边坡稳定性分析方法（共12篇）
边坡稳定性分析方法 篇1
摘要：介绍了边坡体稳定性分析的一些计算方法, 着重描述了这些方法的研究现状及其特点, 并对边坡稳定性分析方法的发展做了展望, 提出边坡稳定性分析方法的应用模式:根据实际边坡工程的具体特点及使用目的, 同时利用多种分析方法进行综合分析验证, 以得出一个客观、可靠、合理的边坡稳定性分析评价结果。
关键词：边坡稳定性,分析方法,研究现状,应用模式
1 概述
边坡发生破坏失稳是一种复杂的地质灾害过程, 由于边坡内部结构的复杂性和组成边坡岩石物质的不同, 造成边坡破坏具有不同模式。对于不同的破坏模式就存在不同的滑动面, 因此应采用不同的分析方法及计算公式来分析其稳定状态。目前边坡稳定性的分析方法归结起来可分为两类:即确定性方法和不确定性方法, 确定性方法是边坡稳定性研究的基本方法, 它包括极限平衡法、数值方法、块体理论法、赤平极射投影法等。它们将影响边坡稳定性的各种因素都作为确定的量来考虑。例如, 极限平衡法是通过潜在滑体的受力分析, 引入莫尔—库仑强度准则, 根据滑坡的力 (力矩) 平衡, 建立边坡安全系数表达式进行定量评价, 这种方法由于安全系数的直观性至今仍被工程界广泛应用, 目前, 我国边坡工程研究人员根据工程实际引入临界滑移理论进行露天边坡的评价也属于此法。这种方法的关键在于正确判断临界破坏面的位置和选定计算参数, 这些都需要依靠经验确定。数值方法在20世纪60年代被引入边坡稳定性分析中, 它包括有限元法、边界元法、离散元法及混合法等。数值方法能从较大范围考虑介质的复杂性、全面地分析边坡的应力应变状态。有助于对边坡变形和破坏机理的认识, 较极限平衡方法有很大改进和补充。
2 边坡稳定性分析与评价的国内外研究现状
2.1 极限平衡法
1927年, Fellenius提出了边坡稳定分析的圆弧滑动分析方法, 即瑞典圆弧法, 它是边坡稳定分析领域中最早的一种方法, 该方法假设土条底面的法向力可以简单地看作是土条重量在底面法线方向的投影。虽然假设过于简单, 但是构成了条分法的雏形。同时, 由于滑动面是圆弧, 因此法向力通过圆心且对圆心取矩时不出现, 使计算工作大大简化。同时, 本法可直接求得安全系数, 不需要迭代求解。因此在没有计算机的年代, 这是一个实用的方法。之后, Bishop对传统的瑞典圆弧法作了重要改进。首先, 他提出了安全系数的定义, 即对F的定义。然后假设土条间的作用力为水平方向, 再通过土条在竖直方向上的静力平衡条件求出土条底面上的法向力。同样, Bishop通过边坡整体力矩平衡方程来确定安全系数F。由于建立的力矩平衡方程是关于F的隐式方程, 因此需要迭代求解F, 该方法一般称为简化Bishop法。Morgenstem & Priee提出了适用于任意形状滑动面的严格方法, 它满足了所用的静力平衡条件, 同时允许条间力的作用方向发生改变。Spencer假设条间力倾角为一常数, 通过整体力和力矩平衡方程来求安全系数F。它实际上是Morgenstern-Price法中的一个特例, Janbu同样假设土条间的作用力为水平方向, 通过土条在竖直方向上的静力平衡条件求出土条底面上的法向力。但是, Janbu通过边坡整体在水平向的静力平衡来确定安全系数F, 同样需要迭代求解, 该方法一般称为简化Janbu法。Celestino和Duncan以及Chen和Shao等学者, 采用优化方法对最危险滑动面和最小安全系数进行了自动搜索。周继瑶提出了搜索最危险圆弧滑动面的单纯形法。Kim和Kee等又应用有限单元法建立了一种依据应力场搜索最危险圆弧滑动面的方法。1999年, 莫海鸿应用模式搜索法对边坡最危险滑动面及其对应的最小安全系数进行了搜索。2000年, 马忠政等提出了圆弧滑动面的三向搜索法。同年, 赵宇提出了最危险圆弧滑动面位置的力学分析法。这些方法操作步骤均较为复杂, 在实际应用中多为不便。
2.2 塑性极限分析
