（地质工程专业论文）清连公路岩质高边坡破坏模式及其加固措施研究.pdf

论文题目：淆连公蹯看质蜀边坂破坏模式及兵加固捂施研冤 专业：地质工程 、 硕士生：刘广( 签名) 垒：) 2 ： 指导教师：樊怀仁 ( 签名) 趁! 丝 王念秦 ( 签名) 金龟袅 摘要 近年来，随着我国高速公路事业的迅速发展，由此产生的地质灾害屡见不鲜，特别 是在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，高速公路岩质边坡 是否稳定将直接影响交通运输的安全和公路沿线地区人民的生命财产安全。 国内外对边坡问题的研究高度重视，但由于边坡问题本身的多样性、复杂性，目前 国内对边坡的破坏机理、稳定性分析以及处治方案的可行性研究尚不完善，导致某些边 坡治理失败或治理工程方案偏保守而造成浪费。合理的治理方案基于对边坡地质条件、 坡体结构、破坏模式和机理的正确认识和分析。 本论文以广东省清连一级公路山区高陡路堑边坡破坏现象与原因的调查分析为基 础，通过对山区高等级公路高陡路堑边坡的变形与破坏情况进行分析与研究，对山区高 陡边坡变形与破坏机理进行了比较全面系统的研究，将其破坏型式归纳为滑坡、崩塌、 危岩、落石、坡面冲刷、坡面剥落、坡面溜坍、坍塌等7 种主要类型：并将路堑边坡 破坏的主要影响因素归纳为8 种，包括边坡几何效应、岩体结构、软弱夹层、降雨、 边界条件、风化，强扰动，设计旖工因素；并建立了多种岩质高边坡变形破坏的地质力 学模式。 此外，本文结合理论分析与工程实践，对清连公路部分典型岩质高边坡进行了加固 设计，为类似山区公路升级改建工程可起到一定的借鉴作用。 关键词：岩质边坡；破坏模式；影响因素；加固措施 研究类型：应用研究 s u b j e c t ：r e i n f o r c em e a s u r ea n dd e m o l i s hp a t t e r n sf o rh i g hl i o e 蚵 s l o p ei l lq i n g l i a ne x p r e s s w a y , g u a n g a o n g p r o v i n c e $ 1 ，e e i a l t y ：g e o l o g i c a le n g i n e e r i n g n a m e ：l i u g u a n g i n s t r u c t o r ：f a ni t u a i r e n ( s i g n a t u 心) ：兰纽9 ( s i g n a t u 旧臣堕塑 w a n gl 、l i a n q i n ( s i g n a t u r e ) a b s t r a c t w i t l l 血cc o n s t r u c t i o no fh i g h w a y s , t h eg e o l o g i ch a z a r d so c c l rf r e q u e n t b , e s p e c i a l l yi n c o m p l e xg e o l o g i c a lr e g i o n s ，i ti sm o l el i a b l et oo e e u r i n gs l o p ep r o b l e m st ob u i l dh 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 l ld 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 y l i n ep e o p l e sl i v e sa n dp r o p e r t i e s t h o u g hi tw a sw i d e l ys t u d i e df o rq u e s t i o n so f s l o p e i n l a n da n do v c e t s i 阻s , s e v e r a ld i s a b l e d s l o p e si r e a t m c n to fe o n s e r v a t i v em a d es o m eo v e r s p e n d i n gf o ri tw f l sn o te o n s u m m a t e z y s t u d i e di ns l o p eb i 联姆m e c h a n i s m , a n a l y s i so fs t a b i l i t yt h e o r ya n df e a s i b i l i t yo ft r e a t m e n t p r o j e c tb e c a u s eo f i t sd i v e r s i t ya n dc o m p l e x i t y e x c e l l e n td e s i g nw a sb a s e d0 1 1a c c u r a t e l yu n d e r s t a n d i n ga n da n a l y s i so fs l o p eg e o