（地质工程专业论文）鹧鸪山隧道西引道高边坡工程安全性评价研究.pdf

摘要 摘要 复杂地质条件下山区公路边坡的长期安全性直接关系到公路本身的安全运 营及其沿线地区人民的生命财产安全。本文在收集前人研究资料的基础上，采用 原型调研与室内分析相结合、机制分析与模拟研究相结合、安全系数分析与相互 作用关系研究相结合、现场监测与安全性评价相结合的思想，通过对鹧鸪山隧道 西引道典型高边坡的现场跟踪调研与监测，运用工程地质、岩土工程、岩体力学、 有限元理论、灰色系统理论、模糊数学等先进理论和方法，在对西引道典型高边 坡的稳定性、整治与加固技术研究的基础上，通过边坡地质体与锚固结构相互作 用分析、边坡监测数据分析、边坡变形灰预测分析以及模糊综合评判等途径，重 点对治理后的典型高边坡的长期工程安全性进行了系统深入的研究。具体内容及 获得的结论如下： 1 ，通过野外调查，查明典型高边坡的工程地质条件，并判明边坡变形破坏机 制及影响边坡稳定性的主要因素：采用极限平衡理论对高边坡的稳定性进行了定 性评价和定量计算，并对高边坡进行了加固优化设计。 2 利用数值模拟分析方法对高边坡工前的稳定性进行模拟分析。同时，对高 边坡加固进行模拟，分析边坡地质体与整治工程结构的相互作用，分析结果表明 锚杆受力远小于其设计值，边坡安全裕度较高。 3 通过锚杆受力监测、地表及深部位移监测及其数据的处理分析，对施工完 成后的高边坡工程安全性进行评价。监测结果表明，深部位移监测孔孔口累计位 移大多在5 0 m m 以内，且位移变化量越来越小，锚杆最大受力3 1 k n ，远小于其设 计值7 0 k n ，边坡处于长期安全状态。 4 ，运用灰色预测方法对边坡地表位移及深部位移进行预测分析，通过现有的 监测数据建立地表位移及深部位移数据的数学模型函数，分析预测治理后边坡的 变形量，得出工程边坡的长期安全性状况良好。 5 应用模糊数学中的模糊综合评判对边坡的安全性进行了综合评判，得出治 理后工程边坡的安全等级均为安全。 关键词： 鹧鸪山隧道；工程安全性评价；数值模拟；灰色预测；模糊综合评判 成都理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t i nt h ec a s eo fc o m p l e xg e o l o g i c a lc o n d i t i o n ，t h el o n g t e r ms a f e t yo ft h es l o p ei n m o u n t a i na r e ah a sad i r e c tr e l a t i o nw i t hn o to n l yt h es a f eo p e r a t i o no ft h er o a di t s e l f b u ta l s ot h el i f ea n dw e a l t hs e c u r i t yo ft h ed e w e l l e r sw h ol i v ea l o n gi t o nt h eb a s i so f g a t h e r i n gd a t af r o mp r e v i o u ss t u d ya n dr e s e a r c h i n gt h es t a b i l i z a t i o na n dr e i n f o r c i n g t e c h n i q u eo ft h et y p i c a lh i g hs l o p ei nw e s ta p p r o a c hr o a d ，t h r o r l g hi n s i t ut r a c k i n g i n v e s t i g a t i o na n dm o n i t o r i n gt ot h ew e s tr o a d ，a n db yw a yo fs t u d y i n gt h ei n t e r a c t i o n b e t w e e ns l o p eb o d ya n da n c h o r i n gs h u c t u r e ，m o n i t o r i n gd a t a , t h er e s u l to fg r e y p r e d i c t i o na n df u z z yc o m p r e h e n s i v ea s s e s s m e n t ，a n da d o p t i n gt h ei d e ao fi n t e g r a t i n g p r o t o t y p ei n v e s t i g a t i o na n di n d o o re x p e r i m e n ta n a l y s i s ，m e c h a n i s ma n a l y s i sa n d s i m u l a t i o nr e s e a r c hm e t h o d ，s a f e t yf a c t o ra n a l y s i sa n di n t e r a c t i n gr e l a