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高速公路路堑边坡稳定性研究 摘要 高速公路平、纵、横设计技术标准相当高，路矩边坡是其最为普遍 的内容之。路颦边坡的稳定性直接关系到高速公路的施工进度及其建 成以后的l f 常运营，有时甚至造成人员的伤亡，经济损失不可估量。因 此，近几年来，路矩边坡的危害己引起了人们“泛重视，其研究是一个 崭新的课题。相比之下，矿山、水利和铁道工程中在这一方面的研究却 比较多，并积累了丰富的实践经验与理论成果，值得借鉴。 几十年的发展，边坡的稳定性研究经历了一个由静态到动态、确定 性到非确定性、二维到三维、均质各向同性到非均质各向异性的进步历 程。稳定性分析方法非常多，) 本文基于前人的研究成果，以杭会一衢高速 公路( 诸暨段) 沿线路颦边坡为背景，主要作了以下_ r ：作： 1 针对现有众说纷纭的边坡稳定丝分析理论与方法，本文总结了其 研究现状及发展历程，并进行了系统地分类和总结，为高速公路路帮边 坡的稳定性评价提供指导和依据； 2 直建公堕路斯边坡的稳定性研究必须以合理的地质模型为基础。 本文从边坡的变形与破坏分类着手，把边坡的变形与最后的失稳破坏模 式分丌来考虑，提出边坡的侧向扩离、蠕变流动和倾倒变形都只是边坡 失稳前的几种变形演变模式，而将边坡的最后破坏模式划分为滑坡、崩 塌和泥石流三种类型。在此基础上，本文探讨了高速公路路帮边坡失稳 的主要影响因素，并对高速公路路堑边坡失稳的常见破坏模型进行了系 。_ - 。_ 。一 统分类。 3 本文通过工程地质建模和数学力学建模，拟订了一套比较完整 的路颦边坡塑定性评俭思路，并提出了一种几何学与力学相结合的稳定 性分析方法。该方法在杭一金一衢高速公路( 诸暨段) 沿线路钷边坡稳定性 评价中发挥了重要作用。 s t u d y o nc u t t i n gs l o p es t a b i l i t y o fm o t o r w a y a b s t r a c t t h ed e s i g ns t a n d a r do fm o t o r w a yi sv e r yh i g h ，e s p e c i a l l y i np l a n e ， v e r t i c a la n dt r a n s e c tf a c e c u t t i n gs l o p e sa r ei t s m o s tv i s i b l ev i e w t h e s t a b i l i t yo fs l o p ed i r e c t l y c o n c e r n st h ec o n s t r u c t i o np l a na n dn o r m a l l y m a n a g e m e n t a f t e rt h ec o m p l e t i o no fp r o j e c t s ，s o m e t i m e se v e ng i v eg r e a t h a z a r dt om e n sl i v e sa n de c o n o m y s or e c e n ty e a r s ，i th a sb e i n gl o o k e d o na san e wi m p o r t a n tr e s e a r c hb ym o r ea n dm o r ep e o p l e w h i l et o e n g i n e e r i n gi nm i n e r a l ，i r r i g a t i o n w o r k sa n dr a i l w a y , r e s e a r c ho ns l o p e s t a b i l i t y h a sa c c u m u l a t e d q u i t e al o to fp r a c t i c e sa n d e x p e r i e n c e s ， v a l u a b l e l y t oc i t ea n dc o n s u l t b y t e n so f y e a r sd e v e l o p m e n t ，t h es t u d y o nc u t t i n gs l o p es t a b i l i t yo f m o t o r w a y h a se x p e r i e n c e ds u c hap r o g r e s s i o n ：f r o ms t a t i s t i ct od y n a m i c c o n f i r m i n g t ou n c o n f i r m i n g ，d o u b l ed i m e n s i o n st ot h r e e d i m e n s i o na n d f r o m i s o t r o p yt oa n i s o t r o p y s t a b i l