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摘要：我国是一个多山的国家，滑坡广泛分布，特别是每年雨季都要发生若干滑坡，几乎遍及全国各省区，它直接危害着人民的生命与财产安全。对边坡稳定性研究是从国民经济出发的重要课题。文章主要对山区高速公路边坡设计的特殊性,提出设计应遵循的原则,边坡稳定分析方法及主要设计的具体内容进行了探讨。
关键词:山区;高速公路;边坡;设计
一、山区公路边坡设计的特殊性
山区公路边坡设计具有以下特点:(1)详细的地质资料是设计的前提、边坡是将地质体的一部分改造为人为工程,其稳定性受控于地质条件和人为改造程度,设计的边坡只有符合岩土体的地层岩性、结构、构造、风化程度及强度特征才能保持稳定。(2)边坡设计是预测性设计、由于线长、点多,而且变形尚未发生,因此其设计是在对开挖后可能产生的变形类型、规模、部位的预测来设计的。(3)边坡设计是风险性设计、山区地质条件的复杂多变,前期难以勘察清楚,从而使设计依据不充分,具有一定的风险性。同时,土方开挖必然改变坡体内的应力状态,造成坡体松弛变形、地表水下渗,对此该如何控制,目前在认识上还存在差距,从而也使设计具有较大的风险性。(4)边坡设计是动态的、由于开挖前对边坡的地质情况难以摸透,使设计难以完全符合实际,因此有必要把地质工作延伸到施工过程中,根据地质条件的变化,进行设计变更,即所谓的“动态设计,信息化施工”。(5)边坡设计对施工程序和方法应提出严格要求、边坡变形破坏,既有设计上的原因,也有施工程序和方法不当的原因。如雨季施工大量雨水渗入坡体软弱结构面;大药量爆破造成岩体破碎、软弱面松动甚至滑坡等。因此在设计文件中对施工程序和方法应提出严格的要求。
二、边坡设计应遵循的原则
山区公路边坡设计的上述特点决定了其设计必须遵循以下原则和思路:(1)并行设计、由于边坡工程地质条件复杂,因此严格按照岩土工程要求将滑坡治理工程明确划分为勘察、设计和施工三个阶段是不现实的,常常相互交织在一起,亦即并行设计。并行设计必须建立在非常充分的可行性研究基础上。(2)反馈设计、反馈设计又可称为监控设计、动态设计或信息设计,它建立于监测基础上。主要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,反馈设计的关键是根据现场施工监测资料对原设计进行正确的反分析。(3)绿色设计、绿色设计已成为现代边坡工程设计的重要组成部分。生物环境工程是公路环境治理工程的主体,其内涵是应用先进的绿化工程技术恢复与重建植被。因此在路基边坡设计时,应结合公路沿线的地形、地貌、地质和气候特征,正确设计边坡植被防护与加固工程。(4)智能性设计、智能科学应用于边坡工程领域是一个具有重要意义的研究方向,目前正处于开创性阶段。对复杂边坡工程系统,通过智能科学方法进行规划、决策和设计是21世纪的发展方向。
三、边坡稳定分析方法
边坡稳定分析方法在不断发展,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,定量方法主要包括刚体极限平衡分析法及数值分析方法。
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、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。其优点是能综合考虑影响边坡稳定性的多种因素,快速地对边坡的稳定状况及其发展趋势做出评价。
(1)自然(成因)历史分析法、该方法主要根据边坡发育的地质环境、边坡发育历史中的各种变形破坏迹象及其基本规律和稳定性影响因素等的分析,追溯边坡演变的全过程,对边坡稳定性的总体状况、趋势和区域性特征做出评价和预测,对已发生的滑坡,判断其能否复活或转化,主要用于天然边坡的稳定性评价。
(2)工程类比法、该方法实质上就是利用已有的自然边坡或人工边坡的稳定性状况及其影响因素、有关设计等方面的经验,并把这些经验应用到类似的边坡研究中。它需要对已有的边坡和目前的研究对象进行广泛的调查分析,类比分析和判断研究对象的稳定性、发展趋势、设计处理方案等。在工程实践中,既可以进行自然边坡间的类比,也可以进行人工边坡之间的类比,还可以在自然边坡和人工边坡之间进行类比。工程类比法是目前应用最为广泛的一种边坡稳定性分析方法。
