（道路与铁道工程专业论文）基于变形参数的顺层岩质边坡安全预警标准研究.pdf

摘要 近年来，随着公路、铁路建设的飞速发展，工程建设中出现越来越多的滑坡 灾害，其中顺层岩质路堑边坡失稳造成的滑坡比例较大，其对工程建设、经济建 设和人民生命财产造成巨大损失难以估计，这也是多年来一直困扰着岩土工程界 的一个难题。传统的边坡安全预警标准操作起来比较麻烦，而且操作过程对部分 工程技术人员来说也并不直观，因此，寻求更简洁直观的顺层岩质路堑边坡位移 预警标准有重要意义。 实际工程中的公路边坡类型多种多样，而各种类型的边坡，其基于变形参数 的安全预警标准相差较大，无法建立一个普适性的预警标准。可行的方法是根据 每一种类型边坡的具体特点，分别建立各自相应的安全预警标准。顺层岩质边坡 是一种层状结构岩体边坡，而全部沉积岩和大部分变质岩均具有层状结构，我国 仅沉积岩就覆盖了陆地表面积的7 7 3 。而顺层岩质边坡失稳造成的滑坡、崩塌等 地质灾害，多年来一直困扰着岩土工程界。另外，山区道路病害大多发生在路堑 挖方地段，尤其以顺层岩质路堑边坡失稳形成的顺层滑坡最为常见。因此，本文 以顺层岩质路堑边坡为研究对象。 本文总结了顺层岩质路堑边坡的特点及破坏模式，介绍了有限元法的基本理 论，并利用m i d a s g t s 岩土工程数值分析软件，通过对不同参数的变化，选取典 型的顺层岩质路堑边坡建立模型进行了详细的数值模拟。边坡变形预警标准的建 立需要较多的临界变形数据，本文在数值计算分析的基础上，根据对边坡变形临 界变形影响较大的六个参数建立了人工神经网络b p 模型，详细分析了边坡变形各 控制因素与变形临界值之间的影响规律，为建立基于变形参数的边坡安全预警标 准奠定了基础。 最后，本文利用i s t o p t ( f i r s to p t i m i z a t i o n ) s e 具软件包，以对边坡临界位移影 响较大的六个参数为自变量，边坡临界位移为因变量做多元回归分析，得出了安 全系数分别为1 0 和1 2 时顺层岩质路堑边坡位移预警标准的计算公式。经检验， 该公式有较高的计算精度，有很大的工程应用价值。 关键词：顺层岩质路堑边坡；位移预警标准；b p 人工神经网络；多元回归分析 a bs t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fc o n s t r u c t i o no ft h eh i g h w a ya n dt h e r a i l w a y , t h e r ei sag r o w i n gn u m b e ro fl a n d s l i d ed i s a s t e r si ne n g i n e e r i n gc o n s t r u c t i o n , t h e r e i n t o ，al a r g e rp r o p o r t i o no fl a n d s l i d ei sc a u s e db yi n s t a b i l i t yo fr o a db e d d i n gr o c k s l o p e ，a n di t sd i f f i c u l tt oe s t i m a t et h eh u g el o s so fe n g i n e e r i n gc o n s t r u c t i o n , e c o n o m i c c o n s t r u c t i o na n dp e o p l e sl i v e sa n dp r o p e r t y , w h i c hh a sb e e nap r o b l e mt oe n g i n e e r i n g f o rm a n yy e a r s t h et r a d i t i o n a lc r i t e r i o no fs l o p ei n s t a b i l i t yi st o om u c ht r o u b l et o o p e r a t e ，a n dt h eo p e r a t i o ni sa l s on o ti n t u i t i v ef o rs o m ee n g i n e e r i n ga n dt e c h n i c a l p e r s o n n e l ，t h e r e f o r e ，s e e k i n gam o r ec o n c i s ea n di n t u i t i v ed i s p l a c e m e n ti n s t a b i l i t yf o r r o a db e d d i n gr o c ks l o p ec r i t e r i o nh a si m p o r t a n ts i g n i f i c a n c e t h e r ei sav a r i e t yt y p eo fr o a ds l o p ei np r a c t i c a le n g i n e e r i n g ，a n dt h es e c u r i t ye a r l y w