（道路与铁道工程专业论文）山区高陡路堑边坡变形与破坏机理研究.pdf

摘要 高陡路堑边坡的稳定是保证路基完成其功能的重要条件，也是路基设计 的主要内容。在山区建设高等级公路，不可避免会遇到大量的高陡路堑边坡。 高路堑边坡的破坏导致在公路建设及养护期间花费大量的人力和财力进行处 治，在公路运营期，还将严重阻碍交通，给国家和人民经济造成巨大损失， 同时破坏环境景观和生态平衡。 本论文以在建和已建山区高陡路堑边坡破坏现象与原因的调查为基础， 分析引起高陡路堑边坡破坏的主要原因。总结高陡路堑边坡变形与破坏的类 型，分析其影响因素。为揭示其变形与破坏机理，分别采用室内模型试验、 数值模拟分析方法进行模拟与分析。采用底摩擦模型试验模拟边坡可以再现 其变形破坏的整个历史过程并预演其失稳破坏方式和条件，从整体上认识高 陡路堑边坡变形破坏发展的规律。采用r f p a ”数值模拟分析方法，根据路 堑边坡典型岩体结构特征和破坏模式，从岩体结构、地貌情况、地下水渗流、 边坡比例结构等方面模拟分析边坡的变形与破坏机制的一般规律。最后，通 过对实体工程( 高工天滑坡) 进行模型试验与f l a c 数值模拟分析，验证其 滑坡机理，也为依托工程的边坡处治提供正确指导。 本论文的创新之处在于结合模型试验方法和r f p a 2 0 数值模拟方法，揭 示高陡路堑边坡的变形与破坏机理，对高陡路堑边坡的变形与破坏形态有一 个充分的认识，一方面为路堑边坡设计计算方法的研究奠定基础，另一方面 为路堑边坡的正确设计、施工和处治提供指导建议。 关键词：山区公路；高陡路堑；变形破坏机理；模型试验；r f p a ”数值模拟 f l a c 数值模拟 a b s t r a c t t h es t a b i l i t yo ft h eh i g ha n ds t e e pc u t t i n gs l o p ei st h ei m p o r t a n tc o n d i t i o nt o g u a r a n t e et h a tt h er o a d b e dc o m p l e t e so fi t sf u n c t i o n ，i ti sa l s om a i nc o n t e n t so ft h e r o a d b e dd e s i g n c o n s t r u c tt h eh i g hg r a d eh i g h w a yi nt h em o u n t a i na r e a ，w ec a n ta v o i d m e e t i n gm a n yh i g ha n ds t e e pc u t t i n gs l o p e t h ef a i l u r eo ft h eh i g hc u t t i n gs l o p ec a u s e s t oc o s tag r e a td e a lo fm a n p o w e ra n df i n a n c i a lp o w e r st os e t t l ei nt h ec o n s t r u c t i n ga n d m a i n t a i np e r i o d ，i nt h es e r v i c ep e r i o d ，i tw i l lb l o c kt h et r a f f i cs e r i o u s l y , r e s u l ti nh u g e l o s sf o re c o n o m i e so fn a t i o na n dp e o p l e ，a n db r e a kt h ee n v i r o n m e n ta n dt h ee c o s y s t e m b a l a n c e sa tt h es a n l et i m e t h i st h e s i si n v e s t i g a t e dt h ef a i l u r ep h e n o m e n o na n dr e a s o no fh i g ha n ds t e e pc u t t i n g s l o p eo nt h eb u i l d i n ga n dc o m p l e t e dh i g h w a y s i nm o u n t a i na r e a , a n a l y z et h em a i nr e a s o n o ft h eh i 【g ha n ds t e e pc u t t i n gs l o p ef a i l u r e ，s u mu pt h eh i g ha n ds t e e pc u t t i n gs l o p e d e f o r m a t i o na n df a i l u r et y p e ，a n da n a l y z et h ea f f e c t sf a c t o r s i no r d e rt or e s e a r c ht h e d e f o r m a t i o na n df a i l