（岩土工程专业论文）公路岩石路堑边坡稳定性评价的数值分析与现场监测研究.pdf

摘要 摘要 边坡问题是一个复杂的岩土体问题，也是一个复杂的工程地质问题。本文结 合广东某山区一级路路堑岩石高边坡进行研究，运用岩石质量分级法和赤平投影 法对边坡稳定性进行评价，然后根据工程地质情况利用数值方法分析了边坡可能 的破坏方式、支护效果、水对边坡稳定性的影响，最后通过监测来验证边坡的稳 定性。主要结论如下： ( 1 ) 由于该区处于亚热带季风气候区，雨量较大，并且降雨集中，降雨对 边坡的稳定性影响较大；边坡项部全、强风化层较厚且开挖较陡，对边坡的稳定 性影响较大；本地区没有大型的地质构造，边坡稳定性受地质构造的影响较小。 ( 2 ) 因为边坡坡脚应力较大，所以坡脚岩体稳定性对整个边坡的稳定性有 较大影响。对未开挖的高陡边坡，根据坡脚岩体的质量状况和稳定性，对整个边 坡的岩体结构进行推测，进而对边坡的整体稳定性做出较为客观的预测，为边坡 的开挖设计提供依据，然后根据开挖揭露地质情况对边坡稳定性做进一步的评 价。 ( 3 ) 数值分析表明：开挖后( 未支护) 边坡变形较小，没有明显的塑性区， 边坡基本稳定；因为节理裂隙发育、岩体较为破碎边坡可能的破坏方式是类似散 体的圆弧破坏；边坡自稳能力较好，支护较弱，支护对位移影响不大；在水位较 浅时水对边坡的变形影响不大，但是随着水位提高，水对变形影响逐渐增加。 ( 5 ) 监测表明：综合利用坡面位移监测、锚索测力计、钻孔测斜仪可以验 证边坡的稳定性，并对滑坡做出预测。 关键词：岩石路堑边坡；稳定性评价；数值模拟；监测 a b s t r a c t t h es 1 0 p e p r o b l 锄i s n o t0 1 1 1 y a c o m p l e xp r o b l 锄o f s o i l 锄d f o c k b u ta l s oa c ( m l p l e xg 。0 l o 百c a lp r o b l 锄s e v e r a lr o a d s i d e 咖r o c ks l o p e so f p r o “n c i a l 仃u i l l ( 1 l i 曲w a ys 2 2 3i l l 咖n g d o n gp r o v i i l c ei s 趾a l y z e d ；t l l em a i l lm e 山o d sa r o c km 蠲s r a t i i l gm e t l l o d ，t l l es t i cp r o j e c t i o nm e t l l o d ，n u m e r i c a lm e i h o da n dm o n j 蜘n g s e l v e r a lm a i l lc o n c l u s i o n sa 1 ch s t e da sf b l l o w s ： ( 1 ) b c c a 璐e ms l o p 鹤i si nt l l er e 舀o nw h i c hh 嬲t o om u c hr a i n 僦l 锄dr a i n f a l l i s f o c i l s c d ，m er a i n 刎i n n u c e sm es t a b i l 毋o f s l o p 鼯b 枷y ；m es t 姗g lo f m e i lo n m e t o p o f m es l o p 鼯i s b a d ，锄d t h er a t i o i ss t o c p ，s o t h e s o i l i n f l u e i l c e s t l l es t a b i l i t y o f t l l es l o p 髓b a d l ) r ；i th a sn ol a r g eg e o l o 百c a ls 臼叫船，t h es t a b i l i 哆o f s l o p e si sn o t i i l f l u e n c e db yg e o l o 舀c a ls t m c t u r ev e r ym u c h ( 2 ) w h g t h 盯t h e r o c ko n 也et o eo f t l l es l o p ei ss t a b l ei si m p o r t 锄tt om ew h 0 1 e s l o p e s t a _ b i l i t yb e c a l l s eo f t h ef o c i l s c ds 订c s so nm et o eo f 也es l o p e s ow ei n f 打t l l er o c k s 咖c t l l r e ，e 、，i i l 衙n l ew b o l es l o p cs t a _ b i l 埘l l s e df b rd e s i 印j l l gb 幽l r ee x c a v a t i o n b 鹤e d o n t h e r o c k o n t l l e t o e o f t l l es l o p e 、】l r i t h r o c k m 嬲s 谢n g m e m o d 锄ds t e r e o i c p r o j e c t i o nm e 出o d s ；锄dt l l 饥c v a l u 砒et l l es l o p es 协b i l i t yb 硇c d t h cg c o l o 西c a l s i t i l 撕o na f t e fe x c a v a t i o n ( 3 ) n l 】l 】试c a l 弛a l y s 鼯d 锄。