i t ya n a l y s i sm e t h o d s a r ev e r ya b u n d a n t b a s e do nc u r r e n tr e s e a r c hf r u i t s ，t h i sc o n t e x th a sm a d ead e e ps t u d yo n h a n g - - j i n - q vm o t o r w a yc u t t i n gs l o p es t a b i l i t y , b a s i c a lw o r k a sf o l l o w s 1 ) f a c e dt o a l ls o r t so fs t a b i l i t y a n a l y s i sm e t h o d s ，t h i s c o n t e x th a s g e n e r a l i z e d t h es t a t u si n q u o a n di t s d e v e l o p m e n t ，a n d h a sm a d ea c l a s s i f i c a t i o ns y s t e m a t i c a l l y 2 ) s t u d yo nm o t o r w a yc u t t i n gs l o p es t a b i l i t ys h o u l db a s er e a s o n a b l e i i g e o l o g i c a l m o d e l s t od i f f e r e n t i a t e t h e s l o p e f a i l u r ef r o mi t s d e f o r m a t i o n ，w ec o n s i d e rs i d ed i s p l a c e m e n t ，s q u i r m i n g a n dt o p p l i n ga r e j u s t f o r m so fd e f o r m a t i o n ，a n dt h es l o p el a s t f a i l u r e sa r ej u s t s l i d i n g ， c o l l a p s ea n df l o w i n g b a s e do nt h i s ，t h i s t e x tm a d eas t u d yo ni n f l u e n c e f a c t o r so f s l o p es t a b i l i t y , a n dg a v eas y s t e m a t i c a l l yc l a s s i f i c a t i o no ns l o p e f a i l u r em o d e l s 3 ) b yb u i l d i n gg e o l o g i c a lm o d e l sa n dm a t h e m e c h a n i c a lm o d e l s ，t h i s c o n t e x th a sc r e a t e dac l e a rv a l u a t i o na p p r o a c hi nr e s e a r c h ，i tc o n c l u d e d g e o m e t r i c a l a n dm e c h n i c a l i n t e g r a t i o n o fc o u r s e ，t h i s m e t h o ds h o w e d g r e a ts i g n i f i c e n c e o n h a n g - j i n q vm o t o r w a yc u t t i n gs l o p es t a b i l i t y e s t i m a t i o n j 箱章绪论 浙江t 业人学倾卜沦义2 0 0 第一章绪论 随着我国社会经济的初步繁荣与科学技术的迅猛发展，特别是2 0 世纪9 0 年代以来，城市化和现代化的进程极大地推动了我国基础设施的 建设。其中，高速公路的建设无疑将为我国社会市场经济的繁荣注入新的 血液，是推动国民经济腾飞的重要支柱和动力。我国从2 0 世纪7 0 年代丌 始规划修建高速公路，经过近3 0 年的发展，2 0 0 0 年底，我国高速公路的 罩程已达到9 0 0 0 公罩左右，而且，今后还将更深的发展，到2 0 2 0 年底， 在全国范围内将基本建成“五纵七横”、以高速公路为主体的高等级公路 大动脉体系( 表1 1 ) ，贯穿首都、各省省会，连接所有人口5 0 万以上的 城市。但是，我国是一个多山的国家，不可胜数的高速公路项目的实施， 给我们岩土工程研究者提出了许许多多的棘手的问题，而高速公路路辆边 坡的稳定性问题就是当前倍受关注的重要课题之一。