边坡稳定性影响因素及评价方法

1、2011年第7期(总第209期黑龙江交通科技HEILONGJIANG JIAOTONG KEJINo7,2011(Sum No209边坡稳定性影响因素及评价方法王浩(黑龙江省高速公路建设局摘要:边坡稳定性问题是土木工程建设中十分重要的问题,系统分析了边坡失稳的外部和内部因素后,主要介绍了影响边坡稳定性的因素,对目前边坡工程中常用的一些稳定性分析方法进行了系统的总结,对它们各自的主要原理、特点及其优缺点进行了阐述,为实际工程的边坡稳定性计算提供了指导意义,为边破治理提供依据。关键词:边破稳定;影响因素;评价方法中图分类号:U416.1文献标识码:C文章编号:10083383(2011070110

2、02收稿日期:201104111影响边坡稳定性的因素11内部因素(1岩土性质和类型岩性对边坡的稳定及其边坡的坡高和坡角起重要的控制作用。坚硬完整的块状或厚层状岩石如花岗岩、石灰岩、砾岩等可以形成数百米的陡坡,如长江三峡峡谷。而在淤泥或淤泥质软土地段,由于淤泥的塑性流动,几乎难以开挖渠道,边坡随挖随塌,难以成形。黄土边坡在干旱时,可以直立陡峻,但一经水浸土的强度大减,变形急剧,滑动速度快,规模和动能巨大,破坏力强且有崩塌性。松散地层边坡的坡度较缓。(2地质构造和岩体结构的影响表现为结构面的发育程度、规模、连通性、充填程度及充填物成分和结构面的产生状态对边坡稳定性的影响。在评价结构面对边坡稳定性的

3、影响时,要特别注意结构面的产生状态与边坡面的相互关系。在区域构造比较复杂,褶皱比较强烈,新构造运动比较活动的地区,边坡稳定性差。反向倾斜层状结构的边坡通常较稳定,但垂直层面或片理面的走向节理发育且顺山坡倾斜,则亦易产生切层滑坡。12外部因素(1水的作用地表水和地下水是影响边坡稳定性的重要因素。不少滑坡的典型实例都与水的作用有关或者水是滑坡的触发因素,处于水下的透水边坡将承受水的浮托力的作用,而不透水的边坡,将承受静水压力;充水的张开裂隙将承受裂隙水静水压力的作用;地下水的渗流,将对边坡岩土体产生动水压力。水对边坡岩体还产生软化或泥化作用,使岩土体的抗剪强度大为降低;地表水的冲刷,地下水的溶蚀和

4、潜蚀也直接对边坡产生破坏作用。不同结构类型的边坡,有其自身特有的水动力模型。(2新构造运动新构造运动往往引起边坡形态、产生状态及水文地质条件发生改变而导致边坡失稳,强烈的新构造运动一地震对边坡稳定性的影响极大,地震往往伴有大量的边坡失稳。(3工程荷载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,不当的人类工程活动引起的边坡失稳事故频繁发生,使得人们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:削坡、坡顶加载、地下开挖。(4气候因素大气降雨是地下水的主要补给源。气候类型不同,大气降雨量也不同,因此,在不同的地区由于大气降雨量不同,即使其它条件相同,

5、边坡的稳定性也不相同。暴雨或长期降雨以及融雪过后,往往可以到边坡失稳增多的现象,这说明大气降雨等对边坡的稳定性有很大影响。(5风化作用风化作用使岩土的抗剪强度减弱。裂隙增加、扩大,影响斜坡的形状和坡度;透水性增加,使地面水易于浸入,改变地下水的动态等,沿裂隙风化时,可使岩土体脱落或沿斜坡崩塌、堆积、滑移等。(6地貌因素边坡的形态和规模等地貌因素对边坡稳定性的影响是显而易见的,不利形态和规模的边坡往往在坡顶产生张应力并引起坡顶出现张裂缝:在坡脚产生强烈的剪应力,出现剪切破坏带,这些作用极大地降低边坡的稳定性。边坡面与地质构造面的不利组合会导致边坡结构面控制型失稳。2边坡稳定分析与评价21定性分析

6、方法(1地质分析法(历史成因分析法根据边坡的地形地貌形态、地质条件和边坡变形破坏的基本规律,追溯边坡演变的全过程,预测边坡稳定性发展的总趋势及其破坏方式,从而对边坡的稳定性做出评价,对已发生过滑坡的边坡,则判断其能否复活或转化。(2工程地质类比法工程类比方法该方法实质上就是利用已有的自然边坡或人工边坡的稳定性状况及其影响因素、有关设计等方面的经验,并把这些经验应用到类似的所要研究边坡的稳定性分析和设计中去的一种方法。(3图解法用一定的曲线和偌谟图来表征边坡有关参数之间的定量关系,由此求出边坡稳定性系数,或已知稳定系数及其它参数(c 、r 、结构面倾角、坡角、坡高仅一个未知的情况下,求出稳定坡角

7、或极限坡高。这是力学计算的简化。利用图解求边坡变形破坏的边界条件,分析软弱结构面的组合关系,分析滑体的形态、滑动方向,评价边坡的稳定程度,为力学计算创造条件。常用的为赤平极射投影分析法及实体比例投影法。(4边坡稳定专家系统工程地质领域最早研制出的专家系统是用于地质勘察的专家系统Propecter ,由斯坦福大学于70年代中期完成的。另外,MIT 在80年代中期研制的测井资料咨询的专家系统·011·第7期王浩:边坡稳定性影响因素及评价方法总第209期也得到成功地应用。在国内,许多单位正在进行研制,并取得了很多的成果。专家系统使得一般工程技术人员在解决工程地质问题时能象有经验的