t i o n s h i ps t u d y , i n s i t um o n i t o r i n ga n ds a f e t ye v a l u a t i o n ，a n du s i n gt h et h e o r i e so fe n g i n e e r i n g g e o l o g y , g e o t e c h n i q u e ，r o c kb o d ym e c h a n i c ，f i n i t e e l e m e n tm e t h o da n df u z z y m a t h e m a t i c s ，t h i sp a p e rs t u d i e st h el o n g t e r ms a f e t yo f t h et y p i c a lh i g hs l o p es p e c i a l l y t h em a i nc o n c l u s i o n sa r e1 i s t e da sf o l l o w ： 1 o nt h eb a s i so ff i e l di n v e s t i g a t i o n ，w ec a nf i n do u tt h ee n g i n e e r i n gg e o l o g i c a l c o n d i t i o no ft h i st y p i c a lh i 曲s l o p e ，a s c e r t a i nt h 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 a n dt h em a i nf a c t o r st h a ta f f e c tt h es t a b i l i t yo fi t l i m i te q u i l i b r i u mt h e o r yi su s e di n t h eq u a l i t a t i v ee v a l u a t i o na n dq u a n t i t a t i v ec a l c u l a t i o no ft h es t a b i l i z a t i o na sw e l la si n t h eo p t i m i z i n gr e i n f o r c e m e n td e s i g no f t h eh i g hs l o p e 2 n u m e r i c a ls i m u l a t i o nm e t h o di su s e di nt h ea n a l y s i so f 血es t a b i l i z a t i o no ft h e h i 曲s l o p eb e f o r ei ti sp r o c e s s e d a tt h es a m et i m e ，t h er e i n f o r c e m e n t o fi ti ss i m u l a t e d i no r d e rt oa n a l y z et h ei n t e r a c t i o nb e t w e e ns l o p eb o d ya n de n g i n e e r i n gs t r u c t u r e s t h e r e s u l ts h o w $ t h a tt h es t r e s si nt h ec a n c h o rr o di sf a rb e l o wi t sd e s i g nv a l u e s o 也e s u r p l u ss a f e t yf a c t o ri ss t i l lh i g h 3 t h r o u g hm o n i t o r i n gt h es t r e s si na n c h o rr o da n dt h ed i s p l a c e m e n ti nt h e s u r f a c ea n db e l o wt h es u r f a c ea sw e l la sa n a l y z i n gt h ed a t a ，t h es a f e t yo ft h es l o p ei s e v a l u a t e dw h e nt h ep r o j e c ti so v e r t h er e s u l ts h o w st h a tt h ec r o w na c c u m u l a t i n g d i s p l a c e m e n t i sm o s t l yi nt h er a n g eo f5 0 m ma n dt h ei n c r e m e n ti sb e c o m i n gs m a l l e r a n ds m a l l e t t h em a x i m a mf o r c ei nt h ea n c h o rr o di s3 1 k n ，f