路基边坡问题研究现状

[收稿日期 ] 2004 —03 —10 [作者简介 ] 汪益敏 (1966 —) ,女 ,湖南长沙人 ,博士 ,副教授 ,主要从事公路路基 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 的教学与科研。 路基边坡问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 研究现状 汪益敏 , 陈 　辉 (华南理工大学 交通学院 , 广东 广州 　510641) [摘 　要 ] 总结和分析现有路基边坡稳定分析方法中自然历史分析法、工程类比法、图解法等定性分析方法 , 刚性极限平衡分析法、有限单元法、离散单元法、块体系统连续变形分析方法、连续介质快速拉格朗日分析法、流形 元法等定量分析方法以及人工智能和人工神经网络等非确定性分析方法的研究现状和存在问题 ,对路基边坡设计 理论与工程实践及未来发展方向作简要评述。 [关键词 ] 路基边坡 ; 稳定分析 ; 边坡设计 [中图分类号 ] U416. 1 　　　[文献标识码 ] A 　　　[文章编号 ] 1002—1205 (2004) 02—0051—03 State of the Practice on Slope Engineering for Highways WANG Yimin , CHEN Hui (College of Transportation , South China University of Technology , Guangzhou , Guangdong 510641 , China) 　　[ Abstract ] The state of the practice and existing problems in highway slope stability analysis methods were summarized and analyzed in this paper. These methods include qualitative ones , such as natural history analysis , engineering analogy , and graphic method ; quantitative ones , such as rigid body limitation equilibri um analysis , finite element method , distinct element method , discontinuous deformation analysis , and fast Lagrangian analysis of code , manifold element method ; and indetermination analysis methods , such as expert system , and artificial neural network. Finally , the design theory , engineering practice , and development dire ction of highway slope engineering are evaluated. [ Key words ] highway slope ; stability analysis ; slope design ; inspection ; defect analysis 　　路基边坡包括填方路堤边坡和挖方路堑边坡 , 是公路的重要组成部分。长期以来 ,路基边坡的综 合防护技术一直是公路修筑中的一个常见但研究程 度低的课题。80 年代中期以前 ,我国主要以低等级 公路建设为主 ,深挖高填较少 ,公路建设投资不大 , 因而路基边坡稳定问题较少 ,坡面防护工程不作为 道路建设的主体工程 ,在公路工程建设中对边坡的 防护常常被忽视。进入 90 年代以后 ,我国大量修建 高等级公路 ,遇到大量的高填深挖路基 ,边坡稳定问 题日渐突出。90 年代初期 ,边坡防护与加固仍主要 沿用低等级公路的边坡工程技术或借鉴铁道部门的 经验来实施局部处理 ,由于在边坡处治时缺乏综合 考虑 ,为工程埋下隐患。例如早期建成通车的沈大 高速公路、深汕高速公路等。通车后路基边坡发生 滑塌 ,造成了较大的经济损失和不良的社会影响。 沈大高速公路鲅鱼圈所以南 180 km 长的路段 ,后期 边坡工程防治费用占整个工程防治费的 80 %。深 汕高速公路　门滑坡路段长约 2 km ,滑坡整治费用 超过 1 亿元。