（地质工程专业论文）基岩山区公路路堑边坡的稳定性研究.pdf

摘要 在基岩山区修建高等级公路时难免需要对原始地形挖方，从而导致公路路堑边坡失 稳的现象比比皆是，其中很大一部分原因是由于人们对岩质边坡的破坏模式判断有误， 以及对稳定性计算不够准确，这也与岩质边坡中节理的随机性和隐蔽性有很大关系。以 至于设计时很难把握治理的分寸，治理不足会留下安全隐患，治理过当则会造成浪费， 有的甚至采用了不恰当的治理方式。由此看来边坡稳定性评价是边坡治理工程的基础环 节，能否客观准确地评价边坡稳定性又是治理工程成败与否的重要环节。 论文就岩质边坡稳定性进行评价，首先通过搜集总结前人的研究资料，归纳总结了 现阶段岩质边坡稳定性评价方法，包括已经被公认并用于实际工程的方法，如图表解析 法、极限平衡法、数值模拟法等，以及还在探索、验证阶段的方法，如h s m r 法、可 靠度分析法、智能计算方法( 神经网络、模糊逻辑、遗传算法) 等。然后对公路岩质边 坡进行分类，分析了每种类型边坡可能发生的破坏模式，及挖方工程可能引发的破坏模 式。并采用有限元强度折减法对层状和块状结构边坡进行模拟，采用离散元对碎裂结构 边坡模拟，得出各因素( 坡型因素、材料参数等) 对边坡稳定性影响程度，及破坏模式 判据。最后，以河南新( 乡) 济( 源) 公路两处岩质边坡为实例，采用有限元强度折减 法进行稳定性分析评价并对破坏模式进行预测，并总结性提出了针对滑动破坏和崩塌破 坏相应的防治措施。 关键词：山区公路，路堑边坡，数值模拟，稳定性分析 a b s t r a c t w h e nt h eh i g h g r a d eh i g h w a y sh a v e b e e nc o n s t r u c t e di nt h eb e d r o c km o u n t a i nt e r r a i n ，i t w i l li n e v i t a b l yn e e dt oe x c a v a t et h eo r i g i n a lt e r r a i n r e s u l t i n gi nt h eh i g h w a ys l o p ei n s t a b i l i t y s i g n sa r ee v e r y w h e r e m u c ho ft h er e a s o ni sd u et op e o p l ej u d g et h ef a i l u r em o d eo fr o c k s l o p ei n a c c u r a t e ，a sw e l la st h ec a l c u l a t i o no fs l o p es t a b i l i t yi sn o ta c c u r a t ee n o u g h i ti sa l s o b e c a u s eo ft h e j o i n t s s t o c h a s t i ca n d h i d d e ni nt h er o c ks l o p e s ot h a ti ti sd i f f i c u l tt og r a s pt h e s e n s eo fm a n a g e m e n ti nd e s i g n ，m a n a g ei n a d e q u a t ew i l lr e m a i ns a f e t yp r o b l e m ，m a n a g e e x c e s s i v ew i l lr e s u l ti nw a s t e ，a n ds o m e t i m ea r ee v e n u s et h ei n a p p r o p r i a t em a n a g e m e n t b y t h i st o k e n ，t h es l o p es t a b i l i t ye v a l u a t i o ni st h eb a s ep a r to fs l o p em a n a g e m e n te n g i n e e r i n g ， a n do b j e c t i v ea n da c c u r a t ee v a l u a t i o no f s l o p es t a b i l i t yi st h ei m p o r t a n tp a r to ft h es u c c e s so r f a i l u r eo fm a n a g e m e n te n g i n e e r i n g t h e s i sb a s e do nt h er o c ks l o p es t a b i l i t ye v a l u a t i o n , t h r o u g hc o l l e c t i n gt h ep r e v i o u s r e s e a r c hd a t a f i r s t ，s u m m a r i z eo ft h er o c ks l o