邊坡穩(wěn)定性的研究進(jìn)展

謝雨霖

(云南大學(xué)建筑與規(guī)劃學(xué)院,昆明 650504)

山坡垮臺(tái)有多種形式,其中最普遍的是山體垮臺(tái)。所有的邊坡失穩(wěn)均涉及邊坡巖、土體在剪切應(yīng)力作用下的破壞,因此影響剪切應(yīng)力和巖、土體抗剪強(qiáng)度的因素都會(huì)影響邊坡的穩(wěn)定性。根據(jù)破壞原因,可將其分為平面損傷、楔形損傷、圓弧形損傷及傾斜損傷。平面破壞是在特定的地形條件下邊坡出現(xiàn)滑動(dòng),通常表現(xiàn)為直線。楔形損傷的破壞通常發(fā)生在邊坡巖體中,由兩組或更多的結(jié)構(gòu)面相交,形成楔形,導(dǎo)致巖體崩塌。

圓弧形損傷是當(dāng)邊坡受到損害時(shí)滑動(dòng)表面變成圓弧,通常情況下這類損傷發(fā)生在土壤和石頭之間。但對(duì)于那些具有松散結(jié)構(gòu)的巖石和脆性的沉積物來說,它們的損傷通常會(huì)導(dǎo)致山峰山脊上出現(xiàn)明顯的裂縫。傾斜損傷是當(dāng)巖體的結(jié)構(gòu)面或?qū)用孀兊梅浅６盖蜁r(shí),由于重力作用每一層的弱點(diǎn)都會(huì)受到巨大的力矩,導(dǎo)致其向自由空間傾斜,從而產(chǎn)生傾倒破壞。

1 邊坡破壞的影響因素

水。水對(duì)邊坡巖體穩(wěn)定性的影響是多方面的、非?；钴S的。大量事實(shí)證明,多數(shù)邊坡巖土體的破壞和滑動(dòng)都與水的活動(dòng)有關(guān)。水對(duì)巖土體有明顯的化學(xué)作用和物理作用,兩者共同令巖體松散、破碎,不同程度地增加巖土體結(jié)構(gòu)面的密度、貫通性、壓縮性及透水性,導(dǎo)致強(qiáng)度降低,對(duì)邊坡巖土體穩(wěn)定性產(chǎn)生重要影響。

氣溫。高溫會(huì)導(dǎo)致巖土體風(fēng)化,特別是在邊坡地區(qū),驟冷驟熱會(huì)使巖土體風(fēng)化更嚴(yán)重,導(dǎo)致邊坡崩塌、滑坡等問題。為保護(hù)邊坡,需重視高溫危害。

巖土體結(jié)構(gòu)。巖石穩(wěn)定性受到結(jié)構(gòu)面的影響,這些結(jié)構(gòu)面可能是連續(xù)的、斷續(xù)的或隱藏的,也可能是由不同產(chǎn)狀結(jié)構(gòu)組成的單元巖塊。因此研究這些結(jié)構(gòu)面對(duì)于提高巖石穩(wěn)定性至關(guān)重要。

力學(xué)因素的影響。公路巖質(zhì)邊坡破壞的力學(xué)因素有很多,如震動(dòng)力、地質(zhì)構(gòu)造力、巖體自重力、巖體內(nèi)物理化學(xué)及地球化學(xué)作用等在巖體內(nèi)所產(chǎn)生的應(yīng)力等。在某些情況下開挖時(shí)進(jìn)行爆破(震動(dòng))是影響巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性最普遍、最嚴(yán)重的因素,對(duì)于階梯邊坡來說尤為嚴(yán)重。

巖性風(fēng)化作用與侵蝕作用的影響。風(fēng)化作用改變巖石性質(zhì),即各種大氣因素在起作用。風(fēng)化作用可對(duì)巖石的變形性質(zhì)產(chǎn)生不利影響并降低其他強(qiáng)度性質(zhì)。風(fēng)化作用的影響通常只能予以定性評(píng)價(jià),但為充分了解邊坡應(yīng)做到定量評(píng)價(jià)。侵蝕作用主要是水的侵蝕,水的存在會(huì)加大巖體裂隙,增強(qiáng)巖石風(fēng)化,造成巖體不穩(wěn)。