a r n i n gs t a n d a r db a s e do nd e f o r m a t i o np a r a m e t e r sa r el a r g ed i f f e r e n c ea sv a r i o u st y p e o fs l o p e ，s ow ec a nn o ts e tu pau n i v e r s a le a r l yw a r n i n gs t a n d a r d f e a s i b l em e t h o di st o s e t u p t h e i ro w ns e c u r i t y e a r l yw a r n i n g s t a n d a r d s a c c o r d i n gt o t h e s p e c i f i c c h a r a c t e r i s t i c so fe a c ht y p er e s p e c t i v e l y b e d d i n gr o c ks l o p ei sr o c ks l o p eo fl a y e r e d s t r u c t u r e ，a n da l lt h es e d i m e n t a r yr o c k sa n dt h ev a s tm a j o r i t yo fm e t a m o r p h i cr o c k sa r e l a y e r e ds t r u c t u r e ，7 7 3 o ft h el a n ds u r f a c ea r e ai sc o v e r e db yo n l ys e d i m e n t a r yr o c k s 0 1 1 1 c o u n t r y t h el a n d s l i d e s ，c o l l a p s e sa n do t h e rg e o l o g i c a l d i s a s t e r sc a u s e db y i n s t a b i l i t yo fb e d d i n gr o c ks l o p eh a sb e e np l a g u e dg e o t e c h n i c a le n g i n e e r i n g i na d d i t i o n , t h em o u n t a i nr o a d sd i s e a s eo f t e no c c u r r e da t c u t t i n ge x c a v a t i o ns i t e s ，t h eb e d d i n g l a n d s l i d ec a u s e db yi n s t a b i l i t yo fr o a db e d d i n gr o c ks l o p ei st h em o s tc o m m o ni n p a r t i c u l a r t h e r e f o r e ，t h i st e x tp u t st h eb e d d i n gr o c ks l o p ea ss t u d yo b j e c t t h i sp a p e rs u m m a r i z e st h ec h a r a c t e r i s t i c sa n dt h ef a i l u r em o d eo ft h er o a db e d d i n g r o c ks l o p e ，i n t r o d u c e st h eb a s i ct h e o r yo ft h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，a n ds e l e c t sa t y p i c a lr o a db e d d i n gr o c ks l o p es l i d i n gm o d e lt od on u m e r i c a ls i m u l m i o n u s eo f m i d a s g t sg e o t e c h n i c a ln u m e r i c a la n a l y s i ss o f t w a r e t h ed e t e r m i n eo fe a r l yw a r n i n g s t a n d a r d so fs l o p er e q u i r e dm o r ec r i t i c a ld e f o r m a t i o nd a t a , t h i sa r t i c l es e t su pab p a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r km o d e la c c o r d i n gt ot h es i xp a r a m e t e r sw h i c hh a sag r e a ti m p a c t o nd e f o r m a