（岩土工程专业论文）高等级公路边坡智能分析及应用研究.pdf

摘要 ，w ? 3 黜：； 随着我国西部建设的高速发展，对高等级道路的建设需求也不断施扩大。由 于西部缝质条件的特殊往和复杂往，常需修筑高填方路璇或楚在软土路罄上修筑 路涟。为就，如何快速而有效地对高填方路堀、软土地基上的路堤边坡稳定性进 行分祈与评价矮有重瑟的工程实际意义。 本文绪合高等级公路边坡的特点，总结强纳国了高陡边骧的常觅破环模式， 并时箕形成原因避行了箭析。在深入分析国内夕卜常见的边坡稳定性分析方法的基 础上，导出了严格满砖力和力矩平衡条件，同时对边坡滑动筒形状和条问力方向 及作用点位置不作任何假定的边被稳定性通用条分法。鍪予复杂高酶边坡稳定能 分析和临弊滑动面搜索实际上可烟结为求解一个含多峰的高度菲线役规划问题， 其瞄标函数往往无法用显示表达，采厢传统的数值优亿方法报难求解，为此本文 提出采用舆有自组织、自学习、自适应和全两收敛毹力的遗传算法来求解复杂的 高陡边坡稳定性分析问题。并针对简单遗传算法存在容茹出现早熟、停滞以及搜 索效率低的问遂，通过采糟浮点编码、网格式初始化种群、算术式交叉搡作和随 机方向变辩方式等技术对简单遗传算法迸行了全面的改进，并将这些改进技术弓i 入隔离小垒境遗传算法中，提出了一种高等缀公路高陡边坡稳定性分析和临界滑 动面攒索改进隔离小生境遗传算法。 最后探讨了本文据出的改进隔离小生境遗传算法在广西六寨至水任= 级公路 高填方路璇以及湖南省旆湘至长沙高速公路软土地基上路堤边城稳定性分析中的 应用，计算结榘表明该法实用可靠，符合工秘实际。 关键词：高等级公路、路堤边坡、稳定性分析、通用条分法、临界滑动面、小生 境遗传算法 a b s t r a c t w i t ht h e r a p i dd e v e l o p m e n t o ft h ec o n s t r u c t i o n si nw e s t e r n c h i n a ，t h e c o n s t r u c t i o no fs u p e r h i g h w a yb e c o m e sm o r ea n dm o r e f o rt h e c o m p l e x i t ya n d s p e c i a l t yo f t h eg e o l o g i c a lc o n d i t i o n s ，m a n ye m b a n k m e n t sh a v et ob eh i g h f i l l e do rb e c o n s t r u c t e do ns o f tg r o u n d s t h u si ti so f g r e a ti m p o r t a n c ea n a l y z i n gt h es t a b i l i t yo f s u c he m b a n k m e n t s q u i c k l y a n d e f f i c i e n t l y , f i r s t l y , o nt h eb a s i so fs u m m a r i z i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c so fh i g h w a ys l o p e s ，t h e c o n l m o nw a y so f s l o p ef a i l u r ea n dt h er e a s o n so fs l o p e sf o r m i n gi nm o u n t a i na 瓣a w e r ed i s c u s s e d b yd e e p l ya n a l y z i n gt h eo o m l n o n w a y sf o rs l o p es t a b i l i t ya n a l y s i s ，a n e w g e n e r a ls l i c em e t h o d w a s p r e s e n t e d ，w h i c hs t r i c t l ys a t i s f yt h eb a l a n c eo ff o r c ea n d m o m e n ta n dn e e d sn op r e s u p p o s i t i o no ns l i p s u r f a c e ，i n t e r - s l i c ef o r c ed i r e c t i o na n d f o r c ep o s i t i o n t h ea n a l y s i sa n dc r i t i c a l s l i p s u r f a c es e a r c h i n ga r ei nd e e dah i g h l y n o n l i n e a rp r o g r a m m i n gq u e s t i o nw h i c hh a sm u l t ic o n v e xa n do b j e c t f u n c t