2 邊坡穩(wěn)定性的評(píng)價(jià)方法

評(píng)估邊坡穩(wěn)定性的方法主要有以下幾種:1)定性分析法?？缮钊肓私膺吰绿卣?包括尺寸、形態(tài)、地質(zhì)結(jié)構(gòu)、環(huán)境條件、形成歷史、變形破壞等,從而準(zhǔn)確評(píng)估邊坡演化趨勢(shì)及穩(wěn)定性。2)極限平衡分析法。它是一種用于研究巖石與土壤在極限條件下的穩(wěn)定性方法,將可能發(fā)生滑動(dòng)的物體假設(shè)為剛體,通過分析其表面來確定應(yīng)力分布情況。3)有限元分析法。確定邊坡的位移及應(yīng)力情況,根據(jù)巖石和土壤強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算出每個(gè)單元與可能發(fā)生滑動(dòng)的面的穩(wěn)定性系數(shù)。4)對(duì)比實(shí)地考察結(jié)果。采用此方法識(shí)別未知的地質(zhì)條件,從而更準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)未來的地質(zhì)變化,確保地質(zhì)結(jié)構(gòu)安全可靠。

3 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

3.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀

凍融條件。Mcrobert[1]和Suokan[2]于2001年通過實(shí)驗(yàn)研究證實(shí),即使處于較低的應(yīng)力水平,也會(huì)導(dǎo)致邊坡土壤發(fā)生蠕變[3],這種情況不受邊坡傾斜程度的影響。凍融循環(huán)對(duì)于寒冷地帶的土地形態(tài)有著重要影響,可通過改善巖石孔隙率、增加巖石滲透能力、提高巖石含水量及增加巖石抗壓能力來體現(xiàn)。1979年,Chamberlain[4]等研究表明,凍融過程可顯著降低土壤孔隙率,提高其垂直滲透性。此外,Qi等的觀察表明[5],一個(gè)凍融循環(huán)可顯著降低土壤的干密度及黏結(jié)性,提高其內(nèi)部摩擦角。研究表明,凍融循環(huán)會(huì)影響土壤結(jié)構(gòu),其影響程度、范圍及時(shí)間都取決于土壤的初始形態(tài)和水分含量。在凍融循環(huán)過程中土壤結(jié)構(gòu)會(huì)逐漸變?nèi)?最終導(dǎo)致邊坡崩塌。

降雨條件。降水對(duì)于土質(zhì)邊坡內(nèi)的滲流規(guī)律及邊坡穩(wěn)定性有一定的影響,而露天礦排土場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性研究是保證露天礦安全生產(chǎn)的重要組成部分。很多人采用理論分析、數(shù)值模擬、相似模擬、實(shí)際驗(yàn)證等方法對(duì)邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行了研究[6-9]。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步,有關(guān)邊坡降雨滲流問題的分析方法取得了很大的進(jìn)展。運(yùn)用計(jì)算機(jī)采用數(shù)值模擬方法可模擬各種滲流情形[10-11],便于分析滲流情況。采用地球物理勘探方法可觀測(cè)到降雨滲流在邊坡內(nèi)部的移動(dòng)情況及邊坡變化情況,有助于提高分析的準(zhǔn)確性[12-13]。20世紀(jì)70年代末,英國(guó)學(xué)者Johansson提出了一種新的電法技術(shù)[14]eri,它的概念源于陣列電法,由他設(shè)計(jì)的電測(cè)深系統(tǒng)成功實(shí)現(xiàn)了應(yīng)用。20世紀(jì)80年代,隨著集成電路的發(fā)展和工程的需要,美國(guó)和日本研制了可自動(dòng)采集數(shù)據(jù)的高密度電法裝置,但由于當(dāng)時(shí)科技水平所限,其優(yōu)勢(shì)未能完整體現(xiàn)出來[15-18]。20世紀(jì)90年代,隨著電子計(jì)算機(jī)的發(fā)展和應(yīng)用,其優(yōu)點(diǎn)才被越來越多的人認(rèn)識(shí)到。經(jīng)過三十多年的發(fā)展,高密度電法電極排列方式得到了極大的發(fā)展,勘探能力及效率得到了明顯提高。隨著高密度電法儀器和計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)的發(fā)展,高密度電法的應(yīng)用越來越廣泛[14],在地層勘探、水壩滲漏探測(cè)、垃圾填埋場(chǎng)探測(cè)、海洋環(huán)境探測(cè)等領(lǐng)域取得了很好的應(yīng)用效果。

