（道路与铁道工程专业论文）公路深挖碎裂断层岩质边坡施工过程行为研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 本文针对西攀高速公路k 1 3 2 碎裂断层岩质高边坡，运用数值模拟与现 场监测的方法，对其开挖与加固过程中的状态变化进行了较系统、深入的研 究，主要探讨内容有： ( 1 ) 结合现场勘测资料，边坡地形情况与地质资料，运用大型商用有 限元软件a n s y s 8 0 建立西攀高速k 1 3 2 边坡有限元三维模型，根据现场和 钻孔地质情况，将边坡合理分区，进而把有限元网格信息转化格式后导入岩 土工程软件f t , a c d o ，并以岩石力学试验所得岩石参数为基础，确定模型的 材料参数。 ( 2 ) 运用f l a c 3 0 分析边坡开挖稳定性。采用一维弹塑性锚索单元及三 维弹塑性锚杆单元与三维线弹性梁单元耦合的方法，模拟边坡工程中的锚杆 框架、预应力锚索框架以及它们与加固岩体的相互作用，进而对西攀高速公 路k 1 3 2 岩质高边坡加固进行了方案的评价比选。结果表明，与锚杆框架梁 相似，无框架的锚杆加固方案能对坡体浅部位移及应力场有所改进，不同的 是，锚杆框架能够显著限制坡体表面变形；预应力锚索框架体系锚索的布置 及预应力设计值在较大范围内显著影响坡体内部的位移及应力场的分布。因 此，预应力锚索框架梁方案是提高k 1 3 2 岩质高边坡稳定性的首选方法之一。 ( 3 ) 对k 1 3 2 高边坡施工过程中的变形及稳定进行动态监测。结果表明： 自然状态下k 1 3 2 边坡坡体应力场主要随环境温度变化，且影响深度有限， 即使施工过程中因张拉锚索使坡体应力场发生改变，其变化也仅发生在张拉 后较短的一个时段内。结合深部位移的测斜监测，认为边坡开挖、爆破等人 工活动及降雨等自然因素会对k 1 3 2 边坡产生一定的扰动，但时效性不显著， 边坡整体稳定。 关键词：岩质高边坡；数值模拟；单元耦合；锚杆( 索) 框架梁；动态监测 系统 西南交通大学硕士研究生学位论文第l l 页 a b s t r a c t u s i n gam e t h o dc o m b i n i n gn u m e d c a ls i m u l a t i o nw i t ha e l dm o n i t o r i n g t h e e x c a v a t i o n s t a b i l i t y a n dr e i n f o r c e m e n te f f e c t so ft h e s l o p e a tk 1 3 2o f x i c h a n g p a n z h i h u ah i g h w a yw e r es y s t e m a t i c a l l ya n dp r o f o u n d l ys t u d i e d t h e m a i ns t u d yi n c l u d e st h r e ep a r t sa sb e l o w ： ( 1 ) b a s e d o nt h es i t e s u r v e y ，t o p o g r a p h i c a l c o n d i t i o na n dg e o l o g i c i n f o r m a t i o na c h i e v e db e f o r ee x c a v a t i o no ft h er o c kh i g h s l o p e t h e3 df e m m o d e lo ft h es l o p ew a sb u i l d e du s i n gt h ep r o g r a mo fa n s y s a c c o r d i n gw i t ht h e g e o l o g i c a li n f o r m a t i o no b t a i n e da sc o n s t r u c t i o n t h e3 dm o d e lw a sd i v i d e di n t o s e v e np a r t sp r o p e r l y ，a n dt h e n t h em e s hi n f o r m a t i o no ft h ef e mm o d e lw a s l e a d e di n t of l a c ”f o l l o w i n gi t sf o r m a tb e i n gt r a n s f e f r e di n t ot h er e q u i r e d v e r t i o n a f t e rt h a t ，b a s e do nt h er o c km e c h a n i c a le x p e r i m e n t ，t h ep a r a m e t e r so f t h en u m e r i c a lm o d e lw a sd e t e r m i n e d ( 2 ) am e t h o du s i n g1 - de l a s t i c - p l a s t i cc a b l ee l e m e n ta n d3 de l a s t i c p l a