（道路与铁道工程专业论文）高速公路路暂高边坡稳定性评价及处治技术研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 近年来，随着我国高速公路的大量建设，由此产生的地质灾害也层出不穷， 特别是地质条件复杂的山区修筑高速公路更容易产生边坡灾害。因此，高速公 路边坡的稳定性将直接关系到公路沿线地区人民的生命财产安全。边坡稳定性 影响因素分析和稳定性计算方法有很多，如何对边坡的稳定性做出评价，如何 确定影响边坡稳定的主要因素，以及如何有效的对边坡进行治理是边坡研究中 的重要课题。 通过阅读大量的国内外文献，本文系统总结了近几年来公路边坡稳定性分 析研究所取得的成就，综合边坡知识和参考相关规范，进行了系统的边坡类型 的划分，同时对边坡的破坏类型和影响边坡稳定性的因素进行了系统的归纳和 总结，并对公路边坡稳定性各种分析方法进行了简要评述。 本文对有限元强度折减法的理论体系、力学概念、实际应用等方面进行了 研究。有限元强度折减法综合了有限元法、弹塑性分析法和强度折减技术的优 点，既能够考虑复杂地貌、地质条件和岩土体的非线性本构关系以及变形对应 力的影响，又能够模拟边坡的失稳过程及搜索出滑移面的位置，而且在求解边 坡的安全系数时也无需假定滑移面的形状。与传统的方法相比，强度折减有限 元分析法具有明显的优势。 本文以泰赣高速公路路堑高边坡为工程背景，考虑到边坡岩土体的非线性 特性、大气降水改变边坡岩土体力学性能指标对边坡稳定性的影响，采用降低 材料强度储备的边坡安全系数有限元强度折减法对边坡失稳过程进行模拟。尽 可能客观、真实地模拟路堑高边坡失稳条件和失稳过程，分析路堑高边坡的塑 性应变和位移场分布及变化规律，搜寻可能存在的最危险滑动面。将有限元计 算分析结果引入极限平衡法中，采用毕肖普条分法分析坡体在不同的饱和状态 下的稳定性，揭示了安全系数随着坡体饱和度的增大而急速降低的规律，并对 泰赣高速公路边坡整体稳定性作出了评价。最后在定量分析的基础上，结合实 际情况提出了高边坡失稳的预防措施合理化建议，为道路运营过程中的养护决 策提供参考资料和理论依据。 关键词：路堑高边坡，稳定性分析，有限元，强度折减法 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ec o n s t r u c t i o n so f h i g h w a y s ，t h e g e o l o g i c h a z a r d so c c u r f r e q u e n t l y e s p e c i a l l yi nc o m p l e xg e o l o g i c a lr e g i o n s ，s l o p ep r o b l e m s i sm o r el i a b l et o o c c l ri nb u i l d i n gh i g h w a y s t h e r e f o r e ，t h er o c ks l o p es t a b i l i t yo fh i g h w a y sw i u d i r e c t l ya f f e c tt h es a f e t yo ft h eh i g h w a yl i n ep e o p l e sl i v e sa n dp r o p e r t i e s i n f l u e n c e f a c t o r so fs l o p es t a b i l i t ya n ds t a b i l i t yc a l c u l a t em e t h o d sa l ev e r ya b u n d a n t , i t sa n i m p o r t a n tt a s kt oc o n f i r mr e l a t i o n sa m o n gt h ei n f l u e n c ef a c t o r s ，t ot r e a tt h es l o p e e f f e c t i v e l ya n dt oe v a l u a t et h es t a b i l i t ya n dp r o g r e s st r e n d b yr e a d i n ga l o to fl i t e r a t u r e s ，i nt h e p a p e r ，t h ea c h i e v e m e n t so ft h ei n s t i t u t eo n t h eh i g h w a ys l o p e s t a b i l i t ya n a l y s i s i nr e c e n ty e a r sa r es u m m e du p t h r o u g h c o m p r e h e n d i n gs l o p ei n f o r m a t i o na n dk n o w l e d g er e l e v a n tn o r m s ，t h et y p e so fs l o p e i nt h es y s t e r na r ed i v i d e d , a tt h