（岩土工程专业论文）山区公路滑坡稳定性分析及综合防治措施研究.pdf

摘要 本文以西部公路碎石土滑坡为对象，分析其形成影响因素，重点针对水对公 路滑坡稳定性的影响及公路滑坡滑体土和滑带土的强度参数取值方法进行了研 究；并运用极限平衡法和有限元法分别对工程滑坡进行了稳定性分析和防治对策 探讨，所完成的主要内容及创新成果如下： ( 1 ) 阐述了公路滑坡稳定性影响的几大主要因素，地层岩性、地质构造、地 形地貌、外荷载变化和水的作用。重点分析了水对岩土体产生的物理作用、化学 作用和力学作用。 ( 2 ) 通过不同土石比敏感性试验获取了碎石土中含水量、碎石含量对抗剪强 度影响的变化规律，并采用分段曲线拟合的方法建立了简单实用的碎石土抗剪强 度参数计算公式。提出了公路滑坡滑带土强度参数取值方法，重点研究了包括公 路滑坡滑带土强度参数c 、9 反分析的综合取值方法。 ( 3 ) 从渗透水压力角度入手，详细分析了渗流对边坡稳定性的影响。并且用 渗透力的概念来推导了不平衡推力法的计算公式，将该方法应用于工程滑坡，计 算结果与现场情况基本相同。 ( 4 ) 运用大型有限元计算软件a d i n a 模拟了工程滑坡变形场，应力场，较直 观地分析了工程滑坡的变形特性和暴雨对其稳定性的影响。 ( 5 ) 将当前公路边坡的防治技术体系归结为防护工程( 坡率法) 、加固工程 和排水工程三大类。详细分析了各种常用防治措施的技术特点，并提出公路滑坡 综合治理的基本原则，为公路滑坡的有效防治提供了技术支撑。 上述研究为山区公路边坡稳定性评价，边坡设计及治理滑坡对策研究，有一 定的参考价值。 关键词：公路滑坡碎石土抗剪强度参数渗透水压力稳定性分析 有限元分析综合治理 a b s t r a c t t h i sa r t i c l et a k et h ew e s t e r nr o a db r e a k s t o n es o i ll a n d s l i d ea s a n o b j e c t ，a n a l y z e si tt of o r mt h ei n f l u e n c ef a c t o r ，t h ek e yn e e d l ea d d e dw a t e r t ot h er o a d1 a n d s l i d es t a b l ei n f l u e n c ea n dt h er o a d1 a n d s l i d es l i p p e r yb o d y e a r t ha n dt h es l i p p e r yb e l te a r t hi n t e n s i t yp a r a m e t e rv a l u e m e t h o dh a s c o n d u c t e dt h er e s e a r c h a n da p p l yl i m i tb a l a n c i n gm e t h o da n df i n i t ee 1 e m e n t m e t h o dr e s p e c t i v e l yt oh a v ec a r r i e do u tt h es t a b i l i t ya n a l y s i sa n d p r e v e n t i o na n dc u r ec o u n t e r m e a s u r eo np r o j e c t1 a n d s l i d es t u d y i n gc o m p l e t e s m a i nc o n t e n ta n d i n n o v a t i o na c h i e v e m e n ta sf o l1 0 w s ： ( 1 ) e 1 a b o r a t e dt h er o a dl a n d s l i d es t a b i li t yi n f l u e n c es e v e r a lb i g p r i m a r yf a c t o r s ，f o r m a t i o n1i t h o l o g y ，g e o l o g i cs t r u c t u r e ，t e r r a i nl a n d f o r m ， o u t s i d e l o a dc h a n g ea n dw a t e rf u n c t i o n h a sa n a l y z e dt h ew a t e rw i t he m p h a s i s t h ep h y s i c a le f f e c t ，t h ec h e m i c a la c t i o na n dm e c h a n i c sf u n c t i o nw h i c h p r o d u c e st ot h eg n eis s ( 2 ) g a i n e db r e a k s t o n es o i1c e n t e rt h ew a t e r c o n t e n tt h r o u g ht h e d i f f e r e n te