邊坡穩定性的研究進展

謝雨霖

(云南大學建筑與規劃學院,昆明 650504)

山坡垮臺有多種形式,其中最普遍的是山體垮臺。所有的邊坡失穩均涉及邊坡巖、土體在剪切應力作用下的破壞,因此影響剪切應力和巖、土體抗剪強度的因素都會影響邊坡的穩定性。根據破壞原因,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滑動,通常表現為直線。楔形損傷的破壞通常發生在邊坡巖體中,由兩組或更多的結構面相交,形成楔形,導致巖體崩塌。

圓弧形損傷是當邊坡受到損害時滑動表面變成圓弧,通常情況下這類損傷發生在土壤和石頭之間。但對于那些具有松散結構的巖石和脆性的沉積物來說,它們的損傷通常會導致山峰山脊上出現明顯的裂縫。傾斜損傷是當巖體的結構面或層面變得非常陡峭時,由于重力作用每一層的弱點都會受到巨大的力矩,導致其向自由空間傾斜,從而產生傾倒破壞。

1 邊坡破壞的影響因素

水。水對邊坡巖體穩定性的影響是多方面的、非常活躍的。大量事實證明,多數邊坡巖土體的破壞和滑動都與水的活動有關。水對巖土體有明顯的化學作用和物理作用,兩者共同令巖體松散、破碎,不同程度地增加巖土體結構面的密度、貫通性、壓縮性及透水性,導致強度降低,對邊坡巖土體穩定性產生重要影響。

氣溫。高溫會導致巖土體風化,特別是在邊坡地區,驟冷驟熱會使巖土體風化更嚴重,導致邊坡崩塌、滑坡等問題。為保護邊坡,需重視高溫危害。

巖土體結構。巖石穩定性受到結構面的影響,這些結構面可能是連續的、斷續的或隱藏的,也可能是由不同產狀結構組成的單元巖塊。因此研究這些結構面對于提高巖石穩定性至關重要。

力學因素的影響。公路巖質邊坡破壞的力學因素有很多,如震動力、地質構造力、巖體自重力、巖體內物理化學及地球化學作用等在巖體內所產生的應力等。在某些情況下開挖時進行爆破(震動)是影響巖質邊坡穩定性最普遍、最嚴重的因素,對于階梯邊坡來說尤為嚴重。

巖性風化作用與侵蝕作用的影響。風化作用改變巖石性質,即各種大氣因素在起作用。風化作用可對巖石的變形性質產生不利影響并降低其他強度性質。風化作用的影響通常只能予以定性評價,但為充分了解邊坡應做到定量評價。侵蝕作用主要是水的侵蝕,水的存在會加大巖體裂隙,增強巖石風化,造成巖體不穩。

2 邊坡穩定性的評價方法

評估邊坡穩定性的方法主要有以下幾種:1)定性分析法。可深入了解邊坡特征,包括尺寸、形態、地質結構、環境條件、形成歷史、變形破壞等,從而準確評估邊坡演化趨勢及穩定性。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定性方法,將可能發生滑動的物體假設為剛體,通過分析其表面來確定應力分布情況。3)有限元分析法。確定邊坡的位移及應力情況,根據巖石和土壤強度標準計算出每個單元與可能發生滑動的面的穩定性系數。4)對比實地考察結果。采用此方法識別未知的地質條件,從而更準確地預測未來的地質變化,確保地質結構安全可靠。

3 國內外研究現狀

3.1 國外研究現狀

凍融條件。Mcrobert[1]和Suokan[2]于2001年通過實驗研究證實,即使處于較低的應力水平,也會導致邊坡土壤發生蠕變[3],這種情況不受邊坡傾斜程度的影響。凍融循環對于寒冷地帶的土地形態有著重要影響,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。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],一個凍融循環可顯著降低土壤的干密度及黏結性,提高其內部摩擦角。研究表明,凍融循環會影響土壤結構,其影響程度、范圍及時間都取決于土壤的初始形態和水分含量。在凍融循環過程中土壤結構會逐漸變弱,最終導致邊坡崩塌。

