核安全级道路边坡稳定性分析与评价_徐晓斌.pdf

公路 年月第期 基金项目：广州铁路职业技术学院新引进人才科学启动项目，项目编号 收稿日期：文章编号：（）中图分类号：文献标识码：核安全级道路边坡稳定性分析与评价徐晓斌，侯振坤，黎剑华，董勤喜，王清（广州铁路职业技术学院广州市 ；广东工业大学土木与交通工程学院广州市 ；吉林大学建设工程学院长春市 ）摘要：总结核安全级道路边坡工程的特点和研究现状，介绍各阶段稳定性分析的研究内容和岩土参数选取原则。以沿海某工程为例，地震影响和极端天气工况下，探讨核安全级道路边坡稳定性分析思路和动力法分析模型。首先，采用静力法分析边坡稳定性，安全系数 时，进一步采用动力法分析；然后，研究适于块状结构的边坡稳定性动力法分析模型 哈丁模型摩尔库伦本构模型的黏弹塑性模型，动力法分析得到安全系数 时，需进行加固；最后，采用喷锚等边坡加固措施后，再进行边坡稳定性动力法和静力法分析，以保证加固措施的可靠性。研究成果为此类边坡安全分析、设计及加固提供技术支持，并丰富了边坡研究理论与方法。关键词：核安全级；道路边坡；稳定性评价概述分布于核设施周围的道路边坡，本身未含有放射性物质，但失稳后可能危及到核设施的安全，还会损坏核设施周围的道路，导致无法对核设施进行应急救援，此类边坡就上升为与核安全相关的对象。规范规定：当道路边坡坡脚与核设施之间的距离小于 或小于 倍坡高的边坡为核安全级道路边坡，需进行专门的工程地质勘察、方案设计、稳定验算和安全性评价，且需通过核安全部门组织的评审和审查。境内外学者围绕道路边坡稳定性评价开展了大量的研究，目前研究成果整体可以分为：（）基于土力学原理的道路边坡稳定性分析，建立了以刚塑性为基础的破坏理论，但忽略了岩体的结构特性对边坡稳定性影响，；（）基于块体破坏方式的边坡稳定性评价，开始研究道路边坡稳定的变形破坏机制；（）基于边坡问题与计算数学力学相结合的数值模拟技术，为道路边坡稳定性研究提供了新理论、新方法。然而，现有的相关成果大多是针对常规边坡，核安全相关的边坡研究少有报道。为此，本文结合工程实例，开展考虑极端天气和地震条件下的核安全级道路边坡岩土参数获取、参数分析、验算模型选取等方向的研究，为类似工程和研究提供技术支持。研究阶段核安全级道路边坡研究比常规边坡要求高，除查明边坡工程地质条件、确定岩土参数、预测工程建设可能引发的安全隐患、对不满足要求的坡段提出治理建议外。需对各阶段过程验证、成果整理和结论分析等进行综合安全性评价。（）可行性研究。核安全级道路边坡可行性研究属核工程选址阶段内容，在某种程度上决定了核工程场地的选择，应以道路边坡是否存在不可接受的颠覆性因素为基本原则，进行专门的工作。初步预测对工程建设的可接受性。（）施工图设计。施工图设计是核安全级道路边坡研究的重点。本阶段研究以与核相关规范及边坡规范为准则。岩土参数的获取以原位测试为主，辅以室内试验复核；并确保稳定性分析输入条件的代表性、可靠性和保守性。考虑极端天气条件下和 级地震动作用下边坡的稳定性评价，静力法分析的安全系数 时，应采用动力法分析，且安全系数 。年第期徐晓斌等：核安全级道路边坡稳定性分析与评价（）工程建设。工程建设阶段核安全级道路边坡稳定性研究采用动态模式。及时开展施工期间的工程地质测绘，更新前期资料并进行差异性分析。施工至设计坡面时，进行地质编录（比例尺:），论证原设计是否符合实际。施工完成后，获得更准确、更接近实际的输入条件，结合监测成果，得到边坡最终安全分析报告。稳定性验算 影响因素分析与常规边坡相比，研究核安全级道路边坡的工程地质、水文地质及地震地质条件，既要考虑包括岩土条件（力和变形是重点）的内在因素，又要考虑地震、地表水径流途径、降水、极端天气等外部因素，且地震是外部因素的重点。参数分析可靠性、代表性和合理性是核安全级道路边坡参数分析的重点，对于重要且影响较大的参数还需分析其保守性。参数分析主要包括参数获取试验及取样方法、主客观影响因素、数据整理标准的分析，同类岩土层不同测试方法所获取结果的对比，试验数据统计相关性，测试结果与地区经验的对比，参数获取条件与数学模型假设边界的对比分析等。基于核安全角度，考虑岩体为遍布裂隙介质，强风化岩体至微风化岩体均等效为多孔介质计算孔隙水压力，因此，采用有效应力进行计算。