巖土質(zhì)條件。19世紀(jì)70年代,Vanmarcke[19]假設(shè)三維滑體為兩端豎直平面的圓柱體的一部分,在概率框架下將傳統(tǒng)的二維圓弧滑面方法擴(kuò)展到三維,使用局部平均理論(Localaverage theory),考慮了土體空間變異性對(duì)邊坡穩(wěn)定可靠性的影響[20-21]。Vanmarck模型(VM)包含3種類型基本假設(shè),分別為邊坡幾何形狀、土體強(qiáng)度及滑動(dòng)面。Lee等[22]對(duì)VM及RLEM兩種三維邊坡穩(wěn)定性分析方法進(jìn)行了比較研究,表明假設(shè)可能導(dǎo)致偏于保守的可靠性分析結(jié)果及偏于不保守的結(jié)果。通過比較VM與RFEM計(jì)算結(jié)果,Varkey等[23]發(fā)現(xiàn)垂直端面假設(shè)造成了對(duì)邊坡安全系數(shù)均值的非保守估計(jì),文獻(xiàn)[24]也報(bào)道了類似的研究結(jié)果。

3.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

凍融條件。王紹令等調(diào)查發(fā)現(xiàn),多年凍土區(qū)的熱融滑塌是一種普遍存在的斜坡災(zāi)害[25],指出在不可抗拒的情況下要想有效阻止這種災(zāi)害的發(fā)展,必須有效阻止其蔓延,做好保護(hù),如在不能完全阻止的情況下應(yīng)有效攔截坍塌物,在不同地方添加覆蓋層,在不同環(huán)境下需有效控制其破壞,以降低影響。隨著氣候的變暖,不同地勢(shì)條件可能導(dǎo)致滑坡的發(fā)生,包括地層的厚薄、坡向、流速、含水量。齊吉琳等[26]研究了蘭州黃土和天津粉質(zhì)黏土的土壤,探究了凍融循環(huán)過程中其強(qiáng)度、孔隙尺寸、形態(tài)、方位、面積的變化,探討了它們之間的關(guān)系。馮勇等研究發(fā)現(xiàn),隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增多[27],細(xì)顆粒的黏附性c、內(nèi)部摩擦系數(shù)φ都有所減小,其中含水量成為主導(dǎo)因素。程永春等[28]指出土質(zhì)路塹邊坡凍融失穩(wěn)及植被護(hù)坡機(jī)理[29],隨著含水率的升高及凍融循環(huán)的頻繁,邊坡滑動(dòng)破壞的臨界深度也將隨之減小,直至接近當(dāng)?shù)氐钠骄罡邇鋈谏疃?基于此構(gòu)建了一個(gè)更為準(zhǔn)確的凍融循環(huán)作用下的臨界深度模型。劉紅軍等實(shí)證分析,凍融作用下,邊坡土體的抗剪強(qiáng)度表現(xiàn)出了顯著的變化[30],當(dāng)土壤達(dá)到最適宜的濕潤(rùn)程度時(shí),其黏結(jié)力會(huì)達(dá)到頂峰,而內(nèi)部的摩擦角則會(huì)隨著濕潤(rùn)程度而減小。