塑性极限分析考虑理想塑性的应力—应变关系, 最早由Drucker和Prager于1952年提出。利用塑性极限分析法研究边坡的稳定性时, 不研究边坡变形的全过程, 而是假设土体为刚塑性体, 即当边坡中的应力小于屈服应力时, 土体就像刚体一样不变形;而当应力达到屈服应力时, 土体就像理想塑性体那样产生塑性流动, 坡体的局部或全部进入塑性状态, 边坡就丧失了稳定性。边坡的稳定分析主要建立在上、下限定理的基础上。1) 下限定理:在所有与静力容许的应力场相对应的荷载中, 极限荷载最大。2) 上限定理:在所有与机动容许的速度场相对应的荷载中, 极限荷载最小。
因此, 塑性极限分析法的关键是构造静力容许的应力场和机动容许的速度场。塑性极限分析法的理论基础是塑性力学的塑性位势理论。在塑性分析中, 塑性上、下限定理具有十分重要的地位。在边坡稳定分析中, 上、下限定理可以建立在安全系数的基础上。但是, 塑性极限分析方法得出的只是安全系数的一个范围, 而且只能得出非常理想条件下边坡稳定的解析解;在上、下限解相同时, 才可以认为得到了精确解答, 而在一般情况下坡体到底是否稳定较难明确判定。
2.3 强度折减法 (数值方法)
自1975年Zienkiewicz等用此法分析边坡以来, Ugai, Matsui & San, Griffiths & Lane, Dawson & Roth等都对此做了研究。国内宋二祥由土工结构安全系数的定义来说明强度折减法, 并用该法分析计算了土坝稳定问题和土工织物加筋路基的安全系数, 连镇营用该法研究了开挖边坡的稳定性;郑颖人和赵尚毅等对该法的精度及运用做了系统详细的研究, 此外迟世春、郑宏等也进行了相应的研究工作。尽管他们的研究具体细节不同, 但其数值计算结果都说明了此法在边坡稳定分析中的适用性。随着计算机软件、硬件的飞速发展, 采用理论体系更为严格的方法进行边坡稳定分析早已成为可能。强度折减法全面满足了静力许可应变相容和应力—应变之间的本构关系;同时, 因为是采用数值分析方法, 可以不受边坡几何形状不规则和材料不均匀的限制, 是分析边坡应力、变形和稳定性比较理想的方法。
2.4 随机搜索方法
随机搜索方法分为随机产生方法和随机修改方法。随机产生方法就是由计算机随机地产生大量的假设滑动面, 分别对其进行安全系数的计算和比较, 认为其中安全系数最小的滑动面即为临界滑动面。Siegel采用了这种方法。随机修改策略是在现有最优解基础上进行微小的随机修改, 然后把新滑动面与原滑动面进行比较, 找到两者中相对较优的解答。然后在这个新的最优解基础上依次搜索下去, 直至满足相应的收敛标准。Greco采用了这种方法。从搜索效率上来讲, 随机修改方法比随机产生方法要高。
2.5 可靠性方法
这是目前在边坡稳定性分析中应用最广泛的不确定性方法。边坡工程可靠性分析就是基于对边坡土体性质、荷载、工程地质条件、计算模型等的不确定性的认识, 结合边坡系统的具体情况, 采用概率分析方法和可靠度尺度描述边坡工程系统的质量。分析中采用的破坏概率又是某种意义上的风险概率, 因此, 边坡可靠性分析对于边坡工程的经济风险分析和优化决策具有现实意义。
2.6 有限元方法
有限单元法是数值模拟方法在边坡稳定评价中应用得最早的方法, 也是目前使用最广泛的一种数值方法, 可以用来求解弹性、弹塑性、粘弹塑性、粘塑性等问题。其优点是部分地考虑了边坡土体的非均质和不连续性, 可以给出土体的应力、应变大小和分布, 避免了极限平衡分析法中将滑体视为刚体而过于简化的缺点, 可近似地根据应力、应变规律去分析边坡的变形破坏机制;但它还不能很好地求解大变形和位移不连续问题, 对于无限域、应力集中等问题的求解还不理想。
目前, 已经开发了多个二维及三维有限元分析程序, 可以用来求解弹性、弹塑性、粘弹塑性、粘塑性等问题。有限元法的优点是部分地考虑了边坡土体的非均质和不连续性, 可以给出土体的应力、应变大小与分布, 避免了极限平衡分析法中将滑体视为刚体而过于简化的缺点, 能使我们近似地从应力应变去分析边坡的变形破坏机制, 分析最可能、最容易发生屈服破坏的部位和需要首先进行加固的部位等, 而且它还能求解大变形问题。但它还不能很好求解位移不连续等问题, 对于无限域、应力集中问题等的求解还不理想。