（道路与铁道工程专业论文）沪蓉西高速公路付家坡滑坡稳定性评价研究.pdf

摘要 沪蓉西国道是我国东西向的一条重要的主干线，是国家的重点建设工程之 一，对西部开发与经济建设起着重要的作用。湖北省宜昌至恩施高速公路是沪 蓉西国道主干线的重要组成部分之一，桥梁和隧道等工程构造物众多。该主干 线高坪吉新段k 1 7 7 + 0 0 0 k 1 7 8 十4 0 0 段滑坡的存在，对沪蓉西高速公路的施 工与安全运营存在着安全与质量隐患。本研究论文以宜昌至恩施高速公路( 沪 蓉西国道的一部分) 特定的地质环境为背景，以宜昌至恩施高速公路k 1 7 7 + 0 0 0 k 1 7 8 + 4 0 0 段付家坡滑坡为具体研究对象，在运用极限平衡和有限元数值 计算评价方法对山体滑坡稳定性进行综合评价，并针对此类滑坡提出具有一般 性的防治对策与措施。 宜昌至恩施高速公路沿线她质条件复杂，深路堑地段节理发育，土质主要 为软粘土和碎石土。基岩裂隙水主要赋存于砂岩、泥岩构造裂隙和风化裂隙中， 以接受大气降雨和第四系孔隙水补给为主，地下水的水位和水量动态变化受降 雨影响较大。公路旌工的边坡开挖改变了坡体原有的平衡状态，在内外动力因 素的影响下，如边坡微地貌、滑动面和滑带土特征、边坡近期活动状况、暴雨 强度、后缘加载情况、河流作用、人类活动和地震作用等因素的综合作用，就 会降低坡体的强度与稳定性，从而导致边坡失稳。因此，为了保证公路工程的 质量和安全性，必须首先对边坡的稳定性进行详实全面的综合分析评价，进而 提出行之有效的防治对策与措施。 极限平衡法应用已久，是一种较可靠的方法。有限元法也已广泛应用于岩 土工程界的各个领域，在边坡稳定性分析方面，有限元法与传统的极限平衡方 法相比，有其自身强大的功能和广阔的发展前景。今后的各个领域的分析计算 都有向有限数值化转变的趋势。结合付家坡滑坡的实际情况进行有限元计算， 把引起滑坡的地质因素结合定量数据提出客观的稳定性评价。并以此有针对性 的提出较为有效的治理方案。目前，国内外对滑坡的防治措施主要有两种类型， 一类是减滑工程措施，如加载反压、消方减重、排水整治；另一类是抗滑支挡 措施，如抗滑挡土墙、抗滑桩、锚杆( 索) 加固以及锚索抗滑桩加固等。本文 研究内容主要是结合付家坡滑坡的特点，提出在该地区类似地质情况下合理有 效的防治途径，以求形成综合有效的边坡防护体系，降低整治滑坡的工程造价。 宜昌至恩施高速公路遇到的软岩边坡深路堑施工问题，具有很重要的研究价值。 通过对该段付家坡滑坡的稳定性分析及防治对策与措施的研究，必将会对西部 大开发中公路建设有着广泛的借鉴意义与实用价值。 关键词：高速公路，边坡，稳定性，有限元，防治对策 a b s t r a c t t h es h a n g h a i ，c h e n g d un a t i o n a l h i g h w a y i nt h ew e s to fh u b e ip r o v i n c ei sa t r a n s m e r i d i o n a li m p o r t a n tb a c k b o n eo fo u r6 0 u n t r y , a n do n eo ft h ek e yc o n s t r u c t i o np r o j e c t so f t h ec o u n t r y , d e v e l o pa n dp l a ya ni m p o r t a n tr o l ew i t he c o n o m i cc o n s t r u c t i o nt ot h ew e s t t h e e x p r e s s w a yi so n eo ft h ei m p o r t a n tc o m p o n e n t so ft h ew e s tn a t i o n a la r t e r i a lh i g h w a y t ob e s t o w i n g f a v o u ri ny i c h a n go fh u b e i ，c o n s t r u c tt h i n g sn u m e r o u s l yi ns u c hp r o j e c t sa st h eb r i d g ea n d t u n n e l e t e t h i sh i g hl e v e lg r o u n do fb a c k b o n e l u c k yn e ws e c t i o n so fk 1 7 7 + 0 0 0 k 1 7 8 + 4 0 0e x i s t e n c eo fl a n d s l i d ei st ot h ec o n s t r u c t i o na n dr u nh a v es e c u r i t ya n dq u a f i t yh i d d e nd a n g e r s a f e l yo fe x p r e s s w a y r e s e a r c ht h i s t h e s i st ob e s t o wf a v o u re x p r e s s w a