诸永高速公路路堑高边坡稳定性分析研究

北京交通大学硕士学位论文诸永高速公路路堑高边坡稳定性分析研究姓名：李永刚申请学位级别：硕士专业：岩土工程指导教师：崔江余20060301 摘要众所周知，路堑边坡稳定性分析是公路设计中一个非常重要的环节，因此如何分析路堑边坡稳定性已经成为一个重大的课题。本文从工程实际应用出发，结合诸永高速公路的一个路堑高边坡，使用两种方法(极限平衡法和数值计算方法)进行稳定性分析。主要研究内容如下：首先对边坡稳定性计算方法进行系统分类和总结，然后建立本文的地质模型和稳定性分析方法。最后在此基础上，使用Geo．slope(极限平衡法)计算软件对边坡加固前后的稳定性使用安全系数进行评价，经过计算，可知加固前边坡失稳，加固后能保持稳定；使用Plaxis2D(数值计算方法)计算软件对边坡的开挖、加固以及加固前后的稳定性进行了模拟计算，在安全系数方面得出与极限平衡法相一致的结论，满足工程的合理性要求。同时数值计算方法提供了边坡在开挖过程中的变形状况，弥补了极限平衡法的不足。关键词：路堑高边坡稳定性分析数值计算方法极限平衡法 nisweH1【1lownthattheanalysisofcutslopcstab诳tyisaveryiInponaIltstcpofhi曲waydesi印，whichh鹤bcenbeconlingagrcattopic．1wowaysof咖ericalcalclllationmetllod锄dliⅡlitequili嘶ummetllodareusedinthisth镐isto粗alyze毛hestabiHtyofahighcutslope，whichlocatedilltIIezlluyonghighway，腼mthcpointofengineeringpracticalapplication．Themaincontentsintheth鹊is缸einduded弱f0Uaws：Fifst，stability蛆alysismethodsaresystematicallyda锚i丘cd锄dsu蛐缸ized．Then，thegeolo舀calmodels孤dmettlodSofst曲ilityanalysisoftllisth鹪isarcestablishedAtlast，ontlleb笛js0fabovestepS，theGco·s10peso脚a∞isusedt0粕alyzethestabilityoftheslOpeforie—and咀ftrcinforccdwithsafetyf矗dof．ARcrcaIculatin岛itisconsidercdttlattheslopeisinstablebeforcrc．mforcedandwiⅡkeepstabilitylongtimeafterreinfbrccd．ThePl缸is2Dso脚arcisusedto蛆alogthecxcaVa|j彻，reinfbrcementofthesl叩eandtocalcIlIatetlleⅡaturcS10pe柚dtllereinforcedslope．Thes啪econdusionscanbeobtainedwitllc0InparisonoflimitequiHbriummethodonsafctyfactoLAtches锄etime，thedef0皿atioⅡofs10peinthecourseofexcavationcaIlbeprovidedillthenumericalc甜culationmethod’whichmakesupfortheimperfcctionoftheIim矗equiIibriumme也od．1哂rwords：cutslopestabilityaIlalysisthe加Ⅱlericalcalculationmethodlimilequilibriummethod 北京交通大学硕十学位论文第一章绪论§1．1引言第一章绪论20世纪80年代以来，改革开放的深入发展和经济的高速增长极大地促进了资源与能源的开发、交通体系的完善和城镇的都市化，大型工程数量之多、规模之大、速度之快、波及面之广，举世瞩目。特别20世纪90年代以来，城市化和现代化的进程更是极大地推动了我国基础设施的建设，其中高速公路建设为我国的经济繁荣注入了新鲜血液，是推动我国经济腾飞的重要支柱和动力。自1988年中国大陆第一条高速公路(上海至嘉定高速公路，全长18．5公里)建成通车起，经过十多年的建设，截至200幸年10月，我国公路总里程已突破3万公里，居世界第二。根据交通部的规划，到2020年，中国将建成国家骨架公路网，全国高速公路总里程预计将达到7万公里。2005年1月，经国务院批准的《国家高速公路网规划》规划(图1．1)确定的国家高速公路网采用放射线与纵横网格相结合的布局形态，构成由中心城市向外放射以及横连东西、纵贯南北的公路交通大通道，包括7条首都放射线、9条南北纵向线和18条东西横向线，简称“7918网”，总规模大约为8．5万公里，网络能够覆盖10多亿人口。规划方案还包括：辽中环线、成渝环线、海南环线、珠三角环线、杭州湾环线共5条地区性环线、2段并行线和30余段联络线。国家高速公路网中有一条线路叫北京一台北，旨在“三通”以后，将大陆的8-5万公里高速公路与台湾网络相连接。此外，规划网络中地区环线连接了香港和澳门，这样就可实现物流的顺畅，降低成本，增强国际竞争力，提升居民的生活质量。高速公路的发展给岩土工作者带来了机遇，同时带来了很多棘手的问题，其中高速公路路堑高边坡的稳定性问题就是当前备受关注的课题之一。这一问 北京交通人学硕士学位论文第一章绪论题的出现呈现为强烈的中国特色，完全是由我国独特的地形地质条件和作为一个发展中国家所面临的大规模工程建设所决定的。我国是一个多山的国家，在大规模工程建设中，高边坡，一方面作为工程建(构)筑物的基本环境，工程建设会在很大程度上打破原有自然边坡的平衡状态，使边坡偏离甚至远离平衡状态，控制与管理不当会带来边坡变形与失稳，形成边坡地质灾害；另一方面，图1．1国家高速公路网规划它又构成工程设施的承载体，工程的荷载效应可能会影响和改变它的承载条件和承载环境，从而反过来影响边坡的稳定性。因此，高边坡的稳定问题不仅涉及到工程本身的安全，同时也涉及到整体环境的安全；高边坡的失稳破坏不仅会直接摧毁工程建设本身，而且也会通过环境灾难对工程和人居环境带来间接的影响和灾害。在我国，很多高速公路在建设及运营过程中，都出现了一系列边坡失稳的工程灾害，给工程的建设和正常运营带来了极大的损失，甚至给人民的生命财产带来极大的危害。据不完全统计，1998年以来福建省先后发生的崩塌、滑坡、泥石流和地面塌陷等21300多起，涉及4J0多个县(市、区)，造成300， 北京交通大学硕士学位论文第一章绪论余人死亡，伤500余人，毁房500余问，经济损失高达10多亿元。