廖 軍，陸 陽(yáng)

(1.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川成都 610031;2.成都理工大學(xué)環(huán)境與土木工程學(xué)院，四川成都 610067)

山區(qū)公路沿線(xiàn)存在眾多邊坡工程，這些工程設(shè)計(jì)的合理性關(guān)系到公路工程造價(jià)與安全?！豆仿坊O(shè)計(jì)規(guī)范》［1］規(guī)定，20m以上的土質(zhì)和30m以上的巖質(zhì)邊坡需要進(jìn)行“個(gè)別勘察設(shè)計(jì)”，在工程勘察與設(shè)計(jì)中需要對(duì)這些“公路復(fù)雜邊坡”進(jìn)行專(zhuān)門(mén)研究。邊坡設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)建立在邊坡穩(wěn)定性分析及其加固、防護(hù)結(jié)構(gòu)可靠性分析基礎(chǔ)上。然而，由于沿線(xiàn)地質(zhì)條件復(fù)雜多變，公路邊坡的形成條件、成因機(jī)制、穩(wěn)定狀態(tài)等各不相同，處治設(shè)計(jì)工作量通常較大，地勘水平卻相對(duì)較低，邊坡設(shè)計(jì)處在貧信息條件下，因此設(shè)計(jì)方法十分重要。文獻(xiàn)［1］規(guī)定，在邊坡工程設(shè)計(jì)中應(yīng)當(dāng)采用工程類(lèi)比與定量計(jì)算相結(jié)合的方法。在公路邊坡工程實(shí)踐中廣泛運(yùn)用了工程類(lèi)比法［2-6］，但這些方法的應(yīng)用一般依賴(lài)于設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)，帶有明顯的主觀性，在工程應(yīng)用中有時(shí)難以達(dá)成一致意見(jiàn)。文獻(xiàn)［7］利用類(lèi)比法對(duì)黃土路塹邊坡的極限狀態(tài)進(jìn)行了研究;文獻(xiàn)［8］將類(lèi)比法程序化，用于邊坡安全系數(shù)的判斷;文獻(xiàn)［9］基于類(lèi)比推理和灰色系統(tǒng)理論的定量類(lèi)比方法對(duì)邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行判定和分析。目前類(lèi)比法僅用于邊坡穩(wěn)定性分析，邊坡加固、防護(hù)結(jié)構(gòu)的分析與確定仍需依靠設(shè)計(jì)人員經(jīng)驗(yàn)。當(dāng)不同公路邊坡的特征及其變形破壞存在共性時(shí)，相應(yīng)的加固防護(hù)措施也應(yīng)具有共性。充分利用大量已有邊坡的成果進(jìn)行科學(xué)的定量類(lèi)比，得到與待設(shè)計(jì)邊坡情況相適應(yīng)的處治方案，可以提高設(shè)計(jì)水平。

本文在對(duì)四川省大量公路復(fù)雜邊坡設(shè)計(jì)成果進(jìn)行研究的基礎(chǔ)上，將設(shè)計(jì)期的公路邊坡視為灰色系統(tǒng)，選擇與其工程勘察水平及設(shè)計(jì)條件相適應(yīng)的定量類(lèi)比指標(biāo)，利用灰色關(guān)聯(lián)分析方法得到相似邊坡集，再?gòu)南嗨七吰录募庸谭桨钢羞x擇與設(shè)計(jì)邊坡最適宜的加固方案，從而建立公路復(fù)雜邊坡設(shè)計(jì)期加固方案的定量類(lèi)比設(shè)計(jì)方法。