据统计，在云南楚大 高速公路、广西柳桂高速公路、浙江上三线高速公路( 上虞一三门) 、成渝 高速公路等工程建设及其运营中，都出现了一系列沿线边坡失稳的工程灾 害( 表1 2 ) 。以广西柳桂高速公路永福段k 2 5 0 处滑坡为例，该处原是一 个旧滑坡，地质条件条件上好下坏，路基修好后，1 9 9 6 年产生滑坡，第一 次治理打了4 6 根m2 0 0 0 m m 挖孔桩，全部造价达3 0 0 多力元。后在清理桩 前堆集物时，滑坡重新启动，发现存在第二滑动面，虽经合理设计，再治 理费用依然达到4 0 0 万元左右，给工程的建设和正常运营带来了极大的损 失2 1 。 浙江省位于我国的东南沿海地区，中西部主要以多山的丘陵为主要 地貌。近几年来，针对浙江省沪杭一甬高速公路、会丽一温高速公路、杭 金一衢高速公路以及杭州等一些城市的绕城高速公路建设中出现的一系列 边坡工程变形与破坏等问题，我们对其进行了深入的研究，并将为高速公 路高陡边坡的稳定性理论及其工程治理提供重要的方法和依据。 表1 - 1 规划建设中的“五纵七横”高等级主干道体系 基奉体系项目设施内容单程( k m ) 1 ) i o l 江三哑( 含长奋珲春支线) 5 2 0 0 2 ) 北京一福州( 含天津- 塘沽支线和豢安潍阴连接线) 2 5 0 0 “五纵”3 ) 北京珠海2 4 0 0 4 ) 二连浩特河u3 6 0 0 5 ) 重庆湛江1 4 0 0 ”馁纷河满州罩1 3 0 0 2 ) 蚪东一拉萨4 6 0 0 3 ) 青岛银川1 6 0 0 “七横”4 ) 连西港一锥尔果斯4 4 0 0 5 ) 1 海成都( 含万县南充成都立线)2 5 0 0 6 ) 1 海瑞哺4 0 0 0 7 ) 衡l ；r | 一昆叫2 0 0 0 鹕- 母绪论 浙江i 业人学坝i 。论文2 0 0 1 1 高速公路路堑边坡的工程特点 公路可以分为两类五级，高速公路相对于普通公路而吉，是指专供汽 车高速行驶的公路，也是目前所有公路中工程技术要求最高的一种。它具 有行车速度快( 一般8 0 1 2 0 公罩 - , 时) 、通行能力强大、使用年限长( 2 0 年以上) 、造价昂贵、工程技术要求高、全封闭瓦通结构、内部设施完善、 行车安全、布置美观等特点。高速公路路基根据其断面形式，按填挖条件 的不同，可以归纳为：路堤( 全填) 、路颦( 全挖) 、填挖结合( 半挖半填) 和不挖不填四种类型 3 1 。因此，高速公路路颦边坡是一种人工丌挖边坡。 表1 - 2 部分高速公路路堑边坡失稳灾害 年份灾害项日名称滑体体积滑带组成特忡土爱诱发素力学机制 1 9 9 3成渝高速公路红砂坡滑坡63 x 1 0 7 m 3强烈风化岩体人为诱发前乖后推， l9 9 6广两柳桂高速公路k 2 5 0 滑坡 10 1 0 4 m 3软塑泥页岩雨水、古滑坡复活 乖j i 武 1 9 9 8 罔道3 1 9 高速公路k 7 8 滑坡 2i 1 0 4 m 3残坡积砸粘十人为开挖及暴雨 乖t j i ， 1 9 9 8 山东济泰高速公路k 3 5 滑坡 10 x 1 0 4 m j 块状混合花岗岩暴雨、结构面组合乖0 l a j 9 9 9 浙江j 。二三麻速公路下滑坡 9 0 x 1 0 6 m 3煤系软化粘十岩人为采煤 乖0 f ， 1 9 9 93 2 3 困道两江人滑坡83 x 1 0 4 m 3粘十层 人为路颦开挖牵引 1 9 9 9 p u 川安岳县3 1 9 国道滑坡 2 6 1 0 4 m 3粘土堆积层 路堑开挖、暴雨摊移j 1 9 9 9 川藏公路人弯沟滑坡 10 x 1 0 4 m 3啐石十、有机质十 地下水、人为破土 、摊移 1 9 9 9 京沈商速公路辽宣龙山滑坡 1 0 4 m 3 英砂岩央负岩暴雨、人为破坏牵引 1 9 9 9p u 川1 0 8 围道何家山滑坡40 x 1 0 6 m 3泥岩自重0 滑带集水牵0 l 2 0 0 0南楚人高速公路k 2 1 9 滑坡6 4 10 4 m e泥岩、粉沙岩人为切坡和暴雨乖式 人为开挖、4 i 利结 2 0 0 0 内江宜穴高速公路某人滑坡 1 0 1 0 4 m 3泥岩 乖0 i 构面、雨水 2 0 0 0深汕商速公路k 1 0j 滑坡 1 0 4 m 3碎石十人为开挖、暴雨齐a l s o , 2 0 0 0人保岛速公路k 4 0 1 古滑坡 1 0 4 m 3碎石十人为开挖、堆载先乖后推式 人为开挖、不利结 2 0 0 l1 0 8 困道新店了滑坡6 5 1 0 4 m 3节理粘十质页岩推移 构面、雨水 2 0 0 l 京珠高速公路粤境北段滑坡 1 0 4 m 3 碎石十人为开挖牵0 l 式 2 0 0 l南儿磨高速公路某滑坡25 1 0 4 m 3碎石十人为破坏、暴雨牵0 i 式 1 1 1 高速公路路颦边坡的普遍性 坡和弯是高速公路的基本要素，理想的道路是有弯而无急弯，有坡但 无陡坡。高速公路的工程技术要求集中体现在公路的平、纵、横三要素的 设计上，路线在满足行车动力要求的条件下，必须作到线形连续、顺畅、 通视条件良好、周围景光协调而优美、行车快速、安全。统计和研究表明， 当今的高速公路已趋于以曲线为主的设计，如京津塘高速公路的其曲线路 段就占了路线全长的7 6 左右。