另外，云南省的公路边坡灾害调查数据显示，1990一1999年，云南高速公路边坡发生大、中型崩塌、滑坡、泥石流135～144次，造成l000余座桥梁被毁，经济损失达168亿元，对全省2200虹l公路的运营构成严重威胁。可以说，对高边坡稳定性的研究和探讨一直是我国20世纪工程地质学领域的热点和难点科学与工程技术问题，因此，我们必须对高速公路路堑边坡稳定性进行深入的研究和探讨。§1．2研究的目的和意义§1．2．1研究的目的随着国民经济的发展和高速公路项目的增多，高边坡稳定性问题越来越多，边坡稳定性研究也越来越重要。边坡稳定性分析过程一般步骤为：实际边坡一力学模型一数学模型一计算方法一结论，其核心内容是力学模型、数学模型、计算方法的研究，即边坡稳定性分析方法的研究。边坡稳定分析方法研究是边坡稳定性问题的重要研究内容，也是边坡稳定研究的基础。它涉及到土力学、水文地质、工程地质、岩石力学、地质力学、弹性力学、数学、水文学等科学，同时与人类活动、经济发展等社会科学有关，是各门学科的交叉运用，随着各门学科的发展而发展。高速公路路基根据其断面形状，按填挖条件的不同，可以归纳为：路堤(全填)、路堑(全挖)、填挖结合(半填半挖)和不填不挖四种类型，本文仅研究路堑边坡的稳定性分析。在当前的边坡工程设计上，一般采取下面的方法：1、高度低于30m的边坡，一般根据规范设计，采用削坡：2、高度大于30m的边坡，则作高边坡处理，必须采取稳定性分析。边坡稳定性问题在水利工程、铁道工程和矿山工程中已经得到深入的研究和发展，其相应的稳定性分析理论、方法及工程措旋的研究都已经相对成熟。3 北京交通大学硕士学位论文第一章绪论相比之下，我国高速公路路堑边坡的稳定性问题是针对一系列边坡灾害失稳问题而提出来的，尚处于发展阶段，需要引用和借鉴大量的其他工程实践和理论，并使高速公路边坡的稳定性理论和防治方法获得丰富和发展，更经济、有效、科学地指导工程实践。§1．2．2研究的意义高速公路路堑边坡是一种人工开挖的永久性边坡，由于设计不合理而造成边坡移动和破坏，严重干扰了正常生产和工程建设的顺利进行，给人民的生命和财产带来了严重的威胁。为了减少和消灭各种滑坡事故的发生，必须加强科学研究工作，对于具体的工程设计，要求保证在安全可靠的前提下力求经济和实用，同时，施工上必须尽可能采用先进的施工技术方法，以确保和提高施工质量，而边坡稳定性分析可以为设计、施工部门正确解决安全、经济和实用三者之问的关系提供科学的依据。因此，无论从设计和运营角度考虑，还是从工程的灾害性质以及工程治理难度方面，高边坡的稳定分析具有十分重要的指导意义，它可以尽可能做出事前分析，防患于未然。§1．3国内外研究现状分析§1．3．1问题的提出由于公路的工程地质条件随着线路的延伸变化很大，边坡在公路领域已经得到了广泛的应用，在满足公路设计、施工和运营要求的同时，也带来了极大的挑战——稳定性问题。岩土边坡是一种自然地质体，一般被多组断层、节理、裂隙、软弱带切割，使边坡存在削弱面，在边坡角变化、地下水、地震力、水库蓄水等外因作用下，边坡沿削弱面产生相对滑移而产生失稳。这种失稳，轻4 北京交通大学硕士学位论文第一章绪论者引起边坡的破坏，重者摧毁边坡下的构筑物，甚至造成人员伤亡，引起重大的经济损失。因此，边坡稳定性问题一直是重要研究内容。§1．3．2国内外边坡稳定性研究现状1、边坡稳定领域内的国内外发展近几年来在边坡稳定领域内取得了很多新的进展，其主要表现在以下几个方面：1)确定性分析方法的发展确定性分析方法是以安全系数为基础，认为边坡所能承受的荷载值(称为抗力)与所受外力(荷载)之比大于某个值为安全。近几年来，确定性分析方法的发展呈现如下的发展趋势：极限平衡理论进一步完善；数值分析方法的广泛应用；图解法的改进；复合分析法的应用。(1)极限平衡理论的完善极限平衡理论是最经典的确定性分析方法，具体方法是将有滑动趋势范围内的边坡岩土体按某种规则划分为一个个小块体，通过块体的平衡条件建立整个边坡平衡方程，以此为基础进行边坡分析。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；同时也存在着危险滑动面确定困难、计算模型过于简化的缺点。传统的极限平衡法认为滑动面沿长度方向是不变的，这与实际边坡有些不符；极限平衡分析的关键问题是确定最危险滑动面及其对应的最小安全系数，常规作法是假定滑动面为圆弧形，对滑动面圆心的确定采用经验方法、消元法中的二分法及坐标轮换法等。近几年来该方法在计算模型、滑动面确定和边坡类型等方面得到进一步的完善。主要有以下的成果：①郭汉荣“”在极限平衡公式中引入一个几何参数R，将单位走向边坡长度块段分析改为扇形块段分析，用于锥形边坡分析中。该方法能较好地适用于天5 北京交通大学硕士学位论文第一章绪论然山包、人工废石山、煤矸山等锥形边坡，且计算结果tB传统的方法更合乎实际。②肖专文等。”假设滑动面为圆弧形用遗传进化算法确定边坡最危险滑动面及其对应的最小安全系数。遗传进化算法由美国JohIlH．Huang教授首先提出，这种算法模拟生物进化步骤，将复制、杂交、变异、竞争和选择等概念引入到算法中。将该算法应用到边坡稳定分析中克服了传统分析方法容易进入局部极小化缺点，是一种全局优化算法，但该方法要有较高的理论基础。③朱大勇啪1最优控制理论思想认为临界面是非孤立的而是共生于一簇危险滑动面，引入边坡临界滑动场概念，通过数值方法求解临界滑动场，进而计算临界滑动面及I临界滑动面对应的最小安全系数。该方法提出的临界滑动场概念比单一临界滑动面更能反映边坡整体或局部稳定性，能将所有可能危险滑动范围同时显现，且由临界滑动场能快速定出边坡临界滑动面。但该方法计算工作量大，只能采用计算机方法。(2)数值分析方法的广泛应用随着计算机技术的发展，很多数值计算方法都应用到边坡稳定分析中，有限元法是一种十分成熟的数值方法，它几乎可适用于所有的计算领域，是边坡稳定分析中用得较多的一种数值方法。其最大优点是可分析任何形状的几何体，可以进行线性分析和非线性分析。其它数值分析方法如边界元法、离散元法、拉格朗日法也开始大量应用于边坡稳定性分析中。数值分析方法有两种发展趋势：一是有限元法的发展，从平面有限元到三维有限元，从弹性有限元到弹塑性有限元，使有限元法分析结果更能反映实际边坡；二是大量新型数值计算方法的应用，如边界元法、离散元法、拉格朗日元法等。这些数值方法的应用，必将促进边坡稳定性研究的发展。(3)边坡稳定性图解法的发展图解法是考虑边坡的各种因素如岩性、地下水、边坡角等的变化，根据相 北京交通大学硕士学位论文第一章绪论应的公式制成图表，这样使得边坡设计计算变得简单、方便，只需查相应的图表即可。自1937年Taylor首次提出稳定分析图表以来，Bishop和Morgenste皿(1960)，MoI蓼nste彻(1963)及Spencer(1967)陆续设计出了各种图表。因图解法简单、直接，工程界常常使用，但其是在简化基础上进行归并而得，使用时一定要注意其适用条件和适用范围。