哪怕t c 吐m t ：( 1 ) t h es l o p e i sb a s i c a l l ys t 如l eb c c 哪eo f l h e 锄a 1 1d d o m a t i o n 锄dn o to b 讥o u sp l 舶畦cz e ；( 2 ) t 1 1 ep o t c n t i a lf 砧l u r ep l 柚ei s c i r c u l 盯b e c a u s em er 0c ：ki s 丘卿砒c d ；( 3 ) t l l er c i n f o r c 锄c n tl l a sn od b v i o u s i n n 啪c et od e f o m a ：t i b e c a 璐et h e i n f o 啪e n ti sw k ( 4 ) 也e 1 l i g h e rt h cw 栅 i s ，t h em o r et l l ew a t e ri i l n u 咖c st h es t 曲i l i t yo f t l l es l o p e ( 5 ) n es l o p e ss t a b i l 时c 锄b ev a l i d a t e d 锄dt h el a n d s l i d ec 锄b ef o s t 恤s l 叩e 朋r f 如ed e f o 肌a 垃o nm o i l i t o r i n 岛c a b l ef o r c em o n i 沁由1 9 妣db o r c h 0 1 ei n d i n e m o n i 蹦n g k e y w o r d s ：r o a d s i d er o c ks l 叩e ；s t a b i l 毋酬聃d o n ；n 砌嘶c a lm o d d i n g ；m o n i t o r i n g - n 独创t 陡声蹊 本人声明所呈交的论文是我个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，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人融经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 豹渗位或涯书 嚣霞媛逶麓孝季麓。与我弱王终戆嚣志霹本磷究掰骰懿霞篱贡献穆 如在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名： 关于论文使耀授权的说躁 本人完全了解北索工业大学有关保留、使用学位论文的舰定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 绦密懿论文在熬寮蜃应遵守筵裁是) 签名：秘 ：挫甜业 第l 章绪论 1 1 问题的提出 第1 章绪论 边坡问题是一个复杂的岩土问题，同时也是一个复杂的工程地质问题，它的 破坏后果较为严重。 1 9 0 3 年阿尔伯达州的龟山发生了大滑坡，造成7 0 余人的伤亡，淹没铁路长 达2 3 0 0 米：1 9 6 3 年意人利的瓦若依昂拱坝左岸的岩质边坡发生破坏，约2 3 亿m 3 的岩石沿斜坡滑动，造成了2 6 0 0 多人死亡；1 9 5 4 年法国的m ai s s e t 双 曲拱坝，蓄水后即产生了不均匀变形和滑动，于1 9 5 9 年1 2 月2 日突然崩溃，造 成了5 0 0 名士兵伤亡，直接经济损失6 8 0 0 万元；1 9 8 5 年6 月1 2 日在三峡工程 坝址上游的新滩小镇，在大规模的山体滑坡中完全消失，滑坡体冲入长江，使长 江航道受到阻碍。在人们的日常生活中，边坡失稳破坏也经常出现。2 0 0 1 年6 月2 4 日杭州拱墅区半山镇石塘村因山洪爆发而发生滑坡，导致2 2 人死亡、7 人 受伤和2 人重伤的特大事故；2 0 0 2 年5 月1 日重庆市武隆县发生的地质滑坡， 导致了7 9 人死亡的事故。据统计，在美国2 0 世纪7 0 年代，年边坡失稳而导致 的损失达1 0 亿美元( s c h u s t 1 9 7 8 ) ；进入8 0 年代，这种损失达到了1 5 亿美元 ( s d l u s t 1 9 8 5 ) ；日本同类灾害的经济损失为1 5 亿美元( o l l h i r a ，1 9 8 2 ) ；意大利 2 0 世纪7 0 年代的边坡失稳损失为1 1 4 亿美元( 觚o l l l d ，1 9 8 2 ) 【1 1 。 公路在现代化短途运输中一直居于主导地位，目前全国通车里程达 1 3 0 + 1 0 4 l 【2 j 。随着高等级公路和山区公路的发展，公路边坡问题将愈来愈凸显 其严重性。