邊坡穩(wěn)定性分析

1、第9章 邊坡穩(wěn)定性分析學習指導：本章介紹了邊坡的破壞類型，即：巖崩和巖滑；著重介紹了邊坡穩(wěn)定性分析與評價基本方法，包括圓弧法巖坡穩(wěn)定分析、平面滑動法巖坡穩(wěn)定分析、雙平面滑動巖坡穩(wěn)定分析、力多邊形法巖坡穩(wěn)定分析及近代理論計算法；介紹了巖坡處理的措施。重 點：1邊坡的變形與破壞類型；2影響邊坡穩(wěn)定性的因素；3邊坡穩(wěn)定性分析與評價。9.1 邊坡的變形與破壞類型9.1.1 概述 隨著社會進步及經(jīng)濟發(fā)展，越來越多地在工程活動中涉及邊坡工程問題，通過長期的工程實踐，工程地質(zhì)工作者已對邊坡工程形成了比較完善的理論體系，并通過理論對人類工程活動，進行有效地指導。近年來，隨著環(huán)境保護意識的增加及國際減輕自然災害

2、十年來的開展，人類已認識到：邊坡誕生不僅僅是其本身的歷史發(fā)展，而是與人類活動密切相關(guān)；人類在進行生產(chǎn)建設的同時，必須顧及到邊坡的環(huán)境效應，并且把人類的發(fā)展置于環(huán)境之中，因而相繼開展了工程活動與地質(zhì)環(huán)境相互作用研究領域，在這些領域中，邊坡作為地質(zhì)工程的分支之一，一直是人們研究的重點課題之一。在水電、交通、采礦等諸多的領域，邊坡工程都是整體工程不可分割的部分，為保證工程運行安全及節(jié)約經(jīng)費，廣大學者對邊坡的演化規(guī)律、邊坡穩(wěn)定性及滑坡預測預報等進行了廣泛研究。然而，隨著人類工程活動的規(guī)模擴大及經(jīng)濟建設的急劇發(fā)展，邊坡工程中普遍出現(xiàn)了高陡邊坡穩(wěn)定性及大型災害性滑坡預測問題。在我國，目前的露天采礦的人工邊

3、坡已高達300500m，而水電工程中遇到的天然邊坡高度已達5001000米，其中涉及的工程地質(zhì)問題極為復雜，特別是在西南山區(qū)，邊坡的變形、破壞極為普遍，滑坡災害已成為一種常見的危害人民生命財產(chǎn)安全及工程正常運營的地質(zhì)災害。 因此，廣大工程地質(zhì)和巖石力學工作者對此問題進行了長期不懈的探索研究，取得了很大的進展；從初期的工程地質(zhì)類比法、歷史成因分析法等定性研究發(fā)展到極限平衡法、數(shù)值分析法等定量分析法，進而發(fā)展到系統(tǒng)分析法、可靠度方法灰色系統(tǒng)方法等不確定性方法，同時輔以物理模擬方法，并且誕生了工程地質(zhì)力學理論、巖(土)體結(jié)構(gòu)控制論等，這些無疑為邊坡工程及滑坡預報研究奠定了堅實的基礎，為人類工程建設做

4、出了重大貢獻。在工程中常要遇到巖坡穩(wěn)定的問題，例如在大壩施工過程中，壩肩開挖破壞了自然坡腳，使得巖體內(nèi)部應力重新分布，常常發(fā)生巖坡的不穩(wěn)定現(xiàn)象。又如在引水隧洞的進出口部位的邊坡、溢洪道開挖的邊坡、渠道的邊坡以及公路、鐵路、采礦工程等等都會遇到巖坡穩(wěn)定的問題。如果巖坡由于力過大和強度過低，則它可以處于不穩(wěn)定的狀態(tài)，一部分巖體向下或向外坍滑，這一種現(xiàn)象叫做滑坡?；略斐晌：艽螅瑸榇嗽谑┕で?，必須做好穩(wěn)定分析工作。 巖坡不同于一般土質(zhì)邊坡，其特點是巖體結(jié)構(gòu)復雜、斷層、節(jié)理、裂隙互相切割，塊體極不規(guī)則，因此巖坡穩(wěn)定有其獨特的性質(zhì)。它同巖體的結(jié)構(gòu)、塊體密度和強度、邊坡坡度、高度、巖坡表面和頂部所受荷載

5、，邊坡的滲水性能，地下水位的高低等有關(guān)。 巖體內(nèi)的結(jié)構(gòu)面，尤其是軟弱結(jié)構(gòu)面的的存在，常常是巖坡不穩(wěn)定的主要因素。大部分巖坡在喪失穩(wěn)定性時的滑動面可能有三種。一種是沿著巖體軟弱巖層滑動；另一種是沿著巖體中的結(jié)構(gòu)面滑動；此外，當這兩種軟弱面不存在時，也可能在巖體中滑動，但主要的是前面兩種情況較多。在進行巖坡分析時，應當特別注意結(jié)構(gòu)面和軟弱層的影響。 軟弱巖層主要是粘土頁巖、凝灰?guī)r、泥灰?guī)r、云母片巖、滑石片巖以及含有巖鹽或石膏成分的巖層。這類巖層遇水浸泡后易軟化，強度大大地降低，形成軟弱層。在堅硬的巖層中(如石英巖、砂巖等等)應當查明有無這類軟弱夾層存在。 結(jié)構(gòu)面包括沉積作用的層面、假整合面、不整合

6、面；火成巖侵入結(jié)構(gòu)面以及冷縮結(jié)構(gòu)面；變質(zhì)作用的片理，構(gòu)造作用的斷裂結(jié)構(gòu)面等等。巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定分析時，應當研究巖體中應力場和各種結(jié)構(gòu)面的組合關(guān)系。巖坡的滑動就是在應力作用下巖體破壞了平衡而沿著某種面(很可能是結(jié)構(gòu)面)產(chǎn)生的。巖體的應力是由巖體重量、滲透壓力、地質(zhì)構(gòu)造應力以及外界因素，如地震慣性力、風力、溫度應力等所形成的邊坡剪應力，這種剪應力超過結(jié)構(gòu)面的抗剪強度就促使巖體沿著結(jié)構(gòu)面滑動。有時沿某一結(jié)構(gòu)面滑動，有時沿著多種結(jié)構(gòu)面所組合的滑動面滑動。通常以后者為多數(shù)。 結(jié)構(gòu)面中如夾有粘土或其它泥質(zhì)充填物，則就成為軟弱結(jié)構(gòu)面。地質(zhì)構(gòu)造作用形成的斷裂和節(jié)理在地殼表層是最多的，這種結(jié)構(gòu)面往往都夾有粘土或泥質(zhì)