1 設(shè)計(jì)期類(lèi)比指標(biāo)的選取及量化

定量類(lèi)比方法的準(zhǔn)確性取決于參照工程信息量的大小，同時(shí)，不當(dāng)?shù)男畔⒖赡苁箚?wèn)題復(fù)雜化，甚至得出相互矛盾的結(jié)論。文獻(xiàn)［8］選擇巖體重度、內(nèi)摩擦角、黏聚力及邊坡高度與角度，文獻(xiàn)［9］增加了孔隙水壓力比，文獻(xiàn)［10］則采用了CSMR的評(píng)價(jià)指標(biāo)。在對(duì)四川省公路邊坡設(shè)計(jì)成果進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)，由于工程勘察水平低，往往得不到上述類(lèi)比指標(biāo)。只有確定與邊坡工程實(shí)際相適宜的類(lèi)比指標(biāo)，才能利用已有邊坡的信息進(jìn)行類(lèi)比設(shè)計(jì)。類(lèi)比指標(biāo)選擇的原則是:與公路邊坡勘察與設(shè)計(jì)的實(shí)際相適應(yīng)，易于獲取，與邊坡的穩(wěn)定性密切相關(guān)，且能反映不同邊坡的特征。文獻(xiàn)［1］中規(guī)定了邊坡工程地質(zhì)勘察應(yīng)查明的內(nèi)容，同時(shí)規(guī)定邊坡防護(hù)設(shè)計(jì)應(yīng)考慮邊坡地質(zhì)和環(huán)境條件、邊坡高度及公路等級(jí)。文獻(xiàn)［2］中將工程類(lèi)比法的影響因素整體上分為工程條件、工程地質(zhì)條件及與邊坡地質(zhì)結(jié)構(gòu)有關(guān)的修正系數(shù)。本文在文獻(xiàn)［2］的基礎(chǔ)上，參照規(guī)范對(duì)于地質(zhì)環(huán)境條件的規(guī)定，并考慮到所選指標(biāo)應(yīng)易于獲取，選擇了邊坡高度、坡度、巖體結(jié)構(gòu)、巖性、邊坡地下水、年降水量、地形地貌共7個(gè)指標(biāo)作為定量類(lèi)比指標(biāo)，見(jiàn)表1。其中前5個(gè)指標(biāo)為個(gè)性特征，后2個(gè)指標(biāo)為共性特征。

所選取的指標(biāo)中的名義尺度需要按照統(tǒng)計(jì)學(xué)者史蒂文斯S.S.Stevens(1951)對(duì)于測(cè)量尺度的劃分進(jìn)行數(shù)量化，才能實(shí)現(xiàn)對(duì)公路復(fù)雜邊坡的定量類(lèi)比。將以名義尺度量測(cè)得到的巖體結(jié)構(gòu)、巖性及組合、地下水與地形地貌等名義變量，每一種類(lèi)別分別以一個(gè)數(shù)字來(lái)代表［11］，見(jiàn)表1，而邊坡高度、坡度與年降雨量等指標(biāo)是比率尺度，其數(shù)值可直接作為定量類(lèi)比的指標(biāo)。

表1 邊坡特征因素?cái)?shù)字化

2 公路復(fù)雜邊坡特征定量類(lèi)比法

按照可收集信息的明確性可以對(duì)一個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行劃分，信息完全明確的系統(tǒng)稱(chēng)為白色系統(tǒng)，信息未知的系統(tǒng)稱(chēng)為黑色系統(tǒng)，部分信息明確，部分不明確的系統(tǒng)稱(chēng)為灰色系統(tǒng)。公路邊坡的形成條件各異、所處環(huán)境差別極大，而邊坡處治又是一個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程，幾乎沒(méi)有可能找到兩個(gè)工況完全一致的邊坡。公路邊坡可視為灰色系統(tǒng)，它具有不確定性，可以運(yùn)用灰色系統(tǒng)理論來(lái)研究?；疑到y(tǒng)理論中的灰色關(guān)聯(lián)分析方法對(duì)樣本量的多少和樣本有無(wú)規(guī)律的條件都同樣適用，計(jì)算量小，十分方便，不會(huì)出現(xiàn)量化結(jié)果與定性分析結(jié)果不符的情況，因而適用于公路復(fù)雜邊坡的設(shè)計(jì)。邊坡的處治設(shè)計(jì)可視為一個(gè)灰色系統(tǒng)中的判斷分析，可以根據(jù)邊坡特征指標(biāo)之間的灰色關(guān)聯(lián)度，定量類(lèi)比得到與待設(shè)計(jì)邊坡相似的幾個(gè)公路邊坡，并將這些邊坡的加固方案作為設(shè)計(jì)的備選方案。

2.1 灰色關(guān)聯(lián)分析基本原理

灰色關(guān)聯(lián)分析方法的基本思想是根據(jù)序列曲線(xiàn)幾何形狀的相似程度來(lái)判斷其聯(lián)系是否緊密，曲線(xiàn)越接近，相應(yīng)序列之間的關(guān)聯(lián)度就越大，反之就越小。其計(jì)算過(guò)程為［12］:

