1、深挖高填邊坡破壞機理與穩(wěn)定性評價方法的研究成果簡介重慶交通科研設(shè)計院解放軍后期工程學(xué)院成都理工大學(xué)貴州省交通勘察設(shè)計研究院長沙理工大學(xué)天津大學(xué)引言盡管高等級公路在我國的建設(shè)歷史已近20年，山區(qū)高等級公路的建設(shè)也有10年的歷史，但深挖高填路基邊坡的穩(wěn)定性一直沒有得到很好的解決，已建和在建高等級公路的邊坡均不同程度地出現(xiàn)了破壞，導(dǎo)致在公路建設(shè)及養(yǎng)護期間花費大量的人力和財力進行處治，在公路運營期，還嚴重阻礙交通和影響行車安全，破壞環(huán)境景觀和生態(tài)平衡，嚴重制約和阻礙了山區(qū)高等級公路的進一步發(fā)展。引起高邊坡破壞的原因是多方面的。除地質(zhì)條件復(fù)雜多變性等客觀因素外，對邊坡破壞機理認識不足和穩(wěn)定性評價方法不完

2、善也是主要原因之一。對邊坡破壞機理和穩(wěn)定性評價方法，國內(nèi)外進行了不少的研究。如何結(jié)合公路邊坡的環(huán)境條件、使用要求、技術(shù)水平，研究提出邊坡穩(wěn)定性評價方法，是面臨和必須解決的關(guān)鍵問題。本項目為2001年度西部交通建設(shè)科技項目（合同號：2001-318-000-23）,歷時3年多，在邊坡破壞機理與穩(wěn)定性評價方法兩大方面展開研究，旨在研究解決路堤邊坡和路塹邊坡破壞機理、邊坡穩(wěn)定性分析方法、路塹邊坡巖體力學(xué)參數(shù)、路堤和路塹邊坡穩(wěn)定性評價方法等關(guān)鍵性技術(shù)問題。1 .主要研究內(nèi)容本項目主要圍繞以下的內(nèi)容開展研究。(1)高填路堤邊坡破壞機理的研究(2)深挖路塹邊坡破壞機理的研究(3)路堤邊坡穩(wěn)定性評價方法的研

3、究(4)路塹邊坡穩(wěn)定性評價方法的研究通過本項目的研究，達到對邊坡破壞形態(tài)及規(guī)律有較清楚的認識，提出包括穩(wěn)定性分析方法、巖土物理力學(xué)參數(shù)和穩(wěn)定安全系數(shù)等在內(nèi)的深挖高填邊坡穩(wěn)定性評價方法，達到完善現(xiàn)有設(shè)計方法、促進行業(yè)技術(shù)進步、減少工程破壞和隱患的目的。2 .取得的主要科技成果項目組經(jīng)過3年多的努力工作，完成了合同所規(guī)定的各項研究任務(wù)，取得了較為豐碩的研究成果。2.1 高填路堤邊坡破壞機理弄清了高填路堤的主要破壞型式以及影響路堤穩(wěn)定性的主要因素，得出了典型高填路堤的變形與破壞規(guī)律，揭示了高填路堤邊坡破壞機理，為建立高填路堤穩(wěn)定性評價方法、合理應(yīng)用處治方法奠定了堅實基礎(chǔ)。(1)通過對四川、貴州、山西

4、、云南等地69個高填路堤所處地基條件、病害及發(fā)生病害的原因等進行的廣泛調(diào)查分析，以及與設(shè)計、施工、養(yǎng)護等部門有關(guān)工程技術(shù)人員的交流，得出：地基土的勘探與試驗、填料的試驗、穩(wěn)定性分析、路堤內(nèi)部排水是目前路堤工程的薄弱環(huán)節(jié)；不均勻變形是高填路堤穩(wěn)定性不足的重要表現(xiàn)，在高填路堤中也更為普遍；將復(fù)雜高填路堤存在型式歸納為平坦地基上的高路堤、斜坡地基上的高路堤和折線型地基上的高路堤3種典型型式。(2)采用有限元數(shù)值模擬分析方法，對所歸納的3種典型型式高填路堤，進行了不同地基條件、不同路堤與地基接觸面條件、不同邊坡比例與構(gòu)成、不同地下水分布位置、不同填筑速率情況下的變形和破壞特征的仿真分析，得出了影響高路