t i o no fs l o p eb a s e do nt h ea n a l y s i so fn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ad e t a i l e d a n a l y s i s o ft h et h ei m p a c to ft h el a wb e t w e e nt h ec o n t r o l l i n gf a c t o r so fs l o p e d e f o r m a t i o na n dd e f o r m m i o nt h r e s h o l dh a sb e e nd o n e t h i sl a yt h ef o u n d a t i o nf o r s e t t i n gu ps a f e t ye a r l yw a r n i n gs t a n d a r d so fs l o p eb a s e do nt h ed e f o r m a t i o np a r a m e t e r s f i n a l l y , t h i sp a p e ru s e st h es i xp a r a m e t e r sw h i c hh a v es i g n i f i c a n ti m p a c to nt h e c r i t i c a lv a l u eo f d i s p l a c e m e n ti n s t a b i l i t yo fs l o p ea sv a r i a b l e s ，a n du s e st h ec r i t i c a lv a l u e o fd i s p l a c e m e n ti n s t a b i l i t ya st h ed e p e n d e n tv a r i a b l et od om u l t i p l er e g r e s s i o na n a l y s i s u s eo fls t o p t ( f i r s to p t i m i z a t i o n ) i n s t r u m e n tp a c k a g e ，a n dg e t st h ef o r m u l at oj u d g et h e c r i t e r i o no fd i s p l a c e m e n ti n s t a b i l i t yo fs l o p ew h i l es e c u r i t yc o e f f i c i e n t sw e r e1 0a n d1 2 a f t e rt e s t i n g ，t h ef o r m u l ah a sah i g ha c c u r a c y , a n dt h e r ei sal o to fv a l u ef o re n g i n e e r i n g a p p l i c a t i o n k e yw o r d s ：r o a db e d d i n gr o c ks l o p e ；e a r l yw a r n i n gc r i t e r i o no fd i s p l a c e m e n t ；b p a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k ；m u l t i p l er e g r e s s i o na n a l y s i s 重庆交通大学学位论文原创性声晴 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的作品成果。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结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期：年月 日 重庆交通大学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。本人授权重庆交通大学可以将本学位论文的全部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。同时授权中 国科学技术信息研究所将本人学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并 进行信息服务( 包括但不限于汇编、复制、发行、信息网络传播等) ，同时本人 保留在其他媒体发表论文的权利。 学位论文作者签名：指导教师签名： 日期：年 月 日 日期：年月 日 0 本人同意将本学位论文提交至中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社c n k i 系列数据库中全文发布，并按中国优秀博硕士学位论文全文数据库出版章程 规定享受相关权益。 