es a m et i m e ，s l o p ed a m a g et y p e sa n df a c t o r sa f f e c t i n g t h es t a b i l i t yo ft h es l o p eh a ss y s t e ma t i c a l l ys u m m a r i z e da n dc o n c l u d e d ，a n dt h e n v a r i o u sh i g h w a ys l o p es t a b i l i t ya n a l y s i sm e t h o dh a sb e e nb r i e f l yr e v i e w e d i nt h i sp a p e r , t h er e s e a r c hs u c ha st h et h e o r e t i c a ls y s t e m ，t h em e c h a n i c a l c o n c e p t s ，p r a c t i c a la p p l i c a t i o n so nt h e f i n i t ee l e m e n ts t r e n g t hr e d u c t i o na r c m a d e f i n i t ee l e m e n t s t r e n g t h r e d u c t i o n i n t e g r a t e d f i n i t ee l e m e n t m e t h o d , e l a s t i c - p l a s t i ca n a l y s i sa n dt h ea d v a n t a g e so ft e c h n o l o g ys t r e n g t hr e d u c t i o n , w ew i l l c o n s i d e rt h ec o m p l e xt o p o g r a p h y , g e o l o g ya n dg e o t e c h n i c a lc o n d i t i o n so ft h e n o n l i n e a rc o n s t i t u t i v er e l a t i o n s ，a sw e l la sd e f o r m a t i o no nt h ei m p a c to fs t r e s s ，s l o p e i n s t a b i l i t yc a r lb eu s e dt os i m u l a t et h ep r o c e s sa n ds e a r c ho u tt h el o c a t i o no fs l i p s u r f a c e ，b u ta l s oi ns o l v i n gt h es l o p es a f e t yf a c t o ra l s oa s s u m e dt h a tn os l i ps u r f a c e s h a p e s c o m p a r e d 、i 山t h et r a d i t i o n a lm e t h o d ，s t r e n g t hr e d u c t i o nf i n i t ee l e m e n t a n a l y s i sm e t h o dh a so b v i o u sa d v a n t a g e s i nt h i s p a p e r , t h et a i g a nh i g h w a yc u t t i n gh i g hs l o p e f o r e n g i n e e r i n g b a c k g r o u n d ，c o n s i d e r i n gt h en o n - l i n e a rc h a r a c t e r i s t i c so fg e o t e c h n i c a ls l o p e ，t h e i n f l u e n c eo fa t m o s p h e r i cp r e c i p i t a t i o nc h a n g eg e o t e c h n i c a ls l o p ei n d i c a t o r so i lt h e p h y s i c a lp r o p e r t i e so fs l o p es t a b i l i t y , b yr e d u c i n gm a t e r i a ls t r e n g t hr e s e r v es a f e t y f a c t o ro ft h es l o p e ，f e ms t r e n g t hr e d u c t i o no ft h es l o p ei n s t a b i l i t yp r o c e s si s 武汉理工大学硕士学位论文 s i m u l a t e d a sf a ra sp o s s i b l eo b j e