巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析方法研究

1、巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析方法研究摘要：影響巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性的因素是多方面的，包括巖性、巖體結(jié)構(gòu)、水文地質(zhì)條件、地震、地貌、分化作用以及人類工程活動(dòng)等因素。其中，巖體中的控制性結(jié)構(gòu)面很大程度上起決定性作用。因此，合理的對(duì)巖體結(jié)構(gòu)進(jìn)行分類，是分析判斷巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性的前提條件。巖質(zhì)邊坡的破壞形式多種多樣，這也決定了其穩(wěn)定性分析評(píng)判方法有許多種。選用合理的分析方法以評(píng)判實(shí)際邊坡的穩(wěn)定性是極其重要的。本文首先回顧了巖質(zhì)邊坡的分類方法和破壞模式，并簡(jiǎn)單的分析了影響邊坡穩(wěn)定性的因素，然后總結(jié)了目前常用的邊坡穩(wěn)定性分析理論方法，最后介紹了其中幾種有代表性的理論方法。關(guān)鍵詞：巖質(zhì)邊坡；穩(wěn)定性分析；剛體極限平衡法；有限單

2、元法；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法1. 引言巖體是一種極其復(fù)雜的不連續(xù)介質(zhì)，巖質(zhì)邊坡受巖石材料、巖體結(jié)構(gòu)、地下水、地應(yīng)力、人工環(huán)境等多種因素作用易發(fā)生滑動(dòng)、崩塌、傾倒、潰屈等多種破壞形式。合理地分析評(píng)判巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性是邊坡工程設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。由于巖質(zhì)邊坡的復(fù)雜性，為充分發(fā)展邊坡工程理論和完善邊坡工程設(shè)計(jì)，工程界提出了許多關(guān)于巖質(zhì)邊坡的分類方法。按巖石類別可分為巖漿巖邊坡、沉積巖邊坡、變質(zhì)巖邊坡；按巖體結(jié)構(gòu)分類可分為塊狀結(jié)構(gòu)邊坡、層狀結(jié)構(gòu)邊坡、碎裂結(jié)構(gòu)邊坡及散體結(jié)構(gòu)邊坡；根據(jù)巖層與坡面的空間關(guān)系可分為順向坡、斜向破及反向坡等；根據(jù)邊坡穩(wěn)定性又可分為穩(wěn)定邊坡、不穩(wěn)定邊坡及已失穩(wěn)邊坡。巖質(zhì)邊坡有多種失穩(wěn)模式，不同類型的

3、邊坡的失穩(wěn)模式不一樣，同種邊坡類型，在不同的條件下，其失穩(wěn)模式也大相庭徑。巖質(zhì)邊坡的失穩(wěn)模式有滑動(dòng)破壞、傾倒破壞及潰屈破壞，其中滑動(dòng)破壞有可分為平面破壞、弧形破壞及楔形破壞。近些年來(lái)，國(guó)家投入了大量的資金用于基礎(chǔ)建設(shè)，各類工程建設(shè)在如火如荼的進(jìn)行中，但同時(shí)也出現(xiàn)了各種工程事故，其中最為嚴(yán)重的是全球三大自然災(zāi)害之一的邊坡失穩(wěn)破壞。因此，減少該類事故的發(fā)生是一項(xiàng)緊迫又艱巨的任務(wù)。造成邊坡失穩(wěn)破壞的原因包括自然因素和人為因素。自然因素在一定程度上不為人類所控制，包括巖性、巖體結(jié)構(gòu)、地下水、地震及邊坡形狀類型等；人為因素是受我們?nèi)祟愃刂频?，包括人類工程活?dòng)、生活方式及人類對(duì)邊坡工程的認(rèn)識(shí)程度等。因此

4、，應(yīng)充分認(rèn)識(shí)各類因素對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響，最大限度的減小人類活動(dòng)對(duì)邊坡帶來(lái)的不利影響。造成邊坡失穩(wěn)事故的部分原因是因?yàn)槲茨軐?duì)邊坡穩(wěn)定性做出正確的評(píng)判。因此，恰當(dāng)?shù)姆治鲞吰路€(wěn)定性顯得尤為重要。目前，常見(jiàn)的邊坡穩(wěn)定性分析方法有定性分析方法、定量分析方法、半定量分析方法及不確定方法等，每種方法都有各自的優(yōu)點(diǎn)、缺點(diǎn)及適用范圍等，選用合理的分析方法以評(píng)判實(shí)際邊坡的穩(wěn)定性是極其重要的。2. 巖質(zhì)邊坡的分類巖體結(jié)構(gòu)的分類，主要是以巖石強(qiáng)度、巖體完整性（巖體被結(jié)構(gòu)面切割的程度）以及巖體的各種結(jié)構(gòu)特征為基礎(chǔ)的，能較好的反映巖體的質(zhì)量。目前，在我國(guó)工程地質(zhì)界應(yīng)用較為廣泛的巖體結(jié)構(gòu)劃分標(biāo)準(zhǔn)，是谷德振先生首先提出的。分

5、為：整體塊狀結(jié)構(gòu)、層狀結(jié)構(gòu)、碎裂結(jié)構(gòu)和散體結(jié)構(gòu)四大類，其中又可分為若干亞類。詳見(jiàn)表2-1【1】。表2-1 巖質(zhì)邊坡分類表序號(hào)巖體結(jié)構(gòu)巖石類型巖體特征邊坡穩(wěn)定性特征類型亞類1塊狀結(jié)構(gòu)巖漿巖、中深變質(zhì)巖、厚層沉積巖巖體呈塊狀或厚層狀，結(jié)構(gòu)面不發(fā)育，間距在50一l00cm以上，多為剛性結(jié)構(gòu)面，貫穿性軟弱結(jié)構(gòu)面少見(jiàn)。kv=1-0.4；rqd50%邊坡穩(wěn)定條件好，易形成高陡邊坡，失穩(wěn)形態(tài)多沿某一組結(jié)構(gòu)面崩塌或沿復(fù)合結(jié)構(gòu)面滑動(dòng)?；瑒?dòng)穩(wěn)定性受結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度與巖石抗剪強(qiáng)度控制2層狀結(jié)構(gòu)層狀同向結(jié)構(gòu)各種厚度的沉積巖、層狀變質(zhì)巖和復(fù)雜多次噴發(fā)的火山巖邊坡與層面同向，巖層傾向與邊坡傾向基本相同，夾角小于30o，巖體

6、多呈互層狀，結(jié)構(gòu)面發(fā)育，軟弱夾層和層間錯(cuò)動(dòng)帶常為貫穿性軟弱結(jié)構(gòu)面。kv=0.7-0.3； rqd=25%-80%層面或軟弱夾層形成滑動(dòng)面，坡腳切斷后易產(chǎn)生潰屈或傾倒。穩(wěn)定性受巖層走向夾角大小、坡角與巖層傾角組合關(guān)系、順坡向軟弱結(jié)構(gòu)面的發(fā)育程度及強(qiáng)度所控制層狀反向結(jié)構(gòu)巖層傾向與邊坡傾向基本相反，其夾角應(yīng)大于150 o巖體呈層狀或二元結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)面發(fā)育。kv=0.7-0.3；rqd=25%-80%巖層較陡時(shí)易產(chǎn)生傾倒彎曲松動(dòng)變形，坡角有軟層時(shí)上部易拉裂，局部崩塌滑動(dòng)。穩(wěn)定性受坡角與巖層傾角組合、巖層厚度、層間結(jié)合能力及反傾結(jié)構(gòu)面發(fā)育與否所決定層狀斜向結(jié)構(gòu)層狀巖石組成的邊坡，巖層傾向與邊坡傾向斜交，其

