边坡工程及地下工程地质新

岩土工程—边坡工程及地下工程地质储春妹新疆大学2014年3月边坡工程•边坡工程的研究现状•边坡工程地质问题•边坡工程治理设计边坡工程的研究现状边坡工程研究的理论基础需要多种学科的相互结合、相互渗透，不仅包括工程数学、工程力学、工程地质学、岩土力学，还应结合计算机仿真技术、岩土工程测试技术等手段。经过100多年的研究和发展，从边坡的规律性分析，到边坡的变形破坏机制的研究，以及边坡稳定性评价和预测预报，均取得了令人瞩目的成果，已初步形成边坡工程独立的学科体系。这一体系应包括四大部分：①边坡（或滑坡）的区域分布规律性研究；②边坡的变形破坏机制研究；③边坡的稳定性评价和预测预报；④边坡工程治理。1、边坡工程中的岩体结构控制理论岩土力学的发展为边坡工程的研究奠定了基础，特别是岩质边坡结构十分复杂，其稳定性取决于边坡的各类结构面的特征。中科院地质所孙广忠先生提出了“岩体结构控制论”，并出版了专著《岩体结构力学》，孙玉科先生等将赤平投影法和实体比例投影法应用于边坡工程。美国学者石根华提出了“关键块体理论”，主要解决被多个地质结构面、开挖面所切割的边坡或硐室之稳定性问题。南京大学罗国煜教授等提出了岩坡优势面控制论，认为岩坡的变形破坏受岩坡内的优势面所控制。上述理论的共同的特点是注重岩体结构研究，各类地质结构面对边坡的变形破坏起着控制作用。2、边坡工程中的分形理论分形理论是美国数学家(B.B.Mandelbort)(1973)首次提出来的，它主要是研究自然界中一些具有自相似但没有特征长度的图形或现象，其研究方法是通过确定图形或现象的分维数，以揭示该现象或图形的内在本质和规律。分形理论被广泛地应用于物理学、生物学、材料科学、岩石力学等学科中，近年来，边坡工程中开始应用分形理论进行有意义的探索。研究表明，边坡岩体结构常呈不规则分形状态，可以用分维来表征，利用分维可以定量地描述断层、层理、节理、泥化夹层等宏观结构面的形态特征、分布、产状及粗糙度等。同样，岩体的微观结构面或破坏面也呈不规则的分形状态，这种不规则反应了岩体破坏时的能量耗散及微观结构效应，也可用分维来表示。分维数是岩体变形破坏的某一统计特征量，分维数可以充当岩体变形破坏变量的角色进行岩体的强度和稳定性演化过程的分析。分形理论在边坡工程的应用有广阔的前景，目前，三峡库区、西北黄土地区及一些典型的滑坡体均有所应用，在分布规律研究、机制分析和预测预报方面取得较好成果。3、边坡工程中的3S理论在信息社会中，全球是一个开放系统，3S系统已在地学领域取得初步尝试，在1996年国际岩石力学学会年会上，充分利用3S技术在岩土工程建设中的作用已引起极大注意。所谓3S系统是指地理信息系统(GIS，GeographyInformationSystem)、遥感系统(RS，RemoteSensingSystem)和全球卫星定位系统(GPS，GlobalPositioningSystem)。三者融为一体为边坡工程的防治与预测预报提供了新一代观测手段、描述语言和思维工具。集GIS、GPS和RS为一体的3S系统，是一个完整的有机整体。例如针对三峡库区边坡，崔政权大师率先提出“3S工程”的概念和设想，从1997年着手建立“三峡库区边坡稳态3S实时工程分析系统”，并给出了系统的框图，何满潮教授将该系统按功能分为三大部分，即3S接收处理系统、GIS地理信息系统和工程分析专家系统。4、边坡工程中的人工神经网络方法人工神经网络（简称NN-Neuralnetwork）是指由大量简单神经元经广泛互连构成的一种计算结构，它是一种广义的并行处理系统。人脑的认知模式被认为是一种并行的分布式模式，神经网络采用类似于人大脑的神经网络的体系结构来构造模型仿真人大脑的功能，即把对信息的储存和计算推理同时储存在一个单元里。