1、稳定性；可靠度AbstractWith the revitalization of the old industrial bases in the northeast and the western development strategy, infrastructure seasonal frozen area has been a great development, but disaster seasonal freezing and thawing permafrost zone in the slope of the construction had to face one of t
2、he difficulties. So far, the theoretical study of seasonal frozen and the data is very much focused so far behind the theoretical study of engineering practice applications. Therefore, seasonal frozen area thaw stability of the slope is the main problem we are facing. Based on the slope in seasonal
3、frozen area in which special environment, the stability of the factors discussed in seasonal frozen area of the slope, the various types of unstable slope in seasonal frozen area have a classification. To investigate the stability of the slope of the freezing process, the melting process stability a
4、nd freeze-thaw cycle variation of the slope of the impact on slope stability reasons, find the slope in the freezing process, the most dangerous sliding surface, and then use the reliability at the sliding surface to optimize the evaluation.Key wordsFreezing and thawing; seasonal frozen slope; stabi
5、lity; reliability目录摘要 IAbstract II前言 1第一章 绪论 21.1 选题的背景和意义 21.2本文研究领域国内外的研究动态及发展趋势 31.2.1可靠度研究领域国内外研究现状及发展趋势 31.2.2冻土边坡稳定性可靠度研究现状 41.3 本文研究的主要内容 6第二章 冻土区边坡稳定性影响因素及失稳类型 72.1 冻土区边坡稳定性主要影响因素 72.2 冻融循环对冻土区边坡的影响。 82.2.1 冻融循环对岩质边坡的影响 82.2.2 冻融循环对土质边坡的影响 92.3 冻土区边坡失稳类型 92.3.1 正冻滑坡 102.3.2 正融滑坡 102.3.3 冻融滑坡