l o g i c a l c o n d i t i o n , f l f l m e ，b l e a k a g em o d ea n dm e e h , a , n i s m i nt h i sp a p e rt h ea u t h o ri n v e s t i g a t ea n d s t u d y0 1 1d i s t o r t i o na n dd e m o l i s hm e c h a n i s mo fh i g hm o u n t a i nr o c ks l o p er o u n d l ya n d p r o f o u n d l yb yi n v e s t i g a t i n gi t sr 戗l s o na n dp h e n o m e n ai nq i n g l i a ne x p r e s s w a y , g u a n g d o n g p r o v i n c e a n dc o n c l u d et h ed i s t o r t i o na n dd e m o l i s hf o r mi n t o7t y p e s , s u c ha ss l i d es l o p e , d i l a p i d a t i o n , d l l n g c l o u sr o c k , r o c kf a l x i n g ，s l o p i n gs u l f a c es e o u r i n g , f l a k i n g , s l i d i n g , a n d c o l l a p s e t h e nc o n c l u d et h ed i s t o r t i o na n dd e m o l i s hi n t l u e n f a c t o ri n t o8 咖，s u c h 嬲 g e o m e t r r d o m i n oe f f e c t , r o c kf l f l m l ：，b 瓢l n e s si n t e r l a y e r , r a i n f a l l ，b o u n d a r yc o n d i t i o n , w e a t h e r i n g , s t r o n gd i s t u r b i n ga n dc o n s t r u c t i o n a t l a s tw ee s t a b l i s hs e v e r a lg e o l o g i c m e c h a n i c a lp a t t e r n sf o rd i s t o r t i o na n dd e m o l i s ho f h i g hm o u n t a i nr o c ks l o p e o t h e r w i s e , t h i sp a p e ri n t e g r a t e st h e o r yw i t hp r l l c t i c ed e s i g n st h es h o pd r a w i n gf o rh i g h m o u n t a i nr o c ks l o p ei nq i n g l i a ne x p r e - “s w a y ，g u a n g d o n gp r o v i n c e , a n da c c u m u l a t e s e x p e r i e n c ef o rh i g hm o u n t a i nr o c ks l o p ew h i c hr e s e m b l e st h es l o p ei nq i n g l i a ne x p r e s s w a y ， g u a n g d o n gp r o v i n c e k e y w o r d s ：r o c ks l o p ed e m o l i s hp a t t e r n i n f l u e n c ef a c t o rr e i n f o r c em e a s u r e 压要斜技大学 学位论文独创性说明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 其取得研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科技大学 或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 ，、 k 学位论文作者签名：劫于日期：撕。扩6 r ，咿 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定。即：研究生在校攻读学位期间 论文工作的知识产权单位属于西安科技大学。学校有权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。