边坡工程培训课件.pptx

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1、 80年代以来,人口、资源、环境与经济可持续发展的相互关系研究,已成为世界各国政府及民众高度重视并积极倡导的课题。保护环境的一个重要方面就是保护地质环境,减轻地质灾害,树立减灾就是增效的意识。随着人类工程活动在广度、深度、空间、规模等方面的不断拓展,以及我国西部大开发热潮的兴起,人类经济活动对地质体的改造作用,已远远超过自然地质作用,其速度在许多情况下超过了自然力,并超越了自然地质发生的区域性规律,而且其危害性一般也很大。针对这些特点,人们逐渐意识到,地质体是建设工程的有机组成部分,地质体可以是工程的环境、结构或材料。通常,人们把边坡问题的研究内容,称之为边坡稳定性分析,并应用现有的边坡科学理

2、论成功地解决了大量工程实际问题。 然而由于地球上可观的人口增长速度和密度,人类工程活动已成为地球表层系统中重要的“地质营力”,并以前所未有的速度诱发或导致自然边坡的失稳破坏。因此,人类对边坡地质体的研究,就不能仅停留在原先的稳定性分析方面,而是要从经济、安全、高效的角度,去设计边坡、改造或加固边坡,使之成为人们无忧的环境场所或成为生产、工作或居住的良好环境。显然,边坡稳定性分析已不能适应社会实践的需要,人们对边坡问题的研究,再不能将边坡地质体作为一种孤立封闭的系统,而要求将边坡地质体看成为人类工程的组成部分,于是本世纪90年代初期,孙广忠教授在“工程地质与地质工程”(地震出版社,1993)一书

3、中提出了边坡地质工程的概念,但未给出明确的定义。 前 言一、边坡工程工程的定义及其任务（一）边坡工程 边坡工程是指以认识、评价、改造边坡地质体及边坡地质环境为主体的一类特殊工程。 从这一定义可以看出,边坡地质工程,将边坡稳定性分析、边坡工程设计、边坡地质体的改造以及边坡地质工程的管理,均纳入到人类相关工程的组成部分,并成为人类工程中不可缺少或的重要内容。在此基础上,将以边坡工程地质、边坡工程设计、边坡地质体改造、边坡地质工程管理为主要内容,以研究和解决与边坡地质体及边坡地质环境有关的工程问题的科学,称之为边坡地质工程学。 显然,边坡地质工程学的重要基础,是边坡工程地质研究,工程地质工作是地质工

4、程工作的基础和前提。 简言之，简言之，边坡工程学是研究与边坡工程边坡工程学是研究与边坡工程有关的岩土问题的科学有关的岩土问题的科学。 （二）边坡工程的任务1、查明边坡的物质组成及其性质2、查明边坡赋存的环境3、确定边坡岩土体的工程地质性质，特别是物理力学性质，为边坡评价及设计治理提供指标4、分析边坡变形破坏的基本类型及其发生机理5、评价边坡稳定性，选择最佳边坡角及最优的边坡治理方案6、进行边坡优化设计7、提出边坡治理的原则和措施8、进行边坡监测及监理二、边坡工程研究的基本内容 随着现代科学技术的进步,人类对环境的改造正以前所未有的速度和规模,不断的发展。同时,人类所面临的地质问题也日益突出。边

5、坡是人类最基本的生存、生活和活动环境,在工程作用不断强大的今天乃至未来,人类对边坡科学的要求已不仅仅是边坡稳定性分析,需要呼唤新的理论、方法去指导工程实践的进行。 边坡地质工程学研究的对象是各类边坡地质体。边坡地质工程问题是指自然或人类工程经济活动中产生(诱发)的,对人民生命财产工程活动构成重大威胁的所有边坡地质问题。显然,它的主题是边坡地质体,核心是边坡地质体的改造。综合现有边坡稳定性分析理论、成果,以及各类重大工程活动中暴露出的与边坡有关的地质问题,边坡地质工程学的主要研究内容至少包括以下几个方面: (1)边坡地质体的形成演化机制;(2)边坡地质体稳定性分析理论与方法;(3)边坡地质体的预