边坡稳定己经和地震、火山并称为当今三大地质灾害【3 】，国家和地区 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。 1 2岩质边坡稳定评价方法和研究现状 1 2 1 定性分析方法 通过工程地质勘查，对影响边坡稳定的主要因素，可能的破坏形式及失稳的 力学机制等进行分析，对已变形的地质体的成因及其演化历史进行分析m 。 1 2 1 1 自然历史分析法 该方法主要根据边坡发育的地质环境，边坡发育历史的各种变形破坏迹象及 其基本规律和稳定性影响因素的分析，追溯边坡演变的全过程，对边坡稳定性的 北京丁业入学t = 学硕士学位论文 总体状况、趋势和区域性特征做出评价和预测，对已发生滑坡的边坡，判断其能 否复活。 1 2 1 2 工程类比法 该方法实质上是把已有的自然边坡或人工边坡的稳定性状况和影响因素、有 关设计等方面的经验应用到类似的所要研究的边坡的稳定性分析和设计中的一 种方法。 1 2 1 3 边坡稳定分析数据库和专家系统 利用数据库收集并管理各个边坡的资料，然后利用相关学科专家的理论进行 推理和解决问题，并说明其原因的计算机程序。 1 2 1 4 图解法 1 ) 诺模图法 利用诺模图或关系曲线来表征与边坡稳定性有关的参数间的关系，并由此求 出边坡安全系数，或根据要求的安全系数及一些参数反分析其它参数的方法【5 】。 2 ) 赤平投影图法 利用赤平极射投影的原理，通过做图来直观的表示出边坡变形破坏的边界条 件，分析不连续面的组合关系，可能失稳岩土体的形态及其滑移方向等，进而评 价边坡的稳定性，并为力学计算提供信息【5 】。 1 2 1 5 岩体质量分类方法 岩体质量能反映岩体中各种主要特征参数对岩体稳定性的影响效果，它有助 于认识岩体的固有特征，分析岩体工程的稳定性，为工程设计提供重要信息。 1 2 2 定量评价方法 1 2 2 1 极限平衡法 该方法是工程实践中应用最早、也是目前使用最普遍的一种定量分析方法， 积累了丰富的工程经验【7 - 1 2 】。极限平衡分析方法较多，如：f c u i 璐法、b i s h o p 法、j a u b u 法、m o r 】静l s t 锄p 血c e 法、传递系数法、楔体极限平衡分析法等，常 用的极限平衡法见表1 1 所示【1 3 。1 叭。其基本出发点是把岩块作为一个刚体，为方便 计算做了一些假定，不考虑岩体的应力应变关系，缺点是它们无法考虑边坡的变 形与应力分布。当然，国内外学者针对极限平衡法进行了大量的研究，如h k 眦s 缸 等( 2 0 0 0 ) 【1 9 】介绍了静力和动力荷载条件下楔体滑坡模型试验研究情况，在极限平 衡分析方法中考虑了动力的作用；杨松林( 1 9 9 9 ) 例针对传统竖直条分法和萨尔玛 法应用于岩石边坡稳定性分析的缺点，提出了适用范围更广的广义条分法，这一 做法更加符合岩土工程的实际情况，并采用优化搜索的方法给出了相对最危险的 潜在滑动面及其安全系数；d s t a r l ( 等( 1 9 9 8 ) 【2 l 】将二维极限平衡法推广到三维，使 之更能反映边坡的实际状况；李冬田( 2 0 0 1 ) 田】提出一种三维的岩石边坡极限平衡 第l 章绪论 法，即应用岩石边坡多层d e m 几何模型，参照简化b i s h o p 法的假定，进行边坡 稳定性分析，进而提出了抗滑系数谱的概念，以反映影响碎裂岩体稳定性因素的 不均匀性【6 1 。 表卜1 边坡稳定性评价的刚体极限平衡分析法 分析方法 假设条件力学分析 应用范围及特 点 瑞典条分 1 ) 滑动面为圆弧 整体力矩平衡 圆弧滑面滑坡， 法 2 ) 不考虑分条间作用力 定转动中心垂 直条分滑体 毕肖普法1 ) 不考虑条块间切向力整体力矩平衡任意形状滑面， 2 ) 条块间作用力水平静力平衡垂直条分滑体， 较适用于土坡 简雍法1 ) 滑动面可为不规则形状分块力矩平衡非均质土坡，垂 2 ) 条问作用力位置在离滑面以上分块力平衡直条分滑体 h 3 处 _ i o r g e n s t1 ) 相邻条块间的法向力e 与切向分块力矩平衡任意形状滑面， e r p r l c e力x 与水平方向坐标存在函数关 分块切向力与法垂直条分滑体， 法系( x e - z f ( x ) )向力平衡较适用于土坡 2 ) 条间力作用点位置随滑面倾角 变化而连续变化 s p e n c e r 1 ) 滑动面为圆弧分块力平衡垂直条分滑体 法2 ) x e 为一常数分块力矩平衡 楔形体法1 ) 受结构面或弱面控制的楔形体整体静力平衡适用于岩质楔 滑面，且各滑面均为平面形体滑坡 萨尔玛法1 ) 滑体先破裂成相互错动的块体分块静力平衡 任意形状滑面，； 才能滑动分块力矩平衡任意条分滑体 2 ) 滑面与侧面都达到极限状态 传递系数1 ) 条间作用力合力方向与上一条各分块力平衡任意形状滑面， 法块的滑面平行垂直条分滑体 2 ) 本条块对下一条块作用力为负 值则记为零 1 2 3 数值分析方法 数值模拟是通过对地质原型的抽象并借助数值分析方法来分析计算不同工 况下岩体中应力状态以及边坡的稳定性。