在采用小变形有限元法分析边坡稳定性方面, 已有不少学者进行了大量研究, 在采用小变形有限元法分析边坡稳定性方面, 已有不少学者进行了大量研究, 并取得一些成果。Brown和King首次采用有限元计算匀质边坡的剪应力分布情况。在采用大变形有限元法分析边坡稳定性方面, 研究表明采用大变形有限元方法分析此类边坡的变形行为比传统的小应变有限元更为合理、更符合实际。E.A.Meroi, B.A.Schrefler和O.O.Zienkiewiez (1995年) 采用Biot固结理论和更新的拉格朗日方法建立了非饱和土的静态和动态弹塑性固结大变形有限元公式, 并用大变形有限元法与小变形有限元法对高边坡的变形作了对比分析。何伟 (2001年) 采用弹—粘塑性大变形有限单元法对边坡的变形及失稳过程进行了可视化数值模拟。张士兵 (2003年) 以非线性场论为理论基础, 采用弹塑性大变形有限元理论并结合强度折减法对黄土边坡进行稳定性分析。
2.7 DDA方法
由石根华与Goodman提出的块体系统不连续变形分析 (Discontinuous Deformation Analysis) 是基于土体介质、非连续性发展起来的一种崭新的数值分析方法。节理面切割土体形成不同的块体单元, 单个块体内部满足连续介质的变形协调方程和本构关系, 但块体间不满足变形协调关系, 块体间的本构关系是通过假定刚度来实现, DDA中的本构关系为块体所受的合外力与块体位移之间的关系。此法的计算网格与土体物理网格一致, 可以反映土体连续和不连续的具体部位。它考虑了变形的不连续性和时间因素, 既可以计算静力问题, 又可以计算动力问题, 还可以计算破坏前的小位移及破坏后的大位移, 如滑动、崩塌、爆破及贯入等, 特别适合于边坡极限状态的设计计算。DDA法是兼具有限元与离散元法二者之部分优点的一种数值方法, 其一个时步内的求解过程更像有限元法, 而在块体运动学求解方面更类似于离散元法。但是, 土体种类繁多, 性质极为复杂, 计算时步的大小对结果影响很大, 且需耗用大量的计算机内存及计算时间, 计算方法的优化和改良还有待进一步研究。
2.8 遗传算法
遗传算法是一类随机算法, 它模仿生物的进化和遗传, 从某一初始群体出发, 根据达尔文进化论中的“生存竞争”和“优胜劣汰”原则, 借助复制、杂交、变异等操作, 不断迭代计算, 经过若干代的演化后, 群体中的最优值逐步逼近最优解, 直至最后达到全局最优。它将问题的解以位串编码形式表示来实现这些操作。它不受搜索空间的限制性假设的约束 (如连续性、导数存在等) , 从一群点开始搜索, 能从离散的、多极值的、含有噪声的高维问题中以很大的概率找到全局最优解, 且适用于大规模并行计算。基于圆弧滑动面假设, 提出一种用遗传算法搜索边坡最危险滑动面及最小安全系数的方法, 减小了工作量。
3 边坡稳定性分析方法展望
随着数值分析方法的不断发展, 不同数值方法的相互耦合成为一大发展趋势。如有限元, 离散元与块体元等的相互耦合, 数值解和解析解的结合, 这些方法的耦合能充分发挥各自的优点, 解决更复杂的边坡问题。其应用能在一定程度上彼此取长补短, 以适应岩体的非均质、不连续、无限域等特征, 使计算变得高效、合理与经济。由于数值方法的局限性和新理论仍处于初期阶段, 实际边坡工程又极其复杂, 因此任何单一的理论和方法都不可能较好地解决具体问题, 实际分析中应以边坡的地质条件和地质模型为基础, 将数值计算方法和广义系统分析原理、非线性理论等有机地结合起来, 用动态历史观、机制分析观、仿真模拟观、优化设计观等科学观念, 建立完整、系统的边坡稳定性分析理论和方法。因而, 在实际工程中, 应根据边坡工程的具体特点及使用目的, 最好能同时利用多种分析方法进行综合分析验证, 力求得出一个更加客观、可靠、合理的评价结果。
参考文献
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边坡稳定性分析方法 篇2
边坡稳定性评价方法综述
通过收集国内外文献,介绍了边坡稳定性评价的`定性评价方法和定量评价方法中的各种方法及其特点,为工程人员选用边坡稳定评价方法提出了建议.