a r t h s t o n ec o m p a r e dt ot h es e n s i t i v it yt e s t 、 cb r e a k s t o n e c o n t e n t sr e s i s ts c i s s o r si n t e n s i t i e sc h a n g el a w ，a n da d o p tp i e c e w i s ec u r v e d r a f tt h es m a l ls i d e d o o rm e t h o dt oh a v eb u i l tt h ep r a g m a t i cs i m p l e b r e a k s t o n es o ils h e a rs t r e n g t hp a r a m e t e rc a l c u l a t i n gf o r m u l a p r o p o s e dt h e r o a dl a n d s li d es li p p e r yb e l te a r t hi n t e n s i t yp a r a m e t e rv a l u em e t h o d ， h 8 s s t u d i e dr o a d1 a n d s l i d es l i p p e r yb e l te a r t hi n t e n s i t y p a r a m e t e rcw i t h e m p h a s i s ，p h it h ec o u n t e r a n a l y s i sc 唧r e h e n s i v ec o m p r e h e n s i v ev a l u e m e t h o d ( 3 ) 0 b t a i n sf r o mt h es e e p a g eh y d r a u li cp r e s s u r ea n 9 1 e ，m u l t i a n a l y s i s t r a n s f u s i o no p p o s i t es i d es l o p es t d b l ei n f l u e n c e a n dh a si n f e r r e dn o tt h e b a l a n c e dt h r u s tf o r c em e t h o df o r 咖l aw i t ht h ep e n e t r a b i1i t yc o n c e p t ， a p p li e st h i sm e t h o dt ot h ep r o j e c tl a n d s li d e ， t h ec o m p u t e dr e s u l ta n dt h e s c e n er e f l e c t i o ns i t u a t i o nb a s i ci ss a m e ( 4 ) h a s s i m u l a t e dt h ep r o j e c tl a n d s l i d ed i s t o r t i o n f i e l du s i n g 1 a r g e s c a l ef i n i t ee l e m e n tc o m p u t a t i o ns o f t w a r ea d i n a ，t h e s 皇r e s sf i e l d ， d i r e c t v i e w i n g h a s a n a l y z e d t h e p r o j e c t 1 a n d s l i d ed i s t o r t i o n c h a r a c t e r is t i ca n dt h er a i n s t o r mt oi t ss t a b l ei n f l u e n c e ( 5 ) s u m su pt h ec u r r e n tr o a d s i d es l o p ep r e v e n t i n ga n dc o n t r o l li n g t e c h n 0 1 0 9 ys y s t e ma st h ep r o t e c t i o np r o j e c t( t h es l o p e1 e a d s1 a w ) ， t h e r e i n f o r c e m e n tp r o j e c ta n dt h ed e w a t e r i n ge x c a v a t i o nt h r e eb i ga s p e c t s t h e m u l t i a n a l y s i s e a c hk i n do f c o 砷m o n l y u s e d p r e v e n t i n g a n d c o n t r o lli n g m e a s u r et e c h n i c a lc h a r a c t e r is t i c ，a n dp r o p o s e