6、测预报理论与方法;(4)边坡工程的稳定性设计;(5)边坡地质体的加固改造理论与技术;(6)边坡地质体的工程监测技术与方法;(7)边坡地质工程的管理与决策;(8)边坡地质工程的监理等。 边坡工程地质基础理论和分析是边坡地质工程学的奠基石。目前广泛兴起的铁路、公路、地下交通工程、港口码头工程、矿山工程中均不同程度的存在边坡工程地质基础内容研究、重视不够,甚至根本不进行工程地质基础研究工作,从而导致了大量工程失事或造成极大的浪费。这是一种极不正常的现象。加强和重视边坡工程地质基础研究,是搞好边坡地质工程的关键问题之一。 边坡工程地质基础理论主要包括边坡地质基础、边坡地质体结构、边坡环境应力场、边坡工

7、程岩土特性、边坡水文地质条件、边坡变形破坏与演化机制、边坡破坏后运动学等基本研究内容。边坡工程设计,不同于常规的人工结构设计,它是由边坡地质工程的特殊性决定的。 边坡地质体具有耗散结构和非线性特征等复杂性,不仅仅是一种地质材料,也是一种地质结构和地质环境,同时具有自身的稳定潜能。所以对于边坡工程设计,作者认为,应是一种边坡稳定性设计。它包括边坡稳定性评价、边坡稳定性预测、边坡稳定性设计与决策等三个方面的基本内容。 其中边坡稳定性设计主要指选择合适的边坡外形,如稳定坡角、坡高等的设计,包括了经济边坡与稳定、安全边坡的矛盾统一关系;而边坡稳定性决策实际相当于广义的工程设计概念,是指对不稳定边坡或临

8、界稳定边坡选择最优的防治方案,并制订出详细的方案计划(包括方案的平面布置、结构类型、方案的综合比较以及费用估算或概算等,应能总体上包括最终的实施方案及费用),是决策者及边坡地质体改造的主要依据,相当于一般工程设计中的方案论证阶段的工作。这是边坡地质工程设计不同于一般工程设计的重要区别之一,即强调地质的主体作用,充分发挥地质工程师在边坡地质工程工作中的作用。所以要求地质工程师具有地质和工程学科方面的知识结构。 边坡地质体改造,包括边坡地质体防护、支护、锚固、灌浆加固、坡形改造、环境改造等方面的内容,是在边坡工程设计的基础上,依据边坡地质体变形破坏特点、稳定程度和阶段,完成具体的工程结构的计算、设

9、计和施工工作。其中的设计工作是常规意义的狭义设计,即具体的结构设计,通常由地质工程师和施工工程师合作完成,而施工则是由专业施工队伍完成,地质工程师参与并协调施工工作的全过程。 所以,边坡地质体改造主要包括三个方面的基本理论,即边坡支挡工程、边坡锚固工程、边坡地质体加固等。一般意义上,边坡地质体的改造是指边坡地质体结构的改造、地质材料性质的改造和边坡地质环境的改造。这里突出体现了边坡地质体既是被改造对象又是改造结构和材料的特点。 边坡工程管理贯穿边坡地质工程全过程,是工程的灵魂、枢纽和桥梁。边坡工程管理,包括边坡工程的信息化管理体系、质量保证体系、风险决策与安全体系等基本内容,所以基本理论由边坡

10、工程监测、边坡工程监理、边坡工程控制与反馈等三个部分组成。其中,边坡工程监测,是信息化管理的重要组成,也是信息化勘察、设计、施工的信息源,是后两个部分的基础;边坡工程监理是指边坡地质工程勘察、设计、施工的全过程监理,是质量保证体系的核心部分; 而边坡工程的控制与反馈则是依据边坡地质体认识水平和实际条件,及时调整、变更工程结构的具体设计、施工过程,以达到优化与经济安全的目标。这也是地质工程不同于一般工程的特点所在。任何学科的形成或创立,都有一个不断发展和完善的过程。边坡地质工程学也是这样,其主要研究内容将随着社会生产实践和工程的需要而补充或修正归结起来边坡工程研究的内容主要为：1、边坡工程岩土基

