邊坡穩(wěn)定性影響因素及評價方法

王 浩

(黑龍江省高速公路建設(shè)局)

1 影響邊坡穩(wěn)定性的因素

1.1 內(nèi)部因素

(1)巖土性質(zhì)和類型

巖性對邊坡的穩(wěn)定及其邊坡的坡高和坡角起重要的控制作用。堅硬完整的塊狀或厚層狀巖石如花崗巖、石灰?guī)r、礫巖等可以形成數(shù)百米的陡坡，如長江三峽峽谷。而在淤泥或淤泥質(zhì)軟土地段，由于淤泥的塑性流動，幾乎難以開挖渠道，邊坡隨挖隨塌，難以成形。黃土邊坡在干旱時，可以直立陡峻，但一經(jīng)水浸土的強度大減，變形急劇，滑動速度快，規(guī)模和動能巨大，破壞力強且有崩塌性。松散地層邊坡的坡度較緩。

(2)地質(zhì)構(gòu)造和巖體結(jié)構(gòu)的影響

表現(xiàn)為結(jié)構(gòu)面的發(fā)育程度、規(guī)模、連通性、充填程度及充填物成分和結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)生狀態(tài)對邊坡穩(wěn)定性的影響。在評價結(jié)構(gòu)面對邊坡穩(wěn)定性的影響時，要特別注意結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)生狀態(tài)與邊坡面的相互關(guān)系。在區(qū)域構(gòu)造比較復(fù)雜，褶皺比較強烈，新構(gòu)造運動比較活動的地區(qū)，邊坡穩(wěn)定性差。反向傾斜層狀結(jié)構(gòu)的邊坡通常較穩(wěn)定，但垂直層面或片理面的走向節(jié)理發(fā)育且順山坡傾斜，則亦易產(chǎn)生切層滑坡。

1.2 外部因素

(1)水的作用

地表水和地下水是影響邊坡穩(wěn)定性的重要因素。不少滑坡的典型實例都與水的作用有關(guān)或者水是滑坡的觸發(fā)因素，處于水下的透水邊坡將承受水的浮托力的作用，而不透水的邊坡，將承受靜水壓力;充水的張開裂隙將承受裂隙水靜水壓力的作用;地下水的滲流，將對邊坡巖土體產(chǎn)生動水壓力。水對邊坡巖體還產(chǎn)生軟化或泥化作用，使巖土體的抗剪強度大為降低;地表水的沖刷，地下水的溶蝕和潛蝕也直接對邊坡產(chǎn)生破壞作用。不同結(jié)構(gòu)類型的邊坡，有其自身特有的水動力模型。

(2)新構(gòu)造運動

新構(gòu)造運動往往引起邊坡形態(tài)、產(chǎn)生狀態(tài)及水文地質(zhì)條件發(fā)生改變而導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)，強烈的新構(gòu)造運動一地震對邊坡穩(wěn)定性的影響極大，地震往往伴有大量的邊坡失穩(wěn)。

(3)工程荷載

人類工程活動規(guī)模的日益擴大，它對邊坡穩(wěn)定性的影響越來越顯著，不當(dāng)?shù)娜祟惞こ袒顒右鸬倪吰率Х€(wěn)事故頻繁發(fā)生，使得人們不得不重視人類工程活動對邊坡穩(wěn)定性的影響。對邊坡穩(wěn)定性產(chǎn)生顯著影響的人類活動有:削坡、坡頂加載、地下開挖。

(4)氣候因素

大氣降雨是地下水的主要補給源。氣候類型不同，大氣降雨量也不同，因此，在不同的地區(qū)由于大氣降雨量不同，即使其它條件相同，邊坡的穩(wěn)定性也不相同。暴雨或長期降雨以及融雪過后，往往可以到邊坡失穩(wěn)增多的現(xiàn)象，這說明大氣降雨等對邊坡的穩(wěn)定性有很大影響。

