（岩土工程专业论文）浅变质岩系风化层边坡破坏模式及其稳定性研究.pdf

己8 ： 原创性声明 l i i ii i ii i ii ii iii i i ii ii y 1719 9 0 7 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名：星盔垄日期：j 垫l 年上月鱼日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文， 允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名：逝导师签劫台期：丝年王月卫日 乙。 i 摘要 通过系统的现场调研，掌握了厦蓉高速公路( 水都线) 浅变质岩 系风化层高边坡的工程地质特性；利用赤平极射投影法，确定了结构 面的优势产状；在现场统计了结构面的岩石质量指标r q d 值、粗糙 度系数j r c 、节理密度和岩石完整度指标等参数，为边坡结构体力学 参数的确定奠定了基础。 采用了x 光衍射和s e m 电镜扫描方法，描述了浅变质岩的矿物 组成和微观结构特征；通过反分析法、试验法和经验方法，获取岩体 的物理力学参数c 、矽值，并通过三种结果的相互对比印证，提出了 在不同情况下获取岩石力学参数的有效方法。 根据调研与分析，提出了贵州地区浅变质岩系工程边坡的破坏机 理和常见的破坏模式；依托具体边坡，从结构面要素的统计和岩体质 量分级出发，利用赤平极射投影理论，建立边坡和各组优势结构面的 产状关系的数学几何模型；根据h o e k b r a y 模式识别理论，确定了边 坡的破坏模式；s m r 法和修正的c s m r 分级法，分别对边坡的局部 稳定性和整体稳定性做出快速、定性的分析；针对不同的破坏模式， 由简单的实例，提出相适应的施工开挖和加固防护建议。 关键词浅变质岩，赤平极射投影，力学参数，稳定性分析，加固与 防护、 a bs t r a c t a c c o r d i n gt ot h es y s t e m a t i cf i e l ds u r v e y i n g ，t h et h e s i ss u m m a r i z e d t h ee n g i n e e r i n gp r o p e r t i e so ft h el o w g r a d em e t a m o r p h o s e dr o c kh i g h s l o p e so fx i a m e n c h e n g d ue x p r e s s w a y ( f r o ms h u i k o ut od u y u n ) t h e m a p p i n gp r i n c i p l eo fs t e r e o g r a p h i cp r o je c t i o nw a su s e dt oa s c e r t a i nt h e d o m i n a n to r i e n t a t i o n so fd i s c o n t i n u i t i e s ，a n ds o m ep a r a m e t e r ss u c ha st h e r q d ( r o c kq u a l i t yo fd e s i g n a t i o n ) ，j r c ( jo i n tr o u g h n e s sc o e f f i c i e n t ) ， jo i n td e n s i t ya n dr o c km a s si n t e g r i t yw e r ec a l c u l a t e do nt h es p o t i tl a i d t h ef o u n d a t i o nf o ra s c e r t a i n i n gt h em e c h a n i c a lp a r a m e t e r so fr o c k s t r u c t u r e t h ex - r a yd i f f r a c t i o na n ds e mi m a g em e t h o d sw e r eu s e dt od e s c r i b e t h em i n e r a l c o m p o s i t i o na n dm i c r o - s t r u c t u r a l c h a r a c t e r i s t i c so ft h e l o w g r a d em e t a m o r p h o s e dr o c k t h em e c h a