y s p e c i f i cg e o l o g i c a l e n v i r o n m e n ta st h eb a c k g r o u n dw i t hy i c h a n g ，w i t hy i c h a n gt ob e s t o wf a v o u re x p r e s s w a yk 1 7 7 + 0 0 0 k 1 7 8 + 4 0 0p a yh o u s es l o p et oc o m ed o w nf o r t h ec o n c r e t er e s e a r c ho b j e c t ，u s el i m i tt o b eb a l a n c e da n df i n i t ee l e m e n tn u m b e rv a l u ei si ta p p r a i s em e t h o dg oo nc o m p r e h e n s i v ea p p r a i s a l t ol a n d s h d es t a b i l i t yt oc a l c u l a t e ，a n dp u tf o r w a r dt ot h i sk i n do fl a n d s l i d ea n dh a v eg e n e r a l 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 ea n d m e a s u r e t h eg e o l o g i c a lc o n d i t i o ni sc o m p l i c a t e da l o n gt h el i n eo ft h ee x p r e s s w a yt ob e s t o w i n g f a v o u ro fy i c h a n g , i b el o c a t i o ns e c t i o nh a i r c u to ft h ed e e pc u t t i n gi sb r e d s o i lp r o p e r t yi sm a i n l y s o f tc l a ya n db r o k e ns t o n ea n ds o i l b a s er o c kc r e v i c e w a t e ri si td e p o s i to ns a n d s t o n e ，m u ds t o n e c o n s t r u c t i n gc r a c k i n ga n dw e a t h e r i n gc r a c k i n gt oc o m p o s em a i n l y , i no r d e r t oa c c e p ta t m o s p h e r i c r a i n f a l la n dt h ef o u r t hh o l ew a t e rs u p p l ya sm a i nf a c t ，w a t e rl e v e la n dw a t e ry i e l dd y n a m i c c h a n g eo fg r o u n d w a t e rr e c e i v er a i n f a l l t ob e o fg r e a ti m p a c t t h es l o p eh a se x c a v a t e da n d c h a n g e dt h es l o p eb o d ya l r e a d ye x i s t i n gb a l a n c es t a t ei nt h es i d eo ft h ec o n s t r u c t i o no ft h e h i g h w a y , u n d e rt h ei n f l u e n c eo fi n t e r n a la n de x t e r n a lm o t i v ef o r c ef a c t o r , s u c ha st h el i t t l eg r o u n d f o r mo fs i d es l o p e ，s l i pt h es u r f a c ew i t hb r i n g i n gt h es o i lac h a r a c t e r i s t i cs l i p p e r i l y , s l o p er e c e n t a c t i v i t ys t a t e ，t o r r e n t i a lr a i ni n t e n s i t y ，t r a i l i n ge d g el o a ds i t u a t i o n ，r i v e rf u n c t i o n ，c o m p r e h e n s i v e f u n c t i o no ff a c t o r , a c t i v i t yo fm a n k i n da n df