1 邊坡穩(wěn)定性的工程地質(zhì)評價(jià)方法邊坡穩(wěn)定性的工程地質(zhì)評價(jià)方法 摘要 通過對邊坡穩(wěn)定性的工程地質(zhì)評價(jià)方法的介紹 分析了工程可靠性控制及 措施 關(guān)鍵詞 邊坡 可靠性 地質(zhì)評價(jià) 邊坡穩(wěn)定性的工程地質(zhì)評價(jià)包括兩方面的任務(wù) 一方面要對與工 程活動(dòng)有關(guān)的天然斜坡或人工邊坡的穩(wěn)定性作出定性和定量的評價(jià) 另一方面要為設(shè)計(jì)合理的人工邊坡和邊坡變形破壞的防治措施提供依 據(jù) 邊坡穩(wěn)定性的工程地質(zhì)評價(jià)方法可概括為地質(zhì)分析法 歷史成因分 析法 力學(xué)計(jì)算法和工程地質(zhì)類比法三種 邊坡穩(wěn)定分析應(yīng)收集下列資料 地形和地貌特征 地層巖性 和巖土體結(jié)構(gòu)特征 斷層 裂隙和軟弱層的分布 產(chǎn)狀 充填物質(zhì) 以及結(jié)構(gòu)面的組合與連通率 邊坡巖體風(fēng)化 卸荷深度 各類巖 土和潛在滑動(dòng)面的物理力學(xué)參數(shù)以及巖體應(yīng)力 巖土體變形監(jiān)測和 地下水觀測資料 坡腳淹沒 地表水位變幅和坡體透水與排水資料 降雨歷時(shí) 降雨強(qiáng)度和凍融資料 地震基本烈度和動(dòng)參數(shù) 邊 坡施工開挖方式 開挖程序 爆破方法 邊坡外荷載 坡腳采空和開 挖坡的高度和坡度等 下面主要介紹地質(zhì)分析法 這種方法是根據(jù)邊坡的地貌形態(tài) 地質(zhì)條件和邊坡變形破壞的基 本規(guī)律 追溯邊坡演變的全過程 預(yù)測邊坡穩(wěn)定性發(fā)展的總趨勢和邊 坡變形破壞方式 對邊坡的穩(wěn)定性作出定性評價(jià) 對已發(fā)生過滑坡的 邊坡 則判斷其能否復(fù)活或轉(zhuǎn)化 一 根據(jù)邊坡的地貌形態(tài)演變預(yù)測和評價(jià)邊坡的穩(wěn)定性 根據(jù)邊坡的表部特征 可判斷邊坡的穩(wěn)定性 1 山坡表面比較平整順直 坡腳沒有地下水出露 樹木生長亦較 茂盛 則邊坡比較穩(wěn)定 2 山坡表面不平整 有較多的大小臺(tái)階 樹木歪斜傾倒 坡腳有 泉水出露 則邊坡可能不穩(wěn)定 3 山坡泉水較多 呈點(diǎn)狀不規(guī)則分布 成為高地地下水排泄面時(shí) 說明山坡可能滑動(dòng) 將地下水通道切斷 4 當(dāng)邊坡表層為松散堆積層 2 時(shí) 可按基巖形態(tài)判斷其穩(wěn)定性 當(dāng)基巖的層面較陡或呈凹向地下洼 槽時(shí) 易形成滑坡 5 河流沖刷岸的邊緣易產(chǎn)生崩塌或滑坡 對是否曾產(chǎn)生過滑坡 可根據(jù)以下的地貌特征進(jìn)行判斷 1 在地層 構(gòu)造等條件相類似的河段上 局部邊坡剖面呈上陡 中緩 下陡的地貌形態(tài) 而緩坡的高程與當(dāng)?shù)仉A地又不相協(xié)調(diào) 2 在邊坡高處的陡坡下部出現(xiàn)洼地 沼澤及其他負(fù)地形 而又不 是碳酸鹽類巖層 且陡坡的后緣出現(xiàn)裂縫 3 邊坡出現(xiàn)獨(dú)特的簸箕形或圈椅形地貌 與上下游河段平順邊坡 不相協(xié)調(diào) 在巖石外露的陡坡下 中間有一個(gè)坡度較為平緩的核心臺(tái) 地 滑坡臺(tái)地 4 在現(xiàn)代河床受沖刷的凹岸 山坡反而稍微突出河中 有時(shí)形成 急灘 或在古河床受沖刷的凹岸 河岸邊多有大塊孤石分布 這很可 能是由于滑坡體下緣已被沖走而殘留的大孤石 5 雙溝同源地形 一般山坡上的溝谷多是一溝數(shù)源 而在一些大 的老滑坡體上 兩側(cè)為沖溝環(huán)抱 