8、专家给出比较正确的判断并做出结论,因此,专家系统的应用为工程地质的发展提供了一条新思路。22定量评价方法(1极限平衡法极限平衡法在工程中应用最为广泛,极限平衡法是通过潜在滑体的受力分析,引入摩尔一库仑强度准则,根据滑体的力(力矩平衡,建立边坡安全系数表达式进行定量评价,这种方法由于安全系数的直观性,至今仍被工程界广泛应用,目前我国边坡工程研究中根据工程实际0i入临界滑移理论进行露天边坡的评价也属于此法。这种方法的关键在于正确判断临界破坏面的位置和选定计算参数,这些都需要依靠经验确定。目前,刚体极限平衡方法已经从二维发展到目前的三维。有关边坡稳定三维极限平衡方法,已有众多文献介绍研究成果。下面就

9、几种常用的方法做介绍。(2数值分析方法主要是利用某种方法求出边坡的应力分布和变形情况,研究岩体中应力和应变的变化过程,求得各点上的局部稳定系数,由此判断边坡的稳定性。主要有以下几种:有限单元法(FEM该方法是目前应用最广泛的数值分析方法。其解题步骤已经系统化,并形成了很多通用的计算机程序。其优点是部分地考虑了边坡岩体的非均质、不连续介质特征,考虑了岩体的应力应变特征,因而可以避免将坡体视为刚体、过于简化边界条件的缺点,能够接近实际地从应力应变分析边坡的变形破坏机制,对了解边坡的应力分布及应变位移变化很有利。其不足之处是:数据准备工作量大,原始数据易出错,不能保证整个区域内某些物理量的连续性;对

10、解决无限性问题、应力集中问题等其精度比较差。边界单元法(BEM该方法只需对已知区的边界极限离散化,因此具有输入数据少的特点。由于对边界极限离散,离散化的误差仅来源于边界,区域内的有关物理量是用精确的解析公式计算的,故边界元法的计算精度较高,在处理无限域方面有明显的优势。其不足之处为:一般边界元法得到的线性方程组的关系矩阵是不对称矩阵,不便应用有限元中成熟的对稀疏对称矩阵的系列解法。另外,边界元法在处理材料的非线性和严重不均匀的边坡问题方面,远不如有限元法。离散元法(DEM是由Cundall(1971首先提出的。该方法利用中心差分法解析动态松弛求解,为一种显式解法,不需要求解大型矩阵,计算比较简

11、便,其基本特征在于允许各个离散块体发生平动、转动、甚至分离,弥补了有限元法或边界元法的介质连续和小变形的限制。因此,该方法特别适合块裂介质的大变形及破坏问题的分析。其缺点是计算时步需要很小,阻尼系数难以确定等。离散单元法可以直观地反映岩体变化的应力场、位移场及速度场等各个参量的变化,可以模拟边坡失稳的全过程。块体理论(BT是由Goodman和Shi(1985提出的,该方法利用拓扑学和群论评价三维不连续岩体稳定性。其建立在构造地质和简单的力学平衡计算的基础上。利用块体理论能够分析节理系统和其它岩体不连续系统,找出沿规定临空面岩体的临界块体。块体理论为三维分析方法,随着关键块体类型的确定,能找出具

12、有潜在危险的关键块体在临空面的位置及其分布。块体理论不提供大变形下的解答,能较好地应用于选择边坡开挖的方向和形状。3结束语边坡稳定性影响因素比较复杂,且在实际工作中有时难以明确判断,应加强对边坡失稳因素的勘察,分析并找到主导原因。同时,应根据不同的实际情况选择合理的边坡稳定评价方法,为合理的工程措施提供依据及理论指导。参考文献:1杨志刚,刘建刚,杜明亮边坡稳定性分析方法综述J.西部探矿工程,2007,(2:59772许保英,高路堤边坡防护的探讨J山西交通科技,1996,(7:19213薛萍,李耀军,田兴运路堤边坡稳定性分析方法的正确理解和表述J工程建设与设计,2005,(5:40414曹文贵,

13、颜荣贵边坡非圆临界滑动面确定之动态规划法研究J岩石力学与工程学报,1995,14(4:320328.5刘勇健基于自适应遗传算法的路堤边坡稳定性生分析方法J公路交通科技,2005,22(6:4245.(上接第109页续表2序号基层类型单价/(元/m2基础价格固化剂成本合计备注46%水泥稳定风化砂22920229256%水泥稳定砂砾49860498666%石灰+路特固稳定土25451067361276%石灰+吉林中路稳定土2545427297286%石灰+ISS稳定土25458493394宾县试验路依然是水泥稳定砂砾的单价最高,素土+固化剂类型最低,水泥稳定风化砂次之,6%石灰+固化剂稳定土居中。

14、一般情况下,在砂石料较为丰富的地区,土的来源是非常有限的,若运距大幅增加,固化土在造价方面的优势就会变为劣势,加上水泥稳定粒料在工程效果方面要优于固化土,因此,在砂石料较为丰富的地区,固化土在技术和经济两方面都不占优。3结语综合来看,固化剂的使用对基础价格都有一定幅度的提高,在无砂石地区,对于交通量较低的农村公路,基层采用石灰土(水泥土基本上是可以满足要求的,如果强度方面稍微欠缺,可以采取适当增加水泥或石灰的剂量来解决,既经济又便于施工。因此,在农村公路中,与传统结构相比,固化土总体上优势不明显。而在等级公路(三级及以上的建设之中,若能使用固化土替代常规的水泥稳定类结构,由于土的储量丰富和来源的便捷性,固化土的经济优势便会充分发挥出来,可以较大幅度地降