（岩土工程专业论文）垫邻高速公路岩质高边坡稳定性与生态防护技术研究.pdf

摘要 近年来，随着山区高等级公路建设的迅速发展，出现了大量高边坡，也发生了众多 高边坡变形和破坏，既增加了投资，也延误了工期，甚至造成已有工程破坏。由于高边 坡是将地质体的一部分改造为人为工程，因此它的稳定性受控于边坡所在岩土体的基本 特性地层岩性、地质构造、岩体结构、坡体结构及水文地质条件等，以及人为改造的 程度一开挖高度、坡形和坡率。由于地质体的复杂性、多变性和不均质性，因而道路工 程边坡设计是预测性、风险性的设计。实践证明，对边坡进行模拟和分析判断其稳定性， 并制定出有效的防护与治理措施，具有十分重要的理论与工程实践意义。 论文以复杂岩体高边坡生态防护技术研究课题为依托，对公路岩质边坡的特征性和 高陡边坡生态防护技术进行研究，并全程跟踪垫邻高速k 3 7 + 9 0 7 - - - k 3 8 + 0 3 6 边坡的施工 和监测的过程，以现场实际情况和数值模拟相结合，通过地质力学模型和有限元模拟， 对开挖前后的边坡，及防护形式下的边坡应力场，位移场的分析，揭示了岩质边坡的原 始状态和施工工况下的状态，验证了岩质高边坡应力分布、变形规律与设计的成果，并 为防护结构和科学施工方法提供依据，同时通过现场原位测试的监测数据，进一步研究 岩质高边坡的变形规律，并对岩质高边坡的稳定性提出可靠的依据。 关键词：岩质边坡；有限元；稳定性；原位测试；数值模拟 a b s t r a c t r e c e n t l y , w i t ht h ef a s td e v e l o p m e n to fm o u n t a i na r e ah i g h - g r a d eh i g h w a yc o n s t r u c t i o n , a p p e a r e dt h em a s s i v eh i g hs i d es l o p e s ，a l s oh a sh a dt h em u l t i t u d i n o u sh i g hs i d es l o p e d i s t o r t i o na n dt h ed e s t r u c t i o n , a l s oi n c r e a s e dt h ei n v e s t m e n t ，a l s oh a sd e l a y e dt h et i m el i m i t f o rap r o j e c t ，e v e nc r e a t e sh a dt h ep r o j e c td e s t r u c t i o n b e c a u s et h eh i g hs i d es l o p ei sa g e o l o g i cb o d yp a r to ft r a n s f o r m a t i o nm a n n e ri sap r o j e c t ，t h e r e f o r ei t ss t a b l ec o n t r o l l e di nt h e s i d es l o p ei nt h eg n e i s sb a s i cc h a r a c t e r i s t i c f o r m a t i o nl i t h o l o g y , t h eg e o l o g i cs t r u c t u r e ，t h e r o c km a s ss t r u c t u r e ，t h es l o p eb o d ys t r u c t u r ea n dt h eh y d r o g e o l o g i c a lc o n d i t i o n sa n ds oo n , a s w e l la st h ea r t i f i c i a lt r a n s f o r m a t i o nd e g r e e - e x c a v a t e sh i g h l y , t h es l o p es h a p ea n dt h er a t i oo f s l o p e 。d u et ot h ec o m p l e x i t y ，d i v e r s i t ya n dn o n - u n i f o r m i t yo ft h eg e o l o g i c a lc o n d i t i o n s ， s l o p ed e s i g ni nr o a de n g i n e e r i n gc a no n l yb eap r a c t i c ei n v o l v i n gp r e v e n t i o na sw e l la sr i s ko f f a i l u r e i th a sb e e ns h o w nt h a th o wt os i m u l a t et h es l o p e s d e f o r mp r o c e s s ，a n a l y z et h es t a b i l i t y a n dm a k eo u ts a f ea n de