边坡稳定性的研究进展

谢雨霖

(云南大学建筑与规划学院,昆明 650504)

山坡垮台有多种形式,其中最普遍的是山体垮台。所有的边坡失稳均涉及边坡岩、土体在剪切应力作用下的破坏,因此影响剪切应力和岩、土体抗剪强度的因素都会影响边坡的稳定性。根据破坏原因,可将其分为平面损伤、楔形损伤、圆弧形损伤及倾斜损伤。平面破坏是在特定的地形条件下边坡出现滑动,通常表现为直线。楔形损伤的破坏通常发生在边坡岩体中,由两组或更多的结构面相交,形成楔形,导致岩体崩塌。

圆弧形损伤是当边坡受到损害时滑动表面变成圆弧,通常情况下这类损伤发生在土壤和石头之间。但对于那些具有松散结构的岩石和脆性的沉积物来说,它们的损伤通常会导致山峰山脊上出现明显的裂缝。倾斜损伤是当岩体的结构面或层面变得非常陡峭时,由于重力作用每一层的弱点都会受到巨大的力矩,导致其向自由空间倾斜,从而产生倾倒破坏。

1 边坡破坏的影响因素

水。水对边坡岩体稳定性的影响是多方面的、非常活跃的。大量事实证明,多数边坡岩土体的破坏和滑动都与水的活动有关。水对岩土体有明显的化学作用和物理作用,两者共同令岩体松散、破碎,不同程度地增加岩土体结构面的密度、贯通性、压缩性及透水性,导致强度降低,对边坡岩土体稳定性产生重要影响。

气温。高温会导致岩土体风化,特别是在边坡地区,骤冷骤热会使岩土体风化更严重,导致边坡崩塌、滑坡等问题。为保护边坡,需重视高温危害。

岩土体结构。岩石稳定性受到结构面的影响,这些结构面可能是连续的、断续的或隐藏的,也可能是由不同产状结构组成的单元岩块。因此研究这些结构面对于提高岩石稳定性至关重要。

力学因素的影响。公路岩质边坡破坏的力学因素有很多,如震动力、地质构造力、岩体自重力、岩体内物理化学及地球化学作用等在岩体内所产生的应力等。在某些情况下开挖时进行爆破(震动)是影响岩质边坡稳定性最普遍、最严重的因素,对于阶梯边坡来说尤为严重。

岩性风化作用与侵蚀作用的影响。风化作用改变岩石性质,即各种大气因素在起作用。风化作用可对岩石的变形性质产生不利影响并降低其他强度性质。风化作用的影响通常只能予以定性评价,但为充分了解边坡应做到定量评价。侵蚀作用主要是水的侵蚀,水的存在会加大岩体裂隙,增强岩石风化,造成岩体不稳。

2 边坡稳定性的评价方法

评估边坡稳定性的方法主要有以下几种:1)定性分析法。可深入了解边坡特征,包括尺寸、形态、地质结构、环境条件、形成历史、变形破坏等,从而准确评估边坡演化趋势及稳定性。2)极限平衡分析法。它是一种用于研究岩石与土壤在极限条件下的稳定性方法,将可能发生滑动的物体假设为刚体,通过分析其表面来确定应力分布情况。3)有限元分析法。确定边坡的位移及应力情况,根据岩石和土壤强度标准计算出每个单元与可能发生滑动的面的稳定性系数。4)对比实地考察结果。采用此方法识别未知的地质条件,从而更准确地预测未来的地质变化,确保地质结构安全可靠。

3 国内外研究现状

3.1 国外研究现状

冻融条件。Mcrobert[1]和Suokan[2]于2001年通过实验研究证实,即使处于较低的应力水平,也会导致边坡土壤发生蠕变[3],这种情况不受边坡倾斜程度的影响。冻融循环对于寒冷地带的土地形态有着重要影响,可通过改善岩石孔隙率、增加岩石渗透能力、提高岩石含水量及增加岩石抗压能力来体现。1979年,Chamberlain[4]等研究表明,冻融过程可显著降低土壤孔隙率,提高其垂直渗透性。此外,Qi等的观察表明[5],一个冻融循环可显著降低土壤的干密度及黏结性,提高其内部摩擦角。研究表明,冻融循环会影响土壤结构,其影响程度、范围及时间都取决于土壤的初始形态和水分含量。在冻融循环过程中土壤结构会逐渐变弱,最终导致边坡崩塌。