p es t a b i l i t ye v a l u a t i o nm e t h o d sa tt h ep r e s e n t s t a g e i n c l u d i n gt h em e t h o d sw h i c hh a sb e e nr e c o g n i z e da n db e e nu s e di nt h ea c t u a l e n g i n e e r i n g ，s u c ha sc h a r ta n a l y s i sm e t h o d ，l i m i te q u i l i b r i u mm e t h o d ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n a n ds oo n a l s oi n c l u d i n gt h em e t h o d so fe x p l o r e s t a g ea n d v a l i d a t e s t a g e ，s u c ha sh s m r , r e l i a b i l i t ya n a l y s i s ，i n t e l l i g e n tc o m p u t i n gm e t h o d s ( n e u r a ln e t w o r k s ，f u z z yl o g i c ，g e n e t i c a l g o r i t h m s ) a n ds oo n t h e nc l a s s i f i e dt h eh i g h w a yr o c ks l o p e ，a n da n a l y z e dt h ef a i l u r em o d e s o fe a c ht y p es l o p e sa n dw h i c hc a u s e db yt h ee x c a v a t i o nw o r k a n du s i n gt h es t r e n g t h r e d u c t i o nf e mt os i m u l a t et h el a y e r e da n dm a s s i v es t r u c t u r es l o p e ，a n du s i n gd i s c r e t e e l e m e n tt os i m u l a t et h ef r a g m e n t i z e ds t r u c t u r es l o p e o b t a i n i n gt h ee v e r yf a c t o r ( s u c ha s s l o p ee x t e r n a l i t yf a c t o r s ，m a t e r i a lp a r a m e t e r s ，e t c ) i m p a c td e g r e eo fs l o p es t a b i l i t ya n di t s f a i l u r em o d e sc r i t e r i o n a tl a s t ，t h e r ea r et w or o c ks l o p e sa se x a m p l e si nt h eh i g h w a yf r o m x i n x i a n gt oj i y u a ni nh e n a np r o v i n c e u s i n gt h es t r e n g t hr e d u c t i o nf e mt oa n a l y z ea n d e v a l u a t et h es l o p es t a b i l i t ya n dp r e d i c tt h ef a i l u r em o d e s u m m i n gu pt h ec o r r e s p o n d i n g c o n t r o lm e a s u r e sf o rs l i d ea n dc o l l a p s ed e s t r u c t i o n k e yw o r d s ：m o u n t a i nr o a d ，c u ts l o p e ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，s t a b i l i t ya n a l y s i s 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何 未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 够绛 2 0 0 9 年j 月7 0 日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名： 导师签名： 彦黟 2 0 0 9 年歹月；钼 2 0 0 9 年厂月岁) 日 长安大学硕上学位论文 1 1 问题的提出 第一章绪论 公路作为陆上交通运输的重要方式，其特点是灵活机动、迅速方便以及能够提供“点 对点 的运输服务，对国家经济建设起着举足轻重的作用。