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摘要: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、特点及优缺点
等进行的阐述。这些方法包括:(1)定性分析方法,如自然(成因)历史分析法、工程类比法、图解法、SMR法等;(2)定量分析方法,如多种极限平衡分析法、多种数值分析方法等。对边坡工程常用稳定分析方法进行综述。
关键词:边坡稳定性;定性分析;定量分析
中图分类号:U417.9 文献标志码:A
随着社会经济的快速发展,原有的交通道路已经无法满足人们生活生产的需求,于是人们对交通运输提出了更为严格的要求。80年代前,我国的公路以低等级公路为主,路基边坡问题较少,并没有引起足够的重视。90年代后,我国修建大量的高等级公路,但仍然采用低等级公路的边坡工程技术或者参照铁道修筑过程中的一些经验来进行边坡问题的处理,留下了大量的隐患,严重破坏公路沿线的生态平衡。90年代末,我国公路建设进入了一个高速发展的阶段,因此道路边坡问题也逐渐的受到重视,各地的道路建设者在公路路基边坡的防护与加固问题上进行了孜孜不倦的探索研究。
1边坡稳定性影响因子
当边坡成型后,多会受到自然环境或人为环境的影响,导致边坡稳定性减低,造成崩塌破坏。边坡失稳的原因大致可以分为潜在影响因子和诱发影响因子两类。
1.1潜在影响因子
1.1.1地形因子
现今地形的呈现多是由自然或人为因素所造成,在地形的表现上包括坡高、坡宽、坡度及坡向等。而这些因子将决定边坡建成后会受到环境的影响程度。
1.1.2地质材料因子
边坡主要由单一或多种地质材料所组成,材料特性的优劣,将直接影响边坡的稳定性,地质材料的组成成分包括矿物的种类、组织、胶结状况、成岩时间等,其外在的表现则为岩性、土壤种类、力学强度及抗风化能力。
1.2诱发影响因子
1.2.1环境因子
由于环境因子[1]涵盖范围较广,下面主要针对降雨、地下水、风化与侵蚀作用及地震等对边坡稳定性造成的影响,逐一加以介绍。
1)降雨:水是造成边坡破坏的主要因素之一,由于降雨后易使地表材料软化降低强度,并增加孔隙水压,降低边坡稳定。同时雨水通过渗透作用会促使地下水位升高,导致边坡失稳。
2)地下水:地下水对边坡造成的不利影响包括:水压作用于垂直裂缝,产生水平推力,使得岩坡或土坡被推向下方;对页状矿物,尤其是黏土矿物,产生润滑作用,使得抗滑动的能力降低;改变物理及化学性质,使得岩质、土质变坏,降低强度,使得边坡失稳。
1.2.2人为因子
因人为活动造成边坡失稳的影响因素称为人为因子,如道路开挖、山坡地开发、爆破、采矿及开垦等。
1)山坡地不当开发:目前山坡地不当使用会造成地形和自然植被的改变,边坡坡度因挖、填而变陡,加上自然植被乱砍乱伐,导致边坡失去水土保持的功能,加速边坡崩塌事故的发生。
2)不当加载[2]:当边坡在坡阶或坡顶上有不当加载时,将导致下滑力增加,当超过自身及保护设施所能提供的抵抗力时,将容易形成边坡破坏。
2边坡的稳定性分析
2.1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,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和解释。其优点是综合考虑影响边坡稳定性的多种因素,快速评价边坡的稳定状况及其发展趋势。
2.1.1自然(成因)历史分析法[3]
该方法主要根据边坡发育的地质环境、边坡发育历史中的各种变形破坏迹象及其基本规律和稳定性影响因素等的分析,追溯边坡演变的全过程,对边坡稳定性的总体状况、趋势和区域性特征作出评价和预测。
2.1.2工程类比法[4]