(4)复合法的应用对同一边坡采用复合法(两种或两种以上方法)进行稳定性分析为一种好的方法，可以相互对照，相互验证，但该法增加了工作量。2)随机分析方法的蓬勃发展随机分析方法不同于确定性分析方法，其认为影响边坡稳定性的各种因素是随机变量，运用概率论和数理统计知识来研究边坡稳定性。随机分析中常将边坡岩体材料性能，如弹性模量、泊松比等；边坡几何尺寸，如内部结构面、边坡边界尺寸；边坡外部荷载，如地震力、重力场、渗流场等视为随机变量。自80年代初期以来，祝玉学等脚开展了岩体边坡随机分析研究，其研究思路基本与工程结构的可靠性分析相吻合。工程结构已经使用了可靠度设计方法，但边坡稳定性的可靠性分析还在研究中，基于岩体介质的复杂性，目前很难进入实用阶段。祝玉学等”1对边坡随机分析进行了系统研究，为边坡可靠性分析作了大量基础工作。从理论上说，随机分析方法是一种很好的方法，因为实际中没有绝对确定性，都具有随机性。但因随机因素太多，难以确定各因素的概率，目前还只能处于理论研究阶段，要想应用到边坡设计中还有很多工作要做。3)模糊分析方法兴起该方法认为边坡性质及稳定性的界限是不清楚的，具有相当的模糊性，采用模糊理论对边坡稳定性进行研究。模糊理论是应用模糊变换原理和最大隶属度原则，综合考虑被评事物或其属性的相关因素，进而进行等级或级别评价。 北京交通大学硕士学位论文第一章绪论该方法难点在于相关因素及各因素的边界值的确定。李彰明嘲应用模糊理论，构造了边坡稳定性分析的模糊综合评价模型及关联因素边界值矩阵，通过对某一大型露天矿边坡工程地质条件调查与物理力学性质测试研究，得到各关联因素的实测值，进而评价了该边坡的稳定性。4)计算机模拟技术在边坡中的应用在边坡稳定性分析中已开始应用计算机模拟技术，该技术主要用在边坡结构面网络模拟中。从以上分析可以看出，近几年来边坡稳定性分析取得了巨大的发展，主要表现在传统方法的完善和新分析方法的兴起两个方面，边坡稳定性分析方法的发展势必促进边坡稳定性研究的发展。2、我国高边坡工程理论与实践发展我国高边坡理论与实践发展主要集中在岩石方面Ⅲ1，主要是伴随60～70年代以来西南地区水电开发、铁路建设和金川、抚顺等大型露天矿山开采的需求而发展起来的。其中尤以水电开发所遇到的高边坡问题最为突出、最为典型，对这一时期我国岩石高边坡理论和实践发展的推动作用也最大。下面分三个阶段简要介绍：1)60～70年代，伴随我国西南地区水能资源开发序幕的揭开，在一些水电工程的前期勘探过程中，开始遇到岩石高边坡问题，除了与一般边坡类似的特征和问题外，最为引起工程地质学家注意的是这些边坡所表现出的复杂变形破坏现象，它们难以用通常静力学观点去认识，尤其是如何解释滑动面的形成过程，这些现象从某种程度上蕴涵了边坡的变形破坏机理及其演化过程，而阐明这一过程是认识复杂高边坡稳定性现状并预测其未来变化的重要基础与前提。这个时期，岩石力学的发展为这个问题的解决提供了理论的源泉，它帮助工程地质学家认识到了边坡岩体的“可变形性”、变形的“时效性”和岩体结构对这种变形乃至最终破坏可能起到的控制作用，从而开始了对地质灾害的形 北京交通大学硕士学位论文第一章绪论成演变进行“地质过程机制分析”的时代。70年代中后期的金川露天矿、抚顺西露天矿的开采引发的高边坡变形与失稳问题更加引起了人们对这一问题的关注。这一阶段主要的研究是在大量实际工程研究的基础上，对边坡变形破坏机理进行系统深入的机理分析和模式总结。最为突出的理论贡献是地应力对边坡变形破坏的引入和变形破坏基本地质力学模式的提出。但受这一时期理论和研究手段的限制，人们还无从对这一复杂过程进行力学量化的描述，更多的还是建立在“概念模型”基础上的定性分析。2)80年代，工程地质学的发展进入了定性向定量发展的新阶段，工程地质学及边坡科学研究进入了蓬勃发展的新时期。一方面，随着计算机技术的迅速发展和现代力学、现代数值分析理论的进步，模拟技术开始广泛地应用于地质灾害分析，尤其是机制分析；针对介质的特点，先后出现了线弹性模拟、弹塑性模拟和考虑时间效应的粘．弹．塑性模拟，后期还出现了准大变形和运动过程的离散单元模拟，乃至全过程模拟等。基于相似理论的物理模拟技术也得到了相应的发展。借助于方法的更新和手段的进步，人们对地质灾害的认识不再仅仅停留于“概念模型”阶段，而是通过模拟，把“概念模型”上升为“理论模型”，进一步从内部作用过程(机制)上揭示边坡地质灾害的发育及滑动面的形成过程，以及这一过程所反映的边坡稳定性状况和蕴涵的今后的变化信息，从而为复杂边坡的稳定性评价及预测提供了重要的理论方法和工具。这一阶段的发展促使“地质过程机制分析”的学术思想体系上升到了“地质过程机制分析．定量评价”的新阶段。另一方面，学科之间的相互渗透使许多与现代科学有关的一系列理论方法，如系统论方法、信息论方法、模糊数学、灰色理论、数量化理论及现代概率统计等被引入边坡科学研究，从而大大促进了理论的更新和应用研究及决策水平的提高。3)90年代，尤其是三峡工程建设和西部开发的实施，工程建设的需求 北京交通大学硕士学位论文第一章绪论推动了我国20世纪岩石高边坡工程理论与实践的发展。这一阶段有以下三个方面标志性的成就：(1)系统科学的思想被引入复杂地质过程和高边坡稳定性研究；(2)非线性科学被引入到了边坡灾害的研究；(3)岩石高边坡的稳定性控制和监测技术的方法和技术的进步。§1．4目前研究存在的问题边坡稳定性分析方法目前已经取得了很大的成就，但在以下几个方面还有待进一步完善。1、进～步进行边坡稳定性分析实验研究。目前对边坡稳定性分析实验研究并不多，众所周知，实验是边坡稳定性研究的基础，也是计算方法的依据。边坡的稳定性分析取决于参数的选取，而参数的准确性很大程度上依赖实验的结果，因此，如果不进行实验研究就难阱分析边坡破坏机理，就难以把握计算方法的正确性。只有加强边坡稳定分析实验研究，才能促进边坡分析的发展。2、完善确定性分析方法，特别是复合法。目前确定性分析方法占有绝对的地位，只有不断完善才能适合不同的边坡条件。复合法是确定性分析方法的发展方向，可将不同方法的优点结合起来，应大力发展复合方法。3、大力发展边坡稳定分析的随机方法和模糊方法。随机方法和模糊方法是边坡稳定性分析的新兴方法，在理论和应用上都有很多研究工作要做，应大量开展随机方法和模糊方法的理论和应用研究，使其更适合边坡稳定性分析。§1．5本文主要研究内容和研究方法基于以上论述，可以看出高边坡稳定性分析对工程建设的重要性，虽然目前的研究已经相对比较成熟，但是由于影响工程地质的不确定性，在应用这些方法的时候，受到一定的约束。随着我国建设的不断发展，对其作深入地研究是非常有必要的。本文结合浙江省诸永高速公路在设计、施工过程中遇到的高边坡，进行稳10 北京交通大学硕士学位论文第一章绪论定性分析，用Geo．slop“Plaxis2D计算软件采用复合方法进行稳定性分析，并结合Geo．