(3)图解法、图解法可以分为诺模图法和投影图法。诺模图法就是利用一定的诺模图或关系曲线来表征与边坡稳定有关参数间的关系,并由此求出边坡稳定安全系数,或根据要求的安全系数及一些参数来反分析其它参数(c、φ,结构面倾角、坡角、坡高等)的方法。它目前主要用于土质或全强风化的具有弧形破坏面的边坡稳定性分析方法中;投影图法则是利用赤平极射投影的原理,通过作图来直观地表示出边坡变形破坏的边界条件。分析不连续面的组合关系,可能失稳岩土体形态及其滑动方向等,进而评价边坡的稳定性,并为力学计算提供信息,常用的有赤平极射投影图法、实体比例投影图法、Markland JJ投影图法等。
2 定量分析法
(1)刚性极限平衡分析法、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、圓弧面、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,并对土条间力作一些简化,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。
(2)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。
(3)离散单元法(Distinct Element Method,简称DEM法)、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。
(4)块体系统连续变形分析方法(Discontinuous Deformation Analysis,简称DDA)、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做出正确的评价。
(5)流形元法(Manifo1d Element Method,简称NMM法)、20世纪90年代初由石根华,林德漳等人提出,对解决诸如动、静交叉以及连续与非连续介质耦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,应用有限覆盖技术,包融并吸收了FEM和DDA两者的优点,通过在分析域各物理覆盖上建立通用的覆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。
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,存在诸多问题和不足。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、协同理论、随机理论、模糊理论、灰色系统理论、突变理论等创立和发展了一批非确定性分析方法。主要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等。
四、 边坡的形状选择和坡度确定
山区公路边坡设计的主要内容是确定边坡形状和坡度。设计应根据现场的自然条件、岩土性质、边坡高度,并参考当地稳定的自然山坡和人工边坡的坡度,结合采用的施工方法等因素确定。
1 边坡形状的选择
挖方边坡的形状,通常有直线形、折线形和台阶形3种。
(1)直线形是指从坡顶到坡脚采用单一坡度、当边坡高度不大、岩土性质相同、风化破碎(密实)程度相差很小时,宜采用此种形式,它施工简单、方便。
(2)折线形是指自上而下按岩土性质的差异而采用不同的坡度、当挖方高度范围内岩土性质及破碎或密实程度差别显著时,宜采用适应于各自稳定性要求的上陡下缓的折线形边坡。变坡点设在使上部坡度的潜力充分发挥的高度处,或者设在岩土性质的变化处。变坡点不应设置过多,一般以2~3次为宜,免得施工难以控制,而且变坡点附近容易受到坡面水的冲蚀。
(3)台阶形是指在边坡中部或岩土层分界处设置1~2m的平台,平台设置2%~4%的向外横坡以利排水、设置平台的优点是可以提高边坡的稳定性,减轻坡面水的冲刷,拦挡上方坡面剥落下坠的碎屑,便于施工。当挖方边坡较高易受雨水冲刷、软硬各层均很厚时,宜采用此形式。
2 边坡坡度的确定
(1)土质边坡 应视边坡高度、土的密实程度、地下水和地表水情况、土的成因类型及生成时代等因素确定。高速公路、一级公路因交通量大,一旦发生病害,养护、维护十分困难,经济损失较大,所以边坡坡度宜用1∶1~1∶1.75,这样既增强边坡的稳定性,防止水土流失,又便于边坡绿化。
(2)岩石边坡 岩石挖方边坡,应根据岩性、地质构造、岩石的风化破碎程度、边坡高度、地下水和地表水的情况、施工方法和地震作用等因素综合分析确定,对于易风化的岩石,泥质砂岩、泥灰岩、千枚岩等,坡度应比规范规定的取值范围适当增大一些,与相应的防护措施结合起来,并充分考虑因爆破施工而使岩石坡面松散破碎,容易滑落碎石等因素。对于受岩层构造面控制,构造破碎带和严重风化破碎带的岩石边坡,坡度应根据具体情况,适当放缓一些,并加强防护加固措施。
五、结 语:
