（岩土工程专业论文）顺层岩石高边坡的稳定性研究.pdf

摘要 目前在顺层边坡稳定性方面的研究存在两个方面的缺陷：其一，对边坡与其 赋存地质环境的相互关系研究较少；其：，对人t 边坡在开挖过程中的变形j 渐 进破坏过程研究较少。冈此，深入进行边坡变形破坏机理的研究能为边坡稳定 性分析和治理提供准确的地质力学模型和重要依据。 物理模拟研究方法应用于斜坡岩体的稳定性分析具有具有直观性与全场逐 点给出结论的优点。本文以沪蓉西高速公路钟家湾深某路堑边坡为研究对象，通 过9 组模型试验，分别研究了岩层层面强度、岩体节理裂隙密度、岩层倾角对边 坡稳定性的影响。通过对试验现象和数据的分析，发现这类边坡的主要变形方式 均为滑动变形，破坏模式为滑移一拉裂破坏，滑动过程为分级滑动，越往后拉裂 而倾角越小。边坡的变形破坏首先发生在临空面靠近地表部位。裂隙密度越小， 边坡越稳定；层面强度越大，边坡越稳定：节理裂隙中的水是造成岩体滑动的主 要原因；当岩层倾角大于4 5 0 时，岩体开挖极易引起顺层滑动。 本文通过总结各组试验结果的基础上，进一步分析岩体变形和破坏的基本规 律。顺层边坡的破坏可以按照平面滑移面计算确定发生变形的判据，库仑方程是 这种破坏适宜的破坏判据。 关键词：顺层岩石边坡，物理模型试验，变形破坏机制 a b s t r a c t l uz e n g m u ( g e o t e c h n i c a le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f c h e nc o n g x i n a tp r e s e n t t h e r ea r et w ol i m i t a t i o n si nr e s e a r c ho i ls t a b i l i t yo fc o n s e q u e n t r o c ks l o p e o n ei st h ei n t e r r e l a t i o no f s l o p ea n di t s e x i s t e n t g e o l o g i c a l c o n d i t i o n ，t h eo t h e ri st h ep r o c e s so fd e f o r m a t i o na n du n d e r m i n ed u r i n ga r t i f i c i a l s l o p eb e i n ge x c a v a t e d - t h e r e f o r e ，a ni n - d e p t hs t u d yo ns t a b i l i t yo fc o n s e q u e n t r o c ks l o p ei sv e r yi m p o r t a n t ，a n di tc a np r o v i d ee x a c t g e o l o g i c a lm e c h a n i c a l m o d e la n ds i g n i f i c a n tg i s tf o rs t a b i l i t ya n a l y s i sa n dp r e v e n t i o no fc o n s e q u e n t r o c ks l o p e i ft h em e t h o do fp h y s i c a ls i m u l a t i o ni su s ef o rs t u d yo n s t a b i l i t yo f c o n s e q u e n tr o c ks l o p e , w ee u ui n t u i t i o n i s t i c l l ye d u c ec o n c l u s i o no fp o i n t - b y - p o i n t i nf u l l 。c o u r t ac e r t a i ns l o p ei nz h o n g j i a w a n s e g m e n to fh u r o n g x ie x p r e s s w a yi s r e s e a r c h i n go b j e c t ，a n db yw a yo fe x p e r i m e n t a t i o no f9s l o p em o d e l s ，w er e s e a r c h t h er e l a t i v i t yb e t w e e nt h es t a b i l i t yo fc o n s e q u e n tr o c ks l o p ea n di n t e n s i t yo fr o c k l a y e r d e n s i t yo fc r a n n y , o b l i q u i t yo fr o c kl a y e r a f t e ra n a l y z i n gt h ep h e n o m e n a a n dd a t ao ft h