降雨條件。降雨對(duì)排土場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性影響巨大,很多學(xué)者都對(duì)此進(jìn)行了理論及實(shí)驗(yàn)研究,促進(jìn)了滲流理論及工程應(yīng)用的發(fā)展。利用有限元分析,曹文貴等有效探索了排土場(chǎng)的滲流機(jī)制,避免了泄漏邊緣的計(jì)算困難,極大地改良了邊坡工程的研究[31]。張李盈等則以數(shù)學(xué)模型視角將滲流理論作為一種普遍的概念[32],深入探討了無序系統(tǒng)的幾何結(jié)構(gòu)變遷、運(yùn)動(dòng)機(jī)制及不同的臨界狀態(tài),使得滲流理論內(nèi)涵得到了更加全面的拓展。周峙開發(fā)出一種新的系統(tǒng),用于實(shí)時(shí)監(jiān)控和評(píng)估邊坡的穩(wěn)定性。此系統(tǒng)包括一個(gè)實(shí)時(shí)的模擬系統(tǒng)和一個(gè)光纖布拉格光柵深部柔性位移系統(tǒng),可同時(shí)檢測(cè)土體的飽和比,從而深化對(duì)土體的研究[33]。在實(shí)際運(yùn)用方面,許多學(xué)者在數(shù)值模擬、相似模擬、具體邊坡分析等方面做了大量研究,積累了很多經(jīng)驗(yàn)。田陽輝使用Geo-studio的Seep模型[31]模擬山西一個(gè)鐵礦的排水系統(tǒng),研究其中的降水如何進(jìn)行滲透。Lv等[34]建立了裂隙煤巖體滲流損傷耦合數(shù)學(xué)模型,研究了裂隙煤巖體滲透張量效應(yīng)。在相似模擬研究上,劉福明等建立了相似模擬試驗(yàn)?zāi)M雨水在邊坡中的滲流過程。呂剛等[35]建立了排土場(chǎng)平臺(tái)-邊坡室內(nèi)模型,采用人工模擬降雨試驗(yàn)研究不同降雨強(qiáng)度和土體裂縫深度條件下的模型演變過程、產(chǎn)流產(chǎn)沙特征及侵蝕溝形態(tài)特征。在具體應(yīng)用中,甘海闊等[36]以充沛雨量地區(qū)某排土場(chǎng)為例,運(yùn)用非飽和土力學(xué)方法,對(duì)長(zhǎng)歷時(shí)降雨條件下瞬態(tài)滲流場(chǎng)的演化規(guī)律及其對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響進(jìn)行研究,對(duì)邊坡失穩(wěn)位置有了更清晰的認(rèn)識(shí)。劉向峰等[37]針對(duì)黑岱溝露天礦排土場(chǎng)西部變形區(qū)無法繼續(xù)排土的問題,對(duì)變形區(qū)基底、水、排棄物等主要因素進(jìn)行分析,提出相應(yīng)的治理措施,為相關(guān)礦區(qū)的同類問題提供了解決方案。陳科平[38]提出一種改進(jìn)方法,利用VM模型獲得初步邊坡穩(wěn)定性分析結(jié)果,運(yùn)用一組回歸方程來校正這些分析結(jié)果與真實(shí)解之間的偏差。這些回歸方程通過擬合初步分析結(jié)果及RLEM計(jì)算結(jié)果建立。

巖土質(zhì)條件。隨著科技的發(fā)展,巖土工程發(fā)展越來越快,針對(duì)巖土邊坡不穩(wěn)定性的有效防護(hù)和經(jīng)濟(jì)治理[39]已成為巖石力學(xué)領(lǐng)域的熱門話題。許多學(xué)者開展了深入研究。王浩等利用極限分析法,研究了巖土邊坡結(jié)構(gòu),基于平衡規(guī)律提出邊坡的最低損傷限度,利用流體力學(xué)原理來估測(cè)最高損傷限度[40]。彭文祥利用模糊極限理論,提出了一種新的雙層數(shù)據(jù)處理技術(shù)[41]。榮冠等通過反分析技術(shù)來解決巖土邊坡的復(fù)雜問題,提出以對(duì)數(shù)螺線作為基礎(chǔ)的滑移量,精確估測(cè)材料的抗壓能力[42]。隨著科技的發(fā)展,越來越多的學(xué)者采取隨機(jī)理論分析法來研究巖土邊坡問題,周立榮等使用計(jì)算機(jī)技術(shù)編寫了一套完善的系統(tǒng)軟件,以便更加精確、有效地評(píng)價(jià)巖土邊坡穩(wěn)定性及安全性[43]。許多學(xué)者開創(chuàng)性地引入了新的數(shù)值分析法,得到了廣泛應(yīng)用。

4 存在的問題

盡管定性分析可以提供一些參考,但它的局限性也不容忽視。例如,采取工程類比法來比較不同的邊坡情況,需要更多的專業(yè)知識(shí)和技能,在處理寒冷地帶邊坡時(shí)需要更多的專業(yè)知識(shí)和技能,以便更好地識(shí)別和預(yù)測(cè)可能發(fā)生的變化,因此定性分析無法精確地反映邊坡在受到外界溫度、壓力影響下的穩(wěn)定性及其相關(guān)的應(yīng)力與應(yīng)變情況。