因此，在某种程度上神经网络被认为可以模拟生物神经系统的工作过程。特别是通过抽象、简化和模拟手段，神经网络部分反映了人脑的某些功能特征，且具有高度非线性、自组织、自学习、动态处理、联想记忆、容错性等特征。近年来，人工神经网络开始应用于边坡工程的稳定性分析和评价，对于解决复杂的边坡系统工程的稳定性问题提供了一条新的途径。5、边坡工程中的数值计算和仿真从70年代开始，数值计算被广泛地应用于边坡工程，比较成熟的三大数值方法是有限单元法、边界单元法和离散单元法。其中有限单元法是通过离散化，建立近似函数把有界区域内的无限问题简化为有限问题，并通过求解联立方程对工程问题进行应力位移分析的数值模拟方法，它假定工程岩体是连续的力学介质，并在许多的重大工程中得到应用。边界单元法是采用在区域内部满足控制条件但不满足边界条件的近似函数逼近原问题解的数值方法，它与有限单元法相比，具有方程个数少，所需数据量小等特点。由于岩坡的地质构造复杂，一些边坡呈碎裂结构和层状碎裂结构，构成非连续性力学介质，利用有限单元法和边界单元法求解遇到了困难，取而代之的是离散单元法，一些学者称其为散体元法。离散单元法由Cundall于1971年提出，该方法充分考虑了节理岩体的非连续性，以分离的块体为出发点，将岩块假定为刚体的移动或转动，并允许块体有较大的位移，甚至脱离母体而自由下落，特别适用于节理化岩体或碎裂结构的岩质边坡。由于其原理明了，并且容易结合CAD技术仿真边坡变形破坏的演变过程，因此倍受人们的青睐。6、边坡工程中的可靠性分析理论可靠性分析最早主要应用于宇航、电子工业界，之后逐渐推广到机械工程，可靠性分析方法从70年代开始应用于边坡工程领域，它基于对边坡岩体性质、荷载、工程地质条件等的不确定性认识，借鉴结构工程可靠性理论方法，结合边坡工程的具体情况，用可靠指标或破坏概率描述边坡工程质量的理论体系，它较传统的确定性理论能更好地反映边坡工程实际状态，正确合理地解释许多用确定性理论无法解释的工程问题，更为重要的是概率模型有助于形成新的考虑风险与可靠性的观念。1、边坡变形破坏的基本类型2、边坡稳定性影响因素3、边坡稳定分析方法4、边坡变形破坏的防治边坡工程地质问题边坡变形破坏的基本类型•自然边坡•人工边坡边坡的形成使岩土体内部原有应力状态发生变化，其应力状态的不断变化使边坡岩土体发生不同形式的变形与破坏。边坡工程地质问题就是边坡的稳定性问题。自然边坡边坡破坏坡面局部破坏边坡整体性破坏整体坍塌、滑坡土质边坡变形破坏类型表层土的松动和剥落暂时性流水的冲刷形成冲沟表层滑塌坡面冲刷堆积层坍塌•松动岩质边坡变形破坏类型•松弛张裂松弛张裂——卸荷回弹•蠕动表层蠕动深层蠕动“点头弯腰”变形揉皱变形疏松的土质边坡破碎的岩质边坡层状结构的岩质边坡表层蠕动变形深层蠕动软弱基底蠕动坡体蠕动软弱基底蠕动坡体蠕动1.羽裂2.次级剪面层面3.连续滑面•剥落崩塌•滑坡2003年7月18日，湖北省秭归县千将坪滑坡，造成24人失踪，近千人居住的村庄被毁•崩塌、落石湖北远安盐池河磷矿崩塌边坡稳定性影响因素•主要影响因素：1.影响边坡稳定性的因素2.边坡变形破坏的触发因素人类活动风化作用水的作用岩土体结构特征地质构造岩土类型人为因素特大暴雨和异常洪水地震一、边坡应力分布特征二、边坡稳定性的评价分析方法1.工程地质分析法2.理论计算法3.实验及观测法边坡稳定分析方法一、边坡应力分布特征分析坡体中应力分布和岩土体的强度特点是评定边坡稳定的重要手段。应力分布与坡形有关。（一）边坡的坡形：边坡横断面的形状1.直线坡2.折线坡（下陡上缓、下缓上陡）3.台阶坡（二）边坡应力分布分析研究表明：应力集中区和拉张区的分布是边坡分析中的关键点。