a rb e l o wt h ed e s i g n v a l u e7 0 k n c o n c l u s i o ni st h a ti nal o n gt i m et h es l o p ew i l lb es a f e 4 s u r f a c ea n dd e e pd i s p l a c e m e n ta r ep r e d i c t e dw i t hg r e yp r e d i c t i o nm e t h o d t h e s u r f a c ea n dd e e pd i s p l a c e m e n ti sm o d e l e dw i t ht h em o n i t o r i n gd a t ai nh a n d t h i s i i 目录 m o d e lc a l lb eu s e dt op r e d i c tt h ed i s p l a c e m e n to ft h es l o p ea f t e rt h ep r o j e c ti so v e r t h r o u g ht h i sm o d e lw eg e tt h ec o n c l u s i o nt h a tt h el o n g - t e r ms a f e t yi sg o o d 5 f u z z yc o m p r e h e n s i v ea s s e s s m e n tm n h o d i su s e di no r d e rt oa s s e s st h es a f e t y o f t h es l o p e w ec a ng e tt h ec o n c l u s i o nt h a ta f t e rc o n s t r u c t i o n ，t h es l o p e i ss a f e k e y w o r d s ：z h e o um o u n t a i nt u n n e l ；p r o j e c ts e c u r i t ya n a l y s i s ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ； g r e yp r e d i c t i o n ；f u z z yc o m p r e h e n s i v ea s s e s s m e n t i i i 第1 章日f 言 第1 章引言 1 1 选题依据及研究意义 随着我国西部开发和基础建设的不断深入，工程建设中遇到的滑坡整治问题 和高边坡加固问题越来越多。尤其是在我国西部，地形地质条件复杂，古人云： 蜀道难，难于上青天。因此，在这一地区开展大规模的二i ：程建设中，经常不可避 免的需要开挖岩土体，形成大量与人类工程活动有关的工程边坡。而公路这种线 状工程穿越的地貌单元多，遇到的地质条件复杂，滑坡整治和边坡加固在工程建 设中占有很大的比重。虽然滑坡整治和边坡加固技术已经有了长足的发展，但是， 在工程实践中，仍然由于末将滑坡和边坡的地质分析与工程措施应用很好的结合 而出现了较多的工程事故或造成大量的经济损失。如1 9 6 3 年北意大利的v a i o n t 水库左岸滑坡，使得2 5 0 0 0 万立方米的滑体以2 8 m s 的速度下滑到水库，形成 2 5 0 多米高的涌浪，造成下游2 5 0 0 多人丧生；1 9 8 9 年7 月1 0 日，华莹市溪口镇 因崩塌形成的滑坡、泥石流造成2 2 2 死亡“”：深汕高速公路k 6 4 + 8 3 5 k 6 5 + 0 5 0 段边坡滑坡，坪乳线二级公路洋碰西滑坡，国道1 0 7 线清新线段滑坡等，虽然没 造成人员伤亡，但由于公路边坡失稳不仅影响行车安全，甚至掩埋公路，中断交 通，迫使放弃已成公路的使用，造成不可估量的经济损失“”。因此，结合具体 的工程实践，开展边坡地质体与整治工程结构的相互作用研究和工后安全性评价 是非常必要的。但是，目前国内外对治理后边坡的工程安全性评价研究较少，没 有形成一个较为完善的工后安全性评价体系，同时，也没有安全性评价的具体标 准。 鹧鸪山隧道及其引道工程路线起于四川省阿坝州米亚罗镇尽头寨山脚坝，岷 江支流来苏河右岸，自国道3 1 7 线k 8 0 5 + 5 8 4 9 ( = k o + 0 0 0 ) 按出后。转西穿鹧鸪 山至阎王沟，出隧道后沿沟北侧山坡西下至沟口，再沿大渡河支流梭磨河左岸逆 流而上，穿十字口隧道，跨十字口中桥，十字口大桥，白石沟中桥，至三家寨处 转西跨梭磨河大桥接上刷马路k 1 1 + 8 6 2 3 6 5 ( = k l o + 2 0 0 2 5 6 ) ，路线全长 8 9 9 7 8 k m ，其中东引道长0 2 2 0 k m ，鹧鸪山隧道长4 4 2 3 k m ，西引道长4 3 5 4 8 k m 。 工程区域内东端沿来苏河为既有国道3 1 7 线，至成都约3 0 0 k m ；西端沿梭磨河为 刷马路与国道3 1 7 线连接，至马尔康约4 5 k m ，交通方便( 图l 一1 ) 。 