地震作用力是边坡稳定性验算中不能通过测试确定的参数，而用于估算地震作用力的地震系数在各领域中取值差别很大。根据地震作用力对稳定性验算结果影响的评估，水平向地震作用力增加下滑力的同时减小了抗滑力，导致道路边坡稳定性变差；垂直向地震作用力对道路边坡验算结果影响小。因此，垂直向地震系数不是抗震稳定性验算中的敏感参数，水平向地震系数为敏感参数。地震加速度在边坡剖面上表现为随坡高增加而增大，地震作用系数 基本等价于最大加速度值为 地震动产生的地震作用力。从核工程的特殊性和重要性考虑，边坡稳定性验算中地震系数取值需要有一定的保守性。模型选取核安全级道路边坡稳定性，先采用静力法分析，当安全系数 时，则满足安全要求；若静力法分析的安全系数 时，应采用动力法分析，且安全系数 ，才能满足安全要求。静力法分析的安全系数 时，动力本构模型的选择是稳定性研究的关键，考虑到岩土体具有非线性和黏弹塑性，同时考虑 的地震工况，边坡局部岩土体产生塑性变形或破坏的概率较大，为此，采用黏弹塑性动力本构模型，同时结合哈丁模型（见图），和摩尔库伦本构模型（见图），得到了基于哈丁模型摩尔库伦本构模型的黏弹塑性模型的剪应力剪应变关系，见图。图哈丁模型剪应力剪应变关系曲线图摩尔库伦本构模型剪应力剪应变关系曲线图基于哈丁模型摩尔库伦本构模型的黏弹塑性模型的剪应力剪应变关系由图可知，弹性阶段（）采用哈丁模型曲线表达剪应力剪应变关系，即采用模量衰减系数描述土体的非线性特性，曲线用双曲线公式拟合见式（）：，（）式中：为动剪应力；为模量衰减系数；为动剪应变；为最大弹性剪应变；为参考剪应变，一般取 时对应的动应变值，见式（）：（）式中：为最大动剪应力；为最大剪切模量。进入塑性阶段（）后，见式（）：（）（）式中：为动剪切模量。则阻尼比见式（）：（）（）（）（）块状结构的边坡研究采用的哈丁模型摩尔库伦动力本构模型，可较好地反映岩土材料的动力非线性特征。工程应用某道路边坡位于我国沿海地区，场地地貌为低山和沟谷，自然边坡坡高 ，坡角 ，基岩为岩浆岩，上覆较薄的覆盖层。工程建设后，最大坡高 ，属块状结构的核安全级道路岩质边坡。断面为最高的边坡剖面，见图，具有代表性，因此，将其作为典型剖面进行稳定性研究。图边坡设计示意断面 设计断面验算 断面工程地质条件和开挖设计见图。开挖后，风化土层均为强风化，将强风化岩层按与中等风化岩层顶面的距离详细分为层，见图，强度参数取值见表，由表分析可知，开挖后边坡强风化层的厚度总厚度的，表明强度参数普遍大于该层强度参数的统计均值，采用均值的强风化强度参数，忽略了风化的渐变性规律，与实际的边坡工程设计经验不符。因此，表的取值采用相关型强度参数，较为合理。单位：图 边坡设计断面图开挖边坡验算模型考虑到受重力荷载、水荷载的作用，先采用静力法分析，开挖后 断面稳定验算所得到安全系数 ，需进行进一步动力法分析验算。根据工程地质条件及相关要求，拟采用哈丁模型表岩土层强度参数岩性黏聚力摩擦角抗拉强度风化程度 （）组号岩性黏聚力摩擦角抗拉强度风化程度 （）组号强风化 强风化 强风化 强风化底面 强风化 中风化顶面 强风化 微风化顶面 公路 年第期 年第期徐晓斌等：核安全级道路边坡稳定性分析与评价摩尔库伦动力本构模型对 断面进行动力法分析。网格剖分时，网格质量和最小单元尺寸以满足时程分析的要求。地震工况下，并考虑地下水工况。模型计算见图。安全系数 ，需采取加固措施和验算分析。图 设计断面动力法分析结果（）加固措施及验算开挖后的道路边坡范围，对风化严重的岩质坡面及破碎带进行喷锚加固，锚杆长度穿透至微风化花岗岩体内。喷锚加固立面见图。锚杆钢筋采用 的 普通螺纹钢筋，全长灌入水灰比 纯水泥浆液，水泥为普通硅酸盐水泥，强度大于 ，喷射混凝土强度等级大于 。地震工况下（开挖自重水荷载地震荷载取 ，），采用动力法分析，稳定验算结果见图，安全系数 。采用静力法分析，锚喷支护方案加固后的安全系数 ，满足规范的要求，加固后的道路边坡稳定。单位：图边坡锚喷加固立面工程经验表明，强风化岩体的强度参数是该道路边坡稳定性的主控因素。采用强风化强度参数均值，忽略了风化的渐变性规律，与实际的工程经验不图边坡开挖加固滑动面验算结果（）符。