i o n so f w h i c hi sh a r dt ob e e x p r e s s e d i n t h i sp a p e r , t os o l v es u c h q u e s t i o n s ，g e n e t i ca l g o r i t h m ( g | 的w a sp r e s e n t e d ，w h i c hh a st h ea b i l i t yo fs e l fs t u d y , s e l fo r g a n i z i n ga n dg l o b a l c o n v e r g e n c e f o rg a sp r e m a t u r i t y , s t a g n a t i o na n dl o ws e a r c h i n ge f f i c i e n c y , s u c h t e c h n o l o g ya sf l o a t i n g p o i n tc o d i n g ，n e t l i k ei n i t i a l i z a t i o n ，a l g o r i t h m i cc r o s s i n ga n d r a n d o mv a r i a t i o nw e r ei n t r o d u c e dt oi m p r o v e s i n g l eg a a n dt h e s et e c h n o l o g i e sw e r e a l s oi n t r o d u c e di n t on i c h eg a t h u sa l l i m p r o v e dn i c h eg a w a sf o r m e df o rt h e s t a b i l i t ya n a l y s i sa n dc r i t i c a ls l i ps u r f a c es e a r c h i n go f h i g ha n ds t e e ps l o p e s i nt h ee n d ，t h em e t h o d s p r e s e n t e d i nt h i sp a p e rw e r e a p p l i e di ns t a b i l i t ya n a l y z i n g o fh i g h f i l l e de m b a n k m e n t si nl i u z h a i s h u i r e n h i g h w a y s i n g u a n g x i a n dt h e e m b a n k m e n t so ns o f tg r o u n di nl i n x i a n g - c h a n g s h ah i g h w a y si nh u n a n ，t h er e s u l t s s h o wt h a tt h er e s u l t sg e n e r a t e d b y t h e s em e t h o d s t a l l yw i t hp r a c t i c e k e yw o r d s ：s u p e rh i g h w a y , e m b a n k m e n ts l o p e ，s t a b i l i t ya n a l y s i s ，g e n e r a ls l i c e m e t h o d ，c r i t i c a ls l i ps u r f a c e ，n i c h eg e n e t i ca l g o r i t h m 1 1 概述 第一章绪论 边坡是人类生存及工程活动最常见最基本的自然地质环境之一，随着工程规 模的加大、加深及场地的限制，经常需在复杂地质环境条件下人为开挖各种各样 的高陡边坡，与之相关的边坡稳定性问题显得越发突出，对整个工程的可行性、 安全性及经济性等起着重要的制约作用，并在很大程度上影响着工程建设的投资 及经营效益。此外，边坡稳定性问题与崩滑地质灾害的发生有着密切的因果关系， 发生在我国境内的多起灾害性崩滑地质灾害【“”，如阻碍长江航道的鸡扒子滑坡 ( 1 9 1 6 x 1 0 4 m 3 ，其中2 3 0 x 1 0 4 m 3 推入长江，河床堆积高3 0 4 0 m 、长7 0 0 m ，水面 宽度由1 2 0 m 减少到只有4 0 m ) 、新滩滑坡( 1 0 0 0 x 1 0 4 m 3 ，其中2 0 0 x 1 0 4 m 3 推入长 江) ，埋没整座矿山的盐池河岩崩、摧毁城镇及村庄的洒勒山滑坡、巫溪岩崩及溪 口滑坡等都是自然高边坡失稳破坏的典型范例。因此，加强边坡稳定性的理论研 究，加强重大工程边坡稳定性的应用研究，不仅对国民经济建设有着十分重要的 实际意义，而且对地质灾害的防治及地质环境保护有着重要的社会与工程实际意 义。随着研究的不断深入进行，边坡防治技术及其稳定性研究将不断取得长足的 发展。 