5、堤破壞形態(tài)的主要因素和主要滑動破壞形式。2.2 深挖路塹邊坡破壞機理查明了公路路塹邊坡巖體，尤其是西南地區(qū)路塹邊坡巖體的主要結(jié)構(gòu)特征，歸納出路塹邊坡主要變形破壞模式、主要影響因素，以及邊坡穩(wěn)定性的主控地層和結(jié)構(gòu)面，得出了典型邊坡開挖后的變形與破壞形態(tài)，揭示了深挖路塹邊坡破壞機理。為深挖路塹邊坡穩(wěn)定性評價方法的建立與發(fā)展奠定了堅實基礎(chǔ)。(1)對貴州、湖南、四川130多個深挖路塹邊坡所處地質(zhì)環(huán)境、巖性、邊坡破壞型式、誘發(fā)破壞的因素等進行了廣泛的調(diào)查分析，得出:發(fā)生破壞的邊坡巖體主要為散體和碎裂結(jié)構(gòu)；西南地區(qū)常見的煤系地層多以夾心型、互層型或軟弱基座型的組合形式出現(xiàn)，炭質(zhì)泥巖和煤層是典型的控穩(wěn)地層和

6、控穩(wěn)軟弱帶；紅層中的砂泥巖以軟硬相間的形式出現(xiàn)，泥巖(頁巖)是主要的控穩(wěn)地層。層狀堅硬巖體的層面是路塹邊坡穩(wěn)定性的重要控制結(jié)構(gòu)面，順向邊坡中的層面對穩(wěn)定性的控制特別突出?，F(xiàn)場調(diào)研(2)在廣泛調(diào)查的基礎(chǔ)上，從工程地質(zhì)學(xué)的角度分析歸納了邊坡的破壞機制，得出：公路路塹邊坡呈現(xiàn)出多種破壞形式，變形破壞模式主要有滑移-拉裂，滑移-剪切，蠕滑-拉裂，塑流-拉裂等4類?；瑒悠茐氖锹穳q邊坡整體破壞的主要形式。(3)采用底摩擦模擬試驗和數(shù)值模擬分析方法，對均質(zhì)邊坡、不同巖層傾角層狀邊坡、二元結(jié)構(gòu)邊坡的變形和破壞特征進行了開挖歷程的仿真分析研究，得出了巖體結(jié)構(gòu)對邊坡破壞模式的影響。底摩擦模擬試驗2.3 邊坡穩(wěn)定性

7、分析的極限平衡法盡管提出了各種各樣的方法對邊坡穩(wěn)定性進行分析，但極限平衡法仍然是邊坡穩(wěn)定性分析的主流方法。因此，對極限平衡法進行了深入的研究。在分析對比的基礎(chǔ)上，建立了非常實用的極限平衡條分法穩(wěn)定系數(shù)統(tǒng)一求解格式，提出了適合公路邊坡穩(wěn)定性的計算理論與方法。無論對實際工程的應(yīng)用，還是對邊坡穩(wěn)定性計算方法的確立都具有十分重要的意義。(1)根據(jù)平衡條件的不同的組合，將現(xiàn)有極限平衡條分法分為四種類型，對條間力的假定表示成統(tǒng)一形式，根據(jù)條塊力與力矩的平衡，推導(dǎo)出十分簡明的條間力與條間力矩遞推方程，建立起各類極限平衡條分法穩(wěn)定系數(shù)統(tǒng)一求解格式，為各種方法間的比較、聯(lián)系和計算程序的編制提供了極大的方便。(2