n i c a lp a r a m e t e r so f r o c kc 、 伊) w e r eg i v e nb yb a c ka n a l y s i s ，e x p e r i m e n ta n de m p i r i c a lm e t h o d b y c o n t r a s to ft h er e s u l t sm e t i o n e da b o v e ，ae f f i c a c i o u sm e t h o di nd i f f e r e n t c i r c u m s t a n c e sw a sa d v a n c e d b a s e do nt h ef i e l ds u r v e y i n ga n da n a l y s i s ，t h ef a i l u r em e c h a n i s ma n d c o m m o nf a i l u r em o d eo ft h el o w g r a d em e t a m o r p h o s e dr o c kh i g hs l o p e i ng u i z h o up r o v i n c ew e r ep r o p o s e d a f t e ras t a t i s t i c a la n a l y s i so ft h e p a r a m e t e r so ft h ed i s c o n t i n u i t i e sa n dr o c km a s sq u a l i t yc l a s s i f i c a t i o n ，a m a t h e m a t i c a lm o d e ls h o w e dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e ns l o p ef a c ea n d d i s c o n t i n u i t i e sw a se s t a b l i s h e da c c o r d i n gt os t e r e o g r a p h i cp r o j e c t i o n a c c o r d i n g t o h o e k b r a y st h e o r y , t h e f a i l u r em o d eo fs l o p ew a s i d e n t i f i e d ar a p i d ，q u a l i t a t i v ea s s e s s m e n to fl o c a la n do v e r a l ls t a b i l i t y w e r eg i v e nb a s e do ns m rm e t h o da n dm o d i f i e dc s m rm e t h o d f o rt h e d i f f e r e n tf a i l u r em o d eo fs l o p e ，aa p p r o p r i a t ep r o p o s eo fc o n s t r u c t i o n ， c o n s o l i d a t i o na n dp r o t e c t i o nw a sg i v e nb yas i m p l ee x a m p l e k e yw o r d s l o w g r a d e p r o j e c t i o n ，m e c h a n i c a lp a r a m e t e r ， p r o t e c t i o n m e t a m o r p h o s e dr o c k ，s t e r e o g r a p h i c s t a b i l i t ya n a l y s i s ，c o n s o l i d a t i o na n d l i 目录 摘要i a b s t r a c t i i 目录i 第一章绪论1 1 1 研究的目的和意义1 1 2 国内外研究历史及现状2 1 2 1 岩体力学参数确定方法3 1 2 2 边坡破坏模式分类矗。