2 0 世纪7 0 年代以来，随着数学、力学 以及计算机技术的发展，数值分析方法在工程地质和岩石工程领域得到应用，并 作为解决复杂介质、复杂边界条件下各类工程问题的主要工具而逐渐得以推广。 工程计算中常用数值分析方法有：有限元、边界元法、有限差分法、离散元 法、块体单元法、刚体有限元法、非连续变形分析法、数值流形方法、无单元法、 耦合方法等1 6 j 。 1 2 3 1 有限元法( f e m ，f i n i 把e l 删t m e 廿1 0 d ) 应用最广的数值分析方法，特别适用于连续体的小变形分析。有限元模拟中， 北京1 ：业人学r t = 学硕十学位论文 通常的结构面处理方法有：节理单元模拟和等效处理。常用的节理单元有无厚度 节理单元( 适用于模拟闭合、不含充填物或充填物较薄的节理裂隙) 、等厚度节 理单元( 适用于模拟具有一定厚度的弱面或夹层) 以及变厚度节理单元( 适用于 模拟较厚的或厚度变化较大的软弱带等) 。另外，用于动力分析的动力有限元软 件已用于工程实耐2 3 2 7 1 。 1 2 3 2 边界元法( b e m ，b o 岫d a r ye l 锄钮tm e m o d ) 边界元法只需在边界上进行离散化，因而具有数据处理工作量少、少占内存、 解题时间少等优点。但是在处理多介质问题、复杂的非线性问题以及模拟分步开 挖及施工过程等方面，不如有限元方便有效2 嘲，因此在边坡稳定性分析中应用 不多。 1 2 3 3 有限差分法( f d m ，f i i l i t ed i 侬槌n c em e i h o d ) 基于有限差分的快速拉格朗日元法f l a c ( f a s ti a g 阴n i a na n a l y s i si l l c 如) 由c 瑚d a l l 所加盟的r r a s c a 咨询集团于1 9 8 6 年开发成功，该法将流 体力学中跟踪流体运动的拉格朗日方法成功地用于解决岩石力学问题。该法适用 于节理岩体的分析计算，对于含有少量节理的岩体，可以用界面单元来模拟，而 对复杂密集的节理岩体则可采用遍历节理模型来模拟。f l a c 采用w i l k i l l s 显式 差分方法，可以求解大变形问题，还可以进行动力分析。现己广泛应用于岩土工 程之中2 7 2 9 1 。 1 2 3 4 离散单元法( d e m ，d i 幽c te l e m e n tm e l h o d ) 离散单元法c i 珊d a l l 于1 9 7 1 年提出来，该法将软弱面所切割的岩体视为复 杂块体的集合体，允许各个块体互相平动、转动甚至互相分离，允许大位移，而 这些恰好是节理岩体的重要变形和破坏机制。因此，离散元法是模拟节理岩体的 理想工具。c 岫d a l l 于1 9 8 5 年完成的u d e c ( u 碰v e f s a ld i s 恤c te l e m e mc 0 d e ) 现己广泛地应用于岩土工程和采矿工程中【3 朝。三维离散元3 d e c 已由c i m d a l l 等 人开发完成并投入使用。适用于动力分析的动力离散元也已开发完成，现已广泛 投入使用【2 8 】【2 9 】。离散单元法在我国的研究和应用起步较晚，但发展非常迅速， 在节理岩体边坡、隧道、岩石基础等方面获得了广泛的应用。 1 2 3 5 块体单元法( b e m ，b l o c ke 1 e 舢龇m 甜m d ) 块体单元法属于静态分析方法，仅考虑在恒定荷载作用下系统的平衡及失稳 情况。块体理论实质上是一种几何学的方法，根据岩体中实际存在的节理倾角及 其方位，利用块体之间的相互作用条件找出具有移动可能性的岩体及其位置，故 也称关键块理论。该理论是一种通过判别和描述洞室围岩最危险岩石块体运动来 确定岩体稳定性的分析方法，是由石根华提出并在美国与g o o d m 姐合作完善起 来的。它认为岩体完全被交错节理所切割，形成各种形状的空间块体，而在这种 岩体中开挖的洞室，其破坏首先是从方向和位置不利且以开挖临空面为一个或若 干面的块体的运动开始的，这个块体称为关键块体。 第1 章绪论 1 2 3 6 刚体有限元法( 1 国f e m ，础画db l o c kf i n i t ce l 锄e mm c l l l o d ) 刚体有限元法则把岩块视为刚块体单元，块体之间以具有相应刚度的弹簧 ( 阻尼器) 连结形成总系统，建立相应的基本方程。用刚体有限元法( r b f e m ) 给出 的应力精度不会低于位移精度，优于传统的以位移法为基础的有限元法。此外 r b f e m 大大地减小了总体的半带宽及体积，大幅度降低了计算量。这些优点有 利于结构分析，特别是非线性问题的数值解。但这类方法过分强调岩土体结构面 作用，而对于岩体的结构体的变形未给予足够重视。虽然可以用于原生界面的破 坏分析，但不能模拟实际岩体的破坏发展过程，对于破坏发展导致的次生界面的 非连续变形行为以及块体失稳的运动过程也无法进行模拟。 1 2 3 7 非连续变形分析法( d d a ，d i s c o r n i 删。璐d e f b r m a t i o na n a l y s i s ) d d a 法是由美籍华人石根华博士于1 9 8 8 年提出，是近年发展的、能分析裂 隙岩体的一种较好计算方法。