dt h e r o a d l a n d s l i d e c o m p r e h e n s i v ep r o g r a m o fp u b l i co r d e rb a s i cp r i n c i p l e ， h a s p r o v i d e dt h et e c h n i c a ls t r u tf o rr o a dl a n d s l i d ee f f e c t i v ep r e v e n t i n ga n d c o n t r 0 11i n g t h ea b o v er e s e a r c hf o rt h em o u n t a i n o u sa r e ar o a ds i d e s l o p es t a b l e a p p r a i s a l ，s i d e s l o p e t h ed e s i g n a n dt h e g o v e 砌n e n t l a n d s li d e c o u n t e r m e a s u r er e s e a r c h ，h a st h ec e r t a i nr e f e r e n c ev a l u e k e yw o r d ：r o a d1 a n d s li d eb r e a k s t o n es o i l b h e a r i n gs t r e n g t hp a r a m e t e r p e r c 0 1 a t i n gw a t e rp r e s s u r e s t d b l ea n a l y s i sf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s c o m p r e h e n s i v ep r o g r a mo fp u b l i co r d e r 潮办二堂大学 学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究工作所取 得的研究成果。除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体己经 发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方 式标明。本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：影豸孓1日期：沙口7 年9 月哆日 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授 权湖北工业大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文作者签名：涂参l指导教师签名：f 可嵌考 日期：枷7 年歹月9 日日期：2 匆埠厂月二7 日 j 湖北工业大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 本文研究背景和意义 滑坡、地震和火山并称为当今三大地质灾害源，其中滑坡是一种严重的地质 灾害，给人类的生命财产带来了重大威胁和损失。滑坡可以导致交通中断、河道 堵塞、厂矿城镇被掩埋、工程建设受阻。国家和地方己经投入了大量的人力、物 力和财力来进行这方面的研究和治理。我国山地面积占国土面积的2 ，3 以上，是世 界上山地灾害比较严重的国家之一。目前经过调查的地质灾害中全国共发生有 特大型崩塌5 1 处、滑坡1 4 0 处、泥石流1 4 9 处，较大型崩塌3 0 0 0 多处、滑坡2 0 0 0 多处、泥石流2 0 0 0 多处。统计资料( 1 i 显示，1 9 5 1 l 卵1 年的4 0 年中，我国工程滑 坡灾害至少造成1 1 6 9 人死亡，经济损失更是无法估量。 随着国民经济的持续、快速、健康的发展，特别是近年来高等级公路工程和 高速铁路提速改造工程的突飞猛进，山区道路工程建设中滑坡病害对交通安全的 危害也与日剧增，给国家造成了巨大的经济损失。如2 0 0 3 年5 月1 1 日凌晨，在 贵州三穗县台烈镇平溪村三( 穗) 凯( 里) 高速公路一工地附近的山脚下，突然发生山 体滑坡，两栋工棚的3 5 名工人在睡梦中全部被埋，其中3 3 人死亡；渝黔高速公 路k 4 9 + 6 0 0 k 5 3 + 8 7 9 路段，在路基开挖过程中，发生了数十次不同规模的滑坡现 象。深汕高速公路、京珠高速、福建漳龙高速和福宁高速等工程中也多次发生滑 坡灾害，造成了巨大的经济损失。 我国是一个多山且土地资源紧缺的国家，公路建设过程中，有时出于线形等 级的考虑，将线路靠山体布设，由于山体较陡，地质条件复杂，一些路段形成了 公路滑坡。在所发生的各类滑坡中，碎石土滑坡是最主要的滑坡类型之一，如重 庆地区7 0 以上韵滑坡为此类滑坡。这类滑坡不仅数量多而且常常造成重大的经 济损失。因此，对碎石土滑坡的变形破坏机理和稳定性研究，特别是水对碎石土 滑坡稳定性的影响，具有十分重要的理论和实际意义。 