slopc计算软件中的可靠性理论进行概率分析。主要的内容如下：第一部分，绪论，对目前的高边坡稳定性分析的研究现状进行概述，并且在此基础上提出本文研究思路及内容。第二部分，边坡稳定性分析的理论和方法，详细论述目前所用的高边坡稳定性分析的方法，并对他们作相应的比较。第三部分，高速公路路堑边坡的稳定性评价，总结高边坡的地质模型、破坏模型，并在此基础上得出本文使用得稳定性分析方法。第四部分，边坡稳定性计算分析，结合诸永高速公路的一个高边坡断面，使用两种方法进行稳定性分析。第五部分，结论及展望。 北京交通大学硕士学位论文第二章边坡稳定性的影响因素和分析方法众所周知，边坡稳定性受地质条件、水文地质条件、地形地貌、新构造运动和人类的工程活动等多种因素影响，其稳定状态是这些因素综合作用的反映。同时，边坡稳定性分析方法在边坡稳定性分析中起着至关重要的作用，以下将对这两个方面进行详细分析。§2．1边坡稳定性的影响因素§2．1．1边坡的一般分类1、按组成边坡的岩性分1)粘性土类边坡2)碎石类边坡3)黄土类边坡4)岩石类边坡2、按边坡成因分1)剥蚀边坡：主要由于地壳上升，外力对岩体表面产生剥蚀作用而成。地壳上升速度不同，边坡的形状亦异。如直线形边坡说明上升运动与剥蚀作用均等；凹形边坡表示上升运动小于剥蚀作用；凸形边坡表示上升运动大于剥蚀作用。2)堆积边坡：岩石风化剥蚀后，碎屑物质堆积在山麓处而成。3)侵蚀边坡：受表面水的侵蚀而成，可分为岸蚀和沟蚀两种。4)滑塌边坡：自然边坡被破坏，产生滑动、崩塌而成的边坡。5)人工边坡：自然边坡受到人为的作用或人工开挖、堆积而成的边坡。3、按稳定性分1)稳定坡：稳定条件好，不会发生破坏的边坡。12 北京交通大学硕士学位论文第二章边坡稳定性的影响因素和分析方法2)不稳定坡：稳定条件差或已发生局部破坏，必须处理才能稳定的边坡。3)己失稳坡：已发生明显的破坏的边坡。4、按坡长分1)长边坡：坡长大于300m的边坡。2)中长边坡：坡长100—300m的边坡。3)短边坡：坡长小于100|11】的边坡。5、按坡度分1)缓坡：坡度小于15。的边坡。2)中等坡：坡度15。~30。的边坡。3)陡坡：坡度30。～60。的边坡。4)急坡：坡度60。～90。的边坡。5)倒坡：坡度大于90。的边坡。§2．1-2影响边坡稳定的因素边坡是否稳定受多种因素的影响，它的变形破坏往往是多种因素作用的结果，以下介绍影响边坡稳定性的主要因素。““”1：1、地层岩性地层岩性的差异，是影响边坡稳定的重要因素，不同时期和不同成因的地层，有着不同的变形破坏形式。各种不同成因的岩石，其矿物成份、颗粒大小、胶结物质性质和胶结程度差别甚大，具有各自的物理力学性质。生成时代较老的地层，具有硬结成岩过程长，胶结紧密，力学强度较高的特点。而较年轻的地层，像白垩系、第三系、第四系地层硬结成岩时间短，一般胶结较差或没有胶结成岩，力学强度低，边坡稳定性差。火成岩、沉积岩和变质岩三种不同成因类型的岩石，其工程特性是迥然不同的：13 北京交通大学硕十学位论文第二章边坡稳定性的影响因素和分析方法火成岩类：除少数凝灰岩、集块岩外，一般岩性单一、致密坚硬、物理力学指标高，边坡稳定性好。沉积岩类：除块状和少数厚层状岩体外，大多数具有较发育的层理面，岩性存在明显的各向异性，特别是内陆湖相沉积的石膏、芒硝、岩盐等易溶、质软岩矿，物理力学性能差。就总体而言，沉积岩比火成岩的物理力学指标低，边坡稳定条件不如火成岩好。变质岩类：种类繁多，常见的主要有片岩、板岩、大理岩以及角岩、石英岩等。除少数绿泥石片岩、滑石片岩、娟云母片岩和千枚岩等物理力学指标较低，边坡稳定性较差外，大多数变质岩的工程特性介于火成岩与沉积岩之间。岩石的矿物成分对边坡稳定性的影响，主要表现在不同矿物构成的岩石，其物理性质和力学强度有着显著的差异。含长石、云母、绿泥石及亲水性较强的蒙脱石类粘土矿物较多的泥质岩石，极易风化，而且浸水后易膨胀、崩解，稳定性很差；具有硅质、铁质的岩石往往强度较高，雨水稳定性亦好的特点。2、地质构造地质构造因素主要指边坡地段的褶皱形态、岩层产状、断层和节理裂隙的发育程度以及新构造运动特点等。这些因素对边坡稳定的影响十分明显，通常在区域构造复杂、褶皱强烈、断层众多、岩体裂隙发育、新构造运动比较活跃的地区，往往岩体破碎、沟谷深切，较大规模的崩塌、滑坡随处可见。而区域构造简单、褶皱较轻、断层较少的地区，往往岩体完整、断层产状平缓，边坡稳定性较好。3、岩体结构岩体结构是影响边坡稳定的重要因素，通常可以分为块状结构、层状结构、碎裂网状结构和三体结构四种。不同结构的岩体，物理力学性质差别很大，边坡变形破坏形式也不同，但具有相同结构的岩体，稳定性主要取决于岩体的结构面。岩体中的结构面，包括层理面、假整合理、不整合理、段层面、节理裂14 托京交通大学硕士学位论文第二章边坡稳定性的影响因素和分析方法隙面、风化晃面、覆盖层与基岩接触面以及岩体中的软弱面等。在边坡稳定性研究中，必须特别重视对不同成因结构面的研究，认真调查结构面的类型、产状、连续性、充填物质、胶结程度及其组合关系；分析各类结构面对边坡稳定的影响程度，并找出影响边坡变形破坏的控制性结构面。4、风化作用边坡岩体，长期暴露在地表，受到水文、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等，对边坡变形的发生和发展起着促进作用。实践资料表明，岩石遭受风化作用后，边坡的稳定性大大降低，并且岩石风化愈深，边坡的稳定性愈差，稳定坡角愈小。5、水的作用许多边坡的变形和破坏发生在雨季和雨后，有的发生在水库蓄水以后，有些出现在渠道集中渗透地段，还有一些是由于人工排水不当引起的边坡破坏，这些事实说明，水对边坡稳定的影响是十分显著的。水对边坡的影响有静水压力、动水压力、水的冲刷作用和软化作用等几个方面。处于水下的透水边坡将承受水的浮托力的作用，使坡体的有效重量减轻，特别适当坡脚岩体被水浸末后，对边坡的稳定尤为不利。当边坡内部存在不透水(或弱透水)的结构面时，该面上往往发生泥化或软化，抗剪强度将大大降低。充水的张开裂隙将随裂隙水静水压力的作用，使裂隙宽度进一步扩大。地下水的渗透流动，将对坡体产生动水压力甚至管涌、流土，降低边坡的稳定性。水流冲刷岩坡，可使坡脚出现临空面，上部岩体失去支撑，导致边坡失稳。6、振动作用地震、大规模爆破和具有一定动量的机械振动，都可能引起边坡应力的瞬时变化，影响边坡的稳定。 北京交通大学硕士学位论文第二章边坡稳定性的影响因素和分析方法强烈地震对边坡的破坏作用是很严重的，地震产生的横波在地表引起周期性晃动，纵波使地表岩土产生上下颠簸。在地震力作用下，边坡岩土体的结构将发生破坏和变化，造成大规模的滑坡和崩塌。长期、反复的爆破和机械振动，可以使边坡岩体产生疲劳效应，使原有结构面张裂、松弛和产生一些新的结构面：保水的粉细砂层可以出现液化；含水量较高的淤泥和淤泥质土可以发生触交现象，降低边坡的稳定性。