u n c t i o n ，e t c ，o fe a r t h q u a k e ，w i t lr e d u c et h e i n t e n s i t y a n ds t a b i l i t yo ft h es l o p eb o d y ，t h u sc a u s et h es l o p ei sl o s ts t e a d i l y s of o rg u a r a n t e eq u a l i t ya n d s e c u f t yo fh i g h w a ye n g i n e e r i n g ，m u s ts t a b i l i t y ，o p p o s i t es i d eo fs i o p ec a r r yo nf u l la n da c c u r a t e o v e r a l ls y n t h e s i sa n a l y s ea n da p p r a i s ea tf i r s t ，a n dt h e np u tf o r w a r de f f e c t u a lp r e v e n t i o na n dc u r e c o u n t e r m e a s u r ea n dm e a s u x e t h eb a l a n c e dl a wo fl i m i ti su s e df o ral o n gt i m e ，i ti sak i n do fm o r er e l i a b l em e t h o d f i n i t e e l e m e n tl a wa p p l yr o c ks o i la l lf i e l d ，p r o j e c to fc i r c l ee x t e n s i v e l ya l r e a d yt o o ，i ns l o p es t a b i l i t y a n a l y s er e s p e c t ，c o m p a r e dw i t ht r a d i t i o n a lb a l a n c e dm e t h o do fl i m i tf i n i t ee l e m e n tl a w , t h e r ea r e o r i e so w ns t r o n gf u n c t i o na n dw i d ed e v e l o p m e n tp r o s p e c t ，e a c ha n a l y s i so ff i e l di nt h ef u t u r ei si t f l a r et ot h el i m i t e dn u m b e rv a l u et r e n dc h a n g i n gt oc a l c u l a t e i si ip a yh o u s ea c t u a lc o n d i t i o n st h a t s l o p ec o m ed o w nt oc a r r yo nf i n i t ee l e m e n tc a l c u l a t et oc o m b i n e ，c o m b i n eg e o l o g i c a lf a c t o r c o m ed o w nt oc a u s eq u a n t i t a t i v ed a t u mg e to b j e c t i v es t a b i l i t ya p p r a i s a lo u to f c o m p a r a t i v e l y e f f e c t i v ea d m i n i s t r a t i o ns c h e m eo fp r o p o s i t i o nt h a ts oa st ob ep o i n t e d a tp r e s e n t ，m a i n l yh a v e t w ok i n d st ot h ep r e v e n t i o na n dc u r em e a s u r eo fc o m i n gd o w nb o t ha th o m ea n da b r o a d ，o n e r e d u c e st h es l i p p e r yp r o j e c tm e a s u r e ，a n dt h e nr e d u c eh e a v i l y ，d r a i no f fw a t e ra n d r e n o v a t es u c h a sl o a d i n gp r e s s i n g ，d i s a p p e a r i n gi n s t e a d ；a n o t h e rt oi si ti si tp r o pu pm e a s u r eo fb l o c k i n gt os l i p t or e s e t ，s u c ha sr e s