邊坡穩(wěn)定性分析報(bào)告

1、斜（邊）坡穩(wěn)定性分析方法綜述摘要：斜坡穩(wěn)定性分析方法目前主要分為定性類方法、定量類方法和非確定性方法。定性類方法和定量類方法都比較成熟，尤其以定量類方法（剛體極限平衡法和有限單元法等數(shù)值計(jì)算方法）運(yùn)用較多；而非確定性方法雖然方法較多，但目前使用相對(duì)較少。本文主要介紹三類分析方法中的一些具體方法及其原理，并對(duì)三類方法的特征及優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行簡(jiǎn)單評(píng)價(jià)。關(guān)鍵詞：斜坡穩(wěn)定性分析,定性類方法,定量類方法,非確定性方法ABSTRACT: Nowadays, the methods evaluating slope stability are mainly divided into qualitative met

2、hods, quantitative methods and nondeterministic methods. Qualitative methods and quantitative methods are both comparatively mature, and especially quantitative methods (rigid equilibrium limit method and numerical computation methods such as finite element method) are widely employed; while althoug

3、h there are many kinds of nondeterministic methods, they are comparatively less employed. The paper mainly introduces some specific methods and their theories of the three evaluating methods, and short comments are made on the characteristics, merits and demerits of the three evaluating methods.Key

4、Words: slope stability analysis, qualitative methods, quantitative methods, nondeterministic methods1 引言斜坡是指地殼表面一切具有側(cè)向臨空面的地質(zhì)體。斜坡的變形破壞過(guò)程和它所造成的不良地質(zhì)環(huán)境均可對(duì)人類工程活動(dòng)帶來(lái)十分嚴(yán)重的危害，并且還可能引起生態(tài)環(huán)境的失調(diào)和破壞，造成更大范圍和更為深遠(yuǎn)的影響。據(jù)國(guó)土資源部網(wǎng)站資料，我國(guó)的滑坡、崩塌、泥石流等斜坡地質(zhì)災(zāi)害正隨著工程建設(shè)和資源能源的開(kāi)發(fā)而加劇，每年由此造成的損失近300億元。近10年來(lái)，全國(guó)有400多個(gè)市縣受到斜坡地質(zhì)災(zāi)害的侵害，在全國(guó)鐵路沿線分

5、布的大中型滑坡達(dá)1000余處，平均每年中斷交通運(yùn)輸44次。全國(guó)有近千座水電站及數(shù)百座水庫(kù)受到崩塌、滑坡和泥石流災(zāi)害的嚴(yán)重威脅。目前研究斜坡穩(wěn)定性的方法主要有三大類，即定性類方法、定量類方法和非確定性方法。定性類方法主要有過(guò)程機(jī)制分析法和工程地質(zhì)類比法，定量類方法主要有剛體極限平衡法和有限元等數(shù)值分析法，非確定分析方法較多，主要為可靠度法及與計(jì)算智能相結(jié)合的智能分析方法等新方法?？紤]到目前定性類方法和定量類方法較為成熟且運(yùn)用較多，故本文介紹一個(gè)采用有限元強(qiáng)度折減法計(jì)算斜坡穩(wěn)定性系數(shù)的案例。對(duì)于非確定分析方法則針對(duì)某些具體方法介紹其原理。2 定性類方法斜坡穩(wěn)定性的定性類方法主要有過(guò)程機(jī)制分析法和工

6、程地質(zhì)類比法。2.1 過(guò)程機(jī)制分析法過(guò)程機(jī)制分析法應(yīng)用斜坡變形、破壞的基本規(guī)律，通過(guò)追溯斜坡演變的全過(guò)程，對(duì)斜坡穩(wěn)定性發(fā)展的總趨勢(shì)和區(qū)域性特征作出評(píng)價(jià)和預(yù)測(cè)。過(guò)程機(jī)制分析法主要包括:(1)根據(jù)階段性規(guī)律預(yù)測(cè)斜坡所處演變階段和發(fā)展趨勢(shì)，(2)根據(jù)周期性規(guī)律判定促進(jìn)斜坡演變的主導(dǎo)因素，(3)根據(jù)區(qū)域性規(guī)律闡明斜坡穩(wěn)定性分區(qū)特征。2.1.1階段性規(guī)律斜坡可能具有的變形形式和破壞方式與斜坡外形特征、地質(zhì)結(jié)構(gòu)以及所處環(huán)境之間是密切相關(guān)的。對(duì)于一個(gè)具一定外形和結(jié)構(gòu)特征的斜坡，可以應(yīng)用赤平投影方法綜合分析坡體中起控制作用的結(jié)構(gòu)面或軟弱帶的空間組合狀況，即可大致確定斜坡的類型和可能的變形機(jī)制及破壞方式。通過(guò)現(xiàn)

