刍议岩土工程边坡不确定性分析的探讨

摘要：本文旨在具体针对边坡岩土工程的不确定因素进行分析，并根据多年的设计经验和前人的部分总结提出减少这些不确定性影响的对策，使其广泛应用于边坡岩土工程的实践中。

关键词：边坡；岩土工程；对策

Abstract: this paper aims to specific for slope of geotechnical engineering uncertain factors were analyzed, and based on many years of design experience and the former part summarizes these uncertainties are put forward for decreasing the influence of countermeasures, make its wide application progresses in the practice of geotechnical engineering.

Keywords: slope; The geotechnical engineering; countermeasures

中图分类号： U213.1+3文献标识码：A文章编号：

0 前言

对于岩土边坡，目前国内很多部门一直还在按照单一的地质勘察、分析设计、实际施工的思路，这实际是一种静态的设计施工过程，是不完善的，并不能对施工过程中出现的变化情况作出反应，其不确定性因素带来的缺陷是明显的。我们怎样能减少这些不确定性因素的影响，国内已有设计人员对常规设计模式提出了质疑并提出了相应的解决方法。

1不确定性的分类

在岩土工程应用中，不确定性的主要因素归纳为以下3个方面：

1．1岩土参数

岩土参数就是边坡的岩土物理力学指标。它的不确定性很容易理解，这些参数依据时空而有显著变化，即具有空间变异性和时间变异性。尽管我们在勘察阶段采取缩短土样存放时间、严格密封等多种方法可以减少时间因素带来的影响，但我们无法克服岩土体的空间变异性必须要用统计的方法处理岩土的空间变异性和离散性。空间变异性是岩土工程所特有的，我们只有尽可能地描述它，而不能实质性地减少它。最终得到的参数也只能是通过统计学方法得到的理论值参考值，而非真值。

1．2岩土模型

模型是原型的理想化替代物，它反映原型的主要特征。对于边坡岩土分析，模型并不是唯一的，模型的不确定性由此而来。在岩土工程实践中发展起来的分析模型，就其实用性和复杂程度来说，是与人的认识水平和分析能力直接相关的。边坡岩土工程设计发展趋势是越来越多的考虑实际坡体结构的特点和性能，这就必然要求岩土工程使用越来越复杂的模型，在确定了模型后，关键还在于选取合理的数值计算方法，如：有限单元法、有限差分法、极限分析法、通用条分法、滑移线法、边界元法、离散元法、拉格朗日元法、流形元法、非连续变形分析法、半解析法等，各种方法都有其优缺点及适用条件，可以单独使用，也可以联合使用。而实践中，设计者大都选择与实际岩土特征类似的经典岩土体计算模型及数值计算方法。

1．3岩土工程中的人为因素

设计的若干个比较方案中，必须选出实际要实施的方案。最佳方案的确定是一个人为决策的问题。从力学观点看，每个设计方案均有自身的破坏可能性和可靠指标；而从经济观点看，每个方案又需要不同的经费。由于决策者思维方式和价值观念的不同，可能会选用截然不同的方案。他们可能根据比较充分的科学事实作出决策，而有时所作出的选择只凭自己的经验和主观感觉。

2边坡岩土工程不确定性的对策

2．1常用的对策

2．1．1经验设计

岩土工程以前经历过完全依靠经验设计的阶段，而且直到现在，工程经验特别是地方经验仍然在岩土工程设计中占有十分重要的地位。岩土工程问题中，有很多因素是不确定的，因此很难进行准确的分析，我们只能通过经验再加上工程的具体独有的特点，从而设计出一套解决方案。岩土工程师多年的实践经验可以在一定程度上减少岩土参数和岩土计算模型不确定性因素的影响。

2．1．2安全系数

在岩土工程设计中，很早就采用了安全系数这样一个非常重要的概念，它可以有效地部分解决岩土参数、岩土计算模型不确定性因素的影响。但采用多大的安全系数往往成为问题的关键，特别是就2种不同的岩土计算模型来说，如果取相同的安全系数，其安全程度并不一定相同，这也增加了设计者把握的难度。例如铁路和公路相关设计规范中，对于计算滑坡下滑力分别采用了不平衡推力法的显式和隐式表达式，如果取相同的安全系数，计算得出的下滑力并不一样。

