高切坡穩(wěn)定性分析研究

梁偉強(qiáng)

摘 要：隨著我國基礎(chǔ)建設(shè)的大力發(fā)展，在礦山、水利、交通等部門都涉及到大量的高切坡問題，如果發(fā)生邊坡失穩(wěn)塌滑將嚴(yán)重危及到國家財(cái)產(chǎn)和人們的生命安全。所以需要正確認(rèn)識(shí)高切坡的穩(wěn)定性并進(jìn)行穩(wěn)定性分析，進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)、適當(dāng)?shù)闹卫恚堰吰率Х€(wěn)造成的災(zāi)害降低到最低限度。

關(guān)鍵詞：高切坡 穩(wěn)定性分析

一、引言

高切坡（High—cuttingslope）是指在人為工程活動(dòng)中形成的高度大于15m（巖體）或10m（土體）并易于失穩(wěn)致災(zāi)的陡高邊坡。與滑坡、坍岸的失穩(wěn)及致災(zāi)特性相比，高切坡破壞具有突變性、致災(zāi)具有嚴(yán)重性、災(zāi)難性[1]。高切坡是因建設(shè)需要對(duì)建設(shè)區(qū)地形進(jìn)行改造形成的一種地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)象，國家進(jìn)行水電開發(fā)以來，隨著大壩、庫區(qū)、鐵路、高速公路工程建設(shè)向山區(qū)的挺進(jìn)，人類工程活動(dòng)中形成了大量的切坡。加上部分地區(qū)多為丘陵和山區(qū)，地層風(fēng)化深度大，覆蓋層較厚，巖體結(jié)構(gòu)破碎，邊坡工程問題更加突出。

二、高切坡穩(wěn)定性分析

高切坡是山丘地區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)建設(shè)遇到的主要巖土工程問題，“陡”、“高”是高切坡主要形態(tài)特征，而“強(qiáng)烈而連續(xù)的卸荷”則是高切坡主要力學(xué)根源，高切坡安全度降低具有漸變性、失穩(wěn)具有突變性[1]。

切坡安全性評(píng)價(jià)問題本身就是一個(gè)多因素、多目標(biāo)決策問題。以往的研究成果及工程實(shí)踐表明：影響邊坡穩(wěn)定性的主要因素一般可概括為內(nèi)外因兩大類因素。其內(nèi)因主要包括：地形地貌、地層特性、地質(zhì)構(gòu)造、巖土特性、地應(yīng)力場、水文特性、植被條件等。外因主要有：氣候條件、地震情況、人為工程、地下水動(dòng)態(tài)等。而具體到某一區(qū)域某一類型邊坡時(shí)，往往影響的因素會(huì)有一些變動(dòng)[2]。根據(jù)大量的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，對(duì)切坡安全性起控制作用的因素可歸納如下：內(nèi)聚力、內(nèi)摩擦角、結(jié)構(gòu)面、坡角、坡高等。

高切坡穩(wěn)定性評(píng)估中，應(yīng)當(dāng)在對(duì)高切坡前述自然地質(zhì)條件及其人為破壞情況和工程環(huán)境條件等調(diào)查清楚的基礎(chǔ)上進(jìn)行，并依據(jù)地質(zhì)勘察等相關(guān)資料，研究高切坡可能的破壞方式，然后據(jù)此確定適當(dāng)?shù)脑u(píng)估分析方法，并適當(dāng)選擇定量分析所需的巖土體計(jì)算參數(shù)進(jìn)行分析計(jì)算，這樣才可能得出較準(zhǔn)確的評(píng)估結(jié)論[3]。但一般情況下，單一的評(píng)估方法很難得出有說服力的評(píng)估結(jié)論，所以，重慶市地方標(biāo)準(zhǔn)《建筑邊坡支護(hù)技術(shù)規(guī)范》[4]中規(guī)定：“……宜綜合采用工程地質(zhì)類比法和極限平衡計(jì)算法……當(dāng)邊坡變形破壞機(jī)制復(fù)雜時(shí)，宜結(jié)合數(shù)值分析進(jìn)行穩(wěn)定性評(píng)價(jià)。”對(duì)具體工程來說，多種方法分析計(jì)算的結(jié)果相互對(duì)比，結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行綜合分析判斷，才可能得到較準(zhǔn)確的評(píng)估結(jié)論[3]。