f f e c t i v ed e f e n d i n ga n d h a m e s s i n ga n d s u p p o r tm e a s u r e si sb e c o m i n ga p r o b l e mw o r t h yo fi m p o r t a n tt h e o r e t i c a la n de n g i n e e r i n gs i g n i f i c a n c e t h ep a p e rt a k et h ec o m p l e xr o c km a s sh i g hs i d es l o p ee c o l o g yp r o t e c t i o ne n g i n e e r i n g r e s e a r c ht o p i ca st h ef o u n d a t i o n , t h eu n i o nu n i o nr o a dc r a gn a t u r es i d es l o p ec h a r a c t e r i s t i c v a l u ea n dt h eh i g hs t e e ps i d e s l o p ee c o l o g yp r o t e c t i o ne n g i n e e r i n gr e s e a r c h , a n dt h e a l l t h e - w a yt r a c k i n gp a dn e i g h b o u rh i g hs p e e dk 3 7 + 9 0 7 - k 3 8 + 0 3 6s i d es l o p ec o n s t r u c t i o n a n dt h em o n i t o rp r o c e s s ，u n i f i e sb yt h es c e n ea c t u a ls i t u a t i o na n dt h ev a l u es i m u l a t i o n , t h r o u g ht h eg e o l o g i c a lm e c h a n i c sm o d e la n dt h ef i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o n , t oe x c a v a t e st h e s i d es l o p e ，a n du n d e rt h ep r o t e c t i o nf o r ms i d es l o p es t r e s sf i e l d ，t h eb i a sf i e l da n a l y s i s ，h a s p r o m u l g a t e du n d e rt h ec r a gn a t u r es i d es l o p ei n i t i a ls t a t ea n dt h ec o n s t r u c t i o no p e r a t i n gm o d e c o n d i t i o n , h a sc o n f i r m e dt h ec r a gn a t u r eh i g hs i d es l o p es t r e s sd i s t r i b u t i o n , t h ed i s t o r t i o nr u l e a n dt h ed e s i g na c h i e v e m e n t ，a n dp r o v i d e st h eb a s i sf o rt h ep r o t e c t i o ns t r u c t u r ea n dt h es c i e n c e j o bp r a c t i c e s i m u k a n e o u s l yt h r o u g ht h es c e n eh o m ep o s i t i o nt e s tm o n i t o rd a t a ，f u r t h e rs t u d i e s t h ec r a gn a t u r eh i g hs i d es l o p et h ed i s t o r t i o nr u l e ，a n dt ot h ec r a gn a t u r eh i g hs i d es l o p e s t a b i l i t ya r o u n dp r o p o s e dt h er e l i a b l eb a s i s ， k e yw o r d s ：r o c k m a s ss l o p e ；f i n i t ee l e m e n t ；s t a b i l i t y ；h o m ep o s i t i o nt e s t ；n u m e r i c a ls i m u l m i o n i i 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何 未加明确注明的其他个人或集体己经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：牡咴多宁 脚 论文知识产权权属声明 钼r 日 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：半吃z 宇 导师签名 长安大学硕士学位论文 1 1 研究课题的提出及意义 第一章绪论 边坡稳定性分析与评价是边坡工程的重要核心内容之一，它贯穿于边坡工程的始 终。