深挖高填边坡破坏机理与稳定性评价方法的研究

1、深挖高填边坡破坏机理与稳定性评价方法的研究成果简介重庆交通科研设计院解放军后期工程学院成都理工大学贵州省交通勘察设计研究院长沙理工大学天津大学引言尽管高等级公路在我国的建设历史已近20年，山区高等级公路的建设也有10年的历史，但深挖高填路基边坡的稳定性一直没有得到很好的解决，已建和在建高等级公路的边坡均不同程度地出现了破坏，导致在公路建设及养护期间花费大量的人力和财力进行处治，在公路运营期，还严重阻碍交通和影响行车安全，破坏环境景观和生态平衡，严重制约和阻碍了山区高等级公路的进一步发展。引起高边坡破坏的原因是多方面的。除地质条件复杂多变性等客观因素外，对边坡破坏机理认识不足和稳定性评价方法不完

2、善也是主要原因之一。对边坡破坏机理和稳定性评价方法，国内外进行了不少的研究。如何结合公路边坡的环境条件、使用要求、技术水平，研究提出边坡稳定性评价方法，是面临和必须解决的关键问题。本项目为2001年度西部交通建设科技项目（合同号：2001-318-000-23）,历时3年多，在边坡破坏机理与稳定性评价方法两大方面展开研究，旨在研究解决路堤边坡和路堑边坡破坏机理、边坡稳定性分析方法、路堑边坡岩体力学参数、路堤和路堑边坡稳定性评价方法等关键性技术问题。1 .主要研究内容本项目主要围绕以下的内容开展研究。(1)高填路堤边坡破坏机理的研究(2)深挖路堑边坡破坏机理的研究(3)路堤边坡稳定性评价方法的研

3、究(4)路堑边坡稳定性评价方法的研究通过本项目的研究，达到对边坡破坏形态及规律有较清楚的认识，提出包括稳定性分析方法、岩土物理力学参数和稳定安全系数等在内的深挖高填边坡稳定性评价方法，达到完善现有设计方法、促进行业技术进步、减少工程破坏和隐患的目的。2 .取得的主要科技成果项目组经过3年多的努力工作，完成了合同所规定的各项研究任务，取得了较为丰硕的研究成果。2.1 高填路堤边坡破坏机理弄清了高填路堤的主要破坏型式以及影响路堤稳定性的主要因素，得出了典型高填路堤的变形与破坏规律，揭示了高填路堤边坡破坏机理，为建立高填路堤稳定性评价方法、合理应用处治方法奠定了坚实基础。(1)通过对四川、贵州、山西

4、、云南等地69个高填路堤所处地基条件、病害及发生病害的原因等进行的广泛调查分析，以及与设计、施工、养护等部门有关工程技术人员的交流，得出：地基土的勘探与试验、填料的试验、稳定性分析、路堤内部排水是目前路堤工程的薄弱环节；不均匀变形是高填路堤稳定性不足的重要表现，在高填路堤中也更为普遍；将复杂高填路堤存在型式归纳为平坦地基上的高路堤、斜坡地基上的高路堤和折线型地基上的高路堤3种典型型式。(2)采用有限元数值模拟分析方法，对所归纳的3种典型型式高填路堤，进行了不同地基条件、不同路堤与地基接触面条件、不同边坡比例与构成、不同地下水分布位置、不同填筑速率情况下的变形和破坏特征的仿真分析，得出了影响高路

5、堤破坏形态的主要因素和主要滑动破坏形式。2.2 深挖路堑边坡破坏机理查明了公路路堑边坡岩体，尤其是西南地区路堑边坡岩体的主要结构特征，归纳出路堑边坡主要变形破坏模式、主要影响因素，以及边坡稳定性的主控地层和结构面，得出了典型边坡开挖后的变形与破坏形态，揭示了深挖路堑边坡破坏机理。为深挖路堑边坡稳定性评价方法的建立与发展奠定了坚实基础。(1)对贵州、湖南、四川130多个深挖路堑边坡所处地质环境、岩性、边坡破坏型式、诱发破坏的因素等进行了广泛的调查分析，得出:发生破坏的边坡岩体主要为散体和碎裂结构；西南地区常见的煤系地层多以夹心型、互层型或软弱基座型的组合形式出现，炭质泥岩和煤层是典型的控稳地层和

6、控稳软弱带；红层中的砂泥岩以软硬相间的形式出现，泥岩(页岩)是主要的控稳地层。层状坚硬岩体的层面是路堑边坡稳定性的重要控制结构面，顺向边坡中的层面对稳定性的控制特别突出。现场调研(2)在广泛调查的基础上，从工程地质学的角度分析归纳了边坡的破坏机制，得出：公路路堑边坡呈现出多种破坏形式，变形破坏模式主要有滑移-拉裂，滑移-剪切，蠕滑-拉裂，塑流-拉裂等4类。滑动破坏是路堑边坡整体破坏的主要形式。(3)采用底摩擦模拟试验和数值模拟分析方法，对均质边坡、不同岩层倾角层状边坡、二元结构边坡的变形和破坏特征进行了开挖历程的仿真分析研究，得出了岩体结构对边坡破坏模式的影响。底摩擦模拟试验2.3 边坡稳定性