西引道沿途植被茂密，山峦此起彼伏，再加上鹧鸪山位于川西高原东北部的 邛崃山脉北端，属高山高原过渡带的侵蚀深切高山地貌，所以山高坡陡，沟谷纵 横。西引道边坡位于梭磨河左岸高山斜坡地带，路线设计标高为3 2 0 3 6 5 3 3 1 8 7 1 5 3 m ，大部分地段挂于陡坡上，其下方梭磨河常年流水，水流湍急。自然 边坡陡峻，坡度3 0 8 0 。，坡面冲沟发育，植被茂密，施工便道及路基开挖后 引道沿线坡面植被破坏严重，基岩裸露，覆盖层边坡较少( 图l - - 2 ) 。 2 图1 1 鹧鸪山隧道交通位置图 图1 2 西引道及周边环境图 第1 章引言 国道3 1 7 线鹧鸪山隧道西引道在设计和施工过程中，由于横坡陡峻和地质条 件复杂，遭遇到了多处高边坡和滑坡的处治问题。这些问题成为制约鹧鸪山隧道 引道二r = 程投资、工期等的重大技术问题。其中，最为典型的是位于g k 7 + 7 0 9 + 9 9 9 段的高边坡，该段高边坡既高又陡，自然边坡的坡度达7 0 8 0 。，施工图设计中 曾经出现一定的误差，导致施工放线后路基仅仅只有半幅宽度。施工过程中，该 路段是采用高路颦边坡的路基形式通过还是采用桥梁通过，在工程技术人员和专 家中产生了很大的争议。经过长时间的论证和技术经济比较，最后决定继续向罩 进行二期开挖，采用高路堑边坡的路基形式通过该段。但是，由于设计的坡比为 1 ：0 3 1 ：0 5 ，最高边坡近8 0 m ，而且该路段边坡岩体较为破碎，这给旄工带 来了一定的难度；同时，许多专家和学者都很担心继续向里开挖的工程边坡的稳 定性和采取什么样的加固措施才能保证治理后边坡的长期安全性等一系列问题。 因此，必须对高边坡进行详细的稳定性评价及支护设计，同时，为了保证安全， 应对高边坡工程进行现场跟踪及长期监测，以便对高边坡的工后稳定性和安全性 进行评价。 本人在导师的指导下，结合鹧鸪山隧道西引道高边坡治理工程的具体勘测和 设计，在典型高边坡( g k 7 + 7 0 9 + 9 9 9 段) 工前稳定性评价的基础上，运用有限 单元法对边坡地质体与治理工程结构的相互作用进行评价分析，运用灰色系统理 论中的灰色预测法对边坡的变形进行预测分析，运用模糊数学中的模糊综合评判 对治理后边坡的安全等级进行评价，同时加上边坡工后监测数据的分析，重点对 治理后边坡的工程安全性进行了系统全面的研究。其研究成果既解决了当前鹧鸪 山隧道西引道边坡处治工程中的技术难题，又对西部大开发中其它建设工程的边 坡整治有重要的参考价值。 综上所述，本论文选题依据充分，拟选择“鹧鸪山隧道西引道高边坡工程安 全性评价研究”作为硕士论文选题。不仅具有重要研究意义，而且具有较大的实 用价值，值得深入研究。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国内外研究概况 随着社会的发展，人类工程活动的f 1 益频繁，滑坡灾害和高边坡问题对人类 工程活动和经济生活的影响也越来越大，因此，国内外对滑坡和高边坡的研究越 来越重视，相继取得了许多有益的成果。虽然目前在滑坡和高边坡理论研究上有 一定突破，但均有一定的适用条件，因此，各类滑坡的形成机制和高边坡的变形 破坏模式仍然是当前重点研究的课题。滑坡和高边坡稳定性计算评价是这类问题 研究的核心，但是，它是要在确定了地质模型和破坏模式，给出合理的概化模型 成都理工大学硕十学位论文 以后，才能计算得出正确的结论，才能为整治工程设计的依据。滑坡和高边坡稳 定量的计算方法到目前已经提出了几十种，大致可分为：极限平衡法、数值分析 法、概率法等。目前，国内外广泛采用的滑坡和高边坡治理措旌有以下几种：抗 滑支挡工程、锚固工程、减载和反压工程、截排水工程、滑带土改良等，对于大 型复杂滑坡和高边坡采用综合治理技术。 从目前国内外的研究现状来看，对滑坡和边坡治理前的工作做得很多，理论 也比较成熟，尤其在工前稳定性评价和整治措施方面已经研究得比较全面。但是， 在治理后工程安全性评价和治理结构与滑坡或边坡地质体的相互作用机理方面 研究较少，尤其是在边坡治理后的工程安全性评价方面几乎是一片空白。故本文 将在边坡工前稳定性评价和整治措旌研究的基础上，运用各种方法对边坡进行工 程安全性评价，通过边坡与治理工程结构的相互研究，分析边坡的安全储备，达 到最优化设计的目的，通过现场跟踪和工后监测资料的分析，运用灰色系统理论、 模糊数学等对治理后边坡的工程安全性进行评价研究。边坡工程安全性评价是本 文研究的重点，也是今后边坡工程发展的新方向。 1 2 2 边坡稳定性评价方法现状 1 2 2 1 定性分析方法“1 定性分析方法主要是通过工程地质勘察，剖析影响边坡稳定性分析的主要因 素、可能的变形破坏方式及失稳的力学机制，调查已有的边坡地质体的成因及其 演化史，从而给出被评价边坡的一个稳定状况及其可能发展的定性说明和解释。 其优点是能综合考虑边坡稳定性的多种影响因素，快速地对边坡的稳定状况及其 发展趋势作出评价。当前使用的定性分析方法主要有以下几种方法： 1 自然( 成因) 历史分析法 该方法主要根据边坡发育的地质环境、边坡发育历史过程中各种变形破坏 迹象及其基本规律和稳定性影响因素等分析，追溯演变的历史过程，对边坡稳定 性的总体状况、趋势和区域性特征作出评价和预测。 