学位论文作者签名： 日期：年 月 日 指导教师签名： 日期：年月 日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 问题的提出及研究意义 我国是一个滑坡、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，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，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1 8 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，直接经济损失2 0 5 亿元，见图1 2 。通过对1 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的对比发现，发生地质灾害数量最多的五个省份分 别为：重庆3 0 8 起、四川1 5 6 起、湖北7 5 起、贵州4 8 起、云南4 6 起；而地质灾 害造成直接经济损失较大的五个省份分别为：云南省1 0 7 9 亿元、重庆市4 2 亿元、 湖北省1 4 2 亿元、四川省0 9 6 亿元、贵州省0 7 7 亿元。通过这些数据我们不难发 现，不论是由于地质灾害造成的死亡人数还是造成的直接经济损失，在全国前五 位省份当中就有四个是西部省( 市) ，而重庆市又是排在这前五当中比较靠前的位 置。又据对2 0 0 5 年1 3 月的统计，全国共发生地质灾害1 0 0 起，其中滑坡5 6 起， 崩塌2 3 起，泥石流1 0 起，地面塌陷8 起，地裂缝2 起，地面沉降1 起，造成3 8 人死亡、1 0 人失踪，8 人受伤，直接经济损失超过5 1 亿元，与去年同期相比( 2 0 0 4 年1 3 月份发生地质灾害2 0 余起，造成2 7 人死亡，4 人受伤) 因地质灾害造成的 死亡人数上升了4 l 。由此可见，滑坡、泥石流地质灾害已成为制约我国经济及 社会可持续发展的一个重大问题，边坡稳定性问题一直是最受重视的热点研究课 题之一。边坡是公路的重要组成部分，随着西部大开发和基础设施建设的不断实 施，山区高等级公路的修建中，不可避免地会遇到大量的路堑边坡。边坡在演变 过程中，可出现不同形式、不同规模的变形与破坏，如滑坡、崩塌等。我国是一 个滑坡、崩塌灾害较为频发的国家，据不完全统计，近十年来几乎平均每年有一 次重大崩塌，造成灾害事故。边坡变形破坏过程和它所造成的不良地质环境均可 对人类工程活动带来十分重要的危害，并且还可能引起生态环境的失调和破坏， 造成更大范围和更为深远的影响。 公路交通是我国国民经济赖以发展的重要基础设施，我国自2 0 世纪8 0 年代 中后期开始进行高等级公路建设。2 0 世纪8 0 年代中期前，出于环境保护方面的考 虑，我国深挖高填路基较少，高边坡问题不够突出。进入9 0 年代以后，高等级公 路建设迅猛发展，公路等级的提高，在路线设计中不可能再沿袭过去“选优避劣” 第一章绪论 的做法，不可避免地要出现高路堤和深路堑，虽然在设计上已有成熟的理论并形 成相关规范，但是高边坡所处外界自然和地理环境的变化及其复杂性等原因工 程中常常出现高边坡失稳破坏的现象，如桂柳高速公路k 2 5 0 滑坡就是其中一例。 路堑边坡失稳，轻者增大投资，延长工期，重则破坏公路，中断交通，造成车毁 人亡如沈大商速公路鲅鱼圈所以南1 8 0 k i n 长的路段，后期的工程防治费用占整 个工程防治费的8 0 ：京石高速公路在1 9 9 7 年遇到洪水冲击后，很多路段出现路 基垮塌，路面悬空的现象等。据交通部统计，仅1 9 9 1 年雨季，造成公路边坡塌方 就达4 1 7 1 万立方米，路基破坏达1 5 7 7 1 0 1 1 ，路面毁坏达4 3 7 3 3 k m ，毁坏桥梁达3 6 0 6 座、涵洞在达4 0 3 4 3 道，直接经济损失高过1 68 6 亿元。因此，公路边坡稳定性的 研究已是路基工程中最热点的研究课题之一。 图112 0 0 4 年不同地质灾害娄型发生情况 f i 9 1it h ec l a s s i f i c a t i o n o f g e o l o g i c h a z a r d a t2 0 0 4 口u t = 口口i | j j _ r n *2 z日 i 图121 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 f i 9 12 t h es t a t i s t i c s o f d e a t h s b y p a r o x y s m a l g e o l o g i c h a z a r d b e t w e e n l 9 9 8 a n d2 0 0 4 第一章绪论 3 顺层边坡是一层状结构岩体边坡，而全部沉积岩和大部分变质岩均具有层状 结构，我国仅沉积岩就覆盖了地球陆地表面积的7 7 3 t 7 卅。而顺层岩质边坡失稳 造成滑坡、崩塌等地质灾害，多年来一直困扰着岩土工程界。并且对工程建设、 经济建设和人民生命财产造成巨大损失，其灾害损失程度仅次于地震。据统计， 我国的边坡失稳地质灾害广泛分布在2 4 个省、市、自治区，其中四川省的工程滑 坡发生的频次最高，其次为湖北、广东、海南、广西、云南、青海、甘肃等省。 