杭徽高速高边坡稳定性分析文献综述

杭徽高速高边坡稳定性分析文献综述 前言: 近年来,我国公路尤其是高等级公路建设发展迅速,但由于我国高等级公路建设起步较晚,缺少经验,技术水平较低,由此引发了一系列的环境治理技术问题,路 基边坡失稳问题则是其中急需解决的主要问题之一。公路路基边坡稳定与否,不仅直接影响公路能否正常使用,而且还会影响国家的经济和社会发展。如何提高公路边坡稳定性,防止边坡失稳是当前高等级公路建设中一项重要研究课题。 边坡稳定性是指边坡岩、土体在一定坡高和坡角条件下的稳定程度。按照成因,边坡分为天然斜坡和人工边坡两类,后者又分为开挖边坡和堤坝边坡等。按照物质组成,边坡分为岩体边坡、土体边坡,以及岩、土体复合边坡3种。按照稳定程度,分为稳定边坡、不稳定边坡,以及极限平衡状态边坡。 边坡稳定性的影响因素①地质构造。②岩体结构。③风化作用。④地下水。 ⑤边坡形态。⑥其他作用。 边坡破坏的类型很多,常见的是崩塌和滑坡。陡坡前缘部分岩、土体突然与母体分离,翻滚跳动崩坠崖底或塌落而下的过程和现象,称为崩塌。边坡部分岩、土体沿着先前存在的地质界面,或新形成的剪切破坏面向下滑动的过程和现象, 称为滑坡。在边坡破坏中,滑破是最常见,危害最严重的一类。 所有的边坡失稳,均涉及到边坡岩、土体在剪切应力作用下的破坏。因此,影响剪切应力和岩、土体抗剪强度的因素,都影响边坡的稳定性。 研究边坡稳定性的有很多种,在了解杭徽高速边坡的地质状况,边坡形态等之后,选择一个最合适的方法来对其稳定性研究是最需要考虑的问题。所以了解过去,分析研究动态,展望未来,找到合适的方法,提出可靠的措施手段,具有十分重要的意义。 本文的以下内容也是对稳定性分析的方法展开,分析了各种不同时期的研究方法。 正文: 1 边坡稳定性分析方法回顾与现状 1. 1 定性分析方法 定性分析方法主要是通过地质勘察,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的一个稳定性状况及其可能发展趋势的定性说明和解释。常用方法主要有:自然历史分析法、工程地质类比法、边坡稳定性分析数据库、专家系统及图解法等。图解法又可以分为诺模图法和投影图法, 诺模图法实际上是数理分析方法的一种简化方法, 如Taylor 图解等, 它目前主要用于土质或全强风化的具弧形破坏面的边坡稳定性分析; 投影图法包括赤平极射投影 图法、实体比例投影图法、J. J.Markland 投影图法等, 目前主要用于岩质边坡岩体的稳定性分析。 1. 2 定量分析方法 1. 2. 1 极限平衡法 极限平衡法是目前边坡稳定性分析中最常用的方法。目前适用于可滑动边坡 的稳定性分析已有多种极限平衡分析方法。如Fellenius 法、Bishop 法、Janbu 法、Mo rgenstern Prince 法、S pencer 法、Sarma 法、王复来法、陈祖煜法等。工程上惯用的是费伦纽斯(W. Fellenius) (1927 年) 的简化条分法,即瑞典圆弧法,假定滑动面为圆弧,该方法在没有计算机的年代能大大简化计算,是一种实用的方法。Bishop (1950 年) 对传统的Fel2lenius 法作了重要改进,提出了安全系数的定义,通过力矩平衡来确定安全系数。在国内传递系数法也是一种常用的方法,其安全系数与Bishop 法比较接近,但当遇到软弱夹层时安全系数偏大。随着计算机技术的发展, 人们已经将这些方法程序化了, 特别是对最危险滑动面的搜索, 不少专家学者提出了一系列的自动寻找、计算最危险滑弧及圆心位置的分析方法及计算机软件, 使复杂的计算问题变得简单、快速。 