2 工程类比法 该方法实质上就是利用已有边坡的稳定性状况、影响因素分析以及有关设 计等方面的经验，并把这些经验应用到类似的所要研究的边坡的稳定性分析与设 计之中。它需要对已有的边坡和已有的研究对象进行广泛的调查分析，全面研究 工程地质因素的相似性和差异性，分析影响边坡变形破坏的各主导因素及发展阶 段的相似性和差异性，分析它们可能的变形破坏机制、方式等的相似性和差异性， 兼顾工程的等级、发展趋势和加固处理设计等。在工程实践中，即可以进行自然 边坡问的类比，也可以进行人工边坡之间的类比，还包括在自然边坡和人工边坡 之问的类比。因而，可以说它是目前应用最广泛的一种边坡稳定性分析方法，在 4 第l 章引言 工程设计中总是将它与理论计算、监控结合使用，是对工程地质力学结合集成理 论( e g m s ) 的综合体现与验证“1 。 3 s m r 法3 “ 边坡工程的s m r 法由r o m a nm ( 1 9 8 5 ，1 9 8 8 ，1 9 9 2 ) 提出，该方法以 r i n i a w s k i z t 的r m r 法为基础，综合考虑了边坡工程中不连续面与坡面的组合 关系，边坡的开挖方式等。其计算公式为： s m r = r m r ( f l f 2 x f 3 ) + f 4 f l 指边坡中不连续面倾向与边坡倾向间关系调整值；f 2 指不连续面倾角大 小调整值；f 3 指不连续面与坡面倾角问关系调整值；f 4 指通过工程实践经验获 得的边坡开挖方法调整参数。 4 几何图解法 几何图解法是一种以极赤平投影图为基础的几何空间解孝厅方法，如m a r k l a n d 检验法。利用极射赤平投影可以比较直观、简便地表示出边坡岩体与开挖坡面的 空间组合关系，进行边坡岩体稳定的结构分析。 5 物理模拟法 岩( 土) 体力学模型试验是由结构模型试验与岩石( 或土) 力学模型试验组 合而成的，即岩( 土) 体力学模型试验融结构模型试验与岩石( 或土) 力学模型 试验为一体，研究工程结构与其有关岩( 土) 体共同作用下的应力、变形机制及 稳定问题。 近年来，岩( 土) 体力学模型试验在模型材料、模拟技术、试验研究诸方而 得到了广泛的发展，使其由定性分析转向定量分析，并与有限元计算配合进行工 程结构与其有关岩体共同作用下稳定性分析，成为在复杂岩体条件下研究工程稳 定的应力应变机制的重要手段，它不仅可以论证工程设计的可靠度，还可以研究 工程处理的部位和措施，与理论计算相辅相成，共同发展，故具有重大的经济效 益，还具有重要的学术意义。 1 2 2 ，2 定量分析方法 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 的重要依据。定量的分析方法一般要以一定的地质模型为基础。定量分析方法可 分为极限平衡方法和数值分析方法。 1 ，极限平衡分析方法 极限平衡法是一种比较传统而且成熟的边坡稳定性分析方法，该方法以莫尔 库仑的抗剪强度理论为基础，原理简单，计算方法简便、易于理解，长期以 来，在大量的边坡工程中得到了应用与实践。该方法最早由瑞典学者 成都理工大学硕士学位论文 k e p r y y e r s s o n 与s h u l t i n ( 1 9 1 6 ) 提出，后经f e l l e n i u s ( 1 9 2 7 ) 、a | | | | f b i s h o p ( 1 9 5 0 ) 、s a r m a ( 1 9 6 8 ) 、j a n b u ( 1 9 7 3 ) 等一系列的改进和修正，已经发展成为 套具有广泛适用性的理论。具体方法及其适用条件见表卜i 。 表1 1 边坡稳定性评价的极限平衡分析法 s - 9 1 分析方法 假设条件力学分析廊崩范围及特点 1 ) 滑动面为圆弧 圆弧滑面滑坡，定转 1 瑞典条分法1 ) 整体力矩平衡动中心，垂直条分滑 2 ) 不考虑分条间作用力 体 1 ) 不考虑条块间切向力任意形状滑面，垂直 1 ) 整体力矩平衡 2 毕肖普法 条分滑体，较适用f 2 ) 条块间作用力水平 与静力平衡 十坡 1 ) 滑动面可为不规则形状 1 ) 分块力矩平衡可适用于非均质土 3 詹布法 2 ) 条间作用力位置在离滑面以 2 ) 分块力平衡坡，垂直条分滑体 上5 3 处 1 ) 滑体先破裂成相互错动的块任意形状滑面，任意 1 ) 分块静力平衡 4 萨尔玛法体才能滑动条分滑体，适用于岩 2 ) 滑面与侧面都达到极限状态2 ) 分块力矩平衡 质或土质滑坡 1 ) 条间作用力合力方向与上 任意形状滑面，垂直 块滑面平行 5 传递系数法1 ) 各分块力平衡条分滑体，适用于岩 2 ) 本条块间作用合力为负值则 质或土质滑坡 记向下块传递的推力为零 1 ) 相邻条块间法向力e 与切向1 ) 考虑分块力矩 力x 存在与水平方向坐标的函平衡 任意形状滑面，垂直 6 m o r g e n s t e r 数关系( x e = f ( x ) ) 2 ) 考虑分块切向条分滑体，适用于土 p r i c e 法 2 ) 条间力作用点位置随滑面倾 力平衡与法向力坡 角而连续变化 平衡 1 ) 滑动面为圆弧 1 ) 分块力平衡可用于岩质或十质 7 s p e n c e r 法 2 ) x e 为一常数 2 ) 分块力矩平衡 滑坡，垂赢条分滑体 1 ) 受结构面或软弱面控制形成 适用于岩质楔形体 8 楔形体法 的楔形体滑面，且各滑面均为 1 ) 整体静力平衡 滑坡 平面 6 第1 章引言 一 _ j - _ _ _ j _ _ _ ，_ - _ _ - - 一 2 数值分析方法“明 数值分析方法是计算机时代的产物，它往往以一定的力学本构模型和几何模 型为基础，考虑岩土体的变形和位移特征，并依研究对象的不同而有所差别。