6、 112.4 小结 123. 边坡可靠度分析基本原理和方法 143.1 边坡稳定的风险分析 143.1.1 边坡稳定分析中的不确定因素 143.1.2 风险分析的基本原理 153.1.3 定性风险分析方法 153.2 可靠度分析基本原理 163.2.1 可靠度概念 163.2.2 可靠度的基本原理 173.2.3 设计可靠度的确定 174. 边坡地质灾害防治与治理工程勘察实例 194.1 工程说明 194.1.1 勘察工程概况 194.1.2 工程地貌地形 194.1.3 区域地质 254.1.4 地质特性 264.2 工程地质评价 274.3 工程勘察结论 27结论 29参考文献 31致谢
7、33前言边坡的失稳方式表现出来的通常是滑坡。滑坡是一种重要的地质灾害，对人类的生命财产带来重大威胁。例如滑坡可导致交通中断，河道堵塞，厂矿城镇被掩埋，工程建设受阻。我国目前正处于经济建设高速发展时期。各种边坡的失稳造成的地质灾害给水利、铁路、公路、矿山建设带来巨大损失。1989年1月10日在中国云南漫湾水电站大坝坝肩开挖的过程中发生滑坡，不仅耗资近亿元进行了治理，而且使这个150万千瓦的水电站推迟发电近一年，给云南省经济建设安排带来了困难。1981年雨季宝成铁路共发生滑坡289处，中断行车2个多月，抢建费用达2.56亿元。抚顺西露天矿自从1914年投产以来，为保持边坡稳定，共剥离岩石1亿m。滑
8、坡可以发生在土质边坡，也可能发生在岩质边坡。发生于土质边坡的形态通常比较单一，基本上以剪切破坏为主，滑裂面为圆弧形或圆弧与夹泥层的组合型。岩质边坡发生的滑坡则因受岩体结构、地应力等影响，呈现出崩塌、滑动、倾倒、溃屈等多种破坏类型。触发滑坡的因素是多种多样的。降雨和地震是最常见的滑坡灾害的外因。人类的工程活动也是导致滑坡的重要原因。常见的工程活动是边坡开挖，地下开挖也会触发地面沉降和滑坡。湖北盐池河磷矿由于地下开挖导致边坡突然滑坡，埋没了村庄，287人丧生。土方填筑也是导致的一个重要因素，在饱和软弱地基上修建堤坝，经常导致堤坝和地基一起滑动。人类与滑坡灾害作斗争的努力始终没有中断过。这一努力表现
9、在认识滑坡机理、完善边坡稳定分析理论和方法、开发滑坡治理技术和滑坡预报等方面。对滑坡灾害认识的不断深化是建立在地理、地质和岩石力学、土力学等一系列的科学分支的形成，发展和完善的基础上的。而滑坡的预报和治理又是围绕着确保人身安全和经济建设顺利开展这一中心进行的。只有在诸多领域内共同开展深入的研究，人类才有可能在防治滑坡方面取得重大进展。第一章 绪论1.1 选题的背景和意义我国国土面积辽阔，西部的青藏高原和北方各省属于寒冷或季节性冻土的范围。据有关资料记载，我国多年冻土区域面积达215106km2，占国土面积比例的22.3，如果包含季节冻土在内，我国冻土的总面积约占国土总面积比例的70，从中可以看
10、出，寒区的工程建设和各种资源的开发利用在我国的经济中占有相当重要的位置。随着西部大开发战略的实施和国家经济建设重心向西部转移，这给我们去研究寒区的岩土工程和工程地质问题提供了非常好的机会。西气东输工程，青藏铁路建设工程和南水北调工程是西部大开发战略里面的大型工程建设项目与岩土工程和工程地质问题密切联系的21世纪大型工程这些工程首先要面临的问题是西部特殊地带的岩土工程和工程地质问题，而西部寒区的岩土工程和工程地质问题是特别要注意的。岩土工程中边坡是常见的构筑物方式，因而在寒区的工程建设中也一定会有其特殊的工程背景和不可替代的工程意义。准确分析和处理各类边坡中的问题，确保边坡的稳定性和工程设计中的