实践证明，山区道路病害大多发生在路堑挖方地段，尤其以顺层岩质路堑边 坡失稳滑动形成顺层滑坡最为常见【l 3 】。如1 9 8 0 年7 月3 日发生的成昆铁路铁西 顺层滑坡，约2 2x1 0 6 m 3 的滑体堵塞铁西隧洞进洞口，堆积在路基上的滑体厚度 达1 4 m ，掩埋铁路长达1 6 0 m ，中断行车4 0 天川；1 9 9 9 年底动工的万梁高速公路， 仅k 4 1 k 5 0 段约1 0 k m 长的路段范围内，在道路施工期间就发生了2 0 余处顺层滑 坡【5 】，使工程建设不得不停下来，重新进行地质勘察和加固治理设计；1 9 9 5 年， 蒋爵光等对国内1 2 条铁路干线的岩石边坡进行了详细的调查统计后指出：铁路岩 石滑坡比较多见到的类型为层状结构岩体的顺层滑坡，凡是顺层路堑边坡地段， 不论边坡坡度陡缓，只要边坡坡度大于岩层倾角，而岩层倾角大于1 5 。的情况下， 几乎都发生了顺层滑塌或顺层滑动的破坏现象【6 】。边坡的失稳滑动，不仅影响施工 期间的施工安全和增加工程投资，而且还将长期地影响通车后线路的安全通畅和 维护费用，对主体工程发挥着越来越大的影响，已经成为控制道路工程造价和工 期的关键性因素之一。 目前对于公路路基的稳定性分析、设计及安全评价方法等，均是以强度理论 为基础的，这对于受强度和变形双重控制的路基结构安全稳定性无疑是不够充分 的，而且，对于处于运营期的公路路基，通过基于强度理论的稳定性分析，其参 数的获取极为困难，即使采用反演分析，也是建立的变形监测资料基础之上的， 而且，其反演模型的准确性也将对结果的可靠性产生极大的影响。目前对于公路 路基的监测手段除了对于路基中的结构( 如挡墙、抗滑桩、锚索预应力等) 部分 进行应力的监测以外，对于路基本身( 如路基边坡) ，大多是对变形参数进行监测。 那么，如何根据变形监测数据来分析评价路基的安全稳定性呢? 相应的理论评价 方法还不够完善，导致监测数据的分析评价方法无据可依，因而也大多都是根据 经验来初略判断。由于监测人员个体的经验差异性，必然会导致同一监测数据， 4 第一章绪论 而分析评价结果相差甚远的现象存在。另外，即使对路基监测所获取的监测数据 真实可靠，能真实反映路基的实际安全性态，也能对路基在未来一定时期内的变 形进行较为准确的预测，但根据监测数据及预测数据，如何判断路基处于何种安 全状态，相应的评价指标体系及预警标准如何建立等问题也都是目前研究中急待 解决的问题。 随着我国道路交通工程建设步伐的加快，尤其是西部山区道路工程建设的加 快，基于变形参数的顺层岩质路堑边坡安全预警判据问题将会突显出来。因此， 研究顺层岩质路堑边坡稳定性及位移安全预警判据具有重要的理论意义和实践价 值。 1 2 顺层岩质路堑边坡稳定性分析方法 研究边坡稳定性有很多种分析方法，归纳起来主要有：极限平衡法，极限分 析法，有限元法和滑移线场法。 极限平衡法是土力学中的一个经典的领域，其以摩尔库伦的抗剪强度理论为 基础，将滑坡体划分为若干垂直土条，然后建立作用在这些垂直土条上的力的平 衡方程式，从而求解安全系数。极限平衡法没有像传统的塑性力学那样引入应力 应变关系来求解这个本质上静不定的问题，而是直接对某些多余未知量作假定， 使方程式的数量和未知数相等。 目前极限平衡法的主要方法有瑞典圆弧法、毕肖普法、陆军师团法、 l o w e k a r a f i a t h 法、不平衡推力法、j a n b u 法、m o r g e n s t e m p r i c e 法和s p e n c e 法等 等。 一 极限分析法( 或称能量法) 运用塑性力学上、下限定理求解边坡稳定问题。 上限定理解即能量法，通常需要假设一个滑裂面，并将滑动土体分成若干刚性块， 然后构筑一个协调位移场。为此需要假设滑移面的一部分为对数螺旋线或直线， 然后根据虚功原理求解滑体处于极限状态时的极限荷载、临界坡高或安全系数。 有限元法分析边坡稳定问题，可计算出边坡内部的应力，然后假定滑动面， 滑动面上的法向力和切向力直接从有限元应力成果上获得。这样，既可避免人为 的粗糙假定，又考虑了土的应力应变关系，比极限平衡法更为精确合理。但是有 限元分析不能直接与稳定建立关系，需要定义合适的安全系数，才能使之在计算 时方便的利用有限元分析的结果。 滑移线场法是土塑性力学的重要应用之一，严格来说也是一种极限平衡法。 在不考虑土体的变形与强度硬软化情况下，将土体分成塑性区与刚性区，塑性区 第一章绪论 5 具体范围待定。在塑性区内，连续介质力学中的应力平衡方程必须满足，另外应 力还须遵守m o h r - c o u l o m b 准则。二者结合起来，可以得到一组偏微分方程，在简 单的边界条件和土质分布条件下用特征线法可得有限的闭合解答。 除了以上几种方法外，我国学者对土坡稳定分析的改进也作了重大贡献。7 0 年代潘家铮提出了滑坡极限分析的两条基本原理极大值原理和极小值原理，这是 对边坡稳定分析力学原理的最精辟总结和最重要的发展；1 9 7 8 年张天宝通过按瑞 典法建立的简单土坡稳定系数函数的数值分析，全面归纳了最危险滑弧的变化规 律，1 9 8 0 年，张天宝还通过对复合土坡稳定系数函数的分析和数值研究，阐明了 复合土坡最危险滑面分布的多极值规律，1 9 8 6 年张天宝论述了产生粘性土土压力 时的合理滑面形状，提出了求解粘性土土压力的圆弧滑面整体平衡法；1 9 8 1 年， 孙君实在前人工作基础上，利用虚功原理、根据杜拉克( d c d r u c k e r ) 公设，证 明了潘家铮的极大值定理，并利用模糊数学工具，建立了土坡稳定安全系数的模 糊函数和模糊约束条件，并与传统的安全系数和最小安全系数相对应，提出了安 全系数的模糊解集和最小模糊解集概念，从而抛弃了在求解土坡问题时关于土条 侧作用力问题上假设的随意性，深刻揭示了土坡稳定分析的力学原理，推动了土 坡稳定分析理论的发展。 