s t i c r o c k b o l te l e m e n tr e s p e c t i v e l yt oc o u p l ew i t h3 一dl i n e a r e l a s t i cb e a me l e m e n tw a s p r e s e n t e df o rs i m u l a t i n gr o c k b o l tf r a m eb e a m p r e s t r e s s e da n c h o rc a b l ef r a m e b e a ma n dt h e i ri n t e r a c t i n gw i t hr o c km a s s e s w i t ht h a tm e t h o d e v a l u a t i o na n d c o m p a r i s o nt os c h e m e so fr e i n f o r c e m e n tf o rs l o p ea tk 1 3 2o fx i c h a n g p a n z h i h u a h i g h w a yw a sa c h i e v e d t h er e s u l t ss h o wt h a ts u p p o r ts c h e m eu s i n gr o c k b o i t w i t h o u tf r a m eb e a mi se f f e c t i v ea st h ed e s i g n e ds u p p o r ts c h e m et om o d i f v d i s t r i b u t i o no fd i s p l a c e m e n t s t r e s si ns u p e r f i c i a ll a y e ro ft h es l o p e ，b u ti tc a n t c o n f i n ed e f o r m a t i o na tt h es l o p es u r f a c e ；l a y o u to fc a b l e sa n dd e s i g n e dv a l u eo f t h e p r e s t r e s s f o ra n c h o rc a b l ef r a m eb e a mc a n o b v i o u s l y i n f l u e n t s t r e s s d i s p l a c e m e n tf i e l do fi n t e r i o ro ft h es l o p e s o ，p r e s t r e s s e da n c h o rc a b l e f r a m eb e a mc a nb eu s e dt oe n h a n c ei n t e g r a ls t a b i l i t yo ft h er o c ks l o p e f 3 ) d u r i n gt h ee x c a v a t i o na n dr e i n f o r c e m e n to ft h er o c kh i g h s l o p ea s c o n s t r u c t i o na tk 1 3 2o fx i c h a n g p a n z h i h u ah i g h w a y , ad y n a m i cm o n i t o r i n g s y s t e mw a su s e dt om e a s u r ei t ss t a b i l i t y f i e l dd a t ac o l l e c t e ds h o w e dt h a t ，i n n o r m a lc o n d i t i o n s t h es t r e s sf i e l do ft h es l o p eb o d yw a si n f l u e n c e dm a i n l yb y a m b i e n tt e m p e r a t u r e ，a n dt h ei n f l u e n c er a n g ei sl i m i t e d d u r i n gc o n s t r u c t i o n ， e v e nt h es t r e t c h i n go ft h ea n c h o r a g ec a b l ed i s t u r b e dt h es t r e s sf i e l do ft h es l o p e b o d y ，t h ed i s t u r b a n c ei u s tm a i n t a i n e di uar e l a t i v e l ys h o r tt i m e c o m b i n i n gw i t h d a t af r o md e e p s e a t e dd i s p l a c e m e n tm o n i t o r i n g ，i tc o u l db ec o n c l u d e dt h a t ，a s c o n s t r u c t i o n ，t h es t a b i l i t yo ft h es l o p ew a si n f l u e n c c db yt h ef o l l o w i n gf a c t o r s ：1 1 a r t i f i c i a la c t i v i t i e s ：e x c a v a t i o n ，b l a s ta n ds u p p o r t ；2 ) n a t u r a ld i s t u r b a n c e s ：r a i n f a l l 。 