4 1 2 3 边坡稳定性分析方法5 1 2 4 边坡加固与防护技术7 1 2 5 目前存在的问题9 1 3 厦蓉高速公路( 贵州境) 工程地质特征l o 1 4 本文的研究内容及思路1 l 第二章浅变质岩系风化层边坡稳定性调查研究一1 3 2 1 浅变质风化岩的性质特点1 3 2 1 1 浅变质岩的形成过程1 3 2 1 2 浅变质风化岩的影响因素1 3 2 1 3 风化岩的分布特点及工程分类1 4 2 1 4 变质风化岩对边坡稳定性的影响1 5 2 2 浅变质岩边坡稳定性调查及分析1 5 2 3 重点地段边坡详测及数据处理18 2 3 1 节理几何参数的调查1 8 2 3 2 节理几何参数的统计与分析2 0 2 4 本章小结2 8 第三章浅变质岩系边坡物理力学参数试验研究2 9 3 1 浅变质岩的物理参数2 9 3 1 1 浅变质岩的矿物组成x 光衍射2 9 3 1 2 浅变质岩结构的s e m 试验3 0 3 1 3 矿物组成和结构对力学参数的影响3 2 3 2 力学性质试验3 3 3 2 1 室内试验3 3 3 2 2 室内试验结果分析3 9 3 2 3 原位试验与分析4 0 3 3 力学性质反分析法_ 4 2 3 3 1 反分析的基本概念4 2 3 3 2 反分析法的原理和主要思路4 3 3 3 3 依托工点的反分析计算4 5 3 4 经验法4 6 3 4 1r m r 和g s i 方法简介4 6 3 3 2 力学参数的计算结果5 0 3 5 本章小结5 1 第四章浅变质岩系边坡破坏模式识别与稳定性分析5 2 4 1 岩质边坡的破坏模式及机理5 2 4 1 1 边坡破坏模式分类5 2 4 1 2 结构岩体特征对边坡破坏模式的影响5 3 4 2 边坡破坏模式识别5 4 4 2 1 赤平极射投影法5 4 4 2 2 现场调查分析结果5 5 4 3 边坡局部稳定性分析5 7 4 3 1 边坡局部稳定性分析方法5 7 4 3 2 分析实例6 0 4 4 边坡总体稳定性评价6 1 4 4 1 影响边坡稳定的因素6 2 4 4 2s m r 评价方法及评价结果6 3 4 4 3c s m r 评价方法及其结果6 5 4 5 本章小结6 6 第五章公路边坡加固与防护设计方法研究6 7 5 1 公路边坡加固与防护6 7 5 1 1 边坡加固防护措施概述6 7 5 1 2 锚固框架梁6 8 5 1 3 抗滑桩6 9 5 2 公路边坡加固计算设计7 0 5 2 1 锚杆框架梁加固7 1 5 2 2 预应力锚索抗滑桩7 4 5 3 公路边坡防护7 7 5 3 1 边坡的防护类型及应用7 7 5 3 2 边坡防护措施设计原则及应注意的问题7 9 5 4 计算分析实例7 9 5 4 1 锚索框架梁有限元分析7 9 5 4 2 锚索抗滑桩有限元分析8 2 5 5 本章小结8 5 第六章结论与展望8 6 6 1 结论8 6 6 2 研究展望8 7 参考文献8 8 致 射9 4 攻读硕士学位期间的论文发表情况及科研情况9 5 一论文发表情况9 5 二参加科研及项目情况9 5 硕士学位论文第一章绪论 1 1 研究的目的和意义 第一章绪论 我国幅员辽阔，三分之二的国土为山地，特别是西部地区由于受青藏高原隆 升的影响，地形地质条件极为复杂。在开展道路工程建设时，不可避免的需要大 量开挖岩土体，形成高边坡。高边坡的稳定状况，对整个工程的安全性、经济性 及可行性起着重要的控制作用，并在很大程度上影响着工程建设的投资及使用效 益m 。高边坡由于受地形地貌、水文地质、外荷载、降水等不良地质条件的影响， 其力学机理比较复杂，评价模式多种多样，如果处理不当，极可能留下隐患，一 旦外界条件恶化，往往导致边坡失稳，形成滑坡和崩塌，后果不堪设想。 作为三大自然灾害( 地震、洪水和滑坡泥石流) 之一的滑坡，严重危及国家 财产和人民生命的安全，大量边坡工程在施工和使用期间都有过不少滑坡事故的 发生，导致了人员的伤亡，既使工程增加了投资，延误工期，又造成交通阻塞， 影响运营效益雎，。 长期以来，由于对工程边坡不重视，不愿事前花经费对其进行勘察、论证和 治理，使设计方案针对性不强。另外，目前的工程边坡设计仍然为非标准设计， 缺乏完善的设计规范，特别是坡比设计多为经验设计等，导致了失稳事件频发。 以本文的研究对象贵州山区浅变质岩系高速公路工程边坡为例，由于各方面原因 造成地质勘查不足，导致大量边坡设计变更。从贵州已建成的贵阳至新寨公路、 凯里至麻江、三穗至凯里及崇溪河至遵义高速公路来看，大量的工程变更都来源 于风化岩的路基、桥基和隧道，产生的工程变更费用占到总变更费用的5 0 以上。 例如三凯高速公路上的滑坡造成的工程变更如表1 1 所示盥1 ： 表1 1贵州山区浅变质岩风化层滑坡典型事例 滑坡名称或地点地层类型 边篙度 边篙围滑体( 7 y 体积m 3 )簟舅凳尹 k l1 0 + 9 8 0 k lll + 1 4 0 k 1 2 9 + 2 l o k 1 2 9 + 6 8 0 台烈小学滑坡 南约沟滑坡 王家寨滑坡 k 9 3 + 2 2 0 k 9 3 + 4 3 7 kl0 3 + 3 3 0 k10 3 + 4 5 0 变余砂岩风化层 变余砂岩风化层 变余砂岩风化层 变余砂岩风化层 变余板岩风化层 变余砂岩风化层 变余砂岩风化层 饼 狮 舢 姗 湖 伽 加 鳃 钉 加 掩 5 0 o 0 0 7 o 钉 如佗 怕 扒 佗 舍：加脚印的 序号一l 2 3 4 5 6 7 硕士学位论文第一章绪论 8 平溪特大桥滑坡变余板岩风化层 1 2 01 3 01 5 7 0 0 因此，对边坡正确的认识、合理的设计、适当的治理，把边坡失稳灾害降到 最低限度，是研究和设计人员必须重视的问题。