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学 位论文的全部或部分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。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课 题再撰写的文章一律注明作者单位为西安科技大学。 夕7 年g 月p 日 1 绪论 1 1 选题背景及研究意义 l 绪论 1 1 1 选题背景 高速公路是二十世纪三十年代在西方发达国家开始出现的专门为汽车交通服务的 基础设施。高速公路在运输能力、速度和安全性方面具有突出优势，对实现国土均衡开 发、缩小地区差别、建立统一的市场经济体系、提高现代物流效率具有重要作用。目前 全世界已有8 0 多个国家和地区拥有高速公路，通车里程超过了2 3 1 0 k m 。高速公路不 仅是交通运输现代化的重要标志，也是一个国家现代化的重要标志。 党的“十六大”提出全面建设小康社会的奋斗目标，我国经济社会将进入新的高速 发展时期，运输需求将持续快速增长。因此规划建设中的国家高速公路网采用放射线与 纵横网格相结合布局方案，由7 条首都放射线、9 条南北纵线和1 8 条东西横线组成，总 规模约8 5 x1 0 4 k m 。其中主线6 8 1 l 锄，地区环线、联络线等其它路线约1 7 x1 0 4 k m 。 据初步统计，在规划的8 5 1 0 l 锄国家高速公路网中，目前已建成2 9 1 0 k m 、在建1 6 1 0 4 l 血、待建4 1 0 4 k i n ，分别占总里程的3 4 、1 9 和4 7 。待建里程中，东部地区 0 8 x1 0 4 k m 、中部地区1 1 1 0 4 l m 、西部地区2 1 1 0 l 锄，建设任务主要集中在中西部地 区，特别是西部地区的建设任务还相当繁重。 广东省地处中国大陆最南部，东邻福建，北接江西和湖南，西连广西，南临南海， 珠江三角洲东西两侧分别与香港和澳门特别行政区接壤，西南部雷州半岛隔琼州海峡与 海南省相望，是我国改革开放的前沿，经济实力雄厚，连续多年经济总量位居全国首位 改革开放以来，广东省城市公路建设投资规模达全国第一位。无论是建设规模、发展速 度，还是建设质量都走在全国前列。 然而，广东省内各地区的经济发展极不平衡，除了珠江三角洲和部分沿海城市经济 发展较快，较发达外，位于粤东，粤北的大部分山区经济发展仍相当缓慢，是经济欠发 达地区。广东要在2 0 1 0 年基本实现现代化，山区经济的发展不容忽视，必需以公路为 重点全面改善基础设施，加快山区交通、水利、电力、通信等基础设施建设，切实改善 山区发展环境。以建设公路网和整治内河航道为重点，加快建设山区地级市通往经济发 达地区的高速公路和对山区国道、省道公路的改造。同时为了落实泛珠三角战略”，广 东交通部门修编完善公路路网规划，出省高速公路由八条增至1 2 条，增加了怀集至连 州( 到湖南永州) 、梅州至大埔( 通福建省) 、罗定至岑溪( 通湖南) 等高速公路出口。 其中广东省清连一级公路升级改造( 高速) 工程位于广东省西北部清远市境内。既 西安科技大学硕士学位论文 有清连一级公路是国道1 0 7 的一段，北接湖南省、南连广清高速与珠三角紧密相连，对 清远市的交通事业和经济发展有着十分重要的地位和作用。由于历史原因和地形局限， 该路设计技术标准较低，存在弯多、坡陡、坡长等弊端，经过8 年的运营路面破损严重， 路况愈来愈差，已成为制约清远南北交通的瓶颈。在广东省委、省政府的关心支持下， 清连一级公路高速化改造工程于2 0 0 5 年正式纳入计划，并于2 0 0 5 年下半年开展前期勘 查工作。清连一级公路高速化改造项目由广东清远公路发展有限公司投资，项目总投资 接近5 0 亿元。改造后的清连公路将升级为高速公路，该路南起清远市郊区与广清高速 公路相连，北至连州凤头岭，跨越清新县、阳山县、连南县，全长2 1 5 k m ，在未来几年 里，将与二连浩特至广州高速公路相连，是国家高速公路网“7 9 1 8 ”网的重要组成部分， 与太原至澳门高速公路、京珠复线的京珠高速相接，同时又是广东“九纵五横二环”主骨 架中的第六纵“珠海至连州高速公路”的重要组成部分。 图1 1 广东省高速公路规划网图图1 2 清连一级公路工程区位图 据不完全统计，原有清( 远) 连( 州) 一级公路共有边坡4 2 7 处，其中土质边坡1 0 2 处，岩质边坡3 2 5 处，边坡高度一般为2 0 5 0 m ，最高达6 0 m ，原有边坡较陡，坡率一 般为l ：0 1 1 ：0 5 ，局部直立甚至成反坡，坡体较高且无减压平台，坡面凹凸不平，路 容景观性差，坡体裸露且大多未采取工程防护措施，有相当数量的挖方路堑边坡出现了 不同程度的滑坡、崩塌、蠕滑以及碎落现象，严重影响现有道路的正常运营。 岩质高路堑高边坡由于地形条件、地质结构和环境背景复杂多变，边坡工程安全要 素和技术等级越来越高，其变形失稳机制和加固工程对策有其自身的特点。为了解决有 关工程技术难题，一些专家、学者和广大工程技术人员，积极应用工程地质学、岩石力 学等学科的知识和成果，开展了广泛的科学研究和工程实践，取得了不少进步和发展。 