7、充填物，遇水浸泡后，結(jié)構(gòu)面中的軟弱充填物就容易軟化，強度大大地降低，促使巖坡沿著它發(fā)生滑動。因此，巖坡分析中，對結(jié)構(gòu)面，特別是軟弱結(jié)構(gòu)面的類型、性質(zhì)、組合形式、分布特征以有及由各種軟弱面切割后的塊體形等進行仔細分析是十分重要的。9.1.2 巖坡的破壞類型 巖坡的破壞類型從形態(tài)上來看可分為巖崩和巖滑兩種。巖崩一般發(fā)生在邊坡過陡的巖坡中，這時大塊的巖體與巖坡分離而向前傾倒，如圖9-1(a)所示，或者坡頂巖體因某種原因脫落而在坡腳下堆積，見圖9-1(b)、(c)，它經(jīng)常產(chǎn)生于坡頂裂隙發(fā)育的地方。其起因或由于風化等原因減弱了節(jié)理面的凝聚力，或由于雨水進入裂隙產(chǎn)生水壓力所致；或者也可能由于氣溫變化、凍融

8、松動巖石的結(jié)果；其它如植物根造成膨脹壓力、地震、雷擊等都可造成巖崩現(xiàn)象。巖滑是指一部分巖體沿著巖體較深處某種面的滑動。巖滑可分為平面滑動、楔形滑動以及旋轉(zhuǎn)滑動。平面滑動是一部分巖體在重力作用下沿著某一軟面(層面、斷層、裂隙)的滑動，見圖9-2(a)，滑動面的傾角必大于該平面的內(nèi)摩擦角。平面滑動不僅滑體克服了底部的阻力，而且也克服了兩側(cè)的阻力。在軟巖中(例如頁巖)，如底部傾角遠陡于內(nèi)摩擦角，則巖石本身的破壞即可解除側(cè)邊約束，從而產(chǎn)生平面滑動。而在硬巖中，如果不連續(xù)面橫切坡頂，邊坡上巖石兩側(cè)分離，則也能發(fā)生平面滑動。楔形滑動是巖體沿兩組(或兩組以上)的軟弱面滑動的現(xiàn)象，見圖9-2(b)。在挖方工程

9、中，如果兩個不連續(xù)面的交線出露，則楔形巖體失去下部支撐作用而滑動。法國馬爾帕塞壩的崩潰(1959年)就是巖基楔形滑動的結(jié)果。旋轉(zhuǎn)滑動的滑動面通常呈弧形狀，見圖9-2(c)，這種滑動一般產(chǎn)生于非成層的均質(zhì)巖體中。 巖坡的滑動過程一般可分為三個階段。初期是蠕動變形階段，這一階段中坡面和坡頂出現(xiàn)拉張裂縫并逐漸加長和加寬，滑坡前緣有時出現(xiàn)擠出現(xiàn)象，地下水位發(fā)生變化，有時會發(fā)出響聲。第二階段是滑動破壞階段，此時滑坡后緣迅速下陷，巖體以極大的速度向下滑動，此一階段往往造成極大的危害。最后是逐漸穩(wěn)定階段，這一階段中，疏松的滑體逐漸壓密，滑體上的草木逐漸生長，地下水滲出由渾變清等。 在進行巖坡穩(wěn)定性分析時，首

10、先應當查明巖坡可能的滑動類型，然后對不同類型采用相應的分析方法。嚴格而言，巖坡滑動大多屬空間滑動類型，然后對只有一個平面構(gòu)成的滑裂面或者滑裂面由多個平面組成而這些面的走向又大致平行者，且沿著走向長度大于坡高時，則也可按平面滑動進行分析，其結(jié)果偏于安全方面，在平面分析中，常常把滑動面進行穩(wěn)定驗算。本章從第四節(jié)起將分別闡述各種分析方法。 經(jīng)驗證明，許多滑坡的發(fā)生都與巖體內(nèi)的滲水作用有關(guān)，這是由于巖體內(nèi)滲水后巖石強度惡化和應力增加的緣故。因此，做好巖坡的排水工作是防止滑坡的手段之一。意大利瓦依昂(Vajont)水庫巖坡滑動而造成的事故是聞名于全世界的。水庫的岸坡由分層的石灰?guī)r組成，水庫蓄水后在196

11、0年10月就發(fā)現(xiàn)上坡附近有主要裂隙，同時直接在沿河的陡坡上曾經(jīng)發(fā)生過一次較小的滑坡，從該時起，這整個區(qū)域都處于運動中，這運動的速度為每天若干個十分之一毫米到十毫米以上。在1963年10月9日夜晚，岸坡發(fā)生驟然的崩坍，在一分多鐘時間內(nèi)大約有2.5億立方米的巖石崩入水庫，頓時造成高達150米到250米的水浪，洪水漫過270米高的拱壩，致使下游的郎加朗市鎮(zhèn)遭到了毀滅性的破壞，2400多人死亡。 圖9-3 瓦依昂滑坡斷面圖1-滑前地面;2-滑后地面;3-滑面;4-斷層;5-洼地在圖9-3上示有瓦依昂山坡崩坍的二個斷面圖。由此看來，巖坡崩坍所造成的事故是危害極大的，必須嚴加防止。因此設計之前應當加強工程