目前我国边坡工程系统深入的研 究集中在水利水电、地质矿山等领域，而公路工程中的研究相对滞后，且停留在 理论分析上的多，用于实际工程的少，孤立专一的研究成果多，系统全面的成果 少。如何将这些理论方法和研究成果形成切实有效的实用技术和程序并应用于工 程实际当中，还有许多细致的工作要做。 本文以在建的厦蓉高速( 贵州境) 水口至都匀段工程高边坡为研究对象，从 工程生产实际出发，尝试对以浅变质岩为主的岩质工程高边坡从地质调查、岩体 力学参数获取、破坏机理和模式以及稳定性分析评价几个方面进行系统的研究， 来解决研究对象的工程实际问题，初步建立浅变质岩系风化层高边坡稳定性评价 体系，并为今后该类岩质边坡的设计和加固提供理论依据。 1 2 国内外研究历史及现状 人们对边坡稳定性的认识最早是从滑坡现象开始的，早期对边坡的研究多以 长期观测的资料为基础，采用地质历史分析方法进行定性描述。 19 世纪末2 0 世纪初，随着大规模土木工程建设的兴起出现了较多的人工边 坡，诱发了大量滑坡和崩塌后，人们才开始重视边坡失稳的危害，并开始借用工 程力学理论，进行半经验半理论的研究，主要从以下两个方面：一是由静力平衡 条件计算边坡极限状态下的稳定性，并出现过一系列简化的方法，如瑞典法、 b i s h o p 法、j a n b u 法、m o r g e n s t e m p r i c e 法，s a r m a 法等；二是从边坡所处地质 条件、影响因素和失稳现象上进行对比分析，着重对边坡地质条件的描述和类型 的划分，采用工程地质类比法评价其稳定性。 2 0 世纪6 0 , - - , 7 0 年代，几起灾难性的边坡失稳事件使人们逐渐认识到结构面 对边坡稳定性的控制作用以及边坡失稳的时效特征，并开始应用赤平极射投影法 来定性地判断边坡稳定性。同时我国学者也开始了较系统的岩体力学性质试验研 究，包括大型现场试验和室内试验，推动了岩质边坡稳定性研究的发展。随着对 边坡变形破坏过程和机理的研究，人们又提出了累进性破坏的观点，探索了不同 岩体类型岩质边坡的破坏机制和破坏模式，初步形成了岩体结构控制的观点拈3 。 2 0 世纪8 0 年代，计算机技术的逐步应用使得边坡稳定的数值计算方法取得 了长足的进步，数值和物理模拟手段被引入了边坡研究中，再现了边坡破坏的全 过程，从整体上和内部作用机理等方面对边坡进行全面的认识和评价。主要包括 有限单元法、考虑介质非连续分析法、系统分析法、可靠性分析等方法。 2 硕士学位论文第一章绪论 9 0 年代中后期，随着多媒体和网络技术的飞速发展，基于概率理论的摄动 随机有限元法和基于g i s 与g p s 的计算机仿真技术也逐步开始应用到边坡的稳 定性评价中。目前，数据库技术已用于世界滑坡的目录编制，干涉雷达遥感技术 和g p s 技术已用于边坡监测，g i s 技术已用于区域边坡稳定性的区划和评价。 可以预计，现代信息技术将在边坡稳定评价中发挥越来越重要的作用。 1 2 1 岩体力学参数确定方法 关于岩体力学参数的确定方法归纳起来主要有：反演分析法、试验方法、经 验折减法和工程类比法等。 ( 1 ) 反演分析法 鉴于边坡工程的复杂性和研究水平的限制，人们逐渐对边坡监测给予了高度 重视。由于不论是通过室内试验还是现场试验，所得到的力学参数对于整个大范 围内的工程而言，其代表性也是有限的，而随着岩体监测系统的方法和理论的不 断完善，岩体力学参数反演分析方法也飞快发展，根据现场监测的数据信息来反 演分析确定节理岩体力学参数的方法已得到了广泛认同。早期由k a v a n a g 和 c l o u g h 对多介质固体弹性常数的有限元反分析进行了研究抽1 。随后s a k u r a i 将反 分析实用化，对各向异性的非均质和多介质边坡岩体力学参数进行了反演研究 1 7 。s o n m e z 和u l u s a y 等对密集节理化岩体边坡破坏时的力学参数进行了反分析 研究随3 。周维桓、刘耀儒、陈欣等采用弹一黏弹塑性西原模型，依据监测成果和 地质勘查资料，对三峡船闸边坡岩体力学参数进行了反演分析，并对其稳定性进 行了三维有限元分析评价咖。徐卫亚和刘世君针对梯度类优化方法中梯度向量计 算量大且难以求解的问题，引入变分伴随向量，提出了岩石力学参数反分析的变 分伴随方法n 引。