e t c ，b u tt h ei n t e g r a lb o d yo ft h es l o p ew a ss t a b l e k e yw o r d s ：r o c ks l o p e ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；e l e m e n tc o u p l i n g ；r o c k b o l t ( a n c h o rc a b l e ) f r a m eb e a m ；d y n a m i cm o n i t o r i n gs y s t e m 西南交通大学硕士研究生学位论文第l 页 1 1 研究目的与意义 第1 章绪论 边坡问题是一个古老而复杂的课题。为了获得较合理的防护措施，并保 证被防护边坡的稳定，国内外岩土工程界投入了大量人力、物力对边坡稳定 性影响因素、变形破坏机制、稳定性评价与预测，防护措施及方法等诸多方 面展开了大量研究，获得了一些积极且有价值的成果，并都曾成功指导过工 程实践【”。 岩石高边坡在我国分布相当广泛，据统计，主要分布在2 4 个省、市、自 治区，其中四川省工程滑坡频次最高，其次为湖北、广东、海南、广西、云 南、青海、甘肃等省，从总体上看，以西南和西北为主【2 1 。随着我国经济的 飞速发展和西部大开发战略的正式启动，矿山开采、交通运输、水利和国防 等建设工程中所遇到的岩石边坡问题越来越多，国家和地方已经投入了大量 的人力、物力和财力对这些边坡工程的稳定性及其对周边环境的影响进行研 究和治理。 由于岩土体成因、赋存地质环境、演变历程等的差异，导致边坡形成过 程中在各种自然或人为的内、外营力作用下发生内部结构及应力状态的不同 调整和变化，从而形成工程性质差异较大的各种类型边坡，并潜藏着不同的 工程地质病害，致使相同防护措施在不同类型边坡上产生不同作用机理、发 挥不同作用效果，也使得同一种类防护措施的不同结构组合形式在同一类型 边坡上产生差异极大的防护效果【。鉴于此，本文以攀西高速公路c l l 合同 段k 1 3 2 高边坡工点防护工程为依托，将数值模拟与现场监测相结合，对岩 质边坡开挖稳定性与加固效果进行了分析。其研究内容对西部建设有重要的 工程实际意义，所得成果可为高等级公路岩质深挖方边坡提供类比设计的技 术资料或参考。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 1 2国内外研究现状及评价 1 2 1 边坡变形破坏形式与稳定性研究方法 岩体边坡变形与破坏是边坡发展过程中两个不同阶段，变形属量变阶段， 而破坏则是质变阶段，它们形成一个累进性变形破坏过程。 边坡岩体变形根据其形成机理可分为卸荷回弹与蠕变变形等类型。成坡 前边坡岩体在天然应力作用下早已固结，在成坡过程中，由于荷重减少，边 坡岩体在减荷方向必然产生伸长变形，即卸荷回弹；在近似不变的应力作用 下，边坡岩体的变形也将会随时间不断增加，这种变形称为蠕变变形。 对于岩体边坡的破坏类型，不同的研究者从各自的观点出发进行了不同 的划分。h o e k 【3 】把滑动面的形态特征作为主要分类依据，按破坏模式将岩体 边坡分为圆弧破坏、平面破坏、楔体破坏和倾倒破坏四种类型。我国学者谷 德振【4 】提出了将工程岩体结构分为整体块状结构、层状结构、破碎结构和散 体结构等四大类。张倬元、王士天等【5 】通过国内外大量的现场调研，深入研 究了斜坡变形破坏演化机制的一般规律，根据岩体变形破坏的力学机制，将 岩体变形破坏分为蠕滑( 滑移) 一拉裂、滑移一压致拉裂、弯曲一拉裂( 也 就是倾倒变形) 、塑流一拉裂和滑移一弯曲等5 类。 从岩体力学的观点来看，岩体边坡的破坏不外乎剪切( 即滑动破坏) 和 拉断两种型式。大量的野外调查资料及理论研究表明，除少数情况外，绝大 部分岩体边坡的破坏均为滑动破坏。文献【6 】根据滑动面的形态、数目、组合 特征及边坡破坏的力学机理并参照霍克的分类方法，将岩体边坡破坏划分为 平面滑动、楔形状滑动、圆弧形滑动及倾倒破坏4 类，其中平面滑动又据滑 动面的数目划分出单平面滑动、双平面滑动与多平面滑动等。前3 类以剪切 破坏为主，常表现为滑坡形式，第4 类为拉断破坏，常以崩塌形式出现。 目前国内外边坡稳定性研究的方法很多，归纳起来有三大类：经验法、 计算法、试验法。 1 1 经验法 经验法主要利用前人和工程技术人员自己积累的工程经验进行。由于边 坡工程地质条件复杂且变化大，至今仍未建立一个适合工程实际的理论，故 经验法占据了相当大的成分，成为了一种独立的研究方法。边坡工程技术研 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 究初期处于探索的过程，通过无数个成功与失败的工程实践积累，建立起一 系列的经验供后续工程借鉴，并由此形成了较系统的方法。 