7、夾角在30 o-150 o之間。kv=0.7-0.3；rqd=25%-80%邊坡穩(wěn)定性好，不受層面及夾層控制3碎裂結(jié)構(gòu)各種巖石的構(gòu)造影響帶、破碎帶、蝕變帶或風(fēng)化破碎巖體巖體結(jié)構(gòu)面發(fā)育，多短小無(wú)規(guī)則地分布，巖塊存在咬合力。kv=0.7-0.3；rqd25%邊坡穩(wěn)定性較差，坡角取決于巖塊間的鑲嵌情況和巖塊間的咬合力4散體結(jié)構(gòu)各種巖石的構(gòu)造破碎帶及強(qiáng)烈影響帶、強(qiáng)風(fēng)化破碎帶由碎屑泥質(zhì)物夾大小不規(guī)則的巖塊組成，軟弱結(jié)構(gòu)面發(fā)育成網(wǎng)。kv0.1邊坡穩(wěn)定性差，坡角取決于巖體的抗剪強(qiáng)度，滑動(dòng)面呈圓弧狀上述分類方法充分考慮了巖質(zhì)邊坡的性質(zhì)，深入的認(rèn)識(shí)到了巖體結(jié)構(gòu)對(duì)邊坡性質(zhì)的影響。這四種類型均可利用已有的力學(xué)理論進(jìn)

8、行分析。利用剛體平衡理論可分析塊狀結(jié)構(gòu)；利用板柱結(jié)構(gòu)力學(xué)可分析層狀結(jié)構(gòu)；利用土力學(xué)或松散介質(zhì)力學(xué)可分析散體結(jié)構(gòu)；尚無(wú)完善的理論可分析碎裂結(jié)構(gòu)，需進(jìn)一步研究。3. 巖質(zhì)邊坡的破壞模式巖質(zhì)邊坡是很復(fù)雜的地質(zhì)體，它在形成后，受巖體產(chǎn)生的巖石壓力與坡腳、坡形的影響，易產(chǎn)生變形，變形過(guò)大則發(fā)生破壞。影響巖質(zhì)邊坡破壞的因素多種多樣，導(dǎo)致其變形破壞模式也有多種。同一類型的邊坡在不同的影響因素作用下，可能產(chǎn)生一種或多種的破壞模式。起主導(dǎo)作用的影響因素是巖體的結(jié)構(gòu)及地下水。在國(guó)家“八五”科技攻關(guān)研究成果報(bào)告中根據(jù)滑坡形成的模式，建議將滑坡分成崩塌、滑動(dòng)、傾倒、潰屈、側(cè)向擴(kuò)展拉裂、流動(dòng)及復(fù)合型七種。在實(shí)際工程中，

9、常見(jiàn)的破壞模式有滑動(dòng)破壞、傾倒破壞及潰屈破壞8。表2-2 巖質(zhì)邊坡破壞模型破壞模式示意簡(jiǎn)圖特征平面破壞主要結(jié)構(gòu)面的走向、傾向與坡面基本一致，結(jié)構(gòu)面的傾角大于其摩擦角且小于坡角一個(gè)滑動(dòng)平面和一個(gè)塊體一個(gè)滑動(dòng)平面和一條張裂隙若干滑動(dòng)平面和橫節(jié)理一個(gè)主要滑動(dòng)平面和主動(dòng)、被動(dòng)兩個(gè)滑動(dòng)塊體楔形破壞兩組結(jié)構(gòu)面的交線傾向坡面，交線的傾角小于坡角且大于其摩擦角圓弧滑動(dòng)節(jié)理裂隙很發(fā)育的破碎巖體發(fā)生旋轉(zhuǎn)破壞傾倒破壞巖體被陡傾結(jié)構(gòu)面分割成一系列巖柱，當(dāng)為軟巖時(shí)，巖柱產(chǎn)生向坡面彎曲，當(dāng)為硬巖時(shí)，巖柱可再被正交節(jié)理切割成巖塊，向坡面傾倒4. 巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性影響因素影響巖質(zhì)邊坡變形破壞的因素可分為自然因素和人為因素兩大類

10、。自然因素包括地質(zhì)條件、水文條件、地形地貌等；人為因素則包括人類工程建設(shè)、人類的生活方式和人類對(duì)邊坡變形破壞的認(rèn)識(shí)程度。自然因素對(duì)邊坡變形破壞起控制作用，人為因素則起促進(jìn)作用。4.4.1 地形地貌巖質(zhì)邊坡發(fā)生破壞的基本條件是有一定的坡度。邊坡坡度與邊坡破壞模型之間有一定的關(guān)系。據(jù)統(tǒng)計(jì)，從35o坡度開(kāi)始，滑坡的數(shù)量急劇增加，占滑坡數(shù)的94.35%。坡度大于40o的邊坡滑坡最常見(jiàn)，占總滑坡數(shù)量的83.03%。坡度大于55o發(fā)生的邊坡破壞，一般為崩塌，典型的滑坡不多。4.2 地質(zhì)條件在地形地貌條件具備的前提下，地質(zhì)條件則是另一個(gè)重要的因素。巖質(zhì)邊坡的破壞（滑坡、崩塌、剝落）與地質(zhì)構(gòu)造有重要的關(guān)系：（

11、1） 邊坡破壞與地質(zhì)構(gòu)造的關(guān)系 地質(zhì)構(gòu)造有褶皺和斷裂兩大類型，而與邊坡破壞關(guān)系密切的主要是斷裂構(gòu)造。受構(gòu)造應(yīng)力及地應(yīng)力作用，斷裂帶及其附近區(qū)域容易發(fā)生破裂，并擠壓巖體，導(dǎo)致巖體裂隙具有膠結(jié)性差、張啟性好、力學(xué)性能低等特點(diǎn)，變得十分破碎，局部成粉末狀。在各種風(fēng)化營(yíng)力作用下，巖層風(fēng)化帶及殘積土層不斷增厚，可達(dá)數(shù)米至數(shù)十米。由于斷裂構(gòu)造巖體的力學(xué)性能顯著降低，使得斷層破碎帶及其附近區(qū)域易發(fā)生滑坡、崩塌、剝落等邊坡破壞。（2） 邊坡破壞與巖層傾向邊坡坡向的關(guān)系 邊坡巖層傾向與坡向的關(guān)系對(duì)邊坡穩(wěn)定性有重要的影響。從易到難，發(fā)生邊坡失穩(wěn)破壞的坡型分別為：順向坡、斜交坡、逆向坡、直交坡、平疊坡。其中順向坡、

12、斜交坡發(fā)生邊坡破壞分別占37.3%、33.7%。從易到難，發(fā)生滑坡的坡型分別為：順向坡、斜交坡、直交坡、逆向坡、平疊坡；發(fā)生崩塌或剝落破壞的坡型則為：斜交坡、順向坡、逆向坡、直交坡、平疊坡。（3） 邊坡破壞與地層巖性的關(guān)系 地層巖體是邊坡變形破壞的物質(zhì)基礎(chǔ)。只有在一定的地層巖性條件下才能發(fā)生邊坡破壞?；轮饕植加谀鄮r、第四系坡殘積碎石土中，在粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖、細(xì)砂巖與泥巖互層也有少量分布。崩塌主要發(fā)生于泥巖、粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖中，少量分布于細(xì)砂巖與泥巖互層、碎石土中。剝落主要分布于粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖、細(xì)砂巖與泥巖互層、泥巖、泥質(zhì)粉細(xì)砂巖中，少量分布于泥質(zhì)細(xì)砂巖及碎石土中。4.3

13、 水文條件 幾乎所有的邊坡失穩(wěn)破壞均與水有關(guān)，邊坡中的水有地表水、地下水、大氣降雨及泄洪雨霧等。大氣降雨能增加巖體重度，從而增大坡體下滑力；水對(duì)巖石的細(xì)粒(尤其是粘、粉粒)部分有軟化和泥化作用，降低巖體和結(jié)構(gòu)面的強(qiáng)度；巖體內(nèi)的水能增加孔隙水壓力，使有效應(yīng)力下降，從而降低巖體的抗剪強(qiáng)度；由于地下水的滲流作用，對(duì)邊坡體產(chǎn)生動(dòng)水壓力，容易誘發(fā)邊坡變形破壞；地表水對(duì)邊坡體沖刷，導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)；地表水對(duì)岸坡的侵蝕，導(dǎo)致岸坡失去側(cè)向或底部支撐，誘發(fā)邊坡變形破壞。4.4 風(fēng)化作用風(fēng)化作用改變了巖體的完整性，使巖土的抗剪強(qiáng)度降低。邊坡巖體在風(fēng)化營(yíng)力作用下，巖石裂隙擴(kuò)展并相互貫通，同時(shí)產(chǎn)生新的裂隙；并且透水性增加

14、，使地面水易于浸入，巖石原有礦物和化學(xué)成分發(fā)生變化。風(fēng)化作用不僅改變了巖石的物理及化學(xué)性質(zhì)，而且使得巖石顆粒間的聯(lián)接受到破壞，降低結(jié)構(gòu)面的粗糙度。促使巖體的力學(xué)性能逐漸降低，降低邊坡的穩(wěn)定性。4.5 地震作用地震對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響極大。地震的橫波傳至地表引起周期性振動(dòng)，所釋放的能量很大，破壞力較大；地震的縱波在地表引起上下振動(dòng)，破壞力較小。在地震的作用下，首先使邊坡巖體的結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞或變化，出現(xiàn)新結(jié)構(gòu)面，或使原有結(jié)構(gòu)面張裂、松弛，地下水狀態(tài)也有較大變化。因地震造成邊坡失穩(wěn)有很多實(shí)例，如汶川地震期間就有許多邊坡失穩(wěn)。從邊坡地震失穩(wěn)機(jī)理的角度出發(fā)，邊坡地震失穩(wěn)可以分成慣性失穩(wěn)和弱化失穩(wěn)兩類9。4.