通过对重庆地区碎石土滑坡的调查分析，系统深入地开展公路碎石土滑坡灾 害的研究工作，系统总结碎石土滑坡的发育规律，认识滑坡变形破坏力学机理， 准确评价滑坡的稳定性，对减少滑坡灾害的发生和采取经济合埋的治理措施是十 分重要的。研究碎石土滑坡的变形破坏机制，可以为评价该类型滑坡稳定性奠定 理论基础，为公路边坡设计和滑坡治理提供技术保证。因此，本文研究的成果将 具有一定的潜在经济价值和重要的社会效益。 湖北工业大学硕士学位论文 1 2 滑坡稳定性分析方法研究现状 与碎石土滑坡相关的稳定性计算分析方法已有不少学者进行了研究，主要有 极限平衡法和有限元法，有限差分法也有部分学者对其进行了一些研究。 1 2 1 极限平衡法 1 9 1 5 年瑞典人k p e t t e 啪n 对妒= 0 的粘性土坡提出了所谓的瑞典条分法， f e l l e n 血s 等人( 1 9 2 7 ) 在此基础上提出了普通条分法。b i s b o p 于1 9 5 5 年提出了修正 的条分法。1 9 5 6 年j a h b u 提出了更精细的条分法j ，l o w c ，l ka r ；瓶a t h ( 1 9 6 0 ) 和美 国军方工程师联合会( 1 9 7 0 ) 提出了一种力平衡条分法，该方法没有对边坡滑面形状 做任何假设它满足所有的力平衡条件，但不满足力矩平衡条件。m o 培e n s t 瑚和 p d c e ( t 9 6 5 ) 又提出了一种新的条分法，该方法也不对边坡滑面形状做任何假设，它 既满足力平衡条件又满足力矩平衡条件，还容许条块间力的方向发生变化。 s p e n c e r ( 1 9 6 7 ) 年提出了一种简化的条分法，它预先假定了条块间力的作用方向。 j 8 n b u ( 1 9 6 8 ) 年提出了一种相对精确的条分法，它满足所有的平衡方程，适用于任 意形状的滑面，条块问力的作用方向也可以变化，但该方法容易产生计算方面的 问题。h o e k ( 1 9 7 4 ) 提出了进行边坡楔形体分析的方法，假定各滑面均为平面，以各 滑面总抗滑力与楔体总下滑力来确定安全系数。r 七v i i l a 和c a g t i n “1 9 7 7 ) 提出了剩 余推力法1 2 j 。另外，潘家铮对边坡稳定性问题提出了最大值和最小值原理【3 l ，陈祖 煜( 1 9 9 8 ) 对该原理进行了理论上的证明1 4 l 。 自上述这些基本的极限平衡方法提出后，就不断有人对其进行了修正和完善 【 j 。在对极限平衡法的修正中，主要考虑两个方面的问题，即滑面和稳定性系数， 提出了一般滑动面形状、局部安全系数和变动安全系数等。k s “( 1 9 8 7 ) 等人对迅 速估计临界滑移面提出了几个方法：八k c l o u g h ( 1 9 8 7 ) 在极限平衡法的基础上，通 过定义一条反映现场特殊边界条件的曲线，来引入变动的安全系数；s r b u l o v 和 m m i l u t i n ( 1 9 8 7 ) 在条分法的基础上，通过对每一条块进行定义并计算安全系数，然 后再求出边坡整体安全系数：l e s h c l l i n s l 【y ( 1 9 9 0 ) 在极限平衡法的基础上提出推广方 法，试图通过引入变分法来确定真正的临界滑移面；e n o i ( im e i k 咖等人( 1 9 9 0 ) 在 条分法中考虑了滑移面形状和相邻土条间的作用力，将条分法进行了推广在没 有力矩平衡方程或变量个数超过方程个数时可以获得解答；在边坡最危险滑面搜 湖北工业大学硕士学位论文 索方面，b o u t m p & l 0 v e l i ( 1 9 7 9 ) 、r b a k e r ( 1 9 8 0 ) 和c e l e s t i n o & d u i l c a n ( 1 9 8 1 ) 等对此做 出了一定的贡献i j 。 二十世纪九十年代后，国内学者对采用极限平衡法分析土质边坡稳定性也进 行了一些研究l m ”l 。曹文贵( 1 9 9 5 ) 引进动态规划方法，基于j a n b u 法解决了极限平 衡分析中边坡非圆临界滑面的确定及其相应最小稳定性系数的求算问题。陈谦应 ( 1 9 9 5 ) 以极限平衡基本原理推导了土坡稳定性分析多种条分法的普遍方程，给出求 解此平衡方程的摩根斯坦普赖斯法的一种数值方法和所需的全部解析算式。陈菩 雄( 2 0 0 1 ) 采用极限平衡分析方法，建立了一套能考虑水分入渗的非饱和土边坡的稳 定性分析方法，该方法考虑在降雨后土坡水分为一分布场及抗剪强度参数为饱和 度的函数。程康( 2 0 0 1 ) 根据三维普通条分法的基本原理，推导了三维极限平衡法稳 定安全系数的计算模型和计算公式。郑颖人( 2 0 0 4 ) 根据极限平衡条分法所满足的平 衡条件，将现有1 3 种极限平衡条分法分为4 大类；将现有极限平衡条分法对条问 力的假定表示成统一形式，根据力和力矩的平衡，推导出十分简明的条间力递推 方程和条间力矩递推方程。张均锋( 2 0 0 4 ) 对三维简化的j a n b u 法进行了扩展，使得 离散后在同一行上的各条块在水平横向的安全系数相等以及在同一列上的条块在 水平纵向的安全系数相等，得到不同行( 列) 的安全系数，最后通过各条块底滑面的 几何特性与受力分析给出其独立的安全系数以及各条块潜在的滑动方向。 