随着我国经济建设的迅猛发展，城市高层建筑及高速公路建设的突飞猛进， 尤其是我国西部建设的大发展，边坡问题日益突出。高层建筑的深基坑支护及山 坡支挡结构往往高达1 0 2 0 m ，而在西部高速公路建设中所遇到的高陡土、岩边 坡，有些甚至高达l o o m 以上。因此，高陡土、岩边坡的稳定性分析及防治技术 己成为山区高速公路建设急需解决的关键技术之一。 高速公路边坡的常见问题有两大类【3 】：以洪水和降雨为代表的水文灾害和以 崩塌、滑坡、泥石流为主的地质灾害。国内外大量岩土边坡的失稳或滑动屡见不 鲜，给工程建设带来了严重的危害和人民生命财产的严重损失，已成为全球性的 地质灾害。1 9 9 7 年，由于连降暴雨，在建的福泉高速公路多处地质不良边坡失稳、 坍塌，以k 2 4 + 7 8 3 k 2 4 + 8 8 0 左侧规模最大，土石方达2 5 万m 3 ，已完成的防护 设施全部损坏。同年7 月，深汕高速公路k 4 4 + 2 5 0 - + 7 5 0 段右侧高边坡发生大 面积顺层滑坍，度中断交通【”。地质灾害中又以滑坡最为常见。由f 山坡或路 基边坡发生滑坡，常使交通中断，影响公路的j f 常运输。大规模的滑坡，可以堵 塞河道，摧毁公路，破坏厂矿，掩埋村庄，对山区建设和交通设施危害很大。2 0 世纪9 0 年代，甘肃白龙江山体滑坡堵塞河道，死亡7 人并造成重大经济损失6 1 。 同年，云南昭通大滑坡，死亡2 0 0 余人。黄河小浪底进场公路开挖中发生3 0 万 m 3 滑坡，造成公路改道，增加了交通隧洞及桥梁工程的大量投资。西南地区( 云、 贵、川、藏) 是我国滑坡分布的主要地区，不仅滑坡的规模大，类型多，而且分 布广泛，发生频繁，危害严重。在云南省几乎每条公路上都有不同规模的滑坡发 生。贵州的炉榕公路、成阿公路、巴峨公路等均遭受过滑坡的严重危害。 1 2 边坡的分类 边坡包括自然岸坡和斜坡，高层建筑的基坑工程也属边坡的范畴。通常，对 于边坡问题需要考虑：边坡的稳定状态决定人类的生存条件和环境，其变形、 失稳是对人类直接性的灾害；如何合理的改造、利用斜坡地带，采取有效措施 防止斜坡变形或失稳等不良现象发生。 边坡，根据其构成边坡的土或岩性不同，可分为土质边坡和岩质边坡两大类。 土质边坡是指具有倾斜坡面的土体。通常可分为天然土坡( 由于地质作用自 然形成的土坡，如土坡、江河岸坡等) 和人工边坡( 经人工开挖的土坡和填筑的 土工建筑物边坡，如基坑、渠道、土坝、路堤等) 1 7 】。由于土质边坡表面倾斜， 在土体自重及外荷作用下，土体将出现自上而下的滑动趋势。士质边坡上的部分 岩体或土体在自然或人为因素的影响下沿某一明显界面发生剪切破坏向坡下运动 的现象称为滑坡。 土质边坡又可分为简单土质边坡和复杂土质边坡两类。当土坡的顶面和底面 都是水平的。并延伸至无穷远，且由均质土组成时，则称为简单土坡。反之则称 为复杂土坡。土坡的简单破坏模式有：圆弧破坏模式、流鼓破坏模式、流动破坏 模式、胀裂破坏模式。土坡的复杂破坏模式有：旋滑一土流破坏模式、折线破坏模 式、复旋滑破坏模式、连续单滑破坏模式、复平滑破坏模式等【2 】。 在土体中新挖方的稳定性问题或自然斜坡稳定性问题的出现与铁路、公路、 运河的修筑以及深基坑、高层建筑的_ 丌挖等有关。甚至可能存在水下滑坡的问题 ( h e n k e l ，1 9 7 0 ) 8 】。土坡的稳定问题是土力学领域内的一个专门问题，t e r z a 曲i ( 1 9 4 3 ) 【”、t e r z a g h i 和p e c k ( 1 9 6 7 ) 1 0 1 、j u m i k i s ( 1 9 6 2 ) 1 、l a m b e 和w h i t m a n ( 1 9 6 9 ) 都曾进行过专门的探讨。影响土坡滑动的因素复杂多变，但其根本原 因在于| i 体内部某个面上的剪应力达到其抗剪强度，使稳定平衡状态遭到破坏。 凶此，导致 ：坡滑动失稳的原冈可有以卜两利一【( 1 ) 外界荷载作用或土坡环境 变化等导致土体内部剪应力加大，如路堑或基坑的开挖、堤坝施工中上部填土荷 重的增加、降雨导致土体饱和增加重度、土体内地下水的渗硫、坡顶荷载过量或 由于地震、打桩等引起的动力荷载等；( 2 ) 外界各种因素影响导致土体抗剪强度 降低，促使土坡失稳破坏，如超孔隙水压力的产生，气候变化产生的干裂、冻融， 粘土夹层因雨水等侵入而软化，以及粘性土蠕变等导致的土体强度降低。 岩质边坡是指具有倾斜坡面甚至垂直面的岩体。根据岩层的走向及岩石的种 类不同亦有不同。如背斜向岩质边坡，其稳定性好，坡面可设计很陡，而顺斜向 岩质边坡则极易出现坍塌，往往需要采取有效措施进行加固防护。 岩石的风化将降低岩坡的表面强度，并促使坡面碎石向坡脚重力迁移，此外， 在严寒地区，也可能通过冰的楔入作用，使裂隙面逐渐失去稳定，造成较大岩块 的崩落而导致坡面失稳。 岩质边坡的破坏有多种形式。h o e k 将岩石边坡破坏模式分为四类【”】， d j v a r e n s 把岩土边坡破坏模式归为五类【l ”，曾宪明等按简单模式和复杂破坏模 式分类【2 l 。岩坡简单破坏模式有：平面破坏模式、楔形破坏模式、圆弧破坏模式、 倾倒破坏模式、崩塌破坏模式、松动破坏模式、岩屑破坏模式；岩坡复杂破坏模 式有：松动崩塌破坏模式、倾倒。