12、地質(zhì)的勘測工作，以及在設計時做好巖坡穩(wěn)定分析工作。 圖9-4 康德斯特格隧洞1-山崩;2-壓力隧洞;3-滲水;4-泉水;5-透水巖石;6-不透水巖石 圖9-4表示康德斯特格(Kandersteg)隧洞由于滲水作用巖坡山崩而失事的例子。 隧洞原來設計為無壓隧洞，但后來卻成為有壓隧洞。中等程度的水壓力使襯砌造成裂縫。隧洞中的水從裂縫中滲出，流過透水層最后聚集在不透水巖層的頂部(圖9-4)。在山坡底部流出一股泉水，滲水使巖石性質(zhì)惡化，山坡變?yōu)椴环€(wěn)定而造成山體崩滑，使附近居民的生命財產(chǎn)受到很大的損失。這次失事，主要是襯砌部分受力過高而地質(zhì)條件又不好而引起的。巖石中的滲水是這次事故中的外因，巖石強度不夠

13、是內(nèi)因，外因通過內(nèi)因而起作用，滲水使巖石強度降低，造成了這次事故。這是一個典型的例子，可以說明許多類似失事的原因。9.2 影響邊坡穩(wěn)定性的因素 影響邊坡穩(wěn)定性的因素主要有內(nèi)在因素和外部因素兩方面，內(nèi)在因素包括組成邊坡的地貌特征、巖土體的性質(zhì)、地質(zhì)構(gòu)造、巖土體結(jié)構(gòu)、巖體初始應力等。外部因素包括水的作用、地震、巖體風化程度、工程荷載條件及人為因素。內(nèi)在因素對邊坡的穩(wěn)定性起控制作用，外部因素起誘發(fā)破壞作用。 1)巖土性質(zhì)和類型 巖性對邊坡的穩(wěn)定及其邊坡的坡高和坡角起重要的控制作用。堅硬完整的塊狀或厚層狀巖石如花崗巖、石灰?guī)r、礫巖等可以形成數(shù)百米的陡坡，如長江三峽峽谷。而在淤泥或淤泥質(zhì)軟土地段，由于淤

14、泥的塑性流動，幾乎難以開挖渠道，邊坡隨挖隨塌，難以成形。黃土邊坡在干旱時，可以直立陡峻，但一經(jīng)水浸土的強度大減，變形急劇，滑動速度快，規(guī)模和動能巨大，破壞力強且有崩塌性。松散地層邊坡的坡度較緩。 不同的巖層組成的邊坡，其變形破壞也有所不同，在黃土地區(qū)，邊坡的變形破壞形式以滑坡為主；在花崗巖、厚層石灰?guī)r、沙巖地區(qū)則以崩塌為主；在片巖、板巖、千枚巖地區(qū)則往往產(chǎn)生表層撓曲和傾倒等蠕動變形。在碎屑巖及松散土層地區(qū)，則產(chǎn)生碎屑流或泥石流等。 2)地質(zhì)構(gòu)造和巖體結(jié)構(gòu)的影響 在區(qū)域構(gòu)造比較復雜，褶皺比較強烈，新構(gòu)造運動比較活動的地區(qū)，邊坡穩(wěn)定性差。斷層帶巖石破碎，風化嚴重，又是地下水最豐富和活動的地區(qū)極易發(fā)

15、生滑坡。巖層或結(jié)構(gòu)的產(chǎn)狀對邊坡穩(wěn)定也有很大影響，水平巖層的邊坡穩(wěn)定性較好，但存在陡傾的節(jié)理裂隙，則易形成崩塌和剝落。同向緩傾的巖質(zhì)邊坡(結(jié)構(gòu)面傾向和邊坡坡面傾向一致，傾角小于坡角)的穩(wěn)定性比反向傾斜的差，這種情況最易產(chǎn)生順層滑坡。結(jié)構(gòu)面或巖層傾角愈陡，穩(wěn)定性愈差。如巖層傾角小于10°15°的邊坡，除沿軟弱夾層可能產(chǎn)生塑性流動外，一般是穩(wěn)定的；大于25°的邊坡，通常是不穩(wěn)定的；傾角在15°25°的邊坡，則根據(jù)層面的抗剪強度等因素而定。同向陡傾層狀結(jié)構(gòu)的邊坡，一般穩(wěn)定性較好，但由薄層或軟硬巖互層的巖石組成，則可能因蠕變而產(chǎn)生撓曲彎折或傾倒。反向傾斜

16、層狀結(jié)構(gòu)的邊坡通常較穩(wěn)定，但垂直層面或片理面的走向節(jié)理發(fā)育且順山坡傾斜，則亦易產(chǎn)生切層滑坡。 3)水的作用 地表水和地下水是影響邊坡穩(wěn)定性的重要因素。不少滑坡的典型實例都與水的作用有關(guān)或者水是滑坡的觸發(fā)因素，處于水下的透水邊坡將承受水的浮托力的作用，而不透水的邊坡，將承受靜水壓力；充水的張開裂隙將承受裂隙水靜水壓力的作用；地下水的滲流，將對邊坡巖土體產(chǎn)生動水壓力。水對邊坡巖體還產(chǎn)生軟化或泥化作用，使巖土體的抗剪強度大為降低；地表水的沖刷，地下水的溶蝕和潛蝕也直接對邊坡產(chǎn)生破壞作用。不同結(jié)構(gòu)類型的邊坡，有其自身特有的水動力模型。 (1) 靜水壓力 作用于邊坡的靜水壓力主要包括兩種情況：其一是當邊

17、坡被水庫淹沒時，庫水對邊坡面所產(chǎn)生的靜水壓力；其二是當裂隙巖石邊坡的張裂隙充水時，裂隙中的水壓力。 邊坡坡面上的靜水壓力：當邊坡被水淹沒，而邊坡的表部相對不透水時，坡面上將受一定的靜水壓力，靜水壓力的方向與坡面正交。當邊坡的滑動面(軟弱結(jié)構(gòu)面)的傾角小于坡角時，則坡面靜水壓力傳到滑動面上的切向分量為抗滑力，對邊坡穩(wěn)定有利。當時，則切向分量為下滑力，則不利于邊坡的穩(wěn)定。 邊坡裂隙靜水壓力：有張裂隙發(fā)育的巖石邊坡以及長期干旱的裂隙粘土邊坡，如果因降雨或地下水活動使裂隙充水，則裂隙面將承受靜水壓力(圖9-5)。靜水壓力的作用方向與裂隙面相垂直，其大小與裂隙水水頭有關(guān)。對部分充水的高角度裂隙，裂隙靜水