然而建国初期，国家对公路 运输在国民经济中的基础性和重要性认识不足，公路建设长期滞后，并且由于修建公路 的等级较低，公路的走势基本顺着地形而变化，挖填方量较小，从而对边坡的研究投入 较少，致使对边坡防护的研究发展缓慢，当时针对此类研究主要集中在铁路及水利水电 工程中。2 0 世纪8 0 年代以后，我国经济全面发展，公路基础设施成为国民经济建设中 亟待解决的薄弱环节，而公路边坡治理是公路建设的首要问题，在这个时候出现一系列 针对公路边坡灾害的专题研究。随着经济持续、稳健地向前发展，人们对公路的需求越 来越大，等级要求越来越高，然而我国国土面积广袤，地形地貌条件复杂多变，当公路 穿越山区时，不可避免需要采用高填深挖的工程措施，越来越多的边坡灾害问题制约着 公路的建设，如何采用安全、经济的措施治理边坡成为公路建设的关键问题之一。 但通过实地调查发现，在西南山区公路中，约有2 0 左右的边坡采取了不恰当的加 固与防护措施【l 】。有些边坡加固防护“过度 ，有些边坡则加固防护不足。前者造成了人 力物力的巨大浪费，后者则不能有效地保证边坡安全，导致人民群众生命财产的损失。 因此，对边坡的破坏模式和稳定性判断准确，才能更加合理地指导边坡的加固与防护设 计，具有重要的理论和实际意义。 边坡治理首要的任务是对边坡失稳破坏模式的准确判断及其稳定性做出科学合理 的评估，它是整个治理过程的基础。现阶段虽然有大量针对某一特定边坡或对边坡的某 一特定影响因素的专项研究，也取得了不少科技成果，有的甚至在国际上都处于领先水 平。然而不同边坡之间差异性较大，不同技术人员对同一边坡的稳定性评价结果也多有 不同，加之技术人员对新方法的认可度不同，使其成果普遍适应性不强，很难被广泛用 于工程实践f 2 】【4 】。 由此，本论文将依托西部交通科技项目及多项公路边坡研究治理项目，在对基岩山 区路堑边坡的类型、破坏模式及稳定性评价技术进行归纳总结的基础上，采用数值模拟 方法对公路路堑边坡实例进行评价判断。 第一章绪论 1 2 公路路堑边坡稳定性国内外研究现状 国外对边坡稳定性的研究起步较早，而国内边坡稳定性评价大多参考国外已成熟的 方法，并根据国内情况进行修正。在边坡的稳定性评价方面，土质边坡的评价方法相对 比较成熟，除了传统的图表分析、力学计算方法，数值模拟已逐渐成为评价土质边坡稳 定性最主要的方法【5 h 6 】【7 1 。对于公路岩质边坡，由于其节理的不确定性造成稳定性评价 困难，近几年从其他专业引入新的思想从而形成新的评价方法，如边坡风险性分析、灰 色系统、智能计算法等，虽然都还需要用工程实践去证明、修正，但已给我们指引了岩 质边坡稳定性评价的新路子。 边坡稳定性评价一直是公路边坡工程的一项重要内容，也是边坡工程设计和施工的 基础。随着我国经济发展，尤其是国家制定西部大开发发展战略以来，对公路的需求不 论从数量还是等级上都有很大程度提高，山区工程活动的增多，使边坡稳定性问题成为 主要的工程地质问题之一。为此，众多学者致力于边坡稳定性的研究，在该领域也取得 了较多成果，提出了多种公路岩质边坡稳定性评价方法【8 h 2 8 1 。 对岩质边坡的稳定性研究一般采用现场监测、理论分析、物理模型实验、数值模拟 分析四种方法。其中现场监测需耗费大量的人力、物力，监测周期长，且对于公路这种 线性工程，需要监测的边坡较多，加之边坡破坏的位置不确定，难以做到准确、有效的 监测。理论分析方法早期是根据传统力学进行分析计算，如极限平衡分析，或采用图表 方法进行对比分析，如赤平投影、实体比例投影，但当边坡条件较复杂时，采用这种理 论分析不但工作量大，而且分析结果与实际情况也存在较大的差别。在现代化工程中， 电子信息化技术也显得尤为重要，不仅可以通过计算机进行数据采集、分析，更可以用 计算机仿真模拟实际工程边坡，从而提高计算效率，而且能够从结果看出边坡岩土体变 性特征及破坏方式，为工程预测提供依据【8 1 【1 0 】。国内学者【3 6 1 1 3 7 】还根据水利水电中使用的 c s m r 法提出了适合公路岩质边坡的h s m r 法。近些年出现了许多结合其他专业的新 方法，如边坡破裂面的遗传算法、可靠度分析等，充分体现了边坡研究方法逐步迈向新 的阶段。本文将现有的各种评价方法进行分类总结，包括定性分析方法、刚体极限平衡 分析法、数值模拟分析法及非确定性分析法。 定性分析方法 定性分析方法主要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等的分析，对已变形地质体的成因及其演化史进行分析， 2 长安大学硕一k - 学位论文 从而给出被评价边坡一个稳定性状况及其可能发展趋势的定性的说明和解释。其优点是 能综合考虑影响边坡稳定性的多种因素，快速地对边坡的稳定状况及其发展趋势作出评 价。常用的方法主要有下面几种：工程地质类比法、查表法、模型分析法及适用于岩质 边坡的图解分析法和h s m r 评价方法【3 6 1 。 