崩塌破坏模式、楔形一平面破坏模式、倾倒一滑动 破坏模式、滑动倾倒破坏模式、滑动倾倒滑动破坏模式、模向伸展破坏模式。 岩质边坡设计完全不同于土质斜坡，土是一种相对匀质的、由非胶结颗粒组 成的连续介质；岩体则是不均质的和主要有不连续面分隔的分离岩块组成的非连 续介质。土的破坏发生在土体内部而且破裂面的方向和土的性质变化无关；而坚 硬岩体中的破裂面沿预先存在的不连续面并不完全贯穿完整的岩体。此外，坡面 岩石的破碎，以及其植物生长的困难等，都给岩质边坡的处理带来了更大的困难。 由于岩体的强度和变形性质呈各向异性，岩体的抗剪强度很大程度上取决于不连 续面的存在。 通常，岩质边坡设计包括工程和地质两大问题，此外，对其稳定性进行评价 和判断是还须结合已有的大量工程经验取得为计算边坡可能稳定性所必需的各 种因素的定量资料。这些因素包括构造地质、区域地形、排水条件、水文地质、 大地构造史和其他增加或降低斜坡稳定性的环境特征等【l ”。 公路工程建设中的边坡分为路堑边坡和路堤边坡。路颦是指路基设计高程小 于地面高程，由丌挖而形成的路基。路堤是指路基设计高程大j r 地而高程，由填 料在地表面以上填筑起来的路基。其常见的分类及其对边坡保持稳定性的要求如 表l i 所示。 表1 1边坡的分类表 分类依据名称简述分类依据名称简述 高边坡 岩石边坡高大于3 0 m 土质边坡高大于2 0 m 土质边坡由土构成 岩石边坡高8 - 3 0 m 岩性边坡高度 中等边坡 土质边坡高6 - - 2 0 m ， 岩石边坡由岩石构成岩石边坡高小于8 m 低边坡 土质边坡高小于6 m 缓坡c t 9 0 。 1 3 边坡稳定性分析研究现状 1 3 1 边坡稳定性分析方法分类 边坡稳定性不仅与人为因素有关，更重要的是与天然物质土体的性质有着密 切的关系。土是由颗粒、液体、气体组成的三相体系的结构和构造的影响，又与 其形成过程、应力历史和周围环境等有关，这就决定了土体具有复杂多变的特点。 因此，边坡稳定性分析这种看似简单的问题其实却具有相当的难度。边坡失稳所 造成的伤害在所发生的自然灾害中占有重要的比例，所以边坡稳定性分析与评价 一直是国内外岩土和环境工程中重要的研究课题。 由于边坡工程的重要性，近百年来，国内外学者进行了大量卓有成效的研究 工作，提出了许多不同的分析计算方法。这些方法按其理论基础和分析原理可大 致分为如下几类： 1 3 1 1 极限平衡分析法 极限平衡法是假定边坡沿某个滑动面而破坏，且在该面上满足m o h r c o u l o m b 破坏准则，再从滑动体的静力平衡条件导出安全系数计算式。边坡稳定 性分析是个超静定问题，必须做一些假定爿能求得安全系数。最早是瑞典人 p e t t e r s o n ( 1 9 1 6 ) 提出了瑞典圆弧法，滑动面为圆弧：f e l l e n n i u s ( 1 9 3 6 ) 1 1 6 1 等 在此基础上将滑动体分条，提出了瑞典条分法浚法忽略了条问作用力：b i s h o p 4 ( 1 9 5 5 ) 7 】通过赋予安全系数新的含义，并在一定程度上考虑了土条间侧向力的 影响，提出了精度较高的条分法。此后，m o r g e n s t e m 和p r i c e ( 1 9 6 5 ) 、s p e n c e r ( 1 9 6 7 ，1 9 7 3 ) 【1 9 2 0 1 、j a n b u ( 1 9 7 3 ) 2 h 、s a r m a ( 1 9 7 3 ) 【22 1 、c h e n 和m o r g e n s t e r n ( 1 9 8 3 ) 1 2 3 1 等分别通过对土条间侧向力的作用点位置、或者作用方向等作出假定 推出了各自的安全系数计算式，但计算都比较复杂。至此，边坡稳定性极限平衡 法已趋于完善，但也还存在一些问题，为此许多学者对此进行了改进。比如：l i 和w h i t e ( 1 9 8 7 ) 2 4 1 提出了几个迅速估计临界滑动面的方法；s r b a l o v ( 1 9 8 7 ) 2 5 1 则通过对每个土条定义并计算安全系数来推求总体安全系数；而m e i k c t s ue n o k i 等( 1 9 9 0 ) 2 6 1 在条分法中考虑了滑动面的形状和相邻土条间的作用力，将条分法 推广，在没有力矩平衡方程或变量个数超过方程个数时可以获得解答：e s p i n a z o 等( 1 9 9 4 ) 【2 7 】在考虑内力方向、推力线高度和内剪切力分布等因素下，简化并统 一了边坡稳定性分析，消除了各种方法带来的冲突。 1 _ 3 1 2 极限分析法 d r u c k e r 和p r a g e r ( 1 9 5 2 ) 1 1 6 1 最先对边坡进行了极限分析，假定滑动面为直 线破裂面，用一个满足平衡条件并且在任意点都不违背屈服准则的假想应力场确 定了破坏荷载的一个下限，而上限是通过一个与流动法则相容的速度场得到的。 陈惠发( 1 9 7 5 ) 2 8 1 假定破裂面为对数螺线，根据线性摩尔一库仑破坏包络线对各向 同性、匀质的以及各向异性、非匀质的边坡稳定问题进行了极限分析，得出了极 限分析，得出了这类问题的上限解。