i s ts l i p p e r yr e t a i n i n gw a l l ，i si ts l i pt or e s i s t ，s t o c k ( a s kf o r ) s t r e n g t h e na n d a n c h o ri si ti si ts l i po n es t r e n g t h e ne t c t or e s i s tt oa s kf o r t h i st e g tr e s e a r c hc o n t e n t st oi s i tp a y h o u s ec h a r a c t e r i s t i ct h a ts l o p ec o m ed o w nt oc o m b i n e ，p u tf o r w a r dr e a s o n a b l e e f f e c t i v e p r e v e n t i o na n dc u r ew a yi n t h i sa r e ai ss i m i l a rt og e o l o g i c a l l yc a s e sm a i n l y ，i no r d e rt oi si t s y n t h e s i z ee f f e c t i v es i d es l o p ep r o t e c ts y s t e m ，r e d u c ep r o j e c tf a b r i c a t i o nc o s tc o m ed o w nt o r e n o v a t et of o r m s l o p ed e e pc u l l i n gc o n s t r u c t i o nq u e s t i o nb yt h es o f tr o c km e ti ne x p r e s s w a yt o b e s t o w i n gf a v o u ri ny i c h a n g , h a v ev e r yi m p o r t a n tr e s e a r c hv a l u e t h r o u g hp a yh o u s es t a b i l i t y t h a ts l o p ec o m ed o w nt oa n a l y s ea n dp r e v e n ta n dc u r ec o u n t e r m e a s u r ea n dr e s e a r c ho fm e a s u r et o t h i s s e c t i o n ，m u s tt h e r e a l ee x t e n s i v er e f e r e n c em e a n i n ga n dp r a c t i c a lv a l u et ot h er o a d c o n s t r u c t i o ni nt h ed e v e l o p m e n to fw e s t e r nr e g i o n s k e y w o r d ：t h ee x p r e s s w a y ，t h es l o p e ，t h es t a b i l i t y , f i n i t ee l e m e n t ，p r e v e n ta n dc u r e t h e c o u n t e r m e a s u r e i l 武汉理r 大学硕七学位论文 1 1 前言 第1 章绪论 作为一种自然地质现象，滑坡研究由来己久。作为一种地质灾害，对其研 究则始于本世纪初。随着大规模经济建设的发展，滑坡问题越来越频繁，涉及 到地理学、地质学、工程学、经济学、社会学等学科，尤其是在水力水电工程、 铁道工程、公路工程、采矿工程、城市建设等工程建设中，都迫切需要进行滑 坡工程的研究和整治。滑坡的预测预报及其稳定性评价一直是滑坡研究中的热 点和难点之一，如何利用己有的变形观测资料，去预测未来一段时间滑坡的发 展变化趋势，并用以指导滑坡工程实践是一个重要而有意义的研究课题。 1 2 滑坡稳定性研究的国内外研究历史及现状 随着人类工程活动的发展，对滑坡问题的研究也在不断深入，归纳前人对 滑坡问题的研究大致可分为以下几个阶段： 人们对滑坡稳定性的关注和研究最早是从滑坡现象开始的【”。1 9 世纪末和 2 0 世纪初期，伴随欧美国家的工业化而兴起的大规模土木工程建设( 如，修筑铁 路、公路，露天采矿，天然建材开采等) ，出现了较多的人工边坡，诱发了大量 滑坡和崩塌，造成了很大的损失。这时，人们才开始重视边坡失稳对人类造成 的威胁，并开始用般材料分析中的工程力学理论对滑坡进行半经验、半理论 的研究。早期对边坡稳定性的研究主要从两个方面进行，一是借用士力学中极 限平衡的概念，由静力平衡条件计算边坡极限状态下的稳定性【2 l1 3 l ( k a i l t e r z a g h i ，1 9 2 6 ；f e l1 er l i u s ，1 9 2 7 ，1 9 3 6t a v l o f ，1 9 3 7 01 9 4 8 ；1 a n b u ，1 9 5 4 ； b i s h o p1 9 5 5 等) ；二是从边坡所处的地质条件、影响因素和失稳现象上进行对 比分析。 