7、場(chǎng)調(diào)研,查明某一具體斜坡已有的變形跡象,闡明其形成演變機(jī)制，即可參照各類變形模式演變圖式和階段劃分的地質(zhì)依據(jù)，確定斜坡所處演變階段。對(duì)于一些重要的邊坡，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，查明斜坡類型和變形機(jī)制模式，建立相應(yīng)的力學(xué)和數(shù)學(xué)模型，采用物理和數(shù)值再現(xiàn)模擬，將模擬成果與實(shí)際調(diào)查情況進(jìn)行對(duì)照，則可對(duì)斜坡目前的演變階段和發(fā)展趨勢(shì)作出評(píng)價(jià)和預(yù)測(cè)。2.1.2周期性規(guī)律促進(jìn)斜坡變形破壞的各種因素，在地質(zhì)歷史進(jìn)程中都有其各自的周期性變化規(guī)律。例如地震的周期性出現(xiàn)以及氣象、水文動(dòng)態(tài)的季節(jié)性變化和多年變化等。因而斜坡演變也會(huì)具有周期性變化規(guī)律，并受到主導(dǎo)因素的周期性變化規(guī)律所制約。追溯斜坡演變過(guò)程中的周期性規(guī)律，可以判定不

8、同時(shí)期促進(jìn)斜坡演變的主導(dǎo)因素。2.1.3區(qū)域性規(guī)律在地質(zhì)條件、地貌條件以及氣候條件相似地區(qū)，斜坡演變規(guī)律會(huì)有相似性。斜坡演變的區(qū)域性規(guī)律，實(shí)際上決定于動(dòng)力環(huán)境的形成和演變特征。在進(jìn)行區(qū)域評(píng)價(jià)時(shí)，應(yīng)注意環(huán)境動(dòng)力因素的演變對(duì)斜坡演變的影響。對(duì)于近期地質(zhì)構(gòu)造活動(dòng)，可以表現(xiàn)在地區(qū)近期的升降特征、地區(qū)構(gòu)造最大主壓應(yīng)力方向及其變化、活斷層斷面特征及活動(dòng)方式。2.2 工程地質(zhì)類比法工程地質(zhì)類比法是指把所要研究的邊坡與已取得勘察資料、建筑經(jīng)驗(yàn)地質(zhì)條件類似的邊坡進(jìn)行對(duì)照，并作出工程地質(zhì)評(píng)價(jià)的方法。主要是對(duì)已有邊坡的巖性、結(jié)構(gòu)、自然環(huán)境、變形主導(dǎo)因素和發(fā)育階段等作全面分析，并與擬建邊坡作出相似性的比較，評(píng)價(jià)擬建邊

9、坡的穩(wěn)定性和發(fā)展趨勢(shì)。例如：從失穩(wěn)邊坡與穩(wěn)定邊坡在地貌上不同的特征來(lái)判斷邊坡的演變和穩(wěn)定性；從邊坡的結(jié)構(gòu)和作用等因素的組合來(lái)判斷邊坡穩(wěn)定性的變化趨向等。2.2.1邊坡穩(wěn)定條件形態(tài)對(duì)比法穩(wěn)定邊坡形成要素一般有如下規(guī)律性，對(duì)于待分析邊坡可與之相比較并初步判斷該邊坡是否穩(wěn)定。1）自然斜坡外形受地質(zhì)構(gòu)造、巖性、地下水賦存情況等因素影響。因重力作用，通常穩(wěn)定的高邊坡較穩(wěn)定的低邊坡平緩。2）影響邊坡的重力、巖性、巖體結(jié)構(gòu)、氣候等因素相同時(shí)，人工邊坡較自然邊坡可維持較陡的坡度。3）研究表明，對(duì)于同一種斜坡的穩(wěn)定自然邊坡高度H和坡面投影長(zhǎng)度L存在冪函數(shù)關(guān)系：=aLb。參數(shù)a,b的取值與巖性有關(guān)。在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)中

10、，該冪函數(shù)關(guān)系擬合為直線，對(duì)不同類型邊坡所繪制的直線大約會(huì)聚于點(diǎn)（H，L）=（3050m,22800m）。2.2.2邊坡失穩(wěn)條件對(duì)比法通過(guò)對(duì)擬建邊坡進(jìn)行長(zhǎng)期觀測(cè)和與鄰近同類邊坡的相似性對(duì)比，結(jié)合邊坡出現(xiàn)的不利于穩(wěn)定的地質(zhì)條件，確定其對(duì)邊坡穩(wěn)定影響的程度，作出穩(wěn)定性判斷。不利的地質(zhì)條件主要如下：1） 邊坡及其鄰近地段滑坡、崩塌、陷穴等不良地質(zhì)現(xiàn)象；2） 巖質(zhì)邊坡中的泥巖、頁(yè)巖等易風(fēng)化、軟化巖層或軟硬交互的不利巖層組合；3） 土質(zhì)邊坡中網(wǎng)狀裂隙發(fā)育，有軟弱夾層，或邊坡體由膨脹巖土層組成；4） 邊坡存在外傾結(jié)構(gòu)面；5） 地層滲透性差異大，地下水在弱透水層或基巖面上積聚流動(dòng)，斷層及裂隙中有承壓水露出；

11、6） 坡上有漏水，水流沖刷坡腳或因河水位急劇升降引起岸坡內(nèi)動(dòng)水壓力的強(qiáng)烈作用；7） 邊坡處于強(qiáng)震區(qū)或鄰近地段采用大爆破施工。2.3 定性類方法評(píng)價(jià)定性類方法建立在對(duì)斜坡變形、破壞的基本規(guī)律之上，并可結(jié)合大量已有邊坡的工程經(jīng)驗(yàn)，相對(duì)于定量類方法及非確定性方法而言具有簡(jiǎn)單、方便的特點(diǎn)。然而定性類方法也有明顯缺點(diǎn)。定性類方法考慮因素有限，得到的關(guān)于邊坡是否穩(wěn)定的結(jié)論也相對(duì)模糊。尤其不能精確考慮滑帶土黏聚力、內(nèi)摩擦角、巖土體容重、地下水動(dòng)態(tài)以及人類工程活動(dòng)等重要影響因素。事實(shí)上，受客觀條件和人類認(rèn)識(shí)自然能力的限制，上述因素還具有取值的不確定性和時(shí)間上的不穩(wěn)定性。因此，定性類方法可以作為邊坡穩(wěn)定性分析的