潘家铮( 1 9 7 7 ) 2 9 1 在深入分析各种抗滑稳定 性分析方法后，提出了滑坡极限分析的两条基本原理，即极大值和极小值原理， 试图弥补传统分析方法在理论上的缺陷，后来陈祖煜( 1 9 9 8 ) 1 3 0 给出了理论证明。 孙君实( 1 9 8 3 ，1 9 8 4 ) 3 1 , 3 2 1 通过剖析塑性力学极限理论蕴涵的模糊性，建立了边 坡稳定分析模糊极值理论，并提出了一套数值计算方法( 双层复形法) 。此外， z h a n g 和c h e n ( 1 9 8 7 ) c 3 3 按一般滑移线形状和破坏包络线对边坡进行了极限分析， c o l l i n s ( 1 9 8 8 ) 1 3 4 1 等人研究了岩石边坡在非线性破坏包络线的情况下，取滑移线为 对数螺线将极限分析的计算进行简化，并用反分析方法估计了材料的强度参数。 此外，紫中民等( 1 9 9 5 ) 1 3 5 1 就抛物和双曲摩尔一库仑破坏包络线的情况，对边坡的 极限荷载作了研究。 1 3 i 3 随机理论分析法 f l ：许多学者曾用随机理论力法对边坡稳定性分析作过研究i j6 j ：m a t s u o 和 k u r o d a ( 1 9 7 4 ) 、w u 和k r a f t ( 1 9 7 6 ) 、m o r l a c a t a l a n 和c o r n e l l ( 1 9 7 6 ) 、a l o n s o n y ( 1 9 7 6 ) 、 h a r r ( 1 9 7 7 ) 曾对土质边坡作过典型研究；y u c e m e n ( 1 9 8 4 ，1 9 9 0 ) 3 7 1 等人对三维效应 的概率分析均作过有益的探讨；a g r i v a s 和a s a o k a ( 1 9 8 2 ) 3 8 1 对边坡上其他附加荷 载( 比如地震力等) 的概率分析给予了很大关注：c h o w d h u r y 和x u ( 1 9 9 4 ) 3 9 1 利用 系统可靠性分析法研究了边坡的可靠性。在这方面我国起步较晚，8 0 年代才开始 研究祝玉学等人( 1 9 8 0 ，1 9 9 0 ) 4 0 - 4 2 、包承纲等( 1 9 8 7 ) 和陈昌富等( 1 9 9 6 ) 1 4 4 - 4 5 1 在这方面作了许多研究工作。 1 3 1 4 数值分析法 有限单元法( f e m ) 和边界单元法( b e m ) 是边坡稳定性分析最常用的数值 分析方法，其优点是不仅能算出边坡体内每一点的应力，而且还能算出位移，克 服了极限平衡法、极限分析法等不能分析边坡变形的缺点。因此，它们在边坡( 尤 其是土质边坡) 工程中得到了广泛的应用。边坡稳定问题数值分析法较新的研究 成果有：p a s t e m a e k 等( 1 9 8 8 ) 1 4 6 1 把有限元法同极限平衡法结合起来采用非线性 弹性材料规律，由有限元提供应力、应变和位移，然后按照极限平衡法计算安全 系数；m a t s u i 和s a n ( 1 9 9 2 ) 1 4 7 1 在有限元法分析中按剪应力破坏准则定义边坡的 破坏，此法与修正的f e l l e n n i u s 法很吻合，王泳嘉和邢纪波( 1 9 9 1 ) 1 4 8 1 用离散单 元法( d e m ) 对岩质边坡稳定问题进行了分析；王如路和孙钧( 1 9 9 9 ) 【4 9 】应用非 连续变形分析( d d a ) 法对三峡船闸1 6 0 m 高岩体边坡进行了分析。 1 3 1 5 其他方；去l ”1 k o p a c y ( 1 9 5 5 ) 首先将变分法引入边坡稳定性分析中。后来b a k e r 和g a r b e r ( 1 9 7 7 ) 发现在k o p a e y 分析中存在严重的错误，并提出了自己的公式，适合没 有空隙水压力和外荷载的各向同性士体。尔后l e s h c h i n s k y 和b a k e r 等( 1 9 8 5 ) 又 将之推广到三维情况。此外b a k e r 和f r y d a m ( 1 9 8 3 ) 、z h a n g 和陈惠发( 1 9 8 7 ) 在极限分析中也引入了变分法，t i a n d e ( 1 9 8 5 ) 在条分法的基础上利用变分法研 究了三维边坡稳定问题。 此外，一些新的分析方法也不断被提出，比如：c a i 等( 1 9 9 0 ) s t 】提出了断 裂力学方法，m i c h a l o w s k i ( 1 9 9 5 ) s z l 提出了运动学分析法，李文秀( 1 9 8 8 ，1 9 9 5 ， 1 9 9 6 ) 1 5 3 - 5 4 1 等则建立了基于模糊理论的分析方法，而冯夏庭( 1 9 9 5 ) 5 5 1 、夏元友 等( 1 9 9 6 ) 5 6 1 和张德政等( 1 9 9 7 ) 5 7 1 建立了基于梯度算法的边坡稳定性评估b p 神经网络模型，而陈昌富( 2 0 0 1 ) 5 8 l 则建立了评价边坡稳定性的模糊神经网络模 型。 在上述分析方法中，变分法和极限分析法概念清晰、理论严格，但难以处理 外形、分层和外载复杂的边坡。