高永涛、张志增等对r b f 神经网络进行训练，利用现场监测数 据对边坡岩体的力学参数进行神经网络反分析，得出了较精确的结果1 。在受经 费及施工条件限制时，材料参数一般较难客观反映整个工程的实际情况，反分析 不失为一种好的处理方法。 ( 2 ) 试验方法 试验法是最为直接的获取岩体力学参数的方法，但通常室内试验得到的实际 上是完整岩块的性质，与现场试验结果有时会相差很大，而原位试验虽能较好地 反映岩体的自然特性，但常受地形条件、周期长、代价昂贵等限制，使得在具体 应用时有一定的局限性。陶振宇等进行了大量的原位实验，通过数据分析提出节 理化岩体原位试验的结果具有很大的离散性，不同试验方法所获得的结果有很大 差异n 玎。孙广忠采用不同尺寸的岩块进行试验，得出了岩体力学参数有随试件尺 寸增大而减小的尺寸效应，该效应在岩体抗压强度、抗拉强度、抗剪强度和弹性 硕士学位论文第一章绪论 模量等参数中均有体现n 射。r a m a m u r t h 研究了节理面与荷载对力学参数的影响， 证明了岩体变形模量和弹性参数等具有各向异性n 町。李建林等则根据岩体三轴卸 荷试验，研究了岩体抗拉强度与变形模量的各向异性n 们。张林洪对各种实验的结 果进行了总结分析，建立了节理抗剪强度公式n 6 1 。考虑到原位试验的困难，岩土 力学参数正在由过去的主要由室内和现场试验确定，发展到采用多种方法来结合 确定，如数值反分析、野外抽样和统计推断技术等，还有学者正尝试利用仿真模 型试验的方法来研究岩体力学参数。 ( 3 ) 经验折减法 大量研究表明，通过对节理岩体的质量进行评价，并充分考虑节理岩体的地 质因素时，可以得出比较符合某种地质条件的节理岩体力学参数的经验公式。目 前确定节理岩体质量指标的方法主要有r m r 法、q 系统法和我国的b q 法等。 k i m 和g a o 通过r q d 值来确定岩体变形模量与岩石弹性模量之比和岩石的单轴 抗压强度、节理间距及岩体开挖尺寸等因素之间的经验关系式n 刀。b i e n i a w s k i 建 立了岩体变形模量与r m r 值之间的关系式，采用多因素得分，评价岩体质量， 来获得岩体的力学参数“耵。b a r t o n 研究了q 分类值与变形模量之间的变化范围 n 训。r o m a n a 提出了用于边坡岩体质量分级的s m r 法乜伽。p a l m s t r o m 提出了根据 节理面的蚀变状况和粗糙度，节理尺寸和岩石块体平均大小来预测岩体抗压强度 系数的公式隆 。孙东亚、陈祖煜等针对s m r 法的不足，提出了具有我国特色的 边坡岩体质量分级的c s m r 法陋1 。经验折减法虽快速、经济，但是它以一定数 量的室内外试验资料为依据，通过回归等手段求出的经验公式，未能把较多的地 质描述引入其中，各经验公式在计算同一岩体时离散性很大，其精度还有待研究。 确定岩体力学参数的方法很多，采取原位试验方法无疑要比室内岩石试块试 验合理得多，但原位试验通常受各种条件限制，还存在一些尚待解决的技术问题， 经验折减法和反分析法是对试验法较好的补充。然而由于现有方法的局限性，有 许多宝贵的试验、监测和现场调查资料没有被充分利用，尽管这些因素是如何影 响岩体力学参数的尚不十分明确。通过已经积累的各种资料，为岩体工程的分析 和设计提供一个比较实用的岩体力学参数预测方法，来弥补经验公式和现场试验 方法的不足，是目前尚需解决的问题。 1 2 2 边坡破坏模式分类 边坡的变形破坏机理及地质力学模式是其内部作用过程和本质的体现，它直 接反映着边坡的稳定性状态。在工程实践中，可根据边坡的变形破坏机理与模式 来评价和预测边坡的变形发展和可能的破坏形态，并采取可靠有效的加固与防护 措施，因此对边坡破坏机理与模式的研究也显得尤为重要。v a m e s 按边坡岩土的 4 硕士学位论文第一章绪论 种类及运动形式提出了边坡运动简要分类表，被国际上广泛应用；g o o d m a n 和 k i e 虢r 通过对岩质边坡特征的研究，结合地质调查分析，深入讨论了不同岩体 类型岩质边坡的破坏机理幢钉。我国学者孙广忠将边坡的变形破坏形式分为圆弧滑 面、顺层面滑动、倾倒变形边坡、楔形体、溃屈破坏边坡、复合型滑面、斜坡开 裂变形体、崩塌碎屑流和堆积层滑坡等几种形式。国标( g b 5 0 3 3 0 2 0 0 2 ) 对岩 质边坡的破坏形式进行划分，该方法较适用于坡高小于3 0 m 的工程边坡幽1 。赵 长海等结合国际上通用的边坡破坏模式，采用五分法将其划分为崩塌、倾倒、滑 动、流动、侧向扩展拉裂等五种主要类型汹1 。陈祖煜和汪小刚等通过国内外大量 的现场调研分析，将地质分析与岩体力学分析相结合，深入研究了边坡变形破坏 演化的一般规律，将岩质边坡的破坏模式分为圆弧破坏、平面破坏、楔体破坏和 倾倒破坏等几种主要类型。 