而上游同源或相距很近 有時(shí)甚至 形成環(huán)谷 青年期 壯年期的滑坡地形 后部臺(tái)地清晰 其中可見陷 落洼地或池沼 雙溝上游的距離相距亦較遠(yuǎn) 而老年期的滑坡地形 表面劇烈起伏不平 形成平緩斜坡 一直延伸到河岸 地形等高線呈 明顯的紊亂 6 在山坡上出現(xiàn)樹干下部歪斜 上部直立的 馬刀樹 和東倒西 歪的 醉漢林 7 陡峭峽谷段出現(xiàn)緩坡 但必須注意區(qū)別因地層巖性變化而出現(xiàn) 的緩坡 必須指出 地貌形態(tài)的成因是很復(fù)雜的 在判斷滑坡標(biāo)志時(shí) 要 綜合考慮 不能僅根據(jù)一點(diǎn)就判定是滑坡 一些地貌形態(tài)是地質(zhì)構(gòu)造 運(yùn)動(dòng)成因 不一定是滑坡成因 二 根據(jù)地層巖性 地質(zhì)構(gòu)造等地質(zhì)條件分析邊坡變形破壞的形 式根據(jù)地層巖特特征可以定性地評價(jià)邊坡的穩(wěn)定性和可能的變形破壞 形式 根據(jù)邊坡的地質(zhì)結(jié)構(gòu)特征 應(yīng)用圖解分析法 例如赤平投影方法 綜 合分析坡體中起控制作用的結(jié)構(gòu)面 3 或軟弱帶的空間組合特征 即可大致確定邊坡可能的變形破壞形式 三 根據(jù)邊坡變形體的外形和內(nèi)部變形跡象判斷邊坡的演變階段 具有下列標(biāo)志時(shí) 可以認(rèn)為滑坡處于穩(wěn)定階段 1 山坡滑坡地貌已不明顯 原滑坡平臺(tái)寬大且已被夷平 土體密 實(shí) 無不均勻沉陷現(xiàn)象 2 滑坡后壁較高 長滿樹木 壁面穩(wěn)定 找不到擦痕 前緣的斜 坡較緩 土體密實(shí) 無松散坍塌現(xiàn)象 滑坡舌迎河部分多出露含大孤 石的密實(shí)土層 3 河水目前已遠(yuǎn)離滑坡臺(tái)地 在有些臺(tái)地外且已有漫灘階地 4 滑坡兩側(cè)的自然溝谷切割很深 已達(dá)基巖 5 滑坡臺(tái)地的坡腳有清晰的泉水出露 具有下列標(biāo)志時(shí) 滑坡可能處于復(fù)活階段 1 邊坡產(chǎn)生新的裂縫 各種類型的滑坡 裂縫開裂的形狀及部位 是不同的 如堆積層滑坡主要裂縫在平面上是向上彎的弧形裂縫 出 現(xiàn)的部位離邊坡頂較遠(yuǎn)處 有時(shí)竟達(dá)數(shù)十米到數(shù)百米 而巖層滑坡裂 縫多出現(xiàn)在構(gòu)造軟弱線上 常與斷層面或大節(jié)理面一致 裂縫長而貫 通 當(dāng)滑坡帶主要裂縫首先出現(xiàn)在山坡中部 而且張開很寬 錯(cuò)距增 大 在滑坡前緣也出現(xiàn)滑動(dòng)面后 從主要裂縫向上又發(fā)生一弧形裂縫 愈向上裂縫愈小 長度愈短 則顯示是牽引式滑坡 如最上面的一圈 裂縫首先出現(xiàn) 發(fā)展最快 長度最長 則顯示是推動(dòng)式滑坡 如從滑 壁到滑坡前緣都出現(xiàn)連貫成不規(guī)則馬蹄形的裂縫帶 則說明滑坡正在 活動(dòng) 2 雖有滑坡平臺(tái) 但面積不大 有向下緩傾的現(xiàn)象 坡面未夷平 或者山坡表面有不均勻陷落的局部平臺(tái) 參差不齊 3 滑坡地表潮濕 地下水泉發(fā)育 口有新生沖溝 4 滑坡前緣土體松散 有小坍塌 并處于當(dāng)前河流沖刷條件下 5 在平硐勘探中 發(fā)現(xiàn)巖體中有明顯的滑動(dòng)面 并見有擦痕 在 排除斷層或巖石斷裂所產(chǎn)生的擦痕的情況下 此現(xiàn)象可作為滑坡是否 重新復(fù)活的一個(gè)根據(jù) 四 根據(jù)周期性規(guī)律判定促進(jìn)邊坡演變的主導(dǎo)因素促進(jìn)邊坡變形 破壞的各種因素 在地質(zhì)歷史進(jìn)程 4 中都有其周期性變化規(guī)律 例如河流由侵蝕變?yōu)橛俜e 