因此，这种既考虑美学，又考虑工程技术 浙江r 业人学顾l j 论史2 0 0 的高标准、高要求的特点必然决定了高速公路路颦边坡的普遍性。 1 ) 从高速公路的平面没计要求来看，高速公路要求线形顺畅、舒缓， 在曲线处，平曲线半径的设置具有严格的技术标准1 4 j ( 表l 一3 ) 。而h ，对 于央在曲线刚的直线段，同向曲线阳j 的直线段长度要求必须大于6 倍的设 计车速，反向曲线问的直线段长度则要求大于2 倍的设计车速。平面线形 的高要求决定了高速公路回避某些复杂自然地形的局限性，意味着人量的 填方和j l ：挖工程，路锅边坡( 尤其是高边坡) 便成为了高速公路的普遍现 象。 2 ) 从高速公路横断面布置来看，它主要包括行车道( 一般四车道以 上) 、中央分隔带、路肩、边坡等基本要素，断面路幅宽度大( 一般在2 5 m 以上) ，占地多。这一切同样决定了非平原地区高速公路建设大填大挖的 特性，使路颦边坡成为其最普通的要素。在边坡的工程设计上，低于2 0 3 0 m 的边坡，一般依规范设计，采用削坡，对于高度大于3 0 m 的边坡，则作高 边坡处理，必须采取稳定性分析1 5 1 。 表1 - 3 高速公路曲线段平面设计技术标准 地形、卜原、微匠重阡 山岭 极限最小半径( m ) 6 5 04 0 02 5 0l2 5 一般最小半径( m ) 1 0 0 07 0 04 0 02 0 0 小设超，茼最小半径( m ) 5 5 0 04 0 0 02 5 0 01 5 0 0 最小缓和曲线长度( m ) 1 0 08 57 05 0 3 ) 从纵断面的设计要求看，高速公路的纵坡设置必须满足排水 设计和保证行车速度的要求。因此，高速公路纵坡的设计存在着相对 严格的限制，一般按规范规定，纵坡坡度必须大于3 ，小于3 【6 1 。 由此可见，高速公路的工程建设总是不可避免会遭遇一些稳定 性难以确定的高陡边坡，这些边坡难免会给高速公路的施工和今后i f 常的运营带来不便，有的甚至是毁灭性的灾难，不仅造成巨大的经济 损失，而且引起人员的伤亡。这一切将是非常值得我们重视和研究的 课题。 】2 高速公路路斯边坡的特殊性i 7 8 r 9 i 边坡可以分为人工边坡和自然边坡。边坡的稳定性问题在水利工 程、铁道工程、矿山工程中长期以来得到了深入的研究与发展，其相 应的稳定性分析理论、方法及工程措施的研究都已经相对成熟。相比 之下，我国高速公路建设起步较晚，其路颦边坡的稳定性问题主要是 浙江t 业人学顺i 论文2 0 0 针对近几年来，大规模高速公路建设中出现的一系列边坡灾害性失稳 问题而提出来的。该课题的研究目前还处于起步和发展阶段，需要在 大量的其它工程实践中得以引用和借鉴，并从中使高速公路路颦边坡 的稳定性理论与防治方法获得丰富与发展，以致能经济、有效、科学 地指导工程实践。高速公路路颦边坡具有如下特点： ( 1 ) 高速公路是一种线形、带状的工程，在工程的选址上具有 可变更性。它不象矿山边坡那样对工程的赋存条件具有不可选择性。 一般而言，面对滑坡等工程地质灾害采用以避为主，以治为辅的方针。 ( 2 ) 高速公路路颦边坡是一种人工丌挖边坡，坡高相对较矮， 坡度较缓，不如矿山工程边坡高而且陡；但也不如水利工程边坡复杂， 既有自然边坡，又有人工边坡，而且需要考虑水位的伸降作用、洄水 作用的影响以及流水的侵蚀作用等因素。 ( 3 ) 高速公路路矩边坡是一种永久性的边坡，或者说，在公路 的设计年限上，原则上实行一次设计、一次治理，不留后患。对于大 型复杂边坡，如果在短期内不易完全搞清楚其性质时，应作出规划， 分期治理，切忌盲目刷坡，否则造成工程失败，损失不可估量。 ( 4 ) 高速公路路堑边坡稳定性要求高，除保证边坡整体稳定外， 对崩塌的块石等应采取相应的工程措施，如设立碎落台和护坡道等。 ( 5 ) 高速公路路堑滑坡的防治，一般更重视环境的协调与美化。 ( 6 ) 高速公路的路斯边坡稳定是一种动态的地质工程问题，涉 及到车辆行驶的动荷载作用影响。 ( 7 ) 高速公路路颦边坡的工程地质条件随着线路的延伸变化差 别很大，具有强烈的区域性。它可以是岩质边坡，也可以是黄七边坡、 堆积土边坡、破碎岩石边坡，甚至是岩土介质复杂交错分布的边坡。 因此，相应的稳定性分析方法将视边坡的地质力学模型而不同。 ( 8 ) 高速公路路堑边坡一般丌挖于地表，其坡高通常为几米几 十米，边坡多由全风化、强风化、中风化、微风化和未风化等不同性 质的岩层构成，工程地质性质复杂，呈显著的各向异性和不均一性等 特点。边坡失稳破坏模型既不同于土质边坡的圆弧型，也不同于岩体 边坡的单平面、双平面或多平面组合形式。进行稳定性分析时，应根 据边坡具体的岩层组合，建立破坏模型，评价边坡稳定性。 1 1 3 高速公路路辆边坡与路堤边坡的区别 路基是支承路面的一种土工建筑物，而路矩与路堤是路基工程的 、 第一章绪论 浙江t 业人学倾i 论文2 0 0 两种基本形态。应该况，路堤边坡是高速公路承受荷载的一种实体， 其稳定性也是路基自身的稳定性；而路肇边坡是高速公路路基建设的 一种附属_ 丁程，其失稳是对高速公路路基外在的破坏。