1)計(jì)算關(guān)聯(lián)系數(shù)

設(shè)序列

則關(guān)聯(lián)系數(shù)定義為

遇有單位不一，初值不同的序列，在計(jì)算相關(guān)系數(shù)之前應(yīng)先進(jìn)行初始化，即通過(guò)算子作用使系統(tǒng)行為特征映射量和各有效因素化為數(shù)量級(jí)大體相近的無(wú)量綱數(shù)據(jù)。

2)計(jì)算關(guān)聯(lián)度

2.2 公路復(fù)雜邊坡的定量類(lèi)比

式中

相似系數(shù)就是灰色系統(tǒng)理論中的關(guān)聯(lián)系數(shù)，它所表征的是兩個(gè)系統(tǒng)在某一個(gè)特性上的相似性，在進(jìn)行類(lèi)比評(píng)價(jià)時(shí)，要看系統(tǒng)間的全面相似程度(這種全面是相對(duì)的)，表示參考數(shù)列對(duì)于比較數(shù)列全面相似性的相似度公式為

當(dāng)給定X0及Xi時(shí)，可以求出Xi對(duì)X0的相似度，以具有最大相似度的前3個(gè)邊坡作為類(lèi)比邊坡。

運(yùn)用定量類(lèi)比法時(shí)，首先以收集到的公路復(fù)雜邊坡設(shè)計(jì)成果，形成邊坡設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)，然后以邊坡的特征因素作為比較序列，進(jìn)行基于灰色關(guān)聯(lián)分析的定量類(lèi)比，按全面相似度從高到低選取，即可類(lèi)比得到幾個(gè)相似公路邊坡形成相似邊坡集，以相似邊坡集的加固方案作為邊坡加固備選方案，如圖1所示，從而進(jìn)行邊坡加固方案的設(shè)計(jì)。

3 應(yīng)用實(shí)例

在四川省公路邊坡數(shù)據(jù)庫(kù)中選擇典型邊坡作為參考邊坡，對(duì)設(shè)計(jì)邊坡進(jìn)行加固方案類(lèi)比設(shè)計(jì)，考慮到同一公路分區(qū)中的公路邊坡?tīng)顟B(tài)有一定的共性，因此在進(jìn)行定量類(lèi)比設(shè)計(jì)時(shí)，建立每一個(gè)公路分區(qū)的參考邊坡數(shù)據(jù)集。

選擇攀枝花至田房高速公路K196+875—K197+004邊坡作為待設(shè)計(jì)邊坡，該邊坡所處分區(qū)為深切中山峽谷區(qū)或?qū)捁葏^(qū)，年降雨量800mm，坡高30m，坡度33°，邊坡結(jié)構(gòu)為散體結(jié)構(gòu)，坡體上部為黏土夾少量塊石土，下為基巖，按巖性組合劃分為上軟下硬，無(wú)長(zhǎng)年滲流地下水。

選擇待設(shè)計(jì)邊坡所在分區(qū)的190個(gè)已設(shè)計(jì)的邊坡作為參考邊坡，部分邊坡的特征及其數(shù)量化結(jié)果如表2所示。

按前述公路復(fù)雜邊坡定量類(lèi)比設(shè)計(jì)的方法，計(jì)算待設(shè)計(jì)邊坡與參考邊坡的相似系數(shù)，結(jié)果如表3所示。

根據(jù)相似系數(shù)計(jì)算的結(jié)果，選擇3個(gè)與待設(shè)計(jì)邊坡相似度最大的邊坡(由表3可知，相似系數(shù)由大到小的3個(gè)邊坡分別是109號(hào)、119號(hào)與188號(hào)邊坡)，將這3個(gè)邊坡作為相似邊坡，其相應(yīng)的特征條件及加固方案如表4所示。