7、边坡形态边坡形态通常指边坡的高度、坡度、平面形状及周边的临空条件等。一般来说，边坡愈大，坡度愈高，对稳定愈不利。平面成凸性的边坡比凹形的边坡具有较多的临空面，但凹型的边坡往往是已经发生过滑坡、崩塌的不稳定地段，其中可能存在一些软弱结构面。在平、剖面上呈现出凹、凸不协调形态，往往是老滑坡的遗迹，属不稳定地段。8、人类的工程活动随着人类工程活动规模的日益扩大，它对边坡稳定性的影响越来越显著，不当的人类活动引起的边坡失稳事故频繁发生，使得人民不得不重视人类工程活动对边坡稳定性的影响。对边坡稳定性产生显著影响的人类活动有：(1)削坡。不当的削坡往往使坡脚结构面或软弱夹层的覆盖层变薄或切穿，减小坡体滑动的抗滑力，而边坡的下滑力却没有相应地减小，这样边坡的稳定性降低。当结构面或软弱夹层的覆盖层被切穿时，结构面与边坡面构成不利组合，边坡产生结构面控制型失稳(图2．1)。(2)坡顶加载。坡顶加载一方面增加了坡体下滑力，而没有成比例地增加滑动面的抗滑力；另一方面加大坡顶张应力和坡脚剪应力集中程度，使边坡岩土体破坏，降低强度，因而引起边坡稳定性降低。当坡顶加载物为松散物时，情况就更为严重。因为松散加载物减少大气降雨的地表径流，增加大气降雨的入渗量，也会降低边坡稳定性(图2—2)。 北京交通大学硕十学位论文第二章边坡稳定性的影响因素和分析方法／，。。歹∥。∥图2_1削坡引起边坡失稳示意图(3)地下开挖。地下开挖主要包，，～一一／士石堆载括采矿和开掘铁路、公路隧道，它引起／7一～一一一-一／?的地表移动与边坡失稳常具有下列特，7／，7征：，7．，一一7，／一一一①受地下开挖位置影响，地下开挖越接近边坡面，地表移动和边坡图2．2坡项堆载松散物导致边坡失稳失稳越强烈，但其范围却显著减小；近地表的地下采掘往往引起小范围沉降和塌陷，边坡的变形和破坏是局部的；当地下开挖埋深较大时，地表移动和失稳的范围比较大，失稳往往是整体的。②受地下开挖规模影响。地下开挖规模越大，边坡的应力场改变就越大，在坡顶和坡脚引起的应力集中也越强烈，边坡稳定性的降低也就越大。③受边坡地质条件影响。地下开挖对边坡的影响程度受边坡地质条件控制，在顺倾边坡中，地下采掘工程平行于边坡走向，开挖活动往往切割边坡的锁固段，降低了边坡稳定性，甚至使其失稳。如果地下工程垂直于边坡走向，地下开挖对边坡的影响就要小得多。④具有先沉陷、后开裂、再滑动的活动规律。地下开挖首先引起边坡地表，∥绽一j名，j．，√、|，j— 北京交通大学硕士学位论文第二章边坡稳定性的影响因素和分析方法移动，当地表移动到一定程度时，边坡坡顶附近拉裂、出现拉裂缝，坡脚附近出现剪切破坏带。当边坡岩土体破坏较严重时，拉裂缝与剪切破坏带贯通或近于贯通，边坡滑动面的抗滑力急剧下降，边坡的稳定性显著降低，甚至失稳。9、其它因素除上述因素外，气象条件、植物生长等因素对边坡的稳定都有较大影响。因修建工程，经常在斜坡上堆载，增加附加荷重，或在坡脚挖方，造成新的临空面，破坏自然稳定边坡的平衡状态；或未考虑水文地质条件的改变等因素而盲目旌工，均可导致边坡失稳。气象条件不同的地区，边坡的稳定性是有差别的，同类岩土组成的边坡，干旱地区比潮湿多雨地区的稳定坡角要大的多。冰冻不仅加速表层岩体的风化剥落，而且使含水裂隙膨胀而迸一步张开。植物根系可保持和提高土质边坡的稳定性，但生长在岩石裂隙中的树根，可使裂隙更加涨开，有时是岩质边坡局部崩塌的起因。§2．2边坡稳定性的分析方法边坡稳定性方法大致可以分为两大类：确定性分析方法和非确定性分析方法。确定性分析方法主要是定性分析方法和定量分析方法，已经发展得比较成熟。近年来，非确定性分析方法发展迅速；另外，地质力学模型等物理模型方法和现场监测分析方法等也是边坡稳定性分析的重要方法。以下将就目前边坡稳定性分析的基本理论和主要方法进行对比和分析。§2．2．1定性分析方法定性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18 北京交通大学硕士学位论文第二章边坡稳定性的影响因素和分析方法稳定状况及其发展趋势作出评价。主要有自然(成因)历史分析法、工程地质类比法、查表法、图解法、边坡稳定性分析数据库和专家系统等，以下是几种常用的方法：§2．2．1．1自然(成因)历史分析法自然(成因)历史分析法“61主要概括边坡发育中的地质环境、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，追溯边坡演变的历史过程。对边坡稳定性的总体状况、趋势和区域性特征做出评价和预测，它主要用于天然斜坡的稳定性评价。§2．2．1．2工程地质类比法1、自然斜坡类比法“”””(1)方法原理1)自然斜坡的外形受地质结构、岩性、气候条件、地下水赋存状况、坡向等诸多因素影响，由于重力因素的作用，通常稳定的高坡要比稳定的低坡平缓。2)影响斜坡的重力、岩性、岩体结构构造、气候条件、坡向相同时，人工边坡可比自然边坡维持较陡的坡度。3)稳定的自然斜坡的高度和坡面投影长度依循下列关系：日；彬(2．1)式中：日——自然斜坡高度；工——自然斜坡坡面投影长度；n、卜常数。4)将同一种斜坡调查所得H、￡数对绘于双对数坐标纸上，可得到一条斜率为b的直线。对于不同斜坡调查的结果所绘制的各直线有会聚的趋势，据经验该会聚点坐标应为H=3050m。19 北京交通大学硕士学位论文第二章边坡稳定性的影响因素和分析方法(2)调查统计方法1)在详细踏勘的基础上，从地形图上选取与设计的边坡在坡向、岩性、构造以及地下水赋存状态等条件相同或相近的天然斜坡。2)将选出的天然斜坡划分成若干档次，在各段坡高的较陡区段量取其相应的坡面水平投影长，进行筛选，找出该档次坡高的最小坡面投影长度。此坡高与其对应的最小坡面水平投影长度即为所获取的一对数据。如此进行，可获得对应不同档次坡高的一系列数对。3)将这些数对标在双对数坐标纸上，绘出曲线(常为直线)，参照和利用前述经验会聚点的位置，由最高数据点附近曲线的一点到经验会聚点连线的外插结果，可用以估计更高的自然边坡的稳定坡度。2、观测地质现象判断斜坡稳定性法例如，可根据地貌形态的演变判断斜坡(包括滑坡)的稳定性，因为失稳斜坡和稳定斜坡具有不同的地貌特征。又如从构造分析入手判断斜坡是否稳定，往往可节省勘探工作量。另外还可以从各种影响斜坡稳定性的因素的发生可能性及其组合情况来判断斜坡稳定性的变化趋势等。§2．2．2定量分析方法§2．2．2．1极限平衡法以刚体极限平衡理论为基础，考虑岩土体中结构面的控制作用，利用数学计算分析最后求得安全系数或类似于安全系数的概念来进行定量分析，它们是基于不连续力学的边坡稳定性分析方法。常用的边坡稳定性极限分析方法“¨”见表2—1。§2．2．2．2数值分析方法数值分析方法是目前岩土力学计算中使用最普遍的分析方法，它以有限元为基础，采用等效连续体模型来模拟节理、裂隙对岩体的影响，通过计算得出，0 北京交通大学硕十学位论文第二章边坡稳定性的影响因素和分析方法部分极限平衡法的主要特点表2．