采用相关型强度参数时，认为强风化岩层中等风化岩层的强度参数是随着深度逐渐线性增加，符合岩层风化的实际规律，较为可靠；同时将微风化岩体的上部考虑为中等风化岩体，并将岩体均假设为遍布裂隙介质，在模型内部均考虑孔隙水压力作用，即采用有效应力进行计算，具有相当的保守性。计算得到的 工况下，其他边坡设计断面安全系数满足现有核安全相关法规和标准的要求。结语（）道路边坡坡脚与核工程边界之间距离小于 或小于 倍坡高的道路边坡为核安全级道路边坡，也是与一般性边坡的主要区别。可靠和合理保守是此类道路边坡稳定性研究和安全性评价的基本原则。（）力和变形是核安全级道路边坡研究的内在因素重点，地震和极端天气是研究的外部因素重点。当静力法分析的安全系数 时，采用动力法分析且安全系数 ，才能满足安全要求。（）采用动力法分析，重力荷载、水荷载作用和 地震荷载是核安全级道路边坡主要荷载，土层和风化岩层采用相关性强度参数，更符合工程实际。工程应用验证，哈丁模型摩尔库伦动力本构模型较好地反映块状结构的此类道路边坡岩土材料的动力非线性特征。（）当需要对核安全级道路边坡进行加固处理时，进行静力法和动力法分析，满足核相关规范要求，确保加固措施可靠性和保守性很有必要。参考文献：核电厂抗震设计规范 ，：公路 年月第期 文章编号：（）中图分类号：文献标识码：库水位升降对桥区堆积体岸坡稳定性影响分析刘品，龙维，史鹏飞，刘欢（贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司贵阳市 ；中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司贵阳市 ）摘要：水库岸坡水位升降导致岸坡岩土体物理力学行为的劣化，进而影响水库岸坡的稳定性。现以惠罗高速公路朗桃号大桥桥区堆积体为研究对象，结合水文、地质和堆积体的力学特性勘察结果，对水位升降条件下影响边坡稳定性的关键因素进行数值分析。影响因素包括静止水位条件下暴雨的影响和动水位条件下滑坡角度、水位上升速度和渗透系数等。研究结果表明：在静水位条件下，高水位堆积体岸坡稳定较差，尤其是在暴雨条件下；在动水位条件下，水位上升时，堆积体岸坡安全系数表现出先增加再降低的趋势，峰值出现在水位上升 ；水位下降时，堆积体岸坡安全系数逐渐降低，当下降 时，安全系数趋于稳定。当边坡的安全系数不满足工程需求，如水位下降时，需对工程进行加固，处治措施可为削方放缓、坡脚抗滑桩支挡、局部回填反压及加强截排水等，分析结论对工程具有一定的指导意义。关键词：堆积体岸坡；稳定性分析；水位升降；正交试验概述堆积体岸坡处治已成为公路水运等基础设施建设不可避免的工程问题。水库岸坡的活动与水位升降变化有很大关系，水库水位的快速变化是导致水库岸坡失稳的重要原因，水位骤降是影响岸坡稳定的主要外在因素，水库水位上升期水库滑坡的发生要少于水库水位骤降期。岸坡稳定性计算分析关键在于处理水的作用，库水位变化引起的岸坡失稳主要是流体与岸坡岩土体综合作用的结果，水位的升降导致堆积体岸坡岩土体物理力学参数、地下水位、渗透压力等动态变化，计算工况极其复杂。水库水位的升降导致堆积体岸坡稳定性变化的研究对涉水库工程的建设以及安全运营有着重要意义。水位变化影响下岸坡稳定性问题，不少学者开展了相关研究，并取得一定成果。郑颖人等基于布西涅斯克非稳定渗流方程研究了库水位下降过程中坡内浸润线的简化计算；仉文岗等研究认为，库水位下降时岸坡稳定性最危险水位大致位于坡体下处；邓珊珊等研究表明，涨水速率增加则岸基金项目：贵州省交通运输厅科技基金项目，项目编号 ；收稿日期：陈星光高速公路改扩建工程纵坡设计公路，（）：黄润秋 岩石高边坡发育的动力过程及其稳定性控制岩石力学与工程学报，（）：周德培软岩高边坡工程的信息施工岩石力学与工程学报，（）：谢桂华 岩土参数随机性分析与边坡稳定可靠度研究中南大学，李典庆，周创兵，陈益峰，姜清辉，荣冠 边坡可靠度分析的随机响应面法及程序实现岩石力学与工程学报，（）：核电厂工程勘测技术规程：二部分：岩土工程田胜清 核动力工程厂址选择专家系统核工程研究与设计，（）：徐晓斌，秦晶晶，高飞某核电站强风化花岗岩原位直剪试验研究工程勘察，（）：陈祖煜，汪小刚，杨健，等岩质边坡稳定分析 原理、方 法、程 序 北京：中国水利水电出 版 社，：郑文棠，程小久，李焯芬，等 核电厂边坡地震动力响应研究 岩 石 力 学 与 工 程 学 报，（）：