判断边坡是否安全,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,但片面追求地质勘察的深度并不可取,其关键是综合考虑其安全性、经济性和环保性。这是调整山区公路边坡设计思路和方法的根本出发点。
关键词:山区;高速公路;边坡;设计
一、山区公路边坡设计的特殊性
山区公路边坡设计具有以下特点:(1)详细的地质资料是设计的前提、边坡是将地质体的一部分改造为人为工程,其稳定性受控于地质条件和人为改造程度,设计的边坡只有符合岩土体的地层岩性、结构、构造、风化程度及强度特征才能保持稳定。(2)边坡设计是预测性设计、由于线长、点多,而且变形尚未发生,因此其设计是在对开挖后可能产生的变形类型、规模、部位的预测来设计的。(3)边坡设计是风险性设计、山区地质条件的复杂多变,前期难以勘察清楚,从而使设计依据不充分,具有一定的风险性。同时,土方开挖必然改变坡体内的应力状态,造成坡体松弛变形、地表水下渗,对此该如何控制,目前在认识上还存在差距,从而也使设计具有较大的风险性。(4)边坡设计是动态的、由于开挖前对边坡的地质情况难以摸透,使设计难以完全符合实际,因此有必要把地质工作延伸到施工过程中,根据地质条件的变化,进行设计变更,即所谓的“动态设计,信息化施工”。(5)边坡设计对施工程序和方法应提出严格要求、边坡变形破坏,既有设计上的原因,也有施工程序和方法不当的原因。如雨季施工大量雨水渗入坡体软弱结构面;大药量爆破造成岩体破碎、软弱面松动甚至滑坡等。因此在设计文件中对施工程序和方法应提出严格的要求。
二、边坡设计应遵循的原则
山区公路边坡设计的上述特点决定了其设计必须遵循以下原则和思路:(1)并行设计、由于边坡工程地质条件复杂,因此严格按照岩土工程要求将滑坡治理工程明确划分为勘察、设计和施工三个阶段是不现实的,常常相互交织在一起,亦即并行设计。并行设计必须建立在非常充分的可行性研究基础上。(2)反馈设计、反馈设计又可称为监控设计、动态设计或信息设计,它建立于监测基础上。主要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,反馈设计的关键是根据现场施工监测资料对原设计进行正确的反分析。(3)绿色设计、绿色设计已成为现代边坡工程设计的重要组成部分。生物环境工程是公路环境治理工程的主体,其内涵是应用先进的绿化工程技术恢复与重建植被。因此在路基边坡设计时,应结合公路沿线的地形、地貌、地质和气候特征,正确设计边坡植被防护与加固工程。(4)智能性设计、智能科学应用于边坡工程领域是一个具有重要意义的研究方向,目前正处于开创性阶段。对复杂边坡工程系统,通过智能科学方法进行规划、决策和设计是21世纪的发展方向。
三、边坡稳定分析方法
边坡稳定分析方法在不断发展,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,定量方法主要包括刚体极限平衡分析法及数值分析方法。
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、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。其优点是能综合考虑影响边坡稳定性的多种因素,快速地对边坡的稳定状况及其发展趋势做出评价。
(1)自然(成因)历史分析法、该方法主要根据边坡发育的地质环境、边坡发育历史中的各种变形破坏迹象及其基本规律和稳定性影响因素等的分析,追溯边坡演变的全过程,对边坡稳定性的总体状况、趋势和区域性特征做出评价和预测,对已发生的滑坡,判断其能否复活或转化,主要用于天然边坡的稳定性评价。
(2)工程类比法、该方法实质上就是利用已有的自然边坡或人工边坡的稳定性状况及其影响因素、有关设计等方面的经验,并把这些经验应用到类似的边坡研究中。它需要对已有的边坡和目前的研究对象进行广泛的调查分析,类比分析和判断研究对象的稳定性、发展趋势、设计处理方案等。在工程实践中,既可以进行自然边坡间的类比,也可以进行人工边坡之间的类比,还可以在自然边坡和人工边坡之间进行类比。工程类比法是目前应用最为广泛的一种边坡稳定性分析方法。
(3)图解法、图解法可以分为诺模图法和投影图法。诺模图法就是利用一定的诺模图或关系曲线来表征与边坡稳定有关参数间的关系,并由此求出边坡稳定安全系数,或根据要求的安全系数及一些参数来反分析其它参数(c、φ,结构面倾角、坡角、坡高等)的方法。它目前主要用于土质或全强风化的具有弧形破坏面的边坡稳定性分析方法中;投影图法则是利用赤平极射投影的原理,通过作图来直观地表示出边坡变形破坏的边界条件。分析不连续面的组合关系,可能失稳岩土体形态及其滑动方向等,进而评价边坡的稳定性,并为力学计算提供信息,常用的有赤平极射投影图法、实体比例投影图法、Markland JJ投影图法等。