1分析方法假设条件力学分析适用范围及特点1、Fcmcni璐法(瑞典条1、滑动面为圆弧1、整体力矩平衡l、圆弧滑面滑坡分法)2、不考虑条间作用力2、垂直条分滑体3、计算简单，稳定系数偏小4、只适于简单均质土坡2、Bishop法l、可为任意形的滑面1、整体力矩平衡与静1、任意形的滑面2、不考虑条间垂向作用力力平衡2、垂直条分滑体2、条间垂向作用力为3、稳定系数略大零4、一般适于土坡3、分块极限平衡法1、滑动面为不规则形状1、分块力矩平衡1、很适于折线滑动面2、滑面与分块界面同时达2、分块力平衡2、计算复杂，稳定系到极限状态数偏大3、垂直分条，适于土坡4、Janbu法1、滑动面为不规则形状l、分块力矩平衡l、垂直条分滑体2、条间水平与垂直分力有2、分块力平衡2、用于复合滑坡一定的函数关系3、考虑条问作用力3、可适于非均质土坡3、条问作用力作用位置在4、K值介于Bish∞法力滑动面h，3处与分块极限平衡法之间的解答5、Sarma法1、滑面与侧面部达到极限l、分块力平衡1、可为任意条分块体状态2、适于任何形状滑面2、滑体作用有临界水平加滑坡速度3、适于岩质滑坡或土滑坡6、楔形法1、受结构面或软弱面控制1、整体力甲衡1、适于岩质楔形滑坡形成的空间楔形滑动或土滑坡7、传递系数法(不平衡1、条问作用力台力方向与1、各分块力平衡l、任何形状滑面滑坡推力法)滑面倾角一致2、考虑了分条面上的2、垂直条分块体2、条间作用力合力为负值剪力3、岩质滑坡或土滑坡则记传递的分块作用力为4、滑动面倾角不宜过零陡21 北京交通大学硕士学位论文第二章边坡稳定性的影响因素和分析方法部分数值计算方法的主要特点表2七分析方法运行机制适用范围优点缺点有限元法离散岩土介质为多个单可以用来求解弹部分地考虑了非不能很好地求解(FEM)元，荷载移植于节点，插性、弹塑性、粘弹均质、不连续性，大变形和位移不值函数考虑连续条件，采塑性、粘塑性等问可以给出岩土体连续等问题；对于用矩阵位移法或力学求题应力、应变的大小无限域、应力集中解岩土介质应力场和位与分布问题等的求解还移场不理想。FLAc法优先差分原理考虑岩土体不连求解速度快计算便捷、单元网续性、大变形等特络的划分有很大点随意性离散元法将区域离散为单元，但单对块状、层状破裂动态性，考虑了岩(DEM)元节点可以分离，单元问或一般碎裂结构体的非均质、不连的作用力可存力与位移岩体比较适合续和大变形等特的关系求出，个别单元的点，允许块体闻发运动由牛顿运动定理确生平动、转动甚至定相互脱离．可形象反映应力场、速度、位移等力学参量的全程变化块体理论几何学原理与解析方法几何学特征，利用只考虑抗剪强度，(IH’)拓扑学、群论原不计节理变形、力理，适用于岩体稳矩作用定分析不连续变形通过不连续面问的相互考虑了变形的不网格的划分比较分析(DDA)约束建立整个系统的力连续性，可以计算复杂学平衡条件，引入了非连静力、动力问题，续接触和惯性力，采用运可以计算岩体破动学原理解决非连续的坏前小变形及破动力与静力问题坏后大位移问题无界元法采用r一种特殊的形函近年来己比较广能有效解决有限一般要与其它方数及位移插值函数，能反泛地应用于非线元的“边界效应”法如有限元联台映在无穷远处的边界条性问题、动力问及人为确定边界使用件题、不连续问题等的缺点，在动力问的求解，是有限元题中尤为突出方法的推广 北京交通大学硕士学位论文第二章边坡稳定性的影响因素和分析方法岩土质边坡内部的变形特征和应力状态。部分数值计算方法““”。”对比见表2．2。§2．2．3非确定性分析方法§2．2j．1可靠性分析法理论与实践均证明，影响边坡工程稳定性的诸多因素常常都具有一定的随机性，它们多是具有一定概率分布的随机变量。70年代中后期，加拿大能源与矿业中心和美国亚利桑那大学等开始把概率统计理论引用到边坡岩体的稳定性分析中来。该方法的原理是首先通过现场调查，获得影响边坡稳定性影响因素的多个样本，然后进行统计分析，求出它们各自的概率分布及其特征参数，再利用某种可靠性分析方法，如M0ntecallo法、可靠指标法、统计矩法、随机有限元法等来求解边坡岩土体的破坏概率即可靠度。祝玉学。3(1993)把在规定的条件下和规定的实用期限内，安全系数或安全储备大于或等于某一规定值的概率，即边坡保持稳定的概率定义为可靠度。可见，用可靠度比用安全系数在一定程度上更能客观、定量地反映边坡的安全性。我国的《岩土工程勘察规范》(GB5002l94)已明确指出，大型边坡设计除计算边坡稳定系数外，尚宜进行边坡稳定的可靠性分析，并对影响边坡稳定性的因素进行敏感性分析。只要我们求出的可靠度足够大，也即破坏概率足够小，小到人们可以接受的程度，就认为边坡工程的设计是可靠的。近年来，该方法在岩土工程中的研究与应用发展很快，为边坡稳定性评价指明了一个新的方向。但该方法的缺点是：计算前所需的大量统计资料难于获取，各因素的概率模型及其数字特征等的合理选取问题还没有得到很好的解决。另外，其计算通常也较一般的极限平衡方法显得困难和复杂。自从非确定性分析产生以来，经过长期的发展，可靠性研究主要形成了三种模型：随机模型、模糊模型及非概率模型。23 北京交通大学硕士学位论文第二章边坡稳定性的影响因素和分析方法(一)随机可靠性模型该模型产生于20世纪40年代，至今已发展比较成熟，其出现主要是由于材料的物理力学系数、几何参数、环境与人为作用的随机性结果，也是系统的内在因果关系的不充分、不确定的结果。从随机可靠性分析的内容来说，主要是失效模式的确定(即建立研究对象各个可能失效模式的极限状态方程)与计算模型发生失效的概率两个方面。可以说，失效概率的计算是随机可靠性分析的目的，而失效模式的确定以及每个模式极限状态方程的建立则是随机可靠性分析的基础和前提。随机可靠性模型的研究主要有以下四种计算方法：1、蒙特卡罗模拟方法：即随机模拟方法和统计系统法，该方法主要采用安全系数和安全储备作为功能函数K=F(日，o，p。，‘，，c，妒，口，··⋯·)(2．2)式中，砭为边坡稳定的安全系数；F(日，Ⅱ，p。，．，，c，妒，盯，⋯⋯)中各系数为边坡相对高度、方位角以及岩土体的基本力学参数与状态参数。通过统计或假定以上各参数变量的分布特征，以各组样本代入功能函数，按定值方法进行稳定性计算，求出失效的概率作为破坏的概率，进而求出可靠性指标。2、一次二阶法：该方法对各参数随机变量的分布进行非正态分布变量正态化或假定它们服从正态分布或对数正态分布。分析时考虑各随机变量服从实际分布与否，主要采用1缸lor级数法与“验算点法”。3、统计矩方法：当随机变量分布未知时，只要利用它们的均值和方差，就可以求出功能函数的一阶矩、二阶矩与高阶矩，从而求出边坡可靠性指标和破坏概率。4、随机有限元法：该方法是在常规有限元的基础上，改输出量为随机变 北京交通大学硕士学位论文第二章边坡稳定性的影响因素和分析方法量，其结果单元的应力和位移也为随机变量，通过计算单元应力和节点位移的均值和方差，再利用Mo¨Goulomb破坏准则，得到单元的可靠指标。