2．1．3不足之处

以上是常用的2种减少岩土不确定性影响的方法，但也可以看出，经验性的、保守的、感性直观的因素是目前边坡工程设计中普遍存在的一种现象，它可以表现为过分保守地确定岩土体力学参数、构建相对保守的岩土计算模型，采用相对保守的安全系数，较多地考虑其它危险因素等等。当设计者对岩土有关的不确定性了解很少时，这样考虑问题是合理的。但是，随着我国现代化建设事业的不断发展，工程建设逐步由低标准向高标准发展，这种方法目前已不适应现代化大型工程建设的需要，现在的岩土工程需要考虑本项目工程建设以外的自然环境、社会意义等因素的影响，所以要进行更加科学的分析与决策。

作者根据多年的实践经验提出了边坡岩土工程先进的设计模式：动态设计与施工。

2．2推荐对策――动态设计与施工

边坡岩土工程的岩土模型选取、力学分析较为复杂，尤其是对于地质条件稍微复杂的地区来说，其分析计算的难度就更大，当边坡施工过程开始后，一些原来较为模糊的地质条件就会逐渐地明晰，甚至还会出现设计时并未勘明的地质情况。如果还按照原设计图按部就班地施工，很有可能造成不可挽回的严重后果。

动态设计与施工方法使边坡岩土工程具有弹性，即使整个岩土工程具有可改变的余地。对于边坡岩土工程，按照单一的地质勘察、分析设计、按图施工这样的思路是不科学的，这实际是一种静态的设计施工过程，并不能对施工过程中出现的变化情况作出反应，而这正是目前很多部门在设计时采取的方法，其缺陷是明显的。由于边坡岩土工程在实际施工中经常会出现各种新情况，因此，必须对原有的设计进行适当调整后再施工。这种动态的设计施工处理方法能对实际情况作出及时反应，使设计更加适合现场真实情况。并且，我们还可以在施工过程中进行现场监测以便估计施工现场的的安全性并用判断是否要修改先期设计。动态设计与施工本身就是根据不断获得的信息来消除设计与施工方面的不确定性。

对于边坡岩土工程来说，设计往往具有超前性，而施工则直接体现了现实性。二者之间不可避免地要产生矛盾，为解决矛盾就需要把施工中不断获得的新信息经处理后传递给设计，以此不断修改、完善设计，直至最终解决矛盾。为此，提出边坡岩土工程的动态设计施工模式，如图1所示。

图1 边坡岩土工程动态设计与施工的基本程序

在各级边坡施工过程中，将观察信息和钻探信息及时同最近设计的依据相比较，判断是否有较大的误差；同时，及时分析整理监测信息，以此作为判断设计合理性的重要依据。经过比较，若发现施工中的反馈信息同最近的设计依据有较大出入或监测结果表明设计具有不合理性时，均应修改设计，于是在下一级坡施工时就可采用修改设计的结果；若本级边坡施工中获得的信息均比较合理，则仍按最近的设计进行下一级坡的施工。如此反复螺旋式循环操作，直到各级坡都施工完成。需要说明的是，在整个坡体施工完成后，进行施工后的监测仍是必要的，因为这是检验设计施工效果的重要判据。