ee x p e r i m e n t a t i o n ，i ti sf o u n d ：t h em a i nm o d eo fd e f o r m a t i o ni s s l i p p a g e t h em o d eo fb r e a k a g ei ss l i d i n ga n df r a c t u r i n t h ep r o c e s so fs l i p p a g ei s g r a d e d t h ep o s i t i o no fc o a s ti sm o r eh i n d e b t h eo b l i q u i t yo fr i pf a c ei ss m a l l e r t h ed e f o r m a t i o na n db r e a k a g eo fb e d d i n gs l o p ef i r s t l ya r i s e sa tt h ed i gf a c en e a r t h ee a r t h ss u r f a c e t h ed e n s i t yi ss m a l l e r , t h eb e d d i n gs l o p ei sm o r es t e a d y t h e i n t e n s i t yo fr o c kl a y e ri sb i g g e r , t h eb e d d i n gs l o p ei sm o r es t e a d y t h ew a t e ri n r o c kc r a n n yc a nl e a dt ol a n ds l i d e i ft h eo b l i q u i t yo fr o c kl a y e ri sm o r et h a n 4 5 t h eb e d d i n gs l o p ei sv e r ye a s yt os l i p p a g ew h e ni ti se x c a v a t e d a f t e rs u m m i n gu pt h eo u t c o m eo fe a c he x p e r i m e n t a t i o n ，t h er u l eo f d e f o r m a t i o na n db r e a k a g ei sm o r ea n a l y z e d t h eb r e a k a g eo fb e d d i n gs l o p ec a n b ec a l c u l a t e da sp l a n es l i p p a g e ，a n dt h ec o u l o m bf o r m u l ai sf i tf o ri t k e yw o r d s ：c o n s e q u e n t r o c ks l o p e ，e x p e r i m e n t a t i o no fp h y s i c a lm o d e l ， m e c h a n i s mo fd e f o r m a t i o na n db r e a k a g e 独创性声明 本人声明，呈交的论文是本人在导师指导f 进行的研究工作及骂) ( 得的研究成果。尽我所知，除了文巾特别加以标注和致谢的地方外， 论义中不包含其他人已经发表和撰写过的研究成果，也不包含为软得 中国科学院武汉岩上力学研究所或其他教育机构的学位或证书而使用 过的材料。与我一起工作过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小了谢意。 作着甓名：挚璃久 h 强；2 ，。多，年6 艮l 乡日 关于论文使用授权的声明 本人完全了解武汉岩土力学研究所关于保留、使用学位论文的规 定，目p 该所有权保留、送交论文的复印件、允许论文被查阅和借阅； 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。 作者签名： 手蝮久 导师签名： 江u 日期：zo o 乡年z 月s d - h 曰期：衍年( 月i r 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题研究的意义和必要性 随着西部大开发战略的实施，山区高速公路越来越多。在山区修建高速公路， 将出现许多高填方路堤边坡和高切方路堑边坡，公路所经过的地区山高坡陡，沟 谷纵横，地形地质条件极其复杂。作为三大自然灾害( 地震、洪水和崩塌滑坡泥 石流) 之一的滑坡灾害严重得危及到国家财产和人民生命的安全u 】。岩土工工程 的主要研究对象是地基、边坡和围岩三大类【2 】，与地基工程和硐室工程相比，边 坡工程是一个开放的复杂系统，它既有有限变形阿题，又有无艰变形问题，既有 瞬时变形问题，又有长期变形问题。人工边坡是人类工程活动造成的斜坡，边坡 的失稳就是人为因素造成的天然斜坡的失稳，也就是工程活动造成的滑坡。在斜 坡上开挖或填筑路基，都是对天然斜坡平衡条件的破坏作用。