在进行边坡稳定性分析与研究时，寻求边坡的最危险滑移面成为问题的关键 所在。当滑面形状为圆弧时，利用现代微机不借助任何优化手段也能十分准确地 搜索到临界滑弧。当滑面为任意形状时，计算任务就艰巨地多。任意形状临界滑 动面搜索问题已成为近二十年岩土工程界研究的热门课题之一。 潘家铮提出了滑移面搜寻的基本原理一安全系数的极大极小值，即对于特定 的滑移面，土坡发生破坏时，滑移面上的抗剪力达到最大，而对不同的滑移面， 最危险滑移面为最小安全系数所对应的滑移面。在设计边坡时，需根据作用力和 抗滑力的各种组合，找出最小安全系数对应的滑动面，围绕这一主题，产生了许 多寻求边坡临界滑移面的方法。就圆弧滑移面而言，常用的“穷举法 是一种优 化方法，瑞典的f e l l e n i u s 靠一系列点的安全系数等值线求临界滑移面：阎中华曾 用黄金分割法，周文通曾用鲍威尔法探讨过圆弧形和圆弧直线型的最小安全系数； 孙君实使用复形法计算具有多个自由度的折线形滑移面的最小抗滑稳定安全系 数：陈祖煜和邵长明基于改进的m o r g e n s t e m p r i c e 法，利用单纯形法和负梯度法 及d f p 等优化方法确定非圆滑移面问题。但是，l 临界滑移面一般并不是孤立存在 的，而是共存于一簇滑移面之中，根据最优化思想可避开极值的区域性问题。优 化法常需要假设一系列点，很容易造成人为误差。有学者采用f e m 应力计算结果， 限定状态点的区域，但由于本构关系的不成熟，这种方法仍未得到青睐。 此外，作为认识边坡变形破坏机理的有效手段，模型试验在实际工程中也经 6 第一章绪论 常被采用、计算技术虽然发展迅速，但由于对物理机制的认识不充分，加之很难 精确确定各个因素的影响，因此数值计算至今还不能完全取代比较成熟的物理模 型试验。对于大型岩石边坡稳定性研究，模型试验是各种方法综合研究中不可缺 少的一个方面。它的优点是密切结合具体工程实际条件，能够考虑在数学力学计 算分析中难于考虑的某些重要因素，在具备相应的试验技术和试验设备的条件下， 可以取得较满意的结果。模型试验可以研究平面问题，也可以形容三维问题；可 以考虑边坡由几种不同岩石组成，也可以反映一定的断裂构造和特征；可以进行 定性分析研究，也可以按相似理论进行宣模拟试验研究。在今后相当长的时间里， 模型试验将与数值模拟并存，两者还可以相互验证。在实际工程应用中，各种方 法往往被综合运用于边坡的分析和评价。 1 3 边坡位移安全预警判据的国内外研究现状 目前，对于公路路基的稳定性分析、设计及安全评价方法等，均是以强度理 论为基础的，而对路基的监测主要是通过对路基各关键点位的变形监测来实现的， 如何根据路基的变形监测数据来判定路基的安全稳定状态，必然要建立在相应的 变形理论基础之上，即根据监测得来的路基变形数据，以边坡的位移量或者位移 速率作为边坡失稳的安全预警判据。国内外对此开展了一些前期研究，这方面做 的工作较多的有美国、前苏联、日本等，我国铁路部门也对此开展了广泛的研究， 也获得了一定的初步成果。然而，该项研究尚处于初级阶段，急需进一步的研究。 除了用极限平衡法计算安全系数来确定边坡的稳定状态以外，目前判别边坡 失稳主要是用有限元数值模拟的方法，其判断依据主要有三个，即依据有限元计 算的收敛性、特征部位位移的突变性和塑性区的贯通性。 赵尚毅、郑颖人等提出用有限元强度折减法中有限元计算是否收敛作为边坡 失稳破坏的依据：边坡失稳，滑体滑出，滑体由稳定静止状态变为运动状态，同 时产生很大的且无限发展的位移，这就是边坡破坏的特征。有限元中通过强度折 减使边坡达到极限破坏状态，滑动面上的位移和塑性应变将产生突变，且此位移 和塑性应变的大小不再是一个定值，有限元程序无法从有限元方程组中找到一个 既能满足静力平衡又能满足应力一应变关系和强度准则的解，此时，不管是从力 的收敛标准，还是从位移的收敛标准来判断有限元计算都不收敛。塑性区从坡脚 到坡顶贯通并不一定意味着边坡破坏，塑性区贯通是破坏的必要条件，但不是充 分条件，还要看是否产生很大的且无限发展的塑性变形和位移，有限元计算中表 现为塑性应变和位移产生突变。在突变前计算收敛，突变之后计算不收敛，表征 滑面上土体无限流动，因此可把有限元静力平衡方程组是否有解，有限元计算是 第一章绪论 7 否收敛作为边坡破坏的依据。 把特征点位移的突变作为边坡失稳的判据这一思想源于t a n 和d o n a l d 于1 9 8 5 年提出的利用有限元求解得到的结点位移来确定安全系数的简单图解法，称为结 点位移法。运用这一判据认为当边坡达到极限状态时，某些点的位移会趋于流动 状态，具体在计算时是当强度折减到某一数值时位移会产生突变。现在常用的是 以坡顶或坡脚的位移突变来判别的。 