1. 2. 2 极限分析法 塑性极限分析法考虑岩土体应力—应变关系,用塑性力学上限、下限定理分析边坡稳定问题,就是从下限和上限两个方向逼近真实解。这一求解方法最大的好处是回避了在工程中最不易弄清的本构关系达式,因而具有物理概念清晰、应用简单且在很多情况下可给出问题的严密解等优点。陈祖煜在这方面做了大量研究[2-4 ] ,严格地推导了二维边坡稳定分析的上限解和下限解,通过虚功原理求解使 得Sarma 法求解变得十分简单,大大提高了计算效率。 1. 2. 3 数值分析法 数值分析法是考虑到岩土体为非均质、不连续、大变形等特点而出现的方法。 有限元法是数值分析法中的典型代表,有限元法全面满足了静力许可、应变相容和应力—应变之间的本构关系,与极限平衡法相比具有以下优点:破坏面的形状或位置不需要事先假定;不必要引入假定条件,保持了严密的理论体系;有限元 解提供了应力—变形的全部信息[5 ] 。有限元法还可以进一步考虑层状介质边坡体的流变效应、渗流效应、孔隙水压力与土体颗粒之间的相互作用、滑动面上的压、剪应力随时间的增减变化过程、塑性屈服过程、加工硬化与膨胀软化过程等力学性态, 但对于大变形求解、岩体中不连续面、无限域和应力集中等问题的求解还不理想。有限元法是一种比较理想的分析边坡应力、变形和稳定性态的手段。在有限元法后又发展了边界元法、FLAC 法、离散元法、块体理论(BT) 和不连续变形分析(DDA) 等数值分析法。数值分析需要解决的问题是岩土体本构关系和输入数据的精度。 离散单元法[ 2] 是将所研究的区域划分成一个个分离的多边形块体单元。离散单元法模型是1970 年由Cundall 首次提出, 其二维和三维可变形离散单元法 很快于1980 年和1988 年问世, 并迅速在数值模拟理论和工程应用方面取得显 著进展。在我国, 离散单元法的研究和应用始于20 世纪80 年代中期, 王泳嘉首次在我国应用这一方法于节理岩体的数值分析中, 研究了放矿的数值模拟与自 然崩落机制。魏群研究了椭圆颗粒的离散单元法, 并进行了模拟实验验证。随后,陈昌伟、张楚汉提出了利用离散元分析岩质边坡的失稳判别标准与定义安全系数。王光纶、彭冈则用刚块试验验证了刚体离散元的滑移机理。张军、张楚汉等完成了三维离散元的剖分系数。金锋、崔玉柱、张楚汉则利用二维和三维可变形离散元对三峡船闸高边坡的稳定性进行分析。目前,利用这一数值方法研究岩石工程与岩石力学问题已越来越多。 块体系统连续变形分析方法[ 3] 。块体系统不连续变形分析( discontinous deformat ionanalysis, DDA) 是基于岩体介质非连续性发展起来的一种崭新的数 值分析方法。DDA 方法于1985 年由石根华和Goo dman创立, 20 世纪90 年代进 入我国, 同济大学孙钧教授领导的研究小组已开发了相应的计算程序, 同时将非连续变形分析推广到岩石力学与工程方面, 并将非连续变形分析与AutoCAD 动态技术结合, 使块体系统非连续变形分析法的计算实施过程形象、直观, 完成了块体系统的变形和破坏全过程的模型。其二维和三维分析程序已在三峡工程高边坡岩体的变形与稳定研究中得到了成功的应用。当然, DDA 方法在岩体参数的选取、计算时步的大小、边坡渗流及解决大变形问题等方面有一定的局限性, 但它作为一种新型的岩土数值计算方法, 有着广阔的应用前景。 1. 3 不确定分析法 近年来,随着科学技术的进步和滑坡、边坡理论研究的深入,人们已普遍认识到传统的边坡稳定性分析中还存在许多不确定性因素。