岩体中大都包含有 结构面。无论是自然边坡或人工边坡，均与层阅挤压带的分布和结构面的组合关 系有关。岩体中的结构面是降低岩体的强度和产生大变形的主要因素，尤其是缓 倾角的结构面和软弱夹层对岩体的稳定性起绝对控制作用跚。结构面按其特点可 分为断层、层面、节理及裂隙等，对于天然的或人工开挖形成的边坡，其变形特 点和结构面的方位有很大关系。 层状岩体是指分布有一组优势原生结构面酶沉积岩、喷出岩以及副变质岩， 它们在自然界中的分布十分广泛【4 l 。顺层坡或顺向坡是指坡面走商和倾向与岩层 走向和倾向一致或接近一致的层状结构岩体斜坡韵统称，包括自然顺层斜坡和人 工开挖顺层边坡，如顺层岸坡和顺层路堑边坡等。层状缓倾顺层岩石边坡系指由 坚硬层状岩石组成的边坡，岩层的倾向与边坡倾向一致，但倾角小于边坡坡角， 坡面切断了岩层层面。由于坡面切断了岩层层面，坡脚以上岩层有向临空面活动 的空间，因此当层面间抗剪强度较低时，可以沿层面向沟谷产生滑动。影响边坡 稳定的主要因素是岩层的倾角大小、层面的抗剪强度及边坡岩体被节理裂隙切割 状况。层状陡倾顺层岩石边坡系指岩层定向与边坡定囱基本一致，但岩层倾角大 于边坡坡角的岩石边坡，由于坡面末格岩层层面切断，因此，没有沿岩层层面向 下滑动的余地，一般情况下边坡是稳定的。 由于边坡失稳的地质过程、形成条件、诱发因素的复杂性、多样性及其变化 j 峨层岩石高边坡的稳定性研究 的随机性、非稳定性，从而导致其动态信息难以捕捉，加之边坡动态监测技术的 不成熟和失稳时间预报理论的不完善，边坡稳定性问题一直是公认的尖端课题。 影响边坡稳定性的主要因素有【1 】：( 1 ) 边坡材料力学特性。由弹性模量、泊松比、 摩擦角、粘结力、容重、抗剪强度等参数反映；( 2 ) 边坡几何尺寸。边坡几何尺 寸包括边坡高度、坡面角和边坡边界尺寸以及坡面后方坡体的几何形状，即坡体 的不连续面与开挖面的坡度及方向之间的几何关系，它将确定坡体的各个部分是 否滑动或塌落：( 3 ) 边坡外部荷载。包括地震力、重力场、渗流场、地质构造地 应力场等。在边坡设计和稳定性评价时，一般依据各向同性介质理论，采用极限 应力法确定近似圆弧滑面，作为边坡稳定性计算和设计参数选择的依据。然而大 量的滑坡实例分析和实验结果表明，对于包含强度明显弱于岩石强度的软弱层面 的顺层边坡，发生圆弧滑动的概率是极小的，实际滑坡多为受结构控制的结构体 滑坡。 顺层坡在自然界中的分布相当广泛，是山区铁路、公路和水利水电工程建设 中经常遇到的一类斜坡，同时也是发生问题最多、给人类工程建设和人民生命财 产造成危害最大的一类斜坡，如意大利v o j a n t 水库库岸滑坡、湖南拓溪水库塘岩 光滑坡、三峡鸡扒子滑坡、抚顺西露天矿滑坡和成昆铁路铁西滑坡等都是顺层斜 坡失稳发生顺层滑坡并带来灾难性后果的著名例子。为此，许多学者对顺层滑坡 的变形特征和破坏过程进行了研究，建立了以极限平衡理论为基础的平面刚体滑 移破坏模型和滑移掼曲失稳破坏模型，为顺层斜坡的稳定性计算提供了力学依 据。实际上，人们早已注意到斜坡的环境和坡体结构要素对滑坡的发育有重要的 影响，并进行了一些相应的研究工作，但针对顺层滑坡进行系统研究、公开报道 的文献尚不多见。顺层滑坡是原顺层斜坡变形破坏的结果，必然与原斜坡的地层 岩性、几何要素和结构因素有关，因此，对顺层滑坡的发育环境，斜坡破坏状况 的发育分布特征进行系统的统计分析，有助于认识这些因素对顺层边坡稳定性的 影响。目前针对顺层边坡的研究，平面滑动和楔体滑动机理已广为人知，采用刚 体极限平衡理论的各种分析方法和把边坡作为变形体研究的宥限元、离散元等分 析方法比较成熟【5 】。斜坡岩体沿岩层层面、软弱夹层面或层问错动面剪切滑移而 形成顺层滑坡是其主要的变形破坏方式。在溃屈破坏方面，一般采用梁板弯曲变 形力学模型进行分析，但尚难于有效地使用到具体的边坡分析中【6 】。目前边坡研 究方面仍存在一些缺陷，主要表现在两个方面：其一，对边坡与其赋存地质环境 第一章绪论 的相互关系研究较少；其二，对人工边坡在开挖过程中的变形与渐进破坏过程研 究较少【7 l 。因此，深入进行边坡变形破坏机理的研究，能为边坡稳定性分析和 治理提供准确的地质力学模型和重要依据。一般通过现场观测、物理模拟和数值 计算模拟三种途径，而且三者可以相互验证【8 l 。在模型试验方面，由于模型试验 耗时长、费用高昂，人们很少将模型试验应用于高边坡的稳定性研究，物理模拟 研究方法应用于斜坡岩体的稳定性分析具有两个突出的意义【9 l ：一是能够直接观 测和记录研究斜坡岩体的变形、破坏演变过程；二是可以通过试验应力分析获得 研究对象的变形演变过程中各阶段的应力分布状态以及由于变形与局部破坏导 致的应力重分布情况。因此，对顺层高边坡稳定性进行模型试验研究的意义非常 重要，它不仅可为工程簏工提供科学的理论依据，而且对顺层边坡加固和滑坡的 预测预报也具有重要的指导作用【1 0 j 。本文根据沪蓉西高速公路某缓倾角层状高陡 边坡在公路施工开挖前后的变形破坏现象及特征，对其机制进行了物理模拟研 究。 1 、2 课题研究的工程应用背景l 】 沪蓉国道主干线是我国最重要的公路主骨架的组成部分，是国家确定的公路 重点建设项目之一。