1 2 2 有限元法 虽然极限平衡法由于其计算简单，物理意义相对清晰而得到了广泛的应用， 其理论也发展得相对完善，但它不能考虑岩土体内部的应力应变关系、材料的非 线性、岩土体中的应力历史和加载时的应力条件。随着计算机应用技术的发展， 边坡稳定性的数值计算方法取得了长足的进步。自从1 9 6 7 年c l o u g h 和w b d 讳a r d 在b e r k e l e y 发表第一篇关于边坡和路堤方面的有限元分析论文以来，有限元法在 边坡稳定性分析中得到大量的研究和应用，取得了很多研究成果。它已成为目前 最广泛使用的一种数值分析方法。目前，己经开发了多个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。有限元法的优点 是部分地考虑了边坡岩土体的非均质和不连续性，可以给出岩土体的应力、应变 大小与分布。避免了极限平衡分析法中将滑体视为刚体而过于简化的缺点能使 湖北王业大学硕士学位论文 我们近似地从应力应变去分析边坡的变形破坏机制，分析最可能、最容易发生屈 服破坏的部位和需要首先进行加周的部位等，而且它还能求解大变形问题。但它 还不能很好求解位移不连续等问题，对于无限域、应力集中问题等的求解还不理 想。 基于有限元的强度折减法在土质边坡稳定性分析中应用方面，国内外学者己 进行了一定研究1 1 砌n 。如k u g a i 等( 1 9 9 6 ) 采用修正的三维弹塑性有限元强度折减 技术计算简单均质土边坡的静态整体稳定性，并采用动态弹塑性有限元方法计算 地震时的简单均质土边坡的塑性或残余滑动位移。连镇营( 2 0 0 1 ) 采用强度折减有限。 元方法对开挖边坡的稳定性进行了较为全面的研究。赵尚毅等( 2 0 0 2 ) 对有限元强度 折减法求边坡稳定安全系数的几种常用的屈服准则进行了比较，导出了各种准则 互相代换的关系。孙伟等( 2 0 0 3 ) 采用抗剪强度折减弹塑性有限元法分析均质土坡稳 定性。郑颖人等( 2 0 0 哪对有限元强度折减法分析边坡稳定性系数的计算精度和影 响因素进行了详细分析，包括屈服准则、流动法则、有限元模型本身以及计算参 数对安全系数计算精度的影响，并给出了提高计算精度的具体措施 1 2 3 有限差分法 随着计算机应用技术的发展，边坡稳定性的数值计算方法取得了长足的进步。 在采用有限差分法分析岩质滑坡的稳定性方面，已有一些学者进行了研究，并取 得一定成果1 2 2 l 。而在采用有限差分法分析土质滑坡的稳定性方面，目前已有部分 学者对其进行了相应的研究，也取得一些成果1 2 m 5 1 。如a h 酬川1 9 9 9 ) 使用u 】d e c 有限差分强度折减法计算均质土坡稳定性系数，并与其他数值方法进行比较；朱 文彬等( 2 0 0 2 ) 利用饱和一非饱和土的渗流理论，对公路边坡在降雨过程中的渗流规 律进行了分析，用有限元法和有限差分法来模拟雨水在土坡中的渗流过程；肖国 峰等( 2 0 0 运用基于强度折减技术的有限差分方法对粘土质滑坡进行数值仿真模 拟，较好地模拟出现场实际的滑坡特征，并分析了水位变动影响下的粘土质缓坡 稳定性。 1 3 降雨入渗及地下水位变化等对滑坡稳定性的影响研究现状 碎石土滑坡多为残坡积土、古崩塌或古、滑坡堆积，对降雨及地下水位变化反 应敏感。国内外对此类滑坡的研究十分关注，己对滑坡发生的临界暴雨强度、雨 湖北工业大学硕士学位论文 水入渗与滑坡关系、地下水位变化与滑坡关系等方面的问题进行了比较深入的研 究。 土质坡体一般是非饱和的，因吸力的存在，土体抗剪强度较高，对原本稳定 的土坡，雨水一方面渗入土体，使土体饱和度增加，吸力锐减并引起抗剪强度大 幅度降低，促使土体产生滑动；另一方面，大气降水下渗，使地下水位上升，增 大了滑坡土体的含水量，水压力增大。降低土体稳定性，是诱发滑坡的主要因素。 近几年来，有关降雨引起滑坡的研究非常活跃，取得一些非常有价值的成果。 t i s e c l a 和y a b a s h i ( 1 9 8 6 ) 采用有限元方法进行饱和一非饱和渗流分析和考虑渗 透力和因饱和度提高导致抗剪强度降低的边坡稳定性分析，研究强降雨作用下的 边坡破坏机理。f c a i 和k u g a i ( 2 0 0 4 ) 采用非饱和一饱和土中暂态水流的有限元分 析水力特征、初始相对饱和度，考虑边界约束方法对降雨条件下边坡稳定性的影 响。 高润德等i 卅( 2 0 0 】) 基于非饱和土理论，利用有限元方法和极限平衡理论研究雨 水入渗作用下土体的渗透性、抗剪强度及坡顶垂直裂缝对黄土高边坡稳定性的影 响。 赵慧丽2 刀( 2 0 0 1 ) 通过三轴实验，研究不同条件下的降雨对土体瞬态含水率的影 响规律。在此基础上，应用非饱和土总强度理论以及常规的边坡稳定性分析方法， 计算出了不同降雨条件下非饱和土体边坡稳定性系数。 王彦1 2 8 1 ( 2 0 0 1 ) 研究了降雨入渗条件下渗流域饱和非饱和渗流场的变化以及渗 流场的变化对边坡失稳影响的机理。谭新f 2 9 l ( 2 0 0 2 ) 从场的观点出发，把降雨入渗的 过程看成是一个渗流场和应力场相互作用、耦台的瞬态过程，用有限元的方法分 析边坡的稳定性。 