从 介质的连续性而言，以有限元、边界元为代表的数值方法常应用于连续介质，而 以离散元为代表的一些数值方法则常常用于非连续介质。从介质的变形特性来 说，有的仅限于小变形分析，有的则专用于大变形研究。但总的来看，数值方法 一般满足以下基本方程： ( 1 ) 平衡方程； ( 2 ) 几何方程( 包括变形协调方程) ； ( 3 ) 本构方程； ( 4 ) 边界条件。 当前的数值分析方法主要有：有限元法( f e m ) 、边界元法( b e m ) 、拉格朗只 有限差分法( f l a c ) 、离散元法( d e m ) 、无界元法( i d e l d ) 、块体理论( b t ) 、以及 不连续变形分析法( d d a ) 等。有限元法( f e m ) 在连续性分析方面取得了很大 的成功，但在解决前处理问题、应力与应变解答不连续问题和进行任意路径开裂 计算等方面还存在着些局限。边界单元法( b e m ) 是7 0 年代兴起得一种数值 方法，由于它有降维作用，且计算精度高，对于解决无限域或者半无限域问题尤 为理想，所以也适用于岩( 土) 体工程地质问题分析。拉格朗日法( f l a c ) 运用 流体力学中跟踪质点运动的物质描述方法，即拉格朗日拖带坐标系方法，利用差 分格式，按显示时步积分方法进行迭代求解，根据构形的变化不断更新坐标系， 以此模拟岩土介质的有限变形和大位移行为。基于拉格朗日理论，美国的i ，r a s c a 咨询集团于2 0 世纪8 0 年代编写的专用程序f l a c 现已广泛应用于边坡、基础、 坝体、隧道、地下采场和硐室等岩土工程分析中。拉格朗日法可以同时考虑岩土 体的材料非线性和几何非线性，并能跟踪物体变形的全过程，适于分析岩土力学 中的大变形问题。这种方法避免了有限元法进行大型矩阵的复杂计算，但时间步 长的选择成了一个新的突出问题，时步过大会导致解答的不稳定，时步太小则会 使计算时间过长。离散单元法( d e m ) 是由美国学者c u n d a l l 等提出的，它是以 被软弱结构面切割而成的离散块体为基本单元进行分析的，在块体间的接触约束 下运用牛顿运动定律描述各块体的运动过程。离散单元法可分为动态松驰法和静 态松驰法两种。目前离散单元法大多采用动态松驰法，动态松驰法把非线性静力 学问题转化为动力学问题进行求解，用显式中心差分法近似对运动方程进行积分 计算，并假设块体在运动时将动能转化为热能耗散掉，在计算中引入人工粘性阻 尼，使系统达到平衡运动趋于稳定。经过近3 0 年的发展，离散单元法已成为模 拟岩土体非连续大变形行为的十分有效的方法之一。无界元法( i d e m ) 是为了解 成都理工人学硕士学位论文 决有限元所遇到的“计算范围和边界条件不易确定”而提出来的，是解决岩石力 学问题的另一类有效方法。基于块体理论的非连续变形分析方法主要以离散块 体系统为研究对象，针对岩土体的非连续与非均匀的特点，将岩土体视为完全非 连续介质，对构成离散系统的各个子块的运动和变形迸行数值分析。 l2 2 。3 非确定性分析方法 由于边坡岩土体自身的复杂性及其对自然环境和人类工程活动的敏感相关 性，边坡稳定存在着诸多因素作用的随机性，从而形成了地质力学模型本身的不 可靠性以及各类计算参数的不确定性，加上当前存在的计算模型的多样性与缺陷 性并存的矛盾，必然要求用动态的力学与随机理论去分析和解决问题。因此，非 确定性分析方法是近年来针对边坡稳定动态性与不确定性，引用了一些新科学与 理论，从中提取出来的一种新型分析方法。它包括可靠性分析、随机过程法、神 经网络法、模糊数学法、灰色系统理论、系统工程理论、信息论、控制理论、协 同学理论、耗散结构理论以及突变理论等。 ( i ) 边坡工程可靠性分析就是基于对边坡岩体性质、荷载、工程地质条件、 计算模型等的不确定性的认识，结合边坡系统的具体情况，采用概率分析方法和 可靠度尺度描述边坡工程系统的质量。分析中采用的破坏概率又是某意义上的风 险概率。因此、边坡可靠性分析对于边坡工程的经济风险分析和优化决策具有现 实意义。但是，可靠性分析方法目前还缺乏一一个统一的可接受风险水平阀值，极 少发生概率的事件往往容易被忽视，而这极有可篚产生严重后果。 ( 2 ) 基于神经网络的专家系统有以下重要特点：具有高度性、容错性和自 适应性：能处理模糊性和不确定性；具有较强的自学习功能，知识可以不断地学 习、发展和创新；提供了一种全新的知识表示方法，即非逻辑形式的方法。人工 智能其中两个最重要的领域是人工神经网络和专家系统。在边坡工程中，人工智 能中的专家系统的应用在于应用专家系统中的知识处理、知识运用和不确定性推 理的技术分析边坡的稳定性；人工神经网络的应用在于利用神经网络的学习和联 想记忆功能，运用网络存储的领域知识对边坡进行稳定性分析”“、“1 。 ( 3 ) 模糊数学法是将模糊理论应用于边坡稳定性分析中，用隶属函数代替确 定性分析法中非此即彼的量，对那些边界不清的过渡问题进行描述，应用模糊模 式识别和模糊聚类分析方法对影响边坡稳定的因素进行分析，最后用综合评判理 论对边坡稳定性进行总的评价。缺点是各选项一般取稳定、基本稳定、不稳定3 种状态，因而对边坡的评判较笼统，同时，由于隶属函数是依据一些基本原则确 定，权重的分配多由经验确定，因而主观性较大。模糊数学方法一般适应于外延不 明确，内涵明确的对象。 ( 4 ) 灰色系统理论是邓聚龙教授于1 9 8 2 年首先创立的一种新型理论，是现 8 第l 章引言 代控制理论中一个新开辟的领域。包含未知信息的系统为黑色系统，包含己知信 息的系统为白色系统，而所谓灰色系统中就是既包含己知信息，又含有未知的不 确切的信息。灰色预测分析、灰色关联分析、灰色聚类分析等方法都在边坡稳定 性分析i 二进行过应用。陈顺良采用灰色系统理论，建立梯形灰类白化函数，用层 次分析法确定指标相关权，对边坡岩体稳定性分级指标进行了定量分析，并根据 所得聚类向量，对边坡岩体的工程性质做出评价。陈新民等在研究了边坡稳定性 分析中的信息不完全性之后，采用灰色关联分析提出了基于经验的边坡稳定性灰 色系统分析与评价。同其它方法一样，该法也存在其局限性。比如在聚类分析中， 狄元的白化，即功效函数的确定都带有人为的经验性质。尽管如此，灰色聚类分 析法作为一种新的分类手段，对边坡稳定性分析与评价的应用是值得肯定的。如 果在功效函数的确定上做到更加精确( 白化) ，包含的信息量多一些，那么分析的 结果则更准确。进一步可以利用灰色优势分析，可以确定各个聚类指标的优势劣 汰，并配以适当的权重，这样所得的结果将更能说明问题“2 、”1 。 1 2 3 边坡治理研究现状 对边坡治理的研究，一直受到国内外的广泛重视。在边坡灾害治理工程实 践上，通常是以“预防为主、综合整治”为原则，目前国内外广泛采用的边坡治 理措施有以下几种：截排水工程、减载和反压工程、支挡工程、锚固工程、滑带 土改良( t 7 1 6 1 截排水工程 排水措施可分为坡内排水措施和表面排水措施两种。坡内排水措施包括在边 坡内设置的排水平铜、排水竖井，或在排水平酮和排水竖井内打的排水孔，以及 在边玻表面上打的排水孔。坡内排水措施可降低坡内的地下水位，减小作用在边 坡滑体上的水荷载。该种措施的排水效果取决于不连续面的规模、渗透性能、输 水能力和方位。一般来讲，坡内排水措施是一种较有效的边坡处理措施之一。表 面排水措施包括在坡顶和坡面上修的截水沟和排水沟。表面排水措簏可将坡顶和 坡面上的来水集中排泄，减小裂隙水压力对边坡稳定的不利影响。表面排水措施 是岩质高边坡加固处理中一种快捷、经济和有效的措施。但工程实践证明，仅采 用截排水工程措施，只能使边坡暂时处于稳定状态，如果外界条件发生改变，边 坡仍然可能失稳。 2 减载和反压工程 减载措施包括削头减载和削坡减载两种。削头减载是将边坡上部一定范围内 覆盖层或岩体削掉，以降低边坡总高度；削坡减载是将边坡的坡度放缓。两种减 载措旌的作用都是减少边坡可能发生滑动破坏的下滑力。一般来讲，削坡措施常 常受到建筑物布置上的制约，边坡不能放得太缓或根本不能放缓，而削头措施较 成都理工大学硕士学位论文 少受到制约。 减载措施的实施有主动和被动之分，主动实施是在开挖之前就已经考虑了此 项措施，而被动实施是开挖过程中或开挖完成后，因边坡失稳滑塌才考虑到的补 救措施。在已完成加固处理的水电工程边坡中，属于被动实施的情况最多。 反压措篪就是在边坡滑体的趾部附近人为地增强约束( 用土、石或其它材料) 以防止坡体滑动。一般来讲用于压坡的材料采用开挖的废弃料，该措施的使用也 往往受到场地的限制。在场地允许的前提下边坡工程中对大型古滑坡的处理可采 用浚措施。 3 抗滑支挡工程“。”1 支挡措旋包括抗滑桩、挂钢筋网、喷混凝土或喷钢纤维混凝土、挡土墙和混 凝土护面等，是一种被动加固，是从外部解决边坡滑体的稳定问题。挂钢筋网、 喷混凝或喷钢纤维混凝土的作用是覆盖边坡岩体表面、支撑岩体，除喷钢纤维 混凝土极少采用外( 小浪底工程进口高边坡上得到了应用) ，其它几项在边坡工程 中应用非常普遍。边坡工程中混凝土护面用得较多，其主要作用是封闭表面防 止雨水下渗和表面岩体风化，同时兼有对边坡滑体的支挡作用。挡土墙的主要作 用是防止边坡表面坍塌造成的危害，一般用在受用地或己有结构物限制的部位。 挡土墙在公路和铁路边坡的处理中用得十分普遍。 2 0 世纪6 0 年代末期，我国在铁路建设中首次采用抗滑桩技术并获得成功。 抗滑桩技术的诞生，使一些难度较大豹边坡工程问题的处理成为现实，由于它具 有布置灵活、施工简单、对边坡扰动小、开挖断面小、圬工体积少、承载力大、 施工速度快等优点，受到工程师们和施工单位的欢迎。在全国范围内迅速得到推 广应用。从2 0 世纪7 0 年代开始，逐步形成以抗滑桩支挡为主，结合清方减载：【 程、截排水工程的边坡综合整治技术”。 4 锚圃工程”0 1 锚固措施包括预应力锚固和非预应力锚固两种，前者是一种主动加固，后者 是一种被动加固。预应力锚固是采用预应力锚索、锚扦或钢丝对岩体进行加固， 通过对可能失稳的岩体主动施加压力，提高滑动面上的抗剪参数和阻滑力( 通过 提供正压力、反向力实现) ，从而实现提高边坡的抗滑稳定安全度。