（岩土工程专业论文）顺层岩质边坡稳定性分析与防治研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 随着我国经济的飞速发展，基础设施建设也正以前所未有的速度发展，道 路工程特别是高等级公路工程建设逐步向山区挺进。由于我国的地形条件困难， 三分之二面积是山地，特别是南方地形变化大，地质构造复杂，岩体结构多变， 道路工程建设中岩质边坡工程问题相对较为突出。过去的工程实践经验表明，顺 层岩质边坡是失稳最多、危害最大的一类边坡，给工程建设和生命财产造成了重 大的损失。目前，由于对顺层岩质边坡的稳定性分析及防治加固设计方法尚缺乏 深入系统的研究，因此，如何分析评价顺层岩质边坡的稳定性，并提出相应的处 治方法以及此类路堑边坡合理的设计方案是道路工程急需解决的道难题。 本文采用理论分析和数值分析楣结合的手段，对顺层岩质边坡的变形破坏机 理、稳定性分析、防治加固措施及路堑边坡设计等进行了较为全面系统的分析和 研究，主要研究工作如下： ( 1 ) 全面分析影响顺层岩质边坡稳定的因素，论述了结构面在岩质边坡中 的控制作用，根据工程地质特点对顺层岩质边坡进行分类，总结了顺层岩质边坡 常见的变形破坏模式，研究了其破坏机理，并根据其破坏机理和模式，建立了力 学模型进行稳定性分析。 ( 2 ) 将强度折减理论应用于顺层边坡稳定性的离散元分析，给出了边坡稳 定的安全系数，并确定了模拟过程中边坡失稳及滑动面的判别方法。建立了顺层 岩质边坡离散元分析模型，并进行变形破坏的数值分析，来进一步研究顺层岩质 边坡破坏的形成机制及发展演化，在此基础上对影响顺层岩质边坡的因素进行敏 感性分析，得到影响顺层岩质边坡稳定的关键因素。 ( 3 ) 总结了目前边坡常用的防治方法，重点阐述了预应力锚索治理边坡的 作用机理并给出了其设计计算方法。通过对顺层岩质边坡稳定性的分析研究，提 出了相应的防治对策。根据论文研究成果和国内外顺层岩质边坡工程设计的经 验，确定了顺层岩质路堑边坡的设计方法，在实际工程应用中取得了很好的效果。 关键词：顺层岩质边坡，破坏机理，离散元分析，边坡防治，路堑边坡设计 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i mt h er a p i dg r o w t ho fe c o n o m yo fo u rm o t h e r l a n d i n f r a s t r u c t u r eh a sb e e n d e v e l o p e dw i t hu n p r e c e d e n t e dp a c e c i v i le n g i n e e r ，e s p e c i a l l yt h er o a de n g i n e e r h a v eb e e ne x t e n d e dt om o u n t a i n o u sa r e a f o rt h ec o m p l i c a t e dl a n dc o n f i g u r a t i o no f o u rc o u n t r y , t w ot h i r do fw h i c hi sm o u n t a i n o u sa r e a e s p e c i a l l yt h es i g n i f i c a n t v a r i a t i o ni nl a n dc o n f i g u r a t i o ni nt h es o u t h ，w i t hc o m p l e xg e o l o g i c a ls t r u c t u r ea n d v a r i o u sr o c ks t r u c t u r e ，p r o b l e m so fr o c ks l o p ei nt h er o a de n g i n e e r i n gh a v eb e e n a t t r a c t i v en o w a d a y s e x p e r i e n c ei nt h ep a s th a sb e e ni n d i c a t e dt h a tt h ef a i l u r eb e d d i n g r o c ks l o p eh a sb e e nt h em o s tu n s t a b l ea n dh a z a r d o u ss l o p e ，w h i c hb r i n g sa b o u t t r e m e n d o u sl o s st oe n g i n e e r i n g ，l i f ea n dp r o p e r t y a tp r e s e n t ，f o rl a c ko ff u r t h e rs t u d y o ns t a b i l i t ya n dd e s i g nm e t h o do fp r e v e n t i o na n dr e i n f o r c e m e n t ，t h a ti s ，h o wt o a n a l y s i sa n de v a l u a t et h es t a