12、初步判定方法，尚需結(jié)合定量類方法或非確定性方法來(lái)綜合判定得出結(jié)論。 3 定量類方法邊坡穩(wěn)定性分析的定量類方法主要有剛體極限平衡法和有限元法等數(shù)值方法。這些方法都以一個(gè)邊坡穩(wěn)定系數(shù)K作為邊坡穩(wěn)定性的評(píng)價(jià)。3.1 邊坡穩(wěn)定性系數(shù)的定義工程界廣泛使用穩(wěn)定系數(shù)來(lái)進(jìn)行邊坡的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)，穩(wěn)定系數(shù)大于1，則邊坡是穩(wěn)定的；小于1則是不穩(wěn)定的；等于1時(shí)邊坡處于臨界狀態(tài)。用定量類方法分析邊坡穩(wěn)定性時(shí)一般采用穩(wěn)定系數(shù)，與安全系數(shù)（一般由規(guī)范規(guī)定）進(jìn)行對(duì)比的方法來(lái)加以判斷，當(dāng)穩(wěn)定系數(shù)大于安全系數(shù)時(shí)邊坡安全穩(wěn)定，否則就認(rèn)為是不穩(wěn)定、不安全的。目前邊坡穩(wěn)定系數(shù)的定義分為三種：抗滑力和滑動(dòng)力的比值定義法、強(qiáng)度折減系數(shù)定義法

13、和超載系數(shù)定義法。3.1.1抗滑力和滑動(dòng)力的比值定義法穩(wěn)定系數(shù)定義為滑坡體中滑動(dòng)面上的抗滑力與滑動(dòng)力之比：K=RS式中：R坡體巖土提供的廣義抗滑力，如抗剪強(qiáng)度、抗滑力、抗滑力矩等；S坡體巖土的廣義滑動(dòng)力，如剪應(yīng)力、下滑力、滑動(dòng)力矩等。根據(jù)沿滑裂面剪應(yīng)力的計(jì)算方法，穩(wěn)定系數(shù)的定義有如下三種：（1） 基于應(yīng)力水平的定義法當(dāng)滑動(dòng)面上一點(diǎn)的大小有效主應(yīng)力差為1'-3'，以此為直徑作莫爾圓，圓心保持不變，作一個(gè)與摩爾-庫(kù)倫強(qiáng)度包絡(luò)線相切的應(yīng)力圓（破壞應(yīng)力圓），響應(yīng)的應(yīng)力圓直徑記為1'-3'f，則整個(gè)滑面的穩(wěn)定系數(shù)定義為：K=dl1'-3'1'-3&

14、#39;fdl（2） 基于剪應(yīng)力的定義法設(shè)c'，'為材料的黏聚力和內(nèi)摩擦角，和n'是滑動(dòng)面上的剪應(yīng)力和正應(yīng)力，則整個(gè)滑面的穩(wěn)定系數(shù)定義為：K=c'+n'tan'dldl（3） 基于應(yīng)力水平加權(quán)強(qiáng)度的定義法K=c'+n'tan'dl1'-3'1'-3'fc'+n'tan'dl式中各符號(hào)意義同上。3.1.2強(qiáng)度折減系數(shù)定義法巖土坡沿某一滑裂面的穩(wěn)定系數(shù)K定義為：將巖土體的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)降低為c'K，tan'K，當(dāng)沿著此滑裂面的巖土體處處達(dá)到極限平衡時(shí)對(duì)應(yīng)的折

15、減系數(shù)K即為穩(wěn)定系數(shù)（也稱為材料強(qiáng)度儲(chǔ)備系數(shù)）。3.1.3超載系數(shù)定義法超載法是在假定邊坡巖體強(qiáng)度參數(shù)不變的前提下，逐級(jí)增加荷載，把邊坡臨界失穩(wěn)相應(yīng)荷載與邊坡正常工作荷載之比定義為穩(wěn)定系數(shù)。超載法通過(guò)不斷增加荷載，直至邊坡達(dá)到破壞，相應(yīng)的破壞荷載Pf與坡頂建筑物的實(shí)際荷載P0的比值即為穩(wěn)定系數(shù)：K=PfP03.2剛體極限平衡法3.2.1剛體極限平衡法概述剛體極限平衡法是將邊坡穩(wěn)定問(wèn)題當(dāng)作剛體平衡問(wèn)題來(lái)研究，它具有以下基本假定：（1） 視巖土體為剛體，即只考慮破壞面上的極限平衡狀態(tài)，不考慮巖土體變形；（2）遵循庫(kù)侖判據(jù)，破壞面上強(qiáng)度由c、控制；（3）應(yīng)力集中，即滑體中應(yīng)力以正應(yīng)力和剪應(yīng)力方式集中