边坡稳定性分析与评价结果的正确与否直接关系到边坡工程的成败。然而，岩土边 坡是漫长地质作用造成的，是一个受多因素影响、随时空变异的复杂动态系统，对于边坡 稳定性的分析和评价，单纯强调定性分析或定量评价都难于真正确决问题。 岩石高边坡在我国分布相当广泛，据统计，主要分布在2 4 个省、市、自治区，其 中四川省工程滑坡频次最高，其次为湖北、广东、海南、广西、云南、青海、甘肃等省， 从总体上看，以西南和西北为主。随着我国经济的飞速发展尤其是西部大开发，水利、 矿山、交通、环境等领域的边坡稳定问题越来越突出，尤其是破坏或搅动原来较稳定的 岩体而形成人工开挖岩坡，如在自然岩质边坡上搭桥、修坝、建房等等，另外，由于城 市建设、交通道路及水利枢纽的修建，露天矿产、煤炭资源开采等等，又形成了许多人 工岩质边坡【3 】。总之，在我国，特别是三峡工程及西部大开发中，出现了许多岩质边坡 工程，如三岭船闸高边坡、链子崖危岩体等等。在解决这些复杂的岩质边坡问题的过程 中，大大促进了岩质边坡稳定性分析方法的发展。 早在2 0 世纪5 0 年代，铁路部门就遇到了严重的高边坡问题，对其重视和研究起步 较早。但在2 0 世纪，我国岩石高边坡理论与实践主要是伴随6 0 - - 7 0 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。 改革开放以来，我国的公路建设有了较大的发展，但是随着高速公路向山区延伸， 由于特殊的地形和地质环境，在建设中出现了众多高边坡和滑坡问题，施工开挖后发生 了许多边坡变形，既增大了工程投资，又延误了工期，甚至破坏已有的工程设施。如京 珠高速公路广东北段高于3 0 m 的边坡8 5 处，治理滑坡和高边坡加固费用近8 亿元；云 南省元江至墨黑高速公路长1 4 7 k m ，高于3 0 m 的边坡4 3 2 处，出现病害1 7 7 处，治理 滑坡和边坡加固费用5 亿多元；重庆市万州至梁平高速公路有2 0 余公里通过砂、泥岩 顺层地段，几乎所有的高边坡开挖后都发生了变形，加固费用近2 亿元。由于工程中岩 质边坡稳定问题的巨大危害性和严峻性，引起了交通各级领导的重视，一方面借鉴和移 植了铁道部门的经验和技术，开放市场，引起了大量技术力量雄厚的勘察设计院所和研 究单位；另一方面，针对高速公路建设中滑坡与高边坡病害、地质灾害、特殊岩土( 膨 第章绪论 胀土、盐渍土、多年冻土、黄土、岩溶、沙漠、红层) 等一系列的特殊和突出路基病害 问题，开展了大量研究，并设立了西部开发交通建设专项研究基金，共立2 5 1 个研究项 目，其中涉及滑坡与高边坡的防治技术的有2 4 项【l 】。 随着我国公路建设的发展，公路等级的提高，面对国家建设发展模式的日趋合理， 国家对基础建设投资加大，要求建设项目能达到可持续发展。公路建设对稳定、安全、 和谐越发重视，对公路边坡的稳定性和防护方法的研究就成为公路建设中热门研究的课 题。目前，生态环保、景观和谐是公路边坡防护的新要求。现在公路不仅要满足出行和 运输的需要，更是一种生活的方式。公路边坡是公路与周围环境的自然分界面，应该与 周边环境自然和谐，尽量做到边坡的防护融入周边环境。同时应通过良好的植被净化公 路范围内的有害汽车尾气、扬尘等路域大气污染，吸收路域范围内的噪声，降低噪声污 染，改善路域范围的水热环境，使路域范围的不良因素减弱并逐渐向周边环境过渡。生 态和谐将是边坡防护的发展方向。此外，通过工程防护+ 生物防护连同设计来降低造价 是今后工作的方向。目前，随着公路建设的发展，采用简单的几种方式对公路边坡进行 防护已经不能满足公路建设的需要。随着科技的发展，工程措施从早期采用圬工抹( 砌) 面全面防护向土体稳定锚固，使用土工合成材料方向发展，植被防护措施也已由早期的 人工种植发展到现阶段的机械化作业，并且从单独采用植物逐渐向植物与土工材料相结 合过渡，工程防护与植被防护结合得越来越紧密：比如在孔窗式护面墙的孔窗格内种草 植树，在岩质边坡上创造微地形并填土栽植等，拓展植被防护的范畴，与工程防护相结 合，逐渐弱化工程防护与植被防护之间截然不同的分界线，重点考虑工程防护到植被防 护的过渡，形成功能完善的工程防护和植被防护相结合的生态防护等理念和方式将是未 来我国公路边坡防护的主要方向之一p j 。 现在很多时候边坡防护和植被防护的功能重叠，加大了投资，虽然达到防护效果， 但并不经济节约。比如，边坡本身稳定，只为了减少坡面冲刷，还采用在拱式护面墙种 植，就不如直接进行坡面栽植降低坡面冲刷经济节约；某些岩质边坡本已稳定且不存在 冲刷，但为达到坡上有植物覆盖的目的，在植物不能生根的坚硬岩石上钻孔开创进行种 植，结果植物无法生存、人为造成裂隙加速了风化和水的作用。 公路边坡防护的研究是一项长期工程，它不仅涉及公路的运营情况，而且对自然生 态环境具有重要的影响。