18、壓力w(取單寬坡體)為： (9-1)式中：H 裂隙水的水頭； L 裂隙充水的長度； 水的塊體密度。 圖9-5 裂隙靜水壓力 圖9-6 裂隙靜水壓力分布的不同情況 1出口節(jié)理敞開；2出口節(jié)理閉合 由于裂隙水活動的不規(guī)律性，巖體中的地下水位通常不是圓滑的曲線。在相鄰裂隙的地下水位不同時，地下水位高的裂隙較地下水位低的裂隙承受較大的靜水壓力，這種靜水壓力的差別，有時是使邊坡失穩(wěn)的原因之一。 由于地下水出口節(jié)理裂隙敞開情況不同，也影響裂隙水壓力的大小，因而影響邊坡的穩(wěn)定。如圖9-6所示，出口節(jié)理張開，地下水位低，裂隙水壓力?。怀隹诠?jié)理閉合，透水性差，則地下水位高，裂隙水壓力大。如作用在巖塊底部滑面上的

19、靜水壓力，有時可使覆巖塊隆脹(靜水壓力等于上覆巖塊重)，而使邊坡穩(wěn)定嚴重惡化。 (2)浮托力 處于水下的透水邊坡，承受浮托力的作用，使坡體的有效重量減輕，這對邊坡的穩(wěn)定不利。不少水庫周圍松散堆積層邊坡，在水庫蓄水時發(fā)生變形，浮托力的影響是原因之一。對處于極限穩(wěn)定狀態(tài)，依靠坡腳巖體重量保持暫時穩(wěn)定的邊坡，坡腳被水淹沒后，浮托力對邊坡穩(wěn)定的影響就更加顯著。 (3)動水壓力 動水壓力是地下水在流動過程中所施加于巖土體顆粒上的力。它是一種體積力，其數(shù)值為： (9-2)其中： 流動水體體積； 水的塊體密度； I 水力梯度。 動水壓力的方向和水流方向平行，在近似計算中，多假定與地下水面或滑面平行，如果動水

20、壓力方向和滑體滑動方向不一致，則應分解為垂直和平行于滑面的兩個分量參與穩(wěn)定計算。在邊坡穩(wěn)定的實際計算中，由于滲流方向不是定值，且水力梯度不易精確確定，一般則作簡化假定，以采用不同的滑體塊體密度將動水壓力的影響計入。即在地下水位以下靜水位以上有滲流活動的滑體，計算下滑力時，采用飽和塊體密度；計算抗滑力時，采用浮塊體密度。 4) 工程荷載 在水利水電工程中，工程荷載的作用影響邊坡的穩(wěn)定性。例如，拱壩壩肩承受的拱端推力、邊坡坡頂附近修建大型水工建筑物引起的坡頂超載、壓力隧洞內(nèi)水壓力傳遞給邊坡的裂隙水壓力、庫水對庫岸的浪擊淘涮力、為加固邊坡所施加的力，如預應力錨桿時所加的預應力等都影響邊坡的穩(wěn)定性。由

21、于工程的運行也可能間接地影響邊坡的穩(wěn)定，例如由引水隧洞運行中的水錘作用，使隧洞圍巖承受超靜水荷載，引起出口邊坡開裂變形等。 5）地震作用 地震對邊坡穩(wěn)定性的影響表現(xiàn)為累積和觸發(fā)(誘發(fā))等兩方面效應。 (1)累積效應 邊坡中由地震引起的附加力S的大小，通常以邊坡變形體的重量W與地震振動系數(shù)k之積表示(S=kW)。在一般邊坡穩(wěn)定性計算中，將地震附加力考慮為水平指向坡外的力。但實際上應以垂直與水平地震力的合力的最不利方向為計算依據(jù)。總位移量的大小不僅與震動強度有關(guān)，也與經(jīng)歷的震動次數(shù)有關(guān)，頻繁的小震對斜坡的累進性破壞起著十分重要的作用，其累積效果使影響范圍內(nèi)巖體結(jié)構(gòu)松動，結(jié)構(gòu)面強度降低。 (2)觸發(fā)

22、(誘發(fā))效應 觸發(fā)效應可有多種表現(xiàn)形式。在強震區(qū)，地震觸發(fā)的崩塌、滑坡往往與斷裂活動相聯(lián)系。高陡的陡傾層狀邊坡，震動可促進陡傾結(jié)構(gòu)面(裂縫)的擴展，并引起陡立巖層的晃動。它不僅可引發(fā)裂縫中的空隙水壓力(尤其是在暴雨期)激增而導致破壞，也可因晃動造成巖層根部巖體破碎而失穩(wěn)。 碎裂狀或碎塊狀邊坡，強烈的震動(包括人工爆破)甚至可使之整體潰散，發(fā)展為滑塌式滑坡。結(jié)構(gòu)疏松的飽和砂土受震液化或敏感粘土受震變形，也可導致上覆土體產(chǎn)生滑坡。海底斜坡失穩(wěn)，不少也與地震造成飽水固結(jié)土體的液化有關(guān)，這也是為什么在十分平緩的海底斜坡中會產(chǎn)生滑坡的重要原因之一。 我國巖質(zhì)邊坡工程實踐中，為量化評價爆破的影響，根據(jù)經(jīng)驗

23、采取降低計算結(jié)構(gòu)面的抗剪強度的方法實施，f值降低15%30%，c值降低20%40%。理論計算，降低的低值和高值分別相當于地震烈度度和度時造成的影響。9.3 邊坡穩(wěn)定分析與評價隨著人類工程活動向更深層次發(fā)展，在經(jīng)濟建設過程中，遇到了大量的邊坡工程，且規(guī)模越來越大，其重要程度也越高，有時會影響人類工程活動；并且人們更注重由于邊坡失穩(wěn)造成的地質(zhì)災害，故邊坡穩(wěn)定性研究一直是重中之重。邊坡穩(wěn)定性分析與評價的目的，一是對與工程有關(guān)的天然邊坡穩(wěn)定性作出定性和定量評價；二是要為合理地設計人工邊坡和邊坡變形破壞的防治措施提供依據(jù)。邊坡穩(wěn)定性分析評價的方法主要有：地質(zhì)分析法(歷史成因分析法)、力學計算法、工程地質(zhì)