再侵蝕 再淤 積的規(guī)律 地震的周期性出現(xiàn) 氣象 水文的季節(jié)性和多年性變化等 因此 邊坡的演變和發(fā)展也會(huì)具有周期性變化規(guī)律 在某一個(gè)時(shí)期必 然是由某一主導(dǎo)因素所制約的 這樣 追溯邊坡演變的周期性規(guī)律 將有助于判明不同時(shí)期促進(jìn)邊坡演變的主導(dǎo)因素 五 邊坡穩(wěn)定性的區(qū)域性特點(diǎn) 在地質(zhì) 地貌及氣候條件相似地區(qū) 邊坡變形破壞的演變規(guī)律也 會(huì)具有相似性 因而還必須研究邊坡破壞的區(qū)域性規(guī)律 這對評價(jià)區(qū) 域穩(wěn)定性有重要的理論和實(shí)踐意義 除地質(zhì)分析法外 下面簡要介紹其它幾種計(jì)算邊坡的穩(wěn)定性的方法 一 極限平衡理論法計(jì)算邊坡的穩(wěn)定性 1 土質(zhì)邊坡 以極限平衡理論為基礎(chǔ)計(jì)算土坡的穩(wěn)定性 如瑞典條分法 畢肖 普法 泰勒摩擦圓法等 這些方法假定邊坡破壞時(shí)的滑面形態(tài)為圓弧 形 圓柱面形 通過試算或根據(jù)經(jīng)驗(yàn)找出最危險(xiǎn)滑動(dòng)圓弧的中心 邊 坡的穩(wěn)定系數(shù) K 定義為 沿圓弧形滑面的抗滑力和滑動(dòng)力對滑弧圓心 的力矩之比 根據(jù)試驗(yàn)和野外調(diào)查資料 均質(zhì)土坡的滑面多呈圓弧形或接近于 圓弧形 故用瑞典條分法等來計(jì)算均質(zhì)土坡的穩(wěn)定 比較接近實(shí)際 但由于計(jì)算時(shí)作了一些簡化假定 如把滑體作為均質(zhì)剛體考慮 認(rèn)為 滑體本身小變形 滑面簡化為圓弧形 立體問題簡化為平面問題等 并且影響邊坡穩(wěn)定的因素很復(fù)雜 很多計(jì)算參數(shù)是隨機(jī)變量 因此 計(jì)算出的穩(wěn)定系數(shù)實(shí)際上仍屬于定性或半定量指標(biāo)的范疇 必須根據(jù) 邊坡的工程地質(zhì)條件作出綜合的分析 對于非均質(zhì)上坡 滑面的形狀 則決定于土的性狀和結(jié)構(gòu) 2 巖質(zhì)邊坡 巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性計(jì)算必須密切結(jié)合巖體的工程地質(zhì)條件分析 巖 質(zhì)邊坡穩(wěn)定計(jì)算的準(zhǔn)確性 在很大程度上決定于地質(zhì)邊界條件的正確 分析和計(jì)算參數(shù)的正確選取 脫離地質(zhì)分析的巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定計(jì)算 即 使采用的力學(xué)理論很精確 也是徒勞的 為此 首先要弄清邊坡滑體 的邊界條件 以便確定滑體的體型 5 邊坡滑體的邊界條件是指邊坡變形破壞時(shí)的滑動(dòng)面 或可能滑動(dòng)面 切剖面和臨空面的產(chǎn)狀 形狀及受力條件 這些面在邊坡變形破壞時(shí) 構(gòu)成了邊界 受邊坡巖體的地質(zhì)構(gòu)造 巖體結(jié)構(gòu) 邊坡形態(tài)及地貌 地下水 地表水等因素控制 滑動(dòng)面可以由層面 節(jié)理 裂隙 斷層 等有一定延展性的面組成 大部分是較緩的軟弱面 切割面是指邊坡 巖體與其周圍巖體分割開來的面 一般都為高角度的節(jié)理面和構(gòu)造破 裂面 巖質(zhì)邊坡在地質(zhì)條件復(fù)雜的情況下 往往有多組不同產(chǎn)狀的結(jié)構(gòu) 面 因而滑動(dòng)巖體的邊界條件是很復(fù)雜的 以上的計(jì)算方法只用于分析巖質(zhì)邊坡滑動(dòng)破壞最簡單的情況 在 