b i l i t yo fb e d d i n gs l o p e ，f i n do u tt h et r e a ta n da p p r o p r i a t e d e s i g nm e t h o da n dp r e v e n tb e d d i n gl a n d s l i d eo ft h i ss l o p ei sa nu r g e n tp u z z l ei nr o a d e n g l n e e f i n g i nt h i sp a p e r , t h e o r ya n a l y s i sa n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o na r ec o m b i n e d ；h t h e r a n a l y s i sa n ds t u d yo fd e f o r m a t i o na n dt h ef a i l u r em e c h a n i c s ，s t a b i l i t ya n a l y s i s ， p r e v e n t i o n ，r e i n f o r c e m e n ta n ds l o p ed e s i g no fe x p r e s s w a ys l o p ea r em a d e t h em a j o r s t u d yw o r ka sf o l l o w s ： ( 1 ) i n f l u e n c i n gf a c t o r so ft h es t a b i l i t yo fb e d d i n gs l o p ea r es y s t e m a t i c a l l y a n a l y z e d t h ec o n t r o le f f e c to fs t r u c t u r a lp l a n ea r ed i s c u s s e d ，b e d d i n gr o c ks l o p ea r e c l a s s i f i e da c c o r d i n gt ot h ee n g i n e e r i n gg e o l o g yc o n d i t i o n s c o l t ) m o l lf a i l u r em o d e so f b e d d i n gr o c ks l o p ea r es u m m a r i z e da n d t h ef a i l u r em e c h a n i c sa r es t u d i e d a c c o r d i n g t ot h ef a i l u r em e c h a n i c sa n dm o d e s ，t h es l o p es t a b i l i t ya r ea n a l y z e db yb u i l d i n g1 h e m e c h a n i c sm o d e s ( 2 ) t h e o r yi si n t r o d u c e dt ot h ed i s c r e t ee l e m e n tt oa n a l y s e st h es l o p es t a b i l i t y , s a f e t y f a c t o ri s p r e s e n t e d ，c o l l a p s es t a n d a r d i s p r o p o s e d i nt h es i m u l a t i o n t h e d i f f e r e n td i s c r e t ee l e m e n tm o d e l st h a ts i m u l a t et h ef a i l u r em o d e o f b e d d i n g r o c ks l o p e a r ee s t a b l i s h e da n da r eu s e dt op e r f o r mt h en u m e r i c a la n a l y s i so fd e f o r m a t i o nd a m a g e t oh a v eaf u r t h e rs t u d yo nf o r m a t i o nm e c h a n i c sa n dd e v e l o p m e n te v o l u t i o no f b e d d i n g r o c ks l o p e s e n s i b i l i t ya n a l y s i si sm a d ea c c o r d i n gt of a c t o r sa f f e c t i n gb e d d i n gr o c k s l o p ea n dt h ek e yf a c t o r sa l ea d v a n c e d ( 3 ) c o m m o nt r e a t m e n to fr e i n f o r c e m e n to