dengyawen-高陡路堑边坡稳定性分析与可靠性评价_何本贵.doc

分类号:U416.1密 级:公开UD C单位代码:1 0 0 0 8 北京科技大学硕士学位论文S20020090何本贵专业名称：工程力学2005年03月01日北京科技大学硕士学位论文论文题目:高陡路堑边坡稳定性分析与可靠性评价作者：何本贵指导教师： 高谦教授 单位:北京科技大学协助指导教师：单位：单位：论文提交日期：2005年03月01日学位授予单位：北京科技大学高陡路堑边坡稳定性分析与可靠性评价The Stability Study and Reliability Analysis of High andPrecipitous Road Moat Side Slope研究生姓名：何本贵指导教师姓名：高谦北京科技大学土木与环境工程学院北京100083，中国Candidate： He BenguiSupervisor： Gao QianSchool of Civil and Environmental EngineeringUniversity of Science and Technology Beijing3 0 Xueyuan Road，Haidian DistrictBeijing 100083, P.R.CHINA独创性说明本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，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的研究成果，也不包含为获得 北京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。签名：日期:关于论文使用授权的说明本人完全了解北京科技大学有关保留、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 布论文的全部或部分内容，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循此规定)签名：导师签名：日期:摘 要高速公路边坡的稳定性是确保公路安全运行的重要条件，开展对高速公路边 坡的开挖设计、加固措施以及稳定性分析理论与控制技术的研究，对快速发展的 高速公路建设、实现道路的安全运行都十分必要。边坡稳定性影响因素分析和稳定性计算方法有很多，如何从众多因素中确定它 们影响边坡稳定的主次关系，如何有效的对边坡进行支护，以及如何对边坡的稳定状况 和发展趋势做出估计和预测是边坡研究中的重要课题。以浙江省诸永高速公路K96+030K96+250段边坡为例，进行了边坡稳定性 影响因素分析，支护设计和稳定可靠性评价。为此，首先根据边坡工程地质情况，进行工程类比，确定了初步的支护方 案，并采用极限平衡分析方法，计算了在此支护方案条件下的边坡稳定性。在此 基础上，对影响边坡稳定性的众多因素进行正交分析，进行各因素的极差分析， 由此揭示了不同因素对边坡稳定性的影响程度。然后，在初步支护方案的基础 上，选择对边坡稳定性影响较敏感的几个因素，在允许的范围内调整，得到了四 种支护方案；最后，考虑定性与定量因素，采用灰色理论进行支护方案的优化决策， 由此得到最优支护方案。考虑边坡工程稳定性分析与支护设计存在不确定因素，本文还利用可靠性理论，对 边坡设计方案进行了可靠度分析。同时，采用有限差分数值分析方法，进行边坡开挖与 支护的数值模拟和应力分析，用于揭示边坡加固前后的变形破坏机理、失稳模式，得到 了与可靠性分析结果一致的结论，由此全面揭示高速公路边坡的长期稳定性与失稳风 险。综合各种分析结果，给出本段边坡的最优设计方案，并为设计单位所采用。关键词：边坡，稳定性，可靠性分析，敏感性，数值分析The Stability Study and Reliability Analysis of High and PrecipitousRoad Moat Side SlopeAbstractThe stability of freeway slope directly concerns the roadways security run. Its quite necessary to develop the excavation design, reinforcement measures, and stability analysis theory and control technology for the construction of freeway and the roadway security run.Influence factors of slope stability and stability calculate methods are very abundant Its an important task to fix the primary and secondary relations of the influence factors, to shore the slope effectively and to