u r em e c h a n i s m ，w ea d o p t i n gt h ei n d o o rm o d e le x p e r i m e n t 、t h e n u m e r i c a ls i m u l a t i o nm e t h o dt oa n a l y z e s t h eb o t t o mf r i c t i o nm o d e le x p e r i m e n tc a n r e - a p p e a rt h ed e f o r m a t i o na n df a i l u r eo ft h ew h o l eh i s t o r yp r o c e s s ，a n di ta l s op r e v i e wi t s m e t h o da n dc o n d i t i o n so fi n s t a b i l i t ya n df a i l u r e ，f r o mw h o l eu pk n o wt h er e g u l a t i o no f d e f o r m a t i o na n df a i l u r et r a n s f o r m s d e v e l o p m e n t a d o p t t h er f p a 2 dn u m e r i c a l s i m u l a t i o nm e t h o dc a na c c o r d i n gt ot h ec u t t i n gs l o p et y p i c a lr o c ks t r u c t u r ec h a r a c t e r i s t i c a n dt h ef a i l u r em o d e ，f r o mt h er o c kb o d ys t r u c t u r e ，g e o g r a p h yc i r c u m s t a n c e ，t h e g r o u n d w a t e rs e e p ，t h es l o p ec o m p a r i s o ns t r u c t u r ee t c s i m u l a t ea n da n a l y z et h eg e n e r a l r e g u l a t i o no ft h es l o p ed e f o r m a t i o na n df a i l u r em e c h a n i s m 。i nt h ee n d ，t h r o u g ht h em o d e l e x p e r i m e n ta n df l a cn u m e r i c a ls i m u l a t i o na n a l y s i st ot h ee n t i t ye n g i n e e r i n g ( o a o g o n gt i a ns l o p e ) ，v e r i f yi t ss l o p em e c h a n i s m ，a n da l s op r o v i d et h er i g h tl e a d i n gf o rt h e s e t t l et ot h a ts l o p ee n g i n e e r i n g t h ec r e a t i v eo ft h i st h e s i sb ep l a c e di nc o m b i n et h em o d e lt oe x p e d m e n tt h em e t h o d a n dt h er f p a 2 dn u m b e r st oi m i t a t et h em e t h o d ，r e s e a r c ht h em e c h a n i s mo fd e f o r m a t i o n a n df a i l u r et oh i g ha n ds t e e pc u t t i n gs l o p e ，h a v eaf u l lu n d e r s t a n d i n gw i t hi t ，o nt h eo n e h a n d ，l a yt h ef o u n d a t i o nf o rt h er e s e a r c ht h a tt h ec u t t i n gs l o p ed e s i g n st oc o m p u t et h e m e t h o d ，o nt h eo t h e rh a n dp r o v i d et h es u g g e s t i o no ft h ec u t t i n gs l o p eo ff i g h td e s i g n ， c o n s t r u c t i o na n ds e t t l e k e y w o r d s ：h i g h w a yi nm o u n t a i na r e a ；h j 