(5)風(fēng)化作用

風(fēng)化作用使巖土的抗剪強度減弱。裂隙增加、擴大，影響斜坡的形狀和坡度;透水性增加，使地面水易于浸入，改變地下水的動態(tài)等，沿裂隙風(fēng)化時，可使巖土體脫落或沿斜坡崩塌、堆積、滑移等。

(6)地貌因素

邊坡的形態(tài)和規(guī)模等地貌因素對邊坡穩(wěn)定性的影響是顯而易見的，不利形態(tài)和規(guī)模的邊坡往往在坡頂產(chǎn)生張應(yīng)力.并引起坡頂出現(xiàn)張裂縫:在坡腳產(chǎn)生強烈的剪應(yīng)力，出現(xiàn)剪切破壞帶，這些作用極大地降低邊坡的穩(wěn)定性。邊坡面與地質(zhì)構(gòu)造面的不利組合會導(dǎo)致邊坡結(jié)構(gòu)面控制型失穩(wěn)。

2 邊坡穩(wěn)定分析與評價

2.1 定性分析方法

(1)地質(zhì)分析法(歷史成因分析法)

根據(jù)邊坡的地形地貌形態(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)展的總趨勢及其破壞方式，從而對邊坡的穩(wěn)定性做出評價，對已發(fā)生過滑坡的邊坡，則判斷其能否復(fù)活或轉(zhuǎn)化。

(2)工程地質(zhì)類比法

工程類比方法該方法實質(zhì)上就是利用已有的自然邊坡或人工邊坡的穩(wěn)定性狀況及其影響因素、有關(guān)設(shè)計等方面的經(jīng)驗，并把這些經(jīng)驗應(yīng)用到類似的所要研究邊坡的穩(wěn)定性分析和設(shè)計中去的一種方法。

(3)圖解法

①用一定的曲線和偌謨圖來表征邊坡有關(guān)參數(shù)之間的定量關(guān)系，由此求出邊坡穩(wěn)定性系數(shù)，或已知穩(wěn)定系數(shù)及其它參數(shù)(c、r、結(jié)構(gòu)面傾角、坡角、坡高)僅一個未知的情況下，求出穩(wěn)定坡角或極限坡高。這是力學(xué)計算的簡化。

②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)、滑動方向，評價邊坡的穩(wěn)定程度，為力學(xué)計算創(chuàng)造條件。常用的為赤平極射投影分析法及實體比例投影法。

(4)邊坡穩(wěn)定專家系統(tǒng)

工程地質(zhì)領(lǐng)域最早研制出的專家系統(tǒng)是用于地質(zhì)勘察的專家系統(tǒng)Propecter，由斯坦福大學(xué)于70年代中期完成的。另外，MIT在80年代中期研制的測井資料咨詢的專家系統(tǒng)也得到成功地應(yīng)用。在國內(nèi)，許多單位正在進行研制，并取得了很多的成果。專家系統(tǒng)使得一般工程技術(shù)人員在解決工程地質(zhì)問題時能象有經(jīng)驗的專家給出比較正確的判斷并做出結(jié)論，因此，專家系統(tǒng)的應(yīng)用為工程地質(zhì)的發(fā)展提供了一條新思路。

2.2 定量評價方法

(1)極限平衡法

極限平衡法在工程中應(yīng)用最為廣泛，極限平衡法是通過潛在滑體的受力分析，引入摩爾一庫侖強度準(zhǔn)則，根據(jù)滑體的力(力矩)平衡，建立邊坡安全系數(shù)表達式進行定量評價，這種方法由于安全系數(shù)的直觀性，至今仍被工程界廣泛應(yīng)用，目前我國邊坡工程研究中根據(jù)工程實際0i入臨界滑移理論進行露天邊坡的評價也屬于此法。這種方法的關(guān)鍵在于正確判斷臨界破壞面的位置和選定計算參數(shù)，這些都需要依靠經(jīng)驗確定。

目前，剛體極限平衡方法已經(jīng)從二維發(fā)展到目前的三維。有關(guān)邊坡穩(wěn)定三維極限平衡方法，已有眾多文獻介紹研究成果。下面就幾種常用的方法做介紹。