ns l o p ea tp r e s e n ta r eg e n e r a l i z e ，a n d a c t i n gm e c h a n i c so ft r e a t i n gs l o p eb yp r e s t r e s sc a b l er e i n f o r c e m e n te n g i n e e r i n ga r e e m p h a s i z e ，d e s i g n e df l o w c h a r t sa n dc a l c u l a t i o nw a y sa r eg i v e n ，c o r r e s p o n d i n g i i i 塑望三奎兰堡主堂堡鲨皇 c o u n t e r m e a s u r eo f r e i n f o r c e m e n te n g i n e e r i n ga r ep u t t e df o r w a r d ，w i t ha c h i e v e m e n to f 3 t a b i i i t ya n a l y s i so fb e d d i n gr o c ks l o p e a c c o r d i n gt or e s e a r c hf i n d i n g sa n dd e s i g n e d e x p e r i e n c eo fb e d d i n gr o c ks l o p ea th o m ea n da b r o a d ，t h ed e s i g n e dm e t h o do f b e d d i n gr o c kr o a ds l o p eh a sb e e np r e s e n t e da n do p e r m e di nt h ep r a c t i c a lp r o j e c ta n d f a v o r a b l er e s u l t sa r ea c h i e v e d k e yw a r d s ：b e d d i n gr o c ks l o p e ，f a i l u r e m e c h a n i c s ；d i s c r e t ee l e m e n ta n a l y s i s ， l a n d s l i d ep r e v e n t i o n ，s l o p ed e s i g n 1 1 1 此页若属实。请申请人及导师签名。 独创性声明 本人声明，所里交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的学位或证书而使 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 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：弛日期孕：型 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定， 即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅； 学校可以公布论文的全部内容，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存论文 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生签名：生b - - 幽i 导师签名： 注：请将此声明装订在学位论文的目录前。 强珥；支圳 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 选题的目的和意义 边坡包括自然边坡和人工边坡。自然边坡是自然界长期演化形成的，人工边 坡则是人类为了满足生活、生产的需要，在建设过程中对地形地势进行改造形成 的。近年来，随着我国经济的腾飞，基础建设正以前所未有的速度发展，道路工 程特别是高等级公路工程建设向山区挺进，切坡筑路形成了大量的路堑边坡。我 国是一个多山的国家，约7 0 的国土为丘陵山地“。，地理地质条件极其复杂，特 别是南方地形变化大，岩体结构多变，道路工程建设中岩质路堑边坡工程问题相 对较为突出，边坡失稳事件不断发生，导致了人们生命和财产的严重损失，由此 引起工期延误而带来的间接损失更是不可估量。但由于岩土体的复杂性，目前人 们仍未能全面、正确地认识边坡的失稳破坏机理、边坡岩土体力学参数、边坡岩 土体与锚固结构相互作用机理等工程特性。因此，对其进行持续不断地深入研究 仍是有必要的，其难度也越来越大。 自然界中具有层状构造的沉积岩占陆地面积的三分之二( 我国占7 7 3 ) ，许 多变质岩也具有层状构造特征。所以在人类工程活动中将遇到大量的层状岩体稳 定问题。一般而言，对于岩石圈表层岩体，其工程地质特征可概括为4 点：( 1 ) 岩体是复杂的地质体，它经历了漫长的岩石建造和构造作用，而且随着地质环境 的变化、其物理力学等工程性质也将发生变化，甚至恶化，它不仅可由多种岩石 组成，而且其问还包含有层面、裂隙、断层、软弱夹层等物质分异面和不连续面， 并赋存有分布复杂的地下水、地温等；( 2 ) 岩体强度主要取决于岩石本身的强度 以及岩体中层面、软弱夹层、断层和裂隙等结构面的数量、性质和强度，结构面 导致了岩体的不连续性、不均匀性和各向异性；( 3 ) 岩体的变形主要是由于结构 面的闭合、压缩、张裂和剪切位移引起，岩体的破坏形式主要取决于结构面的组 合形式，即岩体结构；( 4 ) 岩体中存在有复杂的天然应力场。