作 者：杨俊凯 作者单位：铁道第四勘察设计院集团有限公司,430063刊 名：中国科技信息英文刊名：CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION年，卷(期)：“”(16)分类号：U4关键词：边坡稳定 定性评价方法 定量评价方法
加强公路边坡稳定性的措施分析 篇3
关键词：公路边坡稳定性
0 引言
随着社会经济的飞速发展，高等级公路的建设已深入到全国各地，但是由于公路等级的提高，地形困难路段修建的公路越来越多，有时候边坡问题制约了我们公路建设的进度、质量和投资控制，也影响到今后公路的养护和环境保护。从新闻中我们也看到往往连续几场大雨过后，一些边坡滑动、崩塌和冲刷十分严重，影响较大。因此，公路边坡问题的重要性已是提到议事日程的重要技术问题之一。
1 公路边坡失稳的分类
1.1 滑坡 滑坡是路基山坡土体或岩体由于长期受地下水、地表水活动的影响使其结构逐渐失去支撑力，在自重的作用下，整体沿着一定软弱面向下滑动。滑坡按其引起滑动的力学特性来区分，可分为牵引式和推移式滑坡。牵引式滑坡是下部先滑动，使上部失去支撑而变形滑动，一般速度较慢，横向张性裂隙发育，表面多呈阶梯状或陡坎状。推移式滑坡是上部岩土挤压下部岩土体产生变形，滑动速度较愉，滑体表面波状直伏，多见于有堆积手分布的斜坡地段。
1.2 崩塌 崩塌是整体岩土块脱离母体，突然从较陡的斜坡上崩落下来，并顺斜坡猛烈翻转、跳跃，最后堆落在山脚。其具有突发性，危害较大。
1.3 剥落 即边坡表层受风化，在冲刷和重力作用下，不断沿斜坡滚落。
2 公路边坡稳定性评价
2.1 边坡稳定性评价依据 在对边坡进行稳定性评价之前，需要搜集工程地质环境资料，这既是选取边坡稳定性评价方法的依据，也是边坡稳定性评价的基础性资料。
2.2 边坡稳定性分析 边坡稳定性问题一直是边坡工程中的一个重要研究内容。边坡稳定性分析主要采用定性与定量相结合的评价方法，根据2种方法的评价结果，得出统一结论，确定该边坡的治理措施。
2.2.1 稳定性定性分析 边坡稳定性定性分析能综合考虑影响边坡稳定性的各种因素，并可快速地对边坡的稳定状况及其发展趋势做出评价。①公路路线设计中的边坡处理分析。目前公路沿线景观上的“黄土高坡”偏多，滑坡、崩塌也时常发生。这与公路平纵面设计是否恰当关系较大。首先山区公路应用足最低技术标准，宜弯则弯，宜坡则坡，不要片面追求路线平直，减少大填大挖。二是要充分利用地形。过去低级公路是“就地扒”，高等级公路不行了。但应尽量减少破损山体。三是要充分且恰当的利用人工构造物的作用。②关于支挡结构问题分析。随着科技的发展进步，人们已从传统的被动支挡发展到考虑加固岩土体自身，改善其力学特性，加强其整体性达到稳定边坡的目的。这方面比较成熟的技术有：通过灌浆或高城市喷射注浆加固岩土体、加筋土、锚喷支护及预应力锚索等。这项技术可以说是边坡稳定防护技术的主要方向。③地貌形态及地质条件对比分析。边坡失稳是在一定地质条件下产生的，它的形成具备一定的不良地质基础，有其发育阶段的微地貌特征和地表迹象。因此，可以将需要判断边坡稳定性斜坡的地层、岩性、地质构造、水文地质条件、软弱夹层和滑带土性质等与周围的稳定斜坡、类似地质条件下的稳定斜坡和不稳定斜坡及不同滑动阶段的边坡进行对比分析，结合地质条件的可能变化，分析判断边坡的稳定性。
2.2.2 稳定性定量分析 边坡稳定性定量分析评价是在定性分析评价的基础上，根据勘察所确定的边坡地质剖面，采用静力平衡理论计算拟评价边坡的稳定系数，根据计算得的稳定系数来评价边坡的稳定性。目前工程中常用的定量分析评价方法主要是传递系数法。
3 加强公路边坡稳定性的措施分析
3.1 对滑坡路基病害的预防及治理
3.1.1 防治原则 ①预防。对有可能新生滑坡的地段或可能复活的古滑坡，应采取必要的工程措施，以防止产生新的滑坡或古滑坡的复活。②治早。滑坡的发生与发展，是有一个过程的，早期整治，能收到事半功倍的效果。③一次根治与分期整治相结合。滑坡一般应一次彻底根治，不留后患。但对规模较大、性质复杂、变形缓慢，一时尚不致造成重大灾害的滑坡，也可在全面规划下，分期整治。同时注意观测每期工程效果，为确定下期工程提供依据。