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。它需要对已有的边坡和目前的研究对象进行广泛的调查分析,全面研究工程地质因素的相似性和差异性,并分析它们可能的变形破坏机制、方式的相似性和差异性,兼顾工程的等级、类别等的特殊要求。
2.1.4图解法
1)诺模图法
该法就是利用一定的诺模图或关系曲线来表征与边坡稳定有关参数间的关系,并由此求出边坡稳定安全系数的方法。它目前主要用于土质或全强风化的具有弧形破坏面的边坡稳定性分析。
2)投影图法[5]
该法就是利用赤平极射投影的原理,通过作图来直观地表示出边坡变形破坏的边界条件,分析可能失稳岩土体形态及其滑动方向。常用的有赤平极射投影图法、实体比例投影图法等。主要用于岩质边坡岩体的稳定性分析。
2.1.5 SMR方法
岩体质量能够综合反映岩体中各种主要特征参数对岩体稳定性的影响效果,它有助于我们分析岩体工程的稳定性。SMR法在Binia wski Z T提出的RMR岩体质量评价方法的基础上,综合考虑边坡工程中不连续面产状与坡面间的组合关系提出了边坡岩体质量优劣计算公式。SMR即为边坡岩体质量优劣的最终得分值。
2.2定量分析方法
在针对边坡问题的处理上,对边坡稳定性的分析还不能达到完全定量分析水平,就目前的边坡稳定性分析现状而言,边坡的定量分析只能算是半定量的分析方法。以下是对路基边坡定量分析的集中分析方法:
2.2.1极限平衡分析法
对边坡稳定性的定量分析中,最常用的分析方法就是极限平衡法,极限平衡法主要是通过分析边坡在濒临破坏的情况下,土体的外力和内部应力之间的平衡,计算土体在自身和外力作用下的土坡稳定性程度。
2.2.2极限平衡法
极限平衡法在边坡工程应用中,仍是边坡稳定性分析应用较广的定量分析方法。它是基于摩尔-库仑强度准则,建立力矩平衡,给出抗滑力与下滑力的关系式求出安全系数。常用的极限平衡法有瑞典条分法、毕肖普法、简布法、传递系数法、萨尔玛法Sarma法[6-7]。
2.2.3数值法
该法60年代被引入到边坡稳定性分析中,其突出特点是有利于处理非线性、非均质、复杂边界边坡的稳定性分析,包括有限元法、边界元法、快速拉格朗日法、离散元法、不连续变形分析法、流形元法、塊体理论、无单元法。
2.3非确定性评价法
边坡稳定的影响因素纵多,有时候很难确定是哪个或哪些变量影响边坡稳定,难以用常规的定量或定性的方法来分析。此时,可以借助、非确定性的评价方法:模糊综合评价法、可靠度评价方法、灰色系统评价方法。模糊综合评价法主要应用于大型边坡的整体稳定性评价。
3结语
边坡稳定性评价分析工作最终目的是正确合理地对边坡稳定性程度进行评价、预测其未来发展趋势,并为优化治理方案提供相关数据。随着人们对边坡破坏变形力学机制、力学参数合理选取以及评价方法理论等研究的不断深入,相信边坡稳定分析评价方法会不断完善,实现准确、高效、经济地服务于边坡工程的目标。
参考文献
[1]肖文德,李伟,方云进水对边坡稳定的影响[J].山西建筑,2005,31(1):62-64.
[2]郑益民.高等级公路边坡综合防护研究[J].路基工程,2005,(6):19-21.
[3]祝玉学.边坡可靠性分析[M].冶金工业出版社,1993
[4]高大钊.土力学可靠原理[M].北京:中国建筑工业出版社,1989.
[5]孙玉科,牟会宠,姚宝魁.边坡岩石稳定性分析[M].科学出版,1998:50-59.
[6]崔政权,李宁.边坡工程-理论与实践最新发展[M].北京:中国水利水电出版社,1999.
[7]Hoek E. General two dimensional slope stability analysis. Analytical and Computational Methods in Engineering Rock Mechanics[C]. Allen and Unwin, London,1987.