该公路在湖北省境内全长8 3 0 公里，目前，在湖北省境内黄 梅到宜昌段已建成通车宜昌至n j i l 段第一期工程从宜昌( 长江大桥) 至恩施( 吉 心) ，安排2 0 0 4 年已开工建设，2 0 0 7 年底建成并投入使用；第二期工程从恩施至 利川。一期工程宜昌( 长江大桥) 至恩施( 吉心) 段穿越的地区位于恩施弧形褶 皱带上，不同层次的褶皱、断裂构造众多，岩性变化大，地质条件复杂，有存在 崩塌地质灾害因素的剥蚀构造松散一半坚硬红色碎屑岩区、存在崩塌和滑坡因素 的侵蚀构造半坚硬坚硬碎屑岩区、存在层间滑动和滑坡因素的侵蚀一溶蚀构造 坚硬碳酸盐岩与半坚硬碎屑岩互层区和存在岩溶渗漏和岩溶塌陷因素的溶蚀构 造坚硬碳酸盐区等四个主要的不同地质构造特性单元区。由于山高坡陡，沟谷纵 横，地质条件极其复杂( 高程多在5 0 0 1 5 0 0 m ，最高达n 2 0 0 0 m ，相对切割深 达5 0 01 0 0 0 m ，山体自然坡度多大于3 0 。，岩溶、暗河、岩堆、崩塌、滑坡、 山体开裂等不良地质现象十分发育) ，全线将遇到顺层路堑高边坡、软岩高边坡 等高陡边坡稳定性分析和加固处理难题，而且不同的荷载工况组合，要根据顺层 4 月墅垦岩石高边坡的稳定性研究 一 路段的地质资料，对影响边坡稳定的多种因素进行敏感性分析。 在沪蓉西高速公路建设中，开挖路堑形成的顺层边坡工段达4 6 个。在勘测期 间发现沿线发育有大量的顺层滑坡，考虑到沿线已发生的顺层滑坡和开挖顺层边 坡在地层岩性、地质构造及整个区域地质背景和自然环境上的高度一致性，因此， 如何保持开挖顺层边坡的稳定成为沪蓉珏高速公路建设中的重大工程技术问题 之一。 1 3 国内外研究的现状 1 3 1 顺层边坡稳定性研究的发展史 人们对边坡稳定性研究最早是从滑坡现象开始的，早期的工作是把滑坡作为 一种地貌现象加以观察描述，是地貌学或普通地质学研究的对象之一。直到上世 纪中期，瓦依昂滑坡( 1 9 6 3 ) 等大型灾难性地质灾害发生以后，地质灾害才引起 人们的特别关注【2 】。 边坡研究的基础理论是建立在土力学和岩石力学之上的，所以土力学和岩石 力学的成就与发展决定了对边坡研究的完善程度 “。土力学的发展历史可以划分 成古典土力学和现代土力学两个阶段。前者中的土体极限平衡理论是建立在刚塑 性体模型基础上的破坏理论；对于现代土力学，许多学者设想其应当由一个模型、 三个理论和四个分支组成，其中的两个破坏理论是液化破坏理论和逐渐破坏理 论，前者是描述由于孔隙压力升高而导致土体破坏的理论，后者是描述荷载增加 情况下土体真实破坏过程的理论。在岩石力学的发展中存在着两种对立的计算模 型f 】，即连续介质模型和非连续介质模型( 裂隙介质模型) 。前者是从整体翥眼， 认为岩体虽有断裂结构，但总体上是连续的，所以，只要岩体在宏观上具有完全 确定的应力一应变一时间关系( 例如线性、非线性关系) ，就可以用现有的连续介 质力学去求解其应力及变形状态：而后者是从内部结构着眼，把岩体简化为某些 物理形状的集合体，进而研究这些理想碎块体模型的应力一应变一时间关系，再 去求解岩石力学问题。从现在的认识水平来说，无论从宏观上还是从微观上看， 可以认为：岩石既是断裂的又是连续的，是断裂与连续的对立统一体，两体模型 应相辅相成可以互补其不足，从而达到全面地分析问题。 土力学中的极限平衡方法也可用于岩质边坡分析i l ，其特点在于事先假定滑 墨量堑堂 兰 移面的形状，然后估计使潜滑体保持极限平衡状态所需的抗滑力。滑坡是否产生 则取决于抗滑力与下滑力的大小关系。对于弧厦滑面，1 9 1 5 年瑞典人p e t t e r s o n 曾用阻抗潜滑体绕滑弧圆心旋滑的力矩与滑体重量驱动旋滑的力矩之比，来描述 所论潜滑体的安全系数。1 9 6 3 年瑞典人f e l l e n i u s 首次提出用条分法来考虑滑面 上的应力分布的问题。随后，又有了简化的b i s h o p 法、j a n b u 法和s a r m a 法： e h o c k 给出一种用诺漠图确定其临界滑面；长沙矿冶研究院熊传治推导了m o h r - - - - c o u l o m b 破坏准则的安全系数普通表达式，并在此基础上用优化方法解决了 平面或圆弧滑面的确定方法；陈祖熳、邵长华基于改进摩根顿一普赖斯方法采用 单纯形法、负梯度法和d p f 法来确定滑面最优形状【”。 由于经典极限平衡理论是在金属塑性分析中建立起来的，主要适用于均质各 向厨性体。而岩土材料受诸多地质因素影响，常表现出各向异性、非线性和非均 质性，因而经典极限平衡理论用于岩土边坡分析，其结果并不理想。所以近几十 年来，一些学者试图改进和发展这一理论，并为此做了大量工作。他们分析了塑 性理论中的m i s e s ，t r e s c a 屈服准则。岩土力学中的m o h r - - c o u l o m b 准则以及 d r u c k e r - - - p r a g e r 准则的优点与不足，结合国内外对各向异性介质强度的理论研 究进展，提出了非线性各向异性准则，建立了复杂介质广义极限平衡理论【1 2 1 。 