1 2 3 边坡稳定性分析方法 边坡稳定性分析方法很多，按其理论基础和分析原理可分为极限平衡分析 法、极限分析法、随机理论分析法、人工智能方法、数值分析法等。 ( 1 ) 极限平衡分析法 极限平衡法是当前国内外应用最广泛的边坡稳定性分析方法，它假定边坡沿 某个滑动面破坏，且在该面上满足m o h r - c o u l o m b 破坏准则，再由滑移体的静力 平衡条件导出安全系数计算式。当滑移面为简单平面时，静力平衡计算可采用解 析法计算来获得解析解；若滑移面为圆弧、对数螺旋线或任意曲线时，无法获得 解析解，通常采用条分法来求解。边坡稳定性分析是一个超静定问题，必须作一 些假定才能求得安全系数。由于假设的条件与应用的方程不同，条分法又分为严 格条分法和非严格条分法。严格条分法通常满足所有力平衡条件，包括 m o r g e n s t e m p r i c e 法、s p e n c e r 法、s a r m a 法和c o r r e i a 法；非严格条分法通常是 假定条间力的方向，包括瑞典法、简化b i s h o p 法、简化j a n b u 法、陆军工程师 团法和不平衡推力法等。除了以上的边坡二维稳定性分析方法，c h e n 和 c h a m e a u ，m i c h a l o w s k i 、l a m 和f r e d l u n d ，f a r z a n e h 和a s k a r 采用了更多的假定 对边坡三维稳定性分析进行了探讨瞳2 刀。姜清辉等、陈祖煜等、李同录等、张均 锋等对都边坡三维稳定性分析方法进行了深入研究陟蛳。目前边坡三维稳定性分 析方法基本上都是针对均质简单边坡，所假定的滑动面也较简单，而实际工程中 却复杂得多。 ( 2 ) 极限分析法 极限分析法是运用塑性力学中的上、下限定理来求解边坡的稳定问题。上限 法常假设一个滑裂面，将土体视为刚塑性体并分成若干块来构造一个协调位移 5 硕+ 学位论文第一章绪论 场，并假设滑裂面为对数螺旋线或直线，根据虚功原理求解滑体处于极限状态时 的安全系数；下限法则是在计算过程中构造一个合适的静力许可的应力分布，用 应力柱法或不连续法来求得问题的下限解，结果偏安全。d r u c k e r 和p r a g e r 最先 对边坡进行了极限分析，假定滑裂面为直线破裂面，用一个满足平衡条件且在任 意点都不违背屈服准则的假想应力场确定了破坏荷载的一个下限，而上限是通过 一个与流动法则相容的速度场得到的。陈惠发假定破裂面为对数螺线，根据线性 m o h r - c o u l o m b 破坏包络线对各向同性、匀质的以及各向异性、非匀质的边坡稳 定问题进行了极限分析，得出了上限解口。目前，该方法已逐步发展成为上限有 限元法与下限有限元法，不需假定滑面，从而扩大了应用范围。 ( 3 ) 随机理论分析法 由于边坡工程的复杂性，使得除了考虑岩土体的应力应变关系外，还需考虑 诸如岩体性质、荷载大小、破坏机理等不确定因素的影响。有许多学者曾用随机 理论方法对边坡的失效概率和可靠性进行过研究：m a t s u o 和k u r o d a ， m o r l a - c a t a l a n 和c o m e l l 等曾对土质边坡作过了典型随机理论方面的研究口2 3 3 1 。 d o d a g o u d a r ，v e n k a t a c h a l a i n 和g i a s i 论述了概率方法在岩质边坡中的应用，在考 虑边坡随机不确定性的同时，又利用了模糊不确定性对边坡的稳定性进行了研究 3 5 1 。s c a v i a 等利用随机理论对岩石边坡的倾倒破坏概率进行了探讨m 1 。 c h o w d h u r y 和x u 从不同的角度，利用系统可靠性分析法研究了边坡的可靠性p 7 1 。 我国起步较晚，8 0 年代才开始研究，王家臣、包承纲和陈昌富等人在这方面作 了许多研究工作d m l 。杨建贵等提出了计算边坡稳定的模糊随机可靠度算法h 。 谭文辉和裴永刚等则将模糊随机可靠性方法进行了改进，并在实际工程中进行了 应用研究h 2 1 。随着计算机运算速度提高，采用有限元方法进行边坡可靠性分析也 取得了较好得效果。 ( 4 ) 人工智能方法 影响边坡稳定性因素除了岩土材料性质、地质条件、大气环境外，还与人类 生产和生活活动等因素密切相关。所有这些因素都是处在不断运动和变化中，它 们是时间和空间的复杂函数，且其函数形式大多无法确定。边坡工程的分析评价， 无论是从影响因素的择取、岩土参数的量测，边坡工程实际上都是一个动态的、 模糊的、开放的复杂非线性系统，传统分析方法有时难以对复杂边坡的稳定性做 出准确的评价。