公路的运营关系到国民经济的发展，关系到人民生命财产的安 全；生态环境则是人类生存和发展的基本条件，是经济、社会发展的物质基础。保护和 建设好生态环境，是实现经济可持续发展的重要环节。 2 长安大学硕士学位论文 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国内外岩质边坡主要研究成果 从1 9 1 5 年瑞典人p e r e r s o n 用条分法评价边坡稳定性开始，边坡工程得到广泛的研 究和发展，第二次世界大战后，随着建筑繁荣，对边坡加固的研究就逐渐系统深入。1 9 5 8 年，美国公路局滑坡委员会就组织编写了滑坡与工程实践( l a n d s l i d e sa n de n g i n e e r i n g p a r c t c i e ) ，随后在1 9 7 8 年又出版了滑坡分析与防治一书。1 9 7 7 年加拿大矿物与能 源中心编写了边坡工程手册( p i ts o l p em n a u a l ) 共2 7 册，从理论和实践两方面系统地 对边坡工程进行了论述。 1 9 8 6 年，在举行国际地质大会期间，成立了国际工程地质协会( i a e g ) ，同时成立 世界上第一个专门研究滑坡及其防治的国际组织一滑坡及其他块体运动委员会”，该 组织负责提交全球灾害性滑坡年度报告。l a e g 成立了全球滑坡登录工作组，对滑坡登 记的内容、名词、标准等作了专门规定，计划建立一个完整的全球数据管理系统。此外， 众多国际组织关于边坡研究学术活动和研究交流非常活跃【2 】。 随着大规模经济建设的发展，国内滑坡研究也日益广泛深入。7 0 年代铁道部成立了 “滑坡分类与分布”专题研究组，对全国铁路沿线进行普查。在第六个五年计划期间，地 质矿产部将“中国西南、西北崩滑灾害与山区斜坡稳定性研究”列为专题进行重点攻关， 第七个五年计划期间，三峡地质地震专题组对三峡库区沿岸重点滑坡进行了登记和调 查，长江水利科学研究院结合三峡水利枢纽船闸开挖高边坡及库岸边坡稳定问题开展了 岩体力学特性参数和深层地应力测试、地质模型和离心机模型实验、边坡稳定分析及现 场监测和反馈分析方法、卫星减灾预报系统等综合性研究工作，获得了一批有较高理论 水平和实验价值的成果。第八个五年计划期间，水利水电部的“岩质高边坡稳定及处理 技术”被列为国家重点攻关项目 1 7 1 。 到2 0 世纪8 0 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 学及边坡科学研究也进入了蓬勃发展的新时期。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，模拟技术开发广泛地应用于地质灾害分析，尤其 是机制分析；针对介质特点，先后出现了线弹性模拟、弹塑性模拟和考虑时间效应的粘 一弹一塑性模拟，后期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。 另一方面，学科之间的相互渗透使许多与现代科学相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 第章绪论 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，但所有这些方法，在 描述方法上仍未脱离传统的线性范畴。 2 0 世纪9 0 年代，尤其是山峡工程建设和西部开发的实施，工程建设的需求极大的 推动了岩石高边坡工程理论建设与实践的发展。这一阶段有以下3 个标志性的成就：首 先是从2 0 世纪8 0 年代开始，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， 诞生了“系统工程地质学”、“工程地质系统集成”和“互馈作用”等学术思想。其次是2 0 世 纪9 0 年代初，非线性科学被引入到边坡灾害的研究，相继建立了一些初步描述边坡行 为的动力学方程，提出了一些基于突变理论、分析理论及非线性动力学理论的预测模型。 再次是伴随长江山峡工程船闸高边坡、链子崖岩体高边坡等相继进入治理施工阶段，从 而在很大程度上推动了我国岩石高边坡的稳定性控制和监测技术的进步1 1 1 。 随着人们对岩质边坡认识的不断深入以及计算机技术的发展，岩质边坡稳定性分 析方法近年来发展很快，取得了一系列研究成果，现分别对其中主要的研究方向和成果 作简要介绍并分析各自特点和适用条件，为岩质边坡稳定性分析的工程应用和理论研究 提供参考： 1 岩质边坡的变形破坏形式及稳定性分析方法 岩体边坡变形与破坏是边坡发展过程中两个不同阶段，变形属量变阶段，而破坏则 是质变阶段，它们形成一个累进性变形破坏过程。岩体变形根据其形成机理可分为卸荷 回弹与蠕变变形等类型。坡前边坡岩体在天然应力作用下早己固结，在成坡过程中，由 于自重减少，边坡岩体在减荷方向必然产生伸长变形，即卸荷回弹；在近似不变的应力 作用下，边坡岩体的变形也将会随时间不断增加，这种变形称为蠕变变形f 2 0 1 。 对于岩体边坡的破坏类型，不同的研究者从各自的观点出发进行了不同的划分。霍 克( h o e k ，1 9 7 4 ) 把岩体边坡破坏的主要类型分为圆弧破坏、平面破坏、楔体破坏和倾覆 破坏4 类。