刚体极限平衡分析法 刚体极限平衡分析法用于土体和岩体时的基本思想有所不同，对于土体而言一般认 为其破坏是由于沿软弱面发生滑动造成的，滑动面上的土体服从破坏条件。假设滑动面 已知，其形状可以是平面、圆弧面、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，确定沿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面发生滑动时的破坏荷载。目前适用 于滑动破坏的稳定性分析有多种极限平衡条分分析方法，如f e l l e n i u s 法、b i s h o p 3 1 】法、 j a n b u l 3 3 】法、m o r g e n s t e m p r i n c e 3 2 1 法、s p e n c e r 法、s a r m a 法、王复来法、陈祖煜法等。 对于岩体则认为其破坏多是由不连续结构面控制，其极限平衡法仍然采用经典力学 模型进行计算，近年来很多学者【4 5 】小9 1 所提出的强度折减法已得到工程界的认可，并广 泛用于实际工程，取得了较好的效果。 数值模拟分析法 对于边坡有限变形失稳模式，主要分析方法基于数值计算手段。岩土数值模拟一般 分为连续介质模拟( 有限元、边界元、显式有限差分法等) 和非连续介质模拟( 块体理 论、离散元、刚体弹簧元、块体元、界面元、不连续变形分析方法等) 两大类别。 有限单元法是最早应用于边坡岩土体稳定分析的数值分析方法，也是目前最广泛使 用的一种数值分析方法。7 0 年代以来，各种有限元方面的论著及论文很多，到目前为止 已开发了许多种采用不同算法的二维及三维有限元分析程序，可以用来求解弹性、弹塑 性、粘弹塑性、粘塑性等问题。有限单元法的优点是部分地考虑了边坡岩体的非均质和 不连续性，可以给出岩土体的应力、应变大小和分布，避免了极限平衡法中将滑体视为 刚体而过于简化的缺点。能近似地从岩土体的本构关系去分析边坡的变形破坏机制，分 析最先和最容易发生屈服破坏的部位和需要首先进行加固的部位等。有限元法还可以进 一步考虑层状介质边坡体的流变效应、渗流效应、孔隙水压力与土体颗粒之间的相互作 用、滑动面上的压、剪应力随时间的增减变化过程、塑性屈服过程、加工硬化与膨胀软 化过程等力学性态，但对于大变形求解、岩体中不连续面、无限域和应力集中等问题的 3 第一章绪论 求解还不理想。 离散单元法是将所研究的区域划分成一个个分离的多边形块体单元。这些单元从性 质上分，可以是刚性的，也可以是非刚性的：从几何形状上分，可以是任意多边形，也 可以是圆形。单元之间可以看成角角接触、角边接触或边边接触，而且随着单元的平 移或转动，允许调整各个单元的接触关系。块与块之间没有变形协调的约束，但需满足 平衡方程。如果某块体f 在重心处的合力和合力矩m 不等于零，则处于不平衡状态，不 平衡力和不平衡力矩使块体根据牛顿第二定律的规律运动。块体的运动不是自由的，它 会遇到邻接块体的阻力。这种位移和力的作用规律就相当于物理方程，即本构方程，它 可以是线性的，也可以是非线性的。计算按照时步迭代并遍历整个块体组合，直到每一 个块体达到平衡状态，不再出现不平衡力和不平衡力矩为止。这种方法用于解决非连续 介质大变形问题，分析被结构面切割的岩质边坡的变形和破坏过程是非常实用的。 块体系统不连续变形分析( d i s c o n t i n o u sd e f o r m a t i o na n a l y s i s ，d d a ) 是基于岩体介 质非连续性发展起来的一种崭新的数值分析方法。d d a 理论的基本思想是：以自然存 在的节理面( 或断层等) 切割岩体形成不同的块体单元，单元的形状可以是常见的规则 形状，也可以是形状较为复杂的多面体( 如凹形体) ，甚至可以是其内部有空洞的多连 通多面体；以各个块体的位移为未知量，通过块体间的接触( 接触形式多样化) 和几何 约束形成一个块体系统；单元体受不连续面的控制，在单元块体运动的过程中单元之间 可以接触，也可以分离，单元体之间的力通过块体接触作用而相互传递，其大小可以根 据“力一位移关系求解；在块体运动的过程中，严格满足块体间不侵入和无拉伸条件。 将边界条件和接触条件等一同施加到总体平衡方程：总体平衡方程由系统的最小势能原 理求得；求解方程组即可得到块体当前时步的位移场、应力场、应变场及块体间的作用 力。反复形成和求解总体平衡方程式，即可得到多个时步后块体的位移应力及变形情况。 通过如此实施计算，也可求得块体系统最终达到平衡时的应力场及位移场等情况以及运 动过程中各块体的相对位置及接触关系。因此，d d a 法可以模拟出岩石块体的移动、 转动、张开、闭合等全部过程。据此，可以判定出岩体的破坏程度和破坏范围，从而对 岩体的整体和局部的稳定性作出正确的评价。 采用数值模拟计算一般包括以下几个步骤： a 、模型的概化 由于考虑到边界对数值计算结果的影响，边坡数值计算模型的边界在充分考虑其所 处的地质环境的情况下，应该选取的足够大。如果边坡中存在较薄的软弱夹层、滑动面， 4 长安大学硕士学位论文 应将其设为摩擦单元，其他地层设为实体单元。 b 、参数的选取 边坡数值计算参数的取值，应在现场试验及室内试验成果的基础上，并参考相似边 坡数值计算的经验，最终调整该边坡的数值计算参数。