s e c h o 和s 且l e 0 1 ( 2 0 0 2 ) 采用极限平衡方法评价降水渗透对均质土坡表层稳 定性的影响，并提出采用均降水约束的近似方法评价降雨诱发浅层滑坡破坏的 可能性，并把计算结果与有限元分析结果相比较。 朱文彬等口1 1 ( 2 0 0 2 ) 将d u n 啪c l l a g 模型引入饱和一非饱和土的本构关系模型， 建立了饱和一非饱和土的统一的非线性弹性模型，并应用于降雨滑坡的机理分析。 殷坤龙等p 2 1 ( 2 0 0 2 ) 从动态分析和数值模拟两方面讨论了滑坡过程中的地下水 s - 湖北工业大学硕士学位论文 作用机理和地下水动力场的时空分布问题。 h c h e n 和c f l 【3 3 1 ( 2 0 0 3 ) 采用准三维拉格朗臼有限元方法构建自然边坡受降 雨诱发的滑坡动态模型，与现场观测结果相结合研究边坡的滑动特征。 刘小伟等胛1 ( 2 0 0 3 ) 分析了降雨入渗对斜坡土体的物理、力学性质产生的影响， 通过实例的数值模拟分析边坡变形破坏受降雨影响的特征。 李爱国等1 3 5 1 ( 2 0 0 3 ) 通过大型人工边坡试验研究暴雨诱发滑坡的机理。黎志恒 ( 2 0 0 3 ) 通过滑坡降雨入渗试验，分析了不同降雨强度下，黄土滑坡体接受降雨入渗 的能力、雨水扩散运动特征、黄土滑坡的变形特征及蠕变强度，研究了地表水不 同入渗量对黄土滑坡的破坏程度。 王晓峰m 1 ( 2 0 0 3 ) 研究了降雨入渗条件下非饱和土边坡内水分分布规律以及利 用边坡的实际重量场和强度场用条分法计算土坡在降雨入渗各个时刻安全系数。 戚国庆等p 7 1 ( 2 0 0 4 ) 依据实验数据，对非饱和土中基质吸力变化产生的应变进行 了研究，建立了非饱和土应变与含水量的变化关系。在此基础上，对降雨引起的 边坡位移机制、规律进行了探讨。 姚裕春等【3 8 1 ( 2 0 0 4 ) 通过含水量对土体强度参数的影响试验表明，含水量对土体 粘聚力影响较大，而对土体内摩擦角的影响较小。通过不同含水量土质边坡破坏 机理离心模型试验表明，松散类边坡在含水量小时形成坍落拱破坏，并最后形成 稳定拱形；在含水量大时形成浅层滑坍破坏。 1 4 公路滑坡治理研究现状 我国对滑坡灾害的系统研究和治理起步较晚直到5 0 年代初才开始，但已结 合中国国情研究开发了一系列有效的防治办法，总结出绕避、排水、支挡、减重、 反压等治理滑坡的原则和方法p 叫引。 抗滑支挡建筑物由于其在稳定滑坡上见效快、安全可靠。所以是滑坡工程中 首先考虑使用的措施。但由于它造价较高，如一根大型抗滑桩造价达数十万元， 治理一个大型滑坡需投资数百万元乃至数千万元，因此，人们对抗滑支挡建筑物 的结构形式、适用条件、设计理论和施工方法等相应地给予了更多的关注和研究。 我国对抗滑支挡建筑物的研究和开发应用分三个阶段： ( 1 ) 2 0 世纪五六十年代由于对滑坡产生机理不甚了解，以及施工技术的限制， 在治理滑坡中酋先考虑地表和地下排水工程，如地面截、排水沟，地下截水盲沟、 湖北工业大学硕士学位论文 盲洞，支撑渗沟等，辅以减重、反压和支挡工程。支挡工程主要是各种形式的挡 土墙，用重力式抗滑挡土墙治理大型边坡大型滑坡常常工程量浩大，施工困难， 虽然总结了分段跳槽开挖基坑的施工经验，但有时还会造成边坡的加速滑动，从 而危及施工安全。 ( 2 ) 19 6 0 1 9 7 9 年成功地应用支撑盲沟加小抗滑挡土墙取得琉水和支挡滑坡 的双重效果，但深盲沟施工开挖也相当困难，因为地下水发育，施工开挖极易坍 塌。为了解决抗滑挡土墙开挖基础的困难，在贵昆线二梯岩滑坡治理中设计采用 沉井式抗滑挡土墙，但施工也不容易。到八十年代，抗滑桩开始出现。因为抗滑 桩具有布置灵活、施工简单、对滑坡扰动小等优点，受到工程设计和施工的普遍 应用，逐步形成以抗滑桩支档为主，结合清方减载、地表排水的滑坡综合治理技 术。 ( 3 ) 2 0 世纪9 0 年代到本世纪初，施工技术取得长足发展，各种新兴支挡措施纷 纷出现如预应力锚索、土锚钉、加筋土、格构锚固等防治措施广泛应用于滑坡 治理中，并取得了较好的效果。随着锚索技术的发展，在滑坡防治中开始大量采 用锚索加固。由于锚索采用高强度钢丝柬锚固于滑体以下的滑床中，抗拉力大， 预应力锚索将一般支挡结构物的被动受力变为主动受力，对滑体扰动小，目前锚 索的应用有两种情况：锚索与抗滑桩联合形成“锚索抗滑桩”，即在抗滑桩顶部加 2 4 束锚索，增加一个拉力，改变了原普通抗捐桩的悬臂受力状态，上端接近简 支梁受力，加预应力使桩从被动受力变为主动受力，因而大大减小了抗滑桩的截 面和埋置深度。用锚索单独加固滑坡，即在滑坡体上设置若干排锚索，锚固于 滑动面以下的稳定地层中，地面用梁或墩作反力装置给滑体施加一定预应力来稳 定滑坡。 1 5 公路滑坡稳定性分析及治理研究现状分析 综上所述，到目前为止，以极限平衡法为代表的常规方法仍在国内外被广泛 地应用。但建立在极限平衡理论基础上的各种稳定性分析方法没有考虑岩土体内 部的应力应变关系，无法分析滑坡破坏的发生和发展过程，没有考虑岩土体与支 挡结构的共同作用及其变形协调，在求稳定性系数时通常需要事先假定滑裂面为 直线、折线和圆弧等。而有限元法不但满足力的平衡条件，而且考虑了材料的应 力应变关系，使得计算结果更加精确、合理。但数值计算技术的难处在于它的计 算精度把握，也就是计算中如何选取滑动体和滑动带的强度参数( 粘结力和内摩擦 角) 、如何确定滑动体的重度、如何选取屈服准则等等。