2.1定性分析方法[5]：

（1）工程類比法：參照已有工程邊坡穩(wěn)定性狀況及其影響因素，并結(jié)合有關(guān)設(shè)計(jì)與治理等經(jīng)驗(yàn)，通過類比相似性與差異性評(píng)價(jià)邊坡穩(wěn)定；一般在中小型工程中應(yīng)用廣泛，在復(fù)雜的大型工程中還存在缺陷，需與其他方法融合應(yīng)用。

（2）專家系統(tǒng)：基于計(jì)算機(jī)儲(chǔ)存的大量邊坡工程資料及相關(guān)學(xué)科不同專家的知識(shí)與經(jīng)驗(yàn)，通過計(jì)算機(jī)的模擬優(yōu)化技術(shù)路徑分析穩(wěn)定性；應(yīng)能提高決策水平、節(jié)約時(shí)間，但固定的推理規(guī)則動(dòng)態(tài)與復(fù)雜的系統(tǒng)難以適應(yīng)其變化，亦不能學(xué)習(xí)與改進(jìn)過去處理工程實(shí)例的方法。

（3）赤平極射投影法：利用赤平極射投影原理，通過作圖反映邊坡失穩(wěn)邊界條件評(píng)價(jià)邊坡穩(wěn)定性；得出可能產(chǎn)生的滑移面與坡面空間關(guān)系及穩(wěn)定性，一般用于評(píng)價(jià)巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性。

2.2定量分析方法

（1）極限平衡法：

①傳遞系數(shù)法[5]：是我國自主研發(fā)的適用邊坡穩(wěn)定性分析方法，可使單個(gè)條塊與整個(gè)滑坡體均滿足平衡方程，計(jì)算簡單，精度偏低。

②廣義條分法[8]：楊松林（1999）針對(duì)傳統(tǒng)豎直條分法和薩爾瑪法應(yīng)用于巖石邊坡穩(wěn)定性分析的缺點(diǎn)，提出了適用范圍更廣的廣義條分法，這—做法更加符合巖土工程的實(shí)際睛況，并采用優(yōu)化搜索的方法給出了相對(duì)最危險(xiǎn)的潛在滑動(dòng)面及其安全系數(shù)。

③三維巖石邊坡極限平衡法[8]：李冬田（2001）提出一種三維的巖石邊坡極限平衡法，即應(yīng)用巖石邊坡多層DEM幾何模型，參照簡化Bishop法的假定，進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性分析的層分方法，進(jìn)而提出了抗滑系數(shù)譜的概念，以反映碎裂巖體穩(wěn)定因素的不均勻性。

④運(yùn)動(dòng)學(xué)分析法：基于赤平投影的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析法在評(píng)價(jià)高切坡穩(wěn)定性方面具有突出的優(yōu)勢，該方法在結(jié)構(gòu)面統(tǒng)計(jì)的基礎(chǔ)上，可以確定高切坡發(fā)生平面破壞、楔形體破壞與傾倒破壞的破壞模式與最大安全開挖切坡角，通過最大安全開挖切坡角與高切坡坡腳之間的比較可以判定高切坡的穩(wěn)定性[9]。

（2）數(shù)值分析方法[8]：

①邊界元法：邊界元法是同有限元并行發(fā)展的另—類數(shù)值方法。我國自20世紀(jì)70年代開始進(jìn)行了巖石力學(xué)邊界元的應(yīng)用研究，在巖體滲流問題、地下工程支護(hù)、巖體穩(wěn)定性分析等方面作出了有意義的成果。與有限元法不同，邊界元法只需在邊界E進(jìn)行離散化，因而具有數(shù)據(jù)處理工作量少、少占內(nèi)存、解題時(shí)間省等優(yōu)點(diǎn)。但是在處理多介質(zhì)問題、復(fù)雜的非線性問題以及模擬分步開挖及施工過程等方面，不如有限元方便有效，因此在邊坡穩(wěn)定陛分析中應(yīng)用不多。

②離散單元法：離散單元法在我國的研究和應(yīng)用起步較晚，但發(fā)展卻非常迅速，在節(jié)理巖體邊坡、隧道、巖石基礎(chǔ)等方而獲得了廣泛的應(yīng)用。