【g ha n ds t e e pc u t t i n g ；d e f o r m a t i o na n df a i l u r e m e c h a n i s m ；m o d e le x p e r i m e n t ；r f p a 2 0n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；f l a c h u m e r i c a ls i m u l a t i o n 长沙理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得 的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个 人或集体己经发表或撰写的成果作品。对本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。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承 担。 作者签名： 蘧博 日期l 酊年争月西日 学位论文版权使用授权书 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，同意学校 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。本人授权长沙理工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。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：诲1 每 日期：o 述年乒月涝日 导师签名：i b 疗 1 1 问题的提出 第一章绪论 高陡路堑边坡是路基的主要结构型式之一。边坡的稳定是保证路基完成其 功能的重要条件，也是路基合理设计的主要内容。现行规范【l j 明确规定：土质 挖方边坡高度超过2 0 m 、岩质挖方边坡高度超过3 0 m 以及不良地质、特殊岩土 地段的挖方边坡，应进行个别勘察与设计。 在山区建设高等级公路的过程中，不可避免会遇到大量的高陡路堑边坡。 山区高陡路堑边坡的稳定性一直是人们研究和亟待解决的难点问题，已建成和 在建的高等级公路均不同程度地出现了边坡变形、破坏甚至失稳，如已建的成 渝高速公路、成雅高速公路、柳桂高速公路、贵新高速公路、耒宜高速公路、 湘潭至怀化高速公路、甬台温高速公路等，以及在建的常张高速公路、邵怀高 速公路、昌金高速公路、徽杭高速公路等，都出现了不等规模边坡变形、破坏 和滑坡，严重影响了工期。图1 1 所示为2 0 0 3 年2 月徽杭高速公路朱村段因 施工开挖造成的滑坡。图1 2 所示为2 0 0 4 年1 2 月甬台温高速公路柳市附近突 发的山体滑坡，使温州大桥白鹭屿至乐成镇一段高速公路双向车道全部瘫痪。 图1 1 徽抗高速公路朱村段山体滑坡 图1 2 甬台温高速公路柳市附近山体滑坡 图1 3 所示为1 9 9 8 年四i i 省涪陵小西坝发生滑坡，使楼房和公路下滑l o m ( 图中右侧，左则可见原路基) ，滑坡体积约2 x 1 0 4 m 3 。图1 4 所示为2 0 0 2 年 1 2 月，西安市周至县至佛坪的1 0 8 国道虎豹河段山体滑坡，巨石堵路，致使 3 0 0 0 余辆汽车被堵无法通行。 图1 3 四川i 省涪陵小西坝滑坡图1 4 国道1 0 8 陕西虎豹河段滑坡 高陡路堑边坡的变形、破坏导致在公路建设及养护期问花费大量的人力和 财力进行处治，在公路运营期，还将严重阻碍交通，给国家和人民经济造成巨 大损失，同时破坏环境景观和生态平衡。高陡路堑边坡的稳定性问题已成为制 约和阻碍山区高等级公路进一步发展的主要因素，受到人们的普遍关注。 引起高陡路堑边坡变形、破坏的原因是多方面的。除地质条件的复杂多变 性、开挖引起的受力情况的变化、环境条件的改变等客观因素外，就目前的情 况看，导致高陡路堑边坡变形、破坏的主观原因之一是对边坡破坏机理认识不 足和稳定性评价方法的不完善，以至于在建设中出现盲目开挖，采用不合理的 稳定性分析方法、参数、边坡比例、处治方法等。针对这一问题，有必要开展 高陡路堑边坡变形、破坏及处治的考察、调研，研究高陡路堑边坡变形、破坏 机理与稳定性评价、选择合理治理方法，以正确指导设计施工、减少高陡路堑 边坡工程破坏和失稳隐患。 1 2 国内外研究概况 1 2 1 国内外高陡路堑边坡研究历史 在国外，对高陡路堑边坡问题的认识和研究是随着工程活动的发展而不断 深入，2 0 世纪5 0 年代，研究着重于边坡地质条件的描述和边坡类型的划分， 通常采用工程地质类比法评价边坡稳定性；6 0 年代，人们认识到岩体结构对边 坡稳定性的控制作用以及边坡失稳的时效特征，初步形成了岩体结构的观点， 提出了实体比例投影方法，以此定性判断边坡的稳定性；7 0 年代开始重视边坡 变形破坏过程，提出了累进性破坏的观点以及边坡变形破坏演化机制的一般规 律( 蠕滑一拉裂、滑移一压致拉裂、滑移一拉裂、弯曲一拉裂、塑流一拉裂和 滑移一弯曲) ，以及边坡失稳的3 种基本破坏方式( 崩落( 塌) 、滑落( 坡) 、( 侧 向) 扩离) ：8 0 年代研究人员在侧重边坡稳定性分析方法研究的基础上，借助 于数值和物理模拟手段( s a r m a ，1 9 7 9 、1 9 8 1 ) ，从整体上、内部作用机理等方 面对边坡有了更为全面的认识和理解，对边坡岩体的赋存环境、坡体结构、内 部应力状态、变形破坏机制、影响稳定性的因素等进行系统研究；2 0 世纪9 0 年代以来，人们将非线性理论、可靠性分析理论、模糊数学、块体理论、灰色 系统理论、神经网络理论、分形理论、尖点突破模型、自组织理论以及各种复 杂的数值计算方法广泛地应用于边坡研究中，为边坡稳定性问题的研究提供了 新的途径和方法。