但由于边坡本身的物质组成的复杂性及其内部的多样性以及其众多的影响 因素，人们难以用确定性分析方法对它进行精确的描述，因而其研究方法从确定 性分析如蒙特卡洛模拟法、一次二阶矩法和罗森布勒斯法发展到不确定性分析。 不确定分析方法有；模糊数学，灰色理论，数量化理论，信息量模型法和定量表 格法【l j o 国外对高边坡地质灾害的研究大致可分为三个阶段。7 0 年代以前为定性分 析阶段，主要停留在滑坡、崩塌等边坡地质灾害的识别与定性描述方面，早期对 边坡稳定性的研究主要是从两方面进行的：一是借用土力学中极限平衡的概念， 根据三个静力平衡条件计算边坡极限平衡状态下的总稳定性( f e l l e n i u s ，p e t e r s o n ， 1 9 6 1 ；k a r lt e r z a g h i ，1 9 2 6 ；b i s h o p ，1 9 5 5 ) ；二是从边坡所处的地质条件及滑坡现 象对滑坡发生的环境机制进行分析，但基本上都是定性单因素的。7 0 年代到8 0 年代初为第二阶段，人们的认识已经由感性上升到理性阶段，以滑坡、崩塌形成 机青分类研究为主要特点，广泛开展物理模拟与数值模拟，再现重大边坡地质灾 害的变形破坏过程与机制，此一项研究工作至今仍是边坡灾害研究的重点：8 0 顺层岩石高边坡的稳定性研究 年代以来随着计算机技术的发展，边坡数值模拟得以实现，已经成为滑坡、崩 塌研究不可或缺的的手段。此阶段中，对滑坡运动学、动力学的研究也取得了突 出的成绩，提出了高速滑坡运动速度公式和滑坡滑动的空隙液压作用、气垫作用 等一系列理论。边破地质灾害研究与工程实践相结合以经成为本阶段的一个突出 特点；9 0 年代以来，系统科学在工程地质学领域应用得到充分发展，非线性科 学得到初步应用。系统工程地质学的理论探讨和工程应用在高等院校、科研机构 和设计部门得到充分的体现；而非线性科学的发展更使人们认识到高边坡不仅是 一个具有复杂结构的系统，而且是一个不断通过与外界的物质与能量的交换来实 现自身发展演化的系统，从而找到了描述高边坡系统稳定性演化强有力的工具， 这就是非线性动力学理论f 3 】。 在我国。一般认为边坡的稳定性主要受岩体中各种结构( 弱) 面所控制吲，结 构面在岩体中的分布受原有构造应力场所控制，是有规律的。主张通过工程地质 测绘和节理测量等分层次对岩体构造及结构进行深入系统的研究，分析岩体构造 规律，找出控制边坡稳定的关键性结构面及其组合，绘制工程地质图件，利用赤 平投影和统计方法对结构面分组，对结构面的产状、间距、迹长等参数进行统计 分析，求得其分布特征参数，进而建立岩体结构概率模型。在此基础上给出边坡 工程地质分区，并为边坡稳定分析提供地质力学模型。 5 0 年代，我国许多工程地质工作者在滑坡研究中采用了苏联的“地质历史 分析”方法，但该方法偏重于定性描述和分析f 8 】o6 0 年代初的瓦依昂滑坡及6 0 年代中期以来我国一些水电工程和露采矿山遇到的大型滑坡和岩体失稳事件，首 先使工程地质专家们认识到边坡是一个时效变形体，边坡的演变是一个时效过程 或累进性破坏过程，每一类边坡都有其特定的时效变形形式或时效变形全过程 ( l m u l l e r , 1 9 6 3 ，1 9 6 5 ：张倬元、王敬思等，1 9 7 0 s ：i c y l o ，1 9 8 0 s ) ，这些过程 所包含的力学机制只有用近代岩石力学理论才能解释，从而使有关边坡稳定性研 究进入了模式机制研究或内部作用过程研究的新阶段【引。 1 3 2 边坡稳定性研究的现状 目前，边坡稳定性评价方法大致可以分为两大类，即定性分析方法和定量分 析方法。此外，近年来，人们在翦面两种分析方法的基础上，又引进了一些新的 学科、理论等，逐渐发展起来一些新的边坡稳定性分析方法，如可靠性分析法、 第一章绪论 模糊分级评判法、系统工程地质分析法、灰色系统理论分析法等，这里暂且称 之为非确定性分析方法。另外，还有地质力学模型等物理模型方法和现场监测分 析方法等l “。 一、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的说 明i u 解释。其优点是髓综合考虑影嘀边坡稳定性的多种因素，快速地对边坡的稳 定状况及其发展趋势作出评价。常用的方法主要有下面几种：自然( 成因) 历史分 析法、工程类比法、边坡稳定性分析数据库和专家系统、诺模图法、赤平投影图 法、s m r 方法、 二、定量分析方法 严格地讲，边坡稳定性分析还远远没有走到完全定量这一步，它只能算是一种 半定量的分析方法。常用的边坡稳定性分析方法主要有极限平衡分析法以及数值 分析方法。 ( 一) 极限平衡分析法 该方法是工程实践中应用最早、也是目前最普遍使用的一种定量分析方法。 目前已有了多种极限平衡分析方法，女h ：f e h e n i u s 法、b i s h o p 法、j a u b u 法、 m o r g e n s t e r np r i n c e 法、余推力法、s a r m a 法、楔体极限平衡分析法等等。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。