c t i v ea n dr e a l l y , s i m u l a t i n gt h ec u t t i n gh i 曲s l o p e i n s t a b i l i t ya n dt h ei n s t a b i l i t yo f t h ep r o c e s sc o n d i t i o n sa n da n a l y i n gc u t t i n gt h eh i 曲 s i d es l o p ep l a s t i cs t r a i na n dt h ed i s p l a c e m e n tf i e l dd i s t r i b u t i o na n dt h ec h a n g er u l e ， t h em o s td a n g e r o u ss l i d i n gs u r f a c ew h i c hp o s s i b l ye x i s t si ss e a r c h e d u s i n ga n dt h e l i m i te q u i l i b r i u ma n a l y s i sf r o mt h em e c h a n i c a lf i n i t ed e m e ma n a l y s i sr e s u l t sa n d b i s h o po ft h em e t h o do fs l o p ei nd i f f e r e n ts a t u r a t i o ns t a b i l i t y , t h et a i g a nh i g h w a y l l j g hs i d es l o p e ss t a b i l i t y h a sb e e na p p r a i s e d f i n a l l y , b a s e do nt h e q u a n t i t a t i v e a n a l y s i s ，c o n s i d e m ga c t u a ls i t u a t i o n ，t h eh i 曲s i d es l o p ei n s t a b i l i t yp r e v e n t i v e m e a s u r er a t i o n a l i z a t i o np r o p o s a l sa r ep r o p o s e d , w h i c hp r o v i d e st h er e f e r e n c ea n dt h e t h e o r yb a s i sf o rt h er o a dm a i n t e n a n c ei n 也ep r o c e s so fu s i n g k e yw o r d s ：c u t t i n gh i g hs l o p e ，s t a b i l i t ya n a l y s i s ，s t r e n g t hr e d u c t i o n ，f e m i i i 此页若属实请申请人及导师签名。 独创性声明 本人声 i j ，所变的论义j ! l ! = 我个人在：导帅指导f 进行的研究i ：作及耿社 的研 究成梁。折：我所知，除了文r l 特刖加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成粜，也不包含为获得武汉理工大学或， 它教行机构 的学位或证书而1 【史t l i 过的材料。j 我一州1 ：作的| r d j 占对奉研究所做的任f i i 贞献均 已在论文中作了明确的说明 ：表示了鲥意。 研究乍签名：丕：垒kf 1 期! 叁：生：! 关于论文使用授权的说明 本人完个了解武汉耻- i ：人学订天保尉、使川。f 移论文的觇定，【! l 】：饺仃权 保雷f 送交论文的复 ：l i f t ：，允许沦文被a 阅取】借i 刈：学校町以公布沦文的令部内弈， t 叮以采川影印、缩印或其他艇制段保仃论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究牛碜私：之生数导9 , i i 掺z ：研究牛碜私：乏生酞导9 掺z ： ii ：i 占将j j 匕， i l i j 装l j n ：论文f ni i ? 止f j ，j 。 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 边坡工程研究的目的 边坡是自然或人工形成的斜坡，是人类工程活动中最基本的地质环境之一。 边坡自形成起，在重力、风化、地震和其它地质营力作用下，不断地发生变化， 应力进行重分布。并随着边坡的演变，坡内岩土体发生不同形式的变形与位移。 坡体在自重、水、震动力及其它因素作用下，常常失稳而发生滑坡或崩塌，并 可进一步造成地质灾害。1 9 6 3 年，意大利瓦伊昂( v a i o n t ) 水库近坝地段发生滑 坡致使世界上最高的双曲拱坝失效，有2 4 1 0 4 - 3 6 x1 0 4 万m 3 的岩石滑到 托克山水库中，几乎填满了整个水库，滑坡造成的涌浪高达2 0 0 多米并且越过 大坝，造成2 6 0 0 多人死亡。