8、)通過算例和實際工程的分析，得出：對于圓弧滑動面，簡化Bishop法是具有足夠精度的工程實用計算方法；對于任意形狀滑動面，只有嚴格條分法才能得到合理的穩(wěn)定系數(shù)，可采用Morgenstern-Price法或Spencer法。不平衡推力法也可適用于任意滑面，但當每條塊下滑面夾角較大時，應(yīng)對滑面作某些調(diào)整。2.4 路堤穩(wěn)定性評價方法要建立路堤穩(wěn)定性分析評價方法，必須研究解決穩(wěn)定性計算方法、計算參數(shù)和穩(wěn)定安全系數(shù)三方面的關(guān)鍵問題?，F(xiàn)有穩(wěn)定性評價方法雖然也涉及到這三方面內(nèi)容，但存在：穩(wěn)定性計算方法不明確、土性強度參數(shù)獲取方法不確定、穩(wěn)定安全系數(shù)不配套等問題。(1)在對邊坡穩(wěn)定性分析方法和對地基土強度指標

9、特性分析的基礎(chǔ)上，提出了基于簡化Bishop法，采用地基土平均固結(jié)度和固結(jié)快剪指標表達的實用表達式。使路堤邊坡的穩(wěn)定性分析結(jié)果更為準確，也較方便，施工期路堤的穩(wěn)定性也可得到更有效的監(jiān)控。(2)高路堤坡面寬闊，雨水常常引起邊坡淺層滑動，進而誘發(fā)邊坡的漸進性破壞，導(dǎo)致路堤整體失穩(wěn)，因此，應(yīng)重視雨水滲流情況下的路堤穩(wěn)定性分析。采用室內(nèi)模型試驗方法，得到了雨水在路堤邊坡坡面上的滲流浸潤形態(tài)；根據(jù)對實際工程不同時期含水量的實測結(jié)果分析，得到了雨水的一般影響深度。以簡化畢肖普法為基礎(chǔ)，采用有效應(yīng)力觀點，建立了考慮雨水滲流的路堤邊坡穩(wěn)定性計算方法。計算結(jié)果表明：考慮雨水滲流后，邊坡淺層滑動的穩(wěn)定系數(shù)降低了3

10、0%左右。(3)高填路堤填料多為土石混合填料，推薦采用大型三軸不排水試驗方法確定填土強度參數(shù)。根據(jù)對全國多條高速公路高填路堤施工前后含水量、壓實度測試結(jié)果，結(jié)合目前國內(nèi)外相關(guān)行業(yè)的成果，提出了填土抗剪強度參數(shù)試驗時，試樣制備密度和含水量要求。解決了填土抗剪強度參數(shù)試驗的關(guān)鍵性問題。(4)土巖接觸面是斜坡路堤穩(wěn)定性的控制面之一。項目采用室內(nèi)大型直剪模擬試驗對土巖接觸面的強度特性進行了研究，提出了衡量接觸面粗糙度的指標，為通過室內(nèi)試驗方法獲得接觸面剪切強度參數(shù)確立了合適的試驗條件和方法。(5)對多條高等級公路高填路堤進行了穩(wěn)定性計算分析，結(jié)合失穩(wěn)概率、費用和目前相關(guān)規(guī)范安全系數(shù)取值情況，提出了與推

11、薦的穩(wěn)定性計算方法配套的路堤穩(wěn)定安全系數(shù)。通過對穩(wěn)定性計算方法、填土強度參數(shù)和土巖接觸面強度參數(shù)獲取方法、穩(wěn)定安全系數(shù)等關(guān)鍵環(huán)節(jié)和問題的研究，系統(tǒng)地建立了高填路堤邊坡穩(wěn)定性評價方法。2.5 路塹邊坡穩(wěn)定性評價方法路塹邊坡穩(wěn)定性評價也需要解決穩(wěn)定性計算方法、計算參數(shù)和穩(wěn)定安全系數(shù)三方面的關(guān)鍵問題。由于邊坡巖土體性質(zhì)不能控制，只能認識，因此，路塹邊坡穩(wěn)定性評價較之路堤更為復(fù)雜。在穩(wěn)定性計算方法上，對土質(zhì)邊坡、類土質(zhì)的破碎風(fēng)化嚴重的巖質(zhì)邊坡，具有確定任意形狀滑動面的邊坡，可以采用極限平衡法進行穩(wěn)定性計算分析，但對無法判定滑動面、或只能確定局部可能滑動面的巖體邊坡，必須尋求建立合適的方法。在巖體力學(xué)參