库特( k u t t e r ，1 9 7 4 ) 贝j j 将其分为非线性破坏、平面破坏及多线性破坏3 判6 1 。 这两类分类方法虽然不同，但都把滑动面的形态特征作为主要分类依据。另外，王兰生、 张倬元等 1 8 1 ( 1 9 8 1 ) 根据岩体变形破坏的模拟试验及理论研究，结合大量的地质观测资 料，将岩体变形破坏分为蠕滑拉裂、滑移压致拉裂、弯曲拉裂、塑流拉裂、滑移拉裂5 类。 从岩体力学的观点来看，岩体边坡的破坏不外乎剪切( 即滑动破坏) 和拉断两种型式。 大量的野外调查资料及理论研究表明，除少数情况外，大部分岩体边坡的破坏均为滑动 4 长安大学硕士学位论文 破坏【19 1 。由于研究滑动破坏问题的关键在于研究滑动面的形态、性质及其受力平衡关系。 同时，滑动面的形态及其组合特征不同，决定着要采用的具体分析方法的不同。因此， 岩体边坡破坏类型的划分，应当根据滑动面的形态、性质及其受力平衡条件。同时，滑 动面的形态及其组合特征不同，决定着要采用的具体分析方法的不同。因此，岩体边坡 破坏类型的划分，应当以滑动面的形态、数目、组合特征及边坡破坏的力学机理为依据。 根据这些特征并参照霍克的分类方法，文献将岩体边坡破坏划分为平面滑动、楔形状滑 动、圆弧形滑动及倾倒破坏4 类，其中平面滑动又据滑动面的数目划分出单平面滑动、 双平面滑动与多平面滑动等。前3 类以剪切破坏为主，常表现为滑坡形式，第4 类为拉 断破坏，常以崩塌形式出现。 在工程初期资料不足、精度要求不高的情况下，对岩质边坡可采用刚性块体稳定分 析方法或s a r m a 法：实施阶段精度要求高且资料充分时，可采取较精确的有限单元法或 离散单元法；对于可能滑动边坡的稳定性分析，可采用条分法或刚体弹簧元法；对于滑 动性不大但变形要求高的边坡则采用有限元法；对于地震荷载、爆破等动荷作用下边坡 的稳定性及滑速分析，则采用有限元动力大位移分析或刚体弹簧元方法【2 2 1 。归纳起来有 以下几种： 目前岩质边坡的稳定性分析中主要采用三种研究方法： ( 1 ) 刚体极限平衡法 应用于岩质边坡的刚体极限平衡法是从早先的土力学极限平衡法中发展起来的，其 特点在于事先假定滑移面的形状，然后计算使潜滑体保持极限平衡状态所需的抗滑力， 边坡是否失稳取决于抗滑力与下滑力的相对关系。这一方法有瑞典条分法( 1 9 2 7 ) 、毕肖 普法( b i s h o p ，1 9 5 5 ) 、江布法( j a n b u ，1 9 5 4 ，1 9 7 3 ) 、斯宾塞法( s p e n c e r ，1 9 6 7 ) ，摩根斯坦 一普赖斯法( m o r g e n s t e m & p r i c e ，1 9 6 5 ) 、传递系数法、楔体分析法( 1 9 7 4 ) 、萨尔玛法( s a r m a ， 1 9 7 9 ) 等。我国的熊传治教授推导了m o h r c o u l o m b 破坏准则的安全系数表达式用优化方 法解决了平面或圆弧滑面的确定问题，陈祖煌教授等采用了单纯形法、负梯度法和d p f 法来确定滑面的最优形状。刚体极限平衡法是边坡稳定研究的传统方法，其局限性在于 不能反映岩土材料的各向异性、非线性及不均匀性，对条块间力的假定不同，采用这些 方法同一边坡进行分析，将得出不同的安全系数值。近年来，一些学者分析了塑性理论 中的m i s e s 、t r e s e a 及m o h r c o u l o m b 、d u r c k e r - p r a g e r 准则的各自优点和不足，提出了 边坡分析的各向异性准则，对这一传统方法进行了改进和发展【7 1 。 ( 2 ) 地质力学模型试验法 第一章绪论 地质模型试验方法是在2 0 世纪7 0 年代发展起来的，这种方法能模拟不连续岩体的 自然条件、岩体结构及其物理方程，目前主要有地质力学模型试验方法和离心机模型试 验方法。它根据边坡原型，按一定相似条件建立小尺度物理模型，施加相应的工程荷载 以及超载，研究边坡的破坏机理。典型边坡地质力学模型的建立对于边坡稳定性评价及 其失稳形式的分类是非常有意义的，因为边坡的地质力学模型是反映影响边坡稳定的各 种地质因素的综合体现，因而可以在工程实践中根据边坡地质模型把握边坡破坏形式， 预报边坡变形趋势和可能破坏方式。然而试验方法费用十分昂贵，一般用于大型的边坡 工程。近年来，四川大学提出了一种改进的地质模型方法一变温相似方法，即通过预埋 在边坡关键部位的电阻丝不断升温，逐渐降低岩体和结构面的参数，以此来研究边坡的 失稳演变过程，该方法可以较真实地反映边坡应力场，但在具体实验方面还存在需要改 进之处；除了传统的地质力学模型外，离心模型试验也开始广泛应用于边坡的变形破坏 研究中，这一技术的应用为深化对边坡失稳破坏机制的认识，解决复杂工程地质问题提 供了重要手段。 ( 3 ) 数值模拟方法 现代工程建设的工程地质问题己相当复杂，在对这些问题进行分析时，传统的解析 解法受到很大的制约。于是，人们在广泛吸收现代数学、力学理论的基础上，还借助于 计算机来获得满足工程要求的数值解，这就是数值模拟。在岩土工程中当前较为常用的 几种数值方法有：有限单元法( f e m ) 、离散元法( d e m ) 、非连续变形分析( d d a ) 、( f l a c ) 方法、数值流形方法、界面元法、人工神经网络分析方法及藕合方法等。