但是，由于问题的复杂性，研究手段的局限性以及研究工作的具体困难，还有很多问题 没有很好解决，至今尚未有一套比较成熟的理论分析方法可以较好的指导岩质路堑高边 坡的稳定性分析和防护加固工程设计。 在岩质路堑高边坡的具体防护加固工程设计中还存在较多问题，具体表现在：( 1 ) 普遍采用工程地质类比分析，过分依赖具体工程经验，造成工程设计人为因素较强或可 2 1 绪论 靠性较低。( 2 ) 对路堑高边坡的失稳机理研究深度不足，具体防护加固工程对策依据不 足或针对性不强，为了保证安全，往往简单的采用较大安全储备，提高了防护工程造价， 造成了资源的浪费；同时也有因工程对策选择失当，带来的边坡工程安全隐患。( 3 ) 在 稳定分析计算方法中，一般沿用传统的刚体极限平衡理论，没有考虑材料的应力应变关 系以及岩土与结构的耦合作用，对开挖和防护工程施工各阶段边坡的稳定性缺乏具体分 析和定量化判断。因此，对岩质路堑高边坡的失稳机理和加固工程对策进行系统的研究， 以指导现有边坡工程设计和边坡防护加固工程施工就显得非常必要和紧迫。 1 1 2 岩质路堑高边坡破坏模式研究的目的和意义 长期以来，路堑边坡的治理一直是公路建设中的一个薄弱环节，2 0 世纪8 0 年代中 期以前，我国主要以低等级公路建设为主，由于交通量小，路线选择时深挖高填路段较 少，加之投资不大，因而边坡治理工程不作为公路建设的主体工程，甚至在工程中对边 坡的治理研究常常被忽视。 2 0 世纪8 0 年代以来，随着我国公路建设的飞速发展，边坡稳定性问题日益突出， 但由于缺乏对边坡治理技术的系统研究，从而为工程埋下隐患，边坡失稳造成交通中断， 甚至造成巨大的经济损失和不良的社会影响，同时大大增加了后期维护处治费用。我国 是一个多山的国家，据有关资料显示：我国的山地约占国土总面积3 3 ，丘陵占1 0 ， 崎岖高原占1 0 以上。广东省山区包括：从化市、南澳县、梅江区等5 0 个山区县( 市、 区) ，面积共1 1 7 5 万平方千米，占全省的6 6 。2 0 0 2 年末山区人口为3 1 0 0 8 0 万人， 占全省总人口的4 0 5 3 ，为了开发山区、建设山区、改变山区经济滞后的面貌，提高 人民生活水平，交通便利是一个必要的条件。丘陵山区公路路堑边坡治理研究日益引起 公路建设部门的重视，路堑边坡治理设计是公路设计的重要内容之一，但往往由于设计 和施工周期较短，研究深度不够，缺乏综合考虑而出现。亡羊补牢”的局面，势必加剧 工期的紧迫和造成经济上的浪费，有时甚至制约了公路建设的进度、质量和投资控制。 从已建工程的经验和教训来看，边坡工程作为公路建设的一部分，需根据工程的具体情 况综合考虑，因地制宜地选择安全可靠、经济合理、外形美观的工程措施，并安排适宜 的治理时机，确保公路的行车安全和运营效益。基于此目的，以“广东省清连一级公路 升级改造( 高速) 工程路堑边坡破坏方式”为研究载体，以岩质路堑高边坡破坏机理与 模式研究为主要内容，提出“清连公路岩质高边坡破坏模式及其加固措施研究”作为硕 士毕业论文的研究内容。 1 2 岩质高边坡研究的历史和现状 人类在从事生产和建设过程中，不可避免的要对地球表层进行改造，其中，水电建 设、露天采矿和道路修筑等人类工程活动对岩体的挖掘往往形成众多的岩质工程边坡。 3 西安科技大学硕士学位论文 随着人类工程活动范围的不断扩大，对边坡问题的研究也在不断深入，归纳起来，前人 对边坡问题的研究大致可分为以一下五个阶段i i j ： 一、边坡研究的起步阶段。对于边坡变形问题的研究是在边坡稳定性分析研究的基 础之上发展起来的，边坡稳定性的分析研究是始于上个世纪2 0 年代，最早是对土体的 稳定性进行分析和计算，随着发达国家的大规模土木工程建设，大量的边坡工程问题、 特别是滑坡问题随之产生，并造成了很大损失，人们开始应用材料力学和近代土力学的 理论对边坡问题进行半经验、半理论的研究。主要侧重于应用经典土力学的刚体极限平 衡理论计算边坡的稳定性。 刚体极限平衡分析方法是最经典的确定性分析方法田，极限平衡方法是通过分析在 临近破坏状况下，岩土体外力与内部所提供抗力之间的静力平衡，根据莫尔( o m o h r ) 库仑( c c o u l o m b ) 强度准则计算出岩土体在自身和外荷载作用下的边坡稳定性的一 种定量方法，其通常以边坡稳定系数来表达边坡的稳定程度。其基本特点是只考虑静力 平衡条件和土的摩尔库仑破坏准则，也就是说通过分析土体在破坏那一刻的力的平衡来 求得问题的解，当然在大多数情况下问题是静不定的，极限平衡方法处理这个问题的对 策是引入一些简化假定使问题变得静定可解，这种处理使计算方法的严密性受到了影响 但是对计算结果的精度影响并不大，由此而带来的好处是使分析计算工作大为简化。由 于该方法具有模型简单、计算公式简捷、可以解决各种复杂剖面形状、能考虑各种加载 形式的优点，因而在工程中获得了广泛应用。目前已有了多种极限平衡分析方法，如 f c l l c n i u s 法、b i s h o p 法、j a u b u 法、m o r g e m t c r n p r i c c 法、s p e n c e r 法、楔体极限平衡法、 斯宾塞法、不平衡推力法和s a r m a 法等。