3.1.2 防治措施 应在弄清滑坡成因的基础上，对诱发滑坡的各种因素，分清主次，采取相应的工程措施。常用的防治对策有排水、减重、支挡、改善土体物理力学性质等。①排水措施。滑坡的发生和发展都与水的作用有关，排水是防治各类滑坡之本。但应根据具体情况，采用切合实际的排水方式。②减重措施。当滑动面不深，且滑体呈上陡下缓状，滑坡范围外有稳定的山坡，滑坡不可能向上发展时，在滑坡上部减重，以减小滑坡的下滑力，是一种操作简单、经济实惠的防治措施。将减重的土体堆在坡脚反压，以增加抗滑力，效果更好。③支挡措施。根据滑体推力的大小，可以选用适当的支挡结构防滑。
抗滑挡墙。施工方便，稳定滑坡收效快。抗滑挡墙多为重力式，石砌，也有用混凝土或钢筋混凝土的。
抗滑桩。它具有对滑体扰动少，操作简便，工期短，收效快，对行车干扰小，安全可靠等优点。
锚杆挡墙。用于薄层块状滑坡或基岩埋深较浅、滑体横长滑面较陡的滑坡。
抗滑明洞。若滑动面的下缘处在边坡上的较高位置，可视地基情况设置坑滑明洞，洞顶回填土石支撑滑体，或滑体越过洞顶落在线路之外。但这一措施对行车干扰大，施工困难，造价昂贵，只有在其他措施难以奏效时采用。④改善滑坡土体的物理力学性质。用物理化学方法，加固和稳定滑坡⑤改线绕避。上述整治措施难以奏效时，在经济技术合理情况下，可以考虑改线绕避。
3.2 对崩塌这一常见的路基病害的防治 公路边坡崩塌是较常见病害，它危害严重，经常阻断交通。崩塌与滑坡的明显区别是：崩塌发生急促，破坏体散开，并有倾倒、翻滚现象；而滑坡体一般总是沿着固定滑动面整体地、缓慢地向下滑动。路路堑开挖过深，边坡过陡，或由于切坡使软弱结构面暴露，都会使边坡上的岩体失去支撑，在水流冲刷或地震作用下引起崩塌。防治崩塌的措施主要有：①路基上方的危岩及危石应及时检查清除，特别在雨季前要细致检查。如有威胁行车安全的路段，可根据地形和岩层情况，采用嵌补、支顶的方法予以加固。②在小型崩塌或落石地段，应尽量采取全部清除的办法；如由于基岩破坏严重，崩塌、落石的物质来源丰富，则宜修建落石平台、落石槽等拦截结构物③由于存在软弱结构面而易引起崩塌的高边坡，可根据情况采用支挡墙或支护墙等措施，以支撑边坡，并防止软弱结构面的张开或扩大。④对边坡坡脚因受河水冲刷而易形成崩塌者，河岸要做防护工程⑤在可能发生崩塌的地段，必须做好地面排水设施。
综上所述，在公路建设中需要选用合理的方法评价其边坡稳定性，根据评价结果确定合理的边坡治理措施进而做到既保证公路运营的安全，又节约投资。
参考文献：
[1]廖钰然，赵立铨.浅谈公路边坡滑坡的稳定性[J]黑龙江科技信息2008(11).
[2]罗超俊.公路边坡滑坡稳定性[J].中国科技信息.2005.(18).
边坡稳定性分析方法综述 篇4
边坡稳定性分析一直是岩土工程中重要的研究内容, 其研究最早可追溯到19世纪初, 早期的边坡研究是仅以土体为研究对象的, 其方法的显著特点是采用材料力学和简单的均质弹性、弹塑性理论为基础的半经验半理论性质的研究方法, 并把此方法用于岩质边坡的稳定性研究, 但由于其力学机理的粗浅或假设的不合理, 其计算结果与实际情况差别较大。20世纪50年代, 我国的许多学者在研究中开始采用苏联的“地质历史分析法”, 但也是偏重于定性描述和分析。60年代初意大利依昂水库边坡及我国一些水电工程中所遇到的边坡失事, 研究者意识到边坡破坏是一种时效过程或累积过程, 从而使边坡稳定性研究进入模式机制研究或内部作用的阶段。80年代后, 边坡稳定性研究进入蓬勃发展的新时期, 计算理论及计算机技术的迅猛发展, 数值模拟技术开始广泛应用于边坡稳定性研究之中, 同时, 随着工程规模的不断加大, 边坡岩体工程条件也越来越复杂, 随机方法和模糊方法等不确定性分析方法被应用[2]。
边坡稳定分析方法大体可以分为两大类:确定性分析方法和不确定性分析方法。
1 确定性分析方法
1.1 极限平衡法
极限平衡分析法的基本特点是只考虑静力平衡条件和摩尔—库仑破坏准则, 即通过分析岩、土体在破坏一刹那力的平衡来求解。极限平衡分析法种类繁多, 常为工程界采用的有Fellenius, Bishop, Janbu, Morgenstem&Sarma法和美国陆军工程师团法等。各种方法最大的区别在于对条块间作用力的假设与所需满足的平衡条件不同, 但一个共同特点都是基于边坡稳定系数Fs (即总抗滑力矩与总致滑力矩的比值) 这个指标来评价边坡的稳定性[3]。
1.2 数值分析法
