复杂边坡稳定性评价方法

复杂边坡稳定性评价方法与工程实践1.边坡工程研究现状边坡工程稳定性评价需要多学科的相互结合、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，从边坡的规律性分布，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，均取得了可喜的成就，已初步形成边坡工程独立的学科体系。这一体系包括四大部分：1.1.边坡（或滑坡）的区域分布规律性研究；1.2.边坡的变形破坏机制研究；1.3.边坡的稳定性评价、监测与预测预报；1.4.边坡工程的治理。2.边坡工程地质模型研究边坡工程地质模型是构成边坡的各要素属性及其赋存环境的地质、力学特征的综合。构成边坡的各要素：边坡岩土体、滑动带或潜在滑动带、滑床基岩、前后缘裂缝和支挡结构物。它们的主要属性：外形、岩性及其物理力学性质、滑动带及其物理力学性质、后缘拉裂缝的水充填情况、支挡结构物的强度等。边坡的赋存环境：地下水、大气降水、地应力、地震动、人类工程活动等作用环境。它们是边坡稳定状态恶化的诱化因素。边坡工程稳定状态取决于它的诱发因素，它们通过三个方面来改变边坡工程稳定状态，即：①改变边坡的外形，实际上是改变了边坡的临空状态即应力场，如地表水对坡脚的冲刷，人工开挖等；②改变边坡岩土体的结构特征和力学性质，即降低边坡的抗变形、抗破坏的能力。如地下水的软化作用，降雨、风化作用等；③改变边坡岩土体的应力状况，如地下水的力学作用、构造应力场作用、地震动和人工爆破等。因此，对于边坡的工程地质模型，应重点研究或查明四个方面：①几何属性（边界条件）：边坡（滑坡）的几何形状、滑动面（潜在滑动面）的产状。②边坡岩土体物理、力学属性：物理力学性质、滑动面的物理力学性质；边坡岩土体的连续性概化。③环境属性（初始应力条件）：地面附加荷载作用、地应力作用等、地震动和工程爆破作用、大气降水作用、河水、地下水作用。进行边坡稳定性评价和工程设计的首要任务是建立边坡工程地质模型，然后才能准确地建立边坡岩土体的物理力学模型、计算模型、计算参数等一系列的相关内容。只有准确详细地确立了边坡工程地质模型，才能降低边坡工程的稳态分析的不确定性，提高边坡工程设计的可靠度。2.1边坡岩土体的基本特征2.1.1边坡岩土体的特性与岩土体结构分类边坡岩土体是边坡工程影响范围内的地质体，它包括岩石块或岩石碎屑（即结构体）和结构面。岩土体区别于其他材料的显著特性有：①非连续性；②非均质性；③各向异性；④地质环境的复杂性（如地下水作用、地应力作用等）。边坡岩土体中的结构体与结构面的不同组合方式，构成了不同的岩土体结构，对边坡的稳定性起着决定性作用。因此，边坡工程勘察不仅要查明岩土体的类型、成因和物理力学性质，更要调查边坡岩体主要结构面的类型、产状、延展情况、闭合程度、充填状况、充水状况、力学属性和组合关系，主要结构面与临空面的关系，是否存在外倾结构面等，以及软弱结构面的抗剪强度等。表2.1岩体结构类型划分边坡岩土体结构类型岩土体地质类型结构体形状结构面发育情况岩土工程特征边坡稳定性评价整体状结构巨块状岩浆岩和变质岩，巨厚层沉积岩巨块状以层理和原生、构造节理为主，多呈闭合型，间距大于1.5m，一般为1~2组，无危险结构。岩体稳定，可视为均质弹性各向同性体局部滑动或坍塌，边坡较稳定。边坡失稳形式多为崩塌，结构面起着控制作用块状结构厚层状沉积岩，块状岩浆岩和变质岩块状柱状有少量贯穿性节理裂隙，结构面间距0.7~1.5m，一般为2~3组，有少量分离体结构面相互牵制，岩体基本稳定，接近各向同性体层状结构多韵律薄层、中厚层沉积层状板状有层理、片理、节理，常有层间错动变形和强度受层面控制，可视各向异性弹塑性体，稳可沿软弱结构面滑塌，软岩可产生塑性变形，层岩，副变质岩定性较差面产状起着控制作用。碎裂状结构构造影响严重的破碎岩层碎块状断层、节理、片理、层理发育，结构面间距0.2~0.5m，一般3组以上，有许多分离体整体强度很低，并受软弱结构面控制，呈弹塑性体，稳定性很差。易发生规模较大的岩体崩滑，地下水的软化和水力学作用明显。