在这些数值方 法中以有限单元法应用最为广泛。有限单元法的有限元分析可以处理复杂的边界条件以 及材料的非均匀性和各向异性，还可以有效地模拟材料的非线性应力应变关系，得到围 岩的整体应力场、位移场，而得出围岩的可能破坏部位，可对围岩的力学特性有全面了 解。但有限元法计算结果的可靠程度取决于计算模型和计算参数，实际应用中应抓住岩 体计算模型这一关键，以使计算结果能比较接近客观实际。岩体的力学参数必须源于客 观实际，应重视现场实测，把地质勘探、岩体力学、数值计算等紧密结合起来，综合分 析，选定能代表实际情况的参数进行计算，或者将岩体力学参数进行敏感性分析或建立 能反映开挖卸荷特点的新理论来进行分析1 4 】。 2 边坡稳定性的评价方法 边坡稳定性和安全性是工程上最关心的问题，因此对一个边坡迸行稳定性评价就 成为了边坡研究的基本任务。边坡稳定性分析是不确定性问题，具有随机性、模糊性， 6 长安大学硕士学位论文 传统方法为定值方法，没有考虑实际存在的不确定性，所给的安全系数并不能反应分析 对象真实的安全度和可靠度，对于这类具有模糊性的事件可以采用统计分析等方法。 ( 1 ) 工程类比法是定性分析方法的代表，已经在工程实际中得到了广泛应用，而 且在许多规范中也有着具体体现。该方法的实质就是利用己有的自然边坡或人工边坡的 稳定性状况及影响因素等方面的经验，并把这些经验应用到类似边坡的稳定性评价中。 它需要对已有的边坡和目前的研究对象进行比较深入的调查与分析。通过这些分析，类 比和判断研究对象的稳定性状况、发展趋势、加固处理设计等。目前工程中对边坡稳定 性的评判方法，主要以这类方法为主。在工程实践中，既可以进行自然边坡间的类比， 也可以进行人工边坡之间的类比，还可以在自然边坡和人工边坡之间进行类比。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。类比的方法因人而异，带有一 定的主观性。 ( 2 ) 统计分析法 1 ) 可靠性方法 边坡稳定可靠性分析方法始于2 0 世纪7 0 年代后期。许多学者边坡可靠性研究做 出卓有成效的贡献。伍( w u ) 和克拉夫特( k r a f t ) 、马特索( m a s t u o ) 库罗达( k u r o d a ) 、莫拉一 卡塔兰( m o r l a c a t a l a n ) 等对土质边坡作过典型研究；麦克马洪( m c m a h o n ) 、皮特廷( p i t e a n ) 等论述了概率方法在岩质边坡中的应用；恩格因( n g u y e n ) 等对山排土场进行可靠性分 析：乔伍德赫里对累进破坏的概率分析方作了有益的探索；坎布( c a m b o u ) 、科内尔等人 根据线性一次逼近论，采用随机有限元法进行可靠性分析【1 9 】。国内边坡稳定可靠性究起 步较晚，近年来，学者们将可靠性分析方法应用于边坡稳定分析，取得了显著成果。这 些成果的基本思想是假设边坡受控于多种因素，基于极限平衡理论的状态函数为合理的 条件下，进行最可靠度指标( 最大失效概率) 的确定，其中可靠度指标是针对边临界滑面 而言。目前可靠性方法基本上局限于具有潜在危险滑动的边坡的研究。对于边坡系统诸 多潜在滑面和整体破坏概率来说系统的可靠度要比临界滑面的可靠度大。加之状态函数 为确定性型，以此为基础的可靠性分析难免存在指标弱化和模型误差问题对于不存在潜 在滑面的边坡如节理岩体边坡、峡谷高陡岸边坡等可靠性分析方法涉及甚少。 2 ) 模糊综合评判方法 模糊综合评价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，进而进行等级或类别评价。边坡稳定性分析具有模糊性已经成为人们的 共识。边坡岩体的性质及稳定性的界限实际上是不清晰的，影响边坡稳定性的因素多而 7 第一章绪论 复杂，它们的性质和指标是不完整的，各种因素的影响程度亦很难用确定性的量给出， 同时，边坡稳定性分析与评价中还包含有许多人为的主观因素1 6 】。为了处理边坡稳定性 分析中的模糊性，许多研究者努力地将模糊数学理论运用于边坡稳定性分析与评价中， 用隶属函数代替确定论中非此即彼的特征函数来描述具有模糊性的影响因素，用模糊变 换原理实现多因素、多层次的边坡稳定性分析与评价。 利用模糊分级评判方法可以为多变量、多因素影响的边坡稳分析提供坝中行之有 效的手段。利用模糊数学方法进行边坡稳定分析时，最主要的两个步骤是边坡稳定性影 响因素及其隶属度理确定和模糊关系运算的合理选择。此法相关因素及各因素界值的确 定以及属性权重的确定比较困难。在确定相关因素时，不同的研究人员确定的相关因素 有一些差别。并且各因素的边界值确定也没有统一的标准。而对于属性权重的确定更多 的还是于专家评价法，带有很大的主观性。 3 ) 灰色系统评价方法 灰色系统是指相对于一定的认识层次，系统内部的信息部分己知、部分未知，即 信息不全。在进行边坡稳定性评价的过程中，用于边坡稳定性评价的参数，其实测值或 者统计值均存在着主观和客观的不确定性，各指标值所反映的岩土性质，只有部分是清 楚的，而另一部分是非确知的，它们都是一些灰数【4 4 1 。而灰色系统理论是研究信息不完 全系统的有效方法。它不必知道因素与因素间的全部关系，可以在不完全的信息中，对 所要分析研究的各因素，通过一定的数据处理，在随机的因素序列间，找出它们的关联 性，发现主要矛盾，找到主要特性和主要影响因素。