1) 有限元。该方法是目前应用最广泛的数值分析方法。其解题步骤已经系统化, 并形成了很多通用的计算机程序。其优点是部分地考虑了边坡岩体的非均质、不连续介质特征, 考虑了岩体的应力应变特征, 因而可以避免将坡体视为刚体、过于简化边界条件的缺点, 能够接近实际地从应力应变分析边坡的变形破坏机制, 对了解边坡的应力分布及应变位移变化很有利。其不足之处是:数据准备工作量大, 原始数据易出错, 不能保证整个区域内某些物理量的连续性, 对解决无限性问题、应力集中问题等其精度比较差[4]。2) 无单元法。无单元法是有限元法的一种推广, 近来已得到广泛的应用。此法采用滑动最小二乘法所产生的光滑函数近似场函数。 3) 离散单元法。 离散单元法是1970年Cundall首次提出的, 其基本原理是:将所研究的区域划分为一个个多边块体单元, 单元之间通过接触关系, 建立位移和力的相互作用规律, 相当于有限元中的物理关系, 通过迭代使得每一个块体都达到平衡状态。在稳定分析中, 它的功能在于反映岩块之间接触的滑移、分离和倾翻等大位移的同时, 又能计算岩块内部的变形与应力, 该法的另一个优点是利用显式时间差分解求解动力平衡方程, 可方便地求解非线性大位移和动力稳定[5]。4) 快速拉格朗日分析法。为了克服有限元等方法在求解大变形问题时的缺陷, 人们根据有限差分法的原理, 提出了FLCA数值分析方法, 是显式时间差分解析法[3,4,5]。该方法基于牛顿运动定理, 考虑到材料的非线性和几何学的非线性, 使用了离散模型方法、动态松弛方法和有限差分方法三种技术, 将连续介质的动态演化过程转化为离散节点的运动过程和离散单元的本构方程求解该方法, 较有限元能更好地考虑岩土体的不连续性和大变形特性, 求解速度较快。其缺点是计算边界、单元网格的划分带有很大的随意性。它已有不少的商业程序, 如FLAC-3D就是一显式时间差分解析法, 它无需建立刚度矩阵, 所需内存少, 时间少, 但也存在不足之处。5) 不连续变形分析法。不连续变形分析方法 (DDA) 是石根华博士提出的分析块体系统运动和变形的一种数值方法。它以自然存在的节理面或断层切割岩体形成不同的块体单元, 以各块体的位移作为未知量, 通过块体间的接触和几何约束形成一个块体系统。DDA方法能够解决岩体的大变形和大位移问题, 主要适用于不连续块体系统。DDA程序能够考虑整个块体系统整体的相互作用, 因此能够从整体作用出发, 计算出边坡整体的安全度, 这比有限元只能计算出各个单元或节点局部的安全度来说, 更能体现出边坡的整体性。只是DDA在三维问题的应用和数值计算速度不是很高[6]。
2 不确定性分析方法
2.1 可靠度分析法
可靠度分析法在进行边坡稳定性分析时, 充分考虑了影响安全系数的各个随机要素 (如岩体及结构面的物理力学性质, 地下水的作用包括静水压力、动水压力、裂隙水压力、软化作用、浮托力, 各种荷载等) 的变异性。通过对各种因素不确定性的认识, 结合边坡系统的具体情况, 采用概率分析方法和可靠度尺度描述边坡工程系统的质量[7]。
2.2 模糊数学法
模糊数学法是将模糊理论应用于边坡稳定性分析中, 用隶属函数代替确定性分析法中非此即彼的量, 对那些边界不清的过渡问题进行描述, 应用模糊模式识别和模糊聚类分析方法对影响边坡稳定的因素进行分析, 最后用综合评价理论对边坡稳定性进行总的评价。但其各个因素的权重分配多由经验确定, 主观判断性较大。
2.3 人工智能法
人工智能其中两个最重要的领域是人工神经网络和专家系统。在边坡工程中, 人工智能中的专家系统的应用在于应用专家系统中的知识处理、知识运用和不确定性推理的技术分析边坡的稳定性;人工神经网络的应用在于利用神经网络的学习和联想记忆功能, 运用网络存储的领域知识对边坡进行稳定性分析。专家系统与神经网络的优点是可考虑其他方法难以考虑的定性描述和人为因素, 解决处理一些很难用明确的数学力学方法表示的不确定性因素及它们的关系, 对结论既能进行定量分析, 又能进行定性分析。基础研究难度大, 如知识表示、推理方法、机器学习等问题取得了一些成果, 但远未形成完整的理论和体系, 同时, 存储知识的范围和程度将在很大程度上影响其对边坡稳定性的评判[8]。
2.4 灰色预测系统法[7,8]
灰色系统理论提出了一种新的系统分析方法。将边坡视为一个灰色系统, 根据影响边坡稳定性的不确定性因素之间发展状态的相似或相异程序, 来衡量各个因素间的关联程序, 确定它们对边坡稳定性影响的主次关系, 从而对边坡的稳定性进行分析。