1 9 5 4 年法国的玛尔帕塞双曲拱坝，蓄水后在压力 作用下，左坝肩部分岩体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【l 】。据统计：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，美国2 0 世纪7 0 年代，边坡失稳 而导致的损失达1 0 亿美元，进入8 0 年代，这种损失达到了1 5 亿美元，日本同 类灾害的经济损失为1 5 亿美元。 我国也是一个滑坡、泥石流等地质灾害发生十分频繁和灾害损失极为严重 的国家之一，在我国灾害及其所导致的环境问题中，据估计由地质灾害造成的 损失约占整个灾害损失的3 5 ，其中，泥石流、崩塌、滑坡及人类工程活动所 诱发的地质灾害所造成的损失约点5 5 。2 0 0 1 年5 月1 日重庆市武隆县城发生 山体滑坡，滑坡体垂直高度4 6 8 m ，前沿宽5 5 2 m ，后沿宽2 5 , - 一3 0 m ，总量1 6 万m 3 ，一幢9 层楼房被摧毁掩埋，导致7 人受伤，7 9 人死亡。2 0 0 4 年1 2 月7 日贵州纳雍山体滑坡，导致4 4 人丧生。据中国地质环境监测院地质灾害调查与 监测室统计数据显示，仅2 0 0 4 年全国共发生中等规模以上地质灾害8 7 5 起，其 中滑坡5 7 2 起，崩塌l8 1 起，泥石流7 7 起，地面塌陷2 5 起，地裂缝1 3 起( 见 图1 1 ) ，造成6 8 8 人死亡，1 7 2 人失踪，4 2 6 人受伤，自接经济损失2 0 5 亿元 ( 见图1 2 ) 1 2 】。 上述种种事例，不难看出边坡失稳灾害遍布各地，危害严重，对人们的生 武汉理工大学硕士学位论文 命、生产、生活造成了极大的影响，这些边坡失稳对周边环境的影响己引起了 人们的极大关注。目前，边坡稳定己经和地震、火山并称为当今三大地质灾害 源，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。科学地进行边坡的勘测、设计、施工与加固技术的研究，保证边坡的变形 稳定具有可观的经济效益和重要的社会效益。 。节，* 带 图1 12 0 0 4 年不同地质 灾害类型发生情况 1 2 边坡变形破坏机理和类型 1 2 1 边坡变形破坏机理 图1 21 9 9 8 - 2 0 0 4 年全国突发性 地质灾害造成人员死亡情况 边坡的变形破坏可分作变形与破坏两种形式，前者属于变形的范围，以坡 体内未出现贯通性的破坏面为特点：后者是在坡体中己形成贯通性的破坏面， 且以加速度发生位移。作为边坡调整应力状态的两个阶段，二者有密切的联系。 岩体变形是破坏的先兆，而破坏则是岩体变形的终结形态。王兰生( 1 9 8 0 ) 将岩 体变形破坏过程中划分为若干基本单元，并用这些单元的特定组合建立边坡变 形破坏的地质力学模式。基本变形破裂单元可以分为拉裂、蠕滑( 滑移) 、弯曲 和塑流四种。边坡变形破坏地质力学模式分为蠕滑( 滑移) 一拉裂、滑移一压 致拉裂、弯曲一拉裂、塑流一拉裂和滑移一弯曲五种( 见表1 - 1 ) 。边坡变形破 坏的地质力学模式，揭示了边坡发展变化内在的力学机制，并在很大程度上确 定了边坡坡岩体最终破坏的可能方式与特征”j 。 岩质边坡的变形主要表现为松动和蠕动两种形式。 ( 1 ) 松动：在边坡形成的初始阶段，坡体表部往往出现一系列与坡面近于 武汉理工大学硕士学位论文 平行的陡倾角张开裂隙，被这种裂隙切割的岩体会向临空方向松开、移动，这 种过程和现象便称为松动，它是一种斜坡卸荷回弹的过程和现象。这种松动裂 隙通常有不同的名称，如岸坡裂隙、回弹裂隙、卸荷裂隙等。边坡岩体松动带 使坡体强度降低，又使各种营力因素更易深入坡体，加大坡体内各种营力因素 的活跃程度，它是边坡变形与破坏的初始表现。 ( 2 ) 蠕动：边坡岩体在以自重应力为主的坡体应力长期作用下，向临空方 向的缓慢而持续的变形，称为边坡的蠕动。研究表明，蠕动的形成机制为岩土 的粒间滑动形成的塑性变形，或者是沿岩石微裂纹的错动，再或者是山岩体中 一系列裂隙扩展所致。从蠕动发生的部位看，可以将蠕动分成两种，一种是表 层蠕动，一种是深层蠕动。往往边坡发生滑动、崩塌破坏前，都可能经历过蠕 动。因此，可以认为蠕动是边坡变形最为常见的一种方式。 表1 一l 岩体变形破坏地质力学基本模式 岩体变形基本组合形式 典型图式 蠕滑一拉裂 口痧罗 滑移压致拉裂 屡 弯曲一拉裂 勰 塑流一拉裂 羁黔 滑移弯曲 矽纩 1 2 2 边坡变形破坏类型 边坡的破坏形式很多，如崩塌、滑坡、坍塌、倾倒、错落等，其中崩塌与 滑坡是边坡破坏的主要形式。不同的行业有不同的划分，但基本上可划分为三 大类： ( 1 ) 崩塌：风化破碎的高陡边坡，由于一组或多组结构面组合，将岩体切 2 武汉理工大学硕士学位论文 割成大小不等的块体，主变形结构面陡于边坡坡率，常在结构面与边坡坡面结 合部首先破坏，后部岩体失去支撑时产生崩落、倒塌、翻滚和剪切下错的变形 破坏现象。多数为局部边坡变形。 ( 2 ) 倾倒：陡倾的薄层状岩层，内部存在一组倾角很陡的结构面，在开挖 或沟谷下切卸荷过程中，边坡松弛，沿结构面产生剪切位移，向临空面缓慢弯 曲变形的现象。 ( 3 ) 滑坡：边坡中存在倾向临空的缓倾软弱带，由于开挖或填筑等原因使 斜坡下部失去支撑，在重力作用下，岩土体整体沿软弱带向下、向前滑动的现 象。这种破坏是在较大范围内边坡沿某一特定的滑面发生的滑移。滑坡的形态， 一般是四周被裂隙所圈定，滑面为平面或曲面，滑体上往往有滑坡台阶，滑坡 后壁上可能有擦痕，滑动轴向在滑体运动速度最大的方向上。 其中滑坡是边坡失稳破坏的主要形式，并且其破坏性最大。滑坡按滑动面 的形态可划分为平面滑坡、楔形滑坡、圆弧滑坡三类( 见表l - 2 ) 。 表l - 2 滑坡类型及特征 滑坡类型示意图特征 少 一个滑动平面和 个滑动块体 主要结构面的走 向、倾向与坡面 一个滑动平面和一 平面滑坡 基本一致，结构 条张裂隙 面的倾角小于坡 。少 角且大于其摩擦 若干滑动平面和横 节理 角 一个主要滑动平面 夕 和主动、被动两个 滑动块体 楔形滑坡 秒 两组结构面的交线倾向坡面，交线的倾 角小于坡角且大于摩擦角 圆弧滑坡 节理很发育的破碎岩体发生旋转破坏 武汉理工大学硕士学位论文 1 3 影响边坡稳定的主要因素 岩质边坡的稳定性受多种因素的影响，在以往的研究中发现，岩性、风化 清况、节理发育程度、边坡高度、岩体特征、结构面产状及其与路线的关系、 地下水作用、边坡形态的改造、气象条件、植物作用及人为因素等诸因素对边 坡稳定性均有影响，可以将公路边坡稳定性的影响因素归结为内因和外因两个 方面。 1 3 1 内在因素 ( 1 ) 岩土性质：岩性是决定岩质边坡稳定性的物质基础。岩土的成因类型、 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1 4 1 。一般来说，构 成边坡的岩体越坚硬，又不存在产生块体滑移的几何边界条件时，边坡不易破 坏，反之则容易破坏且稳定性差。 ( 2 ) 岩体结构：岩体的结构类型，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1 5 1 。首先，岩体结构控制边坡的破坏形式及其稳定程度。其 次，结构面的发育及其组合关系往往是边坡块体滑移破坏的几何边界条件。顺 层坡在自然界中的分布相当广泛，是山区铁路、公路和水利水电工程建设中经 常遇到的一类斜坡，同时也是发生问题最多、给人类工程建设和人民生命财产 造成危害最大的一类斜坡，本文所分析的边坡正是岩层倾角接近边坡坡角的层 状岩石路堑边坡，岩层倾向与坡向一致，易产生顺层滑坡。 ( 3 ) 地质构造：地质构造因素，包括区域构造特点、边坡地段的褶皱形态、 岩层产状、断层和节理裂隙发育特征以及区域新构造运动活动特点等。它对边 坡稳定，特别是岩质边坡稳定的影响是十分明显的。在对边坡稳定性进行评价 时，应当首先对区域地质构造背景，新构造运动活动特点以及边坡地段的地质 构造特征进行分析研究，作为定性或定量稳定性评价的基础。 ( 4 ) 地应力：地应力是控制边坡岩体节理裂隙发育及边坡变形特征的重要 因素。边坡岩体中的地应力特别是水平方向地应力的大小，直接影响边坡拉应 力及剪应力的分布范围与大小。 ( 5 ) 风化作用：风化作用使岩土体的抗剪强度减弱，裂隙增加或扩大，影 响斜坡的形状和坡度：透水性增加，使地面水容易侵入，改变地下水的动态，沿 裂隙风化时，可使岩土体脱落或沿斜坡崩塌、堆积、滑移等。 4 武汉理工大学硕士学位论文 1 3 2 外部因素 ( 1 ) 振动作用：地震、爆破及行车振动都可能引起边坡应力的瞬时变化， 从而影响边坡的稳定。振动对边坡稳定性的影响表现在累积效应和触发效应两 个方面，前者主要表现为振动作用引起的边坡岩体结构松动、破裂面、软弱面 错位和空隙水压力累积上升等，后者则主要表现为振动的作用造成边坡中软弱 夹层的触变液化以及处于临界状态的边坡瞬间失稳。 ( 2 ) 边坡形态：边坡形态指边坡的高度、长度、剖面形态、平面形态以及 边坡的临空条件等。边坡形态对边坡的稳定性有直接影响。对均质岩体边坡而 言，坡度越陡，坡高越大，对其稳定越加不利。 ( 3 ) 地下水的作用：水对边坡岩体的稳定性的影响不仅是多方面的，而且 是非常活跃的，大多数边坡岩体的破坏和滑动都与水的活动有关。水作为自然 界极其常见的流体，常常影响岩石的变形过程，在很多情况下会加速甚至诱发 岩石的变形与破坏。 水对于边坡稳定的影响主要体现在以下几个方面： 浮托力这种作用一般产生于处于水下的透水边坡，在路堑边坡中少见。 当边坡中有含水岩土层时，通常在坡体全部饱水，或者坡体下部部分饱 水且与潜在滑面连通时容易产生动水压力。并且在动水压力作用下，促使边坡 变形发展，当潜在破坏面形成后，边坡失稳难以避免。 水的软化作用。首先是化学作用，当边坡岩体或较弱夹层的亲水性强， 有易溶于水的矿物，如含盐的粘土质页岩等时，浸水后易发生变化，岩石和岩 体结构受到破坏，发生崩解泥化现象，使抗剪强度降低影响边坡稳定。其次是 促使岩体中裂隙张开度增大，使得风化作用向坡体深部扩散和发展，最后导致 坡体失稳或破坏。 ( 4 ) 降雨：暴雨是斜坡产生滑坡的重要诱发因素，滑坡的发生数量、规模 与年、月雨量，特别是持续过程降水、暴雨量等关系明显。降雨对滑坡形成作 用主要是通过补给地下水、土壤水、减少滑动面摩擦力，从而增加滑坡灾害发 生的可能性 6 1 。一般来说，在雨季期间，累积降雨量在5 0 , - 一l o o m m ，日降雨量 在5 0 m m 以上时就有小型的浅层滑坡发生。