数值分析方法依据岩土体的本构模型，利用数值 计算方法，不仅能算出边坡体内每一点的应力和位移，同时还能考虑边坡复杂的 外形、分层和外载情况；但由于岩土体的复杂性，目前尚未有能真实客观反映岩 土体复杂的应力- 应变关系的本构模型，并且已有模型中，参数多、获取难且精度 差，致使最终计算结果往往与实际情况不符。随机理论分析法，充分考虑了岩土 体的复杂性和不确定性，以破坏概率或可靠性指标来评定边坡，为边坡稳定性分 析提供了新的途径，但如何建立分析模型和获取统计参数，尚有许多工作要做。 极限平衡法虽然没有考虑土的应力历史、材料的非线性、边坡内土体材料行为的 变化和加载过程等因素，并且还不能反映滑动面上安全系数的变化和预测边坡破 坏的发生发展过程，但因其计算模型简单、计算方法简便、计算结果能满足工作 需要等优点，而仍然被认为是边坡工程分析与设计中最主要的且最有效的实用分 析方法，并为各国规范所采用。 1 3 2 边坡稳定性分析发展趋势 1 3 2 1 由定性分析向定量分析发展 十九世纪末至二十世纪初，随着发达国家近代工业革命而兴起的大规模土木 工程建设，诱发了大量滑坡，给社会造成很大损失，促使人们开始把边坡失稳现 象提高到与人类工程活动有关的灾害她质过程的高度加以研究。对边坡稳定性分 析的早期研究主要有两方面：一是借用刚体极限平衡理论，根据三个静力平衡条 件计算边坡极限平衡状态下的总稳定性；二是从边坡所处的地质条件及滑坡现象 上对滑坡发生的环境及机制进行分析，但基本上都是定性单因素的【5 叭。5 0 年代， 我国许多工程地质工作者，在研究中采用前苏联的“地质历史分析”法，就是偏重 于定性描述和分析。6 0 年代初的意大利瓦依昂水库滑坡及我国一些水电工程及露 天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1 6 。进入8 0 年代以来，边坡稳定研究进入了一个新的蓬勃发展时 期。一方面随着计算理论和计算机科学的迅猛发展，数值模拟技术已广泛应用于 边坡稳定性研究。边坡稳定性分析不再停留在现象的定性分析阶段，而是采用数 值模拟手段定量或半定量地再现边坡变形破坏过程和内部机制作用过程，从整体 上、理性上揭示出边坡变形的破坏机制以及稳定性发展变化的过程。另一1 方面， 现代科学理论方法与先进的数学手段，如系统方法、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。 1 3 2 2 岩体力学特性测试与现场原位监测技术的不断提高 随着先进测试技术的广泛应用，大量高边坡稳定性分析所需地质参数的准确 测定成为了可能。除了传统的室内岩体力学试验及野外剪切，动、静弹性模量测 试及各类物理、力学常规试验工作外，尚增加了以下特殊类型试验： 岩石的刚性压力机应力一应变全过程试验，咀研究岩石的峰值、残余强度， 并探讨适合于高地应力条件下的岩石本构关系，为弹塑性稳定性分析提供参数和 计算模型，并研究损伤参量与应力应变的关系。 岩体变形破坏全过程声发射特性测试，以研究声发射过程与岩体损伤参量 之间的关系，为建立损伤本构奠定基础。 硬岩的流变试验，以提供岩石的流变参数，进行边坡稳定性的粘弹一粘塑 性分析。 结构面的刚度系数测定及软弱结构面的流变试验。 结构面网络的岩体水力学参数的试验研究。 高边坡变形破坏的原位监测对边坡变形破坏机制研究及稳定性评价和预报具 有十分重要的意义。目前，除了通常的位移监测外，还发展了遥测报警系统及卫 星遥感预警系统，并辅以其它监测，这些监测方法是1 6 l l ： 变形破坏的声发射监测声发射监测具有灵敏度高、定位准确、耗资小等显 著优点，与位移监测配合进行是当前岩体稳定性监测及预报的主要手段。 变形破坏的氢气一a 子体监测。通过仪器测量岩体破坏过程所产生的氢气 一a 粒子及其变化，以实现对岩体破裂过程或边坡稳定性进行间接监测的目的， 这是目前岩体稳定性监测及预报领域的最新进展之一。 变形破裂的光弹贴片监测采用微光型光弹应变计监测岩体的变形，是一种 简便灵敏、价廉的原位监测技术。 13 2 3 高等级公路边坡稳定i 生分析发展趋势 边坡防护技术及其稳定性问题是目前高速公路，尤其是山区高速公路所面临 的障碍尽管其量大面宽，已有不少防护技术和稳定性理论分析方法，但随着边 坡高度的不断增加，地质条件的r 益复杂，其研究： 作更有待深入和完善其稳 定性分析目前呈如下发展趋势：1 6 2 1 在可能出现边坡塌方的重要地段，应事前作好必要的地质勘察，并改变设 计观念，先处治再开挖。这是种积极的方法。 深入探讨边坡失稳的空间形态，研究边坡空间稳定的力学机理；以及环境 ( 水文、地质、渗流、植被) 对边坡空间稳定性的影响。 深入研究有可能不稳定的边坡的环境处治及与开挖后应力释放相应的合理 支护方案。由于土坡稳定性理论本身的不完善，岩土物理参数的复杂和可变性， 对不同的地理环境，不同的地质条件，不同的水流情况，不同的边坡高度，应采 取不同的处治和防护措施。 引入散体力学和流变理论。建立起受渗流作用土体的本构关系，同时通过 室内实验和现场试验提出合理的土体强度理论及其边坡稳应该是比较重要的理论 性研究课题。 研究土筋复合材料力学性能，特别是弄清加筋物与土体的相互作用机理， 促进土工织物在高路堤中的应用，可以为高路堤的边坡处治与防护提供可靠的理 论基础，并可在此基础上进一步完善加筋土挡墙设计和处理技术。 