非预应力锚 固是采用砂浆锚杆、树脂锚杆等对边坡岩体进行加固，通过提高滑动面上的抗剪 参数和阻滑力( 通过提高抗剪力实现) 来实现提高边坡的抗滑稳定安全度。 在预应力锚固措施中，预应力锚索的应用最为广泛，其主要的特点是施工方 便快捷、占用场地少和加固效果好。预应力锚索种类按灌浆次数可划分为两次灌 浆全长粘结式和一次灌浆双层保护自由式两种。在国外一次灌浆双层保护自由式 应用较为普遍，国内仍以两次灌浆全长粘结式为主”。 1 0 第l 章引言 由于锚固技术大大减轻结构物的自重、节约工程材料并确保工程的安全和稳 定，具有显著的经济效益和社会效益，因而目前在工程中得到极其广泛的应用。 岩土锚固的基本原理就是利用锚杆( 索) 周围地层岩土的抗剪强度来传递结构物 的拉力或保持地层丌挖面的自身稳定。锚杆锚索的使用，它可以提供作用于结构 物上以承受外荷的抗力；可以便锚固地层产生应力区并对加固地层起至r j j j w 筋作 用；可以增强地层的强度，改善地层的力学性能；可以使结构和地层连锁在一起， 形成一种共同工作的共同体，使其能有效的承受拉力和剪力。 5 滑带土改良 滑带土的改良主要是提高滑带土的强度，增加坡体自身的抗滑力，通常采用 注浆、热处理、冻结、电渗锚固等技术，但由于处理效果难以检验，因此应用较 少。但是，2 0 世纪9 0 年代，压力注浆加固手段越来越多地用于边坡处治，尤其 是用于高边坡的处治防护工程中。它是一种边坡的深层加固处治技术，能解决边 坡的深层加固及稳定性问题，到达根治边坡的目的，因而是一种极具广泛应用前 景的高边坡处治技术。达成铁路金堂滑坡采用高压旋喷注浆加固滑坡滑动带，内 昆铁路冷家坡隧道进口岩石滑坡采用了钢花管注浆加固，均取得成功。注浆加固 技术具有施工便捷、机械化程度高、劳动强度低等优点，与抗滑桩、墙被动支挡 相比较，其属于对滑坡主动加固，技术具有先迸性，有待进步研究。修订的铁 路特殊路基设计规范，对注浆加固滑坡滑动带( 面) 的技术作了推荐。 1 2 4 边坡工程安全性评价研究现状 安全性评价是对系统存在的潜在危险性进行定性和定量的分析，通过与评价 标准进行对比，得出系统安全状态的客观评价，及时采取相应的防治措旌，以预 防和减少事故发生为i i 的的安全管理手段和方法。工程安全性评价就是利用特定 信息对己建工程进行长期安全性评价。虽然目前国内外对边坡工程安全性评价的 研究较少，但经作者归纳总结，边坡工程安全性评价方法大至可分为三类：基 于边坡工程地质条件，将边坡工程地质体与整治工程结构相结合，分析两者的相 互作用，从而达到工程安全性评价的目的。此类工程安全性评价的具体方法有： 工程类比法、数值模拟法、物理模拟法等。通过与监测系统( 如地表位移监测、 深部位移监测、锚固体受力及变形监测等) 相结合，充分利用监测系统长期获得 的监测数据，运用挑色系统理论和模糊数学等方法，对己建边坡工程目前状态以 及将来的发展趋势进行综合分析评价的综合评价法。基于概率理论和模糊数学 的边坡安全等级定量评价法。总的来说，目前边坡工程安全性评价具体有以下4 种方法： ( 1 ) 常规综合评价：通过地质资料、方案设计、加固治理设计的分析，结 合信息化施：i ? 资料和：【后监测资料的分析，类比其他已建工程的安全情况，综合 1 1 成都理工大学硕士学位论文 评价边坡工程的安全性。此方法能较好的评价边坡的安全现状，但对边坡将来的 发展趋势和长期安全性很难把握，同时，评价带有很大的主观性。 ( 2 ) 模糊综合评判：该方法是借助模糊数学的一些概念，对实际问题进行 评价的方法。它是以模糊数学为基础，应用模糊关系合成的原理，将一些边界不 清、不易定量的因素定量化，从而进行评价的方法“”。如果客观事物对象本身 不明确，事物的分类没有明显的界限，即事物既可以属于这类也可以不属于，则 可以考虑采用这种方法。模糊综合评估法较好的解决了事物的模糊性与算法的确 定性这一矛盾，能很好地反映客观事物的本质，但是也存在一些问题：如模糊运算 法则的选择，隶属度的确定，参评人员主观上的不确定性和随机性“”。 ( 3 ) 模糊神经网络法：采用神经网络的结构和模糊逻辑的推理机制，将神 经网络和模糊系统有机地结合在起，模糊技术和神经网络技术的融合可以有效 地发挥各自的优势并且弥补各自的不足。神经网络是一类模拟生物神经系统结 构、由大量处理单元组成的非线形自适应动态系统，它具有学习能力、记忆能力、 计算能力以及智能处理功能，能在不同程度上和层次上模仿大脑的信息处理机 理，具有非线形、非局域性、非定常性和非凸性等特点，其研究成果广泛用于模 式识别、自动控制、图象处理、语言识别等领域”。模糊技术和神经网络的结 合，大大拓宽了神经网络处理信息的范围和能力，可以处理确定的与模糊的信息， 同时使模糊系统成为自适应模糊系统。模糊神经网络法虽然可以降低评估过程中 的人为因素，能较好地保证评估结果的客观性，但是模糊神经网络的处理类似“黑 箱操作”，不能对为什么给出这样或那样的决策做出恰当的解释，因此许多人拒 绝使用它。所以在面向具体问题作决策时，让人相信网络决策的可靠性是很困难 的，同时神经网络的学习需要大量的样本，如果积累的资料少，其结果的准确性 存在一定的局限。 ( 4 ) 灰色预测法