反压和排水作用。并且把盲沟移 至挡墙底部。随着排水性反压墙的分段修筑，滑体向下的蠕滑则逐渐停止。施工后的情 况表明，这一加固措施是成功的。 2 5 4 坡脚挡土墙的加固工程措施的经验教训 图2 - 6 挡墙部位的开挖引发滑坡的示意图 1 2 中国科学院硕士生学位论文 边坡下部第一。级坡体岩体或土体较为破碎而不太稳定时，一般用2 3 米到5 6 米高的挡土墙来支护坡脚。有的挡土墙是边坡加固体系的组成部分，有的则是纯护坡护 脚性结构。在高速公路堑边坡的底部修建挡土墙，一是较为美观，二是给人以安全感， 三是给上部护坡提供牢固的基础。 但是，在挡土墙的施工过程中，由于在坡脚开挖砌挡墙和深挖墙基时，常常触发局 部塌方或滑坡。 如图2 - 6 所示，当边坡岩体为层状顺坡向岩体时，挡墙部位的开挖掏空了坡脚，墙 基部位的深挖往往又切掉了层状体的基脚，进一步破坏了边坡的平衡状态，触发塌方或 滑坡在所难免。一旦产生滑坡，不仅挡墙难以修建，上部边坡还要进一步削坡放缓坡比， 给工程带来严重的经济上和时间上的损失。因而，挡土墙施工前应视情况采用锚杆加固 边坡下部不稳部位；挡土墙施工时应分段开挖，间隔砌筑。 中国科学院硕士生学位论文 第三章岩土工程可靠性研究和设计理论发展概况 3 1 工程结构可靠性概述 3 1 1 工程结构可靠性、可靠度和极限状态 传统上，人们习惯以安全系数作为工程结构稳定性的评价指标。然而，安全系数只 是一个由确定的信息得到的一个定值，它未能考虑设计变量中任何客观存在的变异性， 某一特定的安全系数值，对于不同的工程未必具有同样的意义。换句话说，安全系数的 大小并不能完全确切地表征工程的安全程度。有人指出：“在计算科学日新月异的今天， 计算参数与实际情况相比它所具有的精度已远远落后于工程结构的精确分析。如果不考 虑设计参数的不确定性，结构的精确分析所能取得的效益将被粗略的经验性安全指标所 淹没。”因此，考虑实际工程中的不确定因素，对工程进行随机力学分析和可靠度评估 显然具有十分重要的意义。而工程可靠性理论则是基于工程随机力学方法，对工程的安 全性、适用性和耐久性从概率的角度进行度量，度量结果以概率形式( 可靠度) 表示。其 中，工程安全性的大小表示为安全度。因而，可靠性的含义比安全性的含义更广。工程 可靠性理论也往往被称为可靠度理论。 所谓结构的可靠性是指结构在规定的时间内，在规定的条件下完成预定功能的能 力。也可以说结构可靠性是关于结构安全性、适用性和耐久性的总称。 度量结构可靠性的数量指标成为结构可靠度，其定义为结构在规定的时间内，在规 定的条件下，完成预定功能的概率。由此可见结构可靠度是结构可靠性的概率度量。这 是基于统计数学观点所下的比较科学的定义，因为在各种随机因素的影响下，结构完成 预定功能的能力，只有用概率来度量才符合客观实际。我国的建筑设计统一标准规定， 结构可靠度应采用以概率理论为基础的极限状态设计方法分析确定。 上世纪五十年代初期，前苏联学者已提出了极限状态的概念和与此相适应的极限状 态设计方法，这个概念已为世界工程界所公认。我国建筑结构设计统一标准对极限状态 的定义是：整个结构或结构的一部分超过某一特定状态就不能满足设计规定的某一功能 要求，此特定状态称为该功能的极限状态。极限状态实质上是结构可靠( 有效) 或不可 4 第三章岩土工程可靠性研究和设计理论发展概况 靠( 失效) 的界限，所以也称为界限状态。 欧洲混凝土委员会、国际预应力混凝土委员会、国际标准化组织等国际组织，一般 将极限状态分为两类，即承载能力和正常使用极限状态。加拿大曾提出三种极限状态： 破坏极限状态、损伤极限状态和使用功能极限状态。国外还提出了一种极限状态，即破 坏安全极限状态，其概念是结构在偶然因素作用下，结构局部破坏而不倒塌。 我国的建筑结构设计统一标准将极限状态分为承载力和正常使用极限状态两类。 3 1 2 工程结构设计方法的发展演化 历史上早期的结构承载力的设计方法是以纯经验性的生物比拟为依据的，之后采用 了试验方法来设计结构。1 6 世纪末意大利人伽里略曾制作了世界上第一个粗糙的试验 机，用来进行结构设计。大约十九世纪，由于材料力学、弹性力学和材料试验科学的发 展，以及比较理想的弹性材料钢材的广泛运用，对结构理论起了促进作用，在纳维叶 等人的共同努力下，提出了基于弹性理论的容许应力设计法，此后在结构设计中广泛运 用此法。 