作者简介:黄坚明(1988-),男,在读硕士。
等进行的阐述。这些方法包括:(1)定性分析方法,如自然(成因)历史分析法、工程类比法、图解法、SMR法等;(2)定量分析方法,如多种极限平衡分析法、多种数值分析方法等。对边坡工程常用稳定分析方法进行综述。
关键词:边坡稳定性;定性分析;定量分析
中图分类号:U417.9 文献标志码:A
随着社会经济的快速发展,原有的交通道路已经无法满足人们生活生产的需求,于是人们对交通运输提出了更为严格的要求。80年代前,我国的公路以低等级公路为主,路基边坡问题较少,并没有引起足够的重视。90年代后,我国修建大量的高等级公路,但仍然采用低等级公路的边坡工程技术或者参照铁道修筑过程中的一些经验来进行边坡问题的处理,留下了大量的隐患,严重破坏公路沿线的生态平衡。90年代末,我国公路建设进入了一个高速发展的阶段,因此道路边坡问题也逐渐的受到重视,各地的道路建设者在公路路基边坡的防护与加固问题上进行了孜孜不倦的探索研究。
1边坡稳定性影响因子
当边坡成型后,多会受到自然环境或人为环境的影响,导致边坡稳定性减低,造成崩塌破坏。边坡失稳的原因大致可以分为潜在影响因子和诱发影响因子两类。
1.1潜在影响因子
1.1.1地形因子
现今地形的呈现多是由自然或人为因素所造成,在地形的表现上包括坡高、坡宽、坡度及坡向等。而这些因子将决定边坡建成后会受到环境的影响程度。
1.1.2地质材料因子
边坡主要由单一或多种地质材料所组成,材料特性的优劣,将直接影响边坡的稳定性,地质材料的组成成分包括矿物的种类、组织、胶结状况、成岩时间等,其外在的表现则为岩性、土壤种类、力学强度及抗风化能力。
1.2诱发影响因子
1.2.1环境因子
由于环境因子[1]涵盖范围较广,下面主要针对降雨、地下水、风化与侵蚀作用及地震等对边坡稳定性造成的影响,逐一加以介绍。
1)降雨:水是造成边坡破坏的主要因素之一,由于降雨后易使地表材料软化降低强度,并增加孔隙水压,降低边坡稳定。同时雨水通过渗透作用会促使地下水位升高,导致边坡失稳。
2)地下水:地下水对边坡造成的不利影响包括:水压作用于垂直裂缝,产生水平推力,使得岩坡或土坡被推向下方;对页状矿物,尤其是黏土矿物,产生润滑作用,使得抗滑动的能力降低;改变物理及化学性质,使得岩质、土质变坏,降低强度,使得边坡失稳。
1.2.2人为因子
因人为活动造成边坡失稳的影响因素称为人为因子,如道路开挖、山坡地开发、爆破、采矿及开垦等。
1)山坡地不当开发:目前山坡地不当使用会造成地形和自然植被的改变,边坡坡度因挖、填而变陡,加上自然植被乱砍乱伐,导致边坡失去水土保持的功能,加速边坡崩塌事故的发生。
2)不当加载[2]:当边坡在坡阶或坡顶上有不当加载时,将导致下滑力增加,当超过自身及保护设施所能提供的抵抗力时,将容易形成边坡破坏。
2边坡的稳定性分析
2.1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,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和解释。其优点是综合考虑影响边坡稳定性的多种因素,快速评价边坡的稳定状况及其发展趋势。
2.1.1自然(成因)历史分析法[3]
该方法主要根据边坡发育的地质环境、边坡发育历史中的各种变形破坏迹象及其基本规律和稳定性影响因素等的分析,追溯边坡演变的全过程,对边坡稳定性的总体状况、趋势和区域性特征作出评价和预测。
2.1.2工程类比法[4]
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。它需要对已有的边坡和目前的研究对象进行广泛的调查分析,全面研究工程地质因素的相似性和差异性,并分析它们可能的变形破坏机制、方式的相似性和差异性,兼顾工程的等级、类别等的特殊要求。