层状岩体除具有上 述4 点岩体的共性外，其间分布的层理或片理面等为一组优势结构面，而且层状 岩体通常呈软、硬互层状组合特性，岩体中的裂隙的发育程度在很大程度上受控 于层面和软岩层，且与层面呈大角度相交，从而使层状岩体具有独体的“层状砌 体式”结构特征。 在层状岩体工程中，顺层岩质边坡是在道路建设中经常遇到的工程，也是其 边坡变形和破坏的典型类型之一。由于对该类边坡的工程性状、破坏机制缺乏深 入了解而造成的重大事故屡见不鲜。湖北巴东白岩沟大桥左侧顺层边坡，由于不 武汉理工大学硕士学位论文 适当开挖切脚，诱发了上部数t j 万方层状岩体下滑破坏，对大桥和下方建筑物构 成严重威胁”。潭邵高速公路k 9 0 + 9 0 0 k 9 1 + 0 8 0 段路基进行切方开挖，深度 最大约3 0m ，切方地段上部为中等风化节理发育的砂岩，下部有煤系地层，开 挖至煤系地层4m 左右时，引起山体滑移”。湘黔复线沂滩顺层滑坡，京珠高 速公路粤境北段k 1 0 7 滑坡。3 ，1 0 5 国道k 2 3 3 0 工点a 2 区顺层滑坡等，这些 顺层滑坡都给工程建设和人民生命财产安全带来了巨大的威胁和损失。显然，目 前人们还没能够对顺层岩质边坡的稳定性进行十分正确的认识和评价。因此，研 究顺层岩质边坡就工程意义而言，对国民经济建设，特别是重大工程以及人民的 生命财产有着重大意义。 1 2 顺层岩质边坡的研究现状 1 2 1 边坡稳定的研究现状 边坡稳定分析和评价是边坡稳定研究的核心，对于不同的破坏方式存在不同 的滑动面形式，因此采用不同的分析方法及计算公式来分析其稳定状态。目前边 坡稳定性研究方法有很多”。，归纳起来主要有五大类：定性评价方法、定量评 价方法、非确定性分析方法、物理模型方法和现场监测分析方法。但应用最广泛 的边坡稳定性研究方法是定性分析方法和定量分析方法 ( 1 ) 定性分析方法 定性分析方法主要是通过工程地质勘察，对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等的分析，对已变形地质体的成园及其演化 史进行分析，从而给出被评价边坡一个稳定性状况及其_ u 能发展趋势的定性说明 和解释。其优点是能考虑各种影响边坡稳定的因素，快速地对边坡的稳定性状况 及其发展趋势敞出评价。主要包括自然历史分析法、工程类比法及图解法。 ( 2 ) 定量分析方法 定量计算方法根据不同边坡类型，稳定分析目的及精度要求对应不同的方 法，主要有极限平衡法和数值分析法两种。 极限平衡法 该方法是边坡稳定性分析计算的主要方法，也是工程实践中应用最多的一种 方法“。极限平衡法是假定岩土体破坏是由于滑体沿滑动面发生滑动面而造成 的。假设滑动面已知，其形状可以是平面、圆弧面、对数螺旋面或其他不规则面。 通过考虑斜坡上的由滑动面形成的隔离体或其分块的力学平衡原理( 即静力平衡 原理) 分析斜坡在各种破坏模式下的受力状态，以及斜坡体上的抗滑力和下滑力 之间的定量关系朱评价斜坡的稳定性。 武汉理工大学硕士学位论文 虽然在极限平衡法中人为作了一些假定，并不代表斜城真实的应力状态、滑 动形状，但极限平衡法计算简单，发展历史较长。就稳定性向言，其结果己可满 足实际需要，尤其对土坡各种极限平衡法的对比说明，在参数相同的情况下， 采用不同的计算假设相互之间结果差别不大。同时，极限平衡法也存在着如下问 题：由于其对滑坡的边界条件大大地进行了简化，计算中选用的各种参数往往是 确定的或线性变化的。对复杂现象进行这样静简单处理方法，在具体的工程实例 中虽然也起到了一定的作用，然而并不是客观实际的真实反映。 至目静为止，工程中常用的极限平衡稳定性分析方法有：平面直线法、可成 形体法、传递系数法、f e l l e m u s 法、b i s h o p 法、j a n b u 法、s p e n c e r 法、 m o r g e n s t e r n - p r i c e 法、s a r m a 法、以及b a k e r - g a r b e r 临界滑面法等“”。由于 极限平衡法使用简单、物理意义相对比较清晰，在实际工程中得到了广泛的应用。 近年来，人们都已经把这些方法程序化了，目前很多商用程序，如加拿大 g e o s l o p e 系列的s l o p e ，r o e k s e i e n e e 公司的s l i d e 、国内的s t a b 等都是 基于极限平衡法开发的。当然，极限平衡法也有很多缺点，如不能考虑岩土体材 料的应力应变关系、时间因素、岩土体的应力历史、复杂地质条件、复杂边界条 件等。 数值分析法 自从1 9 9 6 年美国的c l o t i 曲和w o o d w a r d 应用有限元法分析土坡稳定性 问题以来，数值计算方法在岩工程中的应用发展迅速，并取得了巨大进展，是 目前岩土力学计算中普遍使用的分析方法。岩土工程中常用的数值方法有：有限 单元法( f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，简称f e m ) 一。