11、可靠性，是西部基础工程建设过程中面临的一个重要论题。寒区土坡是否稳定在很大一部分程度上取决于我们对冻土的了解和冻土相关力学参数的选择。冻土是一种变异性非常大的工程材料，在它漫长形成的过程中，经历了相当多的自然和人为干扰的作用，因而性质相当的复杂。严格来说，自然界的岩土体都是各向异性和非匀质的，而这就导致了岩土体的每种性质都具有空间变异性。冻土作为一种不常规的土体材料，因为冰结体的存在和温度场的影响，它物理力学性质就更是相当的复杂，空间变异性很是突出。而另一方面，冻土在形成和后期改造过程作用中局部不确定性和不规则等多种复杂的因子影响下，使得冻土参数表现出不均一随机分布的特点，于此同时又受到冻土体
12、形成和后期变化过程中各种宏观规律的影响，让空间不同点的冻土参数之间有着某种程度的相连性，就是结构性。因为冻土参数的变异性既有结构性又有随机性，这是产生冻土参数不确定的根本原因。对待冻土参数的空间随机性我们应该用随机场来描述，但是对于其随时间的变化应该用随机过程来表现。对于岩土参数的变异性和可变性的规律及参数的可靠性研究是确保正确进行寒区边坡工程可靠度研究的基本工作和前提。1.2本文研究领域国内外的研究动态及发展趋势1.2.1可靠度研究领域国内外研究现状及发展趋势可靠度的研究早在20世纪30年代就开始了，当时研究的主要是围绕飞机失效问题。第二次世界大战过程中，德国曾经用可靠度分析的方法分析过火箭
13、。从50年代开始，美国国防部就专门成立了可靠度研究的机构，对各种可靠度问题进行了大量的研究，从而促使了空间研究计划。在近三十年，可靠度理论发展的相当快，差不多在每个工业领域中都得到了普遍的应用。在结构工程应用方面，自从1946年弗兰登塔尔在国际上发表“结构的安全度”以来，人们已经充分意识到现实工程的随机因素，将概率分析和概率设计的思想引进到实际工程。1997年在日本京都举行了结构安全性和可靠性的国际会议。这个会议所涉及的内容十分丰富，其中奥地利的茵斯布鲁克大学的Schueller进行了题为“结构可靠度的研究进展”特邀报告。1997年底，“结构安全性”（structuresafety）国际期刊的
14、编委们一起编写了题为“计算随机力学的研究动态”这篇文章，从多个方面综合讨论了计算随机力学的最新研究进展情况。1998年在上海举行的中美日三国土木与基础工程系统交流会议上，又有不少国际知名专家学者如美国南加州大学的Shinozuka教授、日本武藏工业大学的星谷胜和香港科技大学的邓汉忠等专家学者作了内容全面的报告。1999年在澳大利亚举行了第八届统计概率应用国际大会，该会的一个主题就是探讨将工程可靠性理论及概率分析方法带进设计规范的修改和基于全概率理论进行结构设计的探索。可以看到，在最近几年，工程可靠性理论和方法又有了很大的进发展。在我国，结构可靠度理论的研究开始相对其他国家来说比较晚，曾在20世
15、纪60年代广泛进行结构安全度的讨论与研究，到了70年代的时候开始把一半经验一半概率方法（水准I法）应用到6种结构设计的规范，结构可靠度的钻研和应用的风潮80年代在我国已经掀起了，出现了很多结构可靠度理论的著作，很多大型的工程把这些研究成果进行实例中的应用。另外，铁路、公路、建筑、水利和水运五个部门还一起编订了“工程结构可靠度设计的统一标准”。结构的可靠度在我国的研究被1992年在河海大学举行的“工程结构可靠性全国第3届学术讨论大会”又一次推向高潮。随之，1994年国家建设部和技术监督局一起发布了GB5O199一94水利水电工程结构可靠度设计统一标准。之后1995年西安又顺利地举行了“工程结构的