15、6 人類活動(dòng)自然邊坡是在各種地質(zhì)構(gòu)造及外部營(yíng)力漫長(zhǎng)的作用下形成的處于動(dòng)態(tài)平衡的地質(zhì)體。人類工程活動(dòng)改變了邊坡的應(yīng)力分布，打破了原有的平衡狀態(tài)，使得邊坡產(chǎn)生變形破壞。邊坡變形破壞的程度與人類工程活動(dòng)的規(guī)模成正比。開(kāi)挖邊坡產(chǎn)生新的臨空面，使邊坡巖體卸荷回彈，導(dǎo)致巖體應(yīng)力松弛，使得邊坡體應(yīng)力重分布，破壞了邊坡原有的平衡狀態(tài)。爆破產(chǎn)生的沖擊應(yīng)力對(duì)邊坡產(chǎn)生沖擊和剪切作用，使巖體中原有的節(jié)理、裂隙產(chǎn)生張開(kāi)作用，并產(chǎn)生新的裂隙，使巖體產(chǎn)生松動(dòng)，破壞其原有的完整性，造成邊坡巖體強(qiáng)度衰減，導(dǎo)致邊坡穩(wěn)定性的降低。當(dāng)這種變化在允許范圍內(nèi)時(shí)，邊坡仍處于穩(wěn)定狀態(tài)，即達(dá)到另一動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)。若這種變化超過(guò)了邊坡的承受能力，

16、將導(dǎo)致邊坡發(fā)生失穩(wěn)破壞。 坡頂加載一方面增加了坡體的自重和下滑力，而滑動(dòng)面的抗滑力卻沒(méi)有成比例的得到加強(qiáng)；另一方面增大了坡腳剪應(yīng)力集中程度和坡頂張應(yīng)力。因此坡頂加載降低了邊坡的穩(wěn)定性。地下工程（隧道、采礦、國(guó)防）的開(kāi)挖加速了邊坡的變形，導(dǎo)致邊坡穩(wěn)定性降低。4.7 其他因素 除上述因素外，氣候條件、植物生長(zhǎng)、動(dòng)容作用等都可能影響邊坡的穩(wěn)定狀況。冰凍不僅加速表層巖體的分化剝落，而且海水裂隙因冰層膨脹而張開(kāi)；植物的生長(zhǎng)也直接影響邊坡的穩(wěn)定性；植物根系可吸收部分地下水，有助于保持邊坡的干燥；在巖石裂隙中樹(shù)根的生長(zhǎng)，有時(shí)是邊坡局部坍塌的起因。5. 巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析5.1 巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性研究概述巖質(zhì)邊坡

17、穩(wěn)定性研究是巖土工程領(lǐng)域一大主要課題之一。邊坡穩(wěn)定性分析的目的就是根據(jù)邊坡的自然特點(diǎn)，考慮工程工程荷載的作用，來(lái)研究邊坡的穩(wěn)定狀況，預(yù)測(cè)可能詩(shī)文邊坡在失穩(wěn)后的危害程度，據(jù)以采取經(jīng)濟(jì)、合理及有效地防治措施。作為巖體力學(xué)的一個(gè)重要組成部分，其出現(xiàn)和發(fā)展與人類工程活動(dòng)的迫切需要和有關(guān)學(xué)科的迅速發(fā)展緊密相關(guān)。巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析分為兩步：一是計(jì)算給定滑動(dòng)面的安全系數(shù)，二是搜索最危險(xiǎn)（安全系數(shù)最低）滑動(dòng)面。（1） 邊坡穩(wěn)定性分析方法巖質(zhì)邊坡是非常復(fù)雜的結(jié)構(gòu)體，其潛在的破壞面往往具有不確定性。因此，在分析邊坡穩(wěn)定性時(shí)，要求同時(shí)進(jìn)行定性的地質(zhì)評(píng)價(jià)和定量（半定量）的分析。定性的地質(zhì)分析能對(duì)邊坡穩(wěn)定性直接做出評(píng)價(jià)

18、。此外，地量（半定量）分析時(shí)，定性分析也建立力學(xué)模型提供依據(jù)。定性分析法主要有歷史成因分析法、工程地質(zhì)類比法、圖解法、邊坡穩(wěn)定專家系統(tǒng)等，定量分析法主要包括極限平衡法、塑性極限分析法和數(shù)值分析法。非確定分析方法主要有可靠度方法、模糊數(shù)學(xué)法、人工智能法、 灰色預(yù)測(cè)系統(tǒng)法及人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等。（2） 臨界滑動(dòng)面的搜索邊坡穩(wěn)定性分析研究中的另一個(gè)非常重要的步驟就是臨界滑動(dòng)面的搜索。邊坡穩(wěn)定性分析的實(shí)質(zhì)就是臨界滑動(dòng)面的計(jì)算分析。極限平衡分析法是建立在預(yù)先假定滑動(dòng)面的基礎(chǔ)上的，但是實(shí)際邊坡的臨界滑動(dòng)面是未知的。因此，為搜索臨界滑動(dòng)面的位置，就需要假設(shè)許多滑動(dòng)，并求出每種情況的安全系數(shù)，求得最先安全系數(shù)的滑

19、動(dòng)面即為臨界滑動(dòng)面。臨界滑動(dòng)面的搜索是邊坡穩(wěn)定性分析的關(guān)鍵步驟，合理的分析邊坡穩(wěn)定性的前提條件是能夠正確的搜索出臨界滑動(dòng)面。臨界滑動(dòng)面的搜索方法主要有枚舉法、數(shù)學(xué)規(guī)劃法、隨機(jī)搜索法及非數(shù)值方法等。5.2 定性分析方法5.2.1 歷史成因分析法歷史成因分析法是根據(jù)邊坡發(fā)育的地質(zhì)環(huán)境、水文地質(zhì)條件、邊坡發(fā)育歷史中的各種變形破壞跡象及其基本規(guī)律和穩(wěn)定性影響因素等的綜合分析，追溯邊坡演變的全過(guò)程，對(duì)邊坡穩(wěn)定性的總體狀況、趨勢(shì)和區(qū)域性特征作出定性評(píng)價(jià)和預(yù)測(cè)，對(duì)己發(fā)生滑坡的邊坡，判斷其是否能復(fù)活或轉(zhuǎn)化10-13。因此，歷史成因分析方法主要是依靠經(jīng)驗(yàn)定性的分析邊坡的穩(wěn)定性，該方法主要適用于天然斜坡的穩(wěn)定性分

20、析中。歷史成因分析法是其它分析方法的基礎(chǔ)，主要包括以下三方面的研究?jī)?nèi)容：（1） 區(qū)域地質(zhì)背景研究。通過(guò)分析區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造、底層巖性分布、地形地貌、近期地殼運(yùn)動(dòng)規(guī)律（地殼運(yùn)動(dòng)形式、地應(yīng)力狀態(tài)、有無(wú)活斷層分布及其特征等）和邊坡變形破壞的分布特征等，建立邊坡失穩(wěn)破壞與區(qū)域地質(zhì)背景的關(guān)系。（2） 演變因素分析。分析促使邊坡演變的主導(dǎo)隱私和促發(fā)因素，如氣候條件、水文條件。（3） 發(fā)展趨勢(shì)預(yù)測(cè)。通過(guò)邊坡地質(zhì)結(jié)構(gòu)、外形、變形破壞行跡或必要的檢測(cè)手段，預(yù)測(cè)邊坡所處的演化階段和發(fā)展趨勢(shì)、可能的破壞方式。5.2.2 工程地質(zhì)類比法 工程地質(zhì)類比法就是將所要研究的天然邊坡或人工邊坡與已經(jīng)研究過(guò)的天然邊坡或人工邊坡進(jìn)行