各类方法有其不同的适用条件，其中s a r m a 法 适用于滑面呈圆弧形或折线形的滑体，f d l c n i u s 法和b i s h o p 法仅适用于滑面呈圆弧形的 滑体，楔体极限平衡法则主要用于岩质边坡中由不连续切割的各种楔形体稳定性分析， 不平衡推力法为规范推荐的边坡稳定性分析方法，s a r m a 法为极限平衡分析方法的最新 成就。 二、工程地质分析法的广泛使用阶段。主要是对地质条件的认识。工程地质分析法 主要包括自然( 成因) 历史分析法和工程类比法两种。自然( 成因) 历史分析法主要根 据边坡的地质环境条件和边坡变形破坏的基本规律，追溯边坡演变的全过程，进而预测 边坡稳定性发展总趋势及其可能破坏方式，该分析方法适用于天然斜坡整体的稳定性评 价。工程类比法则是以边坡地质条件为基础，把已有边坡研究设计经验应用到条件相类 似的新边坡，它需要对边坡进行详细的调查研究，全面分析其与已有边坡的相似性和差 异性，同时还应考虑工程的规模、类型及其对滑坡体的特殊要求等。该方法虽是一种经 验方法，但具有一定的可靠性，在中小型边坡工程分析中常用。从总体上讲，工程地质 分析法以定性评价为标准，因此应用起来有较大的随意性，不便于设计应用( 如病害边 坡加固处理设计等) 且需要使用者具有较丰富的工程经验。2 0 世纪5 0 年代，我国学者 4 1 绪论 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。 三、边坡岩体结构理论形成发展阶段。岩体结构是指结构面在岩体中的空间分布、 组合规律及其所导致的岩体被切割状态。岩体结构的主体是结构面，它是控制工程荷载 作用下岩体的力学作用方式及其力学响应的主要因素之一，因而也在很大程度上决定了 工程岩体的稳定性【3 】。在边坡岩体结构中，软弱结构面构成了一种高级序的边坡结构， 同时也是边坡结构的基本组成；而节理、裂隙发育的差异则使边坡岩体结构趋于多样化、 复杂化。岩体结构理论是边坡稳定性分析与评价的重要方法之一，为分析和解决实际工 程问题提供充分而可靠的理论依据和指导作用。2 0 世纪5 0 年代以l m u l l e r 4 1 等代表的 奥地利学派认为结构面是构成岩体和岩块力学与工程特性差异的根本所在，由此而开始 了岩体结构面和岩体结构研究为中心的岩体力学时代。2 0 世纪6 0 年代谷德振、孙玉科 教授提出了“岩体结构”概念，为将复杂的岩体抽象为科学的结构类型提供了分类依据， 并提出了岩体结构控制岩体稳定性的重要观点1 5 6 1 。经过长期实践和研究孙广忠教授于 1 9 8 4 年进一步提出“岩体结构控制论”是岩体工程地质力学和岩体力学的基础理论，并 全面、系统的以“岩体结构控制论”为依据建立了岩体变形、岩体破坏及岩体力学性质 的基本规律，认为岩体内的结构面及其控制下形成的岩体结构控制着岩体的变形、破坏 机制及其力学法则，从而建立了完整的岩体结构力学体系 7 1 。从7 0 年代开始，h u d s o n 等人用概率统计方法对不连续面几何特征进行了定量研究【。9 1 。1 9 7 6 年r j s h a n l e y 和 m a m a h t b 在数学地质上发表了“产状组数划分分析”的论文，丰富了概率统计对产状 数据研究的内容【埘。1 9 7 6 年s d p r i e s t 和j a h u d s o n s l 建立了由d e e r t l l 】提出的岩石质量 指标与测线法的测线长度及不连续面线性密度的关系。1 9 7 8 年，国际岩石学会实验室和 野外标准化专门委员会提出了对岩体结构面定量描述的推荐方法，其中规定了对结 构面l o 个描述指标，包括结构面产状、抗压强度、间距、充填情况、渗流、组数和块 体大小等。在对岩体结构面定量研究的基础上，1 9 8 1 年进一步提出了不连续面间距测量 的精度估算方法 9 1 。1 9 5 1 年s a p r i e s t 和j a h u d s o n l 8 1 提出了测线法测量半迹长的方法。 1 9 5 4 年美国亚历桑那大学i l h s w k u l a t i l a k e 等提出了岩体结构面平均迹长估算方法 0 2 1 ，1 9 8 6 年又研究了窗口内出露的可见迹长与真实三维空间结构面大小的相互关系， 并将这种关系以概率密度函数形式表示出来 1 3 1 。在随机结构面网络计算模拟技术方面， 1 9 8 9 年潘别桐教授系统介绍了结构概率模拟的基本原理和方法【1 4 1 。1 9 9 5 年陈剑平教授 1 1 5 】在其随机不连续面三维网络计算机模拟原理专著中，详尽论述了在计算机上实现 三维网络计算机模拟的基本原理，并开发编制了三维模拟软件。 自9 0 年代以来，对节理、裂隙和大型结构面的研究手段和方法方面有了较大的进 展，己经利用分形理论来描述岩体结构面的复杂程度，王金安、谢和平( 1 9 9 7 ) 研究了 剪切过程中岩石节理粗糙度分形及其力学特征【1 6 | 5 西安科技大学硕士学位论文 四、边坡变形破坏地质力学模型的不断深化、补充和完善阶段。地质力学模型试验 最早出现在上个世纪6 0 年代，以e f u m a g a l l i 为首的专家在意大利结构模型试验所 ( i s m e s ) 开创了工程地质力学模型试验技术。