山区公路边坡安全评价

郑州大学课程设计报告题目：山区公路边坡安全评价学生姓名：原志强（20110690135）指导教师：张景飞（副教授）专业：安全工程专业学院（系）：力学与工程科学学院2015年1月14日郑州大学力学与工程科学学院课程设计2目录1前言..........................................................................................................................22高边坡安全风险影响因素分析.......................................................................22.1边坡失稳的类型.............................................................................................22.2高边坡安全风险影响因素.............................................................................23山区公路边坡安全预评价................................................................................43.1边坡预评价指标体系构建.............................................................................43.2山区公路边坡预评价理论.............................................................................44有限元法的理论基础.........................................................................................54.1有限元建模步骤.............................................................................................54.3边坡有限元分析中的参数取值.....................................................................75总结..........................................................................................................................76参考文献..................................................................................................................8郑州大学力学与工程科学学院课程设计31前言随着山区高速公路的发展,路线等级高,路面宽,开挖量大,出现了大量高边坡,也发生了众多高边坡变形和破坏,既增加了投资,又延误了工期,甚至造成已有工程破坏。如何正确认识和设计稳定的高边坡已引起政府主管部门和技术人员的重视。特别是在西部地区,山岭重丘区地形所占面积较大,公路常常穿行于崇山峻岭中,山岭区修建高等级公路不可避免的会产生较多的高填深挖路基,因而形成了大量工程规模大、影响因素复杂、地质环境多变、对安全性和使用要求各异的高边坡。高边坡的稳定性成为公路工程建设的重大问题之一,如果高边坡问题处理不好,将直接造成比较严重的后果。综上可以看出,在我国每年因公路边坡灾害给国家和人民生命财产带来了巨大的损失,产生了严重的社会影响。高边坡在施工和使用中的安全风险状态,对山区公路的建设效果和营运使用安全具有重大影响。由于形成和影响公路高边坡稳定风险的因素众多而复杂,理论上尚缺乏针对多因素系统有效的风险分析评价第一章绪论理论。因此,探索和研究在山区公路建设中不可避免存在的高边坡和由此引起的风险问题,是我国山区公路建设的现实性需要。建立和完善公路高边坡的安全风险预测与评价理论不仅具有重要理论意义,并且对优化公路建设方案、提高边坡支护工程措施的科学性和使用安全性等,都具有十分重要的现实意义。2高边坡安全风险影响因素分析2.1边坡失稳的类型边坡失稳的类型，可分为两大类:边坡产生整体破坏;边坡产生局部破坏。整体破坏将迫使道路中断交通。而局部破坏则影响道路正常使用，特殊情况下也会使道路无法使用。整体破坏:崩塌、坍塌(岩堆)、滑坍、雪崩局部破坏:坡面冲蚀、剥落、溜坍、落石。2.2高边坡安全风险影响因素高边坡稳定性的影响因素很多，既有外部因素的原因，如降水、地震及反复作用的动荷载的影响;也有边坡本身的因素，如岩土体的物理特性及工程特性等。外部因素对边坡稳定性的影响随机性很强，时空效应显著;边坡本身的物理力学性质的影响参数包括容重、粘结力、内摩擦角、坡面角、边坡高度等。2.2.1降雨因素郑州大学力学与工程科学学院课程设计4据有关资料统计，我国边坡的灾害与失稳问题大多数与降雨有关，特别是在暴雨之后，往往出现大量的滑坡、崩塌等边坡灾害问题，损失极其惨重。1981年夏季四川盆地西、北部遭受特大暴雨袭击，发生滑坡、崩塌6.8万处，损失3亿元。1982年6月井岗山区的宁岗、莲花、永新等县因暴雨引发崩塌、滑坡9764处。1985年5月27日桂林地区特大暴雨使全州、兴安、灌阳3县出现崩塌、滑坡5000多处。这样的例子不胜枚举。由此可见，边坡的灾害与降雨有着极为密切的关系[1]。2.2.2地下水因素边坡中地下水的类型主要为裂隙水、溶洞水和孔隙裂隙水，在岩体中构造断裂破碎带、各种结构面和有关“缺陷”是地下水储藏的场所以及补给、排泄和迁流的通道。