因此,国内外许多学者探索如何在评价边坡稳定时将这些不确定性因素考虑进去,这几年发展起来的主要方法有边坡稳定可靠性分析方法、随机过程方法、概率分析法[6-8 ] 、人工神经网络分析法[9 ,10 ] 、模糊综合评判法和灰色系统理论分析法等。 边坡稳定可靠性分析方法。20 世纪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。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。 随机过程方法。随机过程方法包含时间序列分析法, 它是一种纯数学的理论模型与方法。 模糊数学法。从国内外报道文献看, 模糊数学法用于边坡稳定分析主要体现在两个方 面。其一, 采用模糊极值理论进行边坡稳定分析;其二, 用隶属度概念对边坡岩体稳定质量进行分级评判。近年来, 模糊数学在工程中的应用取得了较丰富的成果, 研究方法日趋成熟。 灰色系统预测滑坡失稳分析方法。主要采用灰色预测和灰色类聚分析方法, 对边坡稳定 进行合理的评价。 2边坡稳定分析研究发展趋势展望 1) 定性分析包含很强的主观因素,不能非常客观的反映边坡的时效变形和边坡变形的累进过程;定量分析方法,为了建立某个模型或使某问题可解而人为的进行强行简化,而且将土强度参数及外界因素都取一个定值,采用安全系数或类似安全系数标准来衡量土坡稳定性,也有其局限性;非确定性分析法归根结底还是建立在大量的、详细的野外调查的基础上,即其本质是定性分析加现代计算方法而已。因此,继续完善和发展现有理论和方法,扬长避短是必要和迫切的。2) 由于边坡问题的复杂性,其失稳机理至今未形成统一的、普遍适用的学说,导致边坡稳定性分 析等相关研究也呈现相同的特点,但各种边坡失稳情况之间必然存在着共同的规律,从长远的发展来看建立具有普遍意义的边坡失稳机理和稳定性评价方法是必然趋势。3) 目前,边坡稳定性分析方法中对外因的考虑不充分,虽然也有一些学者作了一些工作,但一般只限于降水、地下水、地震等常见情况,且是单独考虑, 而事实上边坡的稳定性受到众多因素的共同影响,因此建立多因素的综合评价方法是必要的。4) 边坡稳定性评价只是静态评价,反映边坡某一时刻的稳定状态, 有必要建立全过程评价方法,反映边坡各个时段的稳定状态,可用稳定系数曲线来 表示,这也是对边坡时间预测预报的有力补充。5) 边坡稳定性评价与力学、计 算机、数学等相结合加快了边坡稳定性分析的发展,但并未形成自己的理论体系,因此,如何建立符合边坡稳定分析的理论体系或组合理论体系,是需要解决的又一难题。6) 重视人类活动动态,加强人类活动与边坡稳定的相互作用研究。 4 结语 1) 边坡稳定性分析方法可归纳为定性分析方法、定量分析方法和不确定分析法三大类,其中又包含不同层次的小类,三类方法各有优劣,可相互补充,扬长避短。2) 现阶段,边坡稳定性分析方法研究主要集中在与计算机技术、岩土力学、数学模型结合上,也产生和发展了一些新方法,其中三维稳定性分析是研究热点之一,以 有限元法为代表的数值分析法以及各种不确定性分析方法发展迅速,而传统的极限平衡法主要以改进为主。3) 根据分析认为边坡稳定性分析研究在以后需要解决以下主要问题:继续完善和发展现有理论和方法,扬长避短;建立具有普遍意义的边坡失稳机理和稳定性评价方法;统一评价标准,增加各方法之间的对比性;建 立多因素的综合评价方法;建立反映边坡各个时段稳定状态的全过程评价方法;建立符合边坡稳定分析的理论体系或组合理论体系;重视人类活动动态,加强人类活动与边坡稳定的相互作用研究。