从单一专题性研究向系统性研究发展，不断完善综合评价方法，如：专家 系统方法、决策系统方法、g i s 地理信息系统方法，多因素的模式识别方法、人 工神经网络方法。 重视理论向实际应用转化，各种数学模型的相继建立，推进了非线性工程 地质的研究进展，但建立能适用解决工程实际问题的模型并推广应用，也是边坡 稳定性研究的一个重要方向。 1 4 高等级公路边坡稳定性分析特点及存在的问题 随着我国西部建设的大开发，高等级公路边坡所面临的困难日益提高，其与 一般公路相比，具有如下特点【6 3 】： 高。由于山区高速公路高切高填极为普遍，往往形成大量的高路堤或路堑 边坡，有些边坡甚至高达1 0 0 m 以上： 纵向长。高速公路沿纵向为无限，在山区公路中往往形成无处不是边坡的 特点。此外，由于沿线地质情况变化无常，其稳定性分析和防护技术也各不相同， 即使同一段公路，可能需采用多种甚至几十种不同的处理手段，从而对设计人员 的边坡分析和处理技术将提出更高的要求。 排水困难。 生态防护。 以前对边坡的研究主要按平面问题考虑，按最不利的圆弧滑动面分析。在沿 溪线填方地段多用；或者当探明滑动面后，将滑动面以上的土体视为刚体，用极 限平衡理论进行分析。 关于边坡设计问题，只是根据坡高及土质确定一级或多级纵：横的比值，如 纵：横= l ：o 7 5 等。在设计院中，这种设计往往不太切合实际，以致常常在施 工后发生了塌方再来处治。处治方法常采用的是清坡和设置挡土墙( 应要求墙底 在滑动面以下一定距离) 。 这些计算理论和处治方法，应该说仍然是行之有效的，在某些情况下甚至就 是应当采用的法。但显然又存在着一些缺点： 边坡失稳和滑动往往是一种空间形态，只考虑平面分析是不合理的，但它 应该是空间分析的基础。 公路经过的山区或丘陵，坡度本来是自然稳定的，由于开挖引起应力释放 才引起边坡滑动。以往的设计没有考虑应力释放( 只简单地考虑土质的自然休止 角) ，因而也无法考虑与开挖前后的治理相结合的设计。 没有考虑渗流( 动水压力) 对土体强度( 容重* 内摩擦角妒和粘结力值 c ) 及土体应力软化的影响。为避免这种影响，也可以结合防水来研究，例如地 面水的边沟截流，裂缝堵塞，边坡表面防护，使可能的渗流水变为地表水，设置 截水沟和盲沟等。 如果在高填方地段采用加筋土坡，则旧的计算方法难以考虑土与加筋材料 的复合力学性能。 1 5 本文的研究内容和工作 遗传算法( g e n e t i c a l g o r i t h m s ，简称g a s ) 是建立在自然选择和群体遗传学机 理上的随机、迭代、进化，具有广泛适用性的搜索方法。它的突出特点是具有全 局收敛性、并行性和很强的适应问题的能力( 即鲁棒性) 。 在高等级公路边坡工程中，存在着大量的随机性、模糊性等不确定因素，传统 的一些分析理论与方法难以满足f 1 趋复杂的工程要求。为此，本文探讨遗传算法 在高等级公路复杂边坡中的应用，寻求种新的分析理念和思路。本文的主要研 究内容包括： 1 ) 目前的遗传算法普遍存在局部搜索能力差、搜索效率低的缺点，难以适 应高等级公路复杂边坡分析需要。为此，通过引进搜索效率高的其他搜索方法( 比 如性能优良的数值优化方法) 来改善遗传算法的搜索效率和局部搜索能力，提出 o 小生境遗传算法，以满足复杂边坡的分析需要。 2 ) 对常用边坡分析方法进行归纳总结，探讨小生境遗传算法在复杂边坡稳 定性分析中的应用，建立基于小生境遗传算法的边坡稳定性分析方法。 3 ) 结合某高速公路的工程实例，采用小生境遗传算法进行应用于验证。 2 i 概述 第二章遗传算法基本原理及其改进 在科学研究和工程实际中的许多复杂决策和优化问题难以用传统的数学方法 和优化技术来解决。为此，自2 0 世纪6 0 年代以来，一类模仿生物进化过程的、 被称为“进化算法”( e v o l u t i o n a r ya l g o r i t h m s ) 的优化技术被提了出来，并在求 解性质复杂的优化问题时显现出其独特的优越性。常用的进化算法有【6 4 】：美国学 者h o l l a n d 等在自适应系统的研究中提出的遗传算法( g e n e t i ca l g o r i t h m s ，简称 g a ) 、美国学者f o g e l 等在求解预测问题的研究中提出的进化规划( e v o l u t i o n a r y p r o g r a m m i n g ，简称e p ) 和德国学者r e c h e n b e r g 等在研究风洞中的流体力学问题 时提出的进化策略( e v o l u t i o ns t r a t e ：g i e s ，简称e s ) 。 进化算法的突出特点是【6 5 】：( 1 ) 具有良好的全局最优解搜索能力；( 2 ) 对所 求问题无太多的数学要求，因而适合于任何大型的高度非线性优化问题、非光滑 优化问题以及无解析表达式或者具有多峰的目标函数的优化问题；( 3 ) 对于处理 各种特殊问题和移植其它算法具有极大的灵活性；( 4 ) 具有潜在的并行性和鲁棒 性。在进化算法中，由于遗传算法( g a ) 在工程领域中的成功应用以及求解复杂 优化问题的巨大潜力，愈来愈受到理论界和工程界的普遍重视。 