16、作用于滑面上；（4）針對(duì)平面穩(wěn)定問(wèn)題，即邊坡走向與或滑動(dòng)面走向的夾角在±20°以內(nèi)。在穩(wěn)定性分析中，對(duì)于僅有單一滑面的簡(jiǎn)單邊坡，根據(jù)基本假設(shè)完全可以確定穩(wěn)定性分析中所出現(xiàn)的未知數(shù)。但在復(fù)雜狀態(tài)下，亦即邊坡體被分割成幾何形態(tài)比較復(fù)雜的巖土塊，這時(shí)只憑剛體極限平衡法中的基本假定已無(wú)法確定數(shù)目較多的未知數(shù)。須在基本假設(shè)之外再增添若干補(bǔ)充假定，例如巖土塊間接觸面上作用力的方向、作用力的位置等。由于分析的觀點(diǎn)不同，采用補(bǔ)充假定的方式也不同，因此剛體極限平衡法派生出各種不同類型的解法。剛體極限平衡法的關(guān)鍵在于確定邊坡巖土體的強(qiáng)度指標(biāo)、邊坡滑動(dòng)面的形狀及其位置、安全系數(shù)。3.2.2剛體極

17、限平衡法的基本方法剛體極限平衡法中最基本的方法為瑞典條分法。瑞典條分法的剪切面假定為圓弧，計(jì)算中不考慮分條間的作用力，因此穩(wěn)定系數(shù)可以根據(jù)繞圓心的抵抗力矩與滑動(dòng)力矩的比值來(lái)確定，且每個(gè)分條底部的反力可以直接由該分條上的荷載算出。由于瑞典條分法假定簡(jiǎn)單，計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況出入較大，因此有許多改進(jìn)的條分法，例如考慮分條間推力方向的傳遞系數(shù)法。傳遞系數(shù)法示意圖傳遞系數(shù)法有兩個(gè)基本假定：1）每個(gè)分條范圍內(nèi)的滑動(dòng)面為一直線段，整個(gè)滑體是沿折線滑動(dòng)；2）分條間的反力平行于該分條的滑動(dòng)面，且作用點(diǎn)在分隔面的中央。計(jì)算各分條在重力、滑動(dòng)面上的孔隙水壓力、水平作用力、滑動(dòng)面上的摩擦力、黏聚力，以及上一條分傳遞的

18、推力作用下，對(duì)下一條分的推力作用Ei。各分條的條間推力乘以一個(gè)大于1.0的系數(shù)K向下傳遞。計(jì)算出的最后一塊的塊間推力En=0時(shí)的系數(shù)K即為邊坡的實(shí)際安全系數(shù)。此外，改進(jìn)的條分法還有簡(jiǎn)布法、力多邊形法、薩爾瑪法等。對(duì)于空間雙滑動(dòng)面情形，還有楔形滑動(dòng)巖體沿雙滑動(dòng)面交線滑動(dòng)的穩(wěn)定性分析。部分剛體極限平衡法介紹入下表所示。常用極限平衡法分析方法假設(shè)條件力學(xué)分析適用范圍瑞典條分法圓弧滑動(dòng)面；不考慮條間作用力整體力矩平衡；條間作用力大小相等，方向相反圓弧滑面滑坡；垂直條分滑坡；穩(wěn)定系數(shù)偏小畢肖普法近似圓弧滑面；不考慮條間垂向作用力整體力矩平衡；條間垂向作用力為零近似圓弧滑面滑坡；適于復(fù)合滑面滑坡簡(jiǎn)布法條間

19、作用力作用點(diǎn)位置在離滑面1/3處考慮條間作用力；分塊力矩平衡、分塊力平衡垂直條分滑體；適于復(fù)合滑面滑坡薩爾瑪法滑體內(nèi)部發(fā)生剪切；滑體上作用有臨界水平加速度整體力平衡；除平面和圓弧滑面外，滑塊必先破裂成相互錯(cuò)動(dòng)的塊體才能滑動(dòng)不必垂直條分滑體；適于任意形狀滑面滑坡楔形體法滑面受結(jié)構(gòu)控制形成空間楔形體滑動(dòng)整體力平衡巖質(zhì)楔形體滑坡平面直線法滑坡為平面滑動(dòng)；滑體作剛體運(yùn)動(dòng)各分塊力平衡平面滑動(dòng)滑坡傳遞系數(shù)法條間作用力合力方向與滑面傾角一致；條間作用合力不小于零分塊力平衡；分塊力矩平衡任意形狀滑面滑坡；垂直條分滑體斯賓塞法條間作用力位置在離滑動(dòng)面1/3高度處力平衡（水平、垂直）；坐標(biāo)原點(diǎn)力矩平衡任何形狀滑面