地质力学模型试验是根据一定的相似原 理对特定工程地质问题进行缩尺研究的一种方法，主要用来研究各种建筑物及其地基、 高边坡及地下洞室等结构在外荷载作用下的变形形态、稳定安全度和破坏机理等。地质 力学模型试验可定性或定量地反映天然岩体受力特性和与之相关联的建筑物之间的相 互影响，可与数学模型相互验证。尤其重要的是它可以比较全面真实地模拟复杂的地质 构造，发现一些新的力学现象和规律，为建立新的理论和数学模型提供依据。上个世纪 7 0 年代中后期以来，地质力学模型试验技术被引入我国，王兰生、张倬元等边坡研究者 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 过程和机理的研究，提出了累进性破坏的观点以及边坡变形破坏的机理模式，使边坡稳 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，提出了斜坡变形的6 种主要模式，即蠕滑拉裂、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3 种基本破坏方式，即崩落( 塌) 、滑落( 坡) 、( 侧向) 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1 7 l 。 五、数值模拟技术广泛运用阶段。 随着计算机技术和计算方法的发展，复杂的工程问题可以采用离散化的数值计算方 法并借助计算机得到满足工程要求的数值解，数值模拟技术是现代工程学形成和发展的 重要动力之一通过计算模拟，可以模拟并得到模拟体内部的应力应变关系，再现其 变形甚至破坏过程及其机制。在岩土工程数值分析中最常用的数值方法有有限元法、离 散元法、边界元法等。 有限元法于( f e m ) 作为一个有效的数值计算方法，其起源可以回顾到上世纪5 0 年代的中期【蝎“9 2 0 ! 。基本概念是用较简单的问题代替复杂问题后再求解。它将求解域 看成是由许多称为有限元的小的互连子域组成，对每一单元假定一个合适的( 较简单的) 近似解，然后推导求解这个域总的满足条件( 如结构的平衡条件) ，从而得到问题的解。 这个解不是准确解，而是近似解，因为实际问题被较简单的问题所代替。由于大多数实 际问题难以得到准确解，而有限元不仅计算精度高，而且能适应各种复杂形状，因而成 为目前行之有效的工程分析手段。 随着岩土材料的非线性弹塑性有限元计算技术的发展，有限元强度折减法近来在国 内外受到关注，对于均质土坡已经得到了较好的结论。郑颖人等曾采用有限元强度折减 法对均质土坡和完全贯通性岩体边坡进行了稳定性分析和精度验算，有限元强度折减法 是利用有限元计算收敛的特点，通过对节理岩质边坡非线性有限元模型进行强度折减， 使边坡达到不稳定状态时，有限元静力计算将不收敛，此时的折减系数就是稳定安全系 数，同时可得到边坡破坏时的滑动面以及破坏过程1 2 1 弘2 3 川。 6 1 绪论 离散单元法( d e m ) 是求解块体集合体在外力作用下，块体间的相互作用及运动过 程的有效方法，这种方法由c u n d a n 在1 9 7 1 年提出，它与固体力学有限单元法有本质的 区别【2 5 孤2 7 1 ，前者是基于弹性力学的小变形假设，以虚功原理为理论基础而建立的， 它讨论的主要是小变形。 边界元法( b e m ) 是七十年代兴盛起来的一门新的计算方法，近年来得到了长足的 发展 2 8 2 9 1 ，边界元法将边界广义位移和广义力作为独立变量，且同时以满足场方程的奇 异( 源) 函数为加权函数，是一种特殊格式的加权余量法边界元法与有限元法比较， 具备更多的优点：( 1 ) 它能够使问题的维数降低一维；( 2 ) 它只需将边界表面离散化， 减少了方程数目；( 3 ) 由于直接建立在问题的基本控制方程与边界条件基础上，所以无 需事先寻找任何泛函数。 数值模拟是解决岩土工程问题的有效手段 3 0 l ，它已越来越多地应用于岩土体稳定 性、岩土工程设计和岩土工程基本问题分析中，岩土工程数值模拟新方法的不断出现和 发展，是解决岩土工程复杂问题的必然要求。近年来相继出现了一系列新的数值方法， 其中无网络伽辽金法( e f g m ) 和数值流形法( m m ) 是新的数值方法的典型代表，它 们有着一般数值方法所无法比拟的优点，对于解决岩土工程特殊问题具有快速有效的特 点。如对断裂扩展、开挖问题，它们比一般数值方法更为有效。 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砻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，国家专门立项开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。综上所述，边坡工程经历了从现象认识、地质分析、 岩体力学分析、机理分析、定量评价的发展历程。经过百余年的努力，边坡稳定性研究 已经取得了令人注目的成就。 1 3 理论基础 当前边坡稳定性评价的基本理论和方法主要有以下几种： 1 3 1 定性分析方法 主要是分析影响滑坡稳定性的主要因素、失稳的力学机制、变形破坏的可能方式及 工程的综合功能等，对边坡的成因及演化历史进行分析，以此评价边坡稳定状况及其可 能发展趋势。