2 0 世纪5 0 年代，我国学者引进前苏联工程地质的体系，继承和发展了“地 质历史分析”法，并将其应用于滑坡的分析和研究中，对边坡稳定性研究起到 了推动作用【。这个阶段学者们注重边坡地质条件的描述和边坡类型的划分，采 武汉理工大学硕十学位论文 用工程地质类比法评价滑坡稳定性。 2 0 世纪6 0 年代，世界上几起灾难性的滑坡失稳事件的发生( 如，意大利的 瓦依昂滑坡造成近3 千人的死亡和巨大经济损失1 4 】，使人们逐渐认识至口了结构面 对边坡稳定性的控制作用以及边坡失稳的时效特征( l m u l e t ，1 9 6 3 ，1 9 6 5 ) ， 初步形成了岩体结构的观点【5 l1 6 l ( 谷德振、孙玉科等，1 9 6 5 ) ，并在应用赤平极 射投影的基础上，提出了实体比例投影方法，用以进行边坡块体破坏的计算， 定性判断滑坡的稳定性【7 1 s l 。同时，我国学者结合露天矿边坡稳定性研究，在陈 宗基教授的指导下，进行了比较系统的岩体力学性质的试验研究，包括大型现 场试验及室内岩块试验，常规力学试验及流变力学试验，岩块力学试验及结构 面力学试验，动力学试验及静力学试验等【9 】。这些工作推动了岩质边坡稳定性研 究的发展。 2 0 世纪7 0 年代，边坡研究工作者从大量的工程实践和斜坡失稳事件中，逐 渐认识到边坡稳定性研究必须重视其变形破坏过程和机制的研究，提出了累进 性破坏的观点以及边坡变形破坏的机制模式( 王兰生、张淖元等，1 9 7 0 s ) ，使滑 坡稳定问题的研究工作步入了地质分析和岩石力学分析相结合的时代。这期间， 成都地质学院王兰生、张淖元等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，提出了斜坡变形的六种主要模式，即蠕滑一拉 裂、滑移一压致拉裂、滑移一拉裂、弯曲一拉裂、塑流一拉裂和滑移弯曲， 以及斜坡失稳的三种基本破坏方式，即崩落( 塌) 、滑落( 坡) 、顺向扩离。这些 变形破坏模式不但得到了普遍承认，而且被广泛地推广和应用，为推进边坡稳 定性研究做出了重要贡献。中国科学院地质研究所以金川露天矿为典型工程实 例，对边坡的稳定性进行了长期、全面、系统的研究，将工程地质学与岩体力 学密切结合，强调地质是基础及地质构造的控制作用，初步形成了岩体结构控 制论的观点。国外的r e g o o d m a n 也非常重视岩体结构特性的研究，并出版 了专著。 2 0 世纪8 0 年代，滑坡稳定性研究进入了一个新的阶段。1 9 8 6 年，在举行 国际地质会议期问，国际工程地质协会( 1 a e g ) 成立，同时成立了“滑坡及其他 块体运动委员会”，它是国际上第一个专门研究滑坡及其防治的国际组织。国际 岩石力学与工程学会( i s r m ) 、国际岩土力学与基础工程学会( 1 s s m f e ) 、国际大 坝委员会( i c o l d ) 等均将边坡工程作为重要的专题进行学术交流和探讨。这些国 际组织在促进边坡工程研究方面起到了重要作用。同时，我国改革丌放政策的 武汉理一l 火学硕士学位论文 实施，使大批从事边坡工程研究的学者焕发了强大的活力，在水电、矿山、铁 路、地矿等部门专门对滑坡和边坡稳定性设列专题进行攻关研究。如，1 9 8 1 年 至1 9 8 6 年，原地质矿产部将“中国西南、西北崩滑灾害与斜坡稳定性研究”列 为专题进行重点攻关，1 9 8 6 年至1 9 9 0 年三峡工程将库岸稳定性列为专题进行研 究。这期间，在系统科学方法论的指导下，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，形成了较 为系统的边坡稳定性研究思路；边坡变形破坏的地质模式得到了进一步的补充 和完善( 王兰生等，1 9 8 2 ，1 9 8 9 ；孙玉科等，1 9 8 3 ) ，针对不同的地质模式提出 了些相应的稳定性计算方法( s a r a m , 1 9 7 9 1 9 8 1 ；黄润秋，1 9 8 8 ；王兰生、 陈明东，1 9 8 9 ) 数值和物理模拟手段也被引入边坡研究中，人们借助有限元法、 离散元法、地质力学模型试验等再现边坡变形破坏的全过程，从整体上、内部 作用机理等方面对边坡进行全面的认识和评价，利用统计热力学理论、灰色系 统理论、数量化理论、概率论与数理统计等，探索了边坡稳定性的预测预报方 法。可以说，这一阶段是边坡科学发展的高峰期。 2 0 世纪9 0 年代以来，人类工程活动在发展中国家迅速增长，人工边坡的规 模和高度不断增大，边坡稳定问题越来越突出。我国黄河小浪底水电工程、长 江三峡工程、金沙江溪洛渡水电站和雅碧江锦屏电站等重大工程的建设或论证 遇到了前所未有的高边坡稳定性问题。为此，人们对工程边坡的勘察、设计、 评价、监测和加固越来越重视。“八五”和“九五”期间，国家专门立项丌展了 工程边坡稳定性及其加固配套技术的研究。如，水利电力部的“岩质高边坡稳 定及处理技术”被列为国家重点攻关项目，国家自然科学基金委员会和中国长 江三峡工程开发总公司专门将“三峡船闸高边坡的变形与稳定”列为重大项目 进行资助研究。