工程类比法是经验法的代表，该方法的实质就是利用已有的自然边坡或 人工边坡的稳定性状况及影响因素等方面的经验，并把这些经验应用到类似 边坡的稳定性评价中。它需要对已有的边坡和目前的研究对象进行比较深入 的调查与分析。通过这些分析，类比和判断研究对象的稳定性状况、发展趋 势、加固处理设计等。目前工程中对边坡稳定性的评判方法，主要以这类方 法为主。在工程实践中，既可以进行自然边坡间的类比，也可以进行人工边 坡之间的类比，还可以在自然边坡和人工边坡之间进行类比。因而，可以说 它是目前应用最广泛的一种边坡稳定性分析方法。类比的方法因人而异，带 有一定的主观性。 专家系统是在工程类比法的基础上建立起来的。随着类比数据的不断丰 富，分析方法的不断发展完善，特别是计算机技术的产生和发展，使得大量 积累的类比数据系统化成为可能，通过建立数据库分析，从而形成专家系统。 专家系统的形成和推广，使得经验法在边坡稳定性研究上进一步定量化、理 论化，推动了边坡稳定性研究的发展。 计算法 计算法主要包括解析法和数值模拟法两大类。 ( a ) 解析法 解析法要求有简单的材料边界，且无网格。边坡稳定性研究用的解析法 主要有极限平衡法、赤平投影法与块体理论法三种。极限平衡法特点在于事 先假定滑移面的形状，然后计算使潜滑体保持极限平衡状态所需的抗滑力， 边坡是否失稳取决于抗滑力与下滑力的相对关系。这一方法有瑞典条分法、 毕肖普法( b i s h o p ) 、简布法( j a n b u ) 、斯宾塞法( s p e n c e r ) 、摩根斯坦一普赖 斯法( m o r g e n s t e m & p d c e ) 、传递系数法、楔体分析法，萨尔玛法( s a r m a ) 等。赤平投影法又称g o o d m a n 运动分析法，是刚体极限平衡法的几何表述【4 j 。 它实际是把物体置于球体中心，将其几何要素投影于赤平面上，化立体为平 面的一种方法。利用该方法可以把岩体变形的边界条件、受力条件、强度参 数等一并纳入一个统一的投影体系中进行分析，来解决岩体稳定分析问题l _ ”。 块体理论法是以赤平投影法为基础发展和完善起来的一种方法【”，该法首先 将岩体结构面和边坡开挖面视为空间平面，岩体中结构体视为凸体，各种作 用荷载( 岩体自重和锚围力) 视为空间向量，进而应用几何方法( 拓扑学和 集合论) 详细研究边坡内将构成多少种块体类型及其移动的可能性，并给出 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 严格数学证明，再通过简单静力计算，求出各种块体失稳力，从而为边坡稳 定性分析提供依据。 解析法是边坡稳定研究的传统方法，其局限性在于不考虑边坡岩土体本 构关系，不能反映岩土材料的各向异性、非线性及不均匀性。加之各方法在 求解问题时所作的简化假设不同，采用不同方法对同一边坡进行分析，将得 出不同的安全系数值。近年来，一些学者对这一传统方法进行了改进和发展， 如我国学者陈祖煜和m o r g c n s t e r n 教授对m o r g e n s t e r n p r i c e 法作了改进( c h e n m o r g e n s t e r n ) ，完整地推导出了静力平衡微分方程的闭合解，提出了求解 安全系数的解析方法，从根本上解决了数值分析的收敛问题；并提出了为保 证剪应力成对原理不被破坏，土条侧向力在边界上需遵守的限制条件，因而 减少了对土条侧向力所作假定的随意性；同时，提出了一个求解安全系数合 理解的最大、最小值的方法，并通过算例说明最大、最小值确实十分接近p j 。 朱大勇等( 1 0 1 建立了条问力与条间力矩的递推关系式，并给出高精度高效计算 安全系数的解析代数格式。通过数学论证与物理直觉推断定义了边坡危险滑 动d s f 、临界滑动场c s f 及全局临界滑动场g c s f 。从条间力递推关系出发 论证了推力最大原理，并发现它与最优性原理的等价关系。 ( b ) 数值模拟法 现代工程建设的工程地质问题己相当复杂，在对这些问题进行分析时， 传统的解析解法受到很大的制约。于是，人们在广泛吸收现代数学、力学理 论的基础上，还借助于计算机来获得满足工程要求的数值解，这就是数值模 拟。在岩土工程中当前较为常用的几种数值方法有：有限单元法( f e m ) 、 离散单元法( d e m ) 、非连续变形分析方法( d d a ) 、f l a c 方法、数值流形 方法、界面元法、人工神经网络分析方法及耦合方法等i l ”。 有限单元法是最为广泛使用的一种数值分析方法。目前已经开发了多个 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 以算出边坡内的应力场和位移场分布，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。如果进行逐步非线性分析，还可了解土坡的逐步破 坏机理，跟踪土坡内塑性区的开展情况，分析最先、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。 f l a c 是力学计算的数值方法之一，源于流体动力学，把拉格朗日法移 植到固体力学中，将所研究的区域划分成网格，其结点就相当于流体质点， 然后按时步采用拉格朗日法来研究网格结点的运动。