24、類比法、過程機制分析法、理論體邊坡已有的變形跡象，闡明其形成演變機制。分析中要特別注意變形模式的轉(zhuǎn)化標志，它往往是失穩(wěn)的前兆。邊坡穩(wěn)定性分析方法很多，簡要歸納如下。9.3.1 邊坡穩(wěn)定性分析方法簡介1）定性分析方法主要是分析影響邊坡穩(wěn)定性的主要因素、失穩(wěn)的力學機制、變形破壞的可能方式及工程的綜合功能等，對邊坡的成因及演化歷史進行分析，以此評價邊坡穩(wěn)定狀況及其可能發(fā)展趨勢。該方法的優(yōu)點是綜合考慮影響邊坡穩(wěn)定性的因素，快速地對邊坡的穩(wěn)定性做出評價和預測。常用的方法有：（1） 地質(zhì)分析法（歷史成因分析法）根據(jù)邊坡的地形地貌形態(tài)、地質(zhì)條件和邊坡變形破壞的基本規(guī)律，追溯邊坡演變的全過程，預測邊坡穩(wěn)定性發(fā)

25、展的總趨勢及其破壞方式，從而對邊坡的穩(wěn)定性做出評價，對已發(fā)生過滑坡的邊坡，則判斷其能否復活或轉(zhuǎn)化。（2） 工程地質(zhì)類比法其實質(zhì)是把已有的自然邊坡或人工邊坡的研究設計經(jīng)驗應用到條件相似的新邊坡的研究和人工邊坡的研究設計中去。需要對已有邊坡進行詳細的調(diào)查研究，全面分析工程地質(zhì)因素的相似性和差異性，分析影響邊坡變形發(fā)展的主導因素的相似性和差異性，同時，還應考慮工程的類別、等級及其對邊坡的特定要求等。它雖然是一種經(jīng)驗方法，但在邊坡設計中，特別是在中小型工程的設計中是很通用的方法。（3）圖解法圖解法可以分為兩類： 用一定的曲線和偌謨圖來表征邊坡有關(guān)參數(shù)之間的定量關(guān)系，由此求出邊坡穩(wěn)定性系數(shù)，或已知穩(wěn)定系

26、數(shù)及其它參數(shù)（、c、r、結(jié)構(gòu)面傾角、坡角、坡高）僅一個未知的情況下，求出穩(wěn)定坡角或極限坡高。這是力學計算的簡化。 利用圖解求邊坡變形破壞的邊界條件，分析軟弱結(jié)構(gòu)面的組合關(guān)系，分析滑體的形態(tài)、滑動方向，評價邊坡的穩(wěn)定程度，為力學計算創(chuàng)造條件。常用的為赤平極射投影分析法及實體比例投影法。（4）邊坡穩(wěn)定專家系統(tǒng)工程地質(zhì)領域最早研制出的專家系統(tǒng)是用于地質(zhì)勘察的專家系統(tǒng) Propecter，由斯坦福大學于70年代中期完成的。另外，MIT在80 年代中期研制的測井資料咨詢的專家系統(tǒng)也得到成功地應用。在國內(nèi)，許多單位正在進行研制，并取得了很多的成果。專家系統(tǒng)使得一般工程技術(shù)人員在解決工程地質(zhì)問題時能象有經(jīng)驗

27、的專家給出比較正確的判斷并做出結(jié)論，因此，專家系統(tǒng)的應用為工程地質(zhì)的發(fā)展提供了一條新思路。2） 定量評價方法實質(zhì)是一種半定量的方法，雖然評價結(jié)果表現(xiàn)為確定的數(shù)值，但最終判定仍依賴人為的判斷。目前，所有定量的計算方法都是基于定性方向之上。（1） 極限平衡法極限平衡法在工程中應用最為廣泛，這個方法以摩爾庫侖抗剪強度理論為基礎，將滑坡體劃分為若干條塊，建立作用在這些條塊上的力的平衡方程式，求解安全系數(shù)。這個方法，沒有象傳統(tǒng)的彈、塑性力學那樣引入應力應變關(guān)系來求解本質(zhì)上為靜不定的問題，而是直接對某些多余未知量作假定，使得方程式的數(shù)量和未知數(shù)的數(shù)量相等，因而使問題變得靜定可解。根據(jù)邊坡破壞的邊界條件，應

28、用力學分析的方法，對可能發(fā)生的滑動面，在各種荷載作用下進行理論計算和抗滑強度的力學分析。通過反復計算和分析比較，對可能的滑動面給出穩(wěn)定性系數(shù)。剛體極限平衡分析方法很多，在處理上，各種條分法還在以下幾個方面引入簡化條件：（1）對滑裂面的形狀作出假定，如假定滑裂面形狀為折線、圓弧、對數(shù)螺旋線等；（2）放松靜力平衡要求，求解過程中僅滿足部分力和力矩的平衡要求；（3）對多余未知數(shù)的數(shù)值和分布形狀做假定。該方法比較直觀、簡單，對大多數(shù)邊坡的評價結(jié)果比較令人滿意。該方法的關(guān)鍵在于對滑體的范圍和滑面的形態(tài)進行分析，正確選用的滑面計算參數(shù)，正確地分析滑體的各種荷載。基于該原理的方法很多，如條分法、圓弧法、Bi