16、可靠性全国第4届学术探讨大会”，这表明可靠度的研究仍旧保持着向前发展很好的趋势。2002年11月份在长江科学院顺利举行的“工程结构可靠性全国第5届学术讨论大会”很好的总结了近几年的研究，其不同于以往之处在于开始看重可靠度里面的实例适用性的探讨和应用。神经网络被黄靓，康海贵，易伟建，汪优，桂劲松等人引进到了机构的可靠性分析里面，而且取得了一些的成果。现在，结构点可靠度的计算慢慢变得更加全面，而且已经到了实用阶段。在这二十年之中，一方面工程可靠性理论在很多工程领域中得到了验证；而在另一方面，通过不断认识和数量庞大的实践，工程可靠性理论已经在理论上持续的深入，而在实践上正慢慢转向更为高效的为工程服务
17、。而在冻土工程的可靠度研究方面，相对而言，起步比较晚，所做的工作也对应少些。冻土学家叶尔绍夫（俄罗斯）在工程冻土学中把可靠性理论引进到多年冻土建筑物修建的土木工程体系之中，并把工程设计原则和可靠性设计分析很好的结合在一起。程国栋、吴青柏等人分析了青藏铁路冻土的空间变异性和多年冻土工程性质的变异性，讨论了工程可靠性的分析在青藏铁路冻土路基工程稳定性的分析中应用的重要性，组合了冻土路基工程稳定性的特点并且给出了冻土路基工程有可能的失效方式；综合多年冻土区的设计准则，从而对冻土路基工程给了可靠性分析和评价。张鲁新，赵世运，吴志坚等人从全球气温变化背景和青藏高原气候改变的实际情况作为起点，分析和讨论了
18、气候改变对青藏铁路沿线多年冻土地温特点和冻土区域的工程建筑物可靠性产生持续而缓慢影响的气温改变指标。通过对冻土区工程的设计原则和工程结构、工程措施的可靠性产生很大影响的气温变化特点的分析，得出对目前冻土工程可靠性的看法，而且提出应对的工程措施。1.2.2冻土边坡稳定性可靠度研究现状现在国内有关融土区边坡稳定性可靠度计算的方法和变形监测资料十分多，并且对于冻土力学的冻胀及融沉、特性、变形研究也是比较多的。但是结合边坡工程理论和冻土力学来进行冻土边坡稳定的可靠度研究却没有多少，对寒区边坡冻融灾害研究也较不多。虽然地理学研究在冻土边坡失稳现象中给出了划分和描述，但是其具体原因和机制，以及影响因子、稳
19、定性预测和计算的方法等方面还没有进入更深的研究，因为多年冻土退化，地下冰慢慢融化会造成喀斯特地貌普遍发育，滑塌和冰椎、泥石流等现象的频繁出现，使得边坡上的工程建筑物和生态系统遭到很大破坏。著名工程地质学家E.II.叶米里杨若娃（前苏联）在滑坡作用基本规律一书中指出了，冻融泥流，也就是融解的过饱和砂、粘土、沿冻土层转移的现象，在多年冻土地区和季节冻结很深的部分地方都可见到，其出现发展条件有特殊性，认为是一种复杂的重力表现。周幼吾指出，在我国所有冰椎地貌类型之中，最值得提出的是热融滑塌。1973年McRobertshe Morgensten将冻土边坡失稳的现象一般划分为：崩塌、泥流、滑坡三种类型，
20、以泥流为主要的失稳又能进一步划分为：双重逆向泥流、双态泥流、表皮泥流、泥流。1998年Clark对冰缝地貌的条件下滑坡的命名进行了总结。牛富俊对于青藏高原斜坡变形特征、失稳的类型进行了概括性描述。C.Haris李（英国）用离心模型试验研究了冻土层融化的过程中斜坡的运动原理，其目的在于研究冻土层在常年缓慢的冰冻层土流向快速融化泥流转化的原理问题。朱诚等人曾对中天山地区的边坡岩块覆盖层变形进行了分析计算。郭东新等人对青藏公路的风火山垭口盆地融冻泥流阶段进行了初步研究，他们在不同的方向安放了溶冻泥流阶地的变形观测点，观测到了不同方向的泥流推进速度，并且对泥流阶地地貌形态进行了完整的描述。王保来对冻土
21、斜坡在原始状态下的蠕变现象进行了用时三年的原蠕变监测，并且初步描述了冻土斜坡原位蠕变的规律。王绍令觉得斜坡热融滑塌的破坏作用是缓慢的，所以对工程建筑的危害是可以提前预报并且防治，因此，建筑场地尽量避开热融滑塌和有可能出现热融滑塌的危险地域，实在无法避绕时要必须采取一定的措施，严禁在地下冰发育的坡脚取土，以便控制热融滑塌的趋势。孙颖娜对于北部引嫩干渠的渠道滑坡机理进行了研究。靳德武在实验室内模型试验和数值模拟基础上，根据相似理论的第一定律，对冻土边坡的模型试验进行了类似分析，利用积分类比法建立了冻土边坡模型试验相似判据和相似指标，并且绘制出了完全饱水和干土壤土坡稳定性分析的图表。武鹤等人对寒区路