在必要的情况下，数值计算参数 需要多次重复试算，才能得到比较合理的边坡数值计算参数。 c 、网格的划分 边坡数值模型网格的划分要遵循“有疏有密的划分原则。即在网格大小对数值计 算成果影响不大的地方，采取网格粗分，如厚大的同一岩土层；在网格大小对数值计算 成果影响较大的地方或计算者比较关注的地方，采取网格细分，如软弱夹层、滑动面等， 依据此原则划分网格，既节约计算资源又不影响计算成果所反映的一般规律。离散元一 般没有网格划分，计算时只需设置节理，各块体被视为不变形的刚体。 d 、边界的约束 边坡数值模型的约束应在充分考虑边坡数值模型的边界范围及其与周边地质体的 相互关系后最终确定。按约束方向可将边界约束分为水平方向约束、垂直方向约束、任 意方向约束等。按约束性质边界可将边界约束分为力的约束和位移约束等。 e 、初始应力 由于边坡处在一定的地质环境当中，尤其是高大的岩石边坡中的地应力对边坡的影 响不容忽视，因此在边坡计算模型中应考虑地应力。如果存在其他对边坡产生影响的外 部荷载，也应在边坡计算模型中做为初始应力加以考虑。 f 、求解 根据对数值计算成果的不同要求，可采用单步求解或多步求解的方式进行。也可根 据模型单元和参数的不同采用线性或非线性求解器进行求解。 g 、后处理 求解完成后，运用后处理工具，可以对边坡数值计算成果中的应力应变、位移变形 等数据进行等值线或矢量处理，可以得到清晰明了的边坡数值计算成果。 非确定性分析方法 边坡稳定可靠性分析方法：2 0 世纪7 0 年代中后期，加拿大能源与矿业中心和美国 亚利桑那大学等开始把概率统计理论引用到边坡岩体的稳定性分析中来。用可靠度比用 安全系数在一定程度上更能客观、定量地反映边坡的安全性。我国的岩土工程勘察规 范( g b 5 0 0 2 1 - - - 9 4 ) 第3 6 1 1 条己明确指出，大型边坡设计除按3 6 1 0 条边坡稳定系 5 第一章绪论 数值计算边坡的稳定性外，尚宜进行边坡稳定的可靠性分析，并对影响边坡稳定性的因 素进行敏感性分析。只要我们求出的可靠度足够大，也即破坏概率足够小，小到人们可 以接受的程度，就认为边坡工程的设计是可靠的。近年来，该方法在岩土工程中的研究 与应用发展很快为边坡稳定性评价指明了一个新的方向。但该方法的缺点是：计算前所 需的大量统计资料难于获取，各因素的概率模型及其数字特征等的合理选取问题还没有 得到很好的解决。另外，其计算通常也较一般的极限平衡方法显得困难和复杂。 随机过程方法：随机过程方法包含时间序列分析法，它是一种纯数学的理论模型与 方法。例如，对边坡的力学行为及其变形位移进行随机预报，通常都要求建立其概率随 时空域变化的方程，并对其求解。 模糊数学法：从国内外报道文献看，模糊数学法用于边坡稳定分析主要体现在两个 方面。其一，采用模糊极值理论进行边坡稳定分析；其二，用隶属度概念对边坡岩体稳 定质量进行分级评判。近年来，模糊数学在工程中的应用取得了较丰富的成果，研究方 法日趋成熟。 灰色系统预测滑坡失稳分析方法：主要采用灰色预测和灰色类聚分析方法，对边坡 稳定进行合理的评价。 遗传算法确定岩质边坡最危险滑裂面：对于边坡最危险滑裂面的确定，引入遗传算 法中变异、杂交、繁殖、进化及优胜劣汰等基本思想和原理，来高效、准确地确定边坡 的最危险滑裂面，为更加合理地进行边坡的稳定性分析提供依据。遗传算法模仿了生物 界的遗传过程。采用这一方法确定边坡最危险滑裂面的基本思想是：如果把任意滑裂面 折线的每一个折点看作基因，则滑裂面折线相当于由折点基因串联在一起的染色体，这 样，首先通过蒙特卡罗法随机生成数套“候选滑裂面折线 ，就可构成一个具有不同染 色体个体的种群。在这个种群里，每一滑裂面个体将模仿生物进化中优胜劣汰的自然选 择法则进行生存竞争，为了更加适应稳定系数必须向最小逼近的具体要求，每一滑裂面 个体除自身产生一定的随机变异( 局部形态微调) 外，还与种群中的其他个体进行基因交 换( 部分区段交换) ，以取长补短。在每一次循环中，稳定系数较大的滑裂面将只有很小 的机会继续生存和繁殖后代，最终被淘汰。而稳定性系数较小的滑裂面将有最好的机会 继续生存并繁殖后代。因为这种变异、交换、淘汰及繁殖的进化过程将持续进行，而后 代又总在不断继承父代的最好特征并随机地进行自身进一步的优化改进，所以，最终种 群中的各滑裂面染色体都将逐渐适应要求，进化收敛为一簇稳定系数最小的类似个体， 即最危险滑裂面。可见，遗传算法模拟了生物进化中稳定优化的繁殖和选择过程，并把 6 长安大学硕士学位论文 一组模型中适者生存的原则和随机化的信息交换结合在了一起。 这类方法很难推广的原因，一是缺乏大量实际应用证明其正确性与适用范围，二是 很多方法从理论上说是多学科的交叉运用，这种复杂性是一般技术人员难于理解和掌 握，有待于与计算机结合，编成程序以供技术人员使用。 1 3 公路路堑边坡稳定性研究中存在的主要问题 1 3 1 公路路堑边坡的特点 公路在山区修建对路堑边坡的影响主要是挖方工程，而公路边坡与铁路、水利行业 相比表现为以下几个特点： ( 1 ) 公路边坡面广、量大、涉及面广、影响面大，而公路选线又具有一定的灵活 性，所以公路上所涉及的边坡都没有非常巨大的，这就限定公路边坡规模通常以中小型 为主，但其稳定问题要是解决不好，也可能造成大面积的塌方、滑坡等地质灾害。 ( 2 ) 从边坡的有效应力分析法可知：孔隙水压力是影响边坡滑动面上土体抗剪强 度的重要因素。总应力不变时，孔隙水压力增大，土的抗剪强度会减小，边坡稳定的安 全系数也相应降低；反之，随孔隙水压力减小，土的抗剪强度会增加，边坡稳定的安全 系数相应地就上升。所以对于边坡的防护治理，最大的问题是解决水的问题，这也是工 程师一向关心的问题。 ( 3 ) 边坡破坏带来一系列的工程问题和环境问题，轻则中断交通，重则造成人员 伤亡，给国家和人民经济造成巨大损失。汶川大地震时期就由于边坡毁路，造成救援物 资无法及时到达灾区，贻误救援的最佳时机。 ( 4 ) 公路边坡的浅表层破坏也应重视，不但使水土流失，还会由表及里进一步加 深破坏，诱发边坡的深层或整体破坏。 ( 5 ) 对路堑边坡的防护不仅仅停留在工程措施上，更要求与环境和谐。 1 3 2 公路路堑边坡稳定性研究中存在的主要问题 在我国高等级公路建设几十年的历程中，通过不断的实践和研究，在公路边坡稳定 性研究方面取得了很多研究成果，但是仍然存在不少问题。如边坡稳定性预测智能化水 平不够。有关此方面的报道不多，应用也不广泛；失稳的边坡研究多，不失稳的边坡研 究少，有关边坡的加固措施的优化研究就更少；在边坡稳定性评价方法上，尚未结合公 路边坡量多面广、地质条件复杂多变、形成时间短等突出特点，建立起相对系统完善的 7 第一章绪论 方法；在边坡加固处治、边坡防护技术上，一方面已开发的方法在技术上还不够完善， 难以推广应用，另一方面，现有技术尚不能适应更多复杂的边坡条件，需要进一步发展 新的技术。 1 4 本文研究的主要内容 由于我国高速公路起步较晚，相应对公路边坡的研究也相对滞后，为了加快发展， 避免多走弯路，需要充分借鉴国内外先进的边坡稳定性评价技术和方法。公路边坡中土 质边坡组成物质较岩质边坡相对均匀，其破坏模式、破坏面及其稳定性较容易预测，且 土质边坡可以概化为比较简单的地质模型，易采用各种方法进行评价，其发展也已经相 当成熟。相比之下，岩质边坡的稳定性评价就存在较大困难，主要是由于岩体结构的非 均匀性、非线性、非连续性、数据的有限性等特点，造成岩质边坡模型无法完全真实反 映实际情况，以至于计算误差较大，直接导致防治措旅不当。所以本文在参考大量前人 资料的情况下，对基岩山区公路路堑边坡的破坏模式及稳定性评价进行总结分析，并采 用数值模拟方法研究岩质边坡的破坏及稳定性，为工程实践提供一定理论依据。本文采 用的技术路线如图1 3 1 所示。 野外边坡调查 室内资料搜集 归纳现有的稳定 性评价方法 现场评价稳定性 及破坏模式 结果对比 总结边坡分类 及其破坏模式 数值模拟 破坏模式判据li边坡稳定性 得出实例边坡破坏模式及其稳定性 图1 3 1 研究技术路线图 8 长安大学硕上学位论文 第二章公路岩质边坡稳定性评价 2 1 公路岩质边坡稳定性评价概述 2 1 1 公路岩质边坡稳定性评价步骤 岩体结构的复杂性、多样性，以及赋存环境的差异，决定了其失稳模式是多种多样 的。所以，研究某一岩质边坡的稳定性，首先需要判断在特定的地质条件下可能的失稳 模式，在此基础上再针对已确定的失稳模式，通过数学力学和实验分析方法，确定边坡 稳定的安全系数，以此制定相应的治理措施。通常评价公路岩质边坡需要以下几个步骤， 各个步骤之间的流程如图2 1 1 。 图2 1 1 边坡稳定性评价流程图 ( 1 ) 室内资料搜集 资料包括两部分，一部分是项目管理资料，如委托书( 合同) 、行政部门的批复文 件等。另一部分是技术资料，包括工程场地附近或本项目原有的勘察、设计资料，当地 地形地貌、地质构造、气象水文及人文环境情况等资料。 ( 2 ) 现场勘查、量测 对现场及附近情况进行调查，对边坡进行量测，必要时应采用地质勘探、物探等勘 察方法获取边坡深层地质资料。 9 第二章公路岩质边坡稳定性评价 ( 3 ) 初步判断边坡可能发生的破坏模式 据边坡外形、岩性等现场调查情况结合搜集的资料可在现场确定边坡可能发生的破 坏模式，从而更加有针对性地对边坡进行调查。 ( 4 ) 现场及室内试验 对从边坡的采样进行室内试验确定岩土材料力学参数，若工程重大还应进行一定量 的现场试验，更加真实地反映边坡岩体( 含节理面) 的力学性质。 ( 5 ) 建立地质模型 对现场和室内搜集的资料进行整理分析，建立地质模型，地质模型越接近实际情况， 则结果越准确。 ( 6 ) 选用合适的分析方法定量评价边坡稳定性 对边坡可能发生的破坏模式选用适当的方法一一进行评价，最终确定边坡最有可能 的破坏方式及其相应的稳定性。 ( 7 ) 治理措施设计 根据评价结果制定适合的多种治理措施，然后选择既安全又节约的方法作为最终治 理措施。 ( 8 ) 设立监测系统 对规模大、危害大的边坡，还应设立监测系统，既监视了边坡的活动，了解边坡的 变形，又能将信息反馈给设计人员，及时调整设计。 2 1 2 公路路堑边坡稳定性评价准则 岩土强度理论与破坏判据从微观角度揭示了边坡岩土的变形失稳机理，对于实际边 坡工程，需依据基于岩土强度理论的概化力学模型分析计算成果或监测信息成果来作出 稳定性评价。 ( 1 ) 力学强度判据 常规的数值分析计算出边坡稳定性系数，当稳定系数小于l 或某临界值时，便认 为边坡在力学强度方面是不稳定的。由于各种复杂效应的影响，不稳定边坡从力学概念 上的失稳与实际产生滑动之间往往存在差别和时效问题，因此，用该判据预测边坡的滑 动可作为评价边坡长期稳定性的依据。 因此，基于岩土强度理论的力学强度判据主要用于分析评价边坡稳定安全度以及进 行相应的加固设计，也可用于边坡岩土力学参数的反演分析。其应用主要针对滑动破坏 1 0 长安大学硕士学位论文 失稳模式，亦可作为崩塌破坏模式的辅助参考。 实践证明，这一简单易行、传统常规的稳定判据，在相关边界条件、计算分析方法 以及参数取值合理的条件下，能较好地反映边坡的实际稳定程度，是边坡工程治理的重 要稳定判据。 ( 2 ) 变形速率判据 随着边坡变形的发展，边坡自身抵抗变形的能力不断削弱，变形速率相应增大。当 变形速率大于某一允许值时，破坏开始。但临界速率的确定，有赖于先进的理论体系和 大量模型试验。同时，外力触发的短暂大变形可能在外力消失后又恢复至原来的量级， 因此，变形速率判据存在不确定性。 变形速率判据主要是依据监测体系提供的统计信息和分析曲线，判定边坡某一时段 所处的稳定状态( 稳态或非稳态) 以及变形发展阶段( 发生、发展、加速或减缓、失稳 或趋稳以及收敛稳定) 。 ( 3 ) 位移量与变形极限判据 边坡岩土材料所能承受的变形( 位移) 量是有限的，临界位移量同变形速率一样， 与岩土类型、性质、坡形及坡体结构等因素相关，有赖于综合确定。 在部分分析中，根据边坡变形的时间序列作变形曲线，由变形曲线的发展端作时间 轴的垂线，与时间轴交点的时间作为滑坡时间，这种确定方法相对简单，但不易准确； 也有将变形序列建立数学模型，导数为无限大的时间作为滑坡时间，该方法的缺点在于 变形量未达此标准时破坏早已发生。 位移总量既可用于边坡稳定程度的控制指标，又可用于对监测资料进行分析评判。 这两个方面的作用均因边坡工程的复杂性而使得具体数值的确定极其困难，需获取大量 统计样本，开展分类整理分析才能有所突破。当用于边坡稳定程度的控制指标时，计算 分析中可通过施加支护措施模拟，视其效应变化量达到相应临界值时的变形总量来进行 初步拟定，实际监测成果反分析确认修正后，可用于本边坡项目进行极限变形控制。 该判据适用于不同岩土类别及变形失稳模式，通用性较强，但指标难以量化，且不 太可能统一。 ( 4 ) 可靠度分析评价 从古典概率方法，经m o n t e - - - c a r l o 统计试验法、r o s e n b l u t h 点估计法、m i l l e r 的傅 立叶快速变换法，到一次二阶矩理论应用，实际工程中仍然较少采用可靠度分析评价方 法。可靠度分析评价方法受制约的因素主要体现在与现行规程规范的相互协调、配套与 第二章公路岩质边坡稳定性评价 标准取值方面，以及进行可靠度分析所需的大量资料难以取得。 与变形极限判据指标难以确定所不同的是，可靠度指标相对容易统一，其困难在于 相关统计分析参数的取得需大量试验基础支撑。可靠度分析适用不同变形失稳模式的通 用程度较高。 2 1 3 公路路堑边坡稳定性影响因素 影响公路边坡稳定的因素有：岩土性质、岩土体结构和构造、水的作用、风化作用、 地形地貌、地震、初始地应力及人为因素等。 ( 1 ) 岩土性质：岩土的成因类型、组成的矿物成分、岩土结构和强度等是决定边 坡稳定性的重要因素。由坚硬( 密实) 、矿物稳定、抗风化性好、强度较高的岩土构成 的边坡其稳定性一般较好，反之就较差。 ( 2 ) 岩土体结构和构造：岩土体的结构类型、结构面形状及其与坡面的关系是岩 质边坡稳定的控制因素。包括节理、劈理、裂隙的发育程度及分布规律，结构面胶结情 况以及软弱面、破碎带的分布与斜坡的相互关系，下伏岩土面的形态和坡向、坡度等。 ，( 3 ) 水的作用：水的入渗使岩土体质量增大，岩土因被软化而抗剪强度降低，并 使孔( 裂) 隙水压力升高。i 地下水的渗流将对岩土体产生动水力，水位的升高将产生浮 托力；地表水对边坡的侵蚀使其失去侧向或底部支撑等，这些都对边坡的稳定不利。 ( 4 ) 风化作用： 风化作用使岩土的强度减弱、裂隙增加，影响斜坡的形状和坡度，使地面水易于 侵入，改变地下水的动态等。 沿裂隙风化时，降低结构面强度，使岩土体脱落或沿斜坡崩塌、堆积、滑移等。 ( 5 ) 地形地貌：临空面和两侧冲沟的存在以及边坡的高度、坡度等都是直接与边 坡稳定有关的因素。平面上呈凹形的边坡较呈凸形的稳定。 ( 6 ) 地震：地震作用除了岩土体受到地震加速度的作用而增加下滑力外，在地震 作用下，岩土中的孔隙水压力增加和岩土体强度降低都对边坡的稳定不利。 ( 7 ) 初始地应力：开挖边坡使坡体内岩土的初始应力状态改变，坡脚附近出现剪 应力集中带，坡顶和坡面的一些部位可能出现张应力区。在新构造运动强烈的地区，开 挖边坡能使岩体中的残余构造应力释放，可直接引起边坡的变形破坏。 ( 8 ) 人为因素：边坡的不合理设计、开挖或加载，大量施工用水的渗入及爆破等 都能造成边坡失稳。 1 2 长安大学硕i 二学位论文 2 2 公路岩质边坡分类及破坏模式 2 2 1 边坡分类 公路岩质边坡的岩体由岩石和节理面组成，根据节理对边坡岩体的切割程度将岩质 边坡分为层状结构边坡、块状结构边坡、碎裂结构边坡及散体结构边坡，各类边坡的岩 土结构特征总结如表2 1 1 。 