21、類比分析，以評(píng)價(jià)其穩(wěn)定性及其可能的變形破壞方式，并確定其極限坡角、計(jì)算參數(shù)的取值、邊坡的治理措施等。該方法具有經(jīng)驗(yàn)性和地區(qū)性的特點(diǎn)，類比時(shí)應(yīng)全面分析已研究邊坡和待研究邊坡之間的工程地質(zhì)條件和影響斜坡穩(wěn)定性的各種因素的相似性和差異性。同時(shí)，還應(yīng)考慮工程的類型、規(guī)模和對(duì)邊坡的特殊要求等。該方法只適用于工程地質(zhì)條件較簡(jiǎn)單的中小型邊坡，且只是用于相似程度較高的邊坡。5.2.3 圖解法圖解法包括赤平極射投影法、實(shí)體比例投影法與摩擦圓等方法。圖解法用于巖質(zhì)高邊坡的穩(wěn)定性分析，可快速、直觀地分辨出控制高邊坡穩(wěn)定性的主要和次要結(jié)構(gòu)面，確定出高邊坡結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定類型，判定不穩(wěn)定塊體的形狀、規(guī)模及滑動(dòng)方向。對(duì)用圖解法

22、判定為不穩(wěn)定的巖質(zhì)高邊坡，需進(jìn)一步用計(jì)算加以驗(yàn)證14。赤平極射投影法最早應(yīng)用于天文學(xué)，用于表示星體在太空中的位置和他們之間的角度及距離。上世紀(jì)八十年代，該方法開(kāi)始應(yīng)用于工程地質(zhì)中的巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析中。赤平極射投影是表示物體的幾何要素(點(diǎn)、線、面)、空間方位和角度關(guān)系的平面投影，是將物體在三維空間的幾何要素表示在平面上的一種投影方法。該方法只表示出物體的線和面的產(chǎn)狀及角度關(guān)系；不能表示其具體位置、面積大小、線段的絕對(duì)長(zhǎng)度及點(diǎn)之間的絕對(duì)距離。如圖5-1所示,球面座標(biāo)系下xoy平面為赤道平面(簡(jiǎn)稱赤平面),k點(diǎn)為投影球的極點(diǎn)，ok垂直于xoy平面。赤平面與投影球的交線稱為基圓。連接球面上任意一點(diǎn)p

23、與球面極點(diǎn)k，交赤平面于p，點(diǎn)，則p，點(diǎn)即為p點(diǎn)在赤平面上的赤平極射投影。這種投影方法叫做赤平極射投影法，是一種等角變換。圖5-1 赤平極射投影法簡(jiǎn)圖赤平極射投影法可表示邊坡上的結(jié)構(gòu)面、坡面的空間組合關(guān)系，還可確定邊坡上可能不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)體的幾何形狀、規(guī)模大小以、空間位置和分布及其可能變形位移的方向。分析邊坡穩(wěn)定性條件，據(jù)以對(duì)邊坡的穩(wěn)定性作出評(píng)價(jià)。若已知結(jié)構(gòu)面的力學(xué)參數(shù)（c，值）和邊坡荷載，則能定量的對(duì)邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算，求出其安全系數(shù)，這是目前巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析最常用的方法。5.2.4 滑坡穩(wěn)定性分析數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)和專家系統(tǒng)滑坡工程數(shù)據(jù)庫(kù)是一種計(jì)算軟件，其收集了己有的許多滑坡分析實(shí)例，并按照一定的格

24、式，把各個(gè)滑坡工程實(shí)例的發(fā)育地點(diǎn)、地質(zhì)特征(工程地質(zhì)圖、鉆孔柱狀圖、巖體力學(xué)參數(shù)等)、變形破壞影響因素、形式、過(guò)程、加固設(shè)計(jì)，以及滑坡的坡形、坡高、坡角等收集起來(lái)，并有機(jī)地組織在一起。其實(shí)質(zhì)就是一個(gè)邊坡工程知識(shí)庫(kù)，用于邊坡穩(wěn)定性分析評(píng)價(jià)。該方法可根據(jù)不同設(shè)計(jì)階段的要求和相關(guān)的類比依據(jù)，方便快捷地從中查得相似程度最高的實(shí)例進(jìn)行類比分析。達(dá)到簡(jiǎn)便、有效、經(jīng)濟(jì)適用的目的14。5.3 定量分析方法定量分析方法是應(yīng)用土力學(xué)和巖體力學(xué)的理論和方法，結(jié)合經(jīng)典的數(shù)學(xué)物理方法，計(jì)算邊坡的安全系數(shù)，或應(yīng)用計(jì)算機(jī)分析邊坡體的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)，據(jù)此對(duì)邊坡的穩(wěn)定性做出評(píng)價(jià)。常用的定量分析方法有極限平衡分析法、應(yīng)力應(yīng)變法等。

25、5.3.1 極限平衡分析法極限平衡分析法是目前國(guó)內(nèi)外仍應(yīng)用廣泛的經(jīng)典力學(xué)方法。該方法將邊坡穩(wěn)定性問(wèn)題簡(jiǎn)化為剛體平衡問(wèn)題來(lái)分析，通過(guò)對(duì)滑動(dòng)面引入摩爾-庫(kù)倫強(qiáng)度準(zhǔn)則，對(duì)潛在滑動(dòng)體進(jìn)行受力分析，從而解除滑體的安全系數(shù)，即滑動(dòng)面上抗滑力與下滑力的比值。該方法只能分析出邊坡的安全系數(shù)，而不能求解出坡體內(nèi)給點(diǎn)的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)。該方法計(jì)算簡(jiǎn)便，在工程領(lǐng)域積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，并可參考相關(guān)的安全系數(shù)取值規(guī)范。因此，該方法在工程實(shí)踐中得到廣泛應(yīng)用。極限平衡方法分析步驟含以下三步：（1）潛在滑動(dòng)體體型分析。依據(jù)地質(zhì)勘查資料，分析潛在滑體的滑動(dòng)面、切割面臨空面等邊界條件，從而確定潛在滑體的體型。一般將滑動(dòng)面簡(jiǎn)化成平面、折

26、面及圓弧面。當(dāng)?shù)刭|(zhì)條件復(fù)雜時(shí)，應(yīng)擬定多種潛在滑體體型分析。（2）潛在滑動(dòng)體受力條件分析。潛在滑動(dòng)體體型確定后，分別分析確定其所受重力、工程荷載、地應(yīng)力、振動(dòng)力、孔隙水壓力及動(dòng)水壓力等，從而對(duì)其進(jìn)行受力分析。（3）確定計(jì)算參數(shù)。計(jì)算參數(shù)主要有滑動(dòng)面的粘聚力c及內(nèi)摩擦角值、地下水位線、巖體容重及潛在滑動(dòng)體幾何形態(tài)參數(shù)等。這些參數(shù)可有試驗(yàn)方法或經(jīng)驗(yàn)類比法確定。極限平衡法雖然應(yīng)用簡(jiǎn)便，但仍存在許多缺點(diǎn)。邊坡穩(wěn)定性分析是在假定滑動(dòng)面的前提下，根據(jù)靜力平衡條件求出的，但這并未考慮邊坡的材料本構(gòu)關(guān)系及變形協(xié)調(diào)條件，所以該方法不能求解坡體內(nèi)各點(diǎn)的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)，并且計(jì)算精度低。由于依據(jù)靜力平衡條件建立的平衡方程