而且，在公路碎石土滑坡 湖北工业大学硕士学位论文 的稳定性分析中，对水运一重要影响因素考虑不足，常常导致稳定性计算结果与 实际不符。 从滑坡治理措施的发展历史来看，几十年来滑坡治理上己取得了巨大的进步， 随着人们对滑坡发生机制了解的深入和相应设计、施工技术的发展，人们己能主 动地控制滑坡的发生和发展。遗憾的是，虽然几十年来支护手段一直在进步，但 是在最根本的治理思想上，无论是抗滑桩工程还是预应力锚固工程，都强调以支 挡为主，大基滑坡治理工程都是以此为基础进行设计和施工的。由于滑坡发生的 机理不同，统一采用以支挡为主的治理措施是不合适的。尤其对由水引发的滑坡， 在此类滑坡中，虽然早有治坡先治水的说法，但在滑坡分析和稳定性计算中，降 水仅仅是作为增加安全余度的一种措施，因此。可能造成巨大的浪费。 1 6 本文研究的主要内容、方法及完成的技术路线 1 6 1 本文研究的主要内容及方法 本文以西部公路碎石土滑坡为对象，分析其形成影响因素，特别是水对公路 滑坡稳定性的影响，进行公路滑坡滑体土和滑带土的强度参数( 粘结力和内摩擦角) 取值方法研究。运用极限平衡法和有限元法分别对工程边坡进行稳定性分析和防 治对策研究，所作的主要研究工作概述如下： 。 1 、分析山区公路滑坡的破坏模式及其形成影响因素，主要研究水对边坡稳定 的影响及其力学机理。 2 、进行公路滑坡滑体士和滑带土的强度参数( 粘结力和内摩擦角) 取值方法研 究，为本文后续的稳定性分析提供可靠参数。 3 、系统研究了渗流作用下坡体稳定性评价的计算公式。在此基础上以渗透力 的概念推导出工程中经常使用的不平衡推力法的稳定性评价公式。同时，介绍本 文有限元法计算的基本理论。 4 、采用上述计算理论对工程滑坡进行稳定性分析。包括用不平衡推力法计算 滑坡稳定系数和用美国大型有限元分析软件a d i n a 8 2 分析滑坡变形。 5 、通过稳定性分析结果，针对工程滑坡失稳破坏的特点及影响因素，提出有 效的综合防治措施，重点针对抗滑桩及挡土墙进行防治研究。 1 6 2 本文已完成的研究技术路线如图l 湖北工业大学硕士学位论文 图l 研究技术路线 9 - 湖北工业大学硕士学位论文 第二章山区公路滑坡稳定性影响因素分析 坡体发生滑塌从力学观点讲就是滑坡整体或局部失稳的问题利用斜坡简单力 学模型即稳定安全系数k 表示： k = 禁= 墼 ( 2 1 ) 下滑力，( 形，口，卢，c ，力 一。 式中：形为土体自重：q 为外荷载：为斜坡坡角；c 为土的粘聚力；为内摩擦 角 从式2 1 可以看出，斜坡平衡条件的破坏与否，也就是说滑坡发生与否，取 决于下滑力( 矩) 与抗滑力( 矩) 的对比关系而斜坡的外形，基本上决定了斜坡内部 的应力状态( 剪切力的大小及其分布) ，组成斜坡的岩土性质和结构决定了斜坡各 部分抗剪强度的大小撇内部的剪切力大于岩土的抗剪强度时，斜坡将产生剪 切破坏而滑动，自动地调整其外形来与之相适应因北，凡是引起改变斜坡外形和 使岩土性质恶化的所有因素，都将是影响滑坡形成的因素这些因素，概括起来， 主要有地层岩性地质构造地形地貌外茼载变化( 公路边坡开挖导致坡体应力释放 地震及其它振动作用) 和水的作用i 珏4 7 】 2 1 地层岩性 滑坡主要发生在易于亲水软化的土层中和一些软质岩层中，当坚硬岩层或岩 体内存在有利于滑动的软弱面时，在适当的条件下也可能形成滑坡 容易产生滑坡的土层有胀缩钻土黄土和黄土类土，以及粘性的山坡堆积层等 它们有的与水作用容易澎张和软化，有的结构疏松，透水性好，遇水容易崩解， 强度和稳定性容易受到破坏 2 2 地质构造 在漫长的地质历史时期中，地球经历多次不同规模的地质构造运动，才形成 了现今高原丘陵平原盆地等，同时也造就了各种各样的自然地质灾害( 滑坡泥石流 崩塌等l 在不同的构造单元，滑坡发生的规模和数量是不同的 2 3 地形地貌 湖北工业大学硕士学位论文 滑坡系现代地貌发展过程的一种表现形式，故滑坡的分布与地貌发展过程及 地表形态有直接的关系 2 4 人类工程活动的影晌 大量事实说明，自然灾害的产生并不完全出于自然因子的作用，而在相当程 度上是人类的活动造成或诱发的，譬如，工程开挖使边坡失稳，引起滑坡；过量 开采地下水造成地面沉降；工程防灾设施的人为破坏等据统计，现己发生的各类 地质灾害约有5 0 与人类活动有关随着近十多年我国公路建设大规模开展，公路边 坡滑坡问题日趋严重，特别是山区公路，不可避免地会引起大量深挖高填与修建 大量的桥梁隧道工程工程复杂而艰巨，又因山区的地质作用一般均较强烈，地层 条件复杂，地质构造影响强烈，在这样的情况下，公路修建中的开挖改变了天然 山体的稳定条件，岩层的软弱结构面被切断而形成各种不利组合；以及开挖面在 大气与水的作用下岩体强度的降低等，都会形成对开挖边坡稳定十分不利的因素， 从而为滑坡发生奠定基础在西部山区现有的公路中，有的地段由于刷坡过高，加 之采用了不合理的施工方法，以致通车运营后，产生了大量的滑坡病害，特别是 在每年的雨季，滑坡病害严重地影响了公路运营安全和经济的发展 2 5 地震及振动作用 正如工程建筑设施会在强地震中遭到破坏一样，公路滑坡边坡也会在强烈的 地震中失稳，形成灾害性滑坡在许多地震中，滑坡引起的损失与地震造成的直接 