散体状结构断层破碎带，强风化及全风化带，土体碎屑状或土颗粒构造和风化裂隙密集，结构面错综复杂，多充填粘性土，形成无序小块和碎屑完整性遭受极大破坏，稳定性极差，接近松散体介质或土颗粒易发生规模较大的岩体滑动，地下水的软化和水力学作用明显，边坡失稳多为似圆弧滑动2.1.2边坡岩土体的连续性概化边坡岩土体由于其内部存在不连续面，如节理、裂隙、层理等，因此利用岩石力学或岩体力学的解析分析或数值分析解决边坡工程问题时，首先应考虑边坡岩土体的非连续性问题。⑴边坡岩土体连续性概念岩土体的连续性实际上是一种模型，是一个相对概念。在不同的尺度，其连续性的内涵不尽相。Brown认为：介质的连续性是指当问题涉及的范围较大、岩体的不连续性无关紧要时，可将其视为连续体；或者，问题涉及的区域内不连续面的数量非常多，间距非常密集时，岩土体也可被视为具有等效岩性参数的连续介质。中国矿业大学何满潮认为：在进行介质连续性概化时，建议工程物体二维尺寸必须是微元二维尺寸的104倍以上，微元一维尺寸必须是微粒直径的10倍以上，符合上壕两者的微元尺寸取最小临界尺寸作为连续微元尺寸。⑵、边坡岩土体连续性概化模型据岩性及结构面规模可将岩土体结构划分为五种：完整结构、块状结构、层状结构、碎裂结构和散体结构。①连续介质：完整结构的连续微元以岩性颗粒直径的10倍为准则，散体结构以岩土体中的微小裂隙长度的10倍为准则，二者均易满足连续微元尺寸的三个条件，它们通常被称为是连续介质，如下图a、d所示。边坡岩土体连续性概化模型图②离散的连续介质：如果边坡岩土体为完整结构或散体结构，且被若干软弱层面或断层等显著结构面切割，显著结构面两侧仍为连续介质，则认为边坡岩土体为离散的连续介质，如上图b所示。③非连续介质：块状、层状和碎裂结构，由于连续微元较大，难以概化为连续介质，可按非连续介质处理，如上图c所示。⑶、稳定性计算方法（GB50330-2002）根据边坡的类型和可能的破坏形式，可按下列原则确定：①土质边坡和较大规模的碎裂结构、散体结构岩质边坡宜采用圆弧滑动法计算；目前理正软件中有瑞典条分法（Fellenius）、简化Bishop法、Janbu法。瑞典条分法不考虑条间力（安全系数偏小）、简化Bishop法和Janbu法均考虑条间力（计算结果较合理），但计算速度慢。当坡底土层为软弱层时，宜采用Janbu。②对可能产生平面滑动的边坡宜采用平面滑动法；③对可能产生折线滑动的边坡宜采用折线滑动法；④对结构复杂的岩质边坡，可配合采用赤平极射投影法和实体比例投影法分析；⑤当边坡破坏机制复杂时，宜结合数值分析法进行分析。2.2边坡潜在滑动面的确定在工程实践中，表征边坡稳定状态的两个常用指标是边坡的稳定系数Fs和破坏概率（失效概率）Pf。其中稳定系数的计算是基于极限平衡理论的解析方法建立平衡方程，破坏概率的求解是基于极限平衡理论建立边坡极限状态方程。而极限平衡理论要求有确定的危险滑动面或潜在滑动面，稳定系数是确定滑动面上的稳定系数，破坏概率是确定滑动面上的破坏概率。因此，危险滑动面或潜在滑动面是边坡工程地质模型的重要因素，准确地寻找边坡的危险滑动面或潜在滑动面将大大降低边坡稳态的不确定性。2.2.1固有结构面与危险滑动面边坡岩土体受多种结构面控制时，由于结构面抗剪强度较低，沿结构面滑动或剪切变形的可能性最大。因此，应考虑固有结构面将首先成为边坡的危险滑动面。常见的危险结构面有：古滑动面、古风化壳、软弱夹层、新老土层的界面、断层破碎带和贯通的裂隙等。古滑动面新近沉积土古风化壳软弱夹层新填土老土断层或裂隙裂隙或层面断裂带⑴古滑动面边坡在历史上曾滑动过，其内部有古滑动面，由于应力释放，边坡暂时处于稳定状态。当一些诱发因素如降雨、地下水、地面水、地震或人类工程活动等十分活跃时，边坡将再次沿古滑动面滑动失稳，滑坡复活。因此，重视古滑坡面的调查研究显得尤为重要。⑵古风化壳古风化壳是地质历史时期由于风化作用在地表形成的一层松散软弱层带，被后来新近沉积土所覆盖，成为岩土体中的软弱夹层，表现为变形大、抗剪强度低，力学性能较差。如果边坡岩土体中存在古风化壳和软弱夹层，则它将成为边坡破坏失稳的主要控制结构面。⑶老土与新填土界面在边坡工程中，有时将新填土置于老土之上，则在两层土界面上形成危险滑动面，如果不进行有效的处理将导致边坡沿此面发生变形乃至滑塌。⑷断层破碎带和裂隙边坡岩土体内的断层和裂隙对边坡稳定性起着控制作用，特别是顺坡向的缓倾断层和裂隙，以及二者的不利组合，往往形成边坡失稳的危险滑动面。