定量分析中的極限平衡法能夠?qū)崿F(xiàn)準(zhǔn)確的、客觀的、可靠的常溫邊坡穩(wěn)定性評(píng)估,但它僅基于某種特殊的參數(shù),忽略了復(fù)雜的介質(zhì)及周圍環(huán)境的影響,導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果存在較大的偏差,無法反映出坡體的應(yīng)力-應(yīng)變情況。進(jìn)行極限平衡法研究時(shí),單獨(dú)考慮土壤內(nèi)部的因素不足以解決問題,需要關(guān)注氣候變化對(duì)地面的影響,如氣候-地表溫度和地表濕度之間的交互作用。這些因素都會(huì)對(duì)研究及評(píng)估造成影響。

模糊綜合評(píng)判法可分析受不同因素影響的研究對(duì)象,如寒區(qū)邊坡的穩(wěn)定性受邊坡的幾何形態(tài)、工程地質(zhì)條件等因素的影響,將不同因素按照模糊數(shù)學(xué)的方法賦以隸屬度,通過模糊變換和最隸屬度的計(jì)算對(duì)研究對(duì)象的等級(jí)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。在實(shí)際分析中,權(quán)值的分配存在一定的經(jīng)驗(yàn)性和主觀性,分析結(jié)果有一定的不確定性。該方法會(huì)因環(huán)境中不確定因素的頻繁變化導(dǎo)致結(jié)果與實(shí)際產(chǎn)生偏差,可靠度還有待提高。

室內(nèi)試驗(yàn)中,由于較小的試驗(yàn)場(chǎng)地和較短的時(shí)間不足以滿足實(shí)際工程要求,因此使用這種方法來評(píng)估寒冷地區(qū)邊坡的穩(wěn)定性存在一定的局限性,可能會(huì)導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果與實(shí)際情況存在較大的偏差。

盡管原位試驗(yàn)可以有效評(píng)估邊坡的穩(wěn)定性,但也存在一些缺陷。如,原位試驗(yàn)需要大量的資金投入及人力來維護(hù),對(duì)于規(guī)模較小的工程來說會(huì)導(dǎo)致工程成本顯著增加。

對(duì)于三維路基邊坡穩(wěn)定可靠性分析,傳統(tǒng)方法僅開展截面邊坡可靠度計(jì)算,截面邊坡可靠指標(biāo)達(dá)到規(guī)定閾值則認(rèn)為三維邊坡穩(wěn)定性滿足工程需求。但在工程實(shí)踐中,巖土邊坡失穩(wěn)以局部三維溜坍形式發(fā)生,以二維分析代替三維分析隱含了滑動(dòng)面沿線路縱向全長(zhǎng)范圍內(nèi)發(fā)展的假設(shè),等價(jià)于假設(shè)土性參數(shù)在長(zhǎng)度方向漲落尺度無窮大,不盡合理。目前較為成熟的三維路基邊坡穩(wěn)定可靠性分析方法為隨機(jī)有限元分析方法RFEM,數(shù)值模擬方法具有許多優(yōu)點(diǎn),不需對(duì)破壞面的形狀做任何假設(shè),但當(dāng)邊坡破壞概率很小時(shí),計(jì)算成本可能非常高,難以被大規(guī)模應(yīng)用,故需研究計(jì)算量更少的解析方法。

土性參數(shù)變異系數(shù)分布特征及類型劃分。一般來說,需要把參數(shù)的變化率最大和最小值定義為離散區(qū)域的中心,但這種方法沒有充分考慮內(nèi)部分布情況,容易導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果不準(zhǔn)確。如果把這些區(qū)域按照大小進(jìn)行劃分,則會(huì)忽視其強(qiáng)度與測(cè)量結(jié)果的非線性反饋能力。

5 結(jié)束語

未來,需結(jié)合溫度、降水等條件對(duì)不同邊坡穩(wěn)定性的影響,結(jié)合數(shù)據(jù)分析方法及研究成果,對(duì)各方法分析進(jìn)行比較,令邊坡穩(wěn)定性分析與計(jì)算向著更準(zhǔn)確的計(jì)算理論、更智能的計(jì)算方法、更精密的實(shí)驗(yàn)設(shè)備及更精準(zhǔn)的數(shù)值模擬方向發(fā)展。