同时，非线性科学理论、非连续介质理论、可靠性分析理论以 及计算机技术的发展，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己成为边坡研究的发展方向。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、突变理论、自 组织理论以及各种复杂的数值计算方法广泛地应用子边坡研究中。边坡稳定性 研究步入了定性与定量相结合、概念模型与仿真模拟相结合、监测与反馈分析 相结合的新阶段，取得了大量有意义的成果。概括起来，主要有以下六方面： ( 一) 边坡：r 程中的岩体结构控制理沦 岩质边坡结构十分复杂，其稳定性取决于边坡的各类结构面的特征。中国 武汉理- 大学硕士学位论文 科学院地质研究所孙广忠提出了“岩体结构控制理论”，并出版了岩体结构力 学1 1 2 l ，将赤平投影法和实体比例投影法应用于边坡工程。美国华裔学者石根 华提出了“关键块体理论”，南京大学等提出了岩坡优势面控制理论，认为岩坡 的变形破坏受岩坡内的优势面所控制。王思敬等把断裂力学引入岩体结构。 ( 二) 边坡工程中的分形理论 分形理论是美国数学家( b b m a n d l e b o r t ) 在1 9 7 3 年首次提出来的，主要 研究自然界中些具有相似但没有特征长度的图形或现象，其研究方法是通过 确定图形或现象的分维数，以揭示该现象或图形的内在本质和规律。我国谢和 平做出了重要突破，周维垣、张公瑞将分形技术引入岩体的网络生成，孙均等 提出了分形块体力学【1 0 】1 1 1 】。 边坡工程中开始应用分形理论进行有意义的探索。研究表明，边坡岩体结 构常呈不规则分形体态，可应用分维来表征，利用分维可以定量的描述断层、 层理、节理、泥化夹层等宏观结构面的形态特征、分布、产状及粗糙度。同样， 岩体的微观结构面或破坏面也呈不规则的分形状态，这种不规则反应了岩体破 坏时的能量损耗及微观结构效应，也可用分维来表示。分维数是岩体变形破坏 的某一统计特征量，分维数可以充当岩体变形破坏变量的角色进行岩体的强度 和稳定性演化过程的分析。 ( 三) 边坡工程中的3 s 理论 在信息社会中，全球是一个开放系统，3 s 系统己在地理学领域取得初步的 尝试，1 9 9 6 年国际岩土力学学会年会上，利用3 s 技术在岩石工程建设中的作用 已引起极大注意。所谓3 s 系统是指地理信息系统( g i s g e o g r a p h yi n f o r m a t i o n s y s t e m ) 、遥感系统( r s r e m o t es e n s i n gs y s t e m ) 和全球卫星定位系统( 6 p s 6 1 0 b a p o s i t i o bs y s t e m ) 。三者融为一体为边坡工程的防治与预测预报提供了 新一代观测手段、描述语言和思维工具。 从1 9 9 7 年开始，崔政权、何满潮着手建立“三峡库区边坡稳态3 s 实时工 程分析系统”。 ( 四) 边坡工程的人工神经网络方法 人工神经网络( 简称n n n e u r a ln e t w o r k ) 是指由大量简单神经元经广泛联接 构成的一种计算结构，是一种广义的并行处理系统。人脑的认知模式被认为是 种并行的分布模式，神经网络采用类似与人大脑的神经网络的体系结构来构 造模型仿真人的大脑功能，即把对信息的存储和计算推理同时储存在一个单元 武汉理_ l 大学硕士学位论文 i i 罩。因此，在某种程度上神经网络被认为可以模拟生物神经系统的工作过程。 近年来，人工神经网络开始应用于边坡工程的稳定分析和评价，对于解决 复杂的边坡系统工程的稳定性问题提供了一条新的途径。 白占平针对露天矿发生的顺层滑坡，使用b p 神经网络原理，建立了边坡系 统状态识别人工神经网络模型，选择海州露天矿6 6 次滑坡实例和3 4 个典型非 失稳边坡模型作为样本进行训练和预测，取得了显著成果。 ( 五) 边坡工程的数值计算和仿真 应用数值方法进行边坡工程的计算具有下列特点： 1 由于边坡具有复杂的边界条件和地质环境，如岩土体的非均匀性、非连 续性，造成边坡工程的非线性等特性，这些问题要采用弹塑性理论和极限平衡 分析解决，数值方法可以方便的解决上述问题； 2 ，数值方法可以得到边坡的应力场、应变场和位移场，非常直观的模拟边 坡变形破坏过程； 3 数值方法适用于分析边坡工程的分步开挖，边坡岩土体和加固结构的相 互作用，地下水渗流，爆破和地震等因素对边坡稳定性的影响； 4 数值分析能根据岩土体的破坏准则，确定边坡的塑性区域或拉裂区域，分 析边坡的累进性破坏过程和取定边破的起始破坏部位； 5 采用离散元法可以仿真边坡整体的滑动过程，对于预测边坡的破坏规模 和方式具有重要意义。 近十几年来，孙均、钱七虎、葛修润、周维垣、朱维申、卓家寿等从国外 引进和自行研制了许多切实可行的数值分析方法用于解决边坡1 ：程的计算。另 外，随着数值分析方法的不断发展，出现了不同数值方法和相互耦合，如有限 元、边界元、无限元、离散元和块体元等的相互耦合，数值解和解析解的结合， 以及非确定性数值方法，如随机有限元、模糊有限元、概率数值分析等方法。 