由于土体是弹塑性的，当应力达到一定程度时土体便会发生塑性破坏，认为 在边坡内形成了从坡顶至坡脚连贯了的塑性区时就是边坡破坏的极限状态，鉴于 此，有人提出了强度折减有限元法中的塑性区判据，即把塑性区的贯通性作为边 坡失稳的判据。 1 4 顺层岩质边坡研究的历史、现状和发展趋势 1 4 1 顺层岩质边坡研究的历史 人们对边坡稳定性研究最早从滑坡现象开始的，早期的工作是把滑坡作为一 种地貌现象加以观察描述，是地貌学或普通地质学研究的对象之一。1 9 世纪末2 0 世纪初，伴随发达国家近代工业革命兴起的大规模土工建设，诱发了大量滑坡， 并造成很大损失，这时，人们才把边坡失稳现象提高到与人类活动有关灾害地质 过程的高度加以研究。早期对边坡稳定性的研究主要是从两方面进行的：一是借 用土力学中极限平衡的概念，根据三个静力平衡条件计算边坡极限平衡状态下的 整体稳定性，如f e l l e n i u s 法、b i s h o p 法【l o 】、j a n b u 法、s p e n c e r 法【1 1 j 、m o r g e n s t e r - p r i c e 法【1 2 】、s a r m a 法等；二是从边坡所处的地质条件及滑坡现象对滑坡发生的环境机制 进行分析，但基本上都是定性单因素的。上世纪5 0 年代，我国许多工程地质工作 者在滑坡研究中采用了苏联的“地质历史分析 方法，但该方法偏重于定性描述 和分析。上世纪6 0 年代初的瓦依昂滑坡及6 0 年代中期以来我国一些水电工程和 露采矿山遇到的大型滑坡和岩体失稳事件，使工程地质学家们认识到边坡是一个 时效变形体，边坡的演变是一个时效过程或累进性破坏过程，每一类边坡都有其 特定的时效变形形式或时效变形全过程。这些过程所包含的力学机制只有用近代 岩石力学理论才能解释，从而使有关边坡稳定性研究进入了模式机制研究或内部 作用过程研究的新阶段。进入8 0 年代，工程地质学及边坡科学研究进入了蓬勃发 展的新时期。一方面随着计算理论和计算机科学的长足进展，数值模拟技术已广 泛应用于边坡稳定性研究。上述模式机制的研究不再停留在现象的定性分析阶段， 而是采用数值模拟( 或物理模拟) 手段定量或半定量的再现边坡变形破坏过程和内 8 第一章绪论 部机制作用过程，从整体上、理性上认识边坡变形破坏机制，认识边坡稳定性的 发展变化。与此同时，学科之间的相互渗透使许多与现代科学有关的一系列理论 方法，如系统论方法、模糊数学、灰色理论、数量化理论及现代概率统计等被引 入边坡科学研究，从而大大促进了理论的更新和应用研究及决策水平的提高。除 手段和理论的更新外，社会实践给当今边坡科学研究提出的课题不论在数量上或 是在复杂程度上也都达到了前所4 未有的水平。上世纪9 0 年代以来，系统科学在 工程地质学领域应用得到充分发展，非线性科学得到初步应用。系统工程地质学 的理论探讨和工程应用在高等院校、科研机构和设计部门得到充分的体现；而非 线性科学的发展更使人们认识到高边坡不仅是一个具有复杂结构的系统，而且是 一个不断通过与外界的物质与能量的交换来实现自身发展演化的系统，从而找到 了描述高边坡系统稳定性演化强有力的工具，这就是非线性动力学理论。与此同 时，我国岩石高边坡工程实践也提升到了一个新的水平。一大批与大型工程建设 和人民生活安居乐业息息相关的边坡和滑坡治理工程的成功实施，使我国边坡工 程地质工作从认识自然向改造自然迈出了长远的一步。 1 4 2 顺层岩质边坡研究的现状 边坡稳定性研究方法大致可分为两类：即定性分析方法和定量分析方法。此 外，近年来，人们在前面两种分析方法的基础上，又引进了一些新的学科、理论， 逐渐发展起来一些新的边坡稳定性分析方法，如可靠性分析法、模糊分级评判法、 系统工程地质分析法、灰色系统理论分析法等，即所谓的非确定性分析方法。另 外，还有地质力学模型等物理模型方法和现场监测分析方法等。 纵观目前的各种边坡稳定分析方法，在边坡稳定性分析和评价方面，虽然适 用于不同介质、不同边坡的稳定分析和评价方法正在不断地发展和完善，但归根 结底都是因部分岩体达到强度极限，形成滑裂面而破坏的计算方法。而岩体的破 坏除了岩块的材料破坏，即张破裂和剪破坏外，另外主要是沿结构面的张裂与滑 动破坏。顺层结构边坡的滑移一弯曲破坏是一种常见的破坏类型，在这类破坏模 式下，岩体的破坏是以结构失稳为主，材料破坏居于次要地位，如图1 3 所示。对 于顺层岩质边坡，虽然目前对其的失稳机理、稳定性评价和预测已有一定的研究， 同时也对其做了一定量的物理模型试验及分析( 李桂荣【1 3 】，聂德新【1 4 】，李树森【1 5 】， 任光明【1 6 】等) 。取得了一定的认识，但一般多以定性描述为主，而且对于不同的边 坡，不同的水文地质条件，结果又不尽相同。尤其是对于顺层边坡失稳的研究， 实际工程上不是很实用。在定量分析计算方面，对于顺层滑坡，由于其破坏形式 相对较为简单，已有了较多的研究。但分析中往往忽略掉岩体所受的一些较为重 第一章绪论 9 要的作用力。 图1 3 顺层岩质边坡滑移一弯曲示意图 f i 9 1 3b e d d i n gr o c ks l o p es l i p - b e n d i n gd i a g r a m 而对于顺层岩质边坡的滑移弯曲这一典型、常见的破坏模式的稳定性分析， 国内外有很多学者提出了一些解析方法( h o e k ，s t e a dd ，g o o d m a n ，孙广忠【l7 。