同时 ,由于在高等级公路建设中 ,资金 有限、技术和手段较落后 ,对公路环保的意识不足 , 没有强调公路路域生态保护应与公路工程同步设计 和实施 ,从而在公路沿线区域也留下不少的生态问 题。 90 年代后期 ,中国公路建设进入了前所未有的 高速发展阶段 ,吸取前期公路建设的经验教训 ,高等 级公路路基边坡的综合治理受到重视。各地结合当 地工程实践开展了一系列公路路基边坡防护与加固 技术研究 ,路基边坡工程理论与实践取得了很大的 进展。本文概述和分析现有路基边坡稳定分析方法 的研究现状和存在问题 ,对路基边坡设计理论与实 第29卷 ,第2期 2 0 0 4 年 6 月 中 南 公 路 工 程 Central South Highway Engineering Vol . 29 ,No . 2 Jun . , 2 0 0 4 © 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 践及未来发展方向作简要评述。 1 　路基边坡稳定分析方法 从现有资料来看 ,边坡稳定分析方法不断在发 展 ,由定性逐步走向定量。定性方法主要包括自然 历史分析法、工程类比法及图解法 ,定量计算方法根 据不同边坡类型 ,稳定分析目的及精度要求对应不 同的方法。主要包括刚体极限平衡分析法及数值分 析方法。 1. 1 　定性分析法 定性分析方法主要是通过工程地质勘察 ,对影 响边坡稳定性的主要因素、可能的变形破坏方式及 失稳的力学 机制 综治信访维稳工作机制反恐怖工作机制企业员工晋升机制公司员工晋升机制员工晋升机制图 、已变形地质体的成因及其演化史 等进行分析 ,给出被评价边坡一个稳定性状况及其 可能发展趋势的定性说明和解释。 1. 2 　定量分析法 a . 刚性极限平衡分析法是假定岩土体破坏是 由于边坡土体沿滑动面发生滑动而造成的。假设滑 动面已知 ,其形状可以是平面、圆弧面、对数螺旋面 或其他不规则面 ,通过考虑由滑动面形成的隔离体 的静力平衡 ,确定沿这一滑动面发生滑动时的破坏 荷载。有的方法考虑隔离体的整体平衡 ,有的方法 把隔离体分成若干竖向的土条 ,并对条间力作一些 简化 ,然后考虑每一土条的静力平衡 ,这样可以求出 一系列滑动面发生滑动时的破坏荷载。最小的破坏 荷载就是要求的极限荷载 ,与之对应的滑动面就是 最危险的滑动面。几十年来 ,很多学者对刚体极限 平衡法进行不断的研究和改进 ,其发展大致可概括 为两个方面 :第一是着重探索最危险滑弧位置的规 律 ,制定数表、曲线 ,以减少计算工作量 ;第二是对基 本假定作些修改和补充 ,提出新的计算方法 ,使之更 加符合实际情况。这些方法对计算模型中条间力的 简化大致有下列 3 种 : ①假定土条的水平力 Xi 大 小 ,如简化 Bishop 法假定所有的水平条间力 X2 i 均 为零 ; ②假定条间水平力 Xi 与竖向力 Ei 的交角或 条间力合力的方向 ,例如 Spencer 法、Morgenstern — Prince 法、Sarma 法、陈祖煜法 ; ③假定条间力合力的 作用点位置 ,例如 Janbu 法、王复来法。 研究表明 ,在满足合理性要求的条件下 ,为减少 未知量所作的各种假定求出的安全系数差别不大。 随着计算机技术的发展 ,人们已经将这些方法程序 化了 ,特别是对最危险滑动面的搜索 ,不少专家学者 提出了一系列的自动寻找、计算最危险滑弧及圆心 位置的分析方法及计算机软件 ,使复杂的计算问题 变得简单、快速。但必须指出 ,采用极限平衡法来分 析边坡稳定 ,由于没有考虑土体本身的应力 —应变 关系和实际工作状态 ,所求出的土条间的内力和土 条底部的反力均不能代表土坡在实际工作条件下真 正的内力和反力 ,更不能求出变形 ,只是利用人为的 虚拟状态求出安全系数而已。 b. 自从 1966 年美国的 Clough 和 Woodward 应用 有限元法分析土坡稳定性问题以来 ,数值计算方法 在岩土工程中的应用发展迅速 ,并取得了巨大进展。 有限单元法 ( Finite Element Method ,简称 FEM 法) 部 分地考虑了边坡岩体的非均质和不连续性 ,可以给 出岩土体的应力、应变大小和分布 ,能近似地从岩土 体的本构关系去分析边坡的变形破坏机制 ,分析最 先和最容易发生屈服破坏的部位和需要首先进行加 固的部位等。有限元法还可以进一步考虑层状介质 边坡体的流变效应、渗流效应、孔隙水压力与土体颗 粒之间的相互作用、滑动面上的压、剪应力随时间的 增减变化过程、塑性屈服过程、加工硬化与膨胀软化 过程等力学性态 ,但对于大变形求解、岩体中不连续 面、无限域和应力集中等问题的求解还不理想。 c . 