f l a c 方法是一种利用 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 拖带坐标系分析大变形问题的数值方法，可考虑岩土体的复杂性、可变性以 及非均质、不连续、大变形、大应变、非线性和应变软化特性等，还可以模 拟任意形状、任意特性的结构体与岩土体的相互作用。美国l t a s c ac o n s u l t i n g g r o u p i n c 把该方法率先应用于岩土体的工程力学计算中，并开发出应用软 件，于1 9 8 6 年推出了二维f l a c 软件第一版( f l a cv 1 o ) ，随后相继推出了 升级版的二维f l a c 程序以及三维f l a c 程序( f l a c 3 0 ) 。与有限元软件相比， f l a c 有以下优点：采用混合离散化法正确模拟了塑性破坏及塑性流动；采 用动态方程求解，克服了系统模型内的不安定因素；采用显式解析法，不需 要建立刚性矩阵，节省内存，在解决非线性问题时大大提高了运算速度【l ”。 近年来，在f l a c 分析方法的工程应用方面，我国学者做了大量的尝试。 寇晓东，周维垣等f 1 3 1 运用f l a c 3 d 软件对三峡船闸高边坡的锚固稳定性及其 作用机理进行了研究，成功地模拟了岩体的三维力学行为。朱继良，黄润秋 f 1 4 l 应用f l a c 3 d 分析了某大型水电站水文站滑坡蓄水后的稳定性，结果表明： 在蓄水初期，滑坡体的变形量小，滑坡体的整体稳定性较好。随着蓄水位的 增加，其变形量也逐渐呈增大的趋势。当蓄水位达到1 8 5 0m 高程时，滑坡体 就开始发生了局部的较大变形或破坏。当达到正常蓄水位时，变形与破坏现 象迸一步加剧，范围也进一步有所扩大。但总的来说，水文站滑坡整体稳定 性较好，属中浅层滑坡。胡斌等【1 5 l 结合龙滩水电站左岸边坡区工程地质条件 以及实测地应力资料，分析了研究区域初始地应力的影响因素。在各影响因 素单独作用下，采用f l a c 3 0 计算程序对建立的左岸高边坡三维地质概化模型 进行计算，并在实测点地应力值与计算得到的应力值之间建立多元回归模型， 通过多元回归分析，求出最优回归系数，最终获得左岸高边坡区初始地应力 场较为合理的分布规律，为左岸高边坡开挖模拟及长期稳定性分析提供了合 理的三维初始地应力场。 在研究岩体边坡位移特征及破坏模式时，通常采用离散单元法。离散单 元法( d e m ) 由c u n d a l l 1 6 】于1 9 7 0 年提出。像有限单元法那样，它将区域划 分成单元。但是，单元因受节理等不连续面控制，在以后的运动过程中，单 元结点可以分离，即一个单元与其邻近单元可以接触，也可以分开。单元之 间相互作用的力可以根据力和位移的关系求出，而个别单元的运动则完全根 据该单元所受的不平衡力与不平衡力矩的大小按牛顿运动定律确定i l ”。离散 单元法的一个突出的功能是它在反映岩块之间接触面的滑移、分离与倾倒等 大位移的同时，又能计算岩块内部的变形与应力分布。任何一种岩体材料的 本构模式都可引入到模型中，如弹性、粘弹性、弹塑性或断裂等均可考虑。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 在我国，离散单元法的研究与应用始于8 0 年代中期。王泳嘉【1 7 j 首次应 用这一方法于节理岩体的数值分析中，研究了放矿的数值模拟与自然崩落机 制。陆阳，黄晚清等【培2 1 】针对散体材料复杂的微观作用机制，在随机生成的 堆积体模型的基础上，采用离散单元法，分别研究了重力场内四面体及球体 组成的微观结构特性。王涛等1 2 2 】针对水电工程中的地下洞室群围岩稳定问 题，在对围岩可能出现的破坏类型分析的基础上，采用i t a s c ac o n s u l t i n g g r o u p i n c 研制的三维离散元软件3 d e c 建立计算模型，对随机结构面进行了 模拟，计算出了开挖过程中可能出现的破坏块体。朱焕春等【2 3 j 针对三峡永久 船闸中隔墩在开挖期间出现了北倾变形现象，对现场地质条件、监测资料、开 挖和加固与变形之间可能的关系进行了综合分析，论证了北倾变形的局部性 和结构面控制特点。认为在闸室开挖初期阶段，两侧闸室的不均匀开挖是引 起北倾变形的主要因素；在开挖中期，不均匀开挖起作用的同时，普遍存在 的北倾结构面开始发挥重要作用；后期在对北倾结构面控制的中隔墩北侧潜 在不稳定块体进行加固的同时，也把一部分荷载转嫁给南侧岩体，成为导致 北倾变形的主要因素。针对变形的非连续特点，运用3 d e c 软件建立了三峡 船闸基于非连续力学的三维离散元模型，论证了这一机理的可能性。 由石根华与g o o d m a n 2 4 】提出的d d a 方法也属于离散元模型的一类，它 在求解块体变形与应力时用应变模态组合来代替c u n d a l l 的有限差分格式。 它解决了岩体的大变形和大位移问题。d d a 以位移作为基本未知量，按结构 矩阵分析的方式求解平衡方程，主要适用于不连续块体系统。 石根华在研究d d a 与有限元的数学基础上，提出了d d a 与有限元的统 一形式，即数值流形方法( n m m ) 1 2 5 1 。清华大学周维垣【2 6 j 等将其引入到我 国。