、离散单元法( d n t i n c t d e f o r m a t i o n a n a l y s i s ，简称d e m 法) “1 、块体系统连续变形分析法 ( d i s c o n t i n u o u sd e f o r m a t i o l 也n a l y s i s ，简称d d a ) 、连续介质快速拉格朗 目分机法( f a s ti m g m n g i o n a n a l y s i so f c o n t i n u e ，简称f l a c ) “。、流形元法 ( n u m e r i c a l m a n i f o l d m e t h o d ，简称n m m ) 1 、界面元法( i n t e r f a c es t r e s se l e m e n t a n a l y s i s ) 3 4 , 3 5 。 目前节理岩体的数值分析方法。大多数以实际岩体的节理分布形态及力学特 征为基础的直接模拟法。在有限元中，采用节理单元或界面单元描述节理的性质： 边界元法中常用节理单元或位移不连续法；基于有限差分法的快速拉格朗日分析 法( f l a c ) 也可用于节理岩体的应力分析，对少量节理岩体，可用界面元，而 复杂密集的节理岩体则可采用遍历节理模型( u b i q u i t o u s j o i n tm o d e l ) 。由于上述 方法都是以连续介质为出发点，邑基于小变形的假设，虽然也可以解决由几种介 质所组成的非均质问题，并用节理单元等方法模拟为数不多的节理或断层等结构 面。但对于富含节理和大变形的岩体，尤其是在荷载作用下产生几何非线性的岩 武汉理工大学硕士学位论文 体，上述方法难于求解，所得结果往往与实际相差甚远，对岩体变形破坏机制也 往往不符合实际岩体的物理过程。离散元法是允许节理岩体的块体分离、转动和 滑移，而这些正是节理岩体重要的变形和破坏机制。因此离散元是模拟节理岩体 变形破坏及其演变趋势的有效手段之一。此方法是本文用到的计算方法，本文还 将对此方法进行详细介绍。 离散元法是c u n d a l l 在1 9 7 1 年提出的。是研究在准静态力或动力条件下 节理系统或块体集合的力学问题；1 9 8 5 年，c u n d a l l 完成了可以考虑块体本身变 形的离散元法，并编制出了国际上著名的u d e c 程序，经过多次的修正和扩展， 该程序已广泛应用于岩土力学及相关领域中，被公认是对节理岩体进行数值模拟 的有效方法。目前，三维离散元程序3 d e c 已由1 t a s c a 咨询集团丌发出柬，并 已用于工程实践。 通过数值计算，可以得到整个边坡的应力应变场，然后通过对应力应变场进 行分析，可以对边坡的稳定性进行评价，然而在工程实践中，大部分工程师们仍 习惯使用安全系数对边坡的稳定性进行快速评价。为此z i e n k i e w i e z ( 1 9 7 5 、 提出了边坡安全系数的一种新的定义方式，即“可将安全系数( f o s ) 定义为：将 岩土体抗剪强度进行折减，使边坡刚好达到i 临界破坏时抗剪强度折减的程度”， l o w e ( 1 9 7 6 ) 和潘家铮( 1 9 8 0 ) 1 对此定义进行了分析，指出了它的合理性。由此 发展而来的强度折减法在分析边坡稳定性中显示出了强大的生命力，国内外众多 学者都对此进行了研究“1 ，并取得了大量的研究成果，为边坡稳定性分析开 辟了新的途径。 对于顺层岩质边坡，其失稳机理、稳定性评价和预测已有一定的研究。早在 2 0 【吐纪7 0 年代，国内外一些学者就从边坡岩体内部结构的变化来揭示变形破坏 机制，并提出了系列变形破坏地质力学模式。1 9 8 8 年，孙玉科”1 等人以岩体 工程地质力学为基础，提出了用地质模型来分析边坡岩体变形破坏的机制。后束 不断有人对顺层岩质边坡的失稳机理进行了研究，同时也对其做了一定量的物理 模型试验及分析( 李树森，聂德新，任光明4 ”，乔建平m ，白云峰等) 。 也取得了一定的认识，但一般多以定性描述为主，而且对于不同的坡，不同的水 文地质条件，结果又不尽相同。尤其是对于顺层岩质边坡失稳的研究，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要的用力。 近几年来，虽然顺层岩质边坡的研究已取得了很大的发展，其稳定性计算理 论也越趋于成熟，但在工程实践中计算所得到的结果有时与边坡实际情况相差 甚远，其问题的根源主要有两个。首先，列顺层岩质边坡破坏机理的认识还不够， 以往在分析岩质边坡的破坏机理时，剪切破坏的观点占统治地位，多是基于将岩 武汉理工大学硕士学位论文 体看成是连续介质并以岩石试块实验结果为依据的，工程实践证明，这种方法 用于分析顺层岩质边坡的破坏机理是较为片面的。顺层岩体有剪切破坏，也有张 破裂，更多的是既有张破坏，又有剪破坏及扭转，弯折等复合型破坏。过去采用 的基本上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。顺层岩质边坡常见的破坏模式其岩体的破坏是以结构失稳为主，材 料破坏居于次要地位。针对目前对于许多边坡破坏机理认识不是很清楚，对其破 坏很多停留在定性的分析上，所以必须对边坡滑移的机理、破坏模式进行深入研 究。 