岩土工程稳定性--边坡稳定性分析方法综述

2.1 边坡稳定性分析评价方法概述(9/19)
(2)数值分析方法
大致可以分为两大类： 第一类是基于连续介质的应力应变分析方法，这类方法包括有限元、边界 元、拉格朗日元等，它们具有强大的处理复杂几何边界条件和材料非线性特征 的能力。同时，也可以模拟有限条数的岩体结构面。这些方法在固体和流体的 各个领域都有广泛的应用，是理论体系比较严格也比较成熟的一种方法； 另一类方法是基于非连续介质的应力应变分析方法。众所周知，岩体是由 结构面切割的不连续介质。尽管有限无能够通过设置界面单元来模拟这些结构 西，但是当这些界面很多时，也会出现模拟大变形和收敛性能方面的问题。近 期，在非连续介质应力应变分析方面发展了一系列新的方法，如离散元、界面 元、DDA、流形元等，为研究类似岩体这样的非连续介质提供了很好的手段。 这些方面具有强大的处理非连续介质和大变形的能力，不仅能够比较真实地模 拟结构加荷破坏全过程的应力应变性状，而且还可以动画形式提供边坡以后的 塌落、崩解过程。 数值方法是把力学中的微分方程或积分方程或多元未知量问题化归大型线 性方程组去求解，而计算技术的发展，使长期困扰工程力学，回避求解大型方 程组的问题得到解决，这是历史性的大变革。 总结起来，数值分析（应力应变分析）方法主要包括有限单元法、边界元 法、FLAC法、离散元法、DDA法等等，其中有限元法应用比较广泛。
③优势面理论分析法及其发展应用
采用优势面理论分析法可确定岩坡的控稳优势面，并进行优势面 组合分析 ，找出其试算安全系数最小的优势分离体，确定边坡破坏模 型，并采用极限平衡分析法分析计算优势分离体的安全度及边坡稳定 安全系数，以此判断边坡整体稳定状况 ，从而克服和弥补经典极限分 析法中要假定滑动面、反复计算 比选最小的安全系数及相应的滑动面 的不足，提高了最小安全系数的可靠性。 在采用优势面理论分析法时，在确定控稳优势面时，一般首先要 通过野外地质调查来对研究体内的结构面加以分类，确定各候选优势 面的综合权重值，还需进一步确定优势面的力学参数，所有这些过程 都或多或少的带有经验性，都要不同程度的受到主观性的影响，但恰 恰这两方面是确定其分析结果可靠程度的关键问题，因而优势面理论 分析法存在一定的缺陷性 。因此，优势面理论分析法中引入了层次分 析法，在一定程度上提高了控稳优势面的选定客观性。
• 块体极限平衡法的优点：
方便简单，适用于研究多变的水压力及不连续的岩体和土体。
• 块体极限平衡法的缺点：
不能反映岩土体内部真实的应力应变关系，所求稳定性参数 是滑动面上的平均值，带有一定的假定性。 难以分析岩土体从变形到破坏的发生发展全过程; 难以考虑累进性破坏对岩土体稳定性的影响。
② 弹塑性极限平衡分析法
边坡稳定性分析方法综述
在工程实践中，可能遇到各种不同类型、不同边界条件的 滑动变形边坡，为了评价其稳定性，可以采用不同的计算和评 价方法。边坡评价的方法，可以概括为三大类：定性评价、定 量评价及不确定性分析方法。 定性评价是定量评价的地质基础，定量评价是定性评价的 补充和完善。 由于地质条件的复杂性，在实际评价边坡稳定性时，定性 与定量应结合使用，互为补充。当前定量评价方法已有多种， 并还在不断发展与完善，但各种新的定量分析方法也给定性分 析提出了更高的要求。
2.1 边坡稳定性分析评价方法概述(1/19)
自然(成因)历史分析法 定性分析 工程类比法
边坡稳定性分析数据库和专家系统
图解法：赤平极射投影、实体比例投影、摩擦圆 法 极限平衡分析法 数值分析方法 模型模拟试验法等。