它用一种不同于有限元的块体元来模拟被裂隙切割 成具体形状的块体系统，在这个系统中块体是通过裂隙结构面的接触连成整体 的。这种方法的计算网格与岩体的物理网络相一致，每一个计算网格覆盖一块被 裂隙切割的块体，各块体相互独立，计算上是不连续的。但块体之问在力学上的 连续性则取决于裂隙的变形条件：当裂隙滑动( 剪切破坏) 或开裂( 拉力破坏) 时为不连续；当裂隙不错位及闭合时为连续。因此，用这种方法来模拟岩体可以 反映岩体的连续或不连续的具体部位【”】。 1 2 3 8 数值流形方法o 心n d ，n u m e f i c a lm a n i f o l dm e l h o d ) 流形方法由美籍华人石根华博士于1 9 9 2 年提出，它是应用流形覆盖技术建 立的一种把有限元法、非连续变形分析和解析方法包含在内的全新的统一计算方 法。在国内，王水林( 1 9 9 8 ) 等学者对流形方法作了较为系统的研究。其优点是具 有相对完善的非连续变形处理功能，可以在统一的数学理论框架下同时处理连续 与非连续问题。较之有限元法更适合开裂模拟，但由于受网络与单元划分的限制， 流形方法在开裂计算上仍较为困难f 3 2 】。 1 2 3 9 无单元法 无单元法的思想于1 9 9 2 年由n a y r o l 懿等引入，b e l y t s c h k o 等在1 9 9 4 年提出 无单元伽辽金法。该方法只需节点信息而无需单元，其节点可以随机布置，且与 积分网格无关，只根据定义域内的待求点来确定该点附近一个区域( 称为影响 域) ，就此影响域进行插值。其特点是采用滑动最小二乘法所产生的光滑函数、 近似函数、计算形函数，从而只需计算域的几何边界及计算点，摆脱了单元限制， 大大简化了前处理工作。无单元法保留了有限元的一些特点，克服了有限元的不 足，适于进行岩土工程数值模拟，尤其便于跟踪裂纹扩展。 1 2 3 1 0 耦合方法 由上述数值分析可见，各种方法有长有短。耦合方法( c o u p l c dm c l h o d ) 应 运而生并得到了长足的发展与应用。如有限元与边界元的耦合，有限元与离散元 北京t 业人学1 ：学硕七学位论文 的耦合，离散元与边界元耦合等等。这些耦合方法可以发挥各种方法各自的优点。 现已广泛运用于工程实际 3 2 3 4 1 。 1 2 4 非确定性分析方法 1 2 4 1 可靠性分析法 岩土工程勘查规范( g b 5 0 0 2 1 2 0 0 1 ) 第3 6 1 1 条明确提出，大型边坡设 计除按3 6 1 0 条边坡稳定系数值计算边坡的稳定性外，尚宜进行边坡稳定的可靠 度分析，并对影响边坡稳定性的因素进行敏感分析【4 】。 1 2 4 2 模糊分级评判方法 先找出影响边坡稳定性的各个因素，并赋予它们不同的权值然后根据最大隶 属度原则来判定边坡的稳定性【4 】。 1 2 4 3 物理模型方法 这些方法通常能形象模拟边坡岩体中的应力大小及其分布，边坡岩土体的变 形破坏机制及其发展过程，加固措施的加固效果等【4 】。 1 2 4 4 现场监测分析法 现场监测技术方法、监测结果分析方法等的研究，力图通过现场监测所获得 的信息如位移、速度、应力、声发射率、氡气一a 、脉冲频率、地下水等，来对 边坡稳定性作出评价和预测，为加固设计提供服务，同时，又能对加固措施的加 固效果进行检验，为施工的安全保护等提供信息1 4 】。 1 3论文的思路、主要内容 本文首先分析了影响边坡稳定的主要因素，根据辅路边坡揭露的地质情况对 辅路边坡进行稳定评价并结合室内实验和数值分析对拟开挖边坡稳定性进行预 测，在此基础上对开挖加固方案进行实时变更，然后根据开挖揭露地质情况重新 进行边坡稳定性评价并对开挖加固方案进行必要的调整，最后通过监测来验证边 坡的稳定性。 论文的主要内容包括：分析了该区影响边坡稳定性的各个因素，对边坡进行 稳定性评价，通过数值模拟研究边坡的变形、受力规律、支护效果、水的影响和 滑面形状，对边坡进行监铡以验证边坡的稳定性并对滑坡预警。 第2 章边坡稳定性影响冈素分析 第2 章边坡稳定性影响因素的分析 2 1项目简介 本项目属于广东省某临江公路改造工程，改建段路线长2 1 8 公里，为新建 一级公路，路基宽2 2 5 米。起点与广东省省道s 2 2 3 线于k 8 6 “8 l 处相接，终点 ( k 1 0 8 + 3 “2 2 ) 位于已建的秀兰大桥东桥头，路线总体走向为东北向，如图2 1 所示。 图2 一l 高边坡地段原地貌 f i 参l ll d f b r mo f h i g hs l o p es o 嘶o n 项目地处粤东丘陵山区梅江中下游，依山傍水。路线基本沿梅江河谷右岸山 坡布设，如图2 1 所示。由于路基开挖宽( 设计路基宽2 2 5 m ) 、地面横坡陡，设 计中形成高大边坡是难以避免的。根据初步设计，设计大挖方路基( 边坡高度大 于3 0 m ) 共4 0 段，总长2 1 0 2 m ，主要分布在k 9 2 k 9 9 段，占路线总长的9 6 。其中高度大于5 0 m 的挖方边坡1 4 段，共长6 8 6 m ，最高达9 0 2 3 m ，占路线 总长的3 1 。占挖方高边坡总长的3 2 6 ，主要位于k 9 2 + 4 9 2 k 9 7 + 5 1 4 段，以 下简称高陡边坡，这些边坡的编号如表2 - l 所示。