该方法的优点是综合考虑影响边坡稳定性的因素，快速地对滑坡的稳定性 7 西安科技大学硕士学位论文 做出评价和预测。常用的方法有： ( 1 ) 地质分析法( 历史成因分析法) 根据滑坡的地形地貌形态、地质条件和滑坡变形破坏的基本规律，追溯滑坡演变的 全过程，预测滑坡稳定性发展的总趋势及其破坏方式，从而对滑坡的稳定性做出评价， 对已发生过滑坡的边坡，则判断其能否复活或转化。 ( 2 ) 工程地质类比法 其实质是把已有的自然边坡或人工边坡的研究设计经验应用到条件相似的新边坡的 研究和人工边坡的研究设计中去。需要对已有边坡进行详细的调查研究，全面分析工程 地质因素的相似性和差异性，分析影响边坡变形发展的主导因素的相似性和差异性，同 时，还应考虑工程的类别、等级及其对边坡的特定要求等。它虽然是一种经验方法，但 在边坡设计中，特别是在中小型工程的设计中是很通用的方法。 ( 3 ) 图解法。图解法可以分为两类： 用一定的曲线和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它参数( 9 、c 、丫、结构面倾角、坡角、坡高) 仅一个未知的 情况下，求出稳定坡角或极限坡高。这是力学计算的简化。 利用图解求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。常用的为赤平极射投影 分析法及实体比例投影法。 ( 4 ) 专家评价系统 1 3 2 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方向之上。 ( 1 ) 极限平衡法 传统方法的边坡稳定分析采用极限平衡法，极限平衡法现今已发展到非常系统完 整，甚至可以说是精致。 极限平衡法是建立在大家所熟悉的摩尔一库仑强度准则基础上的。其表达式为： t f = c 7 4 0 伽坤7 = c + ( o - u ) t a n e 7 ( 1 1 ) 式中：研为破坏面上的剪应力；c7 为土的有效粘聚力；o 和o 为破坏面上总应力 和有效法向应力；u 孔隙土压力；q 为土的有效内摩擦角。 极限平衡方法的基本特点是，只考虑静力平衡条件和土的摩尔一库仑破坏准则。也 就是说，通过分析土体在破坏那一刻的力的平衡来求得问题的解。在处理上，各种条分 法还在以下几个方面引入简化条件：1 ) 对滑裂面的形状作出假定，如假定滑裂面形状 为折线、圆弧、对数螺旋线等；2 ) 放松静力平衡要求，求解过程中仅满足部分力和力 8 l 绪论 矩的平衡要求；3 ) 对多余未知数的数值和分布形状做假定。当然，在大多数情况下问 题是静不定的，极限平衡方法处理这个问题的对策是引入一些简化假定，使问题变得静 定可解。这种处理，使方法的严密性受到了损害。但是，对计算结果的精度损害并不大， 由此而带来的好处是使分析计算工作大为简化，因而在工程中获得广泛应用。该方法的 关键在于对滑体的范围和滑面的形态进行分析，正确选用的滑面计算参数，正确地分析 滑体的各种荷载。基于该原理的方法很多，如条分法、圆弧法、b i s h o p 法、j a n b u 法、 不平衡传递系数法等。 ( 2 ) 数值分析方法 目前，刚体极限平衡方法已经从二维发展到目前的三维。有关边坡稳定三维极限平衡 方法，已有众多文献介绍研究成果。随着计算机软件、硬件的飞速发展，计算机手段更 加广泛地运用于工程地质方面的研究和生产。各种数值分析方法也日臻完善。下面介绍 几种常用的方法。 数值分析方法主要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，由此判断边坡的稳定性。主要有以 下几种：有限单元法( f e m ) ；边界单元法( b e m ) ；离散元法( d e m ) 1 4 研究内容、方法及采用的技术路线 1 4 1 研究内容 ( 1 ) 研究区工程地质条件调查、分析； ( 2 ) 研究区边坡特征、类型、变形破坏条件及破坏模式探析； ( 3 ) 不同类型边坡病害稳定分析及破坏机理探讨； ( 4 ) 典型岩质高边坡变形破坏模式数值模拟求证； ( 5 ) 典型岩质高边坡加固措施建议 1 4 2 研究方法 本研究充分发挥地质原型调研与地质过程分析，遵循“地质过程机理定性分析一量 化评价”和“系统工程地质”的学术思想，紧密结合广东省清连一级公路升级改造( 高 速) 工程4 4 段岩质高边坡的调查、勘察、工程设计实践，在现场工程地质调查和资料 收集的基础上，对沿线岩质边坡的工程地质环境条件进行了分析研究；采用现场原型调 研与室内分析相结合，物探、勘探、测试和监测，地质力学模型模拟试验等手段方法对 沿线岩质路堑高边坡变形破坏机理进行了研究、归纳总结；通过工程地质调查、经典力 学计算、岩体结构理论、工程地质分析法、数值模拟等手段方法，对沿线路堑边坡的稳 定分析和边坡变形破坏机理、模式进行了研究，为类似边坡工程勘察设计提供基础理论 9 西安科技大学硕士学位论文 依据。 1 4 3 技术路线 边坡( 斜坡) 的稳定性状况受边坡几何条件、边坡区的工程地质条件及岩体力学环 境条件控制的。根据以上所述研究思路，本文采用的技术路线如图1 4 所示。 