2 定量分析法
(1)刚性极限平衡分析法、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、圓弧面、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,并对土条间力作一些简化,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。
(2)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。
(3)离散单元法(Distinct Element Method,简称DEM法)、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。
(4)块体系统连续变形分析方法(Discontinuous Deformation Analysis,简称DDA)、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做出正确的评价。
(5)流形元法(Manifo1d Element Method,简称NMM法)、20世纪90年代初由石根华,林德漳等人提出,对解决诸如动、静交叉以及连续与非连续介质耦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,应用有限覆盖技术,包融并吸收了FEM和DDA两者的优点,通过在分析域各物理覆盖上建立通用的覆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。
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,存在诸多问题和不足。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、协同理论、随机理论、模糊理论、灰色系统理论、突变理论等创立和发展了一批非确定性分析方法。主要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等。
四、 边坡的形状选择和坡度确定
山区公路边坡设计的主要内容是确定边坡形状和坡度。设计应根据现场的自然条件、岩土性质、边坡高度,并参考当地稳定的自然山坡和人工边坡的坡度,结合采用的施工方法等因素确定。
1 边坡形状的选择
挖方边坡的形状,通常有直线形、折线形和台阶形3种。
(1)直线形是指从坡顶到坡脚采用单一坡度、当边坡高度不大、岩土性质相同、风化破碎(密实)程度相差很小时,宜采用此种形式,它施工简单、方便。
(2)折线形是指自上而下按岩土性质的差异而采用不同的坡度、当挖方高度范围内岩土性质及破碎或密实程度差别显著时,宜采用适应于各自稳定性要求的上陡下缓的折线形边坡。变坡点设在使上部坡度的潜力充分发挥的高度处,或者设在岩土性质的变化处。变坡点不应设置过多,一般以2~3次为宜,免得施工难以控制,而且变坡点附近容易受到坡面水的冲蚀。
(3)台阶形是指在边坡中部或岩土层分界处设置1~2m的平台,平台设置2%~4%的向外横坡以利排水、设置平台的优点是可以提高边坡的稳定性,减轻坡面水的冲刷,拦挡上方坡面剥落下坠的碎屑,便于施工。当挖方边坡较高易受雨水冲刷、软硬各层均很厚时,宜采用此形式。
2 边坡坡度的确定
(1)土质边坡 应视边坡高度、土的密实程度、地下水和地表水情况、土的成因类型及生成时代等因素确定。高速公路、一级公路因交通量大,一旦发生病害,养护、维护十分困难,经济损失较大,所以边坡坡度宜用1∶1~1∶1.75,这样既增强边坡的稳定性,防止水土流失,又便于边坡绿化。
(2)岩石边坡 岩石挖方边坡,应根据岩性、地质构造、岩石的风化破碎程度、边坡高度、地下水和地表水的情况、施工方法和地震作用等因素综合分析确定,对于易风化的岩石,泥质砂岩、泥灰岩、千枚岩等,坡度应比规范规定的取值范围适当增大一些,与相应的防护措施结合起来,并充分考虑因爆破施工而使岩石坡面松散破碎,容易滑落碎石等因素。对于受岩层构造面控制,构造破碎带和严重风化破碎带的岩石边坡,坡度应根据具体情况,适当放缓一些,并加强防护加固措施。
五、结 语:
判断边坡是否安全,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,但片面追求地质勘察的深度并不可取,其关键是综合考虑其安全性、经济性和环保性。这是调整山区公路边坡设计思路和方法的根本出发点。