20、的滑坡；垂直條分滑體文獻(xiàn)4 對(duì)水平條分法進(jìn)行了改進(jìn)。該文獻(xiàn)建立起水平條分法與豎直條分法相對(duì)應(yīng)的條間力假設(shè)條件，并對(duì)水平條分遇到滑動(dòng)面存在一段弓形體時(shí)，采用斜條分與水平條分相結(jié)合的模式。文獻(xiàn)5針對(duì)含有張裂隙的勻質(zhì)邊坡穩(wěn)定性計(jì)算，對(duì)采用基于有限分析運(yùn)動(dòng)學(xué)方法的“上邊界法”和基于波動(dòng)極限平衡法的“封閉形式法”的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。結(jié)果表明，在上邊界法中，如果將裂隙發(fā)展機(jī)制作為內(nèi)部損耗過(guò)程的一部分，則兩種方法結(jié)果相近；如果忽略裂隙發(fā)展的影響，上邊界法則低估了邊坡的穩(wěn)定程度。值得注意的是，文獻(xiàn)6和文獻(xiàn)14表明，用相對(duì)簡(jiǎn)單的剛體極限平衡法（例如瑞典條分法）搜索出來(lái)的斜坡臨界滑動(dòng)面與用更復(fù)雜的搜索方法的結(jié)果

21、相近。文獻(xiàn)6使用了滑動(dòng)面搜索新方法，所得的臨界滑動(dòng)面與臨界圓弧滑動(dòng)面接近，但表現(xiàn)出非圓弧特征。3.3邊坡穩(wěn)定性數(shù)值分析方法剛體極限平衡法未考慮巖土體內(nèi)部的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，無(wú)法分析邊坡破壞的發(fā)生和發(fā)展過(guò)程，無(wú)法考慮變形對(duì)邊坡穩(wěn)定的影響，無(wú)法考慮巖土體與支擋結(jié)構(gòu)的共同作用及其變性協(xié)調(diào)。因此，當(dāng)邊坡破壞機(jī)制復(fù)雜或邊坡分析方法需要考慮應(yīng)力變形時(shí)，宜結(jié)合數(shù)值分析法進(jìn)行分析。目前，基于數(shù)值分析的邊坡穩(wěn)定性分析方法主要有：有限單元法（FEM）、快速拉格朗日法（FLAC法）、離散元法（DEM）等。具體方法的原理可以參考有關(guān)文獻(xiàn)。數(shù)值分析方法能考慮巖土應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，例如文獻(xiàn)7提出了考慮巖土材料應(yīng)變軟化特性、通過(guò)施

22、加假想水平向體積力來(lái)實(shí)現(xiàn)邊坡極限平衡狀態(tài)的FLAC算法。因此數(shù)值分析方法比剛體極限平衡法更為精確。文獻(xiàn)8對(duì)比了傳統(tǒng)剛體極限平衡法與有限元強(qiáng)度折減法關(guān)于邊坡穩(wěn)定系數(shù)的結(jié)果，表明有限元強(qiáng)度折減法能夠滿足邊坡穩(wěn)定分析的精度要求。文獻(xiàn)9對(duì)同一邊坡分別采用了極限平衡法、有限元重力加載比例法和強(qiáng)度折減法，發(fā)現(xiàn)強(qiáng)度折減法和重力加載法結(jié)果較為吻合，相差僅1.5%；并說(shuō)明當(dāng)采用有限元強(qiáng)度折減法進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性計(jì)算時(shí)，若單以計(jì)算收斂與否作為失穩(wěn)判據(jù)，得到的結(jié)果可能失真，建議采用多種判據(jù)綜合進(jìn)行評(píng)價(jià)。文獻(xiàn)10采用有限單元法對(duì)含節(jié)理巖質(zhì)邊坡進(jìn)行了應(yīng)力應(yīng)變及穩(wěn)定性分析，得到邊坡巖體的應(yīng)力分布及變形特征；通過(guò)強(qiáng)度折減法得到

23、可能的最危險(xiǎn)滑動(dòng)面和安全系數(shù)。該文獻(xiàn)通過(guò)案例表明對(duì)于含節(jié)理的巖質(zhì)邊坡，有限單元法可以分別研究巖塊和節(jié)理的屈服情況，為分析邊坡可能發(fā)生的破壞形式及破壞過(guò)程提供依據(jù)。文獻(xiàn)11提到，目前國(guó)際上使用較多的有限元分析軟件ABAQUS能進(jìn)行有效應(yīng)力和孔壓的計(jì)算，具有強(qiáng)大的接觸面處理功，具備處理填土或開(kāi)挖等巖土工程中的特定問(wèn)題的能力，能提供不同計(jì)算時(shí)刻的應(yīng)力矢量圖和位移矢量圖以便于各種定性分析。文獻(xiàn)12提到，考慮到剛體極限平衡法計(jì)算量相對(duì)較小，有限元法雖然不用考慮滑動(dòng)面形狀但計(jì)算量較大的實(shí)現(xiàn)，提出了“條件響應(yīng)法”，使剛體極限平衡法在初步設(shè)計(jì)階段的成果能結(jié)合到詳細(xì)設(shè)計(jì)階段的有限元法計(jì)算當(dāng)中，使有限元法的計(jì)算量

24、降低。3.4邊坡穩(wěn)定性的FEM強(qiáng)度折減法算例某非均質(zhì)邊坡高50m，坡角為45°，實(shí)測(cè)經(jīng)驗(yàn)表明,邊坡的影響范圍在2倍坡高范圍。由于邊坡是縱向很長(zhǎng)的實(shí)體,計(jì)算模型可以簡(jiǎn)化為平面應(yīng)變模型,若邊坡所承受的外力不隨Z軸變化,則位移和應(yīng)變都發(fā)生在自身平面內(nèi)。計(jì)算模型及邊坡圍巖參數(shù)如下。運(yùn)用ANSYS11.0軟件按照平面應(yīng)變問(wèn)題進(jìn)行建模, 土體材料采用Planen82單元模擬,僅受自重荷載。左右邊界水平位移為零,下邊界水平和豎向位移均為零。收斂準(zhǔn)則設(shè)置為力的收斂標(biāo)準(zhǔn)系數(shù)為0.005,位移的收斂標(biāo)準(zhǔn)系數(shù)為0.05。有限元模型網(wǎng)格劃分如圖2所示。共4061個(gè)節(jié)點(diǎn)，1300個(gè)單元。有限元模型按初始參數(shù)計(jì)