理論上亦存在一定問題 但比較簡便 在初步評價(jià)巖坡穩(wěn)定時(shí) 仍被 廣泛采用 在考慮各種設(shè)計(jì)方案時(shí) 需要切取不同剖面進(jìn)行繁復(fù)的分 析計(jì)算 可以編制程序用計(jì)算機(jī)計(jì)算 二 圖解法 邊坡穩(wěn)定分析的圖解法 按其性質(zhì)可分為兩種 一種是用一定的 曲線和諾模圖來表征邊坡有關(guān)參數(shù)之間的定量關(guān)系 由此求出邊坡的 穩(wěn)定系數(shù) 這是力學(xué)計(jì)算法的簡化 另一種是利用圖解求邊坡變形破 壞的邊界條件 分析軟弱結(jié)構(gòu)面的組合關(guān)系 分析滑體的形態(tài) 滑動(dòng) 方向 評價(jià)邊坡的穩(wěn)定程度 為力學(xué)計(jì)算創(chuàng)造條件 三 有限單元法分析邊坡的穩(wěn)定性 用有限單元法分析邊坡巖體的應(yīng)力分布 位移和塑性區(qū)分布來評 價(jià)邊坡的穩(wěn)定性 已是邊坡穩(wěn)定性工程地質(zhì)評價(jià)中廣泛采用的一種方 法 這個(gè)方法的基本原理和步驟是 將一個(gè)連續(xù)的邊坡巖體 通過離 散化 變換成離散的單元組合體 利用網(wǎng)格剖分 將邊坡 一般采用二 維 剖面體系在形式上劃分為有限個(gè)單元體 假定各單元均為均勻 連 續(xù) 各向同性的完全彈性體 或非線性彈性體 彈塑性體 粘彈塑性體 保持自己的介質(zhì)特征 有自己的物理力學(xué)參數(shù) 各單元由節(jié)點(diǎn)相互連 接 邊坡巖體的內(nèi)力和外力由節(jié)點(diǎn)來傳遞 單元所受的力 按靜力等 效原則移置到節(jié)點(diǎn) 成為節(jié)點(diǎn)力 當(dāng)按位移法求解時(shí) 取各節(jié)點(diǎn)的位 移作為未知數(shù) 按照一定的函數(shù)關(guān)系 求出各節(jié)點(diǎn)位移后 即可進(jìn)一 步求得單元的應(yīng)變與應(yīng)力 有限單 6 元法實(shí)質(zhì)上是一種 化整為零 的計(jì)算方法 單元的形狀一般都采用 簡單的三角形 以便于適應(yīng)邊坡坡面復(fù)雜的邊界形狀 網(wǎng)格的大小 單元的劃分布置 則取決于模擬邊坡各種特定工程地質(zhì)問題的要求和 精度 一般可參照邊坡中層面 斷層面 節(jié)理面等各種結(jié)構(gòu)面的特征 和巖性進(jìn)行劃分 在應(yīng)力變化比較劇烈的部位 單元要?jiǎng)澐值妹芤恍?有限單元法的優(yōu)點(diǎn)在于部分地考慮了邊坡巖體的非均質(zhì)不連續(xù)介 質(zhì)的特性 考慮了巖體彈性和塑性 因而可以避免將坡體視為剛性塊 體過于簡化計(jì)算邊界條件的缺點(diǎn) 能夠較接近實(shí)際地從應(yīng)力應(yīng)變分析 邊坡的變形破壞機(jī)制 并可以直接得出邊坡的位移量和坡體的應(yīng)力分 布 有限單元法分析邊坡穩(wěn)定性的可靠性仍取決于對邊坡的工程地質(zhì) 條件的研究 特別是正確地定出邊坡的巖體結(jié)構(gòu) 邊界條件和選擇巖 體及結(jié)構(gòu)面物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù) 四 工程地質(zhì)類比法 工程地質(zhì)類比法的實(shí)質(zhì)是把已有的自然邊坡或人工邊坡的研究設(shè) 計(jì)經(jīng)驗(yàn) 應(yīng)用到條件相似的新邊坡的研究和人工邊坡的研究設(shè)計(jì)中去 為此 需要對已有邊坡進(jìn)行廣泛的調(diào)查研究 全面分析工程地質(zhì)因素 的相似性和差異性 