29、shop法、Janbu法、不平衡傳遞系數(shù)法等。 目前，剛體極限平衡方法已經(jīng)從二維發(fā)展到目前的三維。有關(guān)邊坡穩(wěn)定三維極限平衡方法，已有眾多文獻介紹研究成果。下面就幾種常用的方法做介紹。（2） 數(shù)值分析方法主要是利用某種方法求出邊坡的應力分布和變形情況，研究巖體中應力和應變的變化過程，求得各點上的局部穩(wěn)定系數(shù)，由此判斷邊坡的穩(wěn)定性。主要有以下幾種：有限單元法（FEM）該方法是目前應用最廣泛的數(shù)值分析方法。其解題步驟已經(jīng)系統(tǒng)化，并形成了很多通用的計算機程序。其優(yōu)點是部分地考慮了邊坡巖體的非均質(zhì)、不連續(xù)介質(zhì)特征，考慮了巖體的應力應變特征，因而可以避免將坡體視為剛體、過于簡化邊界條件的缺點，能夠接近實際

30、地從應力應變分析邊坡的變形破壞機制，對了解邊坡的應力分布及應變位移變化很有利。其不足之處是：數(shù)據(jù)準備工作量大，原始數(shù)據(jù)易出錯，不能保證整個區(qū)域內(nèi)某些物理量的連續(xù)性；對解決無限性問題、應力集中問題等其精度比較差。邊界單元法（BEM）該方法只需對已知區(qū)的邊界極限離散化，因此具有輸入數(shù)據(jù)少的特點。由于對邊界極限離散，離散化的誤差僅來源于邊界，區(qū)域內(nèi)的有關(guān)物理量是用精確的解析公式計算的，故邊界元法的計算精度較高，在處理無限域方面有明顯的優(yōu)勢。其不足之處為：一般邊界元法得到的線性方程組的關(guān)系矩陣是不對稱矩陣，不便應用有限元中成熟的對稀疏對稱矩陣的系列解法。另外，邊界元法在處理材料的非線性和嚴重不均勻的邊

31、坡問題方面，遠不如有限元法。離散元法（DEM）是由Cundall（1971）首先提出的。該方法利用中心差分法解析動態(tài)松弛求解，為一種顯式解法，不需要求解大型矩陣，計算比較簡便，其基本特征在于允許各個離散塊體發(fā)生平動、轉(zhuǎn)動、甚至分離，彌補了有限元法或邊界元法的介質(zhì)連續(xù)和小變形的限制。因此，該方法特別適合塊裂介質(zhì)的大變形及破壞問題的分析。其缺點是計算時步需要很小，阻尼系數(shù)難以確定等。離散單元法可以直觀地反映巖體變化的應力場、位移場及速度場等各個參量的變化，可以模擬邊坡失穩(wěn)的全過程。塊體理論（BT）是由Goodman和Shi（1985）提出的，該方法利用拓撲學和群論評價三維不連續(xù)巖體穩(wěn)定性。其建立在

32、構(gòu)造地質(zhì)和簡單的力學平衡計算的基礎上。利用塊體理論能夠分析節(jié)理系統(tǒng)和其它巖體不連續(xù)系統(tǒng)，找出沿規(guī)定臨空面巖體的臨界塊體。塊體理論為三維分析方法，隨著關(guān)鍵塊體類型的確定，能找出具有潛在危險的關(guān)鍵塊體在臨空面的位置及其分布。塊體理論不提供大變形下的解答，能較好地應用于選擇邊坡開挖的方向和形狀。9.3.2 圓弧法巖坡穩(wěn)定分析 對于均質(zhì)的以有及沒有斷裂面的巖坡，在一定條件下可看作平面問題，用圓弧法進行穩(wěn)定分析。圓弧法是最簡單的分析方法之一。 在用圓弧法進行分析時，首先假定滑動面為一圓弧(圖9-7)，把滑動巖體看作為剛體，求滑動面上的滑動力及抗滑力，再求這兩個力對滑動圓心的力矩?；瑒恿睾涂够刂龋?/p>

33、即為該巖坡的穩(wěn)定安全系數(shù)： 如果，則沿著這個計算滑動面是穩(wěn)定的；如果1，則是不穩(wěn)定的；如果，則說明這個計算滑動面處于極限平衡狀態(tài)。 由于假定計算滑動面上的各點覆蓋巖石重量各不相同，因此，由巖石重量引起在滑動面上各點的法向壓力也不同?？够χ械哪Σ亮εc法向應力的大小有關(guān)，所以應當計算出假定滑動面上各點的法向應力。為此可以把滑弧內(nèi)的巖石分條，用所謂條分法進行分析。 如圖9-7，把滑體分為n條，其中第i條傳給滑動面上的重量為，它可以分解為二個力：一是垂直于圓弧的法向力，另一是切于圓弧的切向力。由圖可見： (9-3) 力通過圓心，其本身對巖坡滑動不起作用。但是可使巖條滑動面上產(chǎn)生摩擦力(為該弧所在的巖

34、體的內(nèi)摩擦角)，其作用方向與巖體滑動方向相反，故對巖坡起著抗滑作用。此外，滑動面上的凝聚力c也是起抗滑作用的，所以第i條巖條滑弧上的抗滑力為：因此第i條產(chǎn)生的抗滑力矩為： 式中 第i條滑弧所在巖層的凝聚力； 第i條滑弧所在巖層的內(nèi)摩擦角 第i條巖條的滑弧長度。 同樣，對每一巖條進行類似分析，可以得到總的抗滑力矩為： 式中 n 分條數(shù)目，圖9-6中等于6。 而滑動面上總的滑動力矩為： (9-4) 將式(9-4)及式(9-5)代入安全系數(shù)公式，得到假定滑動面上的安全系數(shù)為 (9-5) 由于圓心和滑動面是任意假定的，因此要假定多個圓心和相應的滑動面作類似的分析，進行試算，從中找到最小的安全系數(shù)，即為

35、真正的安全系數(shù)，其對應的圓心和滑動面即為最危險的圓心和滑動面。 根據(jù)用圓弧法的大量計算結(jié)果，有人已經(jīng)繪制了如圖9-8所示的曲線，該曲線表示當一定的任何物理力學性質(zhì)時坡高與坡角的關(guān)系。在圖上，橫軸表示坡角，縱軸表示坡高系數(shù)，表示均質(zhì)垂直巖坡的極限高度，亦即坡頂張裂縫的最大深度，用下式計算： (9-6) 利用這些曲線可以很快地決定坡高或坡角，其計算步驟如下： 1)根據(jù)巖體的性質(zhì)指標(、)按(9-6)式確定； 2)如果已知坡角，需要求坡高，則在橫軸上找到已知坡角值的那點，自該點向上作一垂直線，相交于對應已知內(nèi)摩擦角的曲線，得一交點，然后從這一點作一水平線交于縱軸，求得，將乘以，即得所要求的坡高H (