25、算完之后,折減系數(shù)從F=1.1開(kāi)始取值到 F=3.1,即邊坡內(nèi)聚力和摩擦角按F的數(shù)值進(jìn)行折減。由計(jì)算結(jié)果可知,當(dāng)F=1.11.9時(shí),邊坡模型均沒(méi)有塑性應(yīng)變和塑性區(qū)。當(dāng)F=2.0時(shí), 邊坡腳處首先產(chǎn)生塑性區(qū), 塑性應(yīng)變?cè)茍D如圖3所示。當(dāng)F=2.4時(shí),坡腳處塑性區(qū)向坡頂發(fā)展,并且在坡體內(nèi)部產(chǎn)生了塑性應(yīng)變較小的塑性區(qū),該塑性區(qū)會(huì)隨著折減系數(shù)的增加而擴(kuò)大。當(dāng)F增大到2.7時(shí),邊坡體內(nèi)部塑性區(qū)擴(kuò)大至坡底邊界處,且該塑性區(qū)與坡腳塑性區(qū)貫通。但坡體X方向并沒(méi)有發(fā)生位移突變,且有限元計(jì)算是收斂的,所以由此判定邊坡是穩(wěn)定的。當(dāng)F=2.8時(shí),坡腳處塑性區(qū)繼續(xù)向坡頂發(fā)展,而坡體內(nèi)部的塑性區(qū)逐漸減小,如圖6所示。F繼

26、續(xù)增大到2.9時(shí),坡體水平位移急劇下降,邊坡塑性區(qū)從坡腳至坡頂貫通,如圖7所示,且此時(shí)有限元計(jì)算程序恰好不收斂,表明邊坡體在強(qiáng)度降低的情況下,已經(jīng)出現(xiàn)整體滑坡。因此,以計(jì)算程序收斂與否,及塑性區(qū)從坡腳至坡頂是否貫通作為失穩(wěn)判據(jù), 可判定出該邊坡模型的安全系數(shù)為2.8。4 非確定性方法非確定性分析方法主要是指可靠度法及與計(jì)算智能相結(jié)合的智能分析方法等新方法。非確定性方法較多,如下簡(jiǎn)要介紹幾類。4.1基于隨機(jī)模擬的邊坡穩(wěn)定分析法隨機(jī)模擬是一種通過(guò)對(duì)隨機(jī)變量的隨機(jī)模擬和統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)，來(lái)解決數(shù)學(xué)物理問(wèn)題和工程技術(shù)問(wèn)題近似解的方法。該方法的優(yōu)點(diǎn)是觀念簡(jiǎn)單，不需要連續(xù)性、可微性等嚴(yán)格限制；缺點(diǎn)是計(jì)算量大，計(jì)算

27、精度一般不很高，而且是概率意義下的精度。在邊坡穩(wěn)定性分析中，最危險(xiǎn)滑動(dòng)面唯一地存在于某一確定的可行域內(nèi)，其抗滑穩(wěn)定系數(shù)為KS,為了將可行域內(nèi)該滑動(dòng)面準(zhǔn)確搜索出來(lái)，可在域內(nèi)生成若干某種形狀的滑動(dòng)面，同時(shí)計(jì)算響應(yīng)的KSi。若取隨機(jī)變量，當(dāng)某一隨機(jī)投擲的滑動(dòng)面Si的穩(wěn)定系數(shù)KSiKS時(shí)，取為0，否則取為1，即=1 KSiKS （滑動(dòng)面投擲成功）0 KSi>KS （滑動(dòng)面投擲失?。┰诨瑒?dòng)面投擲量足夠大時(shí)，關(guān)于n次投擲試驗(yàn)中，共m次投擲成功，則KS為斜坡穩(wěn)定性系數(shù)準(zhǔn)確值的概率為Pf=1-i=1ni，響應(yīng)KS的滑動(dòng)面即為最危險(xiǎn)滑動(dòng)面。具體的最危險(xiǎn)滑動(dòng)面隨機(jī)搜索過(guò)程可概括為：1） 在可行域內(nèi)隨機(jī)生成并

28、投擲一定數(shù)量的滑動(dòng)面；2）按剩余推力法計(jì)算每滑動(dòng)面對(duì)應(yīng)的KSi值；3）KSimin為KS的近似值，并計(jì)算Pfmax。視KSimin對(duì)應(yīng)的滑動(dòng)面為最可能的滑動(dòng)面位置和形狀，視Pfmax為此種計(jì)算條件下對(duì)該斜坡破壞概率值。值得注意的是，所投擲的滑動(dòng)面是由陡、緩兩組優(yōu)勢(shì)節(jié)理面構(gòu)成，其跡長(zhǎng)和計(jì)算剖面上的視傾角概率分布形式，可由巖體結(jié)構(gòu)面概率網(wǎng)絡(luò)模型取得。投擲量的確定是以隨投擲量n增加而KSi不再顯著減少為準(zhǔn)則，并在投擲過(guò)程中依據(jù)工程精度要求及機(jī)時(shí)耗費(fèi)情況而定。4.2基于可靠度理論的邊坡穩(wěn)定分析法基于可靠度理論的滑坡穩(wěn)定性計(jì)算能克服客觀存在的土性參數(shù)的空間離散性、時(shí)間變異性13。利用可靠度理論中的概率矩