(2)數(shù)值分析方法

主要是利用某種方法求出邊坡的應(yīng)力分布和變形情況，研究巖體中應(yīng)力和應(yīng)變的變化過程，求得各點上的局部穩(wěn)定系數(shù)，由此判斷邊坡的穩(wěn)定性。主要有以下幾種:

①有限單元法(FEM)

該方法是目前應(yīng)用最廣泛的數(shù)值分析方法。其解題步驟已經(jīng)系統(tǒng)化，并形成了很多通用的計算機程序。其優(yōu)點是部分地考慮了邊坡巖體的非均質(zhì)、不連續(xù)介質(zhì)特征，考慮了巖體的應(yīng)力應(yīng)變特征，因而可以避免將坡體視為剛體、過于簡化邊界條件的缺點，能夠接近實際地從應(yīng)力應(yīng)變分析邊坡的變形破壞機制，對了解邊坡的應(yīng)力分布及應(yīng)變位移變化很有利。其不足之處是:數(shù)據(jù)準(zhǔn)備工作量大，原始數(shù)據(jù)易出錯，不能保證整個區(qū)域內(nèi)某些物理量的連續(xù)性;對解決無限性問題、應(yīng)力集中問題等其精度比較差。

②邊界單元法(BEM)

該方法只需對已知區(qū)的邊界極限離散化，因此具有輸入數(shù)據(jù)少的特點。由于對邊界極限離散，離散化的誤差僅來源于邊界，區(qū)域內(nèi)的有關(guān)物理量是用精確的解析公式計算的，故邊界元法的計算精度較高，在處理無限域方面有明顯的優(yōu)勢。其不足之處為:一般邊界元法得到的線性方程組的關(guān)系矩陣是不對稱矩陣，不便應(yīng)用有限元中成熟的對稀疏對稱矩陣的系列解法。另外，邊界元法在處理材料的非線性和嚴重不均勻的邊坡問題方面，遠不如有限元法。

③離散元法(DEM)

是由Cundall(1971)首先提出的。該方法利用中心差分法解析動態(tài)松弛求解，為一種顯式解法，不需要求解大型矩陣，計算比較簡便，其基本特征在于允許各個離散塊體發(fā)生平動、轉(zhuǎn)動、甚至分離，彌補了有限元法或邊界元法的介質(zhì)連續(xù)和小變形的限制。因此，該方法特別適合塊裂介質(zhì)的大變形及破壞問題的分析。其缺點是計算時步需要很小，阻尼系數(shù)難以確定等。

離散單元法可以直觀地反映巖體變化的應(yīng)力場、位移場及速度場等各個參量的變化，可以模擬邊坡失穩(wěn)的全過程。

④塊體理論(BT)

是由Goodman和Shi(1985)提出的，該方法利用拓撲學(xué)和群論評價三維不連續(xù)巖體穩(wěn)定性。其建立在構(gòu)造地質(zhì)和簡單的力學(xué)平衡計算的基礎(chǔ)上。利用塊體理論能夠分析節(jié)理系統(tǒng)和其它巖體不連續(xù)系統(tǒng)，找出沿規(guī)定臨空面巖體的臨界塊體。塊體理論為三維分析方法，隨著關(guān)鍵塊體類型的確定，能找出具有潛在危險的關(guān)鍵塊體在臨空面的位置及其分布。塊體理論不提供大變形下的解答，能較好地應(yīng)用于選擇邊坡開挖的方向和形狀。

3 結(jié)束語

邊坡穩(wěn)定性影響因素比較復(fù)雜，且在實際工作中有時難以明確判斷，應(yīng)加強對邊坡失穩(wěn)因素的勘察，分析并找到主導(dǎo)原因。同時，應(yīng)根據(jù)不同的實際情況選擇合理的邊坡穩(wěn)定評價方法，為合理的工程措施提供依據(jù)及理論指導(dǎo)。

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