圖1 公路復(fù)雜邊坡的定量類(lèi)比設(shè)計(jì)方法

表2 參考邊坡指標(biāo)及其數(shù)量化

表3 公路復(fù)雜邊坡定量類(lèi)比相似系數(shù)計(jì)算結(jié)果

續(xù)表3

表4 定量類(lèi)比邊坡特征及加固方案

如表4所示，待設(shè)計(jì)邊坡與相似邊坡的各項(xiàng)特征因素均十分相似，相似邊坡1(109號(hào))的加固方案為抗滑擋墻，2號(hào)和3號(hào)相似邊坡的加固方案為抗滑樁，從加固原理上來(lái)說(shuō)這3個(gè)相似邊坡的加固方案均適宜于待設(shè)計(jì)邊坡。由于相似邊坡2與相似邊坡1的關(guān)聯(lián)系數(shù)均為0.975，且相似邊坡2與邊坡3的加固方案一致，所以選擇2號(hào)和3號(hào)相似邊坡的加固方案——抗滑樁加固為待設(shè)計(jì)邊坡的加固方案，此方案與實(shí)際采用的加固方案一致。

4 結(jié)語(yǔ)

為提高公路復(fù)雜邊坡加固設(shè)計(jì)水平，降低人為因素的影響，提出基于四川省大量公路邊坡設(shè)計(jì)實(shí)例的公路復(fù)雜邊坡加固方案定量類(lèi)比方法。該方法應(yīng)用灰色理論的定量類(lèi)比方法得到與設(shè)計(jì)邊坡整體相似的幾個(gè)邊坡的加固方案為備選方案，進(jìn)一步以備選加固方案與待設(shè)計(jì)邊坡特征的適宜性為評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)備選加固方案作進(jìn)一步準(zhǔn)確判定，使所選擇的加固方案與設(shè)計(jì)邊坡有很好的適宜性。該方法的運(yùn)用是從整體特征與個(gè)性特征來(lái)反應(yīng)邊坡的實(shí)際狀態(tài)，應(yīng)用實(shí)例顯示應(yīng)用該方法選擇的加固方案與實(shí)際采用方案一致。同時(shí)，通過(guò)定量類(lèi)比得到的邊坡加固方案也可以作為其它設(shè)計(jì)方法中的比選方案。該方法所采用的邊坡設(shè)計(jì)實(shí)例數(shù)據(jù)集的全面性與準(zhǔn)確性對(duì)于類(lèi)比結(jié)果有較大的影響，同時(shí)，需進(jìn)一步對(duì)邊坡加固方案的適應(yīng)性進(jìn)行研究。

［1］中交第二公路勘察設(shè)計(jì)研究院.JTG D30—2004 公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京:人民交通出版社，2004.

［2］楊志法，尚彥軍，劉英.關(guān)于巖土工程類(lèi)比法的研究［J］.工程地質(zhì)學(xué)報(bào)，1997，5(4):299-305.

［3］呂小平.工程地質(zhì)類(lèi)比分析的擴(kuò)展及實(shí)現(xiàn)方法［J］.地質(zhì)論評(píng)，1993，39(5):412-417.

［4］《工程地質(zhì)手冊(cè)》編寫(xiě)委員會(huì).工程地質(zhì)手冊(cè)［M］.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1992.

［5］何容，何偉，李亞偉.基于支持向量機(jī)的邊坡穩(wěn)定性識(shí)別研究［J］.鐵道建筑，2009(2):67-70.

［6］樓金其.抗滑樁加固巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性的數(shù)值模擬分析［J］.鐵道建筑，2012(5):120-122.

［7］李萍，王秉綱，李同錄.自然類(lèi)比法在黃土路塹邊坡設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究［J］.公路交通科技，2009，16(2):1-5.

［8］劉漢東，薛雷，祁萌.工程地質(zhì)類(lèi)比法程序化設(shè)計(jì)［J］.華北水利水電學(xué)院學(xué)報(bào)，2007，28(2):62-64.

［9］陳新民，羅國(guó)焊，夏佳.邊坡穩(wěn)定性類(lèi)比評(píng)價(jià)的定量實(shí)現(xiàn)［J］.工程地質(zhì)學(xué)報(bào)，2000，8(2):244-248.

［10］朱玉平，莫海鴻，灰關(guān)聯(lián)分析法在巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)中的應(yīng)用［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2004，23(6):915-919.

［11］邱浩政.量化研究與統(tǒng)計(jì)分析［M］.重慶:重慶大學(xué)出版社，2009.

［12］鄧聚龍.灰色系統(tǒng)基本方法［M］.武漢:華中科技大學(xué)出版社，2001.