27、數(shù)少于方程未知量個(gè)數(shù)，因此必須引入邊界條件方可完全解答。該方法一般適用于應(yīng)力水平較低或地質(zhì)條件簡(jiǎn)單或具體有軟弱結(jié)構(gòu)面的邊坡。此外，該方法并未能考慮邊坡變形、施工開(kāi)挖、堆載等工程活動(dòng)的影響。常見(jiàn)的極限平衡分析法有:瑞典圓弧條分法、簡(jiǎn)化畢肖普法、簡(jiǎn)布法、薩爾瑪法、斯賓塞法、摩根斯坦-普賴斯法、楔體極限平衡分析法等等15。表5-1 極限平衡分析法及其特點(diǎn)分析方法假設(shè)條件力 學(xué) 分析適用范圍及特點(diǎn)瑞典條分法1、滑動(dòng)面為圓弧2、不考慮條間作用力整體力矩平衡1、圓弧滑面滑坡2、垂直條分滑體3、計(jì)算簡(jiǎn)單，穩(wěn)定系數(shù)偏小4、只適于簡(jiǎn)單均質(zhì)土坡bishop法1、可為任意形狀的滑面2、不考慮條間垂向作用力1、整體力

28、矩平衡與靜力平衡2、條間垂向作用力為零1、任意形的滑面2、垂直條分滑體3、穩(wěn)定系數(shù)略大4、一般適于土坡分塊極限平衡法1、滑動(dòng)面為不規(guī)則形狀2、滑面與分塊界面同時(shí)達(dá)到極限狀態(tài)1、分塊力矩平衡2、分塊力平衡1、很適于折線滑動(dòng)面2、計(jì)算復(fù)雜，穩(wěn)定系數(shù)偏大3、垂直分條，適于土坡janbu法1、滑動(dòng)面為不規(guī)則形狀2、條間水平與垂直分力有一定的函數(shù)關(guān)系3、條間作用力作用位置在力滑動(dòng)面協(xié)處1、分塊力矩平衡2、分塊力平衡3、考慮條間作用力1、垂直條分滑體2、用于復(fù)合滑坡3、可適于非均質(zhì)土坡4、k值介于bishop法與分塊極限平衡法之間的解答sarma法1、滑面與側(cè)面都達(dá)到極限狀態(tài)2、滑體作用有臨界水平加速度分

29、塊力平衡1、可為任意條分塊體2、適于任何形狀滑面滑坡3、適于巖質(zhì)滑坡或土滑坡楔形法1、受結(jié)構(gòu)面或軟弱面控制形成的空間楔形滑動(dòng)整體力平衡適于巖質(zhì)楔形滑坡或土滑坡傳遞系數(shù)法(不平衡推力法)1、條間作用力合力方向與滑面傾角一致2、條間作用力合力為負(fù)值則記傳遞的分塊作用力為零1、各分塊力平衡2、考慮了分條面上的剪力1.任何形狀滑面滑坡2.垂直條分塊體3.巖質(zhì)滑坡或土滑坡4.滑動(dòng)面傾角不宜過(guò)陡5.3.1.1 平面滑動(dòng)巖質(zhì)邊坡平面滑動(dòng)破壞含坡頂無(wú)張拉裂縫和坡頂有張拉裂縫兩種情況，大多數(shù)邊坡發(fā)生平面破壞前，均會(huì)出現(xiàn)張拉裂縫。平面滑動(dòng)又可分為單滑面破壞和多滑面破壞兩種類型。根據(jù)極限平衡原理，沿邊坡走向取單位長(zhǎng)

30、度對(duì)滑體進(jìn)行受力分析，從而可求的邊坡的安全系數(shù)。（1） 單滑面破壞單滑面破壞計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖3-2所示，則邊坡安全系數(shù)fs表達(dá)式：圖5-2 邊坡單滑面破壞計(jì)算簡(jiǎn)圖 （5-1）式中：邊坡安全系數(shù)c滑動(dòng)面粘聚力滑動(dòng)面內(nèi)摩擦角滑體自重滑動(dòng)面長(zhǎng)度滑動(dòng)面所受孔隙水壓力張拉裂縫中的水壓力邊坡坡角滑動(dòng)面傾角（2） 多滑面破壞以雙滑面破壞為例進(jìn)行分析，雙滑面破壞計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖5-3所示，由余推力法可求的邊坡安全系數(shù)表達(dá)式：圖5-3 雙滑面破壞計(jì)算簡(jiǎn)圖 （5-2）式中：、滑塊1和滑塊2滑面上的粘聚力、滑塊1和滑塊2滑動(dòng)面上的內(nèi)摩擦角、滑塊1和滑塊2的自重；、滑塊1和滑塊2的滑動(dòng)面長(zhǎng)度、滑塊和滑塊2所說(shuō)孔隙水壓力、滑塊

31、1和滑塊2的滑面傾角5.3.1.2 弧面滑動(dòng)當(dāng)邊坡巖體節(jié)理裂隙極為發(fā)育，被切割巖塊粒徑相對(duì)于變形邊坡規(guī)模顯得極小時(shí)，可能出現(xiàn)圓弧形滑動(dòng)破壞。此時(shí)可視邊坡巖體為松散體，采用土質(zhì)邊坡圓弧形滑動(dòng)穩(wěn)定性計(jì)算方法。（1） 瑞典條分法瑞典條分法，是將邊坡滑動(dòng)面以上的巖土體分成n個(gè)垂直土條，對(duì)作用于各土條上的力進(jìn)行靜力平衡分析，從而求出邊坡的安全系數(shù)。該方法未考慮土條之間的相互作用力，因此是最簡(jiǎn)單的一種條分法。如圖5-4所示，瑞典條分法計(jì)算簡(jiǎn)圖。則可求的邊坡安全系數(shù)的表達(dá)式：圖5-4 瑞典條分法計(jì)算簡(jiǎn)圖 （5-3）式中：c巖土體粘聚力巖土體內(nèi)摩擦角第i條塊自重第i條塊滑面上的水壓力第i條塊滑面傾角（2） b

32、ishop法1） 基本假定和計(jì)算公式瑞典條分法未考慮土條之間的作用力，所以與實(shí)際存在差異，bishop法考慮了土條間的作用力。該方法的計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖3-5所示。設(shè)ab為滑裂圓弧面，土條高度為hi，寬bi，自重wi，ei和xi分別為土條之間的法向作用力和切向作用力，qi為土條所受水平作用力，土條底面的所受總法向力及切向力分別為ni、ti，ei為qi作用點(diǎn)至圓心的垂直距離，xi為土條中心至圓心的距離，土條底面坡腳為。圖5-5 bishop法計(jì)算簡(jiǎn)圖對(duì)第i個(gè)土條進(jìn)行受力分析，有由豎向力平衡條件得： （5-4）從而得 （5-5）將，代入上式得： （5-6）代入（5-5）式，得： （5-7） 對(duì)土條取關(guān)于

33、圓心的力矩平衡得： (5-8) 將式（5-6）代入上式，得： （5-9）式中： （5-10）式（5-9）中含、三個(gè)未知量，要解出，需再做一些簡(jiǎn)化。bishop法假定土條之間的切向作用力和忽略不計(jì)，即土條之間合力為水平力。從而，（5-9）式可簡(jiǎn)化為： （5-11）2） 穩(wěn)定計(jì)算方法上式就是bishop法安全系數(shù)計(jì)算公式。應(yīng)用該式時(shí)，公式右邊含關(guān)于的參數(shù)，因此通常采用迭代計(jì)算法計(jì)算安全系數(shù)。具體計(jì)算步驟：先假定=1（或其他值），再求出，再代入式（5-11）得到新的，再由此計(jì)算新的，如此循環(huán)迭代計(jì)算。因?yàn)榫哂惺諗啃?，?dāng)循環(huán)次數(shù)達(dá)到一定時(shí)， 就能達(dá)到較高精度，一般迭代3-4次即可滿足精度要求。3） 注

34、意問(wèn)題上述推到過(guò)程是建立在圓弧形滑動(dòng)破壞的基礎(chǔ)上的，但bishop法適用于任何形狀的滑動(dòng)破壞。當(dāng)滑面傾向與滑動(dòng)方向一致時(shí)，取正值，反之則為負(fù)。當(dāng)為負(fù)是，由式（5-10）可知，趨近于無(wú)窮大，從而得到趨近于無(wú)窮，顯然，這是不對(duì)的。所以，該方法只適用于土條滑面傾向與滑動(dòng)方向一致的情況。同時(shí)，bishop法不適用于大于5的情況。（3） 傳遞系數(shù)法bishop法未考慮土條之間的切向作用力，是其適用范圍及計(jì)算精度受到限制。為避免以上缺陷，常對(duì)bishop進(jìn)行修正，即考慮土條之間的切向作用力。如圖3-6所示，第土條的受力示意圖，假定第塊土條傳給第塊土條的合力平行于第塊土條的滑面。圖5-6 傳遞系數(shù)法計(jì)算簡(jiǎn)圖