2.1.4图解法
1)诺模图法
该法就是利用一定的诺模图或关系曲线来表征与边坡稳定有关参数间的关系,并由此求出边坡稳定安全系数的方法。它目前主要用于土质或全强风化的具有弧形破坏面的边坡稳定性分析。
2)投影图法[5]
该法就是利用赤平极射投影的原理,通过作图来直观地表示出边坡变形破坏的边界条件,分析可能失稳岩土体形态及其滑动方向。常用的有赤平极射投影图法、实体比例投影图法等。主要用于岩质边坡岩体的稳定性分析。
2.1.5 SMR方法
岩体质量能够综合反映岩体中各种主要特征参数对岩体稳定性的影响效果,它有助于我们分析岩体工程的稳定性。SMR法在Binia wski Z T提出的RMR岩体质量评价方法的基础上,综合考虑边坡工程中不连续面产状与坡面间的组合关系提出了边坡岩体质量优劣计算公式。SMR即为边坡岩体质量优劣的最终得分值。
2.2定量分析方法
在针对边坡问题的处理上,对边坡稳定性的分析还不能达到完全定量分析水平,就目前的边坡稳定性分析现状而言,边坡的定量分析只能算是半定量的分析方法。以下是对路基边坡定量分析的集中分析方法:
2.2.1极限平衡分析法
对边坡稳定性的定量分析中,最常用的分析方法就是极限平衡法,极限平衡法主要是通过分析边坡在濒临破坏的情况下,土体的外力和内部应力之间的平衡,计算土体在自身和外力作用下的土坡稳定性程度。
2.2.2极限平衡法
极限平衡法在边坡工程应用中,仍是边坡稳定性分析应用较广的定量分析方法。它是基于摩尔-库仑强度准则,建立力矩平衡,给出抗滑力与下滑力的关系式求出安全系数。常用的极限平衡法有瑞典条分法、毕肖普法、简布法、传递系数法、萨尔玛法Sarma法[6-7]。
2.2.3数值法
该法60年代被引入到边坡稳定性分析中,其突出特点是有利于处理非线性、非均质、复杂边界边坡的稳定性分析,包括有限元法、边界元法、快速拉格朗日法、离散元法、不连续变形分析法、流形元法、塊体理论、无单元法。
2.3非确定性评价法
边坡稳定的影响因素纵多,有时候很难确定是哪个或哪些变量影响边坡稳定,难以用常规的定量或定性的方法来分析。此时,可以借助、非确定性的评价方法:模糊综合评价法、可靠度评价方法、灰色系统评价方法。模糊综合评价法主要应用于大型边坡的整体稳定性评价。
3结语
边坡稳定性评价分析工作最终目的是正确合理地对边坡稳定性程度进行评价、预测其未来发展趋势,并为优化治理方案提供相关数据。随着人们对边坡破坏变形力学机制、力学参数合理选取以及评价方法理论等研究的不断深入,相信边坡稳定分析评价方法会不断完善,实现准确、高效、经济地服务于边坡工程的目标。
参考文献
[1]肖文德,李伟,方云进水对边坡稳定的影响[J].山西建筑,2005,31(1):62-64.
[2]郑益民.高等级公路边坡综合防护研究[J].路基工程,2005,(6):19-21.
[3]祝玉学.边坡可靠性分析[M].冶金工业出版社,1993
[4]高大钊.土力学可靠原理[M].北京:中国建筑工业出版社,1989.
[5]孙玉科,牟会宠,姚宝魁.边坡岩石稳定性分析[M].科学出版,1998:50-59.
[6]崔政权,李宁.边坡工程-理论与实践最新发展[M].北京:中国水利水电出版社,1999.
[7]Hoek E. General two dimensional slope stability analysis. Analytical and Computational Methods in Engineering Rock Mechanics[C]. Allen and Unwin, London,1987.
作者简介:黄坚明(1988-),男,在读硕士。