2 2 标准遗传算法 遗传算法( g e n e t i c a l g o r i t h m ，简称g a ) 来源于生物学中达尔文的进化论、 魏茨曼的物种选择学说和孟德尔的遗传学说。1 9 6 2 年，美国m i c h i g a n 大学h o l l a n d 教授提出g a 的基本思想，尔后经过不断发展，在6 0 年代末期形成了基本的遗传 算法的数学框架，并在其1 9 7 5 年出版的专著中给予了介绍。随后，g a 吸引了大 量的研究者和探索者，以其很强的解决问题的能力和广泛的适应性渗透到技术与 工程领域，并取得了良好的效果。遗传算法是建立在自然选择和群体遗传学机理 基础上的具有广泛适用性的搜索方法。它从一组随机产生的、称为种群 ( p o p u l a t i o n ) 的初始解开始搜索( 或称进化) 。种群中的个体称为染色体 ( c h r o m o s o m e ) ，它表示问题的一个解。染色体由一串代码( 比如二进制码) 表 示，且用适应值( f i t n e s s ) 来评价其优劣。按一定的概率，随机选出部分染色体， 通过杂交( c r o s s o v e r ) 或者变异( m u t a t i o n ) 运算得到后代( o f f s p r i n g ) ，并根据 适应值的大小按“适者生存”的原则淘汰部分后代，以保持种群大小不变。这样， 经过若干代进化后，算法收敛于最好的染色体，它就是问题全局最优解的最好近 似。 h o l l a n d 的遗传算法常被称为简单遗传算法( s i m p l eg e n e t i ca l g o r i t h m ，简称 s g a ) ，其标准形式介绍如下。 步l 编码：为了便于遗传算法操作，给出一种编码形式，使问题解空间中的 解数据与遗传算法中遗传空间的基因型串结构数据( 通常采用二进制串形式) 相 对应。比如，若可行点j 有1 6 种可能取值x o ，x l ，x 1 5 ，则可以用4 b i t 的二进制 码0 0 0 1 1 1 来表示，将基因码组合在一起则形成码链。 步2 种群初始化：给定种群规模大小，在可行域上随机产生个初始解( 染 色体) ，组成供遗传操作用的初始种群：当然，一般来说，它们的素质都很差， g a 的任务是要从这些群体出发，模拟进化过程，择优汰劣，最后得出非常优秀 的群体和个体，满足优化的要求。 步3 染色体评价：采用某种准则( 或函数) 对种群中每个个体( 染色体) 进 行评价( 评价函数值又称为适应度) ，以判断其优劣。若满足终止条件，则输出最 优解( 即适应度高的染色体) ；否则，转向步4 ； 步4 选择( 复制) ：根据染色体的适应度值，按一定方法，如赌轮( r o u l e t t e w h e e l ) 法，从当前群体中选择优良( 适应值高) 的个体组成父代，就是说，适 合于生存环境的优良个体将有更多的繁殖后代的机会，从而使优良特性得以遗传。 选择是遗传算法的关键，它体现了自然界中适者生存的思想。 步5 遗传算子：遗传算子包括杂交( 交叉、交配) 和变异两个算子。杂交是 以一定概率p 。从父代选出部分个体( 染色体) 随机配对，并交换配对染色体上部 分信息( 如将表示染色体的二进制字符串上某些位上的数字进行交换) ；变异是按 位( b i t ) 进行以很小概率p 。使得某个染色体上的某位发生变异( 即o 一1 或1 0 ) ， 这样通过遗传操作便形成新的群体，即新一代。转向步3 。 简单遗传算法( s g a ) 的特点： ( 1 ) 自组织、自适应和自学习( 智能) 性。应用遗传算法求解问题时，在编 码方案、适应度函数及遗传算子确定后，算法将利用进化过程中获得的信息自行 组织搜索，使得适应度大的个体通过基因重组和突变等遗传操作而产生更适应环 境的后代，而这种自组织、自适应的特征也使得遗传算法具有能根据问题的特点 自动寻求最优近似解。 ( 2 ) 本质并行性。遗传算法的并行性表现在两个方面：一足内在并行性 ( i n h e r e n tp a r a l l e l i s m ) ，即遗传算法本身适合大规模并行。对于某一具体问题， 该算法适合在目前所有的并行机或分布式系统上各自进行独立种群的进化计算， 等运算结束经通信比较来选取最佳个体：二是遗传算法的内含并行性( i m p l i c i t p a r a l l e l i s m ) ，因遗传算法采用种群的方式组织搜索，因而可同时搜索解空间内的 多个区域，并相互交流信息。虽然这种搜索方式，每次只执行与种群规模成比 例的计算，但实质上已进行了约0 ( 3 ) 次有效搜索，这就使该算法能以较少的 计算获得很大的经济效益。 ( 3 ) 遗传算法不需要求导或其他辅助知识，而只需要影响搜索方向的目标函 数和相应的适应度函数。 ( 4 ) 遗传算法强调概率转换规则，而不是确定的转换规则。 ( 5 ) 遗传算法可以更加直接地应用。 ( 6 ) 对给定问题，遗传算法可产生许多潜在解，最终选择可由使用者确定( 某 些特殊情况下，如多目标优化问题不止存在一个解，而是有一组有效解时，更是 适合采用该法) 。 2 3 标准遗传算