n m m 以流形分析中的有限覆盖技术为基础，统一解决了连续与非连续 变形的力学问题。n m m 中的网格就是数学覆盖，这些数学覆盖互相重叠并 且覆盖了整个计算区域，在每个数学覆盖上定义互相独立的位移近似函数。 这些数学覆盖被物理边界切割而形成物理覆盖，物理覆盖的重叠区域即形成 单元。然后将这些覆盖上的位移函数结合起来形成计算域上的全域位移近似 函数，在每个单元上的近似函数就是形成此单元的若干个互相重叠的覆盖上 的近似函数的加权平均，然后即可利用最小位能原理形成整体平衡方程。在 n m m 中，积分方法采用了单纯形上的解析积分形式，这是与传统数值方法 的一个很大的不同。 界面应力元模型源于k a w a i 教授提出的适用于均质弹性问题的刚体一弹 簧元模型【2 7 1 。其建模思路可以概括为三个方面：首先，假定单元的变形累计 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 在界面层，单元本身就可视为刚体，因而可采用分片刚体位移模式构造结构 的位移场，使其逼近真实的位移场；其次，基于相邻块体单元的相对变形和 不同的材料特性( 非均质、各向异性、弹塑性、非线性及粘性等) ，导出界面 应力公式并以此表征结构的应力场：最后根据偏微分方程的弱解形式一加权 残量法或虚功原理或放松界面位移连续条件的广义变分原理，建立相应的支 配方程，得到结构和不连续面上的变形以及众多界面上的应力。 人工神经网络理论是8 0 年代后期在世界范围内迅速发展起来的一门解 决非线性问题的科学。人工神经网络是由大量的神经元广泛相互联结而成的 复杂系统，它基于现代科学研究成果，能反映人脑思维的一些基本特性。网 络的信息处理由神经元之间的相互作用实现，知识与信息的存储表现为网络 元件互连问分布的物理关系，网络的学习与识别决定于各神经元连接权系数 的动态演化过程。神经网络以其连续时间、非线性、网络的全局作用、大规 模并行分布处理及高度的鲁棒性和学习联想能力，在解决岩体工程中的非线 性关系、参数识别、预测等方面表现出巨大的潜力，因而近年来受到相关研 究人员的广泛关注，成为研究热点之一。冯夏庭等【2 8 j 应用神经网络理论，提 出了圆弧破坏和楔体破坏的边坡安全系数估计的一种推广学习算法。用该法 对从文献中以及国内3 0 多个露天矿边坡中收集到的8 2 个危险圆弧破坏的边 坡实例( 其中破坏实例“个，稳定实例3 8 个) 和1 4 个危险楔体破坏的边坡 实例( 破坏8 个，稳定6 个) 进行学习，然后进行推广，预测出新边坡的安 全系数。 3 ) 试验法 在边坡研究技术的发展历程中，试验方法扮演了一个重要的角色，从某 种程度上可以说试验法具有与计算法同等重要的地位。试验法包括室内试验 与现场试验两大类。 室内试验能模拟不连续岩体的自然条件、岩体结构及其物理方程，目前 主要有地质力学模型试验方法和离心机模型试验方法。地质力学模型试验根 据边坡原型，按一定相似条件建立小尺度物理模型，施加相应的工程荷载以 及超载，研究边坡的破坏机理。典型边坡地质力学模型的建立对于边坡稳定 性评价及其失稳形式的分类是非常有意义的，由于边坡的地质力学模型是反 映影响边坡稳定的各种地质因素的综合体现，因而可以在工程实践中根据边 坡地质模型把握边坡破坏形式，预报边坡变形趋势和可能破坏方式。如周德 培等f 2 9 l 通过地质力学模型试验研究了软岩高边坡喷锚支护的效果，对加锚与 不加锚的边坡内应力和变形规律进行了详细的分析和比较，结果表明：采用 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 喷锚挡护时可明显减小开挖在坡体内形成的松动区范围；开挖坡面的变形具 有“臌肚子”特征。并给出了喷层上土压力分布以及锚杆受力规律等结果， 在研究基础上对原设计和施工提出了“保住中部，稳定坡脚”的修改原则。 近年来，离心模型试验也开始广泛应用于边坡的变形破坏研究中，这一 技术的应用为深化对边坡失稳破坏机制的认识，解决复杂工程地质问题提供 了重要手段。我国学者姚令侃，姚裕春等f 驯利用离心模型试验进行了边坡开 挖迁移式影响的研究，结果表明：稳定性较差的边坡受迁移式影响形成坡顶 贯穿拉裂整体破坏；稳定性较高的边坡受迁移式影响形成坡顶弧形拉裂破坏； 松散型边坡主要发生开挖面的浅层坍落破坏并发展。高长胜，徐光明等p l j 针对某堤防工程，利用离心机模型试验，进行了施工期及运行期水位骤降时 边坡变形稳定特性研究与理论计算和分析。由离心模型破坏性试验得出：竣 工期的滑动破坏面呈圆弧状，并切入软弱地基层中，失稳破坏是为深层破坏； 水位骤降期的边坡在水位骤降一侧的水平位移明显，尤其是最高水位线以下 上坡部分，因侧向位移而明显向外鼓出，滑动破坏面基本呈圆弧状，滑弧未 切入地基土层中，失稳破坏主要表现为浅层破坏。 现场试验能以最为逼真的效果获得边坡的第一手资料，目前几乎每一个 中型以上的边坡工程都必须开展现场试验。已有边坡现场试验主要包括深部 位移测斜监测，表面位移监测，锚与边坡岩土体相互作用的监测等，并开发 了大量的监控仪器，如位移计、应力计、测斜仪等，获得了包括边坡变形机 理、破坏机理、锚固荷载传递机理等一系列研究成果。朱焕春1 3 2 j 根据三峡临 时船闸及升船机高边坡系统锚杆应力状态的监测成果，结合测点地质条件，详 细分析了锚杆应力的边坡开挖效应、温度效应和时效变形效应。