29、點(diǎn)估計(jì)法對(duì)斜坡穩(wěn)定系數(shù)、可靠度和破壞概率進(jìn)行計(jì)算和分析。4.2.1可靠度理論的基本原理滑坡可靠性分析方法的理論依據(jù)是概率統(tǒng)計(jì)原理，認(rèn)為影響邊坡穩(wěn)定的各種因素是服從一定概率分布（一般認(rèn)為是正態(tài)分布）的隨機(jī)變量，因此穩(wěn)定系數(shù)也是服從特定分布的隨機(jī)變量。通過(guò)對(duì)各種因素概率分布及它們與安全系數(shù)的關(guān)系，得出安全系數(shù)的分布形式，進(jìn)而確定邊坡穩(wěn)定的可靠度及破壞概率。a.狀態(tài)函數(shù)假設(shè)狀態(tài)函數(shù) Z=GX，若Z0,則邊坡處于可靠狀態(tài)，若Z<0則邊坡處于破壞狀態(tài)。X=x1，x2，xn為基本隨機(jī)變量，表示坡體內(nèi)某一點(diǎn)的穩(wěn)定狀態(tài)的控制因素，具有一定的分布，如正態(tài)分布等；x1，x2，xn表示影響斜坡穩(wěn)定的變量，如容

30、重、粘聚力、內(nèi)摩擦角、地下水壓力，外部荷載等。隨著位置不同，各變量也不同，都是具有一定分布的隨機(jī)變量。b.破壞概率破壞概率Pf用來(lái)表征斜坡破壞的可能性，其數(shù)值的大小即斜坡破壞的概率。如用R表示坡體內(nèi)總抗滑力，S表示總滑動(dòng)力，則Pf=PR-S<0。c.可靠度指標(biāo)令狀態(tài)函數(shù)Z=GX=R-S，設(shè)Z的概率密度函數(shù)為gx，則破壞概率Pf可表述為：Pf=PR-S<0=-0gxdx=-=1-其中=zz 定義為衡量邊坡可靠性的一個(gè)指標(biāo)，z和z分別是狀態(tài)函數(shù)的均值和方差。與Pf之間存在一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，越小，Pf越大；反之，越大，Pf越小。通過(guò)求解狀態(tài)函數(shù)的均值和方差可確定斜坡的破壞概率。d.計(jì)算過(guò)程狀

31、態(tài)函數(shù)Z的計(jì)算采用傳遞系數(shù)法的安全系數(shù)顯式表達(dá)式，即建立選定的某些影響邊坡穩(wěn)定性的參數(shù)的方程：Z=Fx1，x2，xn=Fs。無(wú)須知道狀態(tài)變量xii=1，2n概率分布，只在區(qū)間xmin，xmax上分別對(duì)稱地選擇2個(gè)取值點(diǎn)，通常取xi1=xi-xi，xi2=xi+xi。對(duì)于n個(gè)狀態(tài)變量，有2n個(gè)取值點(diǎn)，共有2n個(gè)可能組合。在2n個(gè)組合下，可根據(jù)狀態(tài)方程，求得2n個(gè)狀態(tài)函數(shù)值Z。之后可用概率的點(diǎn)估計(jì)法求得2n個(gè)狀態(tài)函數(shù)值Z的一階原點(diǎn)矩和二階中心矩，并以此來(lái)估計(jì)均值z(mì)和方差z2。之后便可求得和Pf值。4.3其他非確定性方法文獻(xiàn)14利用經(jīng)典土壓力理論設(shè)定合理土條間推力線作用位置,根據(jù)靜力平衡及力矩平衡條

32、件，并結(jié)合土條界面及滑動(dòng)面上的摩爾庫(kù)倫準(zhǔn)則，建立了以條塊界面安全系數(shù)Fv為變量的線性超定方程組，應(yīng)用MATLAB軟件基于最小二乘法對(duì)該方程組求解，并依據(jù)極大值原理及合理性條件：FvFs，最終獲得邊坡整體安全系數(shù)Fs。該文獻(xiàn)通過(guò)算例得出結(jié)論：當(dāng)條塊界面與邊坡整體安全系數(shù)相等時(shí)，邊坡抗剪能力發(fā)揮最大；推力線在合理范圍內(nèi)的具體位置對(duì)安全系數(shù)的影響不大。文獻(xiàn)15認(rèn)為邊坡穩(wěn)定性受多種因素控制，每種因素的權(quán)重存在不確定性，且邊坡是否穩(wěn)定的概念也是相對(duì)模糊的。故應(yīng)采用模糊集合論的方法來(lái)分析判斷斜坡穩(wěn)定性，使定性描述轉(zhuǎn)變?yōu)槎坑?jì)算。文獻(xiàn)16從可靠度理論出發(fā),認(rèn)為土的空間不確定性(主要體現(xiàn)在土的種類隨空間變化)