本论文的研究对象主要针对高 度大于5 0 m 的这1 4 个高陡边坡。 北京i ：业人学r 学硕十学位论文 表2 1 沿线高陡边坡基本情况表 1 曲l e2 - lb 勰i ci n f o 嘲鲥o no f h i 曲印ts l p o ea l g 血er o a d 边坡编号边坡位置原设计方案坡高h ( m ) b p l k 9 2 + 4 9 0 k 9 2 + 5 0 8 左侧 5 1 9 8 b p 2 k 9 3 + 7 8 9 k 9 3 + 9 0 6 左侧 5 7 7 4 b p 3 k 9 3 + 9 4 6 k 9 4 + 0 8 2 左侧 r 部2 级坡比为l ：0 5 ，竖梁锚索防 6 6 1 9 b p 4 k 9 4 + 1 2 3 k 9 4 + 2 0 8 左侧 护；其余坡比为1 ：0 7 5 ，喷混植草 防护。台阶高8 m ，平台宽l m 。 5 7 3 8 b p 5k 9 4 + 3 叭k 9 4 + 3 3 0 左侧5 8 3 9 b p 6k 9 4 + 8 1 7 k 9 4 + 8 3 5 左侧 5 4 1 5 下部2 级坡比为1 ：o 5 ，其余坡比为 1 ：0 7 5 ：下部3 级竖粱锚索防护， b p 7 k 9 4 + 8 3 5 k 9 4 + 8 5 8 左侧 9 0 2 3 其余坡面喷混植草防护。台阶高8 m ， 平台宽l m 。 b p 8k 9 4 + 8 5 8 k 9 4 + 8 9 4 左侧 下部2 级坡比为1 ：o 5 ，竖粱锚索防 7 1 8 3 b p 9k 9 5 + 1 3 8 k 9 5 + 1 8 8 左侧护；其余坡比为l ：0 7 5 ，喷混植草 5 3 8 9 b p l ok 9 7 + 1 6 8 k 9 7 + 2 2 2 左侧 防护。台阶高8 m ，平台宽1 m 。 7 3 6 下部2 级坡比为1 ：0 5 ，其余坡比为 1 ：o 7 5 ；下部3 级竖梁锚索防护， b p l l k 9 7 + 2 2 2 k 9 7 + 2 7 9 左侧 8 8 0 4 其余坡面喷混植草防护。台阶高8 m ， 平台宽l m 。 b p l 2k 9 7 + 2 7 9 k 9 7 + 3 2 0 左侧 下部2 级坡比为1 ：o 5 ，竖粱锚索防 6 7 3 1 b p l 3 k 9 7 + 4 9 2 k 9 7 + 5 1 4 左侧护；其余坡比为1 ：o 7 5 ，喷混植草 5 5 7 2 b p l 4 k 9 5 + 6 5 1 k 9 5 + 8 2 8 左侧 防护。台阶高8 m ，平台宽1 m 。 4 1 2 5 2 2边坡稳定性影响因素分析 边坡工程不仅是岩土力学问题，更是工程地质问题，影响边坡的因素较多， 主要有区域地质情况，地形地貌条件，水文条件，结构面和坡面的组合关系，岩 土、结构面的强度，边坡几何形状，施工方法和工序，气候和其他条件等。 2 2 1 区域地质情况 区域内大地构造主要由华夏构造体系控制，对线路有影响的构造表现为断裂 和褶皱。线路经过的断裂主要有二条：北东向区域性正断层( f a ) 以及与之伴生 的北西向逆断层( f b ) 。f a 断层与线路平行，位于线路南东侧，即线路位于该 断层的上盘且与之相距约1 k m 左右。受断层影响，岩体有多组节理裂隙发育， 并发育小型断层和层问挠曲，岩石较碎裂。f b 断层与线路基本垂直相交，位于 第2 章边坡稳定性影响冈素分析 姻o 枷o 附近。由于高陡边坡均位于姻2 + 枷l 【9 7 + 5 0 0 范围内，因此区域上的 这两条断层f a 、f b 都不在高陡边坡区域内。所以区域大地构造对边坡稳定性的 影响较小，但是需要注意伴生构造对项目区边坡稳定的影响。 区内前泥盆系地层中发育一轴面走向近东西的背斜，背斜轴部在丙村电站附 近，高陡边坡多位于该褶皱的南翼，见图2 - 2 。 图2 2 丙村电站背斜平面示意图 f i g 2 _ 2 黜：酏c hm a po f b i n g c l | np c r 啊p l a n t 锄位肚扯 该区曾经受到过近南北方向的挤压应力，据此推测历史时期中最大主应力方 向近南北( n 偏东1 0 0 左右) 。在近南北向挤压应力的作用下，形成了一个背斜， 这里称之为丙村电站背斜。背斜轴部位于丙村电站b p 2 、b p 3 附近0 西3 + 7 0 0 均3 + 9 5 0 ) ，背斜轴走向近东西，见图2 - 2 。 北翼岩层倾向北，例如b p l 位于背斜的北翼，其岩层产状为4 6 0 么6 5 。；南 翼岩层倾向南，b p 3 、b p 4 、b p 5 、b p 6 8 、b p 9 、b p l o 1 2 、b p l 3 ，b p l 4 均位 于背斜的南翼，这些边坡岩层倾向一般在1 7 0 。2 l o o 。 丙村电站背斜主要影响b p 3 ，b p 3 处于背斜的核部，具有明显的构造特征， 上部残坡积层较厚，坡面岩体破碎，下部岩层倾向坡内，上部岩层倾向坡外，整 体稳定性较差。