它们的规模、性质、产状和空间布形，控制着地下水的赋存状态和运动规律。由于岩体本身的各向非异性、非均匀性和非连续性，因此地下水的赋存状态和运动规律也必然具有各向非异性、非均匀性和非连续性的特征。所以严格地说，岩体中的地下水目前仍然很难确切地加以描述。但是在一般的地质构造和地层岩性的情况下，其运动可以近似的以直线渗透定律来表示。边坡的岩体还将受到如下几种附加荷载的作用:浮拖力、裂隙静水压力和渗透动水压力等[2]。总的来说，地下水的某些物理化学方面的破坏作用过程，如溶解、交代、侵蚀、风化等一般是比较缓慢的，因而对边坡岩体长期稳定性影响较大，而地下静水压力或动水压力的力学作用则要迅速的多。以上这些作用就导致了边坡岩体变形的增大和强度的降低，进而使岩体内部结构发生演变，降低了边坡的稳定性，导致边坡灾害的发生。2.2.3地应力因素广义的地应力是地震力、地质构造力、岩(土)体自重力、温度应力以及地质岩(土)体内物理化学和地球化学作用等在地球岩(上)体内所产生的应力总称。有些文献资料中，地应力唯一的是指地质构造力[3]。2.2.4地层和岩(土)性因素地层岩(土)性是引起边坡灾害的主要因素之一。就边坡的变形破坏特征论，不同地层有其常见的变形破坏形式。以石质边坡为例，有些地层中滑坡特别发育，这是与该地层中含有特殊的矿物成分、风化物易于形成滑带有关。如高灵敏的海相粘土、第三系白奎系侏罗系红色页岩、泥岩地层、以及古老的泥质变质岩系(千枚岩、片岩等)等等，都是“易滑地层”[4]。其次，岩性对边坡的变形破坏也有直接影响。由某些岩性组成的边坡在干燥或天然状态下是稳定的，但一经水浸，岩石强度大减，边坡出现失稳，发生灾害。所谓岩性包括组成岩石的物理、化学、水理和力学性质，特别是岩石在饱水条件下的力学强度，是影响边坡稳定的最主要因素。正是由于地层和岩性对边坡的形成、发展和稳定状况起控制作用，使各郑州大学力学与工程科学学院课程设计5种类型边坡的变形破坏形式带有一定的区域性质。例如，在黄土地区，边坡的变形破坏形式以滑坡为主，而在花岗岩和厚层石灰岩地区，则以崩塌为主。3山区公路边坡安全预评价通过对边坡各项影响因素(针对不同边坡，影响因素的选取也有所不同)的分析评价，可以获取边坡当下的发育状况，对边坡的孕灾程度有直接或间接的掌握，为边坡建立防护措施以及真确预测边坡未来发育趋势提供物质基础，从而最大程度上减少或防止边坡成灾的可能性，保护人民的生命财产安全。山区公路边坡预评价在公路边坡开始施工前进行，针对危险边坡的岩性(矿物成分、容重、完整度系数等)，应力应变(内摩擦角、粘聚力、泊松比等)[5]，存在状态(坡角、坡高、植被率等)，存在环境(风化作用、渗透作用等)四个方面进行评价，以层次分析法和专家咨询法相结合的方式定各指标权重，采用一定的评价方法(本文采用物元可拓法)，给出预评价的结果—安全、基本安全、欠安全和不安全。3.1边坡预评价指标体系构建边坡预评价指标体系构建思路。边坡评价作为对知识范围要求特别宽、对评价方法要求特别高、对分析过程要求特别细的一项工作，采取大指标范围、多指标参与的方式具有较高的适用性，具体思路如图1郑州大学力学与工程科学学院课程设计6图1边坡预评价指标体系的构建思路3.2山区公路边坡预评价理论可拓学引进由事物、特征及其量值构成的“物元”这一概念，作为描述事物的基本元，“物元”概念将事物的质与量相联系，反映了事物的质与量的辩证关系。任何现实存在的量，都要以一定的质为基础，或是与特定事物的属性与特征相结合的具体的量。它以定性与定量两个角度为出发点来研究解决矛盾问题的规律和方法。可拓学的理论基础物元理论和可拓集合理论，其逻辑细胞则是物元。聚类分析是对给定的样本进行数量化分类的一种方法。在分析中，如果将每一类作为一种预测结果，就可以应用聚类分析方法进行评价。可拓集合和物元概念根据事物关于特征的量值来判断事物属于某集合的程度，而关联函数能使聚类精细化、定量化，为解决从变化的角度进行聚类分析的问题提供了新途径。物元可拓分析就是考虑到聚类样本之间的可拓关系而进行聚类的方法。4有限元法的边坡应用随着计算机技术的发展，很多数值计算方法都用到边坡稳定分析中。有限元郑州大学力学与工程科学学院课程设计7法是一种十分成熟的数值方法，它几乎可适用于所有的计算领域。其最大优点是可分析任何形状的几何体，不但能进行线性分析还可进行非线性分析。有限元是边坡稳定分析中用得较多的一种数值方法。4.1有限元建模步骤有限元分析过程可划分为三个阶段—前处理、计算和后处理。①前处理(Pre-processing)[6]的任务就是建立有限元模型，故又称建模(modeling)。它的任务是将实际问题或设计方案抽象为能为数值计算提供所有输入数据的有限元模型，该模型定量反映了分析对象的几何、材料、载荷、约束等各个方面的特性。建模的中心任务是离散，但围绕离散还需要完成很多与之相关的工作，如单结构形式处理、几何模型建立、单元类型和数量选择、单元特性定义、单元质量检查、编号顺序优化以及模型边界条件的定义等。②计算计算(sloving)[7]的任务是基于有限元模型完成有关的数值计算，并输出需要的计算结果。它的主要工作包括单元和总体矩阵的形成、边界条件的处理和特性方程的求解，即包括图2中从单元特性分析到计算出需要的物理量等步骤。由于计算量非常大，所以这部分工作由计算机完成。除计算前需要对计算方法、计算内容、计算参数和工况条件等进行必要的设置和选择外，一般不需要人的干预。图2有限元分析的主要步骤③后处理郑州大学力学与工程科学学院课程设计8后处理的任务是对计算输出的结果进行必要的处理，并按一定方式显示或打印出来，以便对分析对象的性能或设计的合理性进行分析、评估，以做出相应的改进或优化，这是进行有限元分析的目的所在[8]。如图3图3有限元分析的一般过程4.2边坡有限元分析中的参数取值有限元分析中的主要参数包括:荷载，材料参数(弹性模量、泊松比、粘聚力、内摩擦角、