estimate the stability status and progress trend.Taken the freeway slope of zhu yong in Zhejiang province，K96+030K96+250 as a typical example to analysis the stability influence factors, shoring design and stability reliability value.Firstly, based on the geological condition, this paper adopts engineering geological analogy to make an elementary shoring project, and then calculates the stability by limit equilibrium method. Secondly, the orthogonal experiment method is applied in the analysis of some influent factors. Whats more, the sensitivity rules of each factor are gotten. Thirdly, some more sensitive factors are selected and adjusted in allowable range, and then four shoring projects are gotten. Fourthly, considering qualitative and quantitative factors, this paper adopts gray theory to get the best project.Considering the uncertain factors of the slope stability and shoring design, this paper adopts reliability theory to analyze the stability. At the same time, it adopts finite element method to carry out numerical simulation and stress analysis to the process of the excavation and shoring, and opens out the distortion destroy mechanism and instability patterns before and after the reinforcement, and reaches the same conclusion as reliability theory. In all analysis results, the best design project is gotten and has adopted by engineer unit.KeyWords: Freeway Slope，Stability，Sensitivity，Reliability，Numerical Simulation目 录1Abstract2弓丨s11文献综述21.1边坡稳定分析和加固技术历史及现状21.1.1边坡稳定分析的发展过程21.1.2边坡稳定的分析方法31.1.3定量分析方法51.2概率可靠性分析法及其在边坡稳定性方面的应用91.2.1概率可靠性分析法的发展91.2.2概率可靠性分析法的基本思路与一般步骤101.2.3岩土工程概率分析法的应用前景101.3影响边坡稳定的因素分析111.4边坡加固方法121.5本文的主要工作和研究内容122 I程胃;ft142.1路莖边坡工程地质情况142.1.1工程地质概况142.1.2工程地质情况评价152.2治理方案的选取及设计163边坡极限平衡分析173.1极限平衡法及Slope简介173.1.1极限平衡法173.1.2 Slope 简介233.2极限平衡分析233.2.1参数选取3.2.2 边坡 Slope 模型243.3本章小结294边坡稳定的敏感性分析304.1稳定性的主要影响因素304.1.1边坡岩土类型和性质304.1.2边坡地质构造和岩体结构304.1.3地下水314.1.4动力作用314.1.5边坡的形状314.1.6风化作用314.1.7其他隱324.2边坡稳定性影响因素的敏感度分析324.2.1敏感度分析法的基本概念和步骤324.2.2敏感性分析因素的选取334.3IE交试验334.4正交试验设计344.5参数输入354.6计算结果与分析374.7本章小结385灰色理论支护方案优化决策395.1相诚395.2 I案选取395.3方案比较评述445.4灰色系统理论分析方法445.5基于关联分析的边坡支护设计方案的优化决策465.6边坡支护方案优化决策465.7本章小结486边坡稳定性的概率可靠度分析6.1边坡可靠度的一些基本概念496.2边坡概率可靠度模型的建立526.2.1破坏概率分布函数的确定526.2.2破坏概率数字特征参数的确定536.3概率可靠性分析556.4边坡稳定评价准则586.5本章小结587边坡稳定性数值分析607.1计算方法介绍607.1.1有限差分基本方程607.1.2平面问题有限差分方程627.1.3显式有限差分算法一时间递步法667.2FLAC 简介687.3计算模型的建立697.4计算结果分析717.4.1不平衡力分析717.4.2位移矢量分析727.4.3塑性区图分析747.5本章小结76 it77参考文献79在学研究成果82i射83引 言边坡工程涉及的领域非常广，它是一个开放的系统。