评 价 方 法 定量分析
不源自文库定性分析方法
模糊综合评价法 概率统计分析法
2.1 边坡稳定性分析评价方法概述(2/19)
1、定性分析方法
定性分析方法主要是通过工程地质勘察，对影响边坡稳定性的主要因 素、可能的变形破坏方式及失稳的力学机制等的分析，对己变形地质 体的成因及其演化史进行分析，从而给出被评价边坡一个稳定性状况 及其可能发展趋势的定性的说明和解释。 优点:能综合考虑影响边坡稳定性的多种因素，快速地对边坡的稳定状 况及其发展趋势作出评价。 常用的方法主要有下面几种。 (1)自然(成因)历史分析法 (2)工程类比法
(3)边坡稳定性分析数据库和专家系统
(4)图解法
自然历史分析法（也称成因历史分析法）
通过研究边坡的形成历史和所处的自然地质环境、它的变形和物质 组成、变形破坏行迹，以及影响边坡稳定性的各种因素特征和相互关系， 从而对它的演变阶段和稳定状况做出评价和预测。 主要是针对已有多年历史的边坡，其主要研究内容如下： ①研究组成边坡的物质介质及其特征，包括岩土类型及性质、岩体结构 特征等。 ②对已有的边坡变形作深入仔细的研究，包括变形部位、变形类型及形 成机理等。 ③分析边坡所处地区自然地理条件的变化，包括季节性雨期、周期性地 震、地表水的变化等。 ④联系边坡变形破坏的历史，确定促使边坡稳定性发生变化的主导因素， 从而判断边坡稳定现状和发展趋势。 成因历史分析法不仅能判定边坡稳定现状，也能对边坡稳定性演化做出 预测，并能为定量的力学计算方法确定边界条件和选用参数，为工程地 质类比法提供比拟依据。因此，成因历史分析法是各种分析方法的基础。
• 块体极限平衡法是当前国内外应用最广的边坡稳定分析方法。它 是传统边坡稳定分析方法的代表。 • 块体极限平衡法首先假定滑移面已知、同时假定滑动体为刚体， 即忽略滑动体的变形对稳定性的影响，在以上假定条件下对边坡 进行静力平衡计算，从而求出边坡稳定系数 .
2.1 边坡稳定性分析评价方法概述(5/19) 基本思路：
弹塑性极限平衡法从分析边坡体的应力和变形入手，由边 坡体的应力和变形特征来确定边坡体的极限平衡状态，从而避 免对边坡体最小安全系数的反复计算及比选，达到减少工作量 和提高准确率的目的。 弹塑性极限平衡法中采用强度折减法，即逐渐降低材料强 度(即降低材料抗剪强度参数c和 的方法来逼近系统的极限平 衡状态，并以屈服区的贯通来表征极限平衡状态的到达，把材 料强度折减系数(Zi)定义为系统的整体稳定安全系数(Fs)。在 地质条件、材料参数、屈服准则和本构关系正确的前提下，能 够保证由此得到的稳定安全系数为真实稳定安全系数的下限。 弹塑性极限平衡法不必假设土条间的作用力和破坏面的位 置和形状，因此，该方法能处理复杂几何轮廓和边界条件，有 广泛的适用性和良好的应用前景。
• 首先，确定滑动面的位置和形状。实际的滑动面将取决于结构面 的分布、组合关系及其所具有的剪切强度。实践证明，均质土坡 的破坏面都接近于圆弧形，岩体中存在软弱结构面时，边坡岩体 常沿某个软弱结构面或某几个软弱结构面的组合面滑动，因此， 根据具体情况假定的滑动面与实际情况是很接近的。 • 其次，确定极限抗滑力和滑动力，并计算其稳定性系数。所谓稳 定性系数即指可能滑动面上可供利用的抗滑力与滑动力的比值。 由于滑动面是预先假定的，因此就可能不止一个，这样就要分别 试算出每个可能滑动面所对应的稳定性系数，取其中最小者作为 最危险滑动面。
2.1 边坡稳定性分析评价方法概述(7/19)
• 由于假设条件与应用的方程不同，条分法分为非严格条分法与严格 条分法.