3 边坡稳定性研究发展趋势
1) 确定性分析方法中数值分析方法虽然已进入成熟阶段, 但最大的矛盾是对本构关系的研究落后于计算技术的发展, 岩土体本构关系极不成熟, 成为制约岩质边坡稳定计算成果可靠程度的瓶颈, 所以提出更合理的岩土体本构关系是数值分析走向更成熟的途径之一。2) 在边坡稳定性分析的计算参数选取方面, 无论是室内试验还是原位测试取得的岩土体力学参数或初始应力状态, 在一定程度上都受到了扰动, 与实际情况存在一定的偏差。所以我们应转换思维, 不仅要正向思维, 也要逆向思维, 采用反分析方法将是未来参数选取的重要发展方向。3) 可靠度方法、模糊数学法, 人工智能法和灰色预测系统法等新兴学科理论, 综合研究岩土边坡工程系统的不确定性和工程经验, 发展出一套切实可行的智能力学分析方法, 这可能是解决复杂的边坡工程涉及问题的一条有效途径。
摘要：综述了边坡稳定性分析研究的历史及方法, 介绍了目前常用的边坡稳定分析方法, 并简要的评述了各种评价方法的主要特点和适用性, 同时, 对边坡稳定性分析方法的发展趋势作了简要论述, 以期指导实践。
关键词：边坡稳定性,分析方法,发展趋势
参考文献
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某工程边坡稳定加固方法选择研究 篇5
通过对工程边坡稳定性计算,建立边坡稳定性模型.通过压力注浆、钢筋混凝土格构加锚杆和打抗滑桩三种边坡加固方法,对各自工程量、沉降、施工难度、质量保障、工程造价的综合评价,选出较好的`边坡加固方法.施工完工一年的沉降检验,边坡未发现异常情况.
作 者：屈云光 焦思红 占文锋 Qu Yunguang Jiao Sihong Zhan Wenfeng 作者单位：屈云光,Qu Yunguang(深圳中广核工程设计有限公司,广东,深圳,518057)
焦思红,占文锋,Jiao Sihong,Zhan Wenfeng(北京工业职业技术学院,北京,100042)
堆积体边坡稳定性分析研究现状 篇6
【关键词】堆积体；边坡；稳定性分析；研究现状
0.引言
我国是一个地质灾害十分频繁的国家，尤其是我国西南地区，不仅地质灾害数量多，而且灾种全。其中崩塌、滑坡、泥石流等浅层表生地质灾害异常突出，分布有大量的由滑坡堆积、崩塌堆积、残积层、冰溃堆积、坡积物等组成的松散堆积体斜坡[1]。与此同时，西南地区一系列大型乃至巨型正在建设或规划中的水电站相继开工建设，在复杂地质环境和大规模工程活动、水库蓄水及暴雨等复杂条件下，可能会有大量的水库库岸堆积体边坡发生变形甚至失稳破坏。
水库库岸堆积体边坡失稳的代价是巨大的。斜坡或边坡作为一种人类不可回避的地学环境与工程形式，总是伴随着人类的工程活动，人类为了安全始终关注着边坡的稳定性。一百多年来，人们对边坡变形过程、失稳形式、失稳机制、稳定评价及滑坡预测预报等进行了广泛的研究，借助数学、力学和计算科学理论与方法，试图对边坡的稳定、演化及滑坡的预测预报进行研究，并应用到工程实践中。
1.土坡稳定性分析理论研究现状
1.1边坡稳定性分析现状
边坡失稳作为普遍存在的工程问题受到国内外学者的重视。对此课题的研究，国内外都经历了从实践积累到理论归纳，再实践，再归纳，并逐步总结提高的过程。十九世纪末二十世纪初，随着发达国家的大规模土木工程建设，大量边坡工程问题、特别是滑坡问题随之产生，并造成了很大损失，人们开始应用材料力学和近代土力学的理论对边坡问题进行半经验、半理论的研究。上世纪五十年代，我国学者引进了前苏联的工程地质分析的体系，继承和发展了地质历史分析法，着重研究边坡的工程地质背景和边坡类型的划分，以此进行边坡的工程地质类比分析，在滑坡的分析和研究中取得了一定的成果。
1.2边坡稳定研究方法现状
研究边坡稳定的方法主要有：“地质历史分析”方法、极限平衡法、概率分析法、极限分析法、数值计算分析方法、物理模拟法、非线性方法等。现将主要边坡稳定性评价方法列述如下：
（1）“地质历史分析”方法：五十年代，我国许多工程地质工作者在滑坡研究中采用了苏联的“地质历史分析”方法[4]，但该方法偏重于定性描述和分析。
（2）极限平衡法：极限平衡法是一种定量方法，也是工程中使用最多、最成熟的方法，其理论基础为极限平衡理论。它通过分析在临界破坏状态下，土体外力与内部强度所提供的抗力之间的平衡计算土体在自身和外荷作用下的稳定程度。同时，根据假设不同而形成不同方法，具有不同的适用范围。