它既有有限变形问题，又有无 限变形问题，有瞬时变形问题又有长时变形问题，它本是自然科学问题，但时有社会问 题搀杂里面，特别是边坡问题变成地质灾害时。边坡问题还受制于土地资源的合理开发 利用，保护生态环境以及可持续发展等重大国计民生战略。随着人口的急剧増长和土地资源的过度开发，边坡问题已变成同地震和火灾相并列 的全球性三大地质灾害之一。2001年5月份至2004年间，我国已发生多次滑坡和泥石 流灾害，造成了巨大的人民生命和财产损失。仅2001年5月份发生多起：2001年5月 1日重庆市武隆县发生的山体滑坡造成了 79人死亡；2001年5月22日湖北神农架发生 山体滑坡，5人死亡，2人受伤；2001年5月28日，四川崇州发生山体滑坡，8人死 亡。近年来，随着我国经济的不断发展，我国水利、铁路、公路、矿区开采等的建设迅 猛发展。在这些工程建设中，出现了大量的高边坡，这些高边坡的防护问题非常重要。 由于地形、地质条件复杂和投资规模控制等多种原因，或边坡工程设计不当，出现工程 病害不可避免。高速公路边坡工程病害主要表现在高路堤、深路堑边坡的变形和破坏， 以及潜在突发性和灾难性地质灾害现象。其中，高陡路堑边坡工程（坡高在3040m 以上）的变形和破坏是高速公路控制投资、影响工期、且具有潜在危害和威胁的主要因 素之一。在大量的工程实践过程中，存在对于高边坡工程病害特征和性质认识不清，治 理工程措施不力等诸多问题，常常造成高边坡工程变形和破坏，且其危害严重，损失极 大；或因治理方案过于保守，造成不必要的浪费。为了满足安全可靠和经济合理双重目 标，对高边坡病害特征的深入分析和对其治理工程方案的慎重选择显得十分重要。建设中的诸永高速公路所穿过的诸暨、东阳、磐安、仙居、永嘉，地形地貌复杂， 历史上曾多次发生山体滑坡、泥石流等自然灾害；山区岩石和土的类型多种多样，岩体 节理裂隙发育程度不一。鉴于边坡（尤其是高边坡）多次发生滑坡事故的现实，很有必 要开展高边坡的稳定可靠性分析研究。为了解决工程中遇到的实际问题，并为以后高速公路岩石高边坡的设计、施工和运 行提供可靠真实的数据资料，本文对高边坡设计、施工期间的稳定可靠性、岩土体的物 理力学参数、边坡支护型式的优化和稳定性评价等关键性的技术问题进行研究。1文献综述1.1边坡稳定分析和加固技术历史及现状无论是几十米高的陡峭高边坡，还是只有几米高的较平缓的一般性边坡，都需要进 行边坡稳定性评价。对于稳定的边坡，无论是在自然条件下，还是人为因素的干扰下， 如开挖，始终处于稳定的状态；而对于非稳定的边坡，则经常出现一些运动的地质现 象，如滑动、崩落和倾倒等。一般情况下需对非稳定的边坡进行处理，如减载、加固等 措施。本文所指的边坡稳定分析主要是针对滑动一类的边坡进行稳定性分析和加固。1.1.1边坡稳定分析的发展过程边坡稳定分析方法很多。从早期的楔体分析、极限平衡分析以至到近代其它学科与 地质学科的结合方法等，有十几种之多。但从应用的角度来看，仍然以极限平衡方法为 主，所以下面的论述主要以极限平衡方法为中心，同时兼顾目前一些新理论和方法。如 果以二十世纪五十年代毕肖普(Bishop)提出的极限平衡分析方法作为边坡稳定分析理论 的界限，那么二十世纪五十年代以前的分析方法，我们称之为早期分析方法；而对于五 十年代以后的方法称之为近代或现代分析方法。1.1.1.1边坡稳定分析方法的早期方法目前比较公认的边坡稳定分析起源于1776年库仑(Coulomb)的工作1。当时库仑在 分析挡土墙的稳定性时，引进了抗剪切的概念，并定义为粘结力与摩擦力之和。他提出 了楔体分析方法，并通过寻找临界滑动面来计算作用在挡土墙上的主动压力，从而可以 计算具有在无支撑条件下土坡的临界高度。在十九世纪中叶，随着铁路和运河的建设，对铁路路基和运河的开凿方面进行了一 些现场调查研究。在十九世纪四十年代，Gregory和Colthurst报道了英国发生的一些重 要的破坏情况，而与此同时Collm在法国也进行了一些研究。Collm研究表明，粘土的 破坏面（滑动面）通常是一个曲面而非平面。在二十世纪初期，瑞典人彼德森(Petterson)提出了现在广泛应用的条分方法2,3。在 此之后，费尔纽斯(W.FellmUS；)于1911年提出了楔体分析方法。这种分析方法考虑了土 体的摩擦特性，于1916年经彼德森和Hultm发展成为现在的摩擦圆法，并第一次采用 了条分的思想来分析条块与边坡整体的稳定性问题，同时考虑了条块间的作用力和水位 面以下土体的浸水重量。