这些方法的耦合能够充分发挥各自的特长，解决复杂的岩土工程问题1 1 4 】 1 6 t 。 ( 六) 边坡工程中的可靠性分析 在边坡稳定性分析中，基本的评价指标是极限平衡方程的解，传统的方法 是采用以安全系数为度量指标的定值法。这种方法经过长期的工程实践证明是 一种有效的方法。但在某些工程设计中，按此方法计算足安全的，实际运营却 发生了破坏，其原因复杂多样，其中很重要得一个冈素就是从理论上忽略了计 算参数的不确定性。另一方面以多大程度保证安仝，定值泫是无法确定的，而 武汉理 人学硕士学位论文 可靠性分析却能做出明确的回答。因此，在概率基础上进行边坡可靠度分析， 考虑边坡的各种影响因素的不确定性用概率来度量边坡的安全程度，必将成为 边坡工程研究的发展趋势。何满潮、杨强等在研究优化可靠性分析的边坡状态 函数方面傲了一定的探索。 1 3 边坡治理的发展现状 边坡治理工程一般可以分为两类：一类是排除滑坡产生的诱因，或者恢复滑 坡平衡状态的工程方法，即所谓控制滑坡产生的防治工程；另一类是通过设置 阻止滑坡作用的构筑物，阻止滑坡移动，即所谓直接治理滑坡运动的工程l ”】 1 8 1 。 1 3 1 国外边坡治理现状及发展趋势 欧美国家从1 9 世纪中叶开始了对滑坡灾害防止的研究，但是早期由于人们 对滑坡的性质和变化规律认识不深，对那些大、中型滑坡只能绕避，只对小型 滑坡采取削坡减载、反压，以及抗滑挡土墙进行治理，排水工程更是优先考虑 的措施。直n - 次世界大战后随着各国经济的发展和国土开发利用，遇到的滑 坡越来越多，用人为支挡工程治理滑坡才真正开始，5 0 年来有了较大的发展和 提高，一些大型的滑坡采用支挡工程来治理。从支挡方面的发展大概可分为三 个阶段： ( 一) 5 0 年代前，治理滑坡以地表和地下排水工程为主，抗滑支挡工程主要 是挡土墙【1 9 】【2 0 】1 2 1 1 2 2 l 。 ( 二) 6 0 7 0 年代，在以应用排水工程和抗滑挡土墙为主的同时，大力开发 应用抗滑桩工程以解决抗滑挡土墙施工中的困难，欧美国家和前苏联多用钻孔 钢筋混凝土灌注桩，直径1 o 1 5 m ，深2 0 3 0m 【2 3 1 【2 5 l ，日本则多采用钻孔钢 管桩，钻孔直径4 0 0 5 5 0 m m ，深2 0 3 0m ，孔中放入直径3 1 8 5 4 5 7 21 t i m ， 壁厚1 0 4 0 m m 的钢管，钢管内外注入混凝土或水泥砂浆，为了增加桩的抗剪 断能力，有时在钢管中再放入h 型钢1 2 7 。桩间距1 5 4 0 m ，而以2 o 2 5 m 者居多。为了增加桩的抗剪能力和群桩受力，国外常将两排或三排桩顶用承台 联接，形成刚架受力。也有少数j = j 打入桩的。7 0 年代后期，在日本丌始应用直 径1 5 3 5i n 的挖孔抗滑桩 2 8 11 2 9 。 ( 三) 8 0 年代以来，在小直径抗滑桩应用的同时，为治理大型滑坡，人直径 武汉理【：人学硕士学位论文 i i 挖孔抗滑桩开始使用。如日本在大阪府的龟之濑滑坡上采用直径5 m 、深5 0 一6 0 m 的大型抗滑桩。它的周围均匀布筋，只在滑动面附近用型钢加强桩的抗剪断 能力【3 “。与此同时，抗滑支挡结构的另一个特点是锚索工程在滑坡防治中大量 使用，或与抗滑桩联合使用，或锚索单独使用( 力日反力梁或锚墩) ，单根锚索承受 的拉力为5 0 0 3 0 0 0 k n 不等，其长度一般3 0 6 0 m ，长的达1 2 0 m 。由于不开 挖滑坡体，又能机械化施工，所以目前被广泛应用( 3 0 j 【3 2 i f 3 3 1 。 1 3 2 国内边坡治理现状及发展趋势 我国对滑坡灾害的系统研究和治理起步较晚，是5 0 年代初才开始的。但却 在社会主义建设中已防治了数以干计的各种类型的滑坡，结合我国国情研究开 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。其中尤以铁道部门遇到和防治的滑坡最多，研究的更为系统 和深入，这是和山区铁路建设的特点及安全运输的要求分不开的。 抗滑支挡建筑物由于其稳定滑坡见效快，安全可靠，是滑坡工程中首先考 虑使用的措施。同时，又由于它一般造价较高，投资巨大，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就给予了 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起步虽较国外晚， 但由于建设中治理滑坡的需要，其发展过程基本上与国外同步，也分三个阶段： ( ) 5 0 年代起，主要学习原苏联的经验，在治理滑坡中首先考虑地表和底 下排水工程，如地面截、排水沟，地下截水盲沟、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大，施工困难，虽然总结了“分段跳槽开 挖基坑”的施工经验，有时还会造成加速滑动，危及施工安全1 3 3 】1 3 4 l 。 ( - - ) 6 0 7 0 年代，曾成功地应用支撑盲沟加小抗滑挡土墙墩得疏水和支挡 滑坡的双重效果，但深盲沟施工丌挖也相当困难，因为地下水发育，施工丌挖 极易坍塌。为了解决抗滑挡土墙丌挖基础的困难，曾在贵昆线二梯岩滑坡治理 中设计采用沉井武抗滑挡土墙，但施工也不容易。 