11、础2、边坡岩土工程勘察3、边坡岩土工程分析与评价4、边坡工程设计与治理5、边坡工程监测与监理三、边坡工程研究方法 边坡地质工程学的学科思路思维方式的变革是人类认识和思维发展的重要标志。随着系统科学,尤其是耗散结构、协同学、突变理论、混沌理论等非线性科学的发展,逐渐改变了人们对自然现象的认知和思维方式,正如非线性科学在地学中的应用,是以方法论的变更开始一样,地质工程概念也是基于生产实践中地质与工程的严重脱节问题,以及整体协调性等思维方式产生的背景中提出并发展的。 边坡地质工程概念的形成也是这样。 边坡地质工程学是边坡地质科学与工程学两类不同学科杂交的产物,可以说是两类学科相互渗透、交叉发展的一门

12、边缘性学科。因此,边坡地质工程学的学科思路边坡地质工程学的学科思路,主主要来自两个方面要来自两个方面,即边坡工程地质学的思路和大工程学的思路,但不是它们的简单组合,而是依据边坡地质工程学的研究对象、研究目的、研究内容和服务宗旨,把两种学术思路结合在一起,再参照现代系统科学思维,创造适合自身特点的学科思路。 通常成熟的工程地质学家关注的是地质体的成因和历史演化过程,据此而把握现在,评价预测未来;而结构工程师注意的总是建筑物的结构、尺寸和荷载,并考虑材料的应力、变形和强度。 显然,解决边坡地质工程问题需要这两类思维的融合与渗透,并注意两者的顺应协调性和整体性原则。当前各类与地质有关的工程实践中,尤

13、其是地质灾害防治实践中,地质工程师与结构工程师之间存在着严重的分歧和脱节,即地质与设计、设计与施工的脱节,这一现象的产生正是由于各自的知识结构和学科思维的差异造成的。 扭转这种局面的唯一途径就是形成并完善地质工程思维,即在重视工程地质体的基础上,从整体上和顺应协调性高度把握工程和地质的关系,将传统的工程概念与地质概念组合,形成大工程概念,即地质和结构均是大工程的有机组成部分。同样,这也是边坡地质工程学科的基本思路。 它包括动态历史分析思路、整体分解协调性思路、不确定性思路、系统控制论思路、矛盾论思路、层次性思路等。 边坡地质工程学是传统工程地质学与基础工程学相互渗透而形成的新兴边缘科学。其研究

14、方法自然是秉承二者成熟研究方法的基础上,依据边坡地质工程学的特点而产生并发展的。由于边坡地质工程中因素的不确定性,要求边坡地质工程技术人员用实际观察到的资料来修正自己的认识和估计,使之能逐步地掌握客观规律,更接近实际地进行分析、设计和预测,这就是经验积累的过程。 在这一过程中,地质工程技术人员应对全过程进行系统的研究,包括地质原型的认识、参数的试验方法与获取、参数的可靠性及其对地质工程反应预测的影响、设计计算方法的精度及适宜性、对施工中可能出现问题的估计,以及实际施工和运行全过程的观测等。.(1969)总结了岩土工程中贯穿于勘察、设计、施工全过程的系统研究方法,并称之为观察法,它对岩土工程的发

15、展有重大的影响,是符合系统工程原则的、有反馈封闭系统的研究方法。结合目前边坡地质工程的现状和特点,在观察法的基础上,边坡地质工程的系统研究方法可以归纳为如下主要过程,并称之为“五步法五步法”。 认识认识归纳归纳模拟模拟决策决策验证验证认识认识过程是对边坡地质原型的具体特征的了解和掌握;归纳归纳是在原型分析的基础上,抓住主要矛盾和矛盾的主要方面,建立概念模型,确定参数试验方案及可靠性,初步形成改造方案;模拟模拟是探求从归纳获取信息的可靠性的过程,也是从实践上升到理论的重要阶段。即通过模型试验、数学分析、统计和数值分析,从整体演化过程及内部作用机理等方面去评价认识模型的可靠性,是边坡地质工程研究中