其次，在对顺层岩质边坡进行稳定性分析时，往往只采用一种理论，而极限 平衡理论是最常用的，但由于其计算方法不能考虑岩土体材料的应力应变关系、 时间因素、岩土体的应力历史、复杂地质条件、复杂边界条件等，不能全面地分 析顺层岩质边坡的稳定性，因而，在实际工程中，应根据边坡工程的具体特点及 使用目的，最好能而时采用多种分析方法进行综合分析力求得出一个全面的分 析结果。 随着数值分析方法的成熟和计算机技术的发展，数值模拟分析已广泛应用于 顺层岩质边坡稳定性的研究，由于大部分边坡的变形破坏是个渐进变化的过程， 单纯从力学角度去分析其稳定性显然是不够的，应该借助数值模拟技术从动态的 角度去分析，这样才能更深入她研究顺层岩质边坡的变形破坏。针对上述问题， 本文将利用数值分析方法来研究顺层岩质边坡破坏的形成机制及发展演化，并提 出一种适合于顺层岩质边坡的评价方法。 1 2 2 边坡防治的研究现状 边坡防治在高等级公路的建设、运营与养护中占有非常重要的地位。近几十 年来，顺层岩质边坡治理的工程技术在国内外发展很快，对顺层岩体高边坡的失 稳采取的防治方法大体可分为两类：一类是“滑坡控制工程法”，另一类足“滑 坡治理工程法”。“滑坡控制工程法”是通过采用排除滑坡处的地表水、地下水， 改良滑动面软弱物质的性质等措施，排除滑坡产生的诱因或者恢复滑坡平衡状 态，从而控制和防止滑坡的产生；“滑坡治理工程法”是通过设置阻止滑坡作用 的构筑物、对滑坡体施加反作用力等方法，阻止滑坡移动从而直接治理滑坡运动、 维持坡体的平衡。 2 0 世纪5 0 年代以前，顺层边坡治理工程大多数以排除地下水和地表水为 主，滑支挡工程主要是设立挡土墙。2 0 世纪6 0 7 0 年代，在以排水工程和挡土 墙为主同时，为解决挡土墙施工中的团难，大力开发和应用了抗滑桩技术。7 0 年 武汉理工大学硕士学位论文 代的中、期，在深入研究抗滑桩受力状态和设计理论的同时，又研究开发了排架 桩、刚架、椅式挡土墙等新的支护结构形式，不仅从受力状态上更合理，而且能 节省人工钢材。2 0 世纪8 0 年代以来，在采用小直径抗滑桩的同时，为治理大 型滑坡，开始采用大直径的挖孔抗滑桩。由于锚索工程不开挖滑体，又能机械化 施工，比抗滑桩工程节省造价5 0 ，因此锚索工程在滑坡治理中成为近年来国 内外抗滑支挡结构的另一个发展方向。与完全依靠自身强度、重力而使结构物保 持稳定的传统方法相比较，锚索工程尤其是施加预应力的锚索工程具有许多鲜明 的特点。由于锚索工程具有这些鲜明特点，在处理过程中又表现出来的优越 性，最近几年发展迅速，应用非常广泛“。然而，在防治顺层岩质边坡时，一 直以来，只是根据其失稳机制，利用简单的力学计算和工程类比法，进行加固工 程措旌的选取，其理论依据不足，针对性不强，在工程实践中有时也发生因为对 顺层岩质边坡失稳形式分析不透而造成工程对策选择失当，造成工程隐患或财力 的浪费。对于上述问题，本文先对锚固技术处理边坡的加固机理和作用进行分析， 然后结合顺层岩质边坡破坏类型的特点，提出相应的防护加固工程对策。 1 3 论文研究思路和主要研究内容 论文的基本研究思路：首先全面分析影响顺层岩质边坡稳定的因素，对顺层 岩质边坡进行分类，并对其破坏机理进行分析，总结其常见的破坏模式，并进行 力学分析。运用数值分析方法对顺层岩质边坡的稳定性进行分析，给出一种适用 的稳定性评价方法。针对顺层岩质边坡破坏的特点，给出相应合理的处理方法。 通过对顺层岩质边坡问题的研究，提出适合于顺层边坡的设计原则和开挖设计方 法，用于指导设计，切实解决具体的工程问题。鉴于边坡问题的复杂性，本文采 用的研究方法是理论分析与数值模拟分析相结合的手段，重点对顺层岩质边坡的 变形破坏、稳定性分析方法等进行了较为全面的分析。本文的主要研究内容如下： 第一章绪论。主要介绍本文的研究目的和意义，综述了顺层岩质边坡现有 的稳定性分析方法、破坏机制和治理方法的研究现状，在此基础上提出了论文的 研究思路和内容。 第二章顺层岩质边坡破坏机理研究。分析了影响顺层岩质边坡的因素，阐 述结构面在岩质边坡中的控制作用，根据顺层岩质边坡的分类，总结其常见的破 坏模式，研究其破坏机理，并建立了力学模型进行稳定性分析。 第三章顺层岩质边坡稳定性数值分析。首先简要介绍了离散单元法的基本 原理和本文所用离散元程序的主要功能。将强度折减理论应用于边坡稳定性的离 散元分析，给出了边坡稳定安全系数的定义，并确定了模拟过程中边坡失稳及滑 面的判别方法。对顺层岩质边坡主要的破坏模式进行变形破坏的数值分析，来进 6 武汉理工大学硕士学位论文 一步研究顺层岩质边坡破坏的形成机制及发展演化，在此基础上对影响顺层岩质 边坡的主要因素进行敏感性分析，得到了影响顺层岩质边坡稳定的关键因素。 第四章顺层岩质边坡防治及工程设计研究。总结了顺层岩质边坡目前常用 的防治处理方法，着重分析预应力锚索技术在防治顺层岩质边坡时的加固机理并 给出了其设计计算方法。通过对顺层岩质边坡稳定性的分析研究，提出了相应的 防护加固工程对策。根据已有的研究成果，确定了顺层岩质路堑边坡的设计方法。 第五章全文总结与展望。给出了论文的几个主要结论，并指出了今后需要 进一步研究的一些问题。 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章顺层岩质边坡破坏机理研究 2 1 影响顺层岩质边坡稳定性的因素 顺层岩质边坡稳定性受多种因素影响，首先取决于岩层倾角，地层岩性，结 构面等内因。