7、分析的极限平衡法尽管提出了各种各样的方法对边坡稳定性进行分析，但极限平衡法仍然是边坡稳定性分析的主流方法。因此，对极限平衡法进行了深入的研究。在分析对比的基础上，建立了非常实用的极限平衡条分法稳定系数统一求解格式，提出了适合公路边坡稳定性的计算理论与方法。无论对实际工程的应用，还是对边坡稳定性计算方法的确立都具有十分重要的意义。(1)根据平衡条件的不同的组合，将现有极限平衡条分法分为四种类型，对条间力的假定表示成统一形式，根据条块力与力矩的平衡，推导出十分简明的条间力与条间力矩递推方程，建立起各类极限平衡条分法稳定系数统一求解格式，为各种方法间的比较、联系和计算程序的编制提供了极大的方便。(2

8、)通过算例和实际工程的分析，得出：对于圆弧滑动面，简化Bishop法是具有足够精度的工程实用计算方法；对于任意形状滑动面，只有严格条分法才能得到合理的稳定系数，可采用Morgenstern-Price法或Spencer法。不平衡推力法也可适用于任意滑面，但当每条块下滑面夹角较大时，应对滑面作某些调整。2.4 路堤稳定性评价方法要建立路堤稳定性分析评价方法，必须研究解决稳定性计算方法、计算参数和稳定安全系数三方面的关键问题。现有稳定性评价方法虽然也涉及到这三方面内容，但存在：稳定性计算方法不明确、土性强度参数获取方法不确定、稳定安全系数不配套等问题。(1)在对边坡稳定性分析方法和对地基土强度指标

9、特性分析的基础上，提出了基于简化Bishop法，采用地基土平均固结度和固结快剪指标表达的实用表达式。使路堤边坡的稳定性分析结果更为准确，也较方便，施工期路堤的稳定性也可得到更有效的监控。(2)高路堤坡面宽阔，雨水常常引起边坡浅层滑动，进而诱发边坡的渐进性破坏，导致路堤整体失稳，因此，应重视雨水渗流情况下的路堤稳定性分析。采用室内模型试验方法，得到了雨水在路堤边坡坡面上的渗流浸润形态；根据对实际工程不同时期含水量的实测结果分析，得到了雨水的一般影响深度。以简化毕肖普法为基础，采用有效应力观点，建立了考虑雨水渗流的路堤边坡稳定性计算方法。计算结果表明：考虑雨水渗流后，边坡浅层滑动的稳定系数降低了3

10、0%左右。(3)高填路堤填料多为土石混合填料，推荐采用大型三轴不排水试验方法确定填土强度参数。根据对全国多条高速公路高填路堤施工前后含水量、压实度测试结果，结合目前国内外相关行业的成果，提出了填土抗剪强度参数试验时，试样制备密度和含水量要求。解决了填土抗剪强度参数试验的关键性问题。(4)土岩接触面是斜坡路堤稳定性的控制面之一。项目采用室内大型直剪模拟试验对土岩接触面的强度特性进行了研究，提出了衡量接触面粗糙度的指标，为通过室内试验方法获得接触面剪切强度参数确立了合适的试验条件和方法。(5)对多条高等级公路高填路堤进行了稳定性计算分析，结合失稳概率、费用和目前相关规范安全系数取值情况，提出了与推

11、荐的稳定性计算方法配套的路堤稳定安全系数。通过对稳定性计算方法、填土强度参数和土岩接触面强度参数获取方法、稳定安全系数等关键环节和问题的研究，系统地建立了高填路堤边坡稳定性评价方法。2.5 路堑边坡稳定性评价方法路堑边坡稳定性评价也需要解决稳定性计算方法、计算参数和稳定安全系数三方面的关键问题。由于边坡岩土体性质不能控制，只能认识，因此，路堑边坡稳定性评价较之路堤更为复杂。在稳定性计算方法上，对土质边坡、类土质的破碎风化严重的岩质边坡，具有确定任意形状滑动面的边坡，可以采用极限平衡法进行稳定性计算分析，但对无法判定滑动面、或只能确定局部可能滑动面的岩体边坡，必须寻求建立合适的方法。在岩体力学参

12、数上，针对公路量多面广、地质勘探量相对较少的特点，必须寻求合适的边坡岩体力学参数确定方法。2.5.1 路堑边坡稳定性分析方法引入有限元强度折减系数法，建立了边坡稳定性的非线性有限元分析方法，使有限元技术可以有效的分析边坡稳定问题。为边坡特别是无法判定滑动面、或只能确定局部可能滑动面的岩体边坡稳定分析开辟了新的途径，在分析手段上获得重大突破。（1）对非线性有限元强度折减系数法的计算精度及其影响因素进行了详细分析，提出在广义米赛斯条件下采用郑颖人（1990）提出的莫尔-库仑等面积圆屈服准则来代替传统极限平衡方法中采用的莫尔-库仑强度准则，所求得的稳定系数与简化Bishop法的误差为38%,与Spe