• 在非严格条分法中，通常只满足一个平衡条件，而不管另一个平衡 条件。在土条的平衡中只满足力的平衡，而不满足力矩平衡，在总体 平衡中只满足力的平衡或者力矩平衡。可见，非严格条分法的计算结 果是有一定误差的。非严格条分法有两个末知数(安全系数和条间力 的作用方向)。但只有一个方程.因而尚需作一个假定。非严格条分法 通常是假定条间力的方向，由于假定不同而形成各种方法，有瑞典法、 简化Bishop法、简化Janbu法、陆军工程师团法、罗厄法、Sarma法、 不平衡推力法(传递系数法)等。
工程地质类比法
是将已有边坡同新边坡进行类比，将前者的研究设计经验 用于拟建边坡的研究设计中去。为此，需对要类比的两个边坡 全面分析研究其工程地质条件和影响边坡稳定的各种因素，并 考虑采矿技术条件，比较其相似性和差异性。只有相似程度较 高的边坡才能进行类比，即类比的原则是相似性。 工程地质类比法虽然是一种经验方法，但在新边坡的设计 中，特别是对中小型边坡的设计时通常采用的一种方法。这种 方法可以根据边坡的岩性、构造、岩体结构、水文地质条件、 坡高等相似性，从经验数据中选取合理的边坡角；根据岩性和 岩体结构的相似性，从经验数据中选取稳定计算参数；根据自 然条件相似的边坡破坏实例，反算推求边坡稳定性的计算参数， 预测新边坡的变形破坏形式和发展变化规律以及根据相似边坡 的整治经验，提出边坡整治措施。
边坡稳定专家系统
该系统是一种计算机程序分析法，以专家的水平完成复杂 的边坡稳定分析。它把一般的模拟人类的解题策略与边坡稳定 问题所特有的大量实际知识和经验结合起来。 工程地质领域最早研制出的专家系统是用于地质勘察的专 家系统 Propecter，由斯坦福大学于70年代中期完成的。另 外，MIT在80 年代中期研制的测井资料咨询的专家系统也得 到成功地应用。 在国内，许多单位正在进行研制，并取得了很多的成果。 专家系统使得一般工程技术人员在解决工程地质问题时能象有 经验的专家给出比较正确的判断并做出结论，因此，专家系统 的应用为工程地质的发展提供了一条新思路。
2.1 边坡稳定性分析评价方法概述(3/19) 2、定量分析法
• 严格地讲，边坡稳定性分析还远远没有走到完全定量这一步，它只
能算是一种半定量的分析方法。常用的边坡稳定性分析方法土要有 下述几种： • （1）极限平衡分析法 • （2）数值分析方法
2.1 边坡稳定性分析评价方法概述(4/19) (1)极限平衡法 ①块体极限平衡法（经典极限平衡法）
图解法 包括赤平极射投影、实体比例投影与摩擦圆等方法。 图解法的优点是能快速、直观地分辨出控制边坡稳 定 性的主要和次要结构面，确定出边坡结构的稳定类型，判定 不稳定块体的形状、规模及滑动方向。对用图解法判定为不 稳定的岩质高边坡，需进一步用计算加以验证。
赤平极射投影法
赤平极射投影是表示物体的几何要素，或点、线、平面的空间 方向和它们之间的角距关系的平面投影。 利用赤平极射投影分析边坡稳定性时，首先要调查统计岩体节 理裂隙，掌握比较发育和贯通性强的结构面，特别是软弱结构面的 产状特征。如果软弱结构面比较明显，就需将其画在赤平投影图上， 并结合边坡面在赤平投影图上的位置，分析边坡的稳定性。 赤平极射投影法能有效地定性评价边坡的稳定性和滑动形式， 但不能表示出软弱结构面在边坡上的具体位置及滑动体的大小和形 态特征。为此，以赤平极射投影为基础，尚需采用实体比例投影方 法。 近年来，由于工程地质学科的发展，使赤平极射投影法得到了 更广发的应用。利用岩体结构面的赤平极射投影，再辅以作用力的 矢量图，形成了一整套分析岩体稳定性的方法。对边坡来说，可用 于分析除圆弧滑面外的多种几何形态滑体的稳定性。
• 最后以安全系数为标准评价边坡的稳定性。
2.1 边坡稳定性分析评价方法概述(6/19)
• 当滑移面为一简单平面时，静力平衡计算可采用解析法计算，因而 可获得解析解。著名的库仑公式就是一例，一直沿用至今。 • 当滑移面为圆弧、对数螺线、折线或任意曲线时，无法获得解析解， 通常要采用条分法求解。此时坡体为一静不定问题，通过对某些未知 量作假定，使方程式的数目与未知数数目相等从而使问题成为静定， 这种方法十分简便，而且计算结果能满足工程要求而被广为应用。 目前工程中常用的条分法有：Fellenius法（Ｗ.Fellenius，1963）、 Bishop法（Ａ.Ｗ.Bishop，1955）、Janbu法（N.Janbu，1954， 1973）。Morgestern-Price法、（Morgestern-Price，1965）、Spencer 法（Spencer，1973）、Sarma法（Sarma，1979）、传递系数法等
• 严格条分法满足所有的力的平衡条件，它有三个末知数(安全系数、 条间力作用方向和作用点)和两个方程，因而也要做一个假定。如果 假定合理，其解答十分接近准确解。根据所用假设的不同，又分 Morgenstern-Price法、Spencer法、Janbu法等.
2.1 边坡稳定性分析评价方法概述(8/19)