35、由各作用力在滑面上投影的平衡條件，得： （5-12）式中： （5-13） 式（5-13）中第一項(xiàng)為土條的下滑力，第二項(xiàng)為土條的抗滑力，第三項(xiàng)為上一土條傳下來(lái)的不平衡滑力，為傳遞系數(shù)。利用式（5-12）計(jì)算時(shí)，先假定一個(gè)值，從邊坡坡頂?shù)狡履_依次計(jì)算上一土條作用在下一土條上的不平衡下滑力。若恰好等于0，則所設(shè)的即為所求得安全系數(shù)。若不等于0，則再重新設(shè)定值，并重新計(jì)算，直至滿足為0為止。為使計(jì)算簡(jiǎn)便，可同時(shí)假設(shè)三個(gè)值計(jì)算，求出對(duì)應(yīng)的三個(gè)值，作出的關(guān)系曲線，從曲線上找出與相對(duì)應(yīng)的值，該值即為所求安全系數(shù)。在工程單位一般采用如下簡(jiǎn)便計(jì)算方法，任意土條的不平衡下滑力計(jì)算公式：從而，式（5-12）可改寫(xiě)為

36、： （5-14）式中， （5-15）求解的條件仍是。式（5-15）中不含未知量，故利用式（5-17）僅需一次即可求出安全系數(shù)。不僅其計(jì)算結(jié)果與上述迭代試算方法近似相等，而且計(jì)算得到很大的簡(jiǎn)化。5.3.1.3 sarma法巖質(zhì)邊坡的失穩(wěn)大都是沿各種軟弱結(jié)構(gòu)面發(fā)生?；w在滑動(dòng)過(guò)程中側(cè)向節(jié)理面也發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)，而且側(cè)向(豎向)節(jié)理而并不總是垂直的，就象傳統(tǒng)條分法那樣。這時(shí)應(yīng)用傳統(tǒng)條分法已不再適用，sarma博士針對(duì)節(jié)理巖體邊坡失穩(wěn)這一特點(diǎn)，提出并推導(dǎo)了適應(yīng)這種特點(diǎn)的sarma分析計(jì)算方法。該方法在傳統(tǒng)極限平衡分析法的基礎(chǔ)上，根據(jù)塑性力學(xué)的上限原理，采用有效應(yīng)力強(qiáng)度指標(biāo)，可計(jì)算任意破壞類型的坡體處于極限

37、平衡狀態(tài)的臨界加速度，也可計(jì)算邊坡的安全系數(shù)。該方法具有以下三個(gè)特點(diǎn)16:（1）可根據(jù)滑體的地質(zhì)特性，結(jié)構(gòu)面構(gòu)造，對(duì)滑體進(jìn)行按節(jié)理構(gòu)造的的斜分條及不等距分條，使各條塊盡量模擬實(shí)際風(fēng)化巖體（2）可較詳盡的模擬側(cè)面節(jié)理、斷層造成的滑體強(qiáng)度特點(diǎn)。（3）滑體滑動(dòng)時(shí)，不僅滑動(dòng)面上的各種力達(dá)到了極限平衡，側(cè)面也達(dá)到了極限平衡。sarma法的分析原理與計(jì)算格式可參見(jiàn)式(3-16)及圖3-7，式中各符號(hào)意義見(jiàn)圖3-7。圖5-7 sarma法計(jì)算簡(jiǎn)圖（a）力學(xué)模型（b）幾何模型-第條塊重量；-由于地震水平加速度所產(chǎn)生的在第條塊重心的水平力；、-作用在第條塊第側(cè)面和第測(cè)面的水壓力；-作用在第條塊底面的水壓力；、-

38、作用在第條塊第側(cè)面和第側(cè)面的正壓力；、-作用在第條塊底面的剪切力；-第條塊頂面坐標(biāo)；似觀鵬)，-第條塊第側(cè)面和第側(cè)面和水位面交點(diǎn)坐標(biāo)；-第條塊底面坐標(biāo); -第條塊第側(cè)面和第側(cè)面長(zhǎng)度；-第條塊底面在水平面上的投影寬度；笫條塊底面與水平面的夾角；-第條塊第側(cè)面和第側(cè)面與垂直面的夾角；-水位面與條塊底面之間的距離。如圖5-7所示，根據(jù)塊體的平衡條件得： （5-16）式中：其中， 為第i條塊地面抗剪強(qiáng)度指標(biāo)；、為第i條塊第i側(cè)面和第i+1側(cè)面抗剪強(qiáng)度指標(biāo)；當(dāng)時(shí)，當(dāng)時(shí)，由邊界條件知：所以，水平地震加速度k可寫(xiě)為 （5-17）最初可假定安全系數(shù)，此時(shí)可得到極限平衡狀態(tài)時(shí)水平地震加速度k，若，則調(diào)整f值且每

39、次都令。，重新計(jì)算式（5-16）中各參數(shù)，再代入式（5-17）可得新的水平地震加速度k,如此循環(huán)迭代計(jì)算，直至，此時(shí)即為無(wú)地震力時(shí)的邊坡安全系數(shù)。sarma法雖然在傳統(tǒng)的極限平衡法的基礎(chǔ)上有較大的改進(jìn)，但其仍有許多應(yīng)用上的缺陷。該法未能考慮巖體內(nèi)的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，且未能求出巖體內(nèi)的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)。此外，對(duì)于巖體中的初始應(yīng)力及非均質(zhì)、非連續(xù)性等問(wèn)題未能作出合理的解決。5.3.2 應(yīng)力應(yīng)變分析法由于現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，邊坡穩(wěn)定性分析方法也得到了巨大的發(fā)展。應(yīng)力應(yīng)變分析法是利用計(jì)算機(jī)龐大的計(jì)算能力，來(lái)求解力學(xué)中的微分方程或多元未知量的線性方程組的方法。應(yīng)力應(yīng)變分析法與極限平衡分析法區(qū)別在于：一般對(duì)

40、滑動(dòng)面形狀事先不做任何假定，而是直接計(jì)算邊坡內(nèi)部巖體各點(diǎn)的應(yīng)力應(yīng)變值，從而分析確定滑面的形式、變形破壞機(jī)制等。應(yīng)力應(yīng)變分析法包括兩種：連續(xù)介質(zhì)的應(yīng)力應(yīng)變分析方法和非連續(xù)介質(zhì)的應(yīng)力應(yīng)變法。前者又可細(xì)分為有限單元法、拉格朗日元及邊界元法法等。這些方法不僅能夠解決邊坡巖體材料的非線性問(wèn)題，而且能處理復(fù)雜的幾何邊界條件和模擬邊坡中的有限條結(jié)構(gòu)面。這些方法理論完善，應(yīng)用成熟，同時(shí)在其他領(lǐng)域也得到廣泛應(yīng)用。邊坡巖體是包含許多斷層節(jié)理等軟弱結(jié)構(gòu)面的非均質(zhì)材料，因此連續(xù)介質(zhì)的應(yīng)力應(yīng)變法不能完善的解決該問(wèn)題，從而就出現(xiàn)了非連續(xù)介質(zhì)的應(yīng)力應(yīng)變分析法。該方法包括dda 、離散元、界面元、流形元等，這些方法不但能夠應(yīng)