当降雨量在1 5 0 m m 以上，日降雨量 大于l o o m m 时，随着降雨量的增加，滑坡的数量也增多，中等规模的堆积层滑 坡和破碎岩石滑坡开始出现。当一次暴雨过程的累积降雨量在2 5 0 3 0 0 m m 以 武汉理工大学硕士学位论文 上，日降雨量大于1 0 5 m m 以上时，滑坡即开始大量发生，一些大型和巨型滑坡 也大量出现1 7 1 f 。o u i d i c i n ig ( 1 9 7 6 ) 等人的研究结果认为，暴雨期间雨量超过 2 5 0 3 0 0 m r n 时，降雨和滑坡之间存在单一的对应关系，即在此雨量下，无论在 任何情况下，都会诱发大量滑坡的产生。本论文所述泰赣高速公路所在地区降 雨多集中在5 - - 8 月，月平均降水量大于2 0 0 r a m ，由于受到自然条件特别是降 雨的影响，至2 0 0 6 年4 月，已出现两处路堑高边坡滑塌现象。故本论文重点考 虑大气降水对岩土抗剪强度的影响模拟边坡失稳的过程，并找出最危险的滑动 面位置。 ( 5 ) 人为因素：人类工程活动的作用，改变了边坡的环境条件和原斜坡的 结构特征，如边坡不合理的设计，削坡、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。 内在因素对边坡稳定性起控制作用，外部因素起诱发破坏作用。研究分析 影响边坡稳定性的因素，特别是影响边坡变形破坏的主要因素，是稳定分析和 边坡防治处理的一项重要任务【9 l 。各部门对影响边坡稳定因素的考虑【l o l 见表 1 3 。 表1 3 各部门对影响边坡稳定因素的考虑 影响边坡铁公建水影响边坡铁公 建 水 稳定的因素路路筑利稳定的因素路路筑利 各部门提出应当予以考虑或已在边坡坡各部门提出应当予以考虑或已在边坡坡 度参考数值表上列入的影响因素度参考数值表上列入的影响因素 1 、岩性 7 、地表水 2 、风化 l- 8 、地下水 3 、节理( 破碎程度) 40 9 、天然斜坡状况 4 、坡高 1 0 、区域性条件 0 5 、构造带或岩体结l l 、设计边坡形 构特征 0 态等人为因素 6 、结构面产状及延 续性 6 武汉理工大学硕士学位论文 l 。4 国内外边坡稳定性分析研究发展现状及发展趋势 1 4 1 国内外边坡稳定性分析研究历程 边坡稳定性研究已有一百多年的历史，边坡稳定性分析评价的观点变化是 随着人类理论方面的突破和实践经验的积累而变化的，特别是随着对岩土力学 的认识而发展的。边坡作为一个系统工程，其发展过程可分为四个阶段【1 1 】： ( 1 ) 二次世界大战前后，边坡问题的研究尚属土力学的研究范畴，边坡稳 定性分析方法主要借鉴土力学的研究成果。例如1 9 1 6 年由p r a n t l e 提出并由 f e l l e n i u s 和t a y l o r 发展的圆弧滑动法、1 9 5 5 年的b i s h o p 条分法、1 9 5 4 年的j a n b u 条分法和王复来分析方法等形成极限平衡理论，是建立在刚塑性体模型基础上 的破坏理论，是古典土力学解决土质边坡稳定性的核心。人们对边坡的稳定性 分析重点放在单个边坡的稳定性分析上，并基于土力学原理进行简单的分析。 ( 2 ) 在2 0 世纪6 0 年代至7 0 年代，随着大型工程的建设，所形成的边坡 规模加大，地质条件也变得极其复杂，岩质边坡稳定性研究理论和方法有了较 大的发展。人们清楚的认识到在边坡稳定性分析中，必须将地质分析与力学机 制分析紧密结合起来，从而形成了刚体极限平衡法，以及结构面的力学特性对 岩体滑动的影响研究。 ( 3 ) 2 0 世纪8 0 年代后，边坡稳定性研究的理论与方法更加成熟，人们开 始研究边坡稳定的变形破坏机制，在计算方面不仅应用了极限平衡，还应用了 弹塑性力学理论，由于计算技术的发展以岩体力学性质研究的进展，各种复杂 的数值计算方法广泛地应用于边坡研究。为定量评价和预测岩质边坡稳定性开 辟了更为广阔的前景。 ( 4 ) 进入2 0 世纪9 0 年代，边坡问题的研究将传统的边坡工程地质学、现 代岩土力学和现代数学力学相结合，形成了所谓的现代边坡工程学：各种现代 科学的新技术，如系统工程论、数量理论、信息理论、模糊数学、灰度理论、 现代概率统计理论、耗散论、协同学、突变理论、混沌理论分形理论等不断用 于边坡问题研究中，从而给边坡的稳定性研究提供了新理论、新方法。 1 4 2 边坡稳定性分析研究方法 从边坡工程研究发展历程可见，边坡稳定性研究发展的过程，同时又是一 7 武汉理工大学硕士学位论文 个边坡稳定性分析方法不断发展的过程。新的边坡稳定性分析方法不断出现， 古老的方法又不断改进，且逐步由定性向定量的方向发展。定量评价方法实质 是一种半定量的方法，虽然评价结果表现为确定的数值，但最终判定仍依赖人 为的判断。目前，所有定量的计算方法都是基于定性分析基础之上的。 定性分析方法有： ( 1 ) 地质分析法( 历史成因分析法) 该方法通过对边坡发育的地质环境、边坡发育历史中的各种变形破坏迹象 及其基本规律和稳定性影响因素等的分析，追溯边坡演变的全过程，预测边坡 稳定性发展的总趋势及其破坏方式，从面对边坡的稳定性作出评价。主要用于 天然斜坡的稳定性评价。 ( 2 ) 工程地质类比法 该方法实质上是利用己有的边坡或人工边坡的稳定性状况及其影响因素、 有关设计等方面的经验，并把这些经验应用到类似的所要研究边坡的稳定性分 析和设计中去的一种方法。 ( 3 ) 图解法 图解法可分为两类：第一类是诺模图法。即用一定的关系曲线和偌谟图来 表征边坡有关参数之间的定量关系，由此求出边坡稳定性系数或已知稳定系数 及其他参数仅一个未知的情况下，求出稳定坡角或极限坡高。一般用于土质或 全风化的具有弧形破坏面的边坡稳定性分析【1 2 1 。第二类是赤平投影图法。该法 就是利用赤平极射投影的原理，通过作图来直观地表示边坡变形破坏的边界条 件，分析软弱结构面的组合关系，分析滑体的形态、滑动方向，评价边坡的稳 定程度，为力学计算创造条件。该法目前主要用于岩质边坡的稳定性分析1 1 3 】。 ( 4 ) 边坡的分析数据库和专家系统 边坡工程地质数据库就是收集己有的多个自然斜坡、人工边坡实例的计算 机软件。其按照一定的格式，把各个边坡工程实例的发育地点、地质特征、变 形破坏影响因素、形式、过程、加固设计，以及边坡的坡形、坡高、坡角等收 集起来，并有机地组织在一起i j 4 】。可直接根据不同设计阶段的要求和相关的类 比依据，方便快捷地从中查的相似程度最高的实例进行类比，以更好地指导实 践、节约费用。我国在“八五”国家科技攻关期间，已初步建立了“水电工程 高边坡数据库1 1 5 j 。 专家系统是一种按学科及相关学科专家的水平进行推理和解决问题、并能 3 武汉理工大学硕士学位论文 说明其缘由的计算机程序。边坡稳定分析设计专家系统就是进行边坡工程稳定 性分析与设计的智能化计算机程序，其把某一位或多位边坡工程专家的知识、 工程经验、理论分析、数值分析、物理模拟、现场监测等行之有效的知识和方 法有机地组织起统的计算机程序，来模拟并再现人脑的思维过程，吸收其合理 的知识结构，寻求优化的技术路径。利用良好的边坡工程专家系统，可提高设 计人员的决策水平，并最大限度地降低费用、节省时间，达到更加优化的目的 和效果。在岩石和工程力学方面，李彰明开发了露天矿边坡实用的专家系统旧。 定量分析方法有： ( 1 ) 极限平衡法 根据边坡破坏的边界条件，应用力学分析的方法，对可能发生的滑动面， 在各种荷载作用下进行理论计算和抗滑强度的力学分析。通过反复计算和分析 比较，对可能的滑动面给出稳定性系数。常用的方法有以下几种： 圆弧法：1 9 1 5 年瑞典彼得森限e p e t t e r s o n ) 提出圆弧法f l 刀，这一方法用 于岩质边坡稳定性分析，只有在均质各向同性的岩体及破碎或松散岩体中才有 某种近似的意义，因为岩质边坡破坏一般均为非圆弧形滑动面。 条分法：1 9 6 5 年毕肖普( a n b i s h o p ) 【l s 】提出条分法，将圆弧滑动体 分为若干等宽垂直条块，分别求其自重井将重力分解成与滑动面相切和正交的 两个分力，并以圆弧的圆心为力矩中心，求该圆弧的安全系数。该法比瑞典圆 弧法更趋合理，但与岩质边坡破坏仍有很大的区别。 s p e n c e r 法：斯宾塞( s p e n c e r ) 法假定条块之间的作用力与水平线成b 角， 8 角及边坡稳定性安全系数f s 由条块的力矩和力的平衡条件确定，该方法满足 力矩与力的平衡条件，但假定条块之间的作用力方向相同。 j a n b u 法：j a n b u 法假定了条块间作用力的位置。 传递系数法：该法假定了条块间作用力的方向。 s a r m a 法：萨尔玛( s a r m a ) 法是极限平衡法的最新发展。其基本概念为： 一条边坡除非是沿一个理想的平面或圆弧滑动，才可以作为一个完整的刚体运 动，否则必须先破裂成多个可以相对滑动的块体，才能发生滑动。该法的优点 是可以用于各种形状滑动面的边坡稳定分析，可根据岩体实际存在的断层、节 理和层面等结构面划分为条块，使计算比较接近实际1 1 9 1 。 楔体极限平衡法：假定条块间满足极限平衡条件，主要用于岩质边坡中 有不连续面切割的各种形状楔形体的极限平衡分析。 9 武汉理工大学硕士学位论文 摩根斯坦一普赖斯法：假定两相邻条块法向条间力和切向条问力之间存 在一个对水平方向坐标的函数关系，实际上是假定条块之间的作用力方向随水 平坐标变化，变化的函数关系人为地确定，然后由力矩和力的平衡确定潜在滑 移面上的法向应力及边坡稳定性安全系数。 上述各种极限平衡分析方法均是在力学上做出了一些简化假设，所以均有 一定的适用范围与局限性。但极限平衡方法抓住了问题的主要方面，简单直观， 并有多年的实用经验，若使用得当，将得到比较满意的结果，因而是目前应用 最多的一种分析方法。 ( 2 ) 数值分析方法 数值分析方法是利用某种方法求出边坡的应力分布和变形情况，研究岩体 中应力和应变的变化过程，求得各点上的局部稳定系数，由此判断边坡稳定性。 其主要方法有： 有限元法( f e m ) 有限元法在边坡稳定性分析中最早得到应用，也是使用最广的一种数值方 法。有限元法的优点是部分地考虑了边坡岩体的非均质、不连续介质特征，考 虑了岩体的应力应变特征，可以避免将坡体视为刚体，过于简化边界条件的缺 剧2 0 l ，能够接近实际地从应力应变特征分析边坡的变形破坏机制，对了解边坡 的应力分布及应变位移变化很有利。故本文采用有限元法模拟边坡失稳过程， 分析边坡在失稳过程中的应力应变分布及位移场规律。 