1918年费尔纽斯将该圆弧分析引入到粘性土体中，提出了怎 样寻找关键的圆弧滑动面。之后费尔纽斯于1936年又将其引入到更一般的情况， 时考虑了土体的粘结力和摩擦力。后经泰勒(Taylor)于1948年发展成为普遍实用的解析 方法1。值得指出的是，这些早期的分析方法所分析的滑动面上的摩擦力仅取决于滑面上的有效重量。1.1.1.2边坡稳定分析方法的现代分析方法具有划时代意义的是，毕肖普(A.W. Bishop)于1954年提出的边坡稳定分析方法的 圆弧法，至今尚得到一定程度的应用。这种方法是极限平衡法的典型代表。可以说，其 它的极限平衡方法是毕肖普方法的深入和发展，从某种意义上说是一种变种。依现在的 观点来看，这些极限平衡方法在理论上是一种近似方法，但实践证明在实际工程应用中 是非常实用的。到目前为止，分析边坡稳定性的极限平衡法已达十几种之多，从使用的 角度来看，主要分为五大类：定性分析方法、定量分析方法、非确定分析方法、物理模 型和现场监测分析方法4。1.1.2边坡稳定的分析方法(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 形破坏方式以及失稳的力学机制等的分析，对已变形地质体的成因及其演化史进行分 析，从而给出被评价边坡一个稳定性状况及其可能发展趋势的定性说明和解释6。(2) 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和边坡发育历史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的分析，追溯边坡演变的全过程，依此对边坡稳定性的总体 情况、趋势和区域性特征做出评价和预测，对已经发生的滑坡，判断其能否复活或转 化，该方法主要用于天然斜坡的稳定性评价。(3) 工程类比方法同隧道工程有类似之处的是，边坡稳定性评价方法中也广泛采用工程类比的判断方 法。该方法的实质就是利用已经有的边坡稳定性状况及其影响因素，结合曾经采用过的 设计等方面的经验，并把这些经验应用到类似的所要研究边坡的稳定性分析和设计中 去。该方法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，对边坡的工程地 质因素和水文地质因素进行全面研究，找出它们之间的相同点和不同点，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及其差异性。同时考虑到工程的等级、类别 等的特殊性要求，综合分析边坡可能的变形破坏机制、方式，从而对研究的边坡稳定性 进行比较分析，给出稳定性评价。值得指出的是，工程类比方法毕竟是通过对已有的边 坡和待分析的边坡从各个方面进行比较、归纳，得出边坡稳定性评价的结论，但由 地点以及工程规模和等级的约束，两个完全相同的地质单元是不可能的，所以在进行归 纳对比分析的过程中，一定要抓住主要因素，在主要因素方面必须满足相似性要求才能 进行对比和归类，也只有这样工程类比的方法才有效711。(4) 边坡稳定性分析数据库和专家系统数据库知识是十九世纪八十年代发展起来的，将该知识应用到边坡工程中是二十世 纪八十年代末和九十年代初期的事情，并且也仅仅是初步的它的实际就是收集已有的 边坡资料，如地点、地质特征、影响边坡稳定的因素、边坡的几何因素以及边坡加固的 措施等，按照一定的格式和逻辑关系，将各个边坡的资料汇总并有机的结合起来。建立 边坡工程数据库的目的主要是进行工程类比和信息交流，它可以直接根据不同设计阶段 的要求和相关的类比依据，方便快捷地从中找出相似程度最高的实例进行类比。边坡稳定分析专家系统就是进行边坡工程稳定性分析与设计的智能化计算机程序。 它把某一位或多位专家的知识、工程经验、理论分析、数值分析、物理模拟和现场监测 等行之有效的知识和方法有机的结合起来，建成一个边坡工程知识库，然后利用智能化 的推理机来模拟并再现专家的思维过程，吸收其合理的知识结构，寻求优化的技术路 径，结合相关学科的不同专家的知识进行推理和决策，对所研究的对象（边坡）进行稳 定性评价。在建立专家系统的时候，一定要注意将相关学科不同专家的知识纳入到专家 知识库中，因为专家往往在某一个领域，大多在某一个方面具有专长和特长，而边坡工 程是一个庞大的复杂系统，一个或几个专家所反映的知识结构有时难免出现片面，并不 能全面反映边坡的实际结构或状况。(5) 岩体质量评价方法当前在边坡工程等岩石地面工程和地下工程中，广泛采用岩体质量指标作为评价岩 体稳定情况的标准。岩体质量指标是一个综合的指数，它能够反映岩体中各种主要参数 对岩体稳定的影响效果。说的通俗一点，岩体质量指标是影响岩体稳定各参数的一个多 元函数，如岩石的强度、岩体的完整程度、岩体不连续面情况、地下水状况等等，根据 各种参数的范围相应的给出一个影响岩体稳定的分值，然后将相关的分值进行相加，得 到岩体一个综合的分值，作为岩体稳定的等级，依此作为岩体评价的标准。但是在影响 给岩体稳定的参数进行权重分配时仍然存在一些不足。