16、的重要过程;决策决策过程即在已有工作的基础上,对边坡地质体的稳定性作出科学评价,并依照归纳和模拟过程的结果,提出改造方案或对策,为改造工程及业主决策提供科学依据;验证验证即是在工程实施过程中,通过工程监测、观察了解施工情况,评估前面的估计或预测与实际的差异,并依据实际监测、观察资料来变更设计、优化工程结构、调整施工过程、预测施工隐患,在此基础上总结修正边坡地质工程的理论与方法。 因此,边坡地质工程工作中,除依照上述具体的分析研究方法外,尚应按照从认识、归纳、模拟、决策到验证等五步系统研究方法。回顾边坡地质工程问题的研究过程,无不渗透着五步法的痕迹,所以,五步法这是边坡地质工程学的一般研究方法。

17、 四、边坡工程研究现状及发展趋势（一）研究现状（二）发展趋势（一）研究现状 斜坡稳定性研究沿革已久，约有一个多世纪的历史，最早涉及斜坡稳定问题的是英国学者赖尔（Laier，1833）在他所著的地质学原理一书中，首次提及滑坡，并认为是地下水作用的结果。尔后，由于斜坡稳定性研究的理论意义和实际价值，凡是涉及到地质问题的工程学科，几乎都开展边坡稳定性研究，特别是水利水电工程、工业与民用工程、道路工程、矿山工程和国防工程等都广泛开展了边坡稳定性研究，取得了可贵的经验和成果。 边坡稳定性分析、评价与计算的研究是从土质滑坡开始，由法国工程师库伦（Collin A ,1846）首次介绍圆弧形滑动面，并用剪切

18、试验数据分析滑坡的稳定性。后来，费林纽斯（Fellen Hius W.,1927）提出著名的摩擦圆法，成功地应用简单不排水剪切试验的数据，预测斜坡稳定性。太沙基（Terzaghi K.,1936）引入空隙水压力的概念，提出有效应力分析法；Morgenstern N.R. 和Price V.E.(1965)提出著名的摩尔根柏莱斯法； Sarma S.K（1979）提出著名的 Sarma法，该法克服以往方法只能垂直条分的局限，可以任意条分。进入20世纪80年代后，由于现代科学技术和计算机技术的发展，大量新技术与方法被引入边坡稳定性评价中，相继出现了有限单元法、边界元法、离散元法等数值分析方法和灰色

19、理论、模糊数学和概率法。80年代末期，突变论、协同论和分形理论等大量非线性理论被应用到边坡稳定性研究中。20世纪90年代中期神经网络被引入边坡稳定性研究中。近年来，遗传算法开始应用到边坡稳定性研究中。 我国对边坡稳定性问题广泛研究，始于20世纪中叶。主要与国家的经济发展和工程建设的需要息息相关，边坡稳定性研究多见于铁路工程、水利水电工程和矿山工程等国家急需建设的工程中，高边坡稳定性的研究则是近十多年的才开展起来的，公路方面虽涉及边坡的问题较多，但大量开展亦是近十多年的事，归结起来在我国公路边坡稳定性研究工作可分为三个三个阶段阶段： 第一阶段第一阶段从20世纪中叶70年代末，为边坡稳定性研究工作

20、的起步阶段，由于当时我国经济基础较薄弱，公路建设主要以低等级公路为主，再加上一些极左观点，公路选线中主要以地质选线为主，对地质环境改造较弱，对边坡灾害多采取避开的原则，故边坡稳定性问题不突出，主要是以传统的工程地质和土力学理论，研究边坡稳定性和防治措施，岩质边坡稳定性研究很少，很少进行系统深入研究，显然这种研究具有明显的局限性；第二阶段第二阶段从20世纪70年代末80年代中期，边坡稳定性研究工作的全面发展阶段，由于改革开放，经济快速发展，原有的公路的运输能力和等级已不适应经济、社会发展的需要，需要修建高等级公路，在公路选线中既考虑地质要求和又考虑经济、社会发展的需要，对地质环境的改造较强烈，遇

21、到或产生许多边坡地质灾害，边坡稳定性问题的研究亦日益引起重视，于是逐步展开了对公路边坡稳定性问题的研究；进入80年代后期，边坡稳定性研究有新的发展和理论突破，经济的快速发展，对工程建设提出更高要求，如公路建设中由过去的地质选线模式变为经济选线，因而，不可避免地出现大量高填、深挖边坡，故边坡灾害问题十分突出，边坡稳定性的研究工作亦显得更为重要，但由于以前的研究工作基础较薄弱，主要是引用其它领域的研究成果，尤其是铁路边坡的研究成果，在消化别人成果的基础上，结合公路的特点以及出现的新问题全面深入开展对边坡稳定性问题的研究； 90年代以来，我国的边坡稳定性研究深入发展和不断完善，主要表现在研究生产与设