多学科、多专业的交叉渗透研究已成为边坡研究的发展方向。 我国高速公路的建设起步较晚，究其发展历程也就是近2 0 多年的时间。 但是，对于公路边坡的研究，却可以追溯到2 0 世纪5 0 年代，早在1 9 5 6 年， 交通部门就成立了专门的滑坡研究机构。实质上，边坡稳定性是一个多学科、 多部门相互交叉的课题，我国铁道部门、水利水电部门以及地矿部门在这一方 面都积累了丰富的实践和宝贵的经验，非常值得借鉴。因此，总结边坡问题的 稳定性研究，其发展实质上是一个工程地质模型的不断认识，相应稳定性分析 方法的不断涌现以及相应预测和防治能力不断提高的过程，它是随着工程地 质、岩土力学、基础工程以及相关科学的发展，设计施工、监测技术的不断提 高而逐步走向成熟的【2 1 。由此，我国高速公路路堑边坡的研究进程大致可以分 为以下三个阶段： ( 1 ) 2 0 世纪5 0 年代以前，这一时期，在工程地质方面，主要是应用传统 的工程地质学原理和方法，研究滑坡的成因机制和防治措施，并在边坡地质条 件研究和地质条件评价的定性工作方面取得了一定的成果，如以谷德振为代表 的研究者对工程区的褶皱和断裂分布的规律性研究做出了重要的贡献，建立了 “构造线”方法；在稳定性评价方面，则几乎完全局限于以均质弹性理论为基 础的土力学范畴，如经典的库仑理论、朗金理论、f e l l e n i u s 圆弧滑动理论等 等，在刚体极限平衡分析理论的研究上取得了一定的进展；在边坡工程设计方 面，对工程地质资料和岩土力学资料均没有严格的要求，主要以经验类比法为 依据。因此该阶段对稳定性评价主要是定性的，是岩质边坡工程研究起步阶段。 ( 2 ) 2 0 世纪6 0 7 0 年代，随着电子技术和计算技术的发展以及计算分析 能力和测试能力的提高，岩质边坡工程的研究理论和技术方法取得了更深的发 展，对边坡失稳的地质条件、诱发因素、发生机理、破坏机理、运动规律和有 效防治工程的研究有了更进一步的认识。这一时期，人们开始意识到边坡的失 稳是一个渐进的破坏过程，岩体的结构特征对岩质边坡的失稳具有关键性的控 制作用。水利水电部门对该方面的研究处于领先地位，并带动了交通部门在该 方面的发展。我国学者谷德振岩体工程地质力学基础【3 l 专著的问世，标志 着我国岩体工程地质力学的初步成熟，边坡工程的稳定性问题由此被确定为工 程地质的五大重要课题之一。 在稳定性评价方面，这一时期，边坡稳定性的定量分析方面取得了极大的 进步，主要表现为两个方面：一种是以极限平衡理论为基础，考虑岩体中结构 面的控制作用，利用数学分析方法、图解法，最后求得安全系数或类似于安全 系数的概念来进行定量评价；另一种是以有限元、边界元、离散元等为代表的 数值分析方法，可以描述边坡的变形特征和应力状态，并给出直观形象的评价 结果。 ( 3 ) 2 0 世纪8 0 年代以来，为了适应我国国内高速公路的大规模建设以及 三峡工程等世纪性巨大型工程的实践需要，边坡灾害的研究空前活跃，多学科、 多部门的协作进一步融合。边坡工程作为一种以自身为工程结构、建筑材料和 地质环境的特殊工程，它不仅在勘探技术、工程地质条件评价和工程稳定性评 价等方面取得了重大进展，而且在边坡的治理问题上，明确提出了地质工程监 控旌工的方法，其核心是超前地质预报和地质体超前改造。 这一时期，在边坡工程地质模型的第一性方面，进一步加强了研究的深度 和广度，密切深入工程现场，理论联系实际，取得了大量的高水平成果，并出 版了一系列工程地质力学与岩土力学方面的专著【4 j ；在稳定分析方面，由于一 系列的新科学和新方法的引进，诸如系统论、信息论、模糊理论、灰色理论、 数量化理论以及突变理论等等，为边坡稳定性的评价和预测开辟了更为广阔的 前景，边坡稳定性研究由此步入了由确定性与非确定性分析相结合的系统工程 分析研究阶段【5 。7 】；在边坡治理方面，预应力技术体系的应用标志着边坡防治 工程已由被动支护转入到主动支护阶段，充分发挥了边坡体的潜能1 8 】。 1 2 2 国内外高陡路堑边坡研究现状 1 2 2 1 高陡路堑边坡破坏机理( 机制) 现今国内外对路堑边坡破坏机理( 机制) 的研究主要采用工程地质学、数 值分析方法和模拟试验等手段进行，概括目前取得的成果，主要体现在： ( 1 ) 边坡岩体结构的研究被赋予了新的内容 不仅要查清边坡结构面的地质力学成因、分布规律、结构面的充填物质、 几何特征等，而且要追溯边坡岩体结构建造、构造改造和浅表生改造的全过程， 并通过精细的量测技术获得表征岩体结构的一系列参数( 如连通率、裂隙密度、 起伏度、粗糙度等) 。在此基础上建立岩体结构模型和定量化模式，为边坡稳 定性评价和模拟研究打下坚实基础 9 - 1 3 1 。 ( 2 ) 对边坡变形破坏现象的认识进一步深化 通过大量的工程实践和现场观察，逐渐认识到斜坡岩体的浅表生改造是斜 坡演化的一个重要阶段，浅表生改造迹象不同于重力作用下边坡的变形破坏迹 象，正确区分和识别这两种现象，对边坡稳定性评价具有非常重要的意义。基 于这样的认识，边坡稳定性研究中出现了一些新的概念，如卸荷岩体、松动岩 体、浅生改造式深裂缝等。这些概念的提出推动了边坡科学的发展【1 4 。1 到。 ( 3 ) 边坡变形破坏机制地质力学模式不断深化、补充和完善 通过大量的调查、观察和研究，对边坡变形破坏的地质力学模式进行了深 化、补充和完善。提出了一些新的边坡变形破坏地质模式，如，旋转滑移一拉 裂等，探讨了已有地质模式量化评价的方法，推动了边坡变形破坏机制分析在 边坡稳定性评价、预测预报以及治理措施中的应用。在国外，r i c h a r d e g o o d m a n 等人通过对岩质斜坡特征的研究，深入讨论了不同岩体类型岩质斜坡的破坏机 制【1 6 19 1 。 ( 4 ) 提出了多种数值模拟模型和数值分析方法 各种使用方便、界面友好、前后处理功能强大的软件不断推出，描述岩土 介质的本构模型，已由弹性、弹塑性模型发展到粘弹性、粘塑性、粘弹塑模型， 特别是g o o d m a n 单元的引入较好地解决了有节理或断层的边坡有限元模拟问 题。岩土力学参数由过去的主要由实验室试验和现场试验确定，发展到采用多 种方法综合确定，如数值反分析法、野外抽样与统计推断技术等。人们己可以 在计算机上再现岩体的裂隙网络，确定节理网络状态下的渗流特征，定量评价 岩体的质量、力学参数进而确定边坡的稳定性。损伤、断裂力学理论及大变形 理论使数值计算结果更加精确。快速拉格朗日差分法、离散单元法等数值方法 的应用使在计算机上模拟边坡运动的特征与失稳过程成为可能【2 0 。2 引。 ( 5 ) 引入了非线性科学方法 耗散结构论、协同学、突变理论、混沌理论、分形理论等非线性科学理 论和新方法被引入边坡稳定分析中。虽然相关的研究刚刚起步，处于探索阶段， 但却带来了崭新的思想方法【4j 。 1 2 2 2 岩体力学参数 岩体力学参数是岩体力学性质的量化表征数据，是稳定性评价、设计和旌 工的重要基础资料。尽管近几十年来，结合工程实践对岩体力学参数进行了大 量的研究探索，但岩体力学参数的确定仍然是工程建设中的难点和薄弱环节。 由于岩体在其形成和演变的整个地质历史过程中，经受过各种复杂的地质作用 ( 包括建造、构造改造和浅表生改造) ，因此，其工程性质变得十分复杂。 在岩体力学参数方面，国内外主要就以下几方面展开研究。 ( 1 ) 试验方法 试验方法主要有室内试验和现场原位试验两大类。室内试验可获得岩石的 抗压强度、弹性模量、泊松比、粘聚力、内摩擦角、抗剪强度、抗拉强度等力 学参数【2 引。各类工程建设中均进行一定数量的室内试验，由于受尺寸效应和结 构效应的影响，试验结果往往与实际情况有较大的差别，但是，它对采用类比 法或统计分析法获取岩体的力学参数具有重要意义。原位试验能获得特定条件 下岩体的弹性模量、变形模量、峰值抗剪强度、残余抗剪强度等参数。原位试 验涉及岩体的尺寸通常比室内试验大得多，又是在原位条件下进行的，因而， 试验结果比室内试验更能反映实际情况。但原位试验花费大，进行操作时要受 现场条件的限制，一般在水电工程中应用较多。 ( 2 ) 岩体强度参数分析 原位试验仍然是国内外最普遍的确定岩体强度参数的方法【1 3 】，统计分析法 是主要探索的方向之一。然而对于含断续节理岩体的强度预测和碎裂岩体的强 度预测方面还处于探索阶段，目前的研究方法主要有加权平均法和岩体分类 法。 加权平均法是将节理面抗剪参数( c j 、f 1 ) 和完整岩石抗剪强度参数( c d 、 f 。) 按连通率进行加权平均，从而得出断续节理岩体的综合抗剪强度参数【3 0 】。 岩体分类法是在统计已有资料的基础上，给出强度的估计值。例如 b i e n i a w s k i s 在岩体分类的基础上，给出了不同等级岩体的c 、f 值范围【3 1 】。日 本也十分强调岩体分级对选取抗剪强度指标的重要性，对试验成果整理的着重 点不在于应用何种统计方法绘制强度包络线，而在于如何精确区分岩级的基础 上，采用原位试验确定强度参数【3 2 m 】。 此外，比较流行的方法还有h o c k 和b r o w n 准则【3 7 瑚】、模拟分析法等1 3 9 1 。 尽管原位试验仍是普遍使用的方法，但原位试验与岩体的地质条件以及室 内试验相结合的统计分析评价法已经成为研究岩体力学参数的主流发展方向。 ( 3 ) 岩体变形参数分析 对岩体变形参数，主要有两种观点。其一是“黑箱”论观点，其二是分析 评价法观点。“黑箱”论观点认为岩体性状太复杂，只能通过原位试验来认识 岩体的变形破坏特性，决定其力学参数，而避开岩体复杂的内部结构和影响因 素。这种观点在工程界很盛行。分析评价法观点认为，原位试验费时费力不经 济，不可能开展大量试验，而且，试验毕竟还反映的是“点”上的结果，仅靠 原位试验仍然无法全面反映岩体“面”上的力学性状。因此，应将原位试验同 岩体的环境条件相结合，原位试验与容易获得的指标相结合，原位试验与室内 试验相结合，采用综合分析评价法获得岩体的变形参数，主要方法有统计法和 系数折减法。 