所以，目前在岩体工程分级国家 标准中明确指出，岩体的工程分级宜采用岩体基本指标和修正指标相结合的方法，即将 岩石的强度（主要是单轴抗压强度）和岩体的完整性作为基本指数，然后将其它的因 素，如地下水状况、工程规模等等因素采用修正基本指数的方法进行计算。以上均为边坡稳定分析方法中定性分析常用的方法，但是定性分析只能对边坡的稳 定做出概括性的评价，如边坡稳定、基本稳定、不稳定以及很不稳定等。如果要进一步 分析稳定的程度，就需要进行定量分析。1.1.3定量分析方法岩体边坡的稳定性分析是一个十分重要的实际问题，自Coulomb (1773年）提出 了极限平衡法以来，相继产生和发展了许多以塑性极限平衡理论为基础的岩体边坡稳定 性分析方法，主要包括：(1) 极限平衡法（LEM)假定潜在滑动岩体在极限平衡状态下必须满足力学平衡 条件、运动学条件（如滑移模式），并且在物理学上不违背破坏准则，通过分析潜在失 稳岩体的力学关系，确定边坡的临界稳定安全系数。(2) 极限分析法（LAM)是以Dmcker和Prager等提出的塑性极限分析理论的上 限定理和下限定理为基础所建立的力学分析方法。自二十世纪70年代以来，广泛应用 于求解土体的稳定性问题。其中Chen全面阐述了用上限定理来求解地基承载力、土压 力和边坡稳定性的原理和方法。在上限和下限分析中，其各自的关键所在是运动许可速 度场和静力许可应力场的构造技术及其优化分析。(3) 滑移线场方法（SLM)包括由Sokolovskii等人提出的静力学理论和Hansen 等人提出的运动学理论，它是一种分别采用速度和应力滑移线场的几何特性求解极限平 衡偏微分方程组的数学方法。但是由于其数学算法上的困难，对于一般的边值问题限制 了其应用范围。(4) 现代岩土数值方法在极限平衡分析中的应用随着非线性计算力学与数值技术 的理论和应用而发展的，为了克服上述方法的缺陷，现代岩土数值计算方法被广泛应用 于岩土工程的稳定性分析中，这些方法主要包括有限单元法、界面单元法、刚性有限 元、离散单元法和非连续变形分析方法，但是如何根据数值分析结果得出合适的衡量岩 土结构稳定性的定量指标与极限荷载还需进一步探讨。到目前为止，采用定量分析方法分析边坡稳定性达十几种，但严格地讲，这些方法 还远远没有走到完全定量分析这一步，它只能算是一种半定量的分析方法。下面对边坡 稳定性分析常用的方法叙述如下：(1) 极限平衡方法可以说，极限平衡分析方法是在工程实践中应用最早，也是最普遍使用的一种定量 分析方法。究其原因，目前也难以说清楚。其明显的思想就是该方法体现了连续与离散 的统一，从先前的刚体平衡分析到现在的变形分析方法以及现代的非线性分析，大用的是条分的思想，如果从现代分析观点来看，这也是将连续体进行离散分析的典型， 是宏观与微观结合的范例。虽然对边坡进行条分后的条块假定的方式不同，但计算的结 果却出奇的与实际吻合。由于对条块假定的受力不同，或认为采用的模式存在差异，极 限平衡法的变种主要有：Fellenius法、Bishop法、Janbu法、MorgenstemPrince法、 余推力法、Sarnia法以及楔体极限平衡法等2。近年来，通过一些专家学者的努力，上述这些计算方法已经实现了程序化，如Geo 一slope计算软件等。有的还把有限元方法引入到极限平衡分析方法中，先通过有限元 方法计算出可能滑面上的各点应力，然后再利用极限平衡原理计算滑面上的点安全系数 及沿整个滑动面滑动的安全系数。正如前面指出的，极限平衡方法的缺点是对条分在力学上做了一些简化假设，但由 于该方法抓住了问题的主要方面，并且简易直观，若使用得当，将得到比较满意的结 果，它是目前应用最多的一种分析方法。(2) 数值分析方法随着计算技术的不断发展，采用数值计算理论分析大型的复杂的工程结构就目前而 言已经成为可能。为了更好地反映边坡岩土体的应力应变关系，各种数值计算方法在边 坡工程中得到了广泛应用。比较有代表性的分析方法有，有限元法、离散元法、边界 元、运动单元法、临界滑动场法以及显式的快速拉格朗日（FLAC)法等。值得指出的 是，虽然这些理论和方法在一定程度上得到应用，但具体到实际情况之中仍需要一定时 间进行检验，目前无论是土坡还是岩质边坡，在进行实际的设计和应用中，仍然采用极 限平衡的分析方法。有限单元法就目前有限元技术来看，它的发展相对比较成熟。采用这一方法，能够 反映边坡岩土体的应力应变关系，避免了极限平衡方法中视条块为刚体的缺陷，并 且能够反映岩体的不连续面和土层的界面等，能够模拟复杂的边界条件，但它求出的是 边坡应力分布和位移趋势，即使采用屈服准则，也是求得局部单元的屈服破坏情况，而 对整个边坡的稳定情况仍然无法评价。边界元法从计算的原理来看，边界元法与有限元法是属于同一范畴的，只是出发点 不同。边界元的最大优点就是使得计算问题降低维数，计算精度相对较高，其缺点是对 材料的非线性、各向异性以及一些特殊的界面（如不连续面）等的处理较难，在边坡工 程中应用的相对较少。离散元法从离散元与有限元和边界元方法相同的地方都需要离散化，但对离散以后 的单元处理上，离散元方法强调的是单元之间的作用关系，而对于单元本身的变形 略不计，即认为单元为刚体，单元之间的作用关系符合牛顿第二定律，在此基础上建立 岩土体的运动规律。