路堤边坡、路 额边坡在自身物质组成及其变形与破坏的机制与方式上都有极犬的 差别： 首先，路堤边坡是一种人工填筑的工程，其物质组成主要是人工 填石或填土：而路堑边坡是一种由挖方切筑而成的、具有天然岩士结 构的人t 边坡。 其次，从两者的变形与破坏方式上看，路堤边坡的变形与破坏主 要包括路堤沉陷、边坡溜方、整体深层滑动与路堤坍散等：后者的变 形与破坏主要有边坡的碎落、崩塌、深层蠕动与滑坡。 最后，从两者的失稳与破坏机制上看，路堤边坡一般是在路面荷 载作用下，岩土的力学强度无法满足而失稳的；而路颦边坡的破坏往 往是一种边坡岩土体自支作用的结果，由于工程丌挖，破坏了岩土体 自身的天然平衡，应力的释放与调整和雨水的作用是滑坡的常见诱发 因素。 1 1 4 高速公路路颦边坡稳定性分析的时效意义 高速公路路堑边坡是一种人工开挖的永久性边坡，边坡的稳定 性分析具有重要的时效意义。事实表明，丌挖前的边坡设计、开挖后 滑动面形成之前的防治与分析以及滑动面形成之后的治理三个阶段 中，其稳定性分析的意义是很不一样的。无论是从工程的灾害性质以 及工程治理难度方面，还是在工程防治的费用上，真可谓是泾渭之分。 因此，高速公路路矩边坡稳定性分析必须作到以下三点： ( 1 ) 边坡的稳定性必须尽可能作出事前分析，防患于未然； ( 2 ) 分析方法必须合理、有效，能较好地适应工程实际要求。 同时该分析方法必须尽可能方便、快速，而不至于一味地局限于精度 要求，牺牲大量的时间、精力和物力。 ( 3 ) 对于复杂的特殊性边坡，也应具备一套深刻、具体的指 导理论与分析方法进行特殊处理。 总结高速公路路颦边坡以上的诸多特点，在本文中将通过对泛义 的边坡工程理论与方法的借鉴与学习，为高速公路的路龋边坡的稳定 性分析与工程防治提供重要的方法和依据。 第市绪论 浙江丁业人学硕1 论爻2 0 0 1 2 我国高速公路路堑边坡稳定性研究现状 我国高速公路的建设起步较晚，究其发展历程也就是近2 0 多年的 时间。但是，对于公路路堑边坡的稳定性研究，却可追溯到2 0 世纪 5 0 年代初期，早在1 9 5 6 年，交通部门就成立了专门的滑坡研究机构。 实质上，边坡稳定性是一个多学科、多部门相互交叉的课题，我国铁 道部门、水利水电部门以及地矿部门在这一方面都积累了丰富的实践 与宝贵的经验，非常值得借鉴。因此，总结路锯边坡的稳定性研究， 其发展实质上是一个工程地质模型的不断认识，相应稳定性分析方法 的不断涌现以及相应预测和防治能力不断提高的过程，它是随着工程 地质、岩土力学、基础工程以及相关科学的发展，设计施工、监测技 术的不断提高而逐步走向成熟的。由此，我国高速公路路颦边坡稳定 性研究的进程大致可分为以下三个阶段f 1 0 + 1 2 。1 3 】： ( 1 ) 2 0 世纪5 0 年代以前：这一时期，在工程地质方面，主要是 应用传统的工程地质学原理和方法，研究滑坡的成因机制和防治措 施，并在边坡地质条件研究和地质条件评价的定性工作方面取得了一 定的成果，如以谷德振为代表的研究者对工程区的褶皱和断裂分析i 的 规律性研究作出了重要的贡献，建立了“构造线”方法；在稳定性评 价方面，则几乎完全局限于以均质弹性理论为基础的土力学范畴，如 经典的库伦定律( 17 7 3 ) 、朗金理论( 18 5 7 ) 、f e l l e n i u s 圆弧滑动理论 ( 1 9 2 6 ) 、t e r z a g h i 理论( 1 9 2 9 ) 、索可洛夫斯基的松散介质极限平衡 理论( 19 5 4 ) 等等，在刚体极限平衡分析理论的研究上取得了一定的 进展；在边坡工程设计方面，对工程地质资料和岩土力学资料均没有 严格的要求，主要以经验类比法为依据。因此，该阶段的稳定性评价 主要是定性的，是岩质边坡工程研究的起步阶段。 ( 2 ) 2 0 世纪6 0 7 0 年代，随着电子技术和计算机技术的发展以 及计算分析能力和测试能力的提高，岩质边坡工程的研究理论和技术 方法取得了更深的发展，对滑坡的地质条件、诱发因素、发生机理、 破坏机理、运动规律和有效防治工程的研究有了更进一步的认识。 这一时期，在工程地质方面，由于1 9 5 9 l9 6 3 年期阳j ，欧洲连续 出现了西班牙v e g a d et e r r a 支墩拱坝和法国m a l p a s s e t 拱坝的失事以 及意大利v a j o n t 水库的大滑坡，在工程地质和岩石力学界引起了极 大的震撼。人们丌始意识到边坡的失稳是一个累进的破坏过程，岩体 第一章绪论 浙汀r 业人学坝1 论丈2 0 0 的结构特征对岩质边坡的失稳具有关键性的控制作用。国际上，发表 了一系列刊物，其中以 r o c k s l o p ee n g i n e e r i n g ( h o c k e ， br a v j w ，19 7 4 )和m e t h o d o f g e o l o g i c a le n g i n e e r i n g i n d i s c o n t i n u o u sr o c k ( r e g o o d m a n ，1 9 7 6 ) 为代表的专著甚至提出 了“地质工程”的概念。