图1 4 研究路线技术框图 1 0 2 研究区自然地理及工程地质环境条件 2 1 气象水文 2 1 1 地理位置 2 研究区自然地理及工程地质环境条件 广东省清( 远) 连( 州) 一级公路升级改造( 高速) 工程位于广东省西北部清远市 境内。起点位于粤湘交界处，大部分沿既有清连一级公路，途径大路边镇、星予镇、麻 步镇，九陂镇、凤埠镇、黎埠镇、阳山县、杜步镇、沙河镇、云和镇、珠坑镇、和清新 县。其中连州至凤埠段偏离既有清连一级公路与二广高速公路共线，“迳口至横河段” 从清新县绕过清远市区接广清高速公路。全线长2 1 5 k i n 。地理坐标大致为东经1 1 2 。2 3 o l ”1 1 3 。o o 3 3 ”，北纬2 3 。4 17 1 2 ”2 5 。0 77 5 3 ”。 2 1 2 气象 研究区路线较长，所跨区域较多，气候差异较大，总体上属亚热带季风性气候。受 季风的影响，气候较温暖湿润，雨量充沛，夏季湿热，冬季干燥，有冷空气袭击。4 8 月为雨季，降雨量占全年的6 4 3 6 6 2 ，1 1 月至次年的1 月为枯水季节，降雨量仅占 全年的1 0 o 1 1 o ，为地下水的消耗期。年日照时数为1 9 0 0 小时左右，日照率约为 4 3 。风向季节性变化显著，其中，夏季多南风和东南风，冬季多东北风，多年风速1 3 1 6 m s ，最大风速1 1 3 1 3 3 m s 。沿线主要地区具体气象要素统计见表2 1 。 表2 1 气象要素统计表 2 1 3 水文 研究区路线所在区域内水系较发育，属北江水系。大体上具有这样的特点：河流多 呈树枝状分布，山区河谷断面多为“v ”字型；区内河流多具山区河流的特征，且流程 西安科技大学硕士学位论文 短、水流急、坡降较大；水位涨落迅速的特点；四季水位、流量变化显著。河道坡长坎 多，水流及流量变化大。沿线经过的河流主要有北江干流及其一级支流连江和滨江，其 中连江及其支流流向多由北西向南汇入北江。 2 2 地形地貌 研究区位于粤北山区，总的地势西北高，东南低，总体上地貌单元属于低山丘陵地 貌，地形起伏变化较大，但按路线经过的地貌单元划分，则可划分为构造剥蚀型、岩溶 型和河流侵蚀堆积型。各成因类型的地形地貌特征简述如下： 2 2 1 构造剥蚀型 该成因类型的地貌在研究区路线以丘陵为主，主要分布在麻步镇以北的大路边镇和 星子镇一带，以及沙河镇清新县城一带。该类成因类型的地形地貌特征为，相对高差 较大，局部为冲积平原，地形地貌条件复杂。根据野外调查，崩塌、滑坡等不良地质灾 害较为发育，主要发生在路线开挖的两边。 2 2 2 岩溶型 该类型地貌以可溶岩为基岩，主要分布于麻步镇一沙河镇的大部分地区，此外，路 线起点附近亦有少量分布。该类型的地貌可划分为峰林地形和丘陵溶蚀洼地。 l 、峰林地形 多分布于路线两侧数百米以外，峰林高程多为5 0 0 8 0 0 m ，相对标高大于3 0 0 m ， 主要由灰岩、白云岩、白云质灰岩和泥质灰岩组成。山顶尖棱状，坡度多为5 0 6 0 。， 多孤峰悬崖峭壁，一般连座孤峰之间发育有溶蚀谷地、落水洞、漏斗、石芽、溶槽、溶 沟、洼地等岩溶地貌，多呈北北东排列。干沟多，岩石裸露，植被较少。 2 、丘陵溶蚀洼地 ” 为沿线主要的岩溶地貌，丘顶高程一般在5 0 0 m 以下，地面相对高差一般5 0 1 5 0 m ， 由主要由灰岩、白云岩、白云质灰岩和泥质灰岩组成。多呈连座孤峰，尖棱状，坡度一 般4 0 5 0 。连座孤峰之间发育由溶蚀洼地，一般覆盖有l 5 m 的土层。低洼处有暗 河出口和岩溶泉分布，蜂林较多，拔地而起，群峰林立，形态各异。岩石部分裸露，植 被不甚发育。 路线所经地段以丘陵地貌为主，山坡陡峭，相对高差较大，地形地貌条件复杂。根 据野外调查，崩塌、水土流失等不良地质灾害较为发育，且主要发生在路线开挖的两边。 该段岩质高陡边坡较多，岩石节理较发育。 1 2 2 研究区自然地理及工程地质环境条件 2 2 3 河流侵蚀堆积型 研究区河流侵蚀堆积型地貌不甚发育，主要集中分布于北江附近的清远市周围；连 州市、黎埠镇和阳山县等地的部分地区也以此类型为主；此外沿线河溪两岸零星分布。 路线主要位于河浸滩和河流阶地中，高出河水面最多可达6 0 8 0 m 。覆盖土层主要由砾 石、粘性土及粉砂组成，一般具有二元结构。 该段地势平坦，以冲积平原为主，局部发育有河流水系等，相对高差小，地形地貌 条件中等。 总体上研究区沿线地貌单元较多，地形起伏较大，造成公路弯多路陡。既有的地形 决定公路的建设必将开挖隧道、架高架桥、处理边坡等。河流侵蚀堆积型地貌对工程影 响不大；其余的低山丘陵地貌区均可能因人为破坏山体自然应力平衡而产生塌陷、滑坡 和崩塌等不良地质现象，将对工程建设带来不利影响。 2 3 地层岩性 研究区出露地层较多，除志留系( s ) 和奥陶系( o ) 地层缺失外，路线切割了自震 旦系以来的其它地层；路线还经过了燕山三期两个阶段的岩浆岩区域。研究区路线周围 及外围地层岩性见表2 2 。 根据本次野外地质调查和区域地质资料，结合钻孔资料，研究区路线沿线切割的地 层主要特征和分布范围分别表述如下： ( 一) 震旦系( z ) 主要分布在k 2 2 2 6 + 0 0 0 k 2 2 3 3 + 0 0 0 张屋一带。地表植被较发育。岩性为灰、灰 白、黄色等石英片岩、云母石英片岩、