该法要求结构构件在使用期间内，界面任何一点的应力不得超过某一容许应力值 l 盯l ，其表达式为 仃纠= f k ( 3 - 1 ) 式中f 结构材料性能，其值由试验确定 k ：安全系数，由经验判断确定 容许应力的主要优点是应用简便，但缺乏明确的结构可靠度概念，仅由一个笼统的 按经验所确定的安全系数来保证，给出的一系列容许应力并不能保证各种结构具有一致 的可靠度水准。 十九世纪三十年代，前苏联学者提出了考虑材料弹塑性的破损阶段法，按破损阶段 法计算时，主要对构件的强度进行计算，并假定钢筋和受压区混凝土均已达到塑性状态， 计算以截面所能抵抗的破损内力为依据。 该法的主要特点是考虑了结构构件材料的塑性性能，以及反应了构件截面的实际工 作情况，因此计算结果也比较精确，一般比按容许应力法计算的结果较为经济。其主要 缺点是采用了笼统的按经验所确定的安全系数来估计使用荷载的超载和结构材料的离 中国科学院硕士生学位论文 散性，因而得不到明确的可靠度概念。 在破损阶段设计法的基础上，苏联学者盖尔等于1 9 5 0 年前后明确提出了结构极限 状态的概念和计算方法。1 9 5 5 苏联正式颁发了按极限状态设计方法的各种结构设计标 准和规范。 我国1 9 6 6 年制定的钢筋混凝土结构设计规范，也采用了这种设计方法，不过将超 载系数改称荷载系数，将材料均质系数改称材料强度系数。在此基础上，根据我国自己 的科学研究成果和长期的工程实践经验，于1 9 7 4 年前后颁发了一套以多系数表达的极 限状态设计方法为基础的工业与民用建筑结构设计规范。 此外，水工钢筋混凝土结构设计规范等也采用这种设计方法，只是安全系数的取值 略有区别。 极限状态计算方法是结构设计的重大发展，这一方法明确的提出了结构极限状态的 概念，并规定了结构设计的承载能力、变形、裂缝出现和开展三种极限状态，比较全面 的考虑了结构设计的不同工作状态，比前两法有了较大的进展，对结构可靠度，放弃了 前后两法所采用的单一的、笼统的安全系数，采用三个系数( 超载、均质和工作条件系 数) 来分别考虑超载、材料性能及工作条件等方面的随机因素的影响，有的系数经统计 分析确定，在标准和在和材料标准强度取值方面，开始采用了数理统计手段，因此比前 两法要客观得多，比较符合客观实际。 7 0 年代以来，国际上在工程结构设计方面的趋向是采用以概率理论为基础的极限 状态设计方法。当前，国际上将概率设计法按发展阶段和精确程度的不同分为三个标准： 水准法i 半概率法。对荷载效应和结构抗力的基本变量部分的进行数理统计分 析，并与工程经验相结合引入了某些经验系数，故该法又称为半概率经验极限状态设计 法。 水准法i i 近似概率法。该法对结构可靠度赋予概率定义，以结构的失效概率或 可靠指标来度量结构可靠度，并建立了结构可靠度与结构极限状态方程之间的关系式， 在计算可靠指标时考虑了基本变量的概率分布类型和采用了线性化的近似手段。 水准法i i i 全概率法。该法对结构各种变量分别用随机变量或随机过程描述，要 求对整个结构采用精确的概率分析，求得结构的失效概率作为可靠度的直接度量。这种 方法对每个基本变量都要知道其实际的概率分布曲线。从理论上而言，该法是处理可靠 第二章岩土一l 程可靠性研究和设计理论发艘概况 度的最佳方法，但由于荷载及抗力能得到的信息往往较少，全概率法很难在实际中加以 运用，而且该法花费时间多和费用高，目前仅用于特殊重大工程。 3 1 3 岩土工程极限状态设计方法的发展 早在十八、十九世纪，当人们研究土压力、承载力、边坡稳定性、渗流问题以及弹 性问题的理论时，就分析过一些显著的极限状态问题。 然而，只是在t e r z a g h i ( 1 9 2 5 ) 创立了研究土力学的现代方法后，古典的岩土工程 极限状态方法才得到发展。1 9 4 3 年t e r z a g h i 将他的工作主要集中在研究稳定问题( 极 限状态) 和弹性问题( 耐用性极限状态) 上。 分析在极限抗力条件下，土工挡土墙结构、地基以及其它的建造问题的稳定时的塑 限理论方法，是极限状态估计的基础。在这些结构正常使用的条件下，要在极限抗力上 加一些安全系数。在稳定问题中，安全系数的概念是在十八世纪有b e l i d o r h e ( 1 7 2 9 ) 和c o u l o m b ( 1 7 7 3 ) 引入的。他们为挡土墙给出的1 5 的安全系数，这一系数在今天的 工程实践中仍然被广泛采用。后来，k r e y ( 1 9 2 6 ) 为边坡和挡土墙的稳定取了约1 5 的 安全系数，他建议对地基的极限承载力取2 3 的安全系数。在二十世纪前半叶，在欧 洲、北美洲以及其它的一些地区的岩土工程设计中，人们普遍采用这种类似的总安全系 数法。 