22、堑人工土质边坡滑塌的原因和稳定性也进行了研究。目前，我国的科研工作者对于常温下边坡的稳定性问题进行了深层地研究，取得了较为丰富的成果，但是对于寒区冻融环境下的边坡稳定性问题却涉及很少，因为冻土的不确定性、变异性很大，要得到它的概率统计特性必须要做大量的测试和分析工作，以积累大量的数据和经验，和传统的设计方法比较起来需要花费多得多的时间以及成本，这在实际工程中往往是没有条件的，而寒区边坡的稳定性受到冻土参数变异性的影响。因此，一方面尽可能地去积累冻土的变异性经验，另一方面研究冻融环境下的边坡稳定性问题对于提高寒区的工程可靠性和效益是极为有利的，并且对寒区工程建设也是具有重要的意义。1.3 本文研
23、究的主要内容本文主要在以下几个方面进行研究：（1）边坡稳定性的研究方法 本论文主要运用可靠度分析的方法对边坡的稳定性进行研究，故首先需要对可靠度的基本原理和方法要有详细的了解，另一方面要结合边坡稳定性这个特定的研究方向和可靠度分析的方法从而进行具体的研究。（2）季冻区边坡稳定性分析及失稳类型讨论 从边坡的内外部因素分别讨论其对边坡稳定性的影响，并且从搜集到的的边坡失稳实例中具体分析讨论季冻区边坡失稳的类型。从而深层的探讨在冻融作用下季冻区边坡的稳定性的影响因素并且进行分类，从而得出更加全面的季冻区边坡支护的方案。（3）季冻区边坡可靠度的评价 讨论冻结过程中边坡的稳定性，在融化过程中边坡稳定性变
24、化的规律和冻融循环对边坡稳定性的影响。确定边坡在冻结过程中最危险的滑动面，然后用该滑动面处的可靠度来进行边坡稳定性的评价。第二章 冻土区边坡稳定性影响因素及失稳类型2.1 冻土区边坡稳定性主要影响因素任何事物的发生和发展都是有一定诱因的，边坡的失稳问题也不例外。边坡的失稳通常都是在一定的动力诱发下发生的。诱发动力有的是天然的，有的是人为的。边坡失稳发生的地点、规模和频度，受自然条件控制，是不以人类的意志为转移的。另一方面，随着经济的发展，人类越来越多的工程活动破坏了自然地质结构，打破了原有岩土体中力的平衡，导致边坡失稳的现象发生越来越频繁。人类工程活动主要包括房屋工程建设、高速公路建设、铁路工
25、程建设、水利电力工程建设、矿产资源开采等。各种工程建设严重破坏原始地质结构，切削山体坡角，成为边坡失稳问题的主要诱因。1、自然因素（1）气候因素。气候因素是边坡稳定问题的重要因素之一，如大气降水、气温变化等，其中降水与边坡稳定的关系最为密切，降水量大小、强度、时间长短等都影响边坡稳定问题。（2）地形地貌因素。边坡的稳定问题与地形地貌具有密切的关系。（3）地质因素。地质因素是形成地质灾害的最主要内因，地壳运动、地质构造变动、火山喷发、地震等因素都可以引发地质灾害。地质构造运动不仅控制着地质灾害的分布，而且还是地质灾害发生的主要原因。2、人为因素（1）开挖边坡。如在修建公路、铁路，或依山建房等建设
26、中，开挖边坡坡脚，形成人工高陡边坡，造成滑坡及崩塌；在沟道中随意堆放弃土或废渣，形成泥石流的物源，在强降雨情况下造成泥石流灾害。（2）山区水库与渠道渗漏，增加了土壤的浸润和软化作用，降低了岩土体的抗剪强度，导致滑坡及泥石流发生。（3）采掘矿产资源不规范，预留矿柱少，造成采空区坍塌，山体开裂，继而发生滑坡。或在沟道中随意堆放矿渣，不采取任何工程措施，造成泥石流隐患。（4）其它破坏地质环境的活动。如采石放炮、堆填加载、乱砍滥伐等，也是导致地质灾害的因素。我国冻土分布面积广，其中多年冻土面积约占国土面积的五分之一，主要分布在青藏高原和东北大小兴安岭地区；中深度季节冻土（1m）面积约占国土面积的三分之