③ABAQUS在邊坡穩(wěn)定性中的應(yīng)用[10]：ABAQUS是目前國際上先進(jìn)的大型通用非線性有限元分析軟件之一。ABAQUS的特長是計(jì)算各種不同材料、復(fù)雜荷載過程以及變化接觸條件的非線性組合問題，具有強(qiáng)大的后處理功能。研究表明，ABAQUS能有效地處理巖體節(jié)理和結(jié)構(gòu)面接觸非線性問題及巖土體材料、幾何及邊界條件非線性問題，解決巖土體裂隙水壓、地應(yīng)力等復(fù)雜荷載的加載問題。孫樹芳等[11]采用ABAQUS軟件對(duì)土質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行了計(jì)算分析。根據(jù)塑性應(yīng)變的發(fā)展及塑性區(qū)的貫通情況作為評(píng)判邊坡穩(wěn)定性的依據(jù)，計(jì)算結(jié)果和極限平衡法相吻合。ABAQUS在動(dòng)態(tài)模擬方面具有巨大優(yōu)勢，必將在復(fù)雜的巖土過程領(lǐng)域發(fā)揮更大的作用。

馬萃林等[12]應(yīng)用有限差分程序軟件FLAC模擬分析邊坡穩(wěn)定性，對(duì)3個(gè)典型剖面邊坡在靜力條件下和滲流狀況下進(jìn)行模擬分析計(jì)算，得到各邊坡剖面的安全系數(shù)和采場邊坡穩(wěn)定性定量化分析結(jié)果，為邊坡治理提供了理論依據(jù)。FLAC數(shù)值模擬法是一種基于有限差分法的針對(duì)巖土邊坡穩(wěn)定性分析的一種新型數(shù)值模擬方法，適用于巖土工程力學(xué)分析。FLAC軟件應(yīng)用了顯式的有限差分法代替了原先廣泛使用的隱式有限元法。程序?qū)⒂?jì)算區(qū)域內(nèi)的介質(zhì)劃分為若干個(gè)二維單元，單元之間用節(jié)點(diǎn)相互連接。用FLAC法對(duì)邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析，了解邊坡內(nèi)應(yīng)力應(yīng)變的變化規(guī)律，可得到坡體內(nèi)各單元的應(yīng)力應(yīng)變圖，該方法是合理可行的。特別是當(dāng)?shù)刭|(zhì)條件復(fù)雜，同時(shí)考慮地下水等多種因素時(shí)，強(qiáng)度折減法更加簡便可靠。孟衡[13]結(jié)合某工程實(shí)例，分別采用GEO—slope軟件包中的SLOPE/W模塊和模糊評(píng)判2種方法對(duì)巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行分析研究。王東等[14]應(yīng)用巖石破裂過程分析RFPA2D軟件對(duì)某露天礦邊坡的變形及破壞過程進(jìn)行了數(shù)值試驗(yàn)研究，再現(xiàn)邊坡失穩(wěn)的動(dòng)態(tài)過程。

3 總結(jié)

在高切坡的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法中，目前成熟的方法，主要還是以基于剛塊體的極限平衡法為主，以工程類比法和數(shù)值計(jì)算法為輔。但是高陡邊坡的穩(wěn)定陸洋價(jià)不單是個(gè)力學(xué)問題，更應(yīng)該是工程地質(zhì)學(xué)和巖體結(jié)構(gòu)力學(xué)問題。明確高陡邊坡的地質(zhì)模式、巖體的變形演化歷史和趨勢、邊坡的變形破壞機(jī)理和模式，是進(jìn)行穩(wěn)定性評(píng)價(jià)和整治的本質(zhì)性基礎(chǔ)工作。由于邊坡的地質(zhì)條件和水文地質(zhì)條件是邊坡穩(wěn)定性的控制性因素，決定了邊坡的變形破壞機(jī)理和類型，而地員條件又是千差萬別的，因此，沒有哪一個(gè)邊坡可以完全套用已有的經(jīng)驗(yàn)，這就決定了邊坡研究具有典型的場地特征（Sitespecific），必須具體問題具體分析[8]。

邊坡穩(wěn)定性研究趨勢：本構(gòu)模型的應(yīng)用研究，交叉學(xué)科的研究，反分析法的應(yīng)用研究，將傳統(tǒng)的邊坡穩(wěn)定性分析法與現(xiàn)場監(jiān)測手段相結(jié)合的應(yīng)用研究，新的數(shù)學(xué)理論應(yīng)用研究：將模糊數(shù)學(xué)、非線性能量耗散理論、概率論、分形分維理論、突變理論、混沌理論、灰色系統(tǒng)理論統(tǒng)計(jì)判別法、蝴蝶效應(yīng)、遺傳算法及模糊極值理論等引入邊坡穩(wěn)定性分析中，還有待于研究[5]。

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