表2 1 1 公路岩质边坡边坡结构类型 岩质边坡类型 岩十结构特点 稳定性控制冈素 岩体结构面较发育，岩体宏观的工程力学特性已优势结构面产状与坡面的组合 层状结构边坡 基本不具备由结构面造成的各向异性 关系 岩体呈块状、厚层状，结构面较发育，多为刚性滑动稳定性受结构面抗剪强度 块状结构边坡 结构面，贯穿性软弱结构面少见与岩石抗剪断强度控制 坡体由破碎程度很高的岩石构成，呈碎石状散体岩块间的镶嵌情况和岩块间的 碎裂结构边坡 结构，分不出优势结构面咬合力 由碎屑泥质物夹大小不规则的岩块组成，软弱结岩体的抗剪强度，滑动面呈圆弧 散体结构边坡 构面发育成网状 层状、块体、碎裂及散体结构边坡岩体受节理面切割依次增强，在自重或外力作用 下沿节理面产生的破坏面形状逐渐变的规则并且容易预测。对于散体结构边坡可以参照 土质边坡进行室内实验分析计算，不作为本论文的研究范围，故不再赘述。 2 2 2 破坏模式 对于不同类型的公路岩质边坡其破坏模式基本相同，本论文根据其规模大小将边坡 的破坏类型主要分为整体失稳和坡面破坏两个大类。其中整体失稳破坏包括崩塌、滑动、 坍塌，坡面破坏主要有坡面侵蚀、剥落和滚石，每种破坏类型的运动特征和破坏机理如 表2 2 1 。 表2 2 1 岩质边坡失稳破坏类型 边坡破坏类型 运动特征破坏机理 类型亚类 整体 滑 边坡上局部岩块松动、滑落，主要 节理面倾向临空面，破坏初期由于结构面 失稳 移结合力小于下滑力，岩块发生滑动，后发 崩型 运动形式为滑动滚落 展成滚落或崩塌 塌倾 倒 边坡上局部岩体拉裂、折断，主要具有临空面，破坏初期岩石产生拉裂缝至 型 运动形式为倾倒、翻转滚落岩块倾倒翻转，后发展成滚落崩塌 滑 平 边坡岩体沿某一结构面整体向下滑 剪切滑移。层面或贯通性结构面形成滑动 面 面，结构面临空，坡脚岩层被切断或坡脚 动 移，剪出口通常在近坡角位置 型岩层挤压剪切 1 3 第一二章公路岩质边坡稳定性评价 圆主要发生在节理极发育的散体边 剪切一滑移。人工开挖增大坡角，坡面风化 弧坡，沿圆弧形滑动面滑移，坡脚被严重，地表水入渗使内摩擦角和内聚力降 型挤压隆起低，达到临界值沿圆弧形滑动面 楔 两个或三个结构面组合而成的楔形 剪切一滑移。结构面切割的块体一侧临空， 形 体，沿两个滑动面交线方向滑动两个结构面交线倾向临空面则构成滑移面 体 因自重应力超过岩体强度而产生张自重应力超过岩体强度，局部岩体拉裂， 坍塌剪性破坏，由坡顶向坡内逐渐扩展，出现下错，多发生在下部临空或有软弱层 一般发生于有软弱夹层的岩质边坡的岩体 坡度较缓的边坡表面因风化产生挤碎或拉 坡面侵蚀 松软岩土因表面径流冲蚀形成冲沟 裂，被地表水冲落 坡面坡面岩体因风化、胀缩等原因形成 破坏 剥落 外因为影响稳定的主要原因 碎落 边坡上部的孤立块石、松动的节理 坡项垂直张性裂隙发育，并与倾向坡外的 滚石 化岩块滚落坡面结构面相组合，造成个别岩块滚落 2 2 2 破坏机理分析 岩质边坡的破坏模式多种多样，但由于边坡均由岩石及结构弱面组成，所以其破坏 主要由岩石和结构面的力学性质及结构面的空间组合形式控制。鲜学福等【2 7 】针对节理岩 体做了大量试验研究和理论分析，根据摩尔一库伦强度准则揭示岩体不论是沿结构面破 坏还是从岩石内部发生破坏主要是由节理与最大、最小主应力的关系决定。 ( 1 ) 当岩体受单组节理切割时，如图2 2 1 所示岩体受到q 、吒同时作用时，根 据岩体强度理论可得到屈、尾与最大、最小主应力及节理的面c 、仍的关系式2 1 。 t p ， c一 l 、f 0 o 3 m 吼。 图2 2 1 岩体强度理论 2 a ：眦s i n 垒雩型粤等监s i n 纷】+ 仍 ( ( r - 。c r 3 ) 2 。7 。 ( 2 1 ) 2 , f 1 2 = 1 8 0 。+ 纷一s i n t 尘鬻器半，s i n 伊j 用式( 2 1 ) 计算每个节理所对应的屈、厦，若均不位于 屈及】内，则岩体强度 1 4 长安大学硕士学位论文 取决于岩石强度，岩体将沿岩石发生破坏，亦即节理岩体的强度与节理面的存在无关； 若位于某一 届反 内，则岩体强度取决于对应的节理面强度，岩体将沿该节理面发 生破坏，且破坏时q 、必须满足式( 2 2 ) 所示的节理强度条件；若位于多个 屈厦】 内，则岩体强度取决于式( 2 2 ) 中q 一吒值最小的节理面强度，岩体将沿该节理面首 先发生破坏。 q 二仃，= 面2 磊( c j i + a 厕t g f a j ) ( 2 2 ) 当岩体受多组节理同时切割时可按照单组节理的计算方法对每个节理一一进行计 算，确定最先发生破坏的节理面。实验和实测均表明，多组相交节理岩体在三向压应力 作用下，其岩体强度将取决于岩体中节理面的强度条件，其具体破坏面主要取决于岩体 的应力状态以及节理面的力学性质，与各向同性的岩石破坏相类似，但其强度远比岩石 的强度小。 ( 2 ) 节理岩体的节理面粘聚力很小，则节理面的抗剪强度主要由节理面之间的摩 擦阻力所提供，即取决于节理面的正应力和节理面的内摩擦角，而内摩擦角的大小与节 理面岩石的接触方式有直接关系，针对不同