因此，这一时期，水利水电部门对该方面的 研究处于领先地位，并带动了交通部门等在陔方面的发展。我国学者 谷德振岩体工程地质力学基础( 1 9 7 9 ) 专著的问世，标志着我国 岩体工程地质力学的初步成熟，边坡工程的稳定性问题由此被确认为 工程地质的扛大重要课题之一。滑坡的稳定性研究从此进入了力学机 制和内部机制的共同研究阶段，并促成了工程地质学、岩土力学和基 础工程的进一步融合。 在稳定性评价方面，这一时期，边坡稳定性的定量分析方面取得 了极大的进步，主要表现为两个方面：一种是以刚体极限平衡理论为 基础，考虑岩体中结构面的控制作用，利用数学分析方法、图解法， 最后求得安全系数或类似于安全系数的概念来进行定量评价( 如结构 分析法、块体理论等) ；另一种是以有限元、边界元、离散元等为代 表的数值分析方法，可以描述边坡的变形特征和应力状态，并给出直 观形象的评价结果。 在滑坡的预测和防治方面，则丌始由被动支护转入到主动预测预 报研究阶段。 ( 3 ) 2 0 世纪8 0 年代以来，为了适应我国国内高速公路的大规 模建设以及三峡工程等世纪性巨大型工程的实践需要，滑坡灾害的研 究空前活跃，多学科、多部门的协作进一步融合。边坡工程作为一种 以自身为工程结构、建筑材料和地质环境的特殊工程，它不仅在勘探 技术、工程地质条件评价和工程稳定性评价等方面取得了重大进展， 而且在滑坡的治理问题上，明确提出了地质工程监控施工方法，其核 心是超前地质预报和地质体超前改造。 这一时期，在边坡工程地质模型的第一性方面，进一步加强了研 究的深度和广度，密切深入工程现场，理论联系实际，取得了大量的 高水平成果，并出版了一系列工程地质力学与岩土力学方面的专著； 在稳定性分析方面，由于一系列的新科学和新方法的引进，诸如系统 论、信息论、模糊理论、灰色理论、数量化理论以及突变理论等等， 为边坡稳定性的评价和预测开辟了更为广阔的前景，边坡稳定性研究 山此步入了由确定性与非确定性分析相结合的系统工程分析研究阶 讹章绪论 浙江t 业人学坝i ：t 2 史2 0 0 段：在滑坡治理方面，预应力技术体系的应用标志着滑坡防治丁程已 【| i 被动支护转入到主动支护阶段，充分发挥了滑坡体的潜能。 由此可见，我国高速公路路钷边坡的稳定性研究相对于其他部门 而言，目前依然是比较落后的，具有一定的依附性。由于高速公路路 讯边坡自身的特殊性，必然要求拥有一套能够适应自身特点的理论系 统来指导工程实践，为现代化建设作出贡献。 1 3 高速公路路堑边坡稳定性评价的基本思路 高速公路路矩边坡的稳定性评价是一个相当艰巨而复杂的工作，它既 要深入、细致地调查和分析道路沿线的边坡工程地质条件，又要避丌巨额 的重复工作，才能提高工作的效率和效果。本文拟定了一套具体的工作思 路( 图1 1 ) ，并在此基础上，通过工程地质建模以及综合的定性分析与合 理的定量计算，在杭( 州) 金( 华) 衢( 州) 高速公路( 诸暨段) 的路矩 边坡稳定性评价中取得了较好的成果。 广泛搜集资料和数据 路堑边坡的1 程地质条件分析 区 域 构 造 地 形 地 貌 地 层 分 布 水 文 地 质 石 体 结 构 岩 。弋 特 性 边坡的i ：料条件分析 地 卜 水 程 环 境 高速公路路堑边坡的i 嗤地质分段 选择高速公路路堑的典型边坡 定性分析典型坡面并确定危险剖面 对选定的地质剖面进行定最分析 综合评定路堑边坡的稳定性 图1 - 1 高速公路路堑边坡稳定性评价的基本思路 路 堑 走 向 鹕带边坡的稳定悱分析的壮奉理论，方法 第二章边坡稳定性分析的基本理论与方法 本章总结了当前边坡稳定性评价中存在的基本理论和主要方法，并对 这些方法的基本原理、优缺点和适用性进行了对比和分析。 2 1 定性分析方法 定性的分析方法主要是通过工程地质勘察，剖析影响边坡稳定性的主 要因素、可能的变形破坏方式及失稳的力学机制，调查已变形边坡地质体 的成因及其演化史，从而给出被评价边坡的一个稳定性状况及其可能发展 趋势的定性说明和解释。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。 2 1 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的各种变 形破坏迹象及其基本规律和稳定性影响因素等分析，追溯边坡演变的历史 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 1 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目前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、类别等的特殊要求。 通过这些分析来类比和判断研究对象的稳定性状况、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 边坡之问的类比，还包括在自然边坡和人工边坡之间的类比。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，是对工程地质力学综合集成理论( e g m s ) 的综合体现与验证。 