降雨條件。降水對于土質邊坡內的滲流規律及邊坡穩定性有一定的影響,而露天礦排土場邊坡穩定性研究是保證露天礦安全生產的重要組成部分。很多人采用理論分析、數值模擬、相似模擬、實際驗證等方法對邊坡穩定性進行了研究[6-9]。隨著科學技術的進步,有關邊坡降雨滲流問題的分析方法取得了很大的進展。運用計算機采用數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到降雨滲流在邊坡內部的移動情況及邊坡變化情況,有助于提高分析的準確性[12-13]。20世紀70年代末,英國學者Johansson提出了一種新的電法技術[14]eri,它的概念源于陣列電法,由他設計的電測深系統成功實現了應用。20世紀80年代,隨著集成電路的發展和工程的需要,美國和日本研制了可自動采集數據的高密度電法裝置,但由于當時科技水平所限,其優勢未能完整體現出來[15-18]。20世紀90年代,隨著電子計算機的發展和應用,其優點才被越來越多的人認識到。經過三十多年的發展,高密度電法電極排列方式得到了極大的發展,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算機軟硬件技術的發展,高密度電法的應用越來越廣泛[14],在地層勘探、水壩滲漏探測、垃圾填埋場探測、海洋環境探測等領域取得了很好的應用效果。

巖土質條件。19世紀70年代,Vanmarcke[19]假設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的二維圓弧滑面方法擴展到三維,使用局部平均理論(Localaverage theory),考慮了土體空間變異性對邊坡穩定可靠性的影響[20-21]。Vanmarck模型(VM)包含3種類型基本假設,分別為邊坡幾何形狀、土體強度及滑動面。Lee等[22]對VM及RLEM兩種三維邊坡穩定性分析方法進行了比較研究,表明假設可能導致偏于保守的可靠性分析結果及偏于不保守的結果。通過比較VM與RFEM計算結果,Varkey等[23]發現垂直端面假設造成了對邊坡安全系數均值的非保守估計,文獻[24]也報道了類似的研究結果。

3.2 國內研究現狀

凍融條件。王紹令等調查發現,多年凍土區的熱融滑塌是一種普遍存在的斜坡災害[25],指出在不可抗拒的情況下要想有效阻止這種災害的發展,必須有效阻止其蔓延,做好保護,如在不能完全阻止的情況下應有效攔截坍塌物,在不同地方添加覆蓋層,在不同環境下需有效控制其破壞,以降低影響。隨著氣候的變暖,不同地勢條件可能導致滑坡的發生,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黏土的土壤,探究了凍融循環過程中其強度、孔隙尺寸、形態、方位、面積的變化,探討了它們之間的關系。馮勇等研究發現,隨著凍融循環次數的增多[27],細顆粒的黏附性c、內部摩擦系數φ都有所減小,其中含水量成為主導因素。程永春等[28]指出土質路塹邊坡凍融失穩及植被護坡機理[29],隨著含水率的升高及凍融循環的頻繁,邊坡滑動破壞的臨界深度也將隨之減小,直至接近當地的平均最高凍融深度,基于此構建了一個更為準確的凍融循環作用下的臨界深度模型。劉紅軍等實證分析,凍融作用下,邊坡土體的抗剪強度表現出了顯著的變化[30],當土壤達到最適宜的濕潤程度時,其黏結力會達到頂峰,而內部的摩擦角則會隨著濕潤程度而減小。

降雨條件。降雨對排土場邊坡穩定性影響巨大,很多學者都對此進行了理論及實驗研究,促進了滲流理論及工程應用的發展。利用有限元分析,曹文貴等有效探索了排土場的滲流機制,避免了泄漏邊緣的計算困難,極大地改良了邊坡工程的研究[31]。張李盈等則以數學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的幾何結構變遷、運動機制及不同的臨界狀態,使得滲流理論內涵得到了更加全面的拓展。周峙開發出一種新的系統,用于實時監控和評估邊坡的穩定性。此系統包括一個實時的模擬系統和一個光纖布拉格光柵深部柔性位移系統,可同時檢測土體的飽和比,從而深化對土體的研究[33]。在實際運用方面,許多學者在數值模擬、相似模擬、具體邊坡分析等方面做了大量研究,積累了很多經驗。田陽輝使用Geo-studio的Seep模型[31]模擬山西一個鐵礦的排水系統,研究其中的降水如何進行滲透。Lv等[34]建立了裂隙煤巖體滲流損傷耦合數學模型,研究了裂隙煤巖體滲透張量效應。在相似模擬研究上,劉福明等建立了相似模擬試驗模擬雨水在邊坡中的滲流過程。呂剛等[35]建立了排土場平臺-邊坡室內模型,采用人工模擬降雨試驗研究不同降雨強度和土體裂縫深度條件下的模型演變過程、產流產沙特征及侵蝕溝形態特征。在具體應用中,甘海闊等[36]以充沛雨量地區某排土場為例,運用非飽和土力學方法,對長歷時降雨條件下瞬態滲流場的演化規律及其對邊坡穩定性的影響進行研究,對邊坡失穩位置有了更清晰的認識。劉向峰等[37]針對黑岱溝露天礦排土場西部變形區無法繼續排土的問題,對變形區基底、水、排棄物等主要因素進行分析,提出相應的治理措施,為相關礦區的同類問題提供了解決方案。陳科平[38]提出一種改進方法,利用VM模型獲得初步邊坡穩定性分析結果,運用一組回歸方程來校正這些分析結果與真實解之間的偏差。這些回歸方程通過擬合初步分析結果及RLEM計算結果建立。