1 9 4 8 年，t a y l o r 在估计边坡的稳定性时，分别对岩土的剪切强度参数c 和t a n 妒引 入了单一的安全系数。b r i n e hh a n s e n ( 1 9 5 3 ，1 9 5 6 ) 提议应该对不同形式的荷载、土的 抗剪强度参数以及桩的承载力取不同的分项系数，用以对挡士结构和地基进行极限状态 设计，并总结了这种方法。 分项系数的选取依据是，应与传统的安全系数设计法具有相同的设计估计。在岩土 工程设计中这种方法从丹麦的应用开始，第一部应用的规范是1 9 6 5 年在那里出台的。 随后，考虑到荷载、岩土强度参数以及实际工程中其他数据具有变异性的特点，人们应 用半概率法对这些系数进行修正。 相对而言，国内外对耐用性极限状态的分析比较少，古典的弹性理论是耐用性极限 状态设计理论估计弹性变形和瞬时沉降的理论基础。固结理论则是采用土性参数的平均 保守值来预计非线性变形的情况。 然后，将预计结果与不同类型结构的实测变形进行比较，通过对建筑物的实测研究， 中国科学院硕士生学位论文 t e r z a g h i ( 1 9 4 8 ) 提出了地基基础不同的沉降类型以及其安全系数值。对于耐用性极限 状态设计，b r i n c hh a n s e n ( 1 9 5 6 ) 提议在设计中对土的变形特性以及荷载的分项系数取 1 ，在实践中这一数值被普遍接受。 近年来广大学者将可靠性理论应用于边坡工程，并取得了若干研究成果。如日本学 者松尾捻系统阐述了岩土工程中可靠性设计的优越性、必然性和有关理论以及可靠性设 计在边坡等领域中的运用和实践：祝玉学所著的边坡可靠性分析是从可靠性设计的 角度阐述边坡工程评价和设计问题的一部著作；高大钊等对土力学可靠性原理的研究取 得了较好的成果：刘宁等提出了基于可靠性理论基础上的边坡渐进破坏有限元分析法等 等。目前岩土工程中可靠性理论的研究大多集中在随机损伤一断裂力学、工程稳定性问 题的概率分析、工程参数的敏感性分析和随机反分析等方面。 3 2 边坡工程结构可靠性分析的原理和方法 边坡工程的可靠性是指边坡工程在规定的使用条件和设计的服务年限内，完成其设 计功能的能力。路堑边坡的可靠性可理解为，在公路的服务年限内。边坡工程保证运输 等作业正常进行的能力。边坡工程的可靠性通常用可靠指标或破坏概率表示。边坡工程 随机分析的主要任务就是求解某一具体边坡的可靠指标或破坏概率，以此对边坡工程的 状态进行综合评价，或根据工程的性质，所处的环境等给定边坡可接受的可靠指标或破 坏概率对边坡进行优化设计。由于描述边坡状态的极限状态函数通常是输入基本随机变 量的非线性函数，因此给精确求解带来一定的困难，这就产生了许多近似求解方法。边 坡结构稳定可靠度分析的实用计算方法主要有：蒙特卡洛法、一次二阶矩法、j c 法、 可靠指标最优化算法等。 3 2 1 蒙特卡洛法( m o n t ec a r l om e t h o d ) 蒙特卡洛法( m o n t e c a r l om e t h o d ) 又称随机模拟法或统计试验法，是一种依据统计抽 样理论，利用计算机研究随机变量的数值计算方法。在目前可靠度计算中，它是相对精 确的方法。它源于第二次世界大战期间，v o nn e u m a n 和u l a m 在对裂变物质的中子随 机扩散进行直接模拟中，以世界文明的赌城蒙特卡洛作为该项研究的秘密称呼而得名。 由于在边坡工程中，不适宜也不可能在实际工程中以高昂代价对边坡形成、破坏过 第三章岩土工程可靠性研究和设计理论发展概况 程进行直接的实验研究。蒙特卡洛法通过构造模型和进行模拟试验。把复杂的空间条件 和实践过程简化成集总参数。进而求得安全系数或安全储备的概率分布及分布参数的特 征均值、标准差、破坏概率等。以此作为边坡工程问题的近似解。 蒙特卡洛法的基本思想是，若已知状态变量的概率分布，根据边坡的极限条件 z = g ( x 。，x ，x ，x ) = 0 ，利用蒙特卡洛法产生符合状态变量概率分布的一 组随机数z ，z ，z 。，以之代入状态函数g ( x ，x ：，x 一，x 。) 计算得状态函数的 一个随机数。如此用同样方法产生n 个状态函数的随机数。如果在n 个状态函数的随 机数中有m 个小于或等于1 ( 以安全储备表示边坡状态) ，当n 足够大时，根据大数定 律，此时的频率已近似于概率，因而可得到边坡的破坏概率 p ，= p 话( x 。，x ，x ) o ) = 等( 3 - 2 ) 如有必要，也可有已得的n 个g ( x ) 值来