除此以外包括地下水的作用和开挖坡角、边坡高度、爆破震动效应、 地震效应等其他因素。 2 1 1 岩层倾角 与其它类型的边坡相比，岩层倾角对顺层岩质边坡的稳定性及其变形破坏形 式有着极其重要的影响。开挖路堑后，形成有效临空面，同时由于岩层走向与坡 面走向或线路方向一致，当软弱夹层在堑坡面出露时，易于形成沿软弱夹层的滑 动破坏。一般而言，当岩层倾角较缓时，不稳岩体的下滑力较小，开挖后边坡较 为稳定。除极个别弱面抗滑力极低并受地下水影响的边坡能形成蠕滑性顺层滑坡 外，大多数边坡具有普通边坡的变形破坏特征，即主要为受节理裂隙及层面影响 的小规模失稳滑动；中等倾角时，不稳岩体的下滑力增加，边坡的破坏形式以顺 层滑动为主；倾角较大时，此时开挖坡面角等于岩层倾角，边坡岩体没有下滑的 空间、边坡一般较为稳定，其可能的变形破坏形式则为条件合适时的顺层弯曲破 坏。 2 1 2 地层岩性 不同岩体的力学性质和变形性能存在很大差别，组成边坡的稳定性亦不一 样。一般来说，坚硬岩石可以构成高陡边坡，整体稳定性较好，不易发生大规模 破坏：而软弱岩石不易形成高边坡，即使形成，其稳定性也较差，滑坡灾害容易 孕育和发生。尤其是像泥岩这样的软质岩类，由于其抗风化能力极弱，发生边坡 变形破坏的机率较大。而像各类砂岩、石灰岩和白云岩等耐风化能力较强的岩体 边坡，风化程度较低，边坡相对较为稳定。 2 1 3 结构面 岩体中一般都含有明显的或隐伏的各种结构面，例如断层、节理、夹层及层 面等。岩体的关键特征就在于它被这些软弱的结构面切割成不连续体系统。由于 软弱结构面的存在造成了岩体在物理上和力学上的不连续性，使得岩体的强度明 武汉理工大学硕士学位论文 显减小。影响顺层岩质边玻稳定的结构面因素，主要包括下列几方面： ( 1 ) 结构面的倾向和倾角。一般来说，对于缓倾和中等倾角的顺层岩质边 坡，结构面的倾角越缓，边坡的稳定性就越高，倾角越陡，稳定性越差。 ( 2 ) 结构面的走向。结构面走向和边坡坡面走向( 边坡走向和岩层走向) 之 间的关系，决定了可能失稳边坡岩体运动的自由程度。严格来说，顺层岩质边坡 是指边坡走向和岩层走向一致的层状岩质边坡，然而在工程实际中，边坡走向通 常与岩层走向有定夹角。根据工程实践经验，当边坡走向同岩层走向一致时， 整个坡面都有临空自由滑动的条件，边坡稳定性最差，随着边坡走向与岩层走向 夹角的增大，边坡稳定性则逐渐增加。 ( 3 ) 结构面的倾向。由于本文研究对象是顺层岩质边坡，所以结构面倾向 同边坡坡面倾向致，当然，一般来说，同向坡较反向坡稳定性为差。 ( 4 ) 结构面的组数和数量。边坡受一组结构面切割和受多组结构面切割， 对边坡稳定性的影响程度是不一样的。顺层岩质边坡岩体虽然只有一组优势结构 面，但是其它结构面对边坡稳定性的影响也是不容忽视的。当顺层岩质边坡受多 组结构面切割时，不仅整个边坡岩体自由变形的余地更大一些，切割面、滑动面 和l 临空面也更多一些，因而组成可能滑动的块体的机会也更多一些。而且这些结 构面，尤其是垂直于坡面或地面的结构面，给地下水活动提供了更好的条件，当 结构面充水后，不仅降低了岩体强度还对边坡岩体产生较大的水压力，容易导致 边坡失稳。对于顺层岩质边坡而言，结构面的数量直接影响到被切割的岩块的大 小( 岩层的厚度) ，它对边坡的稳定性也有一定影响，例如陡倾的薄层状顺层岩质 边坡( 页岩、板岩、片岩顺层边坡) 就容易发生滑动破坏。 ( 5 ) 结构面的连续性。当边坡岩体结构面连续、完全贯通时，边坡稳定性 较差，而当结构面为非贯通，如被一些陡坎错开时，则对边坡的稳定有利。 ( 6 ) 结构面的表面形态。结构面的表面形态是结构面空间展布的几何属性， 结构面的表面形念可按其规模大小分为起伏度和粗糙度两类。起伏度表征大规模 的起伏，有起伏度的结构面如果互相镶嵌和接触，在发生剪切位移时，结构面不 致被剪坏，结构面就要发生膨胀。粗糙度表征小规模的不规则凹凸点，在发生剪 切位移时，它们将被剪坏。但在结构面岩壁强度高或所施加的应力较低时，也可 能不被剪坏而产生膨胀。起伏度可分为平面形的、波浪形的和台阶形的三种：粗 糙度可分为粗糙的、平坦的和光滑的三级。天然结构面的表面形态是起伏度和粗 糙度的不同组合。结构面的表面形态对其剪切强度等力学性质有极其重要的影 响，对于没有发生位移和互相镶嵌的未充填结构面，尤其如此。但结构面的表面 形态的重要性随结构面张开度、充填物厚度、初始位移的增加而降低。 ( 7 ) 结构面的充填特征。结构面的充填特征主要是指结构面的充填物性质 9 武汉理工大学硕士学位论文 和充填厚度等。结构面内的充填物有胶结的和非胶结的两种。胶结充填结构面的 强度通常不低于岩体的强度，因此，它不属于软弱面，胶结充填分硅质、铁质、 钙质和岩脉充填等类型。非胶结充填节理内的充填物主要是泥质材料，非胶结充 填物中含膨胀性的不良矿物( 如蒙脱石、高岭石、绿泥石绢云母、蛇纹石、滑石 等) 较多时，其力学性质最差：含非润滑性质的矿物( 如石英和方解石等) 较多时， 其力学性质较好。充填物的性状主要是指充填物粒度或颗粒大小、含水量、渗透 系数、超固结比等。充填物的厚度可分为以下四种类型：薄膜充填。它是节理 面岩壁附着一层2 m m 以下的薄膜，由风化矿物和应力矿物等组成，如粘矿物、 绿泥石、绿帘石、蛇纹石、滑石等。