降雨条件。降水对于土质边坡内的渗流规律及边坡稳定性有一定的影响,而露天矿排土场边坡稳定性研究是保证露天矿安全生产的重要组成部分。很多人采用理论分析、数值模拟、相似模拟、实际验证等方法对边坡稳定性进行了研究[6-9]。随着科学技术的进步,有关边坡降雨渗流问题的分析方法取得了很大的进展。运用计算机采用数值模拟方法可模拟各种渗流情形[10-11],便于分析渗流情况。采用地球物理勘探方法可观测到降雨渗流在边坡内部的移动情况及边坡变化情况,有助于提高分析的准确性[12-13]。20世纪70年代末,英国学者Johansson提出了一种新的电法技术[14]eri,它的概念源于阵列电法,由他设计的电测深系统成功实现了应用。20世纪80年代,随着集成电路的发展和工程的需要,美国和日本研制了可自动采集数据的高密度电法装置,但由于当时科技水平所限,其优势未能完整体现出来[15-18]。20世纪90年代,随着电子计算机的发展和应用,其优点才被越来越多的人认识到。经过三十多年的发展,高密度电法电极排列方式得到了极大的发展,勘探能力及效率得到了明显提高。随着高密度电法仪器和计算机软硬件技术的发展,高密度电法的应用越来越广泛[14],在地层勘探、水坝渗漏探测、垃圾填埋场探测、海洋环境探测等领域取得了很好的应用效果。

岩土质条件。19世纪70年代,Vanmarcke[19]假设三维滑体为两端竖直平面的圆柱体的一部分,在概率框架下将传统的二维圆弧滑面方法扩展到三维,使用局部平均理论(Localaverage theory),考虑了土体空间变异性对边坡稳定可靠性的影响[20-21]。Vanmarck模型(VM)包含3种类型基本假设,分别为边坡几何形状、土体强度及滑动面。Lee等[22]对VM及RLEM两种三维边坡稳定性分析方法进行了比较研究,表明假设可能导致偏于保守的可靠性分析结果及偏于不保守的结果。通过比较VM与RFEM计算结果,Varkey等[23]发现垂直端面假设造成了对边坡安全系数均值的非保守估计,文献[24]也报道了类似的研究结果。

3.2 国内研究现状

冻融条件。王绍令等调查发现,多年冻土区的热融滑塌是一种普遍存在的斜坡灾害[25],指出在不可抗拒的情况下要想有效阻止这种灾害的发展,必须有效阻止其蔓延,做好保护,如在不能完全阻止的情况下应有效拦截坍塌物,在不同地方添加覆盖层,在不同环境下需有效控制其破坏,以降低影响。随着气候的变暖,不同地势条件可能导致滑坡的发生,包括地层的厚薄、坡向、流速、含水量。齐吉琳等[26]研究了兰州黄土和天津粉质黏土的土壤,探究了冻融循环过程中其强度、孔隙尺寸、形态、方位、面积的变化,探讨了它们之间的关系。冯勇等研究发现,随着冻融循环次数的增多[27],细颗粒的黏附性c、内部摩擦系数φ都有所减小,其中含水量成为主导因素。程永春等[28]指出土质路堑边坡冻融失稳及植被护坡机理[29],随着含水率的升高及冻融循环的频繁,边坡滑动破坏的临界深度也将随之减小,直至接近当地的平均最高冻融深度,基于此构建了一个更为准确的冻融循环作用下的临界深度模型。刘红军等实证分析,冻融作用下,边坡土体的抗剪强度表现出了显著的变化[30],当土壤达到最适宜的湿润程度时,其黏结力会达到顶峰,而内部的摩擦角则会随着湿润程度而减小。

降雨条件。降雨对排土场边坡稳定性影响巨大,很多学者都对此进行了理论及实验研究,促进了渗流理论及工程应用的发展。利用有限元分析,曹文贵等有效探索了排土场的渗流机制,避免了泄漏边缘的计算困难,极大地改良了边坡工程的研究[31]。张李盈等则以数学模型视角将渗流理论作为一种普遍的概念[32],深入探讨了无序系统的几何结构变迁、运动机制及不同的临界状态,使得渗流理论内涵得到了更加全面的拓展。周峙开发出一种新的系统,用于实时监控和评估边坡的稳定性。此系统包括一个实时的模拟系统和一个光纤布拉格光栅深部柔性位移系统,可同时检测土体的饱和比,从而深化对土体的研究[33]。在实际运用方面,许多学者在数值模拟、相似模拟、具体边坡分析等方面做了大量研究,积累了很多经验。田阳辉使用Geo-studio的Seep模型[31]模拟山西一个铁矿的排水系统,研究其中的降水如何进行渗透。Lv等[34]建立了裂隙煤岩体渗流损伤耦合数学模型,研究了裂隙煤岩体渗透张量效应。在相似模拟研究上,刘福明等建立了相似模拟试验模拟雨水在边坡中的渗流过程。吕刚等[35]建立了排土场平台-边坡室内模型,采用人工模拟降雨试验研究不同降雨强度和土体裂缝深度条件下的模型演变过程、产流产沙特征及侵蚀沟形态特征。在具体应用中,甘海阔等[36]以充沛雨量地区某排土场为例,运用非饱和土力学方法,对长历时降雨条件下瞬态渗流场的演化规律及其对边坡稳定性的影响进行研究,对边坡失稳位置有了更清晰的认识。刘向峰等[37]针对黑岱沟露天矿排土场西部变形区无法继续排土的问题,对变形区基底、水、排弃物等主要因素进行分析,提出相应的治理措施,为相关矿区的同类问题提供了解决方案。陈科平[38]提出一种改进方法,利用VM模型获得初步边坡稳定性分析结果,运用一组回归方程来校正这些分析结果与真实解之间的偏差。这些回归方程通过拟合初步分析结果及RLEM计算结果建立。