显然该法能够模拟边坡的大变形，并且可以实时的预测。由于单元 划分的特点，这种分析方法对块体结构、碎裂结构岩土体组成的边坡比较适合，或对单 元变形要求不高的岩土体边坡均可适用。显式差分法（快速拉格朗日法）可以说，该法结合了有限元和离散元的优点，既考 虑了单元本身的变形，同时采用时步迭代，能够反映大变形以及可以考虑不连续面的作 用，并且可以计算边坡变化的全过程。不足之处就是对整个边坡的稳定状况无法给出稳 定的可信程度，即安全系数的大小。它只能分析整个边坡变化的趋势。块体理论和不连续变形分析（DDA)块体理论与下面提到的赤平投影方法均是一种 几何方法，二者不同的是，赤平投影采用的解析几何的方法，而块体理论则是以数学上 的拓扑学和群论为基础来分析三维不连续岩体稳定性。不连续变形分析类似于离散元方 法，它通过不连续面间的相互约束建立整个系统的力学平衡。它与离散元不同的是，该 方法同时考虑了块体本身的变形，然后也是利用拓扑学和群论的知识，将有关的块体采 用一些约定的格式进行定义，从而边坡块体的分析就成为处理数学上一些集合（或数 集）。(3) 图解法图解法可以分为诺模图法和赤平投影图法。该法就是利用一定的诺模图或关系曲线 来表征与边坡稳定有关参数间的关系，并由此求出边坡稳定安全系数，或根据要求的安 全系数及一些参数反求其它参数（如摩擦角、粘结力、坡角和坡高等）的方法。这种方 法的实际是数理分析方法的一种简化方法，如Taylor图解法等。主要应用于土质边坡或 全风化的具弧形破坏面的边坡稳定性分析中。投影图法就是应用赤平极射投影原理，通过作图来直观地表示边坡破坏的边界条 件，分析结构面的空间组合关系，从而判断可能失稳的岩土体形态及其滑动方向。然后 结合有关的物理力学参数，来计算边坡的安全系数。根据投影方法的差异，有赤平极射 投影图法和实体比例投影图法，即将软弱结构面视作空间中的平面，采用空间解析几何 方法进行计算分析。需要指出的是，我国工程地质学者提出的岩体结构控制论（即岩体 结构理论）分析边坡稳定性，在该领域具有一定的领先地位。上面提到的关键块体理论 从本质上说应该是该方法（赤平投影）的延续。以上为边坡工程中经常采用的一些数值方法。有限元方法和适合土质边坡，同时适 用岩质边坡，而离散元、显式差分法（快速拉格朗日法）、图解法以及块体理论和不连 续变形分析（DDA)主要适合于岩质边坡。尽管各种数值方法在边坡工程中存在一一 足，但至少它们在某一个侧面反映了边坡稳定的变化情况，在实际工程中，可以采用它 们分析边坡工程的某些规律（如变化的趋势）。(4) 非确定分析方法传统的工程地质学主要着手地质对比的研究，二十世纪八十年代后期，由于学科之 间的相互渗透使许多与现代科学有关的理论和方法应用到边坡稳定性研究当中，另一方 面，就边坡工程发展过程中，人们已经认识到边坡工程中的一些不确定的因素，这些因 素包括自然的和人为的两个方面。自然的因素是指边坡本身的因素，而人为的因素是人 们对边坡认识上的不确定性因素。需要指出的是，不确定分析方法主要分为以概率统计 理论为基础的地质结构模拟与可靠度分析和以模糊理论为基础的综合评判技术。就边坡 工程而言，概率统计理论在边坡工程中的应用主要集中在参数测试方面，也就是它的随 机性体现在认识方面，而岩土体本身的随机性应用可以说是牵强附会。因为概率统计理 论应用是有一定前提的，它必须符合重复试验的要求，并且试验的条件不能发生变化。 而地质结构以及岩土体参数它们的分布在空间上差异较大，在时间上可以不考虑。空间 上的变化引起的参数变异按理说是不符合概率统计条件的。(5) 物理模型方法（模型试验法）物理模型方法是一种形象直观的边坡稳定分析方法。它主要是根据边坡的实际情况 (包括地质材料、构造、地应力和边界情况），采用相似比理论，按照一定的比例在实 验室条件下重显边坡，然后在实验室条件下通过加载，测试有关参数（变形和应力）来 判断边坡的稳定性。采用的模型有光弹模型、底摩擦试验、地质力学模型以及离心模型 试验等。物理模型分析方法在抓住模拟实际边坡主要因素的同时，它也存在一些不可忽 视的不足，主要是完全反映边坡地应力以及地下水的实际情况难以控制，另外加载的方 法在实验室条件下也是难以实现的，并且模型试验的费用相对较高。(6) 现场监测法现场监测是边坡稳定分析极其重要的环节。无论是定性的还是定量的分析，最终结 果的验证也必须通过现场监测进行分析，由此可见，现场监测在岩土工程中尤其是边坡 工程具有十分重要的地位。现场监测获得的主要参数是边坡的位移，再通过对数据和有 关信息的处理，得到边坡变化的趋势和规律，供工程设计单位和研究使用_。以上对边坡稳定性分析的发展过程和分析方法进行了叙述。重点对边坡工程稳定性 分析中的定性分析方法中的工程类比和岩土体质量指标以及数值分析方法进行较详细的 叙述，同时对其它的一些方法进行了简述。众所周知，边坡工程（土坡和岩质边坡）是 一个复杂的工程。即使是土质边坡，土层也不是单一的，往往具有多层性，并且层间存在着软弱层，如淤泥层等。这就决定了边坡工程的分析不能仅仅依靠单一的分析方 法，必须采取综合的归纳式的分析方法，因此并不能判断哪一种方法优，哪一种方法 劣，它们各有优缺点。