边界元法( a e m ) 边界元法是7 0 年代发展起来的一种数值方法，该法只对研究区的边界进行 离散，对处理无限域或半无限域问题比较理想【2 。但由于需事先知道求解问题 的控制微分方程的基本解，在处理材料的非线性、不均匀性、模拟分步开挖等 方面还远不如有限元法。 有限差分法( f l a c ) 为了克服有限元等数值分析方法不能求解岩土体大变形问题的缺陷，人们 根据显式有限差分原理( 快速l a g r a n g i a n 分析) ，提出了f l a c 数值分析方法。 黄润秋等将e l a c 用于边坡稳定性分析中，取得较好效果。该方法可以考虑 材料的非线性和几何学上的非线性，适用于求解非线性大变形，求解速度较快。 离散元法( d e m ) 离散元法是由c u n d a u t 2 3 1 首先提出并应用于岩土体稳定性分析的一种数值 l o 武汉理工大学硕士学位论文 分析方法，该方法以牛顿第二运动定律为基础，在进行计算时首先将边坡岩土 体划分为若干刚性块体( 目前己考虑块体的弹性变形) ，结合不同泵欧关系，考 虑块体受力后的运动即由此导致的受力状态和块体运动随时间的变化。王泳嘉 【2 4 】首次在我国应用这一方法于节理岩体的数值分析中。张楚汉【2 5 】等利用该法提 出了岩质边坡失稳判别标准，定义了安全系数，并将二维可变形离散元用于三 峡边坡的地震研究中。 块体理论( b d 与不连续变形分析( d d a ) 块体理论是由g o o d m a nre 等于1 9 8 5 年首先提出。该方法以赤平投影和 解析计算为基础，来分析三维不连续岩体稳定性。在计算时一，它根据岩体中 实际存在的不连续面倾角及其方位，利用块体间的相互作用条件找出具有移动 可能的块体及其位置，故也常被称为关键块( 1 ) 理论。块体理论的缺点是它通 常只考虑不连续面的抗剪强度，不考虑其变形，不计力矩的作用，且通常假定 其无限长，这些都在一定的程度上与实际情况不符。 d d a 法由石根华与g o o d m a n l 2 6 11 9 8 9 年提出，是基于岩体介质非连续性， 利用最小位能原理发展起来的一种崭新的数值分析方法。王如路等编制了三维 d d a 程序并对三峡边坡进行了变形破坏分析口7 1 。该方法用一种类似于离散元的 块体来模拟被不连续面切割成的块体系统，在此过程中，块体通过不连续面间 接触连成整体。d d a 通过不连续面间的相互约束建立整个系统的力学平衡条 件，但与一般的连续介质法不同，该法引入了非连续接触和惯性力，采用运动 学方法来解决非连续性和引入时间因素，它可以计算破坏前的小位移，也可以 计算破坏后的大位移，如滑动、崩塌、爆炸及贯入等，特别适合于极限状态的- 设计计算。 运动单元法 运动单元法由p e t e rg u s s r n a n n 教授【2 8 j 在8 0 年代创立，这种塑性极限数值 分析方法主要针对莫尔一库仑类岩土介质。在经验的基础上首先假设一个满足 莫尔一库仑准则的塑性区并得到相应的最危险滑动面，在该塑性区内引出有限 组塑性滑移线( 平面问题) 或塑性滑移面( 空间问题) ，这些滑移线( 面) 将塑性区离 散为单元，即运动单元，然后通过严格的自动搜索过程找到满足约束方程和边 界条件的最小安全系数并确定塑性滑动区和最危险滑动面。 n m m 法 n m m 法是石根华通过研究d d a 与有限元的数学基础于1 9 9 5 年提出的【2 9 卜 武汉理工大学硕士学位论文 p 2 1 ，是d d a 与有限元的统一形式，以最小位能原理和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。周维垣、裴觉民等相 继将n m m 法引入我国工程界1 3 3 j 。 随着数值计算方法的发展，出现了大量的各种数值方法的耦合算法。如有 限元、边界元、无穷元、离散元、块体元等的相互耦合，以及数值解和解析解 的结合，数理统计与数值解的结合等。这些结合充分发挥了各个方法的优点， 能更好地反映出岩体工程的计算特点，适应岩体的非均质、不连续的特点，使 得岩体结构离散合理化，复杂岩体结构进一步简化，从而达到经济、高效的目 的。 除上述方法外，还有一些不确定性分析方法应用于边坡稳定性分析研究中， 如系统可靠性分析方法、灰色系统方法、模糊分级评判法、神经网络法等。 ( 1 ) 系统可靠性分析法 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 统计理论引入边坡的稳定性。由于影响岩质边坡工程的稳定性的诸多因素常常 都具有一定的随机性，且多是具有一定概率分布的随机变量。则可以通过现场 调查获得影响边坡稳定性因素的多个样本，然后进行统计分析，求出其各自的 概率分布及其特征参数，再利用某种可靠性分析方法来求解边坡岩体的破坏概 率即可靠度。祝玉学( 1 9 9 3 ) f 3 4 】把在规定的条件下规定的适用期限内，安全系数 或安全储备大于或等于某一规定值的概率，即边坡保持稳定的概率定义为可靠 度。 ( 2 ) 灰色系统法 利用灰色关联度分析原理，通过数据处理，确定边坡各影响因素的影响程 度，利用叠加分析评估边坡的稳定性。但内涵力学机制不清，缺乏明确的定量 描述，在实际工程决策中是远远不够的。 ( 3 ) 模糊分级评判法 影响边坡稳定性的诸因素除了具有前述的随机不确定性外，还具有一定的 模糊不确定性【3 5 1