41、用連續(xù)介質(zhì)，而且還可以處理非連續(xù)介質(zhì)和大變形問(wèn)題，從而能夠較真實(shí)的模擬邊坡加載破壞全過(guò)程的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)。常見(jiàn)的應(yīng)力應(yīng)變分析方法的主要特點(diǎn)如表5-2所示。表5-2 應(yīng)力應(yīng)變分析方法的主要特點(diǎn)分析方法運(yùn)行機(jī)制適用范圍優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)有限元法(fem)離散巖土介質(zhì)為多個(gè)單元，荷載移植于節(jié)點(diǎn)，插值函數(shù)考慮連續(xù)條件，采用矩陣位移法或力學(xué)求解巖土介質(zhì)應(yīng)力場(chǎng)和位移場(chǎng)可以用來(lái)求解彈性、彈塑性、粘彈塑性、粘塑性等問(wèn)題部分地考慮了非均質(zhì)、不連續(xù)性，可以給出巖上體應(yīng)力、應(yīng)變的大小與分布不能很好地求解大變形和位移不連續(xù)等問(wèn)題;對(duì)于無(wú)限域、應(yīng)力集中問(wèn)題等的求解還不理想。flac法優(yōu)先差分原理考慮巖土體不連續(xù)性、大變形等特點(diǎn)求解

42、速度快計(jì)算便捷，單元網(wǎng)格的畫(huà)分隨意性強(qiáng)離散元法（dem）將區(qū)域離散為單元，但單元節(jié)點(diǎn)可以離，單元間的作用力可由力與位移的關(guān)系求出，個(gè)別單元的運(yùn)動(dòng)由牛頓運(yùn)動(dòng)定理確定對(duì)塊狀、層狀破裂或一般碎裂結(jié)構(gòu)巖體比較適合動(dòng)態(tài)性，考慮了巖體的非均質(zhì)、不連續(xù)和大變形等特點(diǎn)，允許塊體間發(fā)生平動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)甚至相互脫離，可形象反映應(yīng)力場(chǎng)、速度、位移等力學(xué)參數(shù)的全程變化塊體理論(bt)幾何學(xué)原理與解析方法幾何學(xué)特征，利用拓?fù)鋵W(xué)、群論原理，適用于巖體穩(wěn)定分析只考慮抗剪強(qiáng)度，不計(jì)節(jié)理變形、力矩作用不連續(xù)變形分析(dda)通過(guò)不連續(xù)面間的相互約束建立整個(gè)系統(tǒng)的力學(xué)平衡條件，引入了非連續(xù)接觸和慣性力，采用運(yùn)動(dòng)學(xué)原理解決非連續(xù)的動(dòng)力與靜

43、力問(wèn)題考慮了變形的不連續(xù)性，可以計(jì)算靜力、動(dòng)力問(wèn)題，可以計(jì)算巖體破壞前小變形及破壞后大位移問(wèn)題網(wǎng)格的劃分比較復(fù)雜，耗用大量的計(jì)算機(jī)內(nèi)存及計(jì)算時(shí)間。無(wú)界元法采用了一種特殊的形函數(shù)及位移插值函數(shù)，能反映在無(wú)窮遠(yuǎn)處的邊界條件近年來(lái)己比較廣泛地應(yīng)用于非線性問(wèn)題、動(dòng)力問(wèn)題、不連續(xù)問(wèn)題等的求解，是有限元方法的推廣能有效解決有限元的“邊界效應(yīng)片及人為確定邊界的缺點(diǎn)，在動(dòng)力問(wèn)題中尤為突出一般要與其它方法如有限元聯(lián)合使用5.3.2.1 有限單元法有限單元法的基本思想最早是在四十年代提出的，由于六七十年代計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，有限單元法也得到了迅猛的發(fā)展，成為至今工程界及科學(xué)界廣為應(yīng)用的以種數(shù)值分析方法。該方法能分析

44、各種場(chǎng)域問(wèn)題，如力學(xué)、電磁學(xué)及熱傳導(dǎo)學(xué)等，使得以前許多無(wú)法解決的各種問(wèn)題得到了合理的處理。此外，該方法還能較真實(shí)的模擬許多模型試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)大型原位試驗(yàn)，為科學(xué)實(shí)驗(yàn)及工程實(shí)踐帶來(lái)了極大的便利。由于極限平衡法是將巖土體看成剛體，并對(duì)其進(jìn)行受力分析，從而推算出邊坡的穩(wěn)定性，計(jì)算滑面的安全系數(shù)。該方法未考慮巖土體的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，因此，不能分析巖土體內(nèi)部的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)。大量工程實(shí)踐證明，邊坡的穩(wěn)定性與其變形有著非常密切的聯(lián)系，邊坡失穩(wěn)破壞是其變形由量變到質(zhì)變的過(guò)程。最初只是在邊坡巖土體中的薄弱位置出現(xiàn)滑裂面，隨后滑裂面不斷發(fā)展，并相互貫通，從而形成整個(gè)大的滑裂面，這進(jìn)一步加速了邊坡坡體的變形，當(dāng)變形達(dá)到一

45、定程度時(shí)，邊坡便發(fā)生失穩(wěn)破壞。有限單元法解決了極限平衡法的上述缺陷，可較真實(shí)合理的分析邊坡巖土體內(nèi)部的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)，同時(shí)可模擬出邊坡的變形情況和破壞過(guò)程。(1) 有限單元法的計(jì)算步驟有限單元法的基本思路是對(duì)研究對(duì)象離散化，將其分割為有限個(gè)子單元，單元之間通過(guò)結(jié)點(diǎn)連接，從而將整體分析轉(zhuǎn)化為單元分析。單元分析時(shí)，單元內(nèi)部的待求量可由單元結(jié)點(diǎn)量通過(guò)選定的函數(shù)關(guān)系插值求得，并由平衡關(guān)系或能量關(guān)系建立結(jié)點(diǎn)量之間的方程。再進(jìn)行整體分析，將單元方程集成，形成總體代數(shù)方程組。引入邊界條件，即可求解方程組。很明顯，單元?jiǎng)澐衷郊?xì)，計(jì)算結(jié)果越精確，但計(jì)算量越大。有限單元法的計(jì)算步驟如下：1）建立離散化有限元計(jì)算模型

46、。將計(jì)算模型分割為有限個(gè)適當(dāng)大小的單元，單元類型可根據(jù)條件選擇，同時(shí)假定單元之間僅通過(guò)結(jié)點(diǎn)連接，并確定位移邊界條件及荷載。2） 單元位移模式分析、單元應(yīng)力及應(yīng)變。位移模式一般選擇為坐標(biāo)的多項(xiàng)式，用矩陣的形式表示： （5-18）式中：形函數(shù)矩陣；單元節(jié)點(diǎn)位移矩陣。根據(jù)幾何方程，對(duì)(5-18)式求偏導(dǎo)，得單元應(yīng)變： （5-19）式中：應(yīng)變矩陣。由物理方程及（5-19）式，可得單元結(jié)點(diǎn)位移與單元結(jié)點(diǎn)應(yīng)力的關(guān)系式： （5-20）3） 單元?jiǎng)偠确治?。根?jù)虛功原理，單元結(jié)點(diǎn)力與單元結(jié)點(diǎn)位移之間的關(guān)系式： （5-21） （5-22）式中：?jiǎn)卧Y(jié)點(diǎn)力；單元?jiǎng)偠染仃?；彈性矩陣?) 形成荷載矩陣。將各單元的體力

47、和面力按靜力等效原則施加到單元結(jié)點(diǎn)上，計(jì)算公式為： （5-23）式中：?jiǎn)卧捏w積力的等效節(jié)點(diǎn)荷載；單元的面力的等效節(jié)點(diǎn)荷載。設(shè)共有k個(gè)單元在某結(jié)點(diǎn)處相連接 ，則該結(jié)點(diǎn)上的外荷載為： （5-24） （5-25）式中：為作用于節(jié)點(diǎn)上的集中力。5) 形成整體平衡方程。將單元結(jié)點(diǎn)力與結(jié)點(diǎn)位移之間的關(guān)系式疊加，得到關(guān)于結(jié)點(diǎn)位移矩陣的線性方程組： （5-26）式中：總體剛度矩陣。6) 屈服準(zhǔn)則。屈服準(zhǔn)則采用比較符合巖石、土壤等顆粒狀材料的drucker-prager屈服準(zhǔn)則： （5-27）式中：i1、j2應(yīng)力張量和應(yīng)力偏量的第一、二不變量；、材料常數(shù)；巖石的粘聚力及摩擦角。破壞單元需進(jìn)行應(yīng)力轉(zhuǎn)移，轉(zhuǎn)移應(yīng)力