因此，可以用灰色系统理论的手段 和方法对象边坡稳定性这种数据有限、没有原型、复杂而且具有不确定性等这些方面的 问题进行分析和评价。该类方法有灰色聚类法、灰色关联度分析法等。这些分析方法在 知识的处理及问题的解决上直观、简单、可操作性强，具有实用价值。但同其它方法一 样，该法也存在其局限性。比如在聚类分析中，灰元的白化，即功效函数的确定都带有 人为的经验性质【4 5 1 。 4 ) 神经网络方法 人工神经网络理论是8 0 年代后期在世界范围内迅速发展起来的一门解决非线性问 题的科学。人工神经网络是由大量的神经元广泛相互联结而成的复杂系统，它基于现代 科学研究成果，能反映人脑思维的一些基本特性。网络的信息处理由神经元之间的相互 作用实现，知识与信息的存储表现为网络元件互连间分布的物理关系，网络的学习与识 别决定于各神经元连接权系数的动态演化过程。神网络以其连续时间、非线性、网络的 8 长安大学硕士学位论文 全局作用、大规模并行分布理及高度的鲁棒性和学习联想能力，在解决岩体工程中的非 线性系、参数识别、预测等方面表现出巨大的潜力。因而近年来受到关研究人员的广泛 关注，成为研究热点之一。 神经网络有较强的非线性动态处理能力。无需知道数据的分布式和变量之间的关 系，可实现高度非线性映射。神经网络具有较的学习、存储和计算能力及容错特性，适 用于从实例样本中提取征、获取知识，并可使用残缺不全的或模糊随机的信息进行不确 性推理。 冯夏庭等应用神经网络理论，提出了圆弧破坏和楔体破坏的边安全系数估计的一种 推广学习算法。用该法对从文献中以及国内多个露天矿边坡中收集到的8 2 个危险圆弧 破坏的边坡实例( 其中坏实例4 4 个，稳定实例3 8 个) 和1 4 个危险楔体破坏的边坡实例( 坏 8 个，稳定6 个) 进行学习，然后进行推广，预测出新边坡的安全系数。在计算圆弧破坏 的边坡安全系数时，以岩石容重、内聚力、内摩擦角、边坡角、边坡高度、孔隙压力比 等影响边坡稳定性的种因素作为网络的输入节点表达【3 3 1 。安全系数及边坡稳定状态稳定 破坏用网络的输出节点表达。以8 2 个实例中的7 1 个力学习样本，其余1 1 个未学习的 边坡为推广预测样本，用自适应方法确定的网结构。在计算楔体破坏的边坡安全系数时， 以岩石容重，两个结面的内聚力和内摩擦角、边坡角、边坡高度、楔体交线倾角等用络 输入节点表达。同样以安全系数及边坡稳定状态稳定或破坏，用网络的输出节点表达。 以1 4 个实例中的1 2 个为学习样本，其余2 个未学习的边坡为推广预测样本，用自适应 方法确定的网络结构。结果表明，边坡状态的预测准确定率为1 0 0 ，安全系数的预测 有9 0 的相对误差在7 以下。但因实例收集上的困难，未对平面滑动、溃屈破坏、崩 塌破坏等的边坡进行实例学习和神经网络推广预测，这显然是一种缺陷。 神经网络与其他方法相结合在边坡稳定性评价方面的应用也越来越多。射全敏、夏 元友、朱瑞赓针对岩体边坡稳定性与影响因素之间的非线性关系，提出了基于神经网络 的岩体边坡稳定性灰色聚类空间预测法。以岩石质量指标、岩体完整性r q d 、软化系 数、风化系数、滑面倾角。及岩层倾角作为岩体边坡稳定性影响因子，并结合某水电站 厂房边坡稳定性进行仿真分析。李思平，孙连英采用非线性理论和方法来研究边坡的变 形破坏机理，并建立稳定性评价模型。以分叉和突变理论引出突变级数来表征边坡的状 态，并用神经网络从中获取稳定性评价和判断的知识，进而构建系统，以从文献及国内 外各类矿山及岩土工程中潜在或滑动破坏模式为圆弧形滑落的稳定边坡和失稳破坏边 坡中收集到的2 0 个边坡为工程实例，模型输入为重度、粘聚力、摩擦角、边坡角、边 9 第一章绪论 坡高度；输出分别对应边坡状态和安全系统或突变级数估计值，对边坡稳定状态做出分 析评价。该方法真实地描绘了边坡系统的状态，改善了神经网络输入信息，使得神经网 络计算易于收敛4 2 1 。贺怀建，白世伟，陈健采用框架规则神经网络数学模型的综合知识 表达方法，再通过相应的转换，变成推理规则，以尾矿坝边坡可能的稳定模式为例，考 虑了岩石坚硬程度、结构面的结合状态和发育程度、坝床软弱结构面特征、坝肩断层破 碎带状态以及渗流等因素，对德兴铜矿二号尾坝的稳定性进行了推理和评价。该法过多 依赖专家知识，并且各因素权直的确定由人为给出，主观性强，方法推广性较小。神经 网络不是大脑的逼真描述，仅是对神经系统的数学抽象和粗略的逼近与模仿，它的推理 过程在黑箱中进行推理过程不透明，某些影响因素采用人为赋值进行计算缺乏说服力， 有时还会出现网络训练时间长或不收敛等情况，因此，神经网络方法在边坡稳定性分析 中有一定的局限性。 5 ) 范例推理的方法 范例推理的思想就是将过去范例边坡源范例与当前所面临的问题边坡目标范例相 联系，利用类比推理进行边坡稳定性的正确评价。在边坡稳定性评价中，针对边坡稳定 性评价信息的不完整性和不确定性，建立了基于范例推理的边坡稳定性评价模型。在计 算权重时，并根据变权的概念，提出属性权重的计算方法，以反映属性对环境的敏感性。 基于模糊相似优先的边坡稳定性评价范例推理方法。运用模糊相似优先的概念，构造了 基于模糊相似优先的边坡范例检索模型。对每一个影响边坡稳定性的影响因素，分别建 立了边坡的目标范例与源范例之间的模糊相似优先关系。