分析影響邊坡變形發(fā)展的主導(dǎo)因素的相似性和差 異性 此外 還應(yīng)考慮工程的類別 等級以及對邊坡的特征要求等 工程地質(zhì)類比法雖然是一種經(jīng)驗(yàn)方法 但在邊坡設(shè)計(jì)中 特別是中小 型工程的設(shè)計(jì)中 是很通用的一種方法 地質(zhì)分析法是通過邊坡形成的地質(zhì)歷史及所處的自然地質(zhì)環(huán)境的 研究 根據(jù)邊坡的地質(zhì)地貌條件 變形破壞形跡以及影響邊坡穩(wěn)定的 各種因素 對邊坡的演變發(fā)展趨勢和穩(wěn)定性作出評價(jià)和預(yù)測 力學(xué)計(jì) 算方法很多 上述的 二 三 四 種方法均屬于力學(xué)計(jì)算方法 可以根據(jù)邊坡的不同邊界條件和變形破壞的類型采用不同的計(jì)算和評 價(jià)方法 如極限平衡理論法中的圓弧面法 瑞典法 畢肖昔法 薩爾 瑪法 平面及折線形滑動(dòng)面計(jì)算法 二維和三維有限單元法 離散元 法 圖表計(jì)算法 圖解分析法 以赤平投影為基礎(chǔ) 等 工程地質(zhì)類比 法是根據(jù)邊坡的工程地質(zhì)因素分析 7 及已有工程設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)選擇邊坡的穩(wěn)定坡角 地質(zhì)分析法是目前判斷邊坡的重要方法 是邊坡工程的最基本的 分析方法 地質(zhì)分析法最突出的特點(diǎn)是其不確定性 對地質(zhì)現(xiàn)象的判 斷因人而異 工程的安全度完全由人為控制 地質(zhì)條件多變性 信息 的隨機(jī)性 模糊性和不完善性在對邊坡的評價(jià)中都由人控制 每一個(gè) 工程問題 都需要巖土工程師綜合判斷 實(shí)際工作中 對地質(zhì)勘察工作要求非常細(xì)致 每一個(gè)遺漏的地方 都有可能使工程的安全性出問題 在地質(zhì)報(bào)告中對不利的地質(zhì)條件描 述很多 而對其有利的方面卻很少涉及 使設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)時(shí) 過于保 守 有些工程地質(zhì)工作做的較少 地質(zhì)問題沒有查盡 為日后工程留下隱 患 工程質(zhì)量難于控制 影響邊坡穩(wěn)定的因素十分復(fù)雜 用力學(xué)計(jì)算法 評價(jià)邊坡穩(wěn)定性 都是在對自然條件作某些簡化的前提下進(jìn)行的 雖然是定量的計(jì)算結(jié) 果 亦只能作為全面評價(jià)邊坡穩(wěn)定性的參考 大型重要的工程邊坡還通過模型試驗(yàn)法研究在特定邊坡巖體結(jié)構(gòu) 和開挖 處理?xiàng)l件下邊坡巖體的變形與破壞機(jī)制 變形的大致部位和 危害程度 采用的試驗(yàn)方法有塊體結(jié)構(gòu)模型試驗(yàn) 離心模型試驗(yàn)和底 面摩擦試驗(yàn)等 但前兩種耗資大 試驗(yàn)復(fù)雜 僅適用于大型重要工程 由于影響因素的復(fù)雜性和不確定性 通常表征這些影響因素的指 標(biāo) 如裂隙間距 長度 摩擦角凝聚力 地下水埋深等都是隨機(jī)變量 為此 從 20 世紀(jì) 70 年代起在國外發(fā)展了邊坡穩(wěn)定的隨機(jī)性分析 如 蒙特卡羅 Monte Carlo 法 應(yīng)用統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)方法 確定隨機(jī)變量的分布 及密度函數(shù) 并對已知分布的隨機(jī)變量抽樣 最后求出邊坡的破壞概 率 這對克服以極限平衡理論法為基礎(chǔ)的力學(xué)計(jì)算法的不足有很大的 實(shí)用意義 也是可靠度理論在邊坡工程中的最初應(yīng)用 為提高