36、9-7) 3)如果已知坡高H需要確定坡角，則首先用下式確定 根據(jù)這個，從縱軸上找到相應點，通過該點作一水平線相交于對應已知的曲線，得一交點，然后從該交點作向下的垂直線交于橫軸，求得坡角。 例題 9-1 已知均質(zhì)巖坡的=26°，c=400千帕，=25千米/米3，問當巖坡高度為300米時，坡角應當采用多少度？ 1)根據(jù)已知的巖石指標計算米 2)計算 3)按照圖9-7的曲線，根據(jù)=26°以及=5.9，求得為：9.3.3 平面滑動穩(wěn)定分析方法 1）平面滑動的一般條件 巖坡沿著單一的平面發(fā)生滑動，一般必須滿足下列幾何條件(見圖9-9)； （1）滑動面的走向必須與坡面平行或接近平行(約

37、在的范圍內(nèi))； （2）滑動面必須在邊坡面露出，即滑動面的傾角必小于坡面的傾角，即； （3）滑動面的傾角必大于該平面的摩擦角，即； （4）巖體中必須存在對于滑動阻力很小的分離面，以定出滑動的側(cè)面邊界。 2）平面滑動分析 大多數(shù)巖坡在滑動之前坡頂上或在坡面上出現(xiàn)張裂縫，如圖9-9所示。張裂縫中不可避免地還充有水，從而產(chǎn)生側(cè)向水壓力，使巖坡的穩(wěn)定性降低。在分析中往往作下列假定： 滑動面及張裂縫的走向平行于坡面； 張裂縫垂直，其中充水深度為； 水沿張裂縫底進入滑動面滲漏，張裂縫底與坡趾間的長度內(nèi)水壓力按線性變至零(如圖9-9所示的三角形分布)： 滑動塊體重量W、滑動面上水壓力U和張裂縫中水壓力V三均通

38、過滑體的重心。換言之，假定沒有使巖塊轉(zhuǎn)動的力矩，破壞只是由于滑動。一般而言，忽視力矩造成的誤差可以忽略不計，但對于具有陡傾斜不連續(xù)面的陡邊坡要考慮可能產(chǎn)生傾倒破壞。 潛在滑動面上的安全系數(shù)，要按極限平衡條件求得。這時，安全系數(shù)等于總抗滑力與總滑動力之比，即 (9-8) 式中 L 滑動面長度(每單位寬度內(nèi)的面積)，它等于： (9-9) (9-10) (9-11) W按下列公式計算，當張裂縫位于坡頂面時： (9-12) 當張裂縫位于坡面上時： (9-13) 當邊坡的幾何要素和張裂縫內(nèi)的水深為已知時，用上列這些公式計算安全系數(shù)很簡單。但有時需要對不同的邊坡幾何要素、水深、不同抗剪強度的影響進行比較，

39、這時用上述方程式計算就相當麻煩。為了簡化起見，可以將方程式(9-8)重新整理為下列的無量綱的形式： (9-14) 式中 (9-15) 當張裂縫在坡頂面上時： (9-16) 當張裂縫在坡面上時： (9-17) (9-18) (9-19) P、Q、R、S均為無量綱的，即它們只取決于邊坡的幾何要素，而不取決于邊坡尺寸。因此，當凝聚力c=0時，安全系數(shù) 不取決于邊坡的具體尺寸。 圖9-10、圖9-11、圖9-12分別表示各種幾何要素的邊坡的P、S、Q的值，可供計算使用，兩種張裂縫的位置都包括在Q比值的圖解曲線中，所以不論邊坡外形如何，都不需檢查張裂縫的位置，就能求得Q值。但應注意，張裂縫的深度一律從坡

40、頂面算起。 例題 9-2 設有一巖石邊坡，高30.5米，坡角，坡內(nèi)有一層面穿過，層面的傾角為。在邊坡坡頂面線8.8米處有一條張裂縫，其深度為Z=15.2米。巖石塊體密度為千牛頓/米3。層面的凝聚力千帕，內(nèi)摩擦角，求水深對邊坡安全系數(shù)的影響。 解 當Z/H=0.5時，由圖9-10和圖9-12查得P=1.0和Q=0.36。 對于不同的，R(從式(9-17)和S(從圖9-10)的值為：1.00.50R0.1950.0980S0.260.130 又知。 所以，當張裂縫中水深不同時，根據(jù)式(9-14)式計算的安全系數(shù)變化如下：1.00.500.771.101.34 將這些值繪成圖9-13的曲線，可見張裂

41、縫中的水深對巖坡安全系數(shù)的影響很大。因此，采取措施防止水從頂部進入張裂縫，是提高安全系數(shù)的有效辦法。9.3.4 雙平面滑動巖坡穩(wěn)定分析 巖坡內(nèi)有兩條相交的結(jié)構(gòu)面，形成潛在的滑動面（圖9-14）。上面的滑動面的傾角大于結(jié)構(gòu)面內(nèi)摩擦角，即，設，則其上巖塊體有下滑的趨勢，從而通過接觸面將力傳遞給下面的塊體，今稱上面的巖塊體為主動滑塊體。下面的潛在滑動面的傾角小于結(jié)構(gòu)面的內(nèi)摩擦角，即，按原理下面的塊體是不致滑動的，但是它受到了上面滑動塊體傳來的力，使之也可能滑動，今稱下面的巖塊體為被動滑塊體。為了使巖體保持平衡，必須對巖體施加支撐力，該力與水平線成角。假設主動塊體與被動塊體之間的邊界面為垂直，對上、下