12、數(shù)上，針對公路量多面廣、地質(zhì)勘探量相對較少的特點，必須尋求合適的邊坡巖體力學(xué)參數(shù)確定方法。2.5.1 路塹邊坡穩(wěn)定性分析方法引入有限元強度折減系數(shù)法，建立了邊坡穩(wěn)定性的非線性有限元分析方法，使有限元技術(shù)可以有效的分析邊坡穩(wěn)定問題。為邊坡特別是無法判定滑動面、或只能確定局部可能滑動面的巖體邊坡穩(wěn)定分析開辟了新的途徑，在分析手段上獲得重大突破。（1）對非線性有限元強度折減系數(shù)法的計算精度及其影響因素進行了詳細分析，提出在廣義米賽斯條件下采用鄭穎人（1990）提出的莫爾-庫侖等面積圓屈服準則來代替?zhèn)鹘y(tǒng)極限平衡方法中采用的莫爾-庫侖強度準則，所求得的穩(wěn)定系數(shù)與簡化Bishop法的誤差為38%,與Spe

13、ncer法的誤差為17%,證實了其實用于工程的可行性。有限元強度折減法可以自動求得邊坡的危險滑動面以及相應(yīng)的穩(wěn)定系數(shù)，解決了如何將有限元計算結(jié)果與傳統(tǒng)方法計算結(jié)果的接軌問題。（2）采用彈塑性有限元強度折減法可以模擬施工過程的影響，充分反映了支擋結(jié)構(gòu)和巖（土）體的相互作用，直接計算出支擋結(jié)構(gòu)的內(nèi)力，是計算滑（邊）坡支擋結(jié)構(gòu)內(nèi)力最合理的方法。通過在依托工程中的應(yīng)用，驗證了這種方法的可行性，所計算分析的滑動面與實際情況接近。非線性有限元強度折減系數(shù)法分析邊坡穩(wěn)定性2.5.2 邊坡巖體力學(xué)參數(shù)采用調(diào)研、現(xiàn)場試驗和室內(nèi)試驗等方法，對邊坡巖體結(jié)構(gòu)面及巖體質(zhì)量分類、軟弱夾層力學(xué)參數(shù)的變化規(guī)律、硬性結(jié)構(gòu)面抗剪

14、強度預(yù)測方法、巖體強度參數(shù)和變形參數(shù)的間接獲取方法等進行了研究。引入模糊數(shù)學(xué)和神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)處理方法，分別處理巖體強度參數(shù)和變形參數(shù)，建立了一套簡易適用的公路路塹邊坡巖體力學(xué)參數(shù)獲取方法，無論在理論上，還是對實際工程的應(yīng)用都意義重大。(1)在現(xiàn)場調(diào)研和資料收集的基礎(chǔ)上，分析和歸納了西南地區(qū)公路建設(shè)中經(jīng)常遇到的紅層區(qū)和灰?guī)r煤系地層區(qū)的結(jié)構(gòu)類型、巖體質(zhì)量類別。結(jié)合公路路塹邊坡的特點，提出了巖體結(jié)構(gòu)面工程類型劃分的方案。(2)二、三疊系煤系地層中的中薄層炭質(zhì)泥巖是西南地區(qū)路塹公路邊坡工程中常見的一種控穩(wěn)軟弱層。通過試驗研究，首次建立了貴州地區(qū)炭質(zhì)泥巖抗剪強度參數(shù)與其含水狀態(tài)(含水率)問的相關(guān)關(guān)系，為這類

15、控穩(wěn)軟弱層力學(xué)參數(shù)的取值提供了簡易方法。(3)滑帶土的力學(xué)性能在路塹滑坡穩(wěn)定性分析和治理工程設(shè)計中具有重要的工程意義。從控制滑帶土強度的主要因素指標出發(fā)，尋找出了滑帶土抗剪強度參數(shù)與其控制因素指標一干密度、含水率、孔隙比之間的統(tǒng)計關(guān)系式，為西南地區(qū)類似條件下路塹滑坡治理設(shè)計過程中力學(xué)參數(shù)的合理確定提供了可供操作的快捷、簡便方法。(4)針對深挖路塹邊坡的特點，改進了傳統(tǒng)的JCS-JRC模型，建立了簡便、快捷獲得硬性結(jié)構(gòu)面峰值抗剪強度的公式。將該方法運用于調(diào)研區(qū)部分典型邊坡硬性層面的工程實例，并與直剪試驗結(jié)果進行對比，結(jié)果較為理想，平均誤差僅11.44%。這種簡便獲取硬性結(jié)構(gòu)面抗剪強度的方法具有較