22、计之间密切相结合，且在研究评价改正中逐步认识到工程地质工作或第一性地质资料的重要性，强调理论、方法、技术和实践一体化，在边坡稳定性评价方面更强调多种分析评价方法的综合评价，并取得了一定成果，如G212线泥石流、滑坡处治技术研究（1996），川藏公路典型山地灾害研究（1999），桂柳高速公路K250大滑坡的治理（1997）等等，这些研究表明公路建设中亦日益重视边坡稳定性问题。 但总的说来，目前对边坡地质环境的保护还是比较薄弱的，尤其是在处理资源开发与地质环境保护、基础设施建设与地质环境协调等关系上还多有失偏颇，往往强调前者而忽视了后者，这样的结果大多数情况下无疑是意味着加剧对地质环境的破坏和人-

23、地关系的失调，从而违背了可持续发展的原则。此外，以往的研究中多注重于对边坡灾害的治理，而忽视灾害的成因机理及影响因素的研究，特别是忽视工程与地质环境相互作用研究以及对治理后的工程措施进行的评估，结果常出现有投资大，收益甚微，刚治理完毕的边坡又出现再次失稳的局面，加之，目前在我国土木工程师与地质工程师之间未能很好地沟通，地质工程师提供的地质信息通常以工程规划、设计工程师难以理解的形式出现，因而，地质信息很难有效应用到工程的规划、设计及施工中。边坡工程研究的发展趋势边坡工程研究的发展趋势1.高边坡稳定性研究 随着高等级公路建设、大型水利工程的开发以及露天采矿深度不断加深，高陡边坡稳定性问题将日益突

24、出。现有的技术方法已不能满足高陡边坡发展的需要，需要不断探讨高边坡稳定性研究的技术方法和高边坡加固以及综合治理技术，高边坡稳定性研究将成为边坡研究的热点和重要发展方向。2.多学科、多方法在边坡研究中交叉渗透 边坡研究不是单纯的岩土工程问题，它是一个综合复杂的系统工程，需要多学科、多方法的参与和渗透，解决日益复杂的边坡稳定性问题。3.朝人工智能集成方向发展 由于边坡工程的复杂性，加之边坡稳定性研究、设计和施工中存在许多不确定的因素和经验判断，边坡稳定性研究不能依赖于单一方法，因此，依托计算机技术，形成集成式的智能评价系统，是未来发展的趋势。 4.计算机仿真分析和动态反演将是边坡研究的又一新热点

25、通过输入相关的地质工程资料，建立分析模型，利用计算机仿真模拟边坡动态，以及通过现场观测资料反演边坡的变形破坏过程，并对边坡进行优化设计，这也是边坡研究者的努力方向之一。5.信息化、数字化将是边坡研究的最终目的 利用先进的地理信息技术（GIS）、遥感技术（RS）和全球卫星定位技术（GPS），实现边坡勘察、设计和施工一体化以及边坡研究网络化。6.进一步进行边坡稳定性分析实验研究 目前对边坡稳定性分析实验研究并不多，众所周知，实验是边坡稳定性研究的基础,也是计算方法的依据，如果不进行实验研究就难以分析边坡破坏机理，就难以把握计算方法的正确性，只有加强边坡稳定分析实验研究，才能促进边坡分析的发展。7.完善确定性分析方法，特别是复合法 目前确定性分析方法占有绝对的地位，只有不断完善才能适合不同的边坡条件，复合法是确定性分析方法的发展方向，可将不同方法的优点结合起来，应大力发展复合方法。8.社会化 边坡工程是地质与工程密切结合的产物，是工程的重要组成部分，与人民群众的生活密切相关，因此，它不仅是个技术问题，而且是融合经济效益、社会效益的整体，需要社会各界参与，以解决日益突出的高边坡稳定性，更好地为社会服务。 总之，定量化、工程化、智能化以及社会化将是高边坡稳定性研究的发展方向。