，王 芝银，邓荣贵【1 8 1 ，李云删1 9 1 ，黄洪波【2 0 】等) 。这些方法均是采用材料力学中的压杆 稳定理论、尖角突变理论，通过一定的假定条件对顺层边坡的溃屈问题进行了研 究，并分析、计算求出顺层边坡的临界坡长，从而进行顺层岩质边坡的稳定分析。 这些方法在一定程度上解决了工程问题，但是这些方法过于复杂，不易于工程技 术人员掌握，适用性不强；而且分析、计算过程中往往忽略了顺层岩质边坡所受 的横向力。实际上，顺层岩质边坡所受的横向力是至关重要的，从受力状态来分 析，顺层边坡层面弯曲变形本质上是纵横弯曲问题。另外，人们在发展边坡稳定 性分析理论与方法的同时，又开展了现场监测技术方法、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、位移速度、应力、声发射率、氡 气a 、脉冲频率、地下水等有关特征，来对边坡岩体稳定性做出评价和预测，为加 固处理设计提供服务，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。由于现场监测结果直观可靠，因而利用监测结果对边坡过程 的稳定性分析，已成为目前边坡工程中稳定性评价极其重要的一种方法。 1 4 3 顺层岩质边坡研究的发展趋势 纵观边坡稳定分析方法的发展，各种方法均没有达到真正圆满解决工程实际 问题，对理论模型的辨识、本构关系、计算参数、仿真方法都需作进一步深入的 具体研究。同时，由于各种技术革新，数学、力学及计算机技术的快速发展等均 1 0 第一章绪论 向理论分析不断提出新挑战。由于边坡工程的复杂性，边坡稳定评价不能依赖于 单一方法，因此，依托于计算机技术，形成集成式智能评价系统，是未来发展的 一种趋势。同时由于边坡工程常依赖于经验，故利用边坡工程的失稳和稳定实例 来建立系统，考虑多种因素影响，使多学科交叉融合，研究开发基于案例推理的 边坡稳定的综合集成式智能评价系统，将是未来的发展方向之一【2 1 1 。 1 5 本文研究内容与思路 本文研究内容有以下几项： 1 顺层岩质路堑边坡的特点及破坏模式 2 顺层岩质路堑边坡的g t s 数值模拟 3 顺层岩质路堑边坡位移预警标准的确定 研究思路： 本文拟采用迈达斯g t s 边坡稳定分析软件，对某一既定高度的顺层岩质路堑 边坡，分不同坡率和不同软弱层倾角进行数值模拟，通过降低软弱层强度参数使 边坡的稳定状态达到临界状态( 安全系数为1 或1 2 ) ，最后根据模拟所得到的坡 体临界位移建立人工神经网络，用来预测顺层岩质路堑边坡的安全预警位移。最 后对网络预测出的边坡安全预警位移做多元非线性回归，得出顺层岩质路堑边坡 安全预警位移的计算公式。 第二章顺层岩质路堑边坡的特点及破坏模式 l l 第二章顺层岩质路堑边坡的特点及破坏模式 边坡稳定性直接关系到人民的生命财产安全，因此对边坡失稳的正确判断就 理所当然的具有举足轻重的重要意义。要想准确地判断边坡的失稳就首先要了解 不同边坡的特点和变形破坏模式。 2 1 岩质边坡不同于土质边坡的特点 边坡按组成物质可分为土质边坡和岩质边坡。其实，土和岩石的物质构成并 无本质的差别，差别在于结构。土体和岩体有着完全不同的结构，它们的工程地 质及水文地质以至力学特征差异显著，使得岩质边坡和土质边坡的力学性能及破 坏模式很不相同，也就形成了岩质边坡区别于土质边坡的特点。 ( 1 ) 与土质边坡相比，岩质边坡中存在有大量的裂隙、节理、断层等结构面， 使得其具有明显的结构性；并且岩质边坡中的岩体是由结构体和结构面组成，而 结构面的力学特性在大多数情况下比结构体的低，因此，岩质边坡的变形破坏主 要受岩体中的结构面的控制。 ( 2 ) 由于岩石类介质的强度大，因此，在形成边坡的过程中，会增加边坡高度， 从而影响到边坡体内部应力场的变化，并且最大主压应力偏离竖直方向的分布范 围也随之扩大。通常情况下，边坡岩体应力场中应力量级的上升是毫无疑问的， 而坡体中应力的增加，会使不连续面呈现不同的力学性质，如低应力条件下发生 剪胀扩容的结构面在高应力条件下会剪缩，这将极大的影响边坡的变形破坏。再 者，随着坡高的增加，为了尽量减少挖方量、节约成本、缩短工期，势必会导致 边坡坡脚倾角的增大，使边坡岩体可能的失稳因素增多，失稳方式产生相应的改 变，边坡表部一定深度范围内岩体的应力状态在空间上的变化规律会更加复杂。 ( 3 ) 土质边坡本身就是吸水性强而透水性弱的介质，因此，在土质边坡的开挖 及切割过程中自然会非常重视水对土体强度的影响，避免水的侵入；而岩质边坡 本身是由强度大、吸水性弱而透水性强的岩石类材料组成，这样在边坡的开挖施 工过程中容易使施工人员忽视水对岩体中结构面的影响，从而增大岩质边坡失稳 的可能性。 2 2 顺层岩质边坡概述 顺层岩质边坡是指岩面和坡面的走向、倾向二者产状要素基本相同的层状结 构岩体边坡【1 卅。实践证明，山区道路病害大多发生在路堑挖方地段，尤其以顺层 岩石路堑边坡失稳滑动形成顺层滑坡最为常见【2 2 1 。如1 9 8 0 年7 月3 日发生的成昆 1 2 第二章顺层岩质路堑边坡的特点及破坏模式 铁路铁西顺层滑坡，约2 2x1 0 6 m 3 的滑体堵塞铁西隧洞进洞口，堆积在路基上的 滑体厚度达1 4 m ，掩埋铁路长达1 6 0 m ，中断行车4 0 天1 2 3