统计法试图通过对大量的地质和试验资料的统计分析，把变形参数同某些 容易获得的指标，如r q d 、声波波速等联系起来。最具代表性的是南非学者 z t b i c n i a w s k i s 提出的节理岩体地质力学分类方法【3 1 l ，其特点是在岩体分 类的基础上，将岩体质量指标和岩体变形模量联系起来，得出统计关系式。统 计法简单易行，应用前景广泛，尤其在欧美应用较普遍。 系数折减法认为现场岩体变形模量与完整岩石的实验室模量之间的差异 是由若干地质因素造成的，可以考虑几个主要影响岩体变形的因素，从而实现 岩体变形性质的评价【1 8 l 。此类方法又可细分为节理裂隙指数法和单元变形迭加 法。 ( 4 ) 岩体质量分类与评价 从上述岩体力学参数的分析评价方法中可以看出，岩体质量分类是岩体力 学参数研究的重要基础。目前国内外岩体质量分类的方法可概括为单因素分类 法和多因素分类法两类【4 1 4 2 1 。 单因素分类主要采用岩体的r q d 、波速、抗压强度等指标对岩体质量进行 分级。多因素分类采用的指标多，考虑因素较全面，分类结果可靠性更强，但 对现场勘探工作的要求高。岩体质量多因素分类的常用方法有b i e n i a w s k i s 的 r m r 法( r o c k m a s s r a t i n g ) 、q 系统法、国内的b q 法( 工程岩体分级标准) 、 水电围岩分类法等。 针对边坡岩体质量分类的方法还比较少。1 9 8 5 年，r o m a n a 在r m r 系统 的基础上，提出了专门针对岩质边坡的s m r ( s l o p em a s sr a t i n g ) 分类系统【4 3 i 。 该分类法考虑了边坡中结构面的倾向、倾角与边坡倾向、倾角的关系、边坡破 坏模式、开挖方式等。 2 0 世纪9 0 年代，在我国大量的水电工程实践中，孙东亚、杜伯辉等于1 9 9 7 年提出了c s m r 系统【4 引，在s m r 的基础上，引入结构面调整系数九和高度修 正系数t ，进一步完善了边坡岩体质量分类系统，在多项大中型水电工程建设 的岩体力学参数取值中取得了良好的应用效果。 1 2 2 3 高陡路堑边坡稳定性分析 稳定分析方法主要包括定性分析和定量分析两类。 定性分析方法主要是通过工程地质勘察，对影响边坡稳定的主要因素、可 能的变形破坏方式及失稳的力学机制、已变形地质体的成因及其演化史等进行 分析，给出被评价边坡一个稳定状况及其可能发展的趋势的定性说明和解释。 其优点是能够综合考虑边坡稳定性的多种影响因素，快速对边坡的稳定状况和 发展趋势做出评价。定性方法主要包括自然历史分析法、工程类比法及图表法。 定性的分析方法是以大量的已有数据和工程经验为基础的，它无法为具体的工 程设计与施工提供量化的指导，而只有定量的分析才可能成为边坡稳定性评价 的重要指导依据。 定量分析方法一般以一定的地质模型为基础，并在此基础上建立合理的数 学力学模型，从而实现边坡稳定性的评价。定量计算方法根据不同边坡类型、 稳定分析目的及精度要求对应不同的方法，主要包括极限平衡分析法及数值分 析法【4 5 1 。 ( 1 ) 边坡极限平衡分析方法 极限平衡分析法假定岩土体破坏是由于滑体沿滑动面发生滑动而造成的。 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。最小的破坏荷载就是要求的极限荷载， 与之对应的滑动面就是晟危险的滑动面【4 “。 几十年来，很多学者对刚体极限平衡法进行不断的研究和改进，其发展大 致可以概括为两个方面：第一是着重探索最危险滑弧位置的规律，制作数表、 曲线，以减少计算工作量；第二是对基本假设作些修改和补充，提出新的计算 方法，使之更加符合实际情况。这些方法对计算模型中条间力的简化大致有下 列三种： 假定土条的水平力置大小，如简化b i s h o p 条分法【4 1 7 】假定所有的水平条 间力置均为零； 假定条间水平力置与竖向力毋的交角或条问力合力的方向，例如 m o r g e n s t e r n p r i n c e 法【4 8 1 、s p e n g e t 法【4 9 15 们、s a r m a 法f 5 1 1 等； 假定条间力合力的作用点位置，例如j a n b u 条分法【5 1 】，王复来法【4 6 1 。表 1 2 是一般的极限平衡方法及特点【5 3 】： 研究表明，在满足合理性要求的条件下，为减少未知量所作的各种假定求 出的安全系数差别不大。随着计算机技术的发展，人们已经将这些方法程序化 了，特别是对最危险滑动面的搜索，不少专家学者提出了一系列的自动寻找、 计算最危险滑弧及圆心位置的分析方法及计算软件，使复杂的计算问题变得简 单、快速。但必须指出，采用极限平衡法来分析边坡稳定，由于没有考虑土体 本身的应力一应变关系和实际工作状态，所求出的土条问的内力和土条底部的 反力均不能代表土坡在实际工作条件下真正的内力和反力，更不能求出变形， 只是利用人为的虚拟状态求出安全系数而已。 