但无论是哪一种分析方法，其基本的前提应当是对边坡的工程地 质、水文地质以及工程环境进行较详细的调查和勘测，在这一基础上才谈得上边坡稳定 分析方法的选择。另外需要特别指出的是，采用分析方法一定要主要方法的适用条件， 并不能盲目的套用，而应根据具体的工程情况去分析，尤其是一些现代分析方法的使用 上。这主要是因为学科之间的渗透，一些其它学科的理论被推广应用到边坡工程之中。 如系统工程、突变理论、神经元方法、损伤理论以及分叉和混纯等。这些理论的产生往 往具有一定的背景，并不是一种通用的分析方法。如果要应用到边坡工程，一定要注意 该理论的适用条件和范围。1.2概率可靠性分析法及其在边坡稳定性方面的应用1.2.1概率可靠性分析法的发展边坡工程中一个肯定的事实，就是其控制因素的不确定性，这种不确定性因素不但 多，而且还难以估计。如：不能完全如实地表征工程岩体特性，不能臻善地构造工程力 学模型，不能充分地指明工程的环境作用和载荷条件等等。传统工程设计所使用的安全 系数方法是基于确定性理论的概念，没有考虑工程岩体的不确定性，因而不能真正反映 工程的可靠性。近二十年来，可靠性分析和风险分析已在许多工程领域，包括边坡工程 中得以应用，这是近代岩土工程技术的重大发展2。引入不确定性数学理论，构造出能反映客观实际的不确定性边坡稳定性的分析模 型，边坡稳定性概率可靠性分析法正是基于上述思想发展起来的。许多学者对边坡可靠 性研究做出了卓有成效的贡献。伍（Wu)和克拉夫特（Kralt)、马特索（Matsuo) 和库罗达（Kuroda)、莫拉_卡塔兰（MorlaCatalan)和科内尔（Cornell)、阿朗桑 (Alonson)以及哈尔（Harr)曾对土质边坡作过典型研究；迈克马洪（McMahon)、 彼特廷（Pitean)和马廷（Martin)、马雷克（Marek)和萨瓦莱（Savaly)、比彻 (Beacher)和爱因斯坦（Einstein)、莫里斯（Morriss)和斯托特（Stotter)、金 (Kim)、梅杰（Major)和布朗（Brown)、赫各特（Herget)论述了概率方法在岩质 边坡中的应用；恩格因（Nguyen)和乔伍得赫里（Chowdhury)报告了矿山排土场的可 靠性分析；乔伍得赫里和阿格里瓦斯（A-Gnvas)对累破坏的概率分析方法；范马克 思（Vanmarrcke)、尤赛曼（Yucemen)对三维效应的概率分析方法均作了有益探 讨；阿一格里瓦斯和阿卡（Asaoka)、马特索和格拉斯（Glass)、萨瓦莱和考尔对其它附加载荷的概率分析予以很大注意；坎布（Cambou)、科内尔、安格等人根据线性 一次逼近理论，采用随机有限元方法进行可靠性分析21。在我国，边坡可靠性研究工作开展较晚，时至1983年，攀钢石灰石矿边坡可靠性 分析与经济分析研究课题才作为第一个这个领域的研究成果通过冶金部级的鉴定。近年 来，边坡可靠性研究和应用得到一定地发展，可以预计，可靠性分析方法的推广和应用 必将推动我国边坡工程技术的进步。1.2.2概率可靠性分析法的基本思路与一般步骤该法是将求解边坡稳定性问题视为一随机过程，把影响边坡工程稳定性的各种因素 (如岩石构造、抗剪强度及边坡尺寸、地下水位等）均视为随机变量，通过调查、试验 及分析求得各变量的函数分布，最终确定边坡稳定状态的概率值。与传统的确定性方法 相比，它所作的判断被量化为随机变量，然后利用成熟的概率方法如随机取样或近似方 法进行分析，得到的是结果的分布而不是单个固定的值。而无数实践证明，单一的安全 系数是不能用来定量描述危险性或对设计做出评判13，15。边坡可靠性分析的一般步骤可简要概括为：(1) 给定所研究边坡的几何形状（反映边坡角、边坡高度、边坡轮廓线变化）及 其相应的工程地质剖面图；(2) 根据边坡岩体工程地质力学判断和破坏机理分析，识别潜在破坏模式，确定 破坏面的可能形状；(3) 确定基本状态变量以及它们的分布函数；(4) 确定边坡破坏标准，建立极限状态方程；(5) 计算可靠指标和破坏概率。1.2.3岩土工程概率分析法的应用前景原则上，岩土工程的概率分析法可以应用于任何岩土工程问题。目前比较常用的有 以下几个方面：岩土工程结构物的设计和优化分析，尤其是边坡、挡土墙、海洋平台和 桩基的稳定分析研究较多；岩土结构物的性状预测，如预测地基的孔压和固结特性，沉 降和水平位移特性等；地质勘探资料的概率统计分析，概率地质剖面的模拟和各种参数 的概率分析及其表达等；各种数据和资料的检验、修正、补插和翻新，其中除古典的分 析方法外，贝叶斯方法在近年得到更广泛的应用，如此等等2)。但是，岩土工程的概率分析法虽然引起了广泛的注意，而且许多学者也已进行了许 多研究，但是目前它们处于摸索阶段，还未达到广泛实用的阶段。不仅仅是因为这种方 法对大多数设计人员来说仍较生疏，不可能一下子被接受，问题还在于方法本身还 多不成熟的地方，如目前对于岩土工程中的种种不确定性仍认识和研究得不够；地质勘 探工作中贯穿概率的概念和地层资料分析中的概率处理仍显得十分薄弱，有的甚至基本 上还未涉及。