(二)模糊可靠性分析模型考虑模糊性的可靠性分析模型是20世纪70年代末发展起来的，随着随机可靠性分析研究的成熟，人们开始逐渐意识到双状态假设与概率假设在很多情况下是不合理的，它表现为稳定与不稳定之间缺乏明显的晁限与阀值，而是系统的演变过程中存在亦此亦彼的模糊结果，模糊性的可能性理论由此而引入。因此，模糊性是不同于随机性的一种强不确定因素，其主要是由于不可能给某些事物以明确的定义和评定标准而形成的，该模型是当前可靠性学科研究的焦点。(三)非概率可靠性模型前面提到的两种模型都是概率可靠性模型，这种模型在掌握充分的统计数据且计算模型较精确时，是一种比较理想的系统安全评价模型。但是，它也存在着三个方面的局限性：1、充分的原始统计数据有可能得不到满足；2、参数变量的概率密度函数的误差的客观存在；3、可靠度的安全阀值问题的确定问题。于是，20世纪90年代，Y酞ovBen-haim与Lclishako廿等首先在力学领域中提出了非概率可靠性模型，该模型采用集合模型来描述不确定的数据信息，从而得到响应的不确定性变化范围，由此范围与要求的变化范围作比较，进而得到安全程度的度量指标。§2．2．3．2模糊分级评判方法影响边坡稳定性的因素具有模糊不确定性，采用模糊分级评判或模糊聚类方法啪1对边坡的稳定性做出分级评判，其具体做法通常是先找出影响边坡稳定性的各个因素，并赋予它们不同的权值，然后根据最大隶属度原则来判定边坡 北京交通大学硕士学位论文帮二章边坡稳定性的影响因素和分析方法戆稳定性。实践涯骧，模糊分级评判方法必多变量、多因素影晌鲍边坡稳定性分析提供了一稀行之有效豹学段，该方法主妥应用予大登边瑗静整体稳定性评价。20世纪粥年代，我国落名学者潘家铮提出了滑坡缀隈分辑的两条基本原瑗，嚣潘家铮袋大最小原毽：滑坡如驻游许多滑面浮动，则失稳辩，它将沿抵抗力最小的一个滑面破坏(娥小值原理)；滑坡体的滑筒肯定时，则滑面上的茨力<以及澄坡体凌熬魂力)能自行调熬，戳发挥最大浆抗滢携力(竣大篷琢理)。20毽纪80年代，孙露实在此基确土提出了与传统的安全系数相对应的囊全系数模糊解集和最小模糊解集概念，把以条分法为熬础的极限平衡方法转变成为：在边器象{孛、模赣终束条件下，爨求基本方程绲残隐式撼述翡泛螽静最小模糊解集的海题，从而抛弃了长期以来极限平衡方法始终无法合理处理的滑动条分土体间的相互作用力的大小、方向和作用点的人为假设问艨。于是，这嫩藏弓l送了一个安全系数臻翡润题置◇，罗)，窀菠考察点岩±约物理力学参数发挥其各自的极限，如c／只0，y)，驴／以0，y)。选撵净力场或遮度场平衡分别解答滑体的塑性破坏问蹶，并确定相应购潜穆线或游动面的往鬣与形状，跌两确定模糊安全系数的解醚闻[r，，，I】，根据德卢觉公设与虚功方程，Fo，，，+。问存在如下关系：“古一毒)(c+口_觚妒)V≮办：。晓3，其中，模糊极值方法的求解存在三个方箍的假设；1)条势磷上不塞理控疲力；2)条分颟不受剪坏；3)法向祭问推力不为负；切向条闻力的分布形状应在滑体内部保持同号。 北京交通人学硕士学位论文第二章边坡稳定性的影响因素和分析方法因此，与传统的安全系数相对应，可以定义在所有可能的滑面安全系数只上及只下中，数值最小的只上及只下形成的区间【只下⋯，只上一1就是边坡稳定安全系数的最小模糊解集。§2．233模糊测度法模糊测度法“”””首先认为岩土体边坡稳定问题受多种客观因素的综合影响，如描述岩土物理力学性的内聚力c，内摩擦角妒，工程爆破导致的地震效应及边坡岩土体、地下水等多种因素，因而，边坡稳定程度本身构成了一个复杂的非清晰的系统——模糊系统。该方法采用模糊数学并非寻求实际上无法获得的“精确值”而在于获得满足边坡工程实际要求的“满意值”。因此，模糊系统可表示成下面的多元函数形式：E=F(H，a，．，，R，∞，c，仍E，∥，卢，r⋯)(2．4)式中：f——边坡实际稳定系数值；H——边坡高度值；口——边坡总体边坡角；，——岩体内部节理裂隙影响系数；R——边坡内部岩体结构影响系数；m——边坡岩体地下水影响系数；c——边坡岩土介质的内聚力；妒——岩土介质的内摩擦角。由上式可见，只是诸因素影响的函数，而且难以精确获得，故将边坡稳定程度视为一个模糊系统。通过运用模糊理论方法，求出P边坡实际稳定系数值，从而可获得对边坡稳定的满意程度。目前，除了以上三种常用的非确定性分析方法外，系统工程分析方法、灰 北京交通大学硕士学位论文第二章边坡稳定性的影响因素和分析方法色系统理论方法、突变理论方法、损伤断裂力学理论、分叉与混沌理论等也在边坡稳定性方向上得到了不同程度的应用，为边坡稳定性分析及预测提供了新的途径。§2．2．4其他常用的方法§2．2．4．1物理模型方法物理模型方法⋯是～种发展较早、应用广泛、形象直观的边坡稳定性分析方法。它主要包括光弹模型、地质力学模型试验、离心模型试验等。这些方法通常能够形象地模拟边坡岩土体中的应力大小及其分布，边坡岩土体的变形破坏机制及其发展过程，加固措施的加固效果等。离心模型试验是以离心机作为加载工具，把1／n缩尺的模型放在以ng离心加速度运转的离心机中进行试验，测量其中的应力、变形，观察模型的变形破坏发展过程及加固措施的加固效果。由于离心力与重力保持等效，且加速度不会改变材料的性质，从而使模型与原型的应力应变相等、变形相似、破坏机理相同，能够再现原型的特性。该方法可以在同一模型上，完成弹性、弹塑性乃至破坏失稳各个阶段(整个过程)的模拟，展示边坡岩土体变形破坏的机制与过程，且可以测量全过程的应力和位移，还可求得超载安全系数等。与其他模拟方法相比，离心模型要求模型材料具有弹模、容重多样，且要求模型与原型材料的本构关系完全相似，对模型尺寸的大小和精度要求较高，测量方法及其技术要求严格，费用较高等。§2．2．4．2现场监测分析法岩石流变力学认为岩体的变形破坏是一个过程，岩质边坡工程由稳定状态向不稳定状态的突变也必然具有某种前兆，捕捉这些前兆信息并对其进行分析和解释，将可更好地认识边坡岩土体变形的发展过程和失稳的征兆及其判据。人们在生产实践的过程中早已认识到这个问题，并对之越来越重视。在发展其它边坡稳定性分析理论与方法的同时，又开展了现场监测技术方法、监测结果 北京交通大学硕士学位论文第二章边坡稳定性的影响因素和分析方法分析方法等的研究，力图通过现场监测所获得的信息如位移、位移速度、应力、声发射率、脉冲频率、地下水等有关特征，来对边坡岩土体稳定性做出评价和预测，为加固处理设计提供服务，同时，又能对加固措旌的加固效果进行检验，为施工的安全保护等提供信息。由于现场监测结果直观可靠，因而利用监测结果对边坡的稳定性进行分析，已成为目前边坡工程中稳定性评价极其重要的一种方法。以上简要介绍了目前主要的边坡稳定性分析方法，各种方法的原理不同，做出的分析结果表示方式不一，各有其优缺点。