表2 - 1 工程类比法影响因素分析表 素分判t 程条件t 程地质条牛o j 边坡地质1 地质构造岩石岩体地下水地臆力结构干关的 1i 州素t 程类型t 程舰模边坡角 复杂性颦醚性结构条件条件边坡修t y 系划 l 代表量a la 2 a 3b 1b 2b 3b 4b 5a 4 j 2 1 3s m r 方法”l 边坡工程的s m r 法由r o m a n am ( 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( r m r 法即列表2 2 ，2 3 ) ，综合考虑了边坡：l = 程中不连续产状与坡面问的组合关系，以及边坡的开挖方式等。其计算公式为： 笙垦望苎堕堡塞堡坌塑塑苎尘些堡! ! 立鲨 塑垩上些尘兰塑上堡兰三! ! 旦 s m r = r m r ，( f l f 2 f 3 ) + f 4 式t p ，各计算参数洋见列表2 - 2 2 6 。 ( 2 1 ) 序i j参数 分值 | ：l 点付载强度 l o4 1 0 2 41 2 m p a j 甲轴抗j 强度 2 5 02 5 0 1 0 01 0 0 5 05 0 2 5 2 5 55 1 1 m p a 分值 1 51 2 742 10 2r o d 1 0 0 9 0 9 0 - 7 57 5 - 5 0 5 0 2 5 22 0606 02 o2 00 6 5 m m 4小连续面状态在绌、闭舟、j f 度 3 03 0 - 2 02 0 1 0 1 0 5( 5 t l a i a s 一18 0 p 厂rf 01 504 007 0o8 5 10 0 p 1 1 3 i i 4 5 p f 2 01 5o4 0o7 0 o8 51o o t f 2 1o1o lololo p b i - b ； 1 01 0 - 00o 1 01 0 - 2 0 t b + b 。 1 2 0 p t 巳 062 55 06 5 沌：p 代表、卜面滑动；t 代表倾斜破坏；a s 、b ；为边坡的倾向和倾角；码、b 分别代表0 i 连续血的倾向j 倾角。 表2 - 5 边坡开挖方式调整值 一般爆破或机 开挖方，白然边坡预裂爆破光面爆破小当开挖 械开挖 f 4 + 1 5+ 1 0+ 8o 8 表2 - 6s m r 分类评述 级序0 ii il i ii v v s m r 分值 o 2 02 l - 4 04 l 一6 06 l - 8 08 l 1 0 0 岩体描述很差差一般好很好 稳定忡状况很小稳定1 i 稳定部分稳定稳定很稳定 边坡破土 、人型卜血或、卜面滑动或一此、r _ 面滑动或牡楔形破坏尤破坏 方 状破坏人型楔形破土1 、许多楔形破“、 加方a重新开挖改计人力支护或革新设计系统支护局部支护无需史护 1 0 筇：章边坡的稳定性分析的桀奉埋论4 ，方法 浙江1 1 业人学倾i 论艾2 0 0 2 2 1 4 几何图解法i “副 岩体边坡的破坏非常复杂，目前主要还是以经验分析和几何图解法为 重要手段和依据。经验分析主要是一些定性的对比分析，如工程类比法、 s m r 法等；而几何图解法是一种以极赤平投影图为基础的几何空问解析方 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 边坡岩体与丌挖坡面的空间组合关系，进行边坡岩体稳定的结构分析。 ( ) 滑动方向的分析 边坡失稳块体滑移方向可分为两类情况： 1 ) 单一滑面边坡，不稳定块体在纯自重力的作用下，沿滑动面倾斜 方向的滑移势能最大，这只有结构面的倾角小于坡面倾角时- d 会发生； 2 ) 两组相交结构面构成的可能滑移体多数是楔形体。在自重力作用 下的滑移方向，受两组结构面组合交线的倾斜方向所控制，而且其倾角必 小于坡面倾角。如图2 一l ，在赤平极射投影图上做边坡面和结构面j 1 、j 2 的投影，并绘出两结构面的倾向线a o 、b o 及组合交线i o ，边坡滑动方 向有三种情况： ( c ) 图2 - 1 楔形体滑动方向分析 驰一章边坡的稳定件分析的毕奉理论1 j 方法 浙江厂业人学坝i j 论殳2 0 0 2 图2 一l ( a ) 中，组合交线1 0 位十它们的倾向线a o 与b o 之蚓， 则i o 的倾斜方向即为不稳定体的滑移方向，两结构面都是滑动面。 图2 一l ( b ) 中，组合交线i o 与某一结构面的倾向线重合，i o 的倾 斜方向仍为滑移方向，结构面j 2 是主滑动面，结构面j 1 为次滑动面。 图2 一l ( c ) 中，组合交线1 0 位于它们的倾向线a o 、b o 同侧时， 何丁二者中间的那条倾向线a o 方向为滑移方向，即滑体只沿结构面j l 做单面滑动，结构面j 2 只起侧向切割面的作用。 以上只考虑了结构面的几何影响，如果考虑结构面的摩擦角影响， 则由图2 2 表明：当表示两平面交线的点落在表示坡面的大圆与摩擦角中 所确定的摩擦圆之间的面积内时，此边坡是潜在不稳定的。 ( a ) 楔体沿a l 破坏 ( b ) 楔体沿面i 破坏 图2 - 2 考虑结构面摩擦角影响 ( ) 边坡滑动可能性与稳定边坡角判断 根据边坡岩体结构分析，可以初步判断边坡产生滑动的可能性及稳定 的边坡角大小。