边坡应力分布的特殊点：1、直线坡的应力集中区在坡脚附近：剪应力集中；2、折线坡的应力集中区在坡脚、变坡点。下陡上缓型坡脚为应力集中区，变坡点为拉张区；下缓上陡型应力集中区为变坡点。3、台阶坡的应力状态表现为台阶上、下坡脚的集中应力和平台坡顶的拉张。二、边坡稳定性的评价分析方法1.工程地质分析法——比拟法将新开挖边坡与已有老边坡对比，确定条件相似情况下的稳定性。此法要求对比的边坡具有“相似性”:一是边坡岩性、边坡所处的构造部位和岩体结构的相似性。二是边坡类型的相似性。相似条件边坡类型风化程度水的作用地质构造岩体结构地层、岩性从以上条件进行对比分析，确定出合理的边坡坡角及其稳定性。2.理论计算法——定量分析•以岩土力学理论为基础，运用静力学、弹塑性理论或刚体力学等进行分析，通常是建立在静力平衡的基础上，按不同边界条件考虑力的组合，进行边坡稳定性计算。土质路堑边坡稳定系数Fs=抗滑力/下滑力tantansintancosWWK滑动稳定安全系数最小即无粘性土坡面上的一层土是最易滑动的。tantanK无渗流作用砂性土边坡有渗流作用)cos(sintan)]sin(cos[wwfsiiTTF渗透力wiJsini渗流顺坡时tantan21tantansatfsTTFtani渗流方向水平时tantan21tantantan2）（）（wwfsTTF粘性土边坡整体圆弧滑动法假设条件：•均质土•二维•圆弧滑动面•滑动土体呈刚性转动•在滑动面上处于极限平衡状态ORd(1)滑动力矩：注：（其中σ的分布无法确定）(2)抗滑力矩：dGMsRLMfdtancf时当0dGRLcMMFSRs滑动力矩抗滑力矩稳定系数dOCAWTf整体圆弧滑动受力示意图(1)当0时，是l(x,y)的函数，无法得到Fs的理论解(2)其中圆心O及半径R是任意假设的，还必须计算若干组（O,R）找到最小安全系数———最可能滑动面(3)适用于饱和粘土整体圆弧法(瑞典圆弧法)-讨论abcdiβiOCRABH对于外形复杂、0的粘性土土坡、土体分层情况时，要确定滑动土体的重量及其重心位置比较困难，而且抗剪强度的分布不同，一般采用条分法分析各土条对滑弧圆心的抗滑力矩和滑动力矩滑动土体分为若干垂直土条土坡稳定安全系数siRiSMMF滑动力矩抗滑力矩条分法瑞典条分法假设条件：不考虑条块间的推力（或假定条块间的推力是作用在一条直线上的，且大小相等，方向相反，即推力产生的合力、合力矩为0）。iiiiiiiWtgWlcsin)cos(Fs瑞典条分法计算步骤AORCsbB圆心O，半径R(如图)分条：b=R/10编号列表计算liWii变化圆心O和半径R(cos)siniiiiisiiClWtgFWFs最小END-2-101234567WiTiNii毕肖普法（Bishop法）考虑条块侧向力，取条块i进行分析件滑弧面上的极限平衡条(1)1、求解公式iiiiiiiisWtgHWlcmFsin1siiiiFtgmsincos0(2)ziF竖向力平衡条件0(3)iM力对圆心的力矩整体力矩平衡条件，外2、简化毕肖普公式iiiiiiisiiiWtgWlcmFHPHsin10，而不存在切向力平作用力，即条块间只存在水假设iiiiiiiisWtgHWlcmFsin1siiiiFtgmsincos普遍条分法（Janbu法）1.假设条件：假定条块间水平作用力的位置,在土条底面以上1/3高度。2.求解方法：(1)siiiisfiiFtgNlcFTTi安全系数抗剪强度条件有根据滑弧面上极限平衡进行分析：如图所示，取条块XihiHi+1Pi+1hi+1iHiPihiOiNiWiTii(3)cossincos2sincos0(2)cossinsincos02iiiiiiiiiiiiixiiiiiiiiiiiiizitgHWTPNTPFTHWNTHWNF）式代入把（，