33、能影響斜坡的安全系數(shù)Fs和失效概率Pf。該文獻(xiàn)提出了用雙馬爾科夫鏈模型來(lái)模擬實(shí)際斜坡土的空間不確定性，其中的兩個(gè)一維馬爾科夫鏈模型分別模擬水平方向和豎直方向的土的種類變化（砂土、粉土和淤泥）。文獻(xiàn)首先從實(shí)際項(xiàng)目的鑿洞數(shù)據(jù)獲得了土層在一定范圍類的分布情況，估計(jì)出相應(yīng)的水平向和豎直向土層種類轉(zhuǎn)換概率矩陣，完成了雙馬爾科夫鏈土層轉(zhuǎn)換概率模型；之后采用ABAQUS軟件采用有限元強(qiáng)度折減法對(duì)邊坡失穩(wěn)情況進(jìn)行了500次模擬，得到了收斂的安全系數(shù)Fs和失效概率Pf。文獻(xiàn)17從概率統(tǒng)計(jì)的角度，認(rèn)為邊坡在自身參數(shù)變異性和地震作用下的穩(wěn)定性問(wèn)題是一個(gè)非確定性問(wèn)題。故該文獻(xiàn)采用了聯(lián)合函數(shù)分布法，選定邊坡的內(nèi)摩擦角、

34、內(nèi)黏聚力、容重和地震水平作用系數(shù)作為隨機(jī)變量（賦予了假設(shè)的概率分布形式），針對(duì)幾何參數(shù)一定的無(wú)限長(zhǎng)無(wú)滲流斜坡，模擬了其安全系數(shù)的概率分布形式和參數(shù)特征。4.4 非確定性方法的綜合評(píng)價(jià)相對(duì)于確定性方法而言，非確定性方法又更進(jìn)一步，例如可以考慮參數(shù)的時(shí)空變異性，而且避免了用單一安全系數(shù)評(píng)價(jià)指標(biāo)，使用了概率意義上的安全系數(shù)、可靠指標(biāo)等標(biāo)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。但目前非確定性方法還不成熟，還沒(méi)有形成具有主導(dǎo)地位的方法，各種方法的可行性以及所得的結(jié)果正確性往往需要與確定性方法的結(jié)果相比較來(lái)驗(yàn)證，而且難以避免龐大的計(jì)算量。因此，目前非確定性方法能處理的問(wèn)題較少，還有待繼續(xù)研究和推廣。5 結(jié)論關(guān)于邊坡穩(wěn)定性分析的方法，目前

35、主要分為定性類方法、定量類方法和非確定性方法。三種方法各有特點(diǎn)，使用條件、范圍和工程運(yùn)用廣泛程度各有所不同。定性類方法建立在對(duì)斜坡變形、破壞的基本規(guī)律之上，并可結(jié)合大量已有邊坡的工程經(jīng)驗(yàn)，相對(duì)于定量類方法及非確定性方法而言具有簡(jiǎn)單、方便的特點(diǎn)。但是定性類方法考慮因素有限，不能精確考慮滑帶土黏聚力、內(nèi)摩擦角、巖土體容重、地下水動(dòng)態(tài)以及人類工程活動(dòng)等重要影響因素。定量類方法在一定程度上克服了定性類方法的缺點(diǎn)，故目前在工程界中被廣泛運(yùn)用。傳統(tǒng)的剛體極限平衡法雖然概念簡(jiǎn)單，計(jì)算量相對(duì)較小，但由于其未考慮巖土體內(nèi)部的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，無(wú)法考慮變形對(duì)邊坡穩(wěn)定的影響等原因，在工程界中受到一定質(zhì)疑。因此，當(dāng)邊坡破

36、壞機(jī)制復(fù)雜或邊坡分析方法需要考慮應(yīng)力變形時(shí)，宜結(jié)合數(shù)值分析法進(jìn)行分析。相對(duì)于確定性方法而言，非確定性方法又更進(jìn)一步，例如可以考慮參數(shù)的時(shí)空變異性，避免使用單一安全系數(shù)評(píng)價(jià)指標(biāo)，使用了概率意義上的失效概率、可靠指標(biāo)等標(biāo)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。但目前非確定性方法還沒(méi)有形成具有主導(dǎo)地位的方法，各種方法的可行性以及所得的結(jié)果正確性往往需要與確定性方法的結(jié)果相比較來(lái)驗(yàn)證，而且難以避免龐大的計(jì)算量。因此，目前非確定性方法能處理的問(wèn)題較少，還有待繼續(xù)研究和推廣。參考文獻(xiàn)1 張倬元，王士天，王蘭生，黃潤(rùn)秋，許強(qiáng)，陶連金.工程地質(zhì)分析原理M.北京：地質(zhì)出版社，2009.2 張永興.邊坡工程學(xué)M. 中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2008.3 王桂林，唐益群，汪東云.工程地質(zhì)M. 中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2012.4 鄧東平，李亮.水平條分法下邊坡穩(wěn)定性分析與計(jì)算方法研究J.巖土力學(xué)，2012, 33（10）：3179-3188.5 Yufeng Gao, Wenzhi Song, Fei Zhang, Hongyu Qin. Limit analysis of slopes with cracks: Co