岩土质条件。随着科技的发展,岩土工程发展越来越快,针对岩土边坡不稳定性的有效防护和经济治理[39]已成为岩石力学领域的热门话题。许多学者开展了深入研究。王浩等利用极限分析法,研究了岩土边坡结构,基于平衡规律提出边坡的最低损伤限度,利用流体力学原理来估测最高损伤限度[40]。彭文祥利用模糊极限理论,提出了一种新的双层数据处理技术[41]。荣冠等通过反分析技术来解决岩土边坡的复杂问题,提出以对数螺线作为基础的滑移量,精确估测材料的抗压能力[42]。随着科技的发展,越来越多的学者采取随机理论分析法来研究岩土边坡问题,周立荣等使用计算机技术编写了一套完善的系统软件,以便更加精确、有效地评价岩土边坡稳定性及安全性[43]。许多学者开创性地引入了新的数值分析法,得到了广泛应用。

4 存在的问题

尽管定性分析可以提供一些参考,但它的局限性也不容忽视。例如,采取工程类比法来比较不同的边坡情况,需要更多的专业知识和技能,在处理寒冷地带边坡时需要更多的专业知识和技能,以便更好地识别和预测可能发生的变化,因此定性分析无法精确地反映边坡在受到外界温度、压力影响下的稳定性及其相关的应力与应变情况。

定量分析中的极限平衡法能够实现准确的、客观的、可靠的常温边坡稳定性评估,但它仅基于某种特殊的参数,忽略了复杂的介质及周围环境的影响,导致计算结果存在较大的偏差,无法反映出坡体的应力-应变情况。进行极限平衡法研究时,单独考虑土壤内部的因素不足以解决问题,需要关注气候变化对地面的影响,如气候-地表温度和地表湿度之间的交互作用。这些因素都会对研究及评估造成影响。

模糊综合评判法可分析受不同因素影响的研究对象,如寒区边坡的稳定性受边坡的几何形态、工程地质条件等因素的影响,将不同因素按照模糊数学的方法赋以隶属度,通过模糊变换和最隶属度的计算对研究对象的等级进行综合评价。在实际分析中,权值的分配存在一定的经验性和主观性,分析结果有一定的不确定性。该方法会因环境中不确定因素的频繁变化导致结果与实际产生偏差,可靠度还有待提高。

室内试验中,由于较小的试验场地和较短的时间不足以满足实际工程要求,因此使用这种方法来评估寒冷地区边坡的稳定性存在一定的局限性,可能会导致测量结果与实际情况存在较大的偏差。

尽管原位试验可以有效评估边坡的稳定性,但也存在一些缺陷。如,原位试验需要大量的资金投入及人力来维护,对于规模较小的工程来说会导致工程成本显著增加。

对于三维路基边坡稳定可靠性分析,传统方法仅开展截面边坡可靠度计算,截面边坡可靠指标达到规定阈值则认为三维边坡稳定性满足工程需求。但在工程实践中,岩土边坡失稳以局部三维溜坍形式发生,以二维分析代替三维分析隐含了滑动面沿线路纵向全长范围内发展的假设,等价于假设土性参数在长度方向涨落尺度无穷大,不尽合理。目前较为成熟的三维路基边坡稳定可靠性分析方法为随机有限元分析方法RFEM,数值模拟方法具有许多优点,不需对破坏面的形状做任何假设,但当边坡破坏概率很小时,计算成本可能非常高,难以被大规模应用,故需研究计算量更少的解析方法。

土性参数变异系数分布特征及类型划分。一般来说,需要把参数的变化率最大和最小值定义为离散区域的中心,但这种方法没有充分考虑内部分布情况,容易导致测量结果不准确。如果把这些区域按照大小进行划分,则会忽视其强度与测量结果的非线性反馈能力。

5 结束语

未来,需结合温度、降水等条件对不同边坡稳定性的影响,结合数据分析方法及研究成果,对各方法分析进行比较,令边坡稳定性分析与计算向着更准确的计算理论、更智能的计算方法、更精密的实验设备及更精准的数值模拟方向发展。