近年来，人们都已经把这些方法程序化了，有的还 把有限元方法引入到极限平衡分析法中，先通过有限元方法计算出可能滑面上各 点的应力，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面滑动 破坏的安全系数。与其它方法相比，极限平衡法的缺点是在力学上作了一些简化 假设。该方法抓住了问题的主要方面，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。它是目前应用最多的一种分析方法。 c z ) 数值分析方法 数值分析方法是目前岩力学计算中使用最普遍的分析方法。目前，在岩质 边坡工程应用的数值分析方法主要有下述几种：有限元( 玎m ) 法、边界元( b e m ) 8 顺层岩石商边坡的稳定性研究 法、快速l a g r a n g i a n 分析( f l a c ) 法、离散元( d e m ) 法、块体理论( b t ) 与不连续 变形分析( d d a ) 、无界元( m e m ) 法等几种数值分析方法。除了上述几种常用的 之外，还有如口本学者川井忠彦( 1 9 s i ) 提出的刚一弹法等。另外，上述几种方法 间的耦合应用，如有限元与无界元、边界元、离散元等的耦合，边界元与离散元 的耦合，以及数值解与解析解问的耦合，模糊数学与有限元等数值方法的耦合等， 这些方法的耦合应用能在一定的程度上彼此取长补短，以适应岩体的非均质、不 连续、无限域等特征，使计算变得高效、合理与经济。 三、非确定性分析方法 理论与实践均证明，影响岩质边坡工程稳定性的诸多因素常常都具有定的 随机性，它们多是具有一定概率分布的随机变量。7 0 年代中后期，人们开始把 概率统计理论引用到边坡岩 本的稳定性分析中来，建立了可靠度分析方法。我国 的岩土工程勘察规范( g b 5 0 0 2 1 9 4 ) 第3 6 i i 条已明确指出，大型边坡设计 除按3 6 1 0 条边坡稳定系数值计算边坡的稳定性外，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。除了具有随机不确定性外，还具有一定的模糊不确定性，因此可采用模 糊分级评判或模糊聚类方法对边坡的稳定性作出分级评判，模糊分级评判方法为 多变量、多因素影响的边坡稳定性分析提供了一种行之有效的手段。这一方法主 要应用于大型边坡的整体稳定性评价。 目前，除了以上两种常用的非确定性分析方法外，系统工程分析方法、灰色 系统理论方法、突变理论方法、神经元方法、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。 四、物理模型方法 物理模型方法是一种发展较早、应用广泛、形象直观的边坡稳定性分析方法。 在岩石边坡稳定性分析中，将边坡岩体的模型抽象为地质模型、力学模型及几何 模型三种。这种方法通常能够形象地模拟边坡岩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。对模型进行开 挖试验溜0 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。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 第一章绪论 9 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。 五、现场监测分析法 岩石流交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、 氡气、脉冲频率、地下水等有关特征，来对边坡岩土体稳定性作出评价和预测， 为加固处理设计提供服务，同时，又能对加固措施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过 程的稳定性进行分析，己成为目前边坡工程中稳定性评价极其重要的一种方法。 l 。3 3 顺层边坡稳定性研究的现状 滑坡形成机制的研究是评价、预测和防治自然边城和已发生滑坡稳定性的重 要依据。目前有关顺层滑坡形成机制方面的研究，平面滑动和楔体滑动的机理、 分析方法都很成熟。在斜坡滑移一弯曲( 或馈屈) 破坏方面尚无系统、成熟的分析 方法，仍处于不断完善和发展阶段，h k 库持以板柱屈曲理论，对溃屈破坏 进行了分析；孙广忠利用材料力学中的压杆稳定理论，尖角突变理论等对顺层的 溃屈问题进行了研究，对板裂结构岩体边坡破坏形式尤其是溃屈发生条件进行过 探讨；赵平劳从河谷卸荷在近河床处产生初始挠曲和张破裂机理以及弯曲变形的 时间效应分析了溃屈变形破坏机制等。李天扶教授将层状岩体边坡顺层破坏机理 归纳为三方面的问题，即：平面旋转滑动、解体滑动和渐进破坏；刘钧研究员对 顺层边坡在纵向力和横向力联合作用下发生表面弯曲破坏现象进行了力学分析。 巫锡勇研究员通过模拟试验对岩质顺层滑坡运动特征的主要影响因素及滑坡变 形能进行了研究。南京水利科学研究院徐光明等应用离心模型试验对工程中带有 与边坡走向一致的倾斜基岩面，且在该基岩面存在软弱夹层的边坡的稳定性和破 坏模式进行了比较详细地研究。模型试验结果表明，该类边坡失稳时，紧贴岩面 的软弱夹层就成为滑动破坏面，因而边坡整体沿基岩面向下滑动，且侧向水平位 1 0顺层岩石高边坡的稳定性研究 移各处基本一致，表现出典型的平移滑动破坏模式。