当边坡不高、地质条件较简单的情况下，推断的稳定边坡 角可以作为高速公路路颦边坡设计的依据：当边坡较高、地质条件较复杂 时，推断的稳定边坡角可作为力学分析计算的基础，从而合理确定稳定边 坡角。 ( 1 ) 单一结构面与边坡角的关系 1 ) 当层面走向与边坡坡面走向。一致时 当层面走向与边坡坡面走向一致时，边坡的稳定性按结构分析可分 为y q 类( 图2 3 ) ： 不稳定条件：层面与边坡面的倾向相同，且层面倾角比边坡面倾角 缓( 图2 3 a ) ： 基本稳定：层面倾角等于边坡角，沿层面不易出现滑动现象，其边 坡角就是以岩体结构分析推断得到的稳定边坡角( 图2 3 b ) ； 稳定条件：层面倾角大于边坡角( 图2 3 c ) ； 最稳定条件：层面与边坡面倾向相反，但注意这种边坡容易倾倒( 图 2 3 d ) 笙：至丝塑塑壁塞坠坌塑堕堡坐些堡! ! 塑鲨 塑至! ! 生鉴兰塑兰兰! ! ! 坠 影钽 图2 - 3 单一结构面与边坡角的关系 ( d ) 而且，层面走向与边坡坡面走向一致时，单一结构面边坡稳定具有 以下基本性质： 层面倾角一定的情况下，边坡稳定性随着不稳定结构面的抗剪强度 提高而提高，随着坡体高度增大而减小； 层面抗剪强度不变情况下，边坡极限高度随不稳定结构面倾角变化 而变化，1 3 ：4 5 + 中2 时，极限坡高为最小； 坡高不变的情况下，边坡如果取不同的坡角，而其他情况都相同时， 两个不同坡角的边坡其稳定性是一致的，即安全系数相等。 2 ) 层面与坡面斜交 层面与边坡走向一致是一种特例。在高速公路路堑边坡中，更多情况 是层面走向与边坡面走向之问或多或少存在一定的央角，这时需要投影方 法作为辅助工具。 若边坡在坡面与层面斜交时发生破坏，必须具备两个条件： 边坡的破坏一定是沿着层面发生； 必须有一个切割层面的最小剪切面。 因此，坡面与层面斜交时，边坡的破坏首先沿着最小剪切面发生，这 样层面与最小剪切面组合起来构成了一个不稳定体，为使边坡稳定，就必 须把不稳定体去掉，即可得稳定坡角。其稳定坡角的确定，可类似参照楔 体滑动的极射赤平投影方法。 ( 2 ) 两组结构面与边坡面之间的关系 如图24 所示，两组结构面组合构成切割构成的双滑面边坡稳定性条 件可分为以下血类： 最稳定条件( 图2 4 a ) ：两结构面j 1 、j 2 交点位于丌挖边坡c s 大 圆弧内侧，说明两结构面的组合交线1 0 倾向坡内，边坡处于最稳定状态； 第一帝边坡的稳定件分析的皋奉理论j 方法 浙江r 业人学坝i j 论文2 0 0 2 稳定条件( 图2 4 b ) ：两结构面j 1 、j 2 的交点位于丌挖结构面c s 犬圆弧内侧，而r 0 的倾角比丌挖边坡面的倾角陡，边坡处于稳定状态； 基本稳定条件( 图24 c ) ：两结构面j 1 、j 2 的组合交线1 0 的倾角 等于丌挖边坡面的倾角，边坡处于基本稳定状态。这时，丌挖边坡角即为 岩体结构分析推断的边坡角； 较4 i 稳定条件( 图2 4 d ) ：两结构面j 1 、j 2 的交点i 位于丌挖边坡 面c s 和天然边坡面n s 投影弧之间，般是较不稳定的。但在特殊情况卜， 如在坡顶面出露点c 0 距丌挖坡面c s 较远，以致组合交线在c s 面不出露， 而插入坡脚以下，则产生一定的支撑，边坡处于稳定状态； 不稳定条件( 图2 4 e ) ：两结构面j 】、j 2 的交点i ，位了二c s 面与 n s 面之间，且结合交线在n s 和c s 面都有出露( c o 与c o 点) ，边坡处于 不稳定状态； 但是，( 如图2 - 4 f ) ，若交点i 位于天然边坡面n s 的外侧，一般情况 下是较稳定的，属于基本稳定条件：如果在天然坡面n s 有纵向切割面， 并与组合交线相交切，这时属于较不稳定条件。 s f b l ( d ) 4 塑二童望墨堕堡室生坌堑堕兰坐些堡! ! 塑鲨j 堕三三些查兰丝上兰兰! ! ! 坠 图2 - 4 两组结构面与边坡面之间的关系 ( f ) 因此，两组结构面组成的楔体的稳定性是确定稳定坡角的关键，一般 采用极射赤平投影方法，步骤如下： 整理资料，做极射赤平投影图，确定坡面大圆及坡面的极点： 确定摩擦圆的大小； 作结构面投影图，确定楔体大小、形状及其棱线方位； 综合评价楔体稳定，去掉不稳定体，从而确定稳定边坡角。 ( 三1 多组结构面的组合关系 对于多组结构面切割的边坡，其结构面的组合形式比较复杂，但基本 的分析方法是相同的。如果各组的结构面性质、延展性、连续性和充填特 性等等基本相同，则同样可以通过两两结构面不同组合关系所计算的安全 系数确定稳定边坡角。以三组结构面为例，在极射赤平投影中，三组共有 三个交点( 图2 5 ) ，而四组结构面共有六个交点( 图2 - 6 ) ，找出最危险的楔 体，从而可确定稳定边坡角。 图2 - 5 三个结构面的投影图图2 - 6 四个结构面的投影图 n 兰：垦望竺竺堡塞壁坌塑塑苎坐些堡! ! 立婆 塑匹三、业查兰塑上兰兰三! ! 竺 2 2 定量分析方法 从上一宵可以知道，定性的分析方法足