因此一些学者将人工智能方法( 如模糊系统理论和人工神经网络 模型) 用于边坡评价。李文秀、李彰明、丰土根等建立了基于模糊系统理论的边 坡稳定性分析方法陋拍1 。 ( 5 ) 数值分析法 目前常用的数值模拟方法有有限单元法、快速拉格朗r 差分法( f l a c ) 、边 6 硕士学位论文第一章绪论 界元法、离散单元法( d e m ) 、流形元法、非连续变形分析法( d d a ) 以及各种 耦合计算方法等。有限单元法( f e m ) 和边界单元法( b e m ) 是边坡稳定性分 析最为常用的数值分析方法，其优点是不仅能算出边坡体内每一点的应力，而且 还能算出其位移，克服了其他方法不能分析边坡变形的缺点。随着描述岩土介质 的本构模型由弹性、弹塑性不断地向黏弹性、黏塑性和黏弹塑性方向发展，特别 是g o o d m a n 单元的引入解决了含有节理和断层的边坡有限元模拟问题，目前可 以在计算机上模拟确定岩体的裂隙网络的结构特征参数、定量评价岩体的质量、 力学参数，并仿真模拟边坡的应力场、位移场、形成演化过程、人工开挖过程以 及加固与防护结构的作用等。马洪生应用非线性数值模拟法分析了公路边坡的应 力、应变和塑性区分布规律m 。黄润秋利用现场监测数据，对边坡施工全过程进 行了数值模拟，提出了对边坡变形破坏的控制技术。郑颖人等提出了强度折减有 限元法，为边坡稳定性评价提供了一条新的途径m 。随着各种界面友好、使用方 便和前后处理功能强大计算软件的推出，如a n s y s 、a d i n a 以及f l a c 等，使 得边坡数值模拟技术的发展更加迅速。 ( 6 ) 其他方法 一些非确定性分析方法在边坡分析中的应用也很普遍，如系统分析方法、可 靠性分析、灰色系统理论、模糊分级评判方法、物理模型方法、人工神经网络分 析方法、遗传进化算法、分形几何技术、损伤断裂力学理论、分叉与混沌理论等。 特别是现场监测分析法，在评价预测的同时又能对加固效果进行检验，为施工的 安全保护提供及时的信息。 上述方法中，极限分析法概念清楚、理论严格，但难以处理外形、分层和外 载复杂的边坡。数值分析法依据岩土体的本构模型，不仅能算出边坡体内每点的 应力和位移，同时还能考虑复杂的外形、分层和外载情况，但由于岩土体的复杂 性，不易找到真实反映岩土体的应力一应变关系的本构模型，且模型中参数多且 取值难，致使计算结果往往与实际不符。随机理论分析法充分考虑了岩土体的复 杂性和不确定性，以破坏概率或可靠性指标来评定边坡，为稳定性分析提供了新 的途径，但如何建立分析模型和获取统计参数，尚待研究。极限平衡法虽然没有 考虑土的应力历史、材料的非线性、边坡内岩土体行为的变化和加载过程等因素， 且不能反映滑动面上安全系数的变化和预测破坏的发生发展过程，但因其具有计 算模型简单、计算方法简便和结果能满足工程需要，且积累了大量工程实践经验 等优点，仍然是边坡工程分析与设计中最有效和实用的分析方法。 1 2 4 边坡加固与防护技术 边坡的支挡与防护结构包括挡土墙、抗滑桩、土钉墙、锚杆与锚索框架梁等 7 才等从断裂力学角度分析了锚杆对裂隙岩体的加固机制钆删。随着有关锚索支护 机理的研究不断深入和数值模拟技术的发展，有限元数值方法在边坡锚杆设计中 得到了广泛的应用，并逐步趋于完善。 ( 3 ) 挡土墙方法 挡土墙是为了保证填土位置或挖方位置稳定而修筑的一种永久或临时性的 8 硕士学位论文第一章绪论 支挡构造物，其种类较多。国内外学者的研究主要集中在关于挡土墙压力大小和 分布的问题上，根据挡土墙墙背位移与土压力的关系曲线，常分为两个方面：一 是假定墙背土体处于极限平衡状态。c o u l o m b 创立了土体极限平衡理论后，很多 学者假设破裂面为圆弧面、对数螺旋曲线面等，将破坏土体分为许多复杂形状并 结合塑性理论求得破坏区的应力场和速度场，实现对土压力的计算，并具有很大 的合理性；二是假定土体处于静止以及正常使用的状态。b i a r e z 首次考虑墙体变 形来确定土体处于弹性平衡状态时挡墙上的土压力。s h r i e f 等对刚性挡墙在静止 和运动时的土压力系数进行了测定，给出了工程设计的静止土压力系数经验公 式。c l o u g h 和d u n c a n 首先提出了挡土墙的有限元分析。目前对非饱和土压力问 题的研究使土压力理论扩展到一个新的领域哺。翻。结合数值模拟计算方法，对挡 土墙稳定性分析、倾覆破坏分析和地基承载力的计算也在进行深入的研究。 ( 4 ) 锚杆与锚索框架梁方法 现浇混凝土框架梁与锚杆或锚索复合加固作为一种主动抗滑体系，在锚索受 预应力时，将力通过框架梁传到坡面上使其受压，产生抗滑力来稳定坡体。目前 国内的研究主要集中在对框架梁的受力机理和设计理论上：蒋楚生采用w i n k l e 地基模型，将正交锚索框架梁简化为受集中力的弹性地基梁，对其变形和内力分 布进行了计算旧1 。