而如果缺乏第一手资料的概率处理，那么整个概率方法就没有必要的基 础，何况它们的不确定性远大于分析的数学模式和计算方法方面的不确定性。所以不把 基本地质资料和参数确定中的概率分析与模拟问题解决好，要广泛应用这种方法会有困 难。这也正是今后岩土工程概率分析研究中应着重研究的一个方面。其次，方法的不成 熟还表现在现有的分析方法还比较复杂，因为任何设计方法要广泛地被应用，除了方法 本身的科学性和合理性证明它可以做出更经济和更可靠的设计之外，方法的复杂程度也 应是可以接受的，否则就难以推广。由此认为，岩土工程的概率分析法（或可靠度分析 法）离实用还有一段距离，但它的方向是对的，因此具有生命力，预计随着研究的进展 和方法的逐步完善，将逐渐为更多人所接受36,37。还应当指出，概率方法与常规定值设计方法不是相互排斥的，至少在可以见的未 来，它不是代替而是与常规方法互为补充的。事实上，在常规方法上长期积累的工程经 验和许多分析模式和计算方法，仍是概率方法的一个基础和重要组成部分。1.3影响边坡稳定的因素分析边坡的失稳分为两种情况。一是人为造成的，如修建铁路、公路等工程对边坡的切 割，从而引起边坡应力的重分布，在应力的调整过程中若沿某一条滑移线上应力达不到 新的平衡，则岩土体发生屈服或破坏，从而造成边坡发生失稳；相反若调整过程中，应 力达到新的平衡，则边坡处于稳定状态。二是非人为因素造成的，即边坡由于受各种因 素的影响而产生变形的积累，当变形达到某一界限时，边坡发生较大规模的变形（突 变），从而失稳19。在众多的影响因素当中，地质因素是第一位的。因为边坡是处在一定历史时期内的 地质体，它的形成与发展首先受到地质因素的控制。在地质因素中，地质结构（或构 造）又是影响边坡稳定的最重要因素。当边坡在各种外力的作用下，它本身的应力调整 过程受到自身结构的影响。像边坡中一些软弱结构面，边坡自身强度的因素都是边坡稳 定的首要因素。它们的发展规律（调整过程）决定了边坡是否能够适应稳定的要素。另外，影响边坡稳定性的重要因素就是地下水的作用。地下水的作用不仅对边坡具 有一定的静水压力和渗透压力，同时对边坡的岩土体的强度，尤其是抗剪强度具有一定 的软化作用，从而增大了边坡失稳的概率。综观边坡失稳的情况，有相当部分的边坡失 稳是在降雨之后（特别是大雨和暴雨情况）发生的，这说明水对边坡的稳定起到特别重 要的作用。第三个影响边坡稳定的自然因素就是外部环境。如人为的开挖和切割，地震诱发的 边坡破坏以及洪水因素造成的边坡破坏等。有一些边坡在外力的作用下使得边坡开始重 新分配平衡力。当分配过程中，某些因素造成的强度达到一定极限时，开始失去平衡， 以至于整个边坡失稳。1.4边坡加固方法综观目前边坡加固处理的技术和手段，无非采用的是挡墙支护、锚索、锚杆和喷射 混凝土以及抗滑桩等手段。至于采用何种加固措施，要根据边坡稳定的具体情况来分析 确定。有时可以采用单一的方法，但大部分情况是采用联合的方法进行加固处理。如抗 滑桩与锚索的联合加固，喷射混凝土和锚索的联合作用以及挡墙和抗滑桩的联合作用等 等12。前面已经指出，边坡的稳定与地下水的关系比较密切。在边坡稳定分析过程中要重 点分析地下水的作用。随着对环境保护意识的提高，在边坡的防护过程中采用植被护坡 的事例越来越多。植被护坡是边坡防护的一种重要形式。一方面通过植被的根系在土体 中的盘根错节等形式，使得土体具有一定致密性，从而可以提高土体本身的强度；同时 通过植被的生长可以降低地表径流水的入渗过程，这样也可以提高边坡本身的稳定性。 另一方面，边坡中植被的生长有利于生态环境的保护，尤其在铁路、公路等公用工程 中，生态环境不仅美化了环境，同时对人的精神也具有一定的提高作用3)，39。1.5本文的主要工作和研究内容本次论文的研究背景是浙江省诸永高速公路东阳段K96+030K96+250处高路堑边 坡。在研究过程中，本文主要做了以下几方面的工作：(1) 对目前边坡稳定的分析方法进行了全面分析和综述，对边坡稳定分析的影响 因素及其分析方法的发展历程进行了较全面的评述。分析了各种方法的优点和不足，特 别是各种方法适合的条件进行了阐述；(2) 根据其工程地质条件，采用工程类比法和浙江省公路边坡设计习惯做法初步 设计了方案，并且利用极限平衡法分析其稳定性；(3) 在初步方案基础上，选出了 7因素3水平进行正交试验设计，分析对边坡稳 定性的敏感性，选取了 4种支护方案；(4) 运用灰色理论对上述4种方案进行优化决策，得出最优方案；(5) 考虑边坡工程稳定性分析与支护设计存在不确定因素，利用可靠性理论，对 边坡设计方案进行了可靠度分析。同时，采用有限差分数值分析方法，进行边坡开掉与支护的数值模拟和应力分析，用于揭示边坡加固前后的变形破坏机理、失稳模式，并对 两种方法进行比较。文献综述工f呈，r景极限平衡分析利用工程类比法初步 选用一种设计方法， 利用极限平衡法分析 其稳定性。全文的结构框架图如图1.1所示：选用7因素3水平 进行正交分析。敏感性分析灰色理论的优化由敏感性分析结果，选出4种方 案，进行灰色理论的优化设计。考虑到参数的不确定 性，对最优方案进行概 率可靠度分析。可靠性分析有限差分计算NK 对最优方案进行数值 稳定性分析。总结及展望