13、ncer法的误差为17%,证实了其实用于工程的可行性。有限元强度折减法可以自动求得边坡的危险滑动面以及相应的稳定系数，解决了如何将有限元计算结果与传统方法计算结果的接轨问题。（2）采用弹塑性有限元强度折减法可以模拟施工过程的影响，充分反映了支挡结构和岩（土）体的相互作用，直接计算出支挡结构的内力，是计算滑（边）坡支挡结构内力最合理的方法。通过在依托工程中的应用，验证了这种方法的可行性，所计算分析的滑动面与实际情况接近。非线性有限元强度折减系数法分析边坡稳定性2.5.2 边坡岩体力学参数采用调研、现场试验和室内试验等方法，对边坡岩体结构面及岩体质量分类、软弱夹层力学参数的变化规律、硬性结构面抗剪

14、强度预测方法、岩体强度参数和变形参数的间接获取方法等进行了研究。引入模糊数学和神经元网络处理方法，分别处理岩体强度参数和变形参数，建立了一套简易适用的公路路堑边坡岩体力学参数获取方法，无论在理论上，还是对实际工程的应用都意义重大。(1)在现场调研和资料收集的基础上，分析和归纳了西南地区公路建设中经常遇到的红层区和灰岩煤系地层区的结构类型、岩体质量类别。结合公路路堑边坡的特点，提出了岩体结构面工程类型划分的方案。(2)二、三叠系煤系地层中的中薄层炭质泥岩是西南地区路堑公路边坡工程中常见的一种控稳软弱层。通过试验研究，首次建立了贵州地区炭质泥岩抗剪强度参数与其含水状态(含水率)问的相关关系，为这类

15、控稳软弱层力学参数的取值提供了简易方法。(3)滑带土的力学性能在路堑滑坡稳定性分析和治理工程设计中具有重要的工程意义。从控制滑带土强度的主要因素指标出发，寻找出了滑带土抗剪强度参数与其控制因素指标一干密度、含水率、孔隙比之间的统计关系式，为西南地区类似条件下路堑滑坡治理设计过程中力学参数的合理确定提供了可供操作的快捷、简便方法。(4)针对深挖路堑边坡的特点，改进了传统的JCS-JRC模型，建立了简便、快捷获得硬性结构面峰值抗剪强度的公式。将该方法运用于调研区部分典型边坡硬性层面的工程实例，并与直剪试验结果进行对比，结果较为理想，平均误差仅11.44%。这种简便获取硬性结构面抗剪强度的方法具有较

16、好的应用前景。(5)分别建立了岩体质量特征指标与岩体抗剪断摩擦系数f'、抗剪摩擦系数f之间的相关关系，与岩体变形模量E0之间的相关关系。这些统计关系为路堑边坡岩体力学参数的快速预测和评价提供了新的思路和途径，从而可将岩体“点”上的力学参数向“面”上推广，方便在路堑边坡岩体工程中推广使用。现场大型直剪试验项目组在新街子依托工程现场(6)运用模糊数学理论，参考已有的工程经验，对岩块力学参数与岩体力学参数两者之间的折减关系进行了模糊处理，结果表明：该方法对评价岩体力学参数具有较好的实用性。将神经网络方法引入岩体力学参数的预测、评价和优化处理中，较好地考虑了岩体的定性描述和定量指标，有效地利用

17、了工程地质资料和已经取得的试验研究成果，为岩体力学参数的预测、评价和综合取值提供了一种实用的方法。(7)采用多种途径和方法对典型路堑边坡岩体的力学参数进行了详细研究。通过模糊综合评判和神经网络优化处理以及综合取值，获得了研究区各典型路堑边坡岩体力学参数的建议值，可供实际工程参考采用。通过对现有边坡稳定安全系数取值的分析，推荐出路堑边坡稳定安全系数。基于边坡稳定性计算分析方法、边坡岩体力学参数研究的成果，与所推荐的边坡稳定安全系数，建立了一套较为完善的路堑边坡稳定性评价方法。本项目获得的成果得到了实际工程的验证，为依托工程稳定性判识、处治方案的确定提供了有力的技术支撑，确保了工程的成功实施。3,

18、成果所产生的影响(1)在各种公开发行的技术刊物上共发表学术论文6篇，在重庆、贵州、湖南举行了3次学术会议，宣传所取得的成果，供类似工程借鉴采用。(2)路堤稳定性计算方法、填土强度参数试验方法、稳定安全系数，路堑边坡稳定性计算方法、稳定安全系数等成果已被新修订出版的行业标准公路路基设计规范(JTGD30-2004)所采用。(3)路堑边坡破坏机理、边坡岩体力学参数、边坡稳定性计算方法和有限元强度折减法等在3个依托工程中得到应用，为3个依托工程的滑动面确定、稳定性判识、处治措施的确立与采用奠定了坚实基础，在技术上保证了依托工程的顺利实施。(4)路堤破坏机理分析成果被应用于贵州在建的遵崇高速公路桐子立交高填路堤中，为路堤地基处治方案的确定奠定了基础。(5)依托本项目，为西部交通建设培养了大量的科技人才。通过本项目培养的博士有3人、硕士有10多人，成为博士生的5人。有4人获得了副高职称