经过影响因素之间的两两比 较，获取了不同影响因素下边坡的目标范例与源范例之间的相似性序列，在确定影响因 素各自的权重分配之后。计算得到边坡的目标范例与源范例之间的综合相似性序列，从 而最终找出与边坡的目标范例最相似的边坡的源范例。由最相似的边坡源范例的稳定 状况，对目标范例的稳定性状况做出评价【4 4 1 。 3 边坡数值计算法 安全系数、应力、变形的分析是边坡稳定性评价的主要方式。目前国内外进行边坡 稳定性评价的主要方法有： 1 ) 刚体极限平衡法 刚体极限平衡法是半经验性的计算方法，因其有长期的工程实际经验，采用的抗剪 强度指标和安全系数相配套，所以目前国内外工程界仍主要沿用该方法作为判断边坡岩 体稳定性的主要手段。但这种方法比较粗略，需要进一步发展完善。极限平衡法极限平 1 0 长安大学硕十学位论文 衡法是土坡稳定分析中最早采用的方法，主要方法有f e l l e n i u s 法、b i s h o p 法、j a n b u 法、 s a r m a 法、楔体极限平衡分析等。其中s a r m a 法既可用于滑面呈圆弧形的滑体，又可用 于滑面呈一般折线形滑面的滑体极限平衡分析。楔体极限平衡分析则主要用于岩质边坡 中由不连续面切割的各种形状楔形体的极限平衡分析。极限平衡法评价边坡稳定性时， 可计算出边坡的安全系数，它必须假定边坡存在危险滑动面。它将实际工程中的三维问 题简化为二维问题来处理，大大简化了计算。极限平衡法作为岩土工程中的经典方法， 经历了数十年的研究与应用，目前仍是边坡稳定性分析中最常用的方法，这些方法多数 已经程序化了。极限平衡法将滑面上下物质视为不可变形的刚体，没有考虑材料应力一 应变关系，所得安全系数只是假定滑裂面上的平均安全系数。求出的条问力和滑条底部 反力也不是产生滑移变形时真实存在的。1 9 5 2 年，杜拉克( d r u c k e r ) 和普拉格( p r a g e r ) 提 出塑性极限分析法，考虑了材料应力一应变关系，以极限状态时自重和外荷载所作的功 等于滑裂面上阻力所消耗的功为条件，结合塑性极限分析的上下限定理，求得边坡极限 荷载与安全系数。但极限分析法很难考虑复杂荷载及环境条件的变化，在力学上作了一 些简化假没，其适用范围受到一定的限制，尽管如此，该方法抓住了问题的主要方法， 且简易直观，并有多年的实用经验，若使用得当，将得到比较满意的结果。通常在简单 的岩土质边坡的稳定性分析中采用极限平衡法【4 2 1 。 2 ) 刚体弹簧元法 刚体弹簧元法能处理岩体错动、断裂失稳时所反映出的非连续介质的特点。利用刚 体弹簧元可直接求出交界面面力的特点，在边坡分析中，克服了传统位移型有限元法单 元间的应力跳跃缺陷和位移有限元法难以直接求出抗滑安全系数的缺点，从而使得最危 险滑动面的搜索成为可能】。 3 ) 有限元法 近十年以来，有限元法已广泛应用于边坡的稳定性分析之中，积累了大量经验，由 于有限元法是建立在连续介质力学的基础上，所以能直接求得单元应力张量的全部分 量，可直接求得研究范围内边坡岩体的应力场和位移场，通过计算所得的应力场，与刚 体极限平衡法结合，可以计算边坡关键部位的点安全系数或块安全系数，真实反映了环 境因素作用效应和加固处理措施的工程效果等。该方法在边坡岩土体的稳定性分析中得 到最早1 9 6 7 应用，也是目前最广泛使用的一种数值分析方法。目前已经开发了多个二 维及三维有限元分析程序，可以用来求解弹性、弹塑性、粘弹塑性、粘塑性等问题。有 限元的优点是部分地考虑了边坡岩体的非均质和不连续性，可以算出边坡内的应力场和 第一立绪论 位移场分布，避免了极限平衡分析法中将滑体视为刚体而过于简化的缺点。如果进行逐 步非线性分析，还可了解土坡的逐步破坏机理，跟踪土坡内塑性区的开展情况，分析最 先、最容易发生屈服破坏的部位和需要首先进行加固的部位等。但有限元分析不能直接 与稳定建立关系，需要定义合适的安全系数，使之计算时能方便利用有限元分析结果。 d o n a l d 和g i a m ( 1 9 8 8 ) 提出了一种简化方法，使用从有限元方法得到的结点位移来确定 安全系数，这种方法计算量很大。除稳定性分析以外，边坡的位移实际上成为另一种极 限状态【4 7 1 。 4 ) 离散单元法 在研究岩体边坡位移特征及破坏模式时，通常采用离散单元法。离散单元法( d e m ) 是美国c u n d a l l p a 于1 9 7 1 年提出的，最初是从研究具有裂隙节理的岩体开始的，它把 岩体视为被节理切割而成的若干个块体的组合体。基于岩体的变形主要依赖于软弱结构 面( 如裂隙、节理及层面等) 的客观事实提出了岩块为刚性的假定，以刚性元及其周界的 几何、运动和本构方程为基础，采用动态松驰迭代格式，建立了求解节理岩块非连续介 质大变形的差分布程。离散单元法可以与边界单元法或有限单元法祸合应用，解决远场 岩体为连续介质，近场为不连续介质的问题，大大拓宽了应用范围；离散单元法还用于 研究散体动力学和边坡的动力稳定性。此外，任何一种岩体材料都可以引入到模型中， 如弹性、粘弹性、弹塑性等均可考虑。离散元方法突出的功能是它能反映岩块之间接触 面的滑移、分离和倾翻等。该法对块状结构、层状破裂或一般破裂结构岩体边坡比较 合适，但它不能求解岩体内部应力应变，因为不连续面的刚度系数无法准确获得，其计