朱彦鹏、郑善义等考虑支护结构与岩土体的相互作用，提出了 一种侧移控制的设计方法来合理确定施加预应力的大小。刘小丽、张占民等对 预应力锚索框架梁的不同工作阶段和受力状态进行了详细分析，提出了一种极限 状态设计方法汹1 。杨明、胡厚田等分析了锚索框架结构的受力特征，通过现场试 验加以验证，提出锚索框架的弹性地基梁计算模式删。肖世国等人指出，格构梁 在预应力锚索的张拉阶段和工作阶段的受力存在差异，并采用了弹性半无限空间 地基模型来计算框架梁的受力唧。方理刚、段靓靓、梁锴等通过建立横观各向同 性岩质边坡与预应力锚索框架梁相互作用分析模型，对锚索锚固角度以及力学参 数进行研究，提出了层理的方向性对支护结构的影响规律。 1 2 5 目前存在的问题 随着我国公路交通设施建设的规模愈加变大，边坡的高度越来越大，形状越 来越复杂，使得工程中出现了一些新情况和新问题，加上在原本的研究领域还有 不少亟待解决的问题，使得有关公路边坡稳定性的分析研究依然任重道远。概括 起来，有如下几个方面问题值得关注： ( 1 ) 人们对边坡岩体的认识依然不足，对地质工作的研究依然重视不够。 具体体现在研究中对边坡形成演化、赋存的地质环境条件等基础工程地质工作 不够重视，出现只注重追求理论计算精度，忽视力学模型中的参数测试和取值， 9 硕士学位论文第一章绪论 使得数理力学模拟同实际的工程地质基础和地质概念模型脱节的现象删。 ( 2 ) 针对边坡的岩体质量分级方法较少且不完善，需结合工程实际进一步 深入研究。工程边坡设计缺乏一套完善的设计规范。现阶段我国的边坡设计过 多依赖理论分析和经验判断，对实地勘查和室内外试验重视不够，缺乏足够的 科学依据，造成方案针对性不强，设计保守等问题。 ( 3 ) 在山区大量修筑高等级公路是近年来的事，经验积累较少，加上设计 周期短，施工工期紧，致使勘察设计考虑不周，造成了许多边坡失稳事故，一 旦发生滑坡，为赶工期一般很快就处理掉了，而对滑坡的深层发生原因和形成 机理调查不够，往往是有了教训，却没得到经验。 1 3 厦蓉高速公路( 贵州境) 工程地质特征 厦门至成都高速公路( 厦蓉高速) 是国家高速公路“7 9 1 8 网中的第1 6 横， 在贵州境内分7 期建设，其中正在设计和施工的水口( 桂黔界) 至都匀公路，是 贵州向东南方向辐射的第一条高速公路，直接覆盖了两个地州市的7 个市、县。 该区域多为少数民族聚居区，风景优美，历史民族文化资源丰富，但由于长期交 通闭塞，导致生产力落后。本项目的建成通车将其和贵阳、桂林、广州等重要的 经济节点紧密联系起来，不仅能拉动该地区经济、旅游发展，更能极大的促进临 近区域乃至整个贵州省的资源开发和招商引资与对外开放，对于推进西部大开发 战略的实施具有十分重要的作用，见图1 1 ： 图1 - 1 厦蓉高速及水口( 桂黔界) 至都匀公路 贵州省地处云贵高原，境内山脉众多，重峦叠峰，绵延纵横，复杂的地质地 貌条件给公路建设造成很大困难，对工程投资、施工工期以及施工安全造成了较 大影响。其中水口( 桂黔界) 至都匀高速公路全长约2 0 7 公里，该路段绝大部分 位于侵蚀切割山岭地貌，山顶高程多数在9 0 0 m 以上，相对高差最大达2 0 0 多米， 山体坡度一般约为4 0 6 0 ，线路多以直线从中低山边缘开挖通过。开挖山坡坡 l o 硕士学位论文第一章绪论 面植被发育，主要以灌木、杂草为主，覆盖率达9 0 以上。坡区主体一般为残坡 积亚粘土夹少量强风化砂质板岩碎块，上部常为板岩全风化而成，下部为强、弱 风化砂质板岩，节理裂隙均较发育。这些沿线广泛出露的元古界浅变质岩风化层 对路基边坡的稳定性、隧道的安全性以及桥梁基础稳定性造成了很大影响。本项 目地形地质情况复杂，桥隧比高，造价高，堪称贵州省高速公路历史上最艰巨复 杂的工程。 1 4 本文的研究内容及思路 本文依托厦蓉高速( 贵州境) 水口至都匀段高速公路进行研究，针对浅变质 岩风化层的工程特性，对边坡破坏机理和模式进行研究判断，并通过反分析、试 验和经验等方法获取边坡力学参数值，对边坡进行稳定性的分析和评价，为今后 该类岩质边坡的设计加固提供参考依据。 一工程地质分类和边坡几何特征研究 通过对地形地貌、地层岩性、地质构造、水文地质条件、不良地质现象等基 本地质情况的调查，并记录边坡产状、几何特征，完成边坡调查统计表，确 定该区域的地质特征，初步判断其对边坡稳定性的影响。对重点地段的边坡情况 进行详勘，获得边坡的结构面数据，利用赤平极射投影方法对其进行统计分析， 确定其结构面的优势产状、边坡的几何特征，判断边坡可能的破坏类型，定性地 为稳定性评价服务。 二浅变质岩的矿物组成和微观结构研究 通过x 光衍射分析浅变质岩