论证了锚杆 对岩体时效变形的控制作用和岩体反复变形对锚杆作用效果的弱化作用。欧 阳祖熙等f 3 3 】针对三峡库区地质灾害的特点，运用3 s 技术与地面监测网相结 合监测滑坡和库岸变形，并在万州、巫山和奉节等地初步建立了“三峡库区 库岸与滑坡变形监测及灾害预警系统”。宋修广等1 3 4 】在对路堑边坡表面、地 下变形以及支挡结构物受力状态监测所获取的信息进行综合分析的基础上， 对边坡施工及运营期的安全性进行了分析研究，指出了影响边坡稳定的各种 因素。 试验法可以获得各种复杂边界条件下边坡的性能，但是，所得结果受到 试验手段以及测试技术的制约。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 1 2 2 边坡加固技术 ( 1 ) 边坡加固技术的发展1 ”1 2 0 世纪5 0 年代，我国治理边坡主要采用地表排水、清方减载、填土反 压、抗滑挡墙及浆砌片石防护处治等措施。但这些措施仅能使边坡暂时处于 稳定状态，如果外界条件发生改变，边坡仍然可能失稳。 2 0 世纪6 0 年代末期，我国在铁路建设中首次采用抗滑桩技术并获得成 功。随后在成昆线、湘黔线、宝成线、川黔线等铁路建设中推广应用。抗滑 桩技术的诞生，使一些难度较大的边坡工程问题的处理成为现实，由于它具 有布置灵活、施工简单、对边坡搅动小、开挖断面小、圬工体积少、承载能 力大、施工速度快等优点，在全国范围内迅速得到推广，并从2 0 世纪7 0 年 代开始逐步形成以抗滑桩支挡为主、结合清方减载、地表排水的边坡综合治 理技术。1 9 7 5 年铁道部颁布的铁道工程技术规范提出对滑坡治理强调一 次根治，强调综合治理，重视支挡作用，将地表排水、地下排水、抗滑挡土 墙作为主要技术推荐，强调减载要注意是否会引起后部次生滑坡的产生。1 9 8 5 年修订的路基设计规范( t b 9 1 8 5 ) ，与1 9 7 8 年规范对照，其变化之处在 强调支挡为主、综合治理，抗滑桩作为一种主要措施被推荐。 2 0 世纪8 0 年代末期，由于锚固技术理论研究和凿岩机械突破性的发展， 我国开始采用锚喷防护技术。锚喷技术的采用对高边坡提供了一种施工快速、 简便、安全的处治防护手段，因此很快得到广泛应用。对于排水，人们也有 新的认识，主张以排水为主、结合抗滑桩、预应力锚索支挡综合整治。南昆 铁路八渡车站巨型滑坡，采用地面、地下、立体排水、锚索和锚索桩支挡、 建立滑坡地质环境保护区的综合治理措施获得成功，被誉为2 0 世纪8 0 年代 治理巨型滑坡的成功典范。 2 0 世纪9 0 年代，压力注浆加固手段及框架锚固结构越来越多地用于边 坡处治，尤其是高边坡的处治防护工程中。它是一种边坡的深层加固处治技 术，能解决边坡的深层加固及稳定性问题，达到根治边坡的目的，因而是一 种极具广泛应用前景的高边坡处治技术。 目前可供采用的边坡加固措施很多，有削坡减载技术、排水与截水措施、 混凝土抗剪结构措施、支挡措施、压坡措施以及植物框格护坡、护面等，在 边坡治理工程中强调多种措施综合治理的原则，以加强边坡的稳定性。随着 工程建设规模的不断增大，边坡高度增高，复杂性增大，边坡处治技术将得 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 到进一步的发展，逐渐走向完善。 ( 2 ) 边坡加固技术的研究 近年来，岩土工程科技人员对于边坡加固技术的研究异常活跃，工程应 用迅猛发展。由于本文主要研究锚杆( 索) 框架支护措施对开挖边坡的作用 效果，故仅在以下几个方面对边坡加固技术研究加以介绍。 ( a ) 在边坡锚固的力学效应研究方面，科技人员进行了多方面的探索， 取得了较显著的成效。 尤春安等【3 6 l 根据k e l v i n i h 3 题的位移解，导出了内部锚固型锚杆的锚固段 的剪应力和轴力分布规律，经比较发现，其与已有表面锚固型锚固段的剪应 力和轴力具有相同的分布形式，但参数不同，即这两种锚固类型的受力特征 是一致的。在此基础上讨论了拉力分散型锚杆锚固段的应力分布及其受力特 征，并指出了其优缺点及其适应条件。 金永军，何满潮等1 3 7 l 利用有限差分程序f l a c 对压力分散型预应力锚索 的锚固机理进行了研究，得出如下结论：和拉力集中型锚索相比，压力分散 型锚索锚固段浆体轴力峰值仅为拉力集中型的1 n ( n 为承体的数量) ，且为受 压状态，所以浆体的受力状态优于拉力集中型；和拉力集中型锚索相比，压力 分散型锚索浆体一岩体界面上的剪力峰值小于拉力集中型锚索且剪力峰值与 剪力均值差别很小，并较均匀地分布整个锚固长度上，可以充分发挥整个锚 固段浆体的剪作用；压力分散型和拉力集中型锚索在周围岩体中产生的水平 应力分布规律，压应力区范围、数值，拉力区范围都是相同的，只是拉应力值 的不同。在浆体强度和锚固段长度等其他条件相同的情况下，压力分散型锚 索可以提供更大的锚固力；增加承载体的数量是提高压力分散型锚索锚固力， 改善其受力状态的有效途径。 丁秀丽，盛谦等【3 8 】采用三维显式有限差分法建立预应力锚固数值仿真模 型，进行了一系列计算机模拟试验。结果表明：预应力锚索在张拉过程中在 岩体内形成了表层压缩区，由于多根预应力锚索的作用，每根锚索的压应力 集中区互相叠合形成一个连续分布的压缩带，其分布形态与锚索布置方式、 间距、锚索根数以及预应力的大小有关。 ( b ) 对于混凝土框架锚固体系的研究，锚杆( 索) 锚固机理取得成果较 多1 3 6 0 舯，框架梁的设计大多基于经验，对其受力机理的研究较少，还没有相 应的规范来指导设计。 最初对框架梁的计算方法是反梁法【3 9 】，它基于以下两条假设：( a ) 将框 架视为倒置的交叉梁格体系，坡面反力视为荷载，锚索作用点视为支座；( b ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 认为整个框架为刚性，假定坡面反力呈均匀直线分布，将纵横梁看成相互独 立的连续梁。该方法的明显问题是：忽略了框架梁在巨大锚固力作用下产生 的变形，引起的底部反力的不均匀分布，而使设计过于保守i 删。 目前对框架梁的研究思路基本是源于弹性地基上梁的计算理论 4 0 - 4 1 。该 理论考虑了框架梁与边坡的共同作用，使框架梁计算模型更接近实际的工作 情况。如杨明，胡厚田等【鲫】等利用w i n l d e r 地基模型分析锚索框架的受力特征， 并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。许英姿等 【4 1 】利用w i n k l e r 弹性地基上梁的解析解对框架梁进行了内力和变形的分析， 讨论了弹性特征，梁格间距以及悬臂长度对框架梁受力状况的影响。 此外，一些学者利用数值模拟的方法对框架锚固体系进行了初步研究。 如许英姿等1 4 2 l 对格构锚固结构与地基土相互作用进行三维有限元模拟，研究 分析了松散土体在格构锚固结构作用下的变形及应力分布的变化规律以及格 构锚固结构的受力特征。结果表明；在格构锚固结构的作用下，滑坡体内部 受到较均匀的压应力，土体强度提高，在纵横格构梁交叉的尖点处士体存在 拉应力集中，塑性区的范围仅限于表层土；预应力锚索加固变形模量小的松 散土层与加固变形模量大的岩体同样有效。丁秀美，黄润秋等1 4 3 j 以福建省漳 ( 州) 龙( 岩) 高速公路和溪段k 6 3 + 7 3 0 9 5 0 与k 6 4 + 6 9 0 7 9 0 边坡的锚索框架 加固为工程实例在对预应力锚索框架结构力学作用机理分析的基础上，建 立相应的三维地质力学模型，应用f l a c 3 d 程序对其进行数值模拟，研究了预 应力锚索框架与岩土体的相互作用机理及施加预应力产生的附加应力，并对 附加应力分布规律进行了初步探索。 ( c ) 在锚固结构防腐技术方面，1 9 8 6 年国际预应力协会( f i p ) 地锚工作 小组对收到的3 5 例锚杆腐蚀破坏实例分析研究后指出：锚头以及锚头与自由 段或自由段与锚固段的交界处最易遭受腐蚀。鉴于锚头特别容易遭受腐蚀， 应加强对锚头的早期防护。锚杆的短期破坏( 几星期后1 是由于应力腐蚀和氢 脆作用所致。淬火与回火的低碳钢及高强合金钢比其他种类的钢更易遭受氢 的脆化作用，因而在具有侵蚀性的环境下使用上述钢材应格外小心1 4 4 j 。 同时，文献 4 4 1 中指出，锚杆预应力筋腐蚀的主要危害是地层和地下水 中的侵蚀介质、锚杆防护系统失效、双会属作用以及地层中存在着杂散电流。 高拉应力作用下的筋体的应力腐蚀及氢脆破坏，也会直接引起钢丝或钢绞线 的断裂。为提高锚杆的长期化学稳定性，应采取以下主要防护措施：切实弄 清锚杆工作环境内的腐蚀性质和程度；处于侵蚀性地层中的永久锚杆杆体应 采取双层防腐，水泥浆保护层厚度不应小于2 0 m m ；尽可能采用压力分散型 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 锚杆；采用钢丝、钢铰线作预应力筋的锚杆，其锁定荷载不宜超过筋体材料 抗拉强度标准值的6 0 ；锚杆自由段与锚头接合处1 白勺空隙，务必再次补浆； 锚杆张拉后，锚头应及时封闭保护。 ( d ) 由于不同类型的锚杆，其传力机制、工作性能、加固效果和耐久性 是有差异的，文献 4 4 1 提出应根据地层性态、锚杆工作条件和服务年限选择 相应的锚杆类型：永久性岩石边坡与大型岩石洞室支护，宜采用高或较高预 应力的长锚杆( 索) 与低预应力的短锚杆相结合的锚固体系；岩石隧道支护应 积极发展端头附有机械锚固件的中空注浆锚杆或用块硬胶结料( 树脂、水泥锚 固剂1 的钢筋锚杆；围岩自稳时间短或有明显流度特征或受爆破震动影响的 矿山巷道工程，宜采用缝管锚杆、水胀锚杆等摩擦型锚杆；对软岩和土体中 的边坡或基坑工程，应积极发展荷载分散型锚固体系，永久性锚固工程应采 用压力分散型锚杆，临时性锚固工程可采用拉力分散型锚杆；对结构抗浮工 程，宜采用压力型、压力分散型锚杆或扩体型锚杆；对坝体或坝基加固工程， 宜采用高承载力、大直径、多股钢绞线作杆体的预应力长锚杆( 索) 。 1 2 3 对现状的分析与评价 以上即是国内外所进行的边坡稳定性与加固方面的研究概况。可以看出， 这些研究己具有相当的水平与规模，但亦存在着不足之处，主要表现在： ( 1 ) 采用计算法尤其是数值模拟方法分析边坡稳定性时，岩土体分区以 及各分区材料计算参数难于确定。 ( 2 ) 对于含少量节理的岩体，已经发展了一些计算方法( 如离散元、接 触元、d d a 以及流形元等) 。但对于含大量裂隙的岩体( 如本文所依托工点 为碎裂岩质边坡) ，还未有合适的计算模型加以考虑。 ( 3 ) 以上所述的边坡稳定性研究方法，均未考虑风化引起的岩土材料弱 化破坏，应在有必要的情况下开展风化过程的数值模拟研究。研究这一问题 的难度很大：除了力学因素外，还涉及温度循