证实了按平移滑动破坏模式 所作的极限平衡分析，能良好地预测边坡平移滑动破坏情形下的稳定安全系数。 杨天鸿在弱层流变试验的基础上，建立了弱层流变力学模型，通过确定加速蠕变 阶段来l 缶的极限应变量和应变速率，建立了长期强度的时间效应方程，提出了顺 层边坡加速蠕变阶段来临的预报方法芦”。杨治林利用后屈曲能量准则建立了平衡 稳定模态幅值方程，给出了平衡分叉点附近的邻域及边坡坡脚剪切滑动的判据 1 5 5 l 。李云鹏通过对顺层边坡岩体结构屈陷和后屈曲变形因素的分析，提出了以位 移形式表示的顺层边坡屈曲破坏的上限值。根据边坡渐进性破坏的机理得出了不 同情况下边坡岩体剪切滑动破坏的极限长度，给出了顺层边坡岩体结构的稳定性 位移判据唧】。王芝银把顺层边坡岩层视为岩梁结构，研究了岩梁变形的前屈曲状 态和后屈曲稳定状态的分叉特性，建立了岩层结构发生灾变的判据1 6 “。在直立顺 层边坡的稳定性研究方面，张天军等采用自重作用下的梁柱力学模型，考虑岩石 的流变性，发现直立边坡的失稳与岩体的流交性质密切相关，其在一定作用荷载 作用下失稳表现出延迟特性1 6 ”。李荣强从突变理论入手，建立了顺层边坡的尖角 型突变模型，推导出了边坡总势能表达式以及这类边坡失稳的临界条件，分析了 坡体内应力状态的渐变以及应力路径对边坡稳定状态突变的影响。 1 3 4 边坡稳定性研究的发展趋势 对于边坡研究，在其基础理论的前提下，从静力学到动力学，从确定性分析 到不确定分析，从宏观的滑裂面到细观损伤裂纹的扩展进行了一系列的研究，并 充分利用计算机这个有利的工具，利用其最新技术，从数值计算到数值模拟再到 利用神经网络进行信息处理以及其发展趋势一专家系统。这将是一个开放性系统 的逐步自我完善，自我拓新的过程哺】。 由于地质环境的复杂性和多交性，影响边坡的各种因素具有不确定性( 模糊 性、随机性、信息不完全性和未确定性) ，我们还很难准确地定义所考察的地质 环境，弄清楚地质环境对开挖工程和设置支护结构的反应【1 5 1 。所以至今，工程设 计与决策仍不能完全依赖于理论分析和数值计算，在许多情况下仍主要依赖于专 家经验和类比。这就有个收集、存储和使用“经验”的问题。计算机的发展，特 别是人工智能科学的发展使人们科学地利用知识和经验成为可能。人工智能专家 系统应用于边坡稳定性分析，可以把各种行之有效的方法如专家经验、工程经验、 第一章绪论 理论分析数值计算、实验模拟、现场监测综合到一个基于知识的智能系统中。一 种方法难以解决的问题可以转化为由另一种方法来解决。 纵观边坡稳定分析方法的发展，各种方法均没有达到真正完满解决工程实际 问题，对理论模型的辨识、本构关系、计算参数、仿真方法都需作进一步深入具 体研究f 1 6 】。同时，由于各种技术革新，数学、力学及计算机技术的快速发展等均 向理论分析不断提出新挑战。由于边坡工程的复杂性，边坡稳定评价不能依赖于 单一方法，因此，依托于计算机技术，形成集成式智能评价系统，是未来发展的 一种趋势。同时由于边坡工程常依赖于经验，故利用边坡工程的失稳和稳定实例 来建立系统，考虑多种因素影响，使多学科交叉融合，研究开发基于案例推理的 边坡稳定的综合集成式智能评价系统，也将是未来的发展方向之一i ”。 1 4 课题研究的技术路线及方案 1 4 1 谋题研究的技术路线 为了研究高边坡体变形损伤破裂演化过程，揭示顺层高边坡失稳的发生过程 和判据，在前人研究的基础上，本课题选定典型路段的高陡边坡，进行较详细的 地质勘察和相应的岩体现场试验及相关的室内试验，弄清边坡的地质条件、边界 条件、岩土物理力学特性及岩体结构犀特征；以边坡分类和岩体力学特性研究为 基础，利用模型实验研究高陡边坡的破坏机理，将极限平衡方法( 不考虑坡体变 形) 的计算成果作相互补充分析与对比研究 2 4 1 ，结合工程地质情况与工程经验分 析顺层岩石高边坡的稳定性。 1 4 2 课题研究的内容 1 、依据沪蓉西高速公路某段顺层边坡工程实例，选取有代表性的剖面进行 工程地质分析，确定边坡岩体的物理力学参数。 2 、根据边坡岩体的物理力学参数，考虑到现有实验室条件，确定相似比例 和模型试验材料，然后进行边坡模型的层面强度试验和模块材料配比试验，以便 边坡模型体的制作。 3 、基于现代工程地质力学理论和相似模拟原理，采用地质力学模拟试验方 法，建立所选边坡的模型并分期开挖，观测其变形。通过对试验所得的位移、变 形破坏规律的分析，揭示边坡破坏发展变化内在的力学机制，研究本边坡岩体随 1 2 顺层岩石高边坡的稳定性研究 工程发展的移动规律和潜在滑坡模式，以及边坡变形破坏的过程及其规律。 4 、减小模型的节理裂隙密度，研究节理裂隙密度减小时顺层边坡的变形破 坏过程及其规律。 5 、增大模型的层面强度，研究层面强度增大时顺层边坡的变形破坏过程及 其规律； 6 、大幅度减小模型的层面强度，研究层面强度大幅度减小时顺层边坡的变 形破坏过程及其规律； 7 、小幅度减小模型的层面强度，研究层面强度小幅度减小时顺层边坡的变 形破坏过程及其规律； 8 、模型体岩层的倾角提高到3 0 。，研究3 0 。中等倾斜顺层边坡的变形破坏 过程及其规律； 9 、模型体岩层的倾角提高到4 0 。