16、好的應(yīng)用前景。(5)分別建立了巖體質(zhì)量特征指標與巖體抗剪斷摩擦系數(shù)f'、抗剪摩擦系數(shù)f之間的相關(guān)關(guān)系，與巖體變形模量E0之間的相關(guān)關(guān)系。這些統(tǒng)計關(guān)系為路塹邊坡巖體力學(xué)參數(shù)的快速預(yù)測和評價提供了新的思路和途徑，從而可將巖體“點”上的力學(xué)參數(shù)向“面”上推廣，方便在路塹邊坡巖體工程中推廣使用。現(xiàn)場大型直剪試驗項目組在新街子依托工程現(xiàn)場(6)運用模糊數(shù)學(xué)理論，參考已有的工程經(jīng)驗，對巖塊力學(xué)參數(shù)與巖體力學(xué)參數(shù)兩者之間的折減關(guān)系進行了模糊處理，結(jié)果表明：該方法對評價巖體力學(xué)參數(shù)具有較好的實用性。將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法引入巖體力學(xué)參數(shù)的預(yù)測、評價和優(yōu)化處理中，較好地考慮了巖體的定性描述和定量指標，有效地利用

17、了工程地質(zhì)資料和已經(jīng)取得的試驗研究成果，為巖體力學(xué)參數(shù)的預(yù)測、評價和綜合取值提供了一種實用的方法。(7)采用多種途徑和方法對典型路塹邊坡巖體的力學(xué)參數(shù)進行了詳細研究。通過模糊綜合評判和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化處理以及綜合取值，獲得了研究區(qū)各典型路塹邊坡巖體力學(xué)參數(shù)的建議值，可供實際工程參考采用。通過對現(xiàn)有邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)取值的分析，推薦出路塹邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)?；谶吰路€(wěn)定性計算分析方法、邊坡巖體力學(xué)參數(shù)研究的成果，與所推薦的邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)，建立了一套較為完善的路塹邊坡穩(wěn)定性評價方法。本項目獲得的成果得到了實際工程的驗證，為依托工程穩(wěn)定性判識、處治方案的確定提供了有力的技術(shù)支撐，確保了工程的成功實施。3,

18、成果所產(chǎn)生的影響(1)在各種公開發(fā)行的技術(shù)刊物上共發(fā)表學(xué)術(shù)論文6篇，在重慶、貴州、湖南舉行了3次學(xué)術(shù)會議，宣傳所取得的成果，供類似工程借鑒采用。(2)路堤穩(wěn)定性計算方法、填土強度參數(shù)試驗方法、穩(wěn)定安全系數(shù)，路塹邊坡穩(wěn)定性計算方法、穩(wěn)定安全系數(shù)等成果已被新修訂出版的行業(yè)標準公路路基設(shè)計規(guī)范(JTGD30-2004)所采用。(3)路塹邊坡破壞機理、邊坡巖體力學(xué)參數(shù)、邊坡穩(wěn)定性計算方法和有限元強度折減法等在3個依托工程中得到應(yīng)用，為3個依托工程的滑動面確定、穩(wěn)定性判識、處治措施的確立與采用奠定了堅實基礎(chǔ)，在技術(shù)上保證了依托工程的順利實施。(4)路堤破壞機理分析成果被應(yīng)用于貴州在建的遵崇高速公路桐子立交高填路堤中，為路堤地基處治方案的確定奠定了基礎(chǔ)。(5)依托本項目，為西部交通建設(shè)培養(yǎng)了大量的科技人才。通過本項目培養(yǎng)的博士有3人、碩士有10多人，成為博士生的5人。有4人獲得了副高職稱