对b p 2 、b p 4 也有一定的影响，b p 2 上边坡岩体较破碎，有几条 大的伴生断层，几条大断层相互交切，形成大型楔形破坏或者形成潜在大型楔形 体；b p 2 下边坡有一条北东向正断层，宽度约l m ，充填碎石，冲沟发育，由于 边坡较矮，对边坡的稳定影响不大。b p 4 小桩号侧脚步有一不明显的挠曲，后期 破坏。 北京t 业人学r 学硕十学位论文 图2 3 高陡边坡区主要断层走向玫瑰花圈 f i g 2 - 3t h es 缸i k er o s e t t ep l o to f s t 瞄d f i e d j o i n t so f h i 曲c u ts l o p e 由图2 3 可知，辅路边坡及边坡坡面上断层的走向多为近东西向，为挤压断 层。 2 2 2 结构面和坡面的组合关系 根据结构面和坡面的组合关系，边坡可以分为平行坡、横向坡、内倾坡、外 倾坡。其中横向坡的稳定性最好；平行坡一般较稳定；内倾坡在倾角较小时稳定， 在倾角较大时( 大于3 0 0 ) 容易发生倾倒破坏；外倾坡根据倾角和坡角的关系可 以分为顺层坡和切层坡，顺层坡是岩层倾角大于坡角，稳定性较好；切层坡是岩 层倾角小于坡角，稳定性较差，但是当层面倾角特别小时，一般较稳定。 新建道路整体方向为近n e 方向，道路方向与最大主应力方向之间的夹角约 为3 0 0 ，道路方向与断层走向之间的夹角约为6 0 0 9 0 。从岩层、断层、道路走 向的组合关系可以看出：断层对新建道路边坡的稳定性一般不会产生大的影响。 但是，要注意断层与其它结构面、特别是倾向坡外的结构面之间组合形成的不稳 定楔形体，会使边坡稳定性降低。因此，寻找外倾结构面并判断这些外倾结构面 与其它裂隙的组合关系，是正确判断边坡稳定性的重点工作。 根据层面和坡面的组合关系分析：b p l 、b p l 3 为横向坡，稳定性较好；b p 2 层面内倾，倾角大于6 0 0 ，容易发生倾倒破坏；b p 3 层面外倾，倾角小于坡角， 稳定性较差；b p 4 、b p 5 、b p 6 7 8 、b p 9 、b p l 1 2 层面内倾，倾角较大，可能发 生倾倒破坏；b p l 4 层面内倾，倾角大于6 0 0 ，但是岩体破碎，可能发生类似散体 的圆弧破坏。 2 2 3 岩土体、结构面的强度 第2 章边坡稳定性影响冈素分析 沿线区域地质资料及地质勘探表明，项目区域内的地层自上而下分别为：第 四系的洪冲积层、残坡积层；第三系丹霞群的砾岩、砂岩，白垩系下统官草湖群 的凝灰质砾岩、夹杂砂岩、粉砂岩；下石炭中泥盆系滨海相碎屑岩，岩性为石 英砾岩、粉砂岩；震旦系( 早期地质图为前泥盆系) 滨海、浅海相碎屑岩，岩性 为石英砂岩、粉砂岩、板岩、千枚岩。 砂岩一般属于硬质岩，砂岩中的矿物成分是决定其强度的主要因素，一般石 英含量较高的砂岩遇水不易软化。本工作区多数地段的砂岩，尤其是中风化砂岩 遇水强度明显降低，其中k 9 3 + 7 6 0 丙村电站旁左边坡的山顶上，k 9 7 + 1 5 0 k 9 7 + 1 8 5 ，k 9 7 + 4 8 0 k 9 7 + 5 2 0 边坡存在一种易软化的砂岩，手掰即碎，开挖时 应做好防水处理。 本工作区砂岩一般呈薄层、中层、厚层互层。微风化和新鲜砂岩强度较高， 锤击声脆。但风化后强度急剧降低，锤击即碎。岩石的抗压强度与风化程度有关， 风化越严重、强度越低。由于边坡岩体以中、弱风化为主，因此建议取弱、中风 化岩石的强度测试结果代表相应岩石的强度。弱风化砂岩的饱和抗压强度在 2 4 9 4 7 a 之间，属于较坚硬岩。对于中层、薄层弱风化砂岩建议其饱和抗压 强度取2 5 3 0 m p a 。弱风化板岩的饱和抗压强度只有1 9 2 2 3 4 m p a ，属较软岩。 线路区的第四系( q 4 ) 残坡积物主要分为以下几类：红色粘土层：为砂 岩强风化后的残积物，粘土含量高，一般呈块状，胶结好，可塑，稳定性较好， 厚度较大，局部可达十几米；黄色碎石土：为砂岩强风化后的残坡积物，粉质 粘土含量较高，胶结一般，遇水易流失，稳定性不好，厚度较小，一般2 - 3 m ； 紫红色碎石土：为粉砂岩强风化后的残坡积物，粉质粘土含量较高，胶结一般， 遇水易流失，稳定性不好，厚度较小，一般小于2 m 。 高陡边坡区第四系( q 4 ) 残坡积物厚度较大的边坡主要有b p 3 、b p 4 、b p 5 ， 厚度为2 6 m ，均为红色粘土层，其余边坡残积土层厚度一般在l 2 m 左右。 取样分析结果表明，该红色粘土的粘聚力为1 5 4 0 k p a ，内摩擦角为1 5 。3 0 。， 建议对坡比为1 ：o 7 5 、厚度大于3 m 的土层放缓到l ：1 2 5 ，如果受地形限制， 可以利用锚杆框架梁支护；对坡比为1 ：0 7 5 、厚度小于3 m 的土层可以放缓到1 ： 1 。 2 2 4 地形地貌条件 本项目位于粤东丘陵山区，梅江中下游，路线基本沿河谷及坡脚布置，沿线 穿越的地貌单元主要有：河谷岸坡及阶地、山间盆地、丘陵山地及谷( 沟) 地等。 路线经过的山体高程一般在1 5 0 3 0 0 m ，地形起伏较大，山坡较陡，坡脚天然坡 度一般为2 5 4 0 0 ，局部可达5 0 0 ，地表植被一般较好。 北京t 业人学丁学硕 ：学位论文 由于该区山体较高，天然坡度较陡，又因为路基较宽，开挖量大，没有放缓 条件，容易形成较高、较陡的边坡，边坡稳定性较差。