，研究4 0 。中等倾斜顺层边坡的变形破坏 过程及其规律； l o 、模型体岩层的倾角提高到4 0 。 形破坏过程及其规律； l1 、模型体岩层的倾角提高到4 5 。 程及其规律； ，并改变岩体节理裂隙密度，研究其变 ，研究4 5 。陡倾顺层边坡的变形破坏过 1 2 、通过对模型试验结果结果对比分析，研究顺层岩石边玻变形破坏的机理， 揭示顺层高边坡失稳的发生过程和判据，建立适用于该类型边坡变形破坏机理的 稳定性分析方法。 第二章工程背景及地质资料 第二章工程背景及地质资料 2 1 工程背景 沪蓉西高速公路宜昌至恩施段位于思旅弧形褶皱带上，属云贵高原东北部边 缘的“鄂西高原”，本路段区域在构造体系上为新华夏系鄂西隆起带的南段。新 华夏系主体构造呈北北东向展布，由于受基底北西西向构造的牵制及区域东西向 构造带的联合作用影响，使这一在中生代形成的褶皱在黄陵背斜的西南侧成为向 北西凸出的弧形构造，这就是本线路沿线的主要构造 1 l 】。该弧形褶皱带由一系列 低次序的褶皱构成，大致以榔坪一龙王冲一线为界，以西为北北东一北东向褶皱 展布区；以东为东西向构造，褶皱轴向总体上近东西向展布。全线将遇到顺层路 堑边坡4 6 个，本课题选择钟家湾深路堑作为研究对象，其纵断面见图2 1 。 宜昌 。= 二= = = = = = 了 钟家湾深路堑工程地质纵断面图 恩施 c = = = = = = = = = ! 图2 1 钟家湾深路堑工程地质纵断面圈 该路堑段位于宜昌市长阳县贺家坪镇渔泉溪村钟家湾，路堑为双线，左线 长3 3 2 6 1 5 m 设计路面高程6 9 6 4 9 1 , - - 7 1 1 ，2 9 5 m ；右线长3 1 9 3 3 2 m ，设计路面高 程6 9 7 1 4 9 7 1 1 2 9 5 m 。第四系覆盖层以l ：1 ，基岩以1 ：0 5 放坡，每8 m 高设 1 4 顺层岩石高边坡的稳定性研究 一级2 m 宽的马道，路堑开挖边坡一般高1 8 2 0 m ，最高处2 7 2 m 。试验研究选定 的区段为右k 5 5 + 5 0 0 段路堑边坡。 2 2 - r 程地质资料1 1 】阎 2 2 1 地形地貌 工程区属构造溶蚀侵蚀中山地貌，地形总体上里一倾向北的单面坡，坡面 较平缓，呈上缓下陡状，自然坡度1 8 。2 2 。，坡项高程7 2 0 7 4 0 m ，坡脚高程 6 2 0 - - 6 3 0 m ，该路堑从斜坡上部通过。坡面植被较发育，多为灌木丛，平缓处已 开垦为耕地。 2 2 2 地质构造 路堑区位于长阳复式背斜北翼，距仙女山断裂2 - 3 k i n ，据现场测绘及勘探钻 孔揭露，主要发育与岩层走向近平行的陡倾角裂隙，一组走向1 5 0 。，一组走向 1 1 8 。，倾角在7 0 0 以上，裂隙面多充填泥、钙质，裂隙面较粗糙。 岩层呈单斜构造，产状为1 0 0 一1 3 。l 1 7 0 2 2 。 2 2 3 地层岩性 路堑区地层主要出露第四系残坡积层( q 。1 ) 、崩坡积层( q 州) 、奥陶系中 统宝塔组( q 2 b ) 微晶灰岩、下统牯牛潭组( q l g ) 青灰色、浅紫红色含泥质瘤状 微晶灰岩及大湾组( q l d ) 瘤状泥灰岩等四层，各层工程地质特征从上至下分述 如下： 第1 层：残坡积层( q n + d 1 ) ：为黄褐色粘土夹少量碎石，钻孔揭露深度6 2 m ， 粘土粘性较强，含量一般大于8 0 ，碎石粒径较小，为灰岩、泥灰岩风化碎屑、 碎块。多为耕植用地，分布于该路堑段东侧。 第- 2 层：崩坡积层( q 州1 ) ：为块石夹土，钻孔揭露2 5 5m ，一般厚2 , - - 4m ， 最厚处大于5 m ，结构中等密实、局部架空，块石原岩多为宝塔组( q 2 b ) 微晶灰 岩，块径一般0 , 2 m 左右，大者大于0 5 m ，块石接触面间风化溶蚀强烈：土为粘 土、粉质粘土，含量少于1 0 。分布于路堑段西侧。 第层：宝塔组( q 2 b ) 为灰色微晶灰岩，强弱风化，中厚层厚层状，具 龟裂纹构造，钻孔中揭露厚1 7 9 3 。6 0 m ，裂隙不发育，岩芯呈柱状，一般长 1 1 - 2 7 e m ，最长3 6c i 1 1 。该层岩溶发育，风化强烈。 第二章工程背景及地质资料 第层：牯牛潭组( q l g ) 为含泥质瘤状微晶灰岩，弱磁风化，呈青灰色、 浅紫红色，钻孔中揭露厚5 8 0 2 2 9 6 m ，岩体较完整、岩质较坚硬坚硬，裂隙较 发育，沿裂隙面见风化迹象。 第逗 层：大湾组( q i d ) 瘤状泥灰岩：强微风化，紫红色夹灰绿色，岩体较 完整，钻孔揭露厚1 3 5n l ，岩质较坚硬，裂隙较发育，强一弱风化岩体，沿裂隙 面见风化迹象。岩芯多呈柱状和短柱状，少量碎块状。各岩层物理力学参数见表 2 】。 表2 - 1 各岩层物理力学参数值 层 揭露层厚 天然单轴地基容许承抗剪强度 号 岩层名称抗压强度 载力【00 1 c ( m ) 中( 。) ( m p a )f r - a , a ) ( r o a ) 1粘土夹少量碎石 o - 6 2 0 1 5 02 02 0 q - 2块石夹土 0 也5 55 0 0 2 5 1强风化微晶灰岩 o 6 0 q7 91