27、一，集中分布在东北、华北和西北这三北地区。各类结构物的冻害一直是困扰这些地区工程建设的一个重要问题，特别是随着冻土区工程建设数量规模不断增大和全球气候变暖，深入开展冻害及其防治研究的重要性就愈加突出。2.2.1 冻融循环对岩质边坡的影响冻融的反复作用，将影响寒区边坡的稳定性，表层崩塌的破坏模式是岩石边坡长期冻融作用的主要表现形式。岩石边坡破坏主要是因为地形、地址等内在因素和降雨、热变形以及冻融作用等外在因素相互作用的结果。文研究了岩石冻融破坏机理，认为岩石基本冻融破坏模式为：片落模式和裂纹模式。此外，含水量的多少对岩石的冻融损伤有重要作用，岩石的冷生风化在很大程度上应归功于水分迁移导致的冰分凝
28、增长。文借助于岩石材料冻融循环CT扫描试验，探讨了冻融循环次数对岩石材料损伤扩展特性的影响，并对冻融循环条件下岩石损伤扩展本构关系进行了探讨。文借助CT技术，研究了青藏高原风火山随着拱顶处的砂质泥岩石冻融循环条件下的损伤扩展特性。文选取花岗岩作为试样，试验结果表明，经历多次冻融后岩石的抗压强度和弹性模量有不同程度的下降，岩样中的裂缝明显变宽并产生新的裂隙。在严寒的冬天岩石崩塌事故是比较少的，原因是在低温下岩石强度比常温情况要高。同时低温情况下地下水及地表水的活动都受到限制。进入融化期，积雪和冻结岩石发生融化，岩石崩塌容易发生。这些地区岩石边坡主要表现为表层破坏，对于高含水量，含大量软弱结构面的
29、岩体，这种作用表现很明显。当然，也有较大规模的滑坡，这主要是由于岩石边坡表层冻结造成地下水位上升，裂隙面上水压力增加，从而诱发边坡破坏。岩石边坡暴露于空气中，当气温低于零度时，边坡表层开始冻结，形成冻结面，随着气温的进一步降低及持续时间的延长，冻结面逐渐向内部延伸，由于水分有向冻结面移动的趋势，边坡内部水分通过裂隙或空隙向冻结面移动，造成冻结面上含水量的饱和度增加，当饱和度增加到一定程度时，由水转化成冰产生的膨胀力超过岩石强度，裂缝就产生，造成岩石强度降低。总之，长期反复的冻融作用使得边坡稳定性降低，产生崩塌，如果结合地形和地下水等条件，也可能诱发大规模的边坡破坏。2.2.2 冻融循环对土质边
30、坡的影响冻融循环下土的物理性质和力学性质的变化主要表现在以下四个方面（1）渗透性 冻融岩土渗透性影响的研究较多，因为它是岩土工程、土壤学和水力学领域需要考虑的因素。文通过研究发现，冻土通过改变土的结构性从而使其垂直方向的渗透性增大。目前的大致认识是经过冻融循环，土的渗透系数大约会增大 1-2 个数量级。（2）密度 对于密实土，冻融会使空隙比增大从而减小其密实度。（3）含水量 由于在冻结和融化过程中，水分将向相变界面附近迁移，多年冻土上限附近地下水的形成主要与冻土在夏季的季节融化过程有关。文对兰州黄土在冻融过程中水热输运进行了研究。实验表明，冻结均匀的兰州黄土融化后，相变界面附近的含水量明显增大，这与天然情况下多年冻土上限附近出现的水分富积现象相类似。（4）力学性质 许多研究者都发现，经过很少几个冻融循环，土的变形模量都会有大幅度的降低，细粒越多降低幅度约大。可见，冻融循环会导致变形模量的减小。文对兰州黄土和天津粉质粘土冻融实验表明，经过冻融损坏后，土的粘聚力降低。文讨论了冻融循环对石灰粉土剪切强度特征的影响。实验发现，随冻融循环次数的增加，石灰粉土剪切强度逐渐衰减，经历10次冻融循环的饱水石灰粉土剪切强度最低。强度的增大或减小常被归因于冻结过程土体密度的变化和冻融对土体结构性的改变。如果冻融导