由于沿梅江河谷布线，需 要注意梅江河谷的深切改造作用，并且注意路基、路堑边坡的整体稳定性。 2 2 5 边坡几何形状 对边坡的稳定性影响最大的是坡度，高度和台阶宽度对比边坡的稳定性也有 一定的影响。项目区主要为中强风化砂岩，上部为残坡积土，弱风化砂岩稳定坡 比约为l ：0 5 ，中风化砂岩约为l ：o 7 5 ，强风化砂岩和残积土稳定坡比约为l ： l ，坡积土约为l ：1 2 5 。较高的边坡如果上部自然坡较缓，可以适当放缓；如果 自然坡较陡，则需要陡开挖并加强支护，较高边坡台阶可以适当加宽。 2 2 6 水文地质条件 水在岩土体中的存在形式：气态水、强结合水、弱结合水、毛细管水、重力 水、固态水；地下水的类型：上层滞水、潜水、承压水、裂隙水、溶洞水、多年 冻土地区地下水。重力水即平常提到的地下水，该项目区主要为松散岩类孔隙水 和基岩裂隙水。 研究表明：多数的滑坡发生在雨季，并且和地下水有关。水对边坡稳定性的 影响主要为降低边坡岩土体的力学参数和对边坡坡体的力学作用。 影响边坡稳定性的主要参数为粘聚力c 和内摩擦角巾值。研究发现，水主 要是降低边坡的粘聚力，降低程度随岩性不同而变化，在地下水比较发育地区可 以降低1 0 以上；如果地下水比较发育，长时间的渗流，不仅冲蚀岩体节理的 胶结物，也会冲刷岩石，降低边坡的粗糙度，从而降低边坡的内摩擦角。 在地下水发育、较发育地区，如果下部渗水明显，且补给及时，水对边坡的 主要作用力为：动水压力、静水压力、浮托力；在地下水发育、较发育地区，如 果下部渗水明显，但补给不及时，水对边坡的主要作用力为：动水压力、浮托力； 在地下水发育、较发育地区，如果下部渗水不明显，但补给充分，水对边坡的主 要作用力为：静水压力、浮托力。考虑边坡地下水发育主要看基岩裂隙水的深度， 考虑补给主要是考虑降水量，和降水的排泄条件。总之，水除了对边坡有冲刷作 用外，还会增加滑坡体的重力，减小抗滑力，降低边坡的安全系数。 此外，不同酸碱度的地下水还会对岩石有一定的化学腐蚀作用。 2 2 7 施工方法和工序 第2 章边坡稳定性影响冈素分析 施工方法和工序对边坡的稳定性影响较大，施工中应采用逆作法施工，严格 贯彻开挖一级支护一级的思路，避免非控制性爆破。对陡开挖地段，建议跳挖( 开 挖2 0 m ，间隔2 0 m ，支护完成后再开挖剩余部分) 。 爆破对边坡的稳定性影响较大，对于较完整的岩石边坡，在药量和距离一定 的情况下，坡脚处震动速度为5 0 7 0 瞰以时，边坡滑落；震动速度小于2 2 锄s 时，对边坡稳定性影响较小【3 6 】。综合国内外岩土体开列破坏的实测结果，其临界 振速范围为1 2 7 3 0 5 锄s ，波动范围不大。在一般情况下，岩质边坡的爆破震 动临界振速可采用2 5 怕【3 7 】。 2 2 8 气候和其他条件 本项目位于梅州市东北部，属亚热带季风气候区。冬短夏长，日照充足，多 年平均气温2 1 2 ，一月份平均气温1 0 9 1 3 o ，七月份平均气温2 8 2 2 8 5 ， 多年实测最低温度- 4 4 ，最高气温3 9 5 。多年平均降雨量1 4 0 帖1 7 0 0 m m ，但 年内分配极不均匀，其中4 9 月份降雨量占全年雨量7 0 以上。 根据广东地震烈度分布图及梅州市地震局的鉴定，本区域地震基本烈度 为度，按规范规定，构造物抗震设防烈度为6 度，可是适当考虑地震作用。 2 3影响因素小结 综合分析各个影响因素可知：由于该区处于亚热带季风气候区，雨量较大， 并且降雨集中，降雨对边坡的稳定性影响较大；边坡顶部全、强风化层较厚且开 挖较陡，对边坡的稳定性影响较大；本地区没有大型的地质构造，边坡稳定性受 地质构造的影响较小。 第3 章边坡稳定性分析 第3 章边坡稳定性分析 以b p 9 为例说明利用辅路边坡的地质情况对辅路边坡的稳定性进行评价， 并对拟开挖边坡的稳定性进行推测以提出开挖设计方案，然后利用开挖揭露的地 质情况对边坡的稳定性重新进行评价。 3 1岩体质量分类方法 本线路区地层岩性以砂岩为主，且主要结构面层理面大多倾向坡内，针 对这一特点，并根据公路路基设计规范中的分类方法制定了适于本区岩体质 量分类的方法，如表3 1 所示。 表3 1 使用岩体质量分类 t 曲k3 1r o c km a 船c l 勰s i 丘c a 虹o nj nu 岩外倾结 体节理化风化 岩体结构面 构面及 结程度程度 质量 岩体完整程度 结合程 不稳定 坡高坡比修正 等级度 构 块体 很少节 理或无 节理 微风 化 i 完整 强风 化a完整 8 0 h 5 0 。则 降l 亚级； 厚 中等节弱风 差，则有，则1 0 0 h 8 0 m ，贝 层 理化化b完整 降1 亚降1 2 降1 亚级或1 结 微风 级亚级级； 构 化 a 完整 陡开挖边坡降 强风 1 亚级或l 级 化b 较完整 严重节弱风 理化化a较完整 微风 化 b 完整 北京i ：业人学jr = 学硕_ ：学位论文 续表3 1 使用岩体质量分类 t 曲k3 一lr o c km 站sc l 觞s i f i c a 6 0 ni nu 岩风化 结构面 外倾结 体节理化程度岩体 结合程 构面及 坡高坡比修正 结程度质量 度 不稳定 构等级 岩体完整程度 块体 很少节弱