建立于复杂地质体中的边坡工程，有极其复杂多变的特性，同时又有较强的隐蔽性。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，最好能同时利用多种分析方法进行综合分析验证，力求得出一个更加客观、可靠、合理的评价结果。§2．3本章小结结合国内外边坡稳定性影响因素和分析方法的研究成果，本章的主要内容如下：1、根据五种不同的标准对边坡进行了系统分类；详细分析了影响边坡稳定性的八个主要因素，同时简要分析了气象条件、植物生长两个次要影响因素。2、在定性分析方法中，主要分析了自然(成因)历史分析法和工程地质类比法两种方法；在定量分析方法中，主要对部分常用的极限平衡法和数值计算方法进行分析}B较；在非确定性分析方法中，可靠性分析法、模糊分级评判方法和模糊测度法是主要的分析对象；另外，还分析了当前应用比较广泛的物理模型方法和现场监测分析法。对边坡稳定性分析方法的研究为它们在工程中的应用奠定理论基础，更好地服务于实际工程。 北京交通大学硕士学位论文第三章高速公路路堑边坡的稳定性评价本章将对边坡的地质模型和破坏模型进行系统分析，并在此基础上，确立本文路堑高边坡稳定性分析所采用的分析方法。§3．1高速公路路堑边坡的地质模型建立边坡的工程地质模型是高速公路路堑边坡稳定性分析评价的重要一环，它通过对路堑边坡失稳的内外影响机制分析，对边坡变形与失稳的可能模式进行判别，使所确定的模型尽可能地符合工程客观实际，为以后数学力学分析的边界条件合理选择奠定重要基础。工程地质模型的建立必须包含理论与实践两方面的内容，使对具体工程及其所处工程地质条件的科学的抽象与简化。§3．1．1高速公路路堑边坡变形与破坏形式的基本分类边坡的失稳是边坡地质体变形与破坏积累的结果，边坡的变形主要有卸载回弹、边坡蠕变、岩体的损伤与脆断等三种基本形式。边坡破坏的形式有很多种分法，本文将根据传统的分类方法，把边坡的破坏形式分为滑坡、崩塌和泥石流””。以下对几个概念进行区别分析：1、滑坡：边坡的变形与失稳基本上受控于诸如层面、软弱夹层等大体上统一且规则的地质界面，并以滑移为主要形式的运动称为滑坡。它是岩土体依附于其自身软弱结构面作水平位移的分量较大的边坡变形与破坏的现象。从岩土体的破坏机制而言，滑坡以剪切滑坡为主，可分为牵引式和推移式两种形式。边坡在一定自然条件下，部分岩(土)体在重力作用下，沿着一定的软弱面(带)，缓慢地、整体地向下移动。滑坡一般有蠕动变形、滑动变形和渐趋稳定三个阶段。有时也具有高速急剧移动现象。 北京交通大学硕士学位论文第=章高速公路路堑边坡的稳定性评价滑坡的分类表3．1划分依据名称类别特征说明各种不同性质的堆积层(包括坡积、淤积和残积)，体内滑动，或沿基岩堆积层滑坡面滑动。其中坡积层的滑动可能性较大按滑坡物黄土滑坡不同时间的黄土层的滑坡，并多群集出现，常见于高阶的前缘斜坡上，质组成成或黄土层沿下伏第三纪岩层滑动分分粘性土滑坡粘性土本身变形滑动．或与其它土层的接触面或沿基岩接触面而滑动软弱岩层组合物的滑坡，或沿同类基岩面，或沿不同岩层接触面以及较岩层滑坡完整的基岩面滑动。同类土滑坡发生在层里不明显的均匀粘性土或黄土中，滑动面均匀光滑按滑动面沿岩层面或裂隙面滑动，或沿坡积体与基岩间不整合面等滑动，大都分通过各岩顺层滑坡布在顺倾向的山坡上层情况分滑动面与岩层面相切，常沿倾向山外的一组断裂面发生，滑坡床多呈折切向滑坡线状，多分布在逆倾向岩层的山坡上按滑动体浅层滑坡滑坡体厚度在6nl以内中层滑坡滑坡体厚度在6m至20m左右厚度分深层滑坡滑坡体厚度超过20m推移式滑坡(图上部岩层滑动挤压下部产生变形，滑动速度较快，多具楔形环谷外貌，接引起滑3-1)滑体表面波状起伏，多见于有堆积物分布的斜坡地段动的力学下部先滑使上部失去支撵而变形滑动。～般速度较慢，多具上小下大的性质分牵引式滑坡(图3．1)塔式地貌，横向张性裂隙发育，表面多呈阶梯状或陡坎状，常形成沼泽地由于是施工开挖山体引起的滑坡，此类滑坡还可细分为：T程滑坡1．丁程新滑坡：由于开挖山体所形成的滑坡按形成原2．工程复活古滑坡：久已存在的滑坡，由于开挖山体引起重新活动的滑坡周分由于自然地质作用产生的滑坡，按其发生相对时代早晚又可为：自然滑坡1，老滑坡：坡体上有高大树木，残留部分环谷、断壁擦痕2．新滑坡：外貌清晰，断壁新鲜按发生后活滑坡发生后仍在继续活动的滑坡。后壁及两惯9有新鲜擦痕，体内有开裂、鼓的活动性起或前缘有挤出等变形迹象，其上偶有旧房遗址，幼小树木歪斜生长等发生后已停止发展，一般情况下不町能重新活动．坡体上植被较盛。常分死滑坡有居民点2、崩塌：指整体岩(土)块脱离母体，突然从较陡的边坡上崩落下来并顺边坡猛烈黼转，跳跃，最后堆落在坡角。崩塌包括小规模块石的碎落、倾倒块体的翻倒和大规模的山崩，崩塌体通3l 北京交通火学硕士学位论文第三章高速公路路堑边坡的稳定性疆价图3—1牵引式、推移式滑坡断面常破碎成碎块堆积于坡脚，形成具有～定天然休止角的岩堆，是堆积体滑坡和碎屑流的重要物质来源。从破坏的力学机制而言，一般以拉断为主，是岩土体蠕交与脆断的共同作用结果。3、泥石流：泥石流是山区特有的一种自然地质现象，它是由于江水(暴雨、融雪、冰川)而形成的一种夹带大量泥砂、石块等固体物质的特殊洪流，其特点是爆发突然、历时短暂、破坏力强。工程分类和特征见表3．2。§3．1．2高速公路路堑边坡的地质模型典型边坡地质模型的建立对边坡的分类及稳定性评价都是非常有益的，因为边坡地质模型是反映影响边坡稳定状态的各种地质因素的综合体现。而边坡的变形破坏方式集中反映了地质模型的主要特点，因此，在工程实践中可以根据边坡的变形破坏的形式，预报边坡变形的发展趋势及可能的破坏方式。所谓地质模型就是将影响边坡稳定性的复杂因素经过思考与抽象，取其对边坡稳定性起控制作用的工程地质因素使之构成的一个简化的地质模型。地质模型必须以岩体结构为纲，能客观地反映边坡工程客体，它所表示的边坡变形与破坏边界条件是制定和优化岩体力学重要依据，是边坡稳定性的物理模拟试验和数值 北京交通大学硕士学位论文第三章高速公路路堑边坡的稳定性评价泥石流的工程分类和特征表3．2类泥石流特征流域特征亚严重流域固体物质一堆积区面积次冲出量流量面积别类程度(m3／s)rkJ铲)r×10m3)(1田12)基本上每年均有多位于强烈I泥石流发生。固体抬升区，岩层Il严重>5>100>1高物质主要来源于碎裂，风华强频沟谷的滑坡、崩烈，山体稳定12中等1～S1030～100<1蠢塌。暴雨强度小于性差。泥石流泥24mm，10min。除堆积新鲜，无石岩性因素外，滑植被或仅有流坡、崩塌严重的沟稀疏草丛。粘沟谷多发生粘性泥性泥石流沟13轻微<1<30石流，规模大；反中下游沟床谷之多发生稀性泥坡度太于4％石流，规模小。爆发周期一般在山体稳定性lo年以上。固体物相对较好，无1Il严重>10>5)100>1II质主要来源于沟大型活动性低床．泥石流发生时滑坡、崩塌。Ⅱ2中等1—101030～100