48、為： （5-28）式中：彈塑性矩陣。調(diào)整后的單元應(yīng)力為：7) 求解整體平衡方程。 采用增量-初應(yīng)力法，解整體平衡方程（5-24），得結(jié)點(diǎn)位移矢量。將結(jié)點(diǎn)位移矢量代入式（5-20）、（5-21），得到各單元的應(yīng)力與應(yīng)變。從而可計(jì)算出單元的主應(yīng)力及主應(yīng)力方向，計(jì)算公式如下： （5-29）(2) 間接法及失穩(wěn)判據(jù)17-21有限單元法只能計(jì)算出邊坡的應(yīng)力應(yīng)變，從而得到塑性區(qū)，但是未能直接計(jì)算邊坡的穩(wěn)定性，而需采用間接法來(lái)分析邊坡的穩(wěn)定性安全系數(shù)。常用的間接法有超載法和強(qiáng)度儲(chǔ)備法。1）超載法22超載法是使巖體的抗剪強(qiáng)度不變，即值恒定，通過(guò)逐漸增加外部荷載，并反復(fù)進(jìn)行有限元分析，直至邊坡達(dá)到極限平衡狀態(tài)，

49、所求邊坡安全系數(shù)就是外荷載增加的倍數(shù)。對(duì)于僅考慮自重而不受外荷載作用的邊坡，則可通過(guò)逐步增大重力加速度g的方法進(jìn)行計(jì)算。達(dá)到極限平衡狀態(tài)時(shí)的重力加速度glimit與實(shí)際重力加速度g0的比值即為邊坡的安全系數(shù)，即。2）強(qiáng)度儲(chǔ)備法23-24 強(qiáng)度儲(chǔ)備法是保持邊坡外荷載不變，逐步減小巖土體抗剪強(qiáng)度參數(shù)值，直至邊坡破壞，則原抗剪強(qiáng)度參數(shù)與調(diào)整后的參數(shù)比值就是安全系數(shù)。即。3)失穩(wěn)判據(jù)超載法和強(qiáng)度儲(chǔ)備法計(jì)算邊坡安全系數(shù)的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題是如何根據(jù)有限元計(jì)算結(jié)果來(lái)判斷邊坡是否達(dá)到破壞，常用的判斷方法有收斂性判據(jù)和突變性判據(jù)兩種。a) 收斂性判據(jù)。在有限元計(jì)算過(guò)程采用力和位移的迭代計(jì)算不收斂作為邊坡失穩(wěn)的標(biāo)志2

50、5。迭代計(jì)算就是尋找外力與內(nèi)力的平衡狀態(tài)，直到迭代計(jì)算達(dá)到一個(gè)恰當(dāng)?shù)氖諗繕?biāo)準(zhǔn)為止。若邊坡達(dá)到變形破壞，滑裂面上將發(fā)生無(wú)限制的塑性變形，計(jì)算結(jié)果也不收斂。因?yàn)橛邢拊绦虿荒軓挠邢拊匠探M中找到一個(gè)能同時(shí)滿足應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系、靜力平衡條件及強(qiáng)度準(zhǔn)則的解。b) 突變性判據(jù)以廣義的塑性應(yīng)變或者等效塑性應(yīng)變從坡腳到坡頂貫通作為邊坡破壞的標(biāo)志26。邊坡破壞要根據(jù)塑性變形或位移有無(wú)無(wú)限發(fā)展的趨勢(shì)，而非依據(jù)塑性區(qū)是否貫通。若有限元分析出塑性應(yīng)變或位移具有突變性，即突變前后，計(jì)算結(jié)果發(fā)生了由收斂到不收斂的破壞，此時(shí)，邊坡將發(fā)生失穩(wěn)破壞。5.4 半定量分析方法半定量分析法是首先對(duì)邊坡進(jìn)行工程類比，運(yùn)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)知識(shí)分析

51、處理大量表征邊坡穩(wěn)定性的模糊性參數(shù)，然后再運(yùn)用模糊綜合評(píng)判等簡(jiǎn)單計(jì)算方法對(duì)邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)和預(yù)測(cè)。該方法的基本思想是，分析影響邊坡穩(wěn)定性的各種因素，再應(yīng)用層次分析法對(duì)各個(gè)因素劃分層次和建立遞階關(guān)系，并求出各類影響因素對(duì)穩(wěn)定性的影響程度（貢獻(xiàn)值），最后按照模糊綜合評(píng)價(jià)法的最大隸屬度原則進(jìn)行選擇，判別邊坡屬于那個(gè)類別，最后得到邊坡的穩(wěn)定性狀態(tài)。5.5 非確定分析方法 由于邊坡穩(wěn)定性分析的結(jié)果受許多因素的影響，這些因素不能完全確定或其影響的程度未能確定，如巖體結(jié)構(gòu)、地下水、巖性及外部荷載的不確定性，通過(guò)取樣做室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)定巖石的力學(xué)參數(shù)的不確定，計(jì)算是選用的模型或邊界條件的不確定等。雖然可以通過(guò)提

52、高地質(zhì)勘探質(zhì)量和巖石參數(shù)試驗(yàn)準(zhǔn)確性，以及完善計(jì)算模型等方法來(lái)減少這些不確定因素導(dǎo)致的穩(wěn)定性分析結(jié)果的不確定性，但是，這并不能從根本上解決分析結(jié)果的不確定和模糊性，而且這需要在更多的工程費(fèi)用的基礎(chǔ)上才能完成。因此，工程界迫切需要有一種能構(gòu)解決這種不確定性及提高分析結(jié)果的精度的方法，這種方法就是不確定性分析方法。目前，常用的不確定性分析方法有人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、可靠度法、灰色預(yù)測(cè)系統(tǒng)法及模糊數(shù)學(xué)法等。5.5.1人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法（parallel distributed processing）是由人工建立的以有向圖為拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，它通過(guò)對(duì)連續(xù)或斷續(xù)的輸入作狀態(tài)響應(yīng)而進(jìn)行信息處理的方法。

53、該方法充分引用了生物技術(shù)中的人腦結(jié)構(gòu)和工作原理，并運(yùn)用數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)程序相結(jié)合的一種智能化分析方法。傳統(tǒng)的極限平衡法或應(yīng)力應(yīng)變法不但計(jì)算復(fù)雜，而且耗時(shí)耗力，而人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法信息處理進(jìn)程類似人腦的思維過(guò)程，具有高度的自學(xué)、自組織及線性動(dòng)態(tài)處理能力，因而，能夠快速的分析處理信息。由于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法的諸多優(yōu)點(diǎn)，使其在邊坡工程中的應(yīng)用前景非常廣闊。傳統(tǒng)的邊坡穩(wěn)定性分析方法，如赤平極射投影法、極限平衡法或應(yīng)力應(yīng)變法）都是首先進(jìn)行地質(zhì)勘探，并做大量的室內(nèi)外試驗(yàn)以測(cè)定巖土體的物理力學(xué)參數(shù)，然后建立邊坡的物理力學(xué)模型、確定外部荷載，最后應(yīng)用各種分析方法對(duì)其進(jìn)行穩(wěn)定性分析。這其中要求明確的掌握巖石材料的本構(gòu)關(guān)系和

54、物理力學(xué)參數(shù)以及巖體的結(jié)構(gòu)形式，但是由于這些受各種不確定性因素的影響，因而所測(cè)試出的性質(zhì)有表現(xiàn)出模糊性、不確定性和不完全性等，這是地質(zhì)勘探和室內(nèi)外試驗(yàn)中的關(guān)鍵問(wèn)題。信息法施工又稱工程反饋設(shè)計(jì)，是根據(jù)隨著施工開(kāi)展而逐步清晰明了的地質(zhì)條件及施工變形監(jiān)測(cè)的測(cè)量結(jié)果，對(duì)邊坡等巖體工程進(jìn)行動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)施工，從而達(dá)到安全、優(yōu)質(zhì)、經(jīng)濟(jì)、快速的良好效果。信息法施工縮小了精確地分析與近似的模型和信息輸入之間的差距，使其與工程實(shí)際更接近。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析方法的計(jì)算步驟如下：（1） 建立神經(jīng)模型 根據(jù)影響邊坡穩(wěn)定性因素的數(shù)據(jù)類型和特點(diǎn)建立神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。該模型由bp（前脊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)）和som(自組織特征映射神經(jīng)網(wǎng)絡(luò))組合成的，包括輸入層、二維kohonnen層、bp隱含層和輸出層共四層