42、兩滑動體分別進行圖9-14所示力系的分析，可以得到為極限平衡而所需施加的支撐力： (9-20) 式中、以及分別為上面滑動面、下滑動面以及垂直滑動面上所用的摩擦角；和分別為單位寬度主動和被動滑塊體的重量。 為了簡單起見，假定所有摩擦角是相同的，即。 如果已知、和之值，則可以用下列方法確定巖坡的安全系數(shù)：首先用公式(9-19)確定保持極限平衡而所需要的摩擦角值(或)，然后將巖體結(jié)構(gòu)面上的設計彩的內(nèi)摩擦角值(或)與之比較，用下列公式確定安全系數(shù)： (9-21) 在開始滑動的實際情況中，通過巖坡的位移測量可以確定出坡壩、坡趾以及其它各處的總位移的大小和方向。如果總位移量在整個巖坡中到處一樣，并且位移的

43、方向是向外的和向下的，則可能是剛性滑動的運動型式。于是，總位移矢量的方向可以用來定出和的值，并且張裂縫的位置可確定和的值。假設安全系數(shù)為1，可以計算出(或)的值，比值即為方程(9-20)的根。今后如果在主動區(qū)開挖或在被動區(qū)填方或在被動區(qū)進行錨固，這些新條件下的所需的內(nèi)摩擦角(或)也可從式(9-20)得出。在新條件下的安全系數(shù)的增加也就不難求得。9.3.5 力多邊形法巖坡穩(wěn)定分析 如圖9-15(a)所示，兩個或兩個以上多平面的滑動或者其它形式的折線和不規(guī)則曲線的滑動，都可以按照極限平衡條件，用力多邊形(分條圖解)法來進行分析。 假定根據(jù)工程地質(zhì)分析，ABC是一個可能的滑動面，將這個滑動區(qū)域(簡稱

44、為滑楔)用垂直線劃分為若干巖條，對于每一巖條都考慮到相鄰巖條的反作用力，并繪制每一巖條的力多邊形。以第i條為例，巖條上作用著下列各力(圖9-15，b)： 所考慮的第i條巖條的重量； 相鄰的上面的巖條對i條巖條的反作用力； 相鄰的上面的巖條與i條巖條垂直界面之間的凝聚力(這里c為單位面積凝聚力，為相鄰交界線的長度)；與組成合力； 相鄰的下面的巖條對i條巖條的反作用力； 相鄰的下面的巖條對i條巖條之間的凝聚力(為相鄰交界線的長度)；與組成合力； 第i條巖條底部的反作用力； 第i條巖條底部的凝聚力(為i條底部的長度)。 根據(jù)這些力，繪制力的多邊形如圖9-15(c)所示。在計算時，應當從上各下(在本例

45、中也就是從右向左)自第一塊巖條一個一個地循序進行圖解計算(在圖中分為6條)，一直計算到最下面的一塊巖條。力的多邊形可以繪在同一圖上，如圖9-15(d)所示。如果繪制到最后一個力多邊形是閉合的，則就說明巖坡剛好是處于平衡狀態(tài)，也就是穩(wěn)定安全系數(shù)等于1(圖9-15(d)的實線)。如果繪出的力多邊形不閉合，如圖9-15(d)左邊的虛線箭頭所示，則說明該巖坡是不穩(wěn)定的，因為為了圖形的閉合還缺少一部分凝聚力。如果最后的力多邊形如右邊的虛線箭頭所示，則說明巖坡是穩(wěn)定的，因為為了多邊形的閉合還少用一些凝聚力，亦即凝聚力還有多余。 用巖體的凝聚力c和內(nèi)摩擦角進行上述的這種分析，只能看到巖坡是穩(wěn)定的還是不穩(wěn)定的

46、，但不能求出巖坡的穩(wěn)定安全系數(shù)來。為了求得安全系數(shù)必須進行多次的試算。這時一般可以先假定一個安全系數(shù)，例如，把巖體的凝聚力c和內(nèi)摩擦系數(shù)都除以，亦即得到 (9-22) 然后，用、進行上述圖解驗算。如果圖解結(jié)果，力多邊形剛好是閉合的，則所假定的安全系數(shù)就是在這一滑動面下的巖坡安全系數(shù)；如果不閉合，則重新假定安全系數(shù)，用，進行計算，直至閉合為止，求出真正的安全系數(shù)。 如果巖坡有水壓力、地震力以及其它的力也可在圖解中把它們包括進去。9.3.6 近代理論計算法 近代理論計算分析是將土力學、巖石(巖體)力學、彈塑性力學、斷裂力學、損傷力學等多種力學和數(shù)學計算方法應用于邊坡穩(wěn)定性的定量評價和預測。量化分析

47、涉及到穩(wěn)定性計算、失穩(wěn)時間預報、穩(wěn)定空間預測等。目前采用的主要計算方法見表9-1。 實踐證明，任何計算方法的成功都必須建立在深入查明原型特征和作出符合實際情況的演化機制分析的基礎之上，機制分析至少從以下幾個方面為理論計算提供了必不可少的信息。 (1)力學模型和數(shù)學模型 必須根據(jù)地質(zhì)和演化機制模式建模。潛在破壞面的位置和形態(tài)特征、坡體中的變形破裂跡象，以及水動力學模式等，均要通過變形破壞機制分析加以確定。 (2)主導因素和敏感因素 根據(jù)邊坡形成演化全過程與各環(huán)境動力因素的相關(guān)分析加以確定的主導因素和敏感因素，不僅是單體斜坡穩(wěn)定性計算中建立動力作用模型的依據(jù)，而且也是群體邊坡穩(wěn)定性評價時確定權(quán)值和隸屬度等有關(guān)參數(shù)的重要信息。 (3)計算參數(shù)的選取 坡體各種強度參數(shù)和物理、水理性質(zhì)等參數(shù)，都是隨邊坡演化而變化的變量，因而只有判明邊坡的演化機制和發(fā)展階段，才能正確選定。例如進入滑移面貫通階段的變形體，滑移面強度已接近殘余值；緩慢變形的蠕變體，可采用流變試驗確定有關(guān)參數(shù)。此外在采用反演分析推定參數(shù)時，也必須對變形破壞機制和(或)破壞后運動學特征作出正確判斷。 (4)計算方法的選擇 如表9-1所示，方法的選擇也要建立在機制分析的基礎上。變形破壞判據(jù)計