表1 2 一般的极限平衡方法及特点 滑动面与条 方法名称假设条件及力学分析特点 块划分特征 假设条件：滑动面为圆弧、不考虑条间垂向作用力计算简单稳定 f c l l e n i u s 法 力学分析：整体力矩平衡系数偏小 b i s h o p 假设条件：可为任意形状的滑面，不考虑条间垂向作用力 稳定系数稍大 圆弧滑面 力学分析：整体力矩平衡与静力平衡 m o n g e n s t c r n 垂直条分 假设条件：条问t 。和o 。存在比例关系：t 。，o 。= k “x ) 、 条问作用力作用点位置随滑面倾角而连续变化稳定系数精确 p r i c e 法 力学分析：分块力矩平衡，分块切向力平衡与法向力平衡 假设条件：假设条间作用力方向夹角为常数6 岩质滑坡或土 s p c n c c l r 法 力学分析：分块力平衡，分块力矩平衡质滑坡 圆弧、非圆假设条件：滑面可为不规则形状条间水平与竖直分力有 稳定系数介于 j a n b u 法 弧滑面一定函数关系，条问作用力作用点位置在离滑动面h 3 处 b i s h o p 法与分 块极限平衡法 垂直条分 力学分析：分块力矩平衡，分块力平衡，考虑条间作用力 之间 假设条件：滑面与侧面都_ 达到极限状态滑体作用临界水 任何形状滑面 s a r m a 法平加速度 滑坡 力学分析：分块力矩平衡 分块极限 假设条件：滑面可为不规则形状，滑面与分块界面同时达 计算复杂，稳定 平衡法 圆弧、非圆到极限状态 系数偏大 弧滑面 力学分析：分块力矩平衡，分块力平衡 非垂直条分假设条件：滑坡为平面滑动、滑体作刚体运动 平面直线法平面滑动滑坡 力学分析：整体力平衡 不平衡 假设条件：条阐作用力合力方向与滑面倾角一致，条问作 滑动面倾角不 用力合力为负值则记传递的分块力为零 推力法宜过陡 力学分析：分块力平衡，考虑分条面上的剪力 假设条件；受结构面或软弱面控制形成的空间楔形滑动 楔形法空间平面岩质楔形滑坡 力学分析：整体力平衡 ( 2 ) 边坡稳定数值分析方法 自从1 9 9 6 年美国的c l o u g h 和w o o d w a r d 应用有限元法分析边坡稳定性问 题以来【“】，数值计算方法在岩土工程中的应用发展迅速，并取得了巨大进展。 有限单元法部分地考虑了边坡岩体非均质和不连续性，可以给出岩土体的应 力、应变大小和分布，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求解还不是很理想1 2 8 】。 离散单元法( 简称d e m 法) 1 9 7 0 年由c u n d a l l 首次提出【”j ，是将所研究的区域划分成一个个分离的多 边形块体单元，块与块之间没有变形协调的约束，但需满足平衡方程。块体的 运动不是自由的，它会遇到邻接块体的阻力。本构方程可以是线性的，也可以 是非线性的。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。其二维和三维可变形离散单元法于 1 9 8 0 年和1 9 8 8 年问世，并迅速在数值模拟理论和工程应用方面取得显著进展。 但是离散单元法是一种显式求解的数值方法，计算原理虽然很简单，但在计算 机上实施起来却非常复杂，这样就限制了它在大范围岩土工程应力分析中的应 用。于是一些耦合算法便应运而生，即将工程表层破碎岩体划分为离散单元， 而将深部较好岩体视为连续体，用有限元或边界元模拟【5 6 巧8 1 。 连续介质快速拉格朗日法( 简称f l a c 法) f l a c 法是f a s tl a g r a n g i a na n a l y s i so fc o d e 的缩写，可译为连续介质快速 拉格朗日分析，首先由c u n d a l l 在8 0 年代提出并将其程序化、实用化。f l a c 基本原理类似于离散单元法，但它却能像有限元那样适用于多种材料模式与边 界条件的非规则区域的连续问题求解；在求解过程中，f l a c 又采用了离散元 的动态松弛法，不需要求解大型联立方程组( 刚度矩阵) ，便于在计算机上实 现。另一方面，同以往的差分分析相比，f l a c 在以下几个方面作了较大的改 进和发展：它不但能处理一般的大变形问题，而且能模拟岩体沿某一弱面产生 的滑动变形。f l a c 还能针对不同材料特性，使用相应的本构方程来比较真实 地反映实际材料的动态行为。此外，该数值分析方法还可考虑锚杆、挡土墙等 支护结构与围岩的相互作用1 2 7 - 2 8 】。 块体系统连续变形分析方法( 简称d d a 法) 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 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，可以判断出 岩体的破坏程度、破坏范围，从而对岩体的整体和局部的稳定性做出正确的评 价。d d a 方法于1 9 8 5 年由石根华和g o o d m a n 创立，2 0 世纪9 0 年代进入我国， 同济大学的孙钧教授领导的研究组已开发相应的计算程序，同时将非连续变形 分析推广到岩石力学与工程问题，并将非连续变形分析与a u t o c a d 动态技术 结合，使块体系统非连续变形分析法的计算实施过程形象、直观，完成了块体 系统的变形和破坏全过程的模型。