巖土質條件。隨著科技的發展,巖土工程發展越來越快,針對巖土邊坡不穩定性的有效防護和經濟治理[39]已成為巖石力學領域的熱門話題。許多學者開展了深入研究。王浩等利用極限分析法,研究了巖土邊坡結構,基于平衡規律提出邊坡的最低損傷限度,利用流體力學原理來估測最高損傷限度[40]。彭文祥利用模糊極限理論,提出了一種新的雙層數據處理技術[41]。榮冠等通過反分析技術來解決巖土邊坡的復雜問題,提出以對數螺線作為基礎的滑移量,精確估測材料的抗壓能力[42]。隨著科技的發展,越來越多的學者采取隨機理論分析法來研究巖土邊坡問題,周立榮等使用計算機技術編寫了一套完善的系統軟件,以便更加精確、有效地評價巖土邊坡穩定性及安全性[43]。許多學者開創性地引入了新的數值分析法,得到了廣泛應用。

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,需要更多的專業知識和技能,在處理寒冷地帶邊坡時需要更多的專業知識和技能,以便更好地識別和預測可能發生的變化,因此定性分析無法精確地反映邊坡在受到外界溫度、壓力影響下的穩定性及其相關的應力與應變情況。

定量分析中的極限平衡法能夠實現準確的、客觀的、可靠的常溫邊坡穩定性評估,但它僅基于某種特殊的參數,忽略了復雜的介質及周圍環境的影響,導致計算結果存在較大的偏差,無法反映出坡體的應力-應變情況。進行極限平衡法研究時,單獨考慮土壤內部的因素不足以解決問題,需要關注氣候變化對地面的影響,如氣候-地表溫度和地表濕度之間的交互作用。這些因素都會對研究及評估造成影響。

模糊綜合評判法可分析受不同因素影響的研究對象,如寒區邊坡的穩定性受邊坡的幾何形態、工程地質條件等因素的影響,將不同因素按照模糊數學的方法賦以隸屬度,通過模糊變換和最隸屬度的計算對研究對象的等級進行綜合評價。在實際分析中,權值的分配存在一定的經驗性和主觀性,分析結果有一定的不確定性。該方法會因環境中不確定因素的頻繁變化導致結果與實際產生偏差,可靠度還有待提高。

室內試驗中,由于較小的試驗場地和較短的時間不足以滿足實際工程要求,因此使用這種方法來評估寒冷地區邊坡的穩定性存在一定的局限性,可能會導致測量結果與實際情況存在較大的偏差。

盡管原位試驗可以有效評估邊坡的穩定性,但也存在一些缺陷。如,原位試驗需要大量的資金投入及人力來維護,對于規模較小的工程來說會導致工程成本顯著增加。

對于三維路基邊坡穩定可靠性分析,傳統方法僅開展截面邊坡可靠度計算,截面邊坡可靠指標達到規定閾值則認為三維邊坡穩定性滿足工程需求。但在工程實踐中,巖土邊坡失穩以局部三維溜坍形式發生,以二維分析代替三維分析隱含了滑動面沿線路縱向全長范圍內發展的假設,等價于假設土性參數在長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定可靠性分析方法為隨機有限元分析方法RFEM,數值模擬方法具有許多優點,不需對破壞面的形狀做任何假設,但當邊坡破壞概率很小時,計算成本可能非常高,難以被大規模應用,故需研究計算量更少的解析方法。

土性參數變異系數分布特征及類型劃分。一般來說,需要把參數的變化率最大和最小值定義為離散區域的中心,但這種方法沒有充分考慮內部分布情況,容易導致測量結果不準確。如果把這些區域按照大小進行劃分,則會忽視其強度與測量結果的非線性反饋能力。

5 結束語

未來,需結合溫度、降水等條件對不同邊坡穩定性的影響,結合數據分析方法及研究成果,對各方法分析進行比較,令邊坡穩定性分析與計算向著更準確的計算理論、更智能的計算方法、更精密的實驗設備及更精準的數值模擬方向發展。