离散单元法 (Distinct Element Method ,简称 DEM法) 1970 年由 Cundall 首次提出 ,是将所研究的 区域划分成一个个分离的多边形块体单元 ,块与块 之间没有变形协调的约束 ,但需满足平衡方程。块 体的运动不是自由的 ,它会遇到邻接块体的阻力。 本构方程可以是线性的 ,也可以是非线性的。这种 方法用于解决非连续介质大变形问题 ,分析被结构 面切割的岩质边坡的变形和破坏过程是非常实用 的。其于 1980 年和 1988 年问世 ,并迅速在数值模 拟理论和工程应用方面取得显著进展。在我国 ,离 散单元法的研究和应用始于 80 年代中期 ,采用二维 和三维离散单元法对高边坡的稳定性问题开展了一 系列卓有成效的研究。 d. 块体系统连续变形分析方法 (Discontinuous Deformation Analysis ,简称 DDA)是基于岩体介质非连 续性发展起来的一种崭新的数值分析方法。DDA 法可以模拟出岩石块体的移动、转动、张开、闭合等 全部过程。据此 ,可以判定出岩体的破坏程度、破坏 范围 ,从而对岩体的整体和局部的稳定性作出正确 的评价。DDA 方法于 1985 年由石根华和 Goodman 创立 ,90 年代进入我国 ,同济大学孙钧教授领导的 研究组已开发相应计算程序 ,同时将非连续变形分 析推广到岩石力学与工程问题 ,并将非连续变形分 析与AutoCAD动态技术结合 ,使块体系统非连续变 25 　 中 南 公 路 工 程 第 29 卷 © 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 形分析法的计算实施过程形象、直观 ,完成了块体系 统的变形和破坏全过程的模型。当然 ,DDA 方法在 岩体参数的选取、计算时步的大小、边坡渗流及解决 大变形问题等方面有一定的局限性 ,但它作为一种 新型的岩土数值计算方法 ,有着广阔的应用前景。 e . 连续介质快速拉格朗日分析法 ( Fast Lagrang ian Analysis of Code ,简称 FLAC) 是由美国 I —TASCA 咨询集团于 1986 年研制推出。FLAC 是一种显式有 限差分程序 ,它提供了各向同性和横观各向同性材 料线弹性模型、Mohr - Coulomb 和 Drucker - Prager 模 型、应变软化和双屈服模型以及修正的 Cam —clay 模 型等等 ,能较好地解决非线性大变形问题。 f . 流形元法 (Manifold element ,简称 NMM 法) 90 年代初由石根华、林德漳等人提出 ,对解决有如动、 静交叉以及连续与非连续介质藕合问题等是一种新 的数值分析方法。数值流形法以拓扑流形学为基 础 ,应用有限复盖技术 ,包融并吸收了 FEM 和 DDA 两者的优点 ,通过在分析域各物理复盖上建立通用 的复盖函数和以加权求和形成总体位移函数 ,从而 把上述的连续和非连续变形学问题统一到这种方法 之中 ,因此该法具有更为通用的特色。 g. 此外 ,由于边坡工程是一个复杂的开放系 统 ,影响因素多 ,并且带有相当的随机性、模糊性和 不确定性 ,沿用传统力学方法进行计算分析 ,存在许 多问题和不足 ,有时甚至是无能为力。近年来 ,边坡 稳定分析理论研究吸收了现代科学理论中的耗散理 论、协同学理论、混沌理论、随机理论、模糊理论、灰 色系统理论、突变理论等理论的基础上 ,创立和发展 了一批非确定性分析方法。主要研究方法有 :边坡 稳定可靠性分析方法、随机过程方法、模糊数学法、 灰色系统预测滑坡失稳分析方法、人工智能和人工 神经网络方法。 其中 ,人工智能当前的进展主要反映在如何使 用计算机来模拟人们 (专家)那种基于直觉经验的推 理过程 ,使智能技术在专家的直觉经验的基础上再 与计算机所赋予的逻辑推理相结合 ,以求更进一步 地模拟与代替专家的智能。人工神经网络 (Artificial Neural Network)是模拟人脑的结构与工作原理 ,利用 数学方法和计算机技术发展起来的一门新兴分支科 学。它具有许多引人注目的特点 :大规模复杂系统 , 具有很强的自适应、自学习、自组织能力和高度非线 性动态处理能力。这种能力可以代替复杂的、耗时 的传统算法 ,使信息处理过程更接近于人的大脑思 维活动。人工智能和人工神经网络的研究是当今全 世界关注的高科技热点之一。国内最早 (1991 年) 由北方交通大学的张清教授率先将专家系统和人工 神经网络应用于岩石力学与工程领域 ,进行隧道围 岩分类、岩石力学行为预测和巷道分类指标类聚分 析 ,近年来又把它应用于岩石工程系统和岩石工程 参数重要性分析。神经网络用于边坡工程系统分析 具有独特的优势 ,目前已初步成功应用于三峡船闸 高边坡变形预测中。 