6 0 年代中期，在成昆线建设中，研究设计用大截面丌挖钢筋( 或钢轨1 混凝土 抗滑桩成功，由于它抗滑能力大，对滑坡体稳性的破坏小，施工方便，很快在 铁路内、外滑坡治理中被广泛应用，存治i 里大、中型滑坡中儿乎取代了抗滑挡 武汉理j ：大学硕士学位论文 土墙 ” 。抗滑桩被喻为治理滑坡的“重型武器”，使治理大型滑坡有了可能。已 使用的抗滑桩截面有1 2 m x 2 o m ，1 8 r e x 2 4 m ，2 o m x 2 o m ，2 o m x 3 o m ，3 0 r n x 4 o m ， 3 o m x 5 o m ，3 5 m x 7 o m ，长度一般1 5 3 5m ，大者达5 0 m 以上。 7 0 年代中后期，在深入研究抗滑桩的受力状态和设计理论的同时，又研究 开发了排架桩、刚架桩，椅式桩墙等新的结构形式，改变了抗滑桩的受力状态， 节省人工和钢材。但由于施工要求高于单桩，至今应用不广。 ( 三18 0 年代以来，随着锚索技术的发展，在滑坡防治中丌始大量采用锚索 工程。由于锚索系用高强度钢丝束锚固于滑体以下的滑床中，抗拉力大，预应 力锚索变一般支挡结构物的被动受力为主动受力，对滑体扰动小，又能机械化 施工，所以应用前景广阔。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”。在抗滑桩顶部加2 4 束锚索， 增加一个拉力，改变了原普通抗滑桩的悬臂受力状态，上端接近简支梁受力， 加预应力变桩被动受力为主动受力，因而大大减小了抗滑桩的截面和埋置深度。 用锚索单独稳定滑坡。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预应力来稳定滑坡。 与完全依靠自身强度、重力而使结构物保持稳定的传统方法相比较，岩土 锚固尤其是施加预应力的岩土锚固具有许多鲜明的特点1 3 “。 a 能在地层开挖后，立即提供支护抗力，有利于保护地层的固有强度，阻 止地层的进一步扰动，控制地层变形的发展，提高施工过程的安全性。 b 提高地层软弱结构面、潜在滑移面的抗剪强度，改善地层的其他力学性 质。 c 改善岩土体的应力状态，使其向有利于稳定的方向发展。 d 锚杆的作用部位、方向、结构参数、密度和施作时机可以根据需要方便 的设定和渊整，能以最小的支护抗力，获得最佳的支护效果。 e 将结构物地层紧密的连锁在一起，形成共同_ 作的体系。 f 伴随着结构物体积的缩小，能显著节约工程材料，有效地提高土地的利 用率，经济效益十分显著。 g 对预防、整治滑坡、加固、抢修出现病害的结构物具有独特的功效，有 利于保障人民生命财产的安全。大量的工程实例表明，岩土锚固技术帽对于其 它支护方式具有巨大的优越性，如随机可调、深层加固、主动加固、经济效益、 环境效益等方面。 武汉理 ：人学硕士学位论文 1 4 研究课题的提出、目的和意义 1 4 1 课题来源 湖北省宜昌至恩施高速公路是沪蓉国道主干线的重要组成部分之一，桥梁 和隧道等工程构造物众多。该主干线高坪吉心段k 1 7 7 + 0 0 0 k 1 7 8 + 4 0 0 段滑坡 的存在，对沪蓉西高速公路的施工与安全运营存在着安全与质量隐患。为此， 湖北省交通规划设计院特立专题进行滑坡研究。受湖北省交通规划设计院的委 托，我们主要承担对沪蓉西高速公路k 1 7 7 + o o o k 1 7 8 + 4 0 0 段滑坡稳定性进行评 价研究工作。在此基础上我对于滑坡的深层稳定性做进一步研究，并以此作为 我的硕士毕业论文的课题来源。 1 4 2 课题研究的目的、意义 随着我国国民经济的大力发展，很多省区的高速公路己由平原进入山区， 特别是西部大开发战略的实施，山区高等级公路建设越来越多。高速公路技术 标准高，沿线地质条件复杂，地区独特的地质条件和各种不良的地址现象广泛 分布，不可避免地会遇到各种岩质边坡的稳定性问题，这一直是道路工程和其 它土木工程中的技术难题。为使工程符合安全、合理的原则，正确地评判边坡 稳定性是高速公路建设成败的关键。 本文选题由于直接来自于公路施工第一线的实际问题，所以本文研究的首要 目的是为工程建设服务，即对工程中遇到的滑坡进行准确合理的稳定性分析， 以此提出切实可行的防治对策和措施。同时，随着高等级公路的快速发展和向 西部山岭重丘区的延伸，以及我国西部地区独特的地形、地貌、地质条件和各 种不良地质现象的广泛分布，使得西部地区高等绒公路建设面临的地质灾害问 题更为复杂，特别是由于平面、纵面等技术指标的要求，深挖人填不可避免， 这就使得滑坡、崩塌等边坡失稳问题的发生较为频繁。 传统的滑坡稳定性分析采用刚体极限平衡法来进行分析评价，山于土体自身 的特性及不同滑坡的特定地质情况，此法具有一定的局限性。随着有限元法的 发展，目前滑坡的稳定性分析大多采用刚体极限平衡法与有限元法相结合，但 由丁不同t 体特定的本构关系，所以有限元法还没有特定成熟的分析方法，尤 武汉理上人学硕士学位论文 其是对滑坡的深层稳定性评价。本文拟采用三维有限元法，利用大型有限元软 件对滑坡深层稳定性评价进行研究，无论在理论方面，还是在解决实际工程问 题，都具有很重要的理论研究意义和实际的经济意义j 1 ( ) 武汉理：大学硕士学位论文 第2 章研究区自然条件和地质环境条件 2 1 自然