虽然很薄，但由于充填矿物性质不良，也明 显降低了结构面的强度；断续充填。充填物的厚度小于结构面形态高差，充填 物在结构面内不连续，形成断续充填，其力学性质取决于结构面的形态及充填物 和岩壁岩石的力学性质；连续充填。充填物的厚度稍大于结构面形态高差，其 力学性质取决于充填物和岩壁岩石的力学性质；厚层充填。充填物厚度大到数 十厘米到数米，形成一个软弱带，其破坏时表现为岩体沿接触面的滑移，有时则 表现为软弱带本身的塑流破坏。 2 1 4 水的影响 水对边坡岩体稳定性的影响不仅是多方面的而且是非常活跃的。大量工程实 例证实，大多数边坡岩体的破坏都与水的活动有关。在降雨季节，滑坡事故一般 较多，就足以说明水是影响边坡岩体稳定性的重要因素。水对岩质边坡稳定性的 影响主要表现在：( 1 ) 地下水赋存于坡体内，一方面降低了岩体的c ，厂值，另 一方面增大了边坡体的自身重量，并且产生裂隙水压力和水动力，这样在相同条 件下，岩体的抗滑力减小，滑动趋势明显增加，稳定性自然降低。( 2 ) 水对岩体 有明显的化学作用，在一定条件下，岩石矿物吸收或失去水分子而发生水化作用 或脱水作用，在吸水或脱水过程中都能引起矿物体积的膨胀或收缩，从而导致岩 体松散、破碎或改变其矿物成分，特别是当水中含有气体时，水的化学溶解和潜 蚀能力将大为加强。水的有关化学作用和气温的物理作用相配合，互为因果地促 进风化作用向深部发展和扩散，使岩体的破坏更为严重。在岩体构造破碎带化学 作用更为明显。( 3 ) 水对岩体还有明显的物理作用。渗入岩体裂隙中的水结冰后 会对岩体产生很大的膨胀力，使岩体沿着原有裂隙迅速开裂和分解。对于裂隙中 的某些次生充填，松散夹层，或粘土质物质，水分蒸发又能引起干裂收缩，同样 导致岩体破坏。水对岩体的物理化学作用总的来看是增大了岩体的破碎程度，增 加了岩体结构面的密度和贯通性、压缩性和透水性，从而导致强度降低。边坡稳 定性减小。 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 2 1 5 其他因素 ( 1 ) 开挖坡角、边坡高度的影响 不同的坡角与坡高对边坡稳定性的影响不同。边坡坡角、坡高的大小与高低 主要受控于边坡岩体结构特征及其与边坡的关系，以及边坡所处的环境。研究表 明，随着边坡变陡，张应力值及其分布范围随之加大，坡脚最大剪应力值也随之 增大。一般情况下，坡角与坡高呈反比关系。当坡角较小时，稳定的边坡高度大： 坡角变陡后，稳定的边坡高度降低。此外，随着坡角改变，边坡坡面处的应力状 态明显发生改变，坡角愈大，边坡的位移变形量愈大。另外，坡内各处的应力值 均随坡高的增高而线性增大，一般来讲边坡愈高，其稳定性愈差。 ( 2 ) 爆破震动效应 对岩质路堑的开挖般采取爆破方式，但爆破方式不同、开挖顺序不同对边 坡稳定性的影晌也不同。爆破对边坡稳定性的影响主要表现在爆破的动力作用和 松动作用。爆破产生的冲击应力对边坡岩体产生冲击和剪切作用，引起边坡岩体 强度衰减，导致边坡失稳：由于爆破作用，使岩体中原有的节理、裂隙产生张开 作用，并产生新的裂隙，使岩体产生松动，破坏其原有的完整性，导致边坡稳定 性的降低。长期的工程实践表明，常规爆破方法对边坡稳定性影响最大，微差爆 破、预裂爆破和光面爆破对边坡影响相对较小。 ( 3 ) 地震效应 地震力对边坡稳定性的影响机理与爆破类似，主要体现在对边坡岩体结构的 破坏和动力作用上。在v 1 度以上的地震区，一般在边坡防护设计中加以考虑， 以提供足够的安全储备。 ( 4 ) 风化作用 长期暴露在地表的边坡岩体，受水文、气象变化的影响，逐渐产生物理和化 学风化作用，出现各种不良现象。如产生次生矿物、节理张开或裂隙扩大，并出 现新的风化裂隙、岩体结构破坏、容重减小、物理力学特性降低等，对边坡变形 的发生和发展起着促进作用。实际资料表明，岩石遭受风化作用后，边坡的稳定 性均有不同程度的降低，并且岩石风化愈深，边坡的稳定性愈差，稳定坡角愈小。 ( 5 ) 时间效应 工程边坡的变形和破坏大多与岩体中软弱夹层的时效蠕变特征有着较大的 关系，其抗剪强度随时间的增加而降低，如剪力不超过层面的长时剪切强度时， 边坡处于稳定状态：如剪力超过层面的长时抗剪强度时，边坡便发生不稳定蠕变， 最后达到加速蠕变并出现顺层剧滑现象。 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 结构面在岩质边坡中的控制作用 岩质边坡是在漫长的历史过程中形成的复杂的地质体，由结构体和结构面两 部分共同构成。结构体或岩块是各种类型的地质结构面切割成不同形状和大小的 块状岩体。结构面如岩层层面、节理、断层、剪切带、软弱央层等，是岩体内不 连续面的总称，在顺层岩体中结构面主要是层面、节理、断裂。 结构面按其成因可分为构造结构面，成岩结构面和次生结构面等三类，构造 结构面是控制岩质边坡的主要因素。按力学性质可以分为压性、张性、扭性、压 扭性和张扭性等五种。按规模大小可分为四级：( 1 ) 大型结构面，如贯通整个工 程区的较大断层等地质界面。( 2 ) 中型结构面，如与工程规模量级相当的中型断 裂等地质界面。( 3 ) 小型结构面，如将边坡岩体切割成各种形状单元块体的中小 型裂隙等地质界面。( 4 ) 微型结构面，如分布于单元块体内的劈裂，微细裂缝等 地质介面。不同等级的结构面对岩体边坡稳定