2 　路基边坡工程设计理论 公路是沿地表建设的线状构造物 ,延伸长度非 常长 ,对环境影响大 ,跨越的地质地貌单元多 ,所遇 到的工程地质条件好坏不一、复杂多样。判断一处 边坡是否安全 ,取决于对边坡所处自然环境与地形 地质环境的了解程度 ,以及能够把握住保持边坡安 全的基本条件。工程边坡设计是否合理要综合考虑 其安全性、经济性和环保性。现行的路基边坡设计 在整个公路设计过程中受重视程度较低 ,究其原因 , 主要是在路线勘测设计阶段对工程地质条件了解不 够充分 ,设计缺乏针对性 ,往往导致 施工 文明施工目标施工进度表下载283施工进度表下载施工现场晴雨表下载施工日志模板免费下载 时边坡失 稳 ,频繁变更设计 ,造成很大经济损失。反过来说 , 如果片面要求公路全线进行详细的工程地质勘察 , 同样也会由于路线长、工程地质条件好坏不一 ,增大 很多投资 ,造成一些不必要的浪费 ,而且对地质资料 的掌握仍然不容易满足设计要求。因此有必要调整 边坡的设计思路。公路路基边坡加固与防护设计应 遵循以下几个原则 : ①并行性。并行设计是现代设计的重要内容 , 在综合集成制造系统 (CMIS) 领域中广为应用。由 于边坡工程条件非常复杂 ,因此严格按照岩土工程 要求将滑坡治理过程明确划分为勘察、设计和施工 几个阶段是不现实的。但是并行设计必须建立在非 常充分的可行性研究基础上 ,国内典型滑坡治理工 程中 ,长江三峡链子岩危岩治理过程是成功的并行 设计范例 ,公路高边坡治理中 ,应用并行性思路进行 设计的报道还未见。 ②反馈性。反馈设计又可称为动态设计或信 息设计 ,它建立于监测基础上。90 年代以来 ,以潘 家铮院士为代表的学者在设计和加固水利工程边坡 时提出了该方法。其基于施工期逐步明朗的地质条 件及监测结果 ,对岩体工程进行动态设计 ,达到优化 设计结果。反馈设计的前提是要根据现场施工监测 资料对原设计进行正确的反分析 ,在此基础上进行 (下转第 57 页) 35第 2 期 汪益敏 ,等 :路基边坡问题研究现状　 © 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 表 8 　不同试验 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 二灰砂砾温度应力比计算结果汇总表 Table 8 　Summary of thermal stress ratios of LFAG 方案 代号 典型 结构 代号 温度产生的应力比Π% 同一时刻基层顶部 - 底部 夏季 冬季 基层底部一天最大温差时 夏季 冬季 A B C D E 1 0. 73 0. 51 0. 1 0. 11 2 0. 77 0. 59 0. 22 0. 22 3 1. 28 1. 1 0. 45 0. 42 1 0. 55 0. 38 0. 07 0. 08 2 0. 58 0. 45 0. 16 0. 16 3 0. 96 0. 82 0. 34 0. 32 1 0. 66 0. 46 0. 09 0. 09 2 0. 69 0. 54 0. 2 0. 2 3 1. 15 0. 99 0. 41 0. 38 1 0. 5 0. 35 0. 07 0. 07 2 0. 52 0. 41 0. 15 0. 15 3 0. 87 0. 75 0. 31 0. 29 1 0. 53 0. 37 0. 07 0. 08 2 0. 56 0. 43 0. 16 0. 16 3 0. 94 0. 8 0. 33 0. 31 4 　结论 通过对半刚性基层因温度所产生的应力比大小 分析可以得到以下一些结论 : ①半刚性基层材料进 行温度分析时 ,应和使用时的结构类型结合进行。 由表 8 中数据可见 ,对不同等级公路 ,温度对基层产 生的温度应力比是不同的 ,公路等级越高 ,温度对基 层产生的应力比就越小。因此可以照此推理 ,当面 层厚度超过一定值时 ,再用增加面层厚度的方法来 降低温度对基层的影响是不可取的。对于高速以及 一级公路 ,由于面层较厚 ,受温度影响产生的应力比 也明显低于二级以下公路 ; ②选取温度应力评价对 比状态时 ,应采用基层顶部到底部所产生应力比作 为比选时的不利状态 (从表中数据可见 ,在此状态下 所产生的温度应力值明显高于温度影响对基层底部 所产生的应力值) ; ③从表中的数据也可以看出 ,对 于同一种级配方案 ,在不同的季节里 ,所产生的应力 是不相同的 ,一般情况下 ,夏季的产生的温度应力比 比夏季大。 [参考文献 ] [1 ] 　韩子东. 道路结构温度场研究[D] . 西安 :长安大学 ,2001. 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