损失同样巨大，有时甚至更大例如，1 9 6 4 年的美国阿拉斯加地震引起的十二亿美 元的经济损失，其中6 7 亿( 占5 6 ) 的损失来自地震诱发的滑坡，死亡的1 3 0 人中 有4 8 人死于滑坡日本自1 9 6 4 年以来发生的强震中( m 6 9 ) ，同地震相关的死亡人 数一半以上由地震诱发滑坡引起研6 年唐山地震引起密云水库白河主坝上游斜墙 护坡层下滑1 4 0 m 这些事实表明，地震是滑坡的重要诱发因素，地震诱发的滑坡破 坏性极大 地震能使斜坡土石体的抗剪强度降低在地震力反复作用下，土石体结构容易 遭受破坏，并沿着斜坡的软弱结构面或裂隙节理面向下滑动般认为，地震烈度 在五度以上就容易诱发滑坡地震对边坡滑坡稳定性的影响表现为累积和触发( 诱 湖北工业大学硕士学位论文 发) 等两方面效应 另外打桩，车辆与爆破振动可以使地下水位以下的松砂或黄土发生自然液化 作用，以及使一些灵敏粘土的抗剪强度减小，因而导致滑坡 2 6 水对公路滑坡的影晌 对碎石土公路滑坡而言，水的作用影响特别突出水对滑坡岩土体的作用，是 形成滑坡的重要条件地表水可以改变斜坡的外形，当水渗入滑坡体后，不但可以 增大滑坡的下滑力，而且将迅速改变滑动面( 带) 土石的性质，降低其抗剪强度， 起到叫“润滑剂 的作用所以有些滑坡就是沿着含水层的顶板或底板滑动的，不 少碎石土滑坡的滑动面，往往就在含水层中两级滑坡的衔接处常有泉水出露，以 及大规模的滑坡多在久雨之后发生，都可以说明水在滑坡形成和发展中的重要作 用 水是一种重要的地质营力，它本身是赋存于摩擦面间的润滑介质，颗粒间和 裂隙面间的摩擦系数在一定范围内随湿度的增大而急剧下降，水与岩土体之间的 相互作用：一方面改变着岩土体的物理化学及力学性质；另方面也改变着水自 身的物理力学性质及化学组份运动着的水将对岩土体产生三种作用，即：物理的 化学的和力学的作用 2 6 1 水对岩土体产生的物理作用 水对岩土体的物理作用是使岩土体碎裂，水在结冰时，其体积可增大l o 左 右，渗入岩土体裂隙中的水结冰后可能对岩土体产生很大的膨胀力，致使岩土体 沿着原有裂隙迅速开裂和分解对于裂隙中的某些次生充填松散夹层或粘土质软 岩，由于水的蒸发也往往产生收缩性干裂而导致不同程度的破坏水对岩土体的物 理作用主要是润滑作用软化和泥化作用结合水的强化作用等来体现的 2 6 2 水对岩土体产生的化学作用 水对岩土体有明显的化学作用在一定条件下，岩土体矿物吸收或失去水分子 而发生水化作用和脱水作用，在吸水或脱水过程中都能引起矿物体积的膨胀或收 缩，从而导致岩土体松散破碎或改变其化学成分特别是当水中含有c 0 ：气体时，水 的化学溶解和潜蚀能力将大为加强水的有关化学作用和气温的物理作用相配合将 促使风化作用向深部发展和扩散，使岩体的破坏更为严重水对边坡岩土体的化学 湖北工业大学硕士学位论文 鲁詈皇詈暑詈詈詈皇詈詈! 皇詈皇皇皇詈皇暑暑皇詈暑暑暑! 暑= ! 暑皇詈皇皇詈喜詈暑詈鼍詈鼍詈詈葛鼍詈皇皇暑皇詈詈皇 作用主要是通过水与岩土体之间的离子交换瓣作用( 黄土湿陷及岩溶1 水化作用 ( 膨胀岩的膨胀l 水解作用溶蚀作用氧化还原的作用沉淀作用以及起渗透作用等 2 6 3 水对岩土体产生的力学作用 由于水土密不可分，自然在研究岩土时就要考虑水的作用对于这个问题太沙 基做出了巨大的贡献，他提出的有效应力原理成为岩土界普遍应用的理论，成为 水作用下各类岩土阀题的理论基础有效应力原理认为嗍：饱和土体中任何一点的 总应力叮由有效应力口和孔隙水压力摊共同承担即 仃= 似( 2 2 ) 其中有效应力一是通过粒间的接触面传递的应力，因为它对土体的强度和变 形特性起控制作用，所以在很多文献中一致认为，它是土力学中最重要的一个参 数从严格的理论上讲，土力学中的所有力学分析只有使用有效应力计算才是正确 合理的 从力学的最基本的常识知道，所谓“应力”，本身就是一个无法直接测量的人为 规定的量有效应力一不能直接量铡到，只能通过总应力盯和孔隙水压力甜推算得 出，这无疑突显了孔隙水压力在土力学和工程评价中的极端重要性孔隙介质应力 的定义实际上具有“两重1 生，：一方面，是在徽体上力对面积的微分；另一方面， 对于土这种非连续体来说，应力在某一个宏观一点的尺度上说带有“平均”的意义， 否则如果微体取在孔隙处就很难解释i 从上面的分析可以看出，水作用下岩土问题的焦点就落在孔隙水压力的确定 上 ( 1 ) 孔隙压力比的方法 孔隙压力比的方法是最早人们在分析坡体中考虑水的一种方法，其目的是用 孔隙压力比来减少土的重量b i s h o p 和m o 曙e n s t 印1 ( 1 9 6 0 ) 定义的孔隙压力比为【4 6 1 ： “ 2 万 ( 2 3 ) 式中，“是孔隙水压力，是土的容重，而 是所研究的点在土表面下韵深度 根据式( 2 3 ) ，滑动土体底部沿破坏面的孔隙压力为加：或者说，在一个水平距离 1 3 湖北工业大学硕士学位论文 詈詈皇皇詈暑詈詈詈詈皇暑詈皇詈皇詈詈詈詈詈詈! 詈詈詈詈皇詈暑詈喜詈詈詈詈暑皇詈詈詈詈詈詈皇詈暑暑詈詈詈鼍喜暑皇 斑内的中性力为0 加s e c 缳扛。由于 形= y i 触 ( 2 4 ) 垂直于破坏面的中性力为 u = 屹( y ij i 丑出) s e c 口= l 形s e c 口 ( 2 5 )