当然，d d a 方法在岩体参数的选取、计算 时步的大小、边坡渗流及解决大变形问题等方面有一定的局限性，但它作为一 种崭新的岩土数值计算方法，有着广阔的应用前景【5 9 】。 其它方法 由于边坡工程是一个复杂的开放系统，影响因素较多，并且带有相当的随 机性、模糊性和不确定性，沿用传统的力学方法进行计算分析，存在许多问题 和不足，有时甚至是无能为力。近年来，边坡稳定分析理论研究在吸收了现代 科学理论中的耗散理论、协同学理论、混沌理论、随机理论、模糊理论、灰色 系统理论、突变理论等理论的基础上，创立和发展了一批非确定性分析方法。 主要研究方法有：边坡稳定可靠性分析方法【6 0 1 、随机过程方法【6 1 1 、模糊数学 方法【6 2 “”、狄色系统预测滑坡失稳分析方法【6 5 1 、人工智能【6 6 l 和人工神经网络 方法【6 7 一删。 其中，人工神经网络是模拟人脑的结构与工作原理，利用数学方法和计算 机技术发展起来的一门新兴分支科学。它具有许多引人注耳的特点：大规模复 杂系统，具有很强的自适应、自学习、自组织能力和高度非线性动态处理能力。 这种能力可以代替复杂的耗时的传统算法，使信息处理过程更接近于人的大脑 思维活动。人工智能和人工神经网络的研究是当今世界关注的高科技热点之 一。国内最早( 1 9 9 1 年) 由北方交通大学的张清教授率先将专家系统和人工神 经网络应用于岩石力学与工程领域，进行隧道围岩分类、岩石力学行为预测和 巷道分类指标类聚分析，近年来，又把它应用于岩石工程参数重要性分析。神 经网络用于边坡工程系统分析具有独特的优势，目前己成功应用于三峡船闸高 边坡变形预测中。 1 2 3 主要存在不足 值得注意的是，这些研究多是针对水电工程、矿山工程、铁道工程进行， 公路边坡与它们有着较大差别，主要在于： ( 1 ) 公路是一种线形、带状的工程，在工程的选址上具有可变更性。它 不像矿山边坡那样对工程的赋存条件具有不可选择性。一般而言，面对滑坡等 工程地质灾害采用以避为主，以治为辅的方针。 ( 2 ) 公路路堑边坡是一种人工开挖边坡，不如水利工程边坡复杂，既有 自然边坡，又有人工边坡，而且需要考虑水位的升降作用、洄水作用的影响以 及流水的侵蚀作用等因素。 ( 3 ) 公路路堑边坡稳定性要求高，除保证边坡整体稳定外，对崩塌等问 题应采取相应的工程措施，如设立碎落台和护坡道等。 ( 4 ) 公路路堑边坡的整治，一般更重视环境的协调与美化。 ( 5 ) 公路的路堑边坡稳定是一种动态的地质工程问题，涉及到车辆行驶 的动荷载作用的影响。 ( 6 ) 公路路堑边坡的工程地质条件随着线路的延伸变化差别很大，具有 很强的区域性。它可以是岩质边坡，也可以是黄土边坡、破碎岩石边坡，甚至 是岩土介质复杂交错分布的边坡，因此，相应的稳定性分析方法将视边坡地质 力学模型而不同。 ( 7 ) 公路路堑边坡一般开挖于地表，其坡高通常为几米至几十米，边坡 多由全风化、强风化、中风化、微风化和未风化等不同性质的岩层构成，工程 地质性质复杂，呈显著的各向异性和不均一性等特点。稳定性分析应根据边坡 具体的岩层组合，建立破坏模型，评价其稳定性。 ( 8 ) 水电、矿山边坡地质资料丰富、详细，地质信息较完备，公路边坡 地质资料则较少，地质信息很不完备。 由于有这些差别，上述边坡变形破坏机制研究成果，就不一定适合于公路 边坡，其研究方法和研究手段也不一定适合公路边坡。如何根据公路边坡的特 点，引用和借鉴其它工程的研究成果，探索总结边坡变形破坏机制和研究方法， 将是边坡失稳评价、加固与控制研究的重点，从而更加经济、有效、科学地指 导工程实践。针对公路行业的特点，开展山区高陡路堑边坡破坏机理和研究是 非常必要和紧迫的。 1 3 主要研究内容 本文拟开展以下几方面的研究工作： ( 1 ) 高陡路堑边坡破坏形态及其影响因素的分析总结 首先是对山区典型的高陡路堑边坡变形破坏情况开展调查，拟定调查的公 路有贵阳至新寨高速公路、来阳至宜章高速公路、贵阳至遵义高速公路、贵阳 至毕节高速公路、湘潭至邵阳高速公路等。调研主要集中在高陡路堑边坡不同 地貌、不同岩土性质和构成情况下的变形、破坏和稳定形态，以及不同支护方 式、边坡比例与构成等对边坡变形、破坏及失稳形态的影响方面。最后通过总 结不同条件下高陡路堑边坡的变形、破坏，得出高陡路堑边坡的典型工况。 ( 2 ) 高陡路堑边坡破坏的室内模拟试验研究 针对高陡路堑边坡工程实际问题，进行边坡不同岩层产状引起的交形、破 坏的相似模拟。主要是基于底摩擦物理相似模拟试验，对岩层倾角为0 。、 3 0 。、6 0 。、1 2 0 。和1 5 0 。的典型剖面岩质路堑边坡开展研究。根据试验结果， 分析并揭示岩质高陡路堑边坡不同岩层产状引起的破坏、失稳演化的原因，并 提出初步相应整治工程实用方法。 ( 3 ) 高陡路堑边坡破坏的数值分析 根据我们调查总结得到的路堑边坡典型岩体结构特征和破坏模式，采用 r f p a 2 0 系统，从岩体结构、地貌情况、地下水渗流、边坡比例结构等方面模 拟分析边坡的变形、破坏机制的一般规律。同时以均质土坡为例，从破坏过程 的角度重点模拟滑动圆弧形成过程，并列举京珠高速路广州段一个路堑边坡实 例，展开数值模拟研究。 ( 4 ) 实体工程分析 选择典型高工天顺层滑坡( k 2 6 + 1 0 0 k 2 6 + 2 6 0 段) 为实体工