因此，在施工过程中获取有效的信息对于边坡工程的变更设计和后续的施工都有重要的指导作用。

4工程实例应用

动态设计与施工方法已成功的运用到重庆某高速公路高边坡工程中。现就以该工程中较典型的路堑滑坡整治工程实例来进行说明。

此段滑坡是由路基明槽开挖使边坡变陡，坡脚下切前缘失去岩体支撑反压，形成新的有效临空面，破坏了原始坡体的平衡条件，从而导致坡体变形破坏。经地质调查、工程类比和专家分析初步确定了原始滑坡体的地质力学模型，比较确切地得到了滑坡体的周界，而对滑面的较准确位置及潜在滑面位置不是很清楚。同时，经地质物探基本查明滑坡区覆盖粉质黏土，下伏路基坡面开挖揭露地层为钙质泥岩、粉砂质泥岩。滑坡堆积物由粉质粘土及全风化钙质泥岩组成。在综合许多相关信息的基础上，进行了该滑坡的初步设计，即坡体根据现有坡面情况开挖成8级边坡台阶，每级台阶高度8m，坡率为1：l～1：1．25，从第8级向下开挖施工(坡级数编号自坡体上部向下依次减小)，采用预应力锚索(杆)地梁加固坡体，地梁间设浆砌植被护坡。经过开挖边坡及锚索钻孔发现深层岩体的岩性也与设计的基本一致，这说明设计时所使用的岩性依据比较可靠。然而，在已完成第5级边坡的加固防护工程后，在集中暴雨的影响下，第4―6级边坡发生较大范围的变形，其中第6级边坡已施工的框架锚杆纵梁多处被拉断，或整体下移，5级边坡浆砌护坡下沉、拉裂，后缘裂缝不断向后扩展，另据第4级边坡2个锚索钻孔揭示，滑动面深度较原设计时深了近7m。根据现有资料表明，滑坡体一直存在着斜向下的位移，雨水的影响更加剧了坡面的变形，并产生了深层的滑动面。这说明5、6级坡开挖后，虽然进行了加固处理，但无法达到应有的效果，因此，在7、8级坡施工完成的基础上，把当前得到的有关资料进行分析整理，对设计计算采用的岩土力学模型进行了适当的修改，使修改后模型计算出的位移和应力尽量与施工过程中的监测结果相一致。这样再以此模型为基础，对6级进行修复设计，并对4、5级坡进行优化设计施工。第5级边坡增设地梁锚索，第4级边坡框架梁锚杆(索)均变更设计为框架梁锚索，长度增长为24.0m，第4、5级坡施工期间，观察得到的岩性情况基本一致，钻孔得到的岩性及画面情况则更为细致，并对滑坡的周界和规模有了更为明确的判断，为进一步完善设计计算模型补充了重要的信息。在4、5级坡施工完成后，通过现场监测，发现坡体内位移的变化有了较大程度的减小，而且坡面位移的增大趋势也有了较多的下降，说明4、5级坡施工完成后，坡体的加固处理措施明显限制了滑坡体和坡面的位移，加固处理方法产生了效果。把4级以上边坡坡施工完成后得到的信息再进行分析整理，同时结合监测资料和实际情况又可以继续完善设计计算模型，为剩下三级坡的设计打下基础。由于第3级平台由于外侧土体较松散，采取留大平台措施，宽度为6~10m。对于3级坡，根据完善计算模型后的力学分析，部分段仍采用预应力锚索地梁加固坡体，部分滑体较厚段采用第2级平台锚索桩加固，而对于l级坡，考虑坡脚应力集中以及本工程的特点，设计采用框架梁锚杆加固。在这3级坡的施工过程中，观察信息与钻孔信息均与设计依据基本一致，而在施工完成后，监测得到的坡体内和坡面上位移基本没有变化，坡体的加固支挡措施起到了显著的作用。至此，该高边坡的动态设计施工完成，为确认其长期效果，现场监测仍在继续，以便及时反馈分析，确保该高边坡工程的长久稳定。

5 结论

综上所述，动态设计与施工方法在边坡岩土工程中具有广泛的运用前景。岩土工程设计是否合理，与所采用的工程措施能否适应工程地质条件有关，在施工过程中建立必要的信息收集系统，根据开挖和其它工程所揭示的工程地质条件对设计的岩土力学力学模型和相关参数不断修正完善，真正实现动态设计与施工，这样才更适应边坡岩土工程的特点，能更安全、高效地完成工程的设计施工，所以说“动态设计与施工”是消除边坡岩土工程不确定性的有效对策。

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。