（3）极限分析法：岩土工程极限分析是典型的塑性极限分析问题。塑性极限分析对象包括塑性区Gussmnna.P提出了运动单元法，以莫尔一库仑岩土介质为研究对象，采用离散技术与现代数值手段，通过运动分析、静力分析和求多变量目标函数值的优化分析，有效地分析了地基极限承载、挡土墙极限土压力及斜坡稳定性问题。
（4）数值计算分析方法：数值计算方法上，随着计算机的普及和发展，出现了一批以弹性力学、结构力学为基础的数值计算方法：FDM（有限差分法）、FEM（有限单元法）、DEM（离散单元法）、DDA（不连续变形分析）、FLAC（快速拉格朗日插值）、NNM（流形元方法）等。
（5）非确定性分析方法：该方法的评价基础是工程地质类比法、滑坡静态规律的认识以及预测科学的一般原理。随着概率论、数理统计、信息理论、模糊数学等方法用于滑坡预测，目前已形成了多种预测模型。其预测成果可相互对比、检验，使预测成果更具合理性、科学性。目前常用的非确定性定量分析方法主要有以下几种[7]：①经验方法；②数理统计方法；③信息模型法；④模糊数学评判法；⑤灰色系统方法；⑥模式识别方法；⑦非线性模型预测法；⑧人工智能法。
其中，数值计算分析方法又可以分为如下几种：
①有限单元法（FEM）：该方法是目前应用最广泛的数值分析方法。它能够考虑滑坡体的非均质性、不连续性等特征，考虑岩体的应力应变特征，避免将坡体视为刚体，能够切实地以应力、应变为变量分析边坡的变形破坏机制，对了解滑坡的应力分布、应变发展很有利。其不足之处是：数据准备工作量大，而且原始数据易出错，不能保证整个区域内某些物理量的连续性；对解决无限性问题、应力集中等问题精度较差。
②边界单元法（BEM）：该方法只需对已知区域的边界进行极限离散化，具有输入数据少的特点。其计算精度较高，在处理无限域方面有明显的优势。其不足之处为：一般边界元法得到的线性方程组的关系矩阵是满的不对称矩阵，不能采用有限元中成熟的求解稀疏对称矩阵的解法。另外，边界元法在处理材料的非线性严重不均匀的滑坡问题方面，远不如有限元法。
③快速拉格朗日分析法（FLAC）：为了克服有限元等数值分析法不能求解岩土大变形问题的缺陷，人们根据显式有限差分原理，提出了FLAC数值分析方法。该方法较有限元方法能更好地考虑岩土体的不连续性和大变形特征，求解速度较快。其缺点是同有限单元法一样，计算边界单元网格的划分带有很大的随意性。
④离散单元法（DEM）：该方法可以直接反映岩体变化的应力场、位移场以及速度场等各个参量的变化，也可以模拟边坡失稳的全过程。另外，该方法特别适合块裂介质的大变形及破坏问题的分析，但所需计算时步非常小，阻尼系数也难以确定。
⑤块体理论（BT）：该方法是以构造地质和简单的力学平衡计算为基础，利用拓朴学和群论提出的一种评价三维不连续岩体稳定性的方法。随着关键块体类型的确定，块体理论能够找出具有潜在危险的关键块体的临空面位置及分布。
除以上几种方法外，近几年还出现了如无界元（IDEM），不连续变形分析（DDA）等方法。此外，由于工程实践的需要，出现了多种数值方法的算法，使滑坡稳定分析数值方法化的趋势更加明显。但数值分析方法也存在着不足：由于地质条件的复杂性及认识的局限性，往往使计由于计算参数的选取是以某种简化为基础的，与实际存在一定误差，继而影响了计算结果的精度[5，6，7，8，9，10]。
1.3边坡参数选取研究现状
边坡的静力稳定研究中，计算采用参数的准确程度会对边坡稳定的评价结果产生重大的影响，因此，本节对边坡物理力学参数选取的研究现状进行论述。
当前国内外岩体力学参数选取研究的总趋势是有经验、半经验、精度较低的数值计算方法向考虑多种因素影响，计算过程复杂、精度较高代表性较强的数值中计算分析法发展。尤其是计算机的使用，使这一领域的研究加快。岩体力学参数选取常用的方法有点群中心法、优定斜率法、最小二乘法、随机一模糊法等。点群中心法由于人为因素影响过多，目前已不常采用，国内对于岩体力学参数的研究主要是从岩体力学参数本身所包含的随机性和模糊性出发，应用随机理论和模糊数学的方法，对试验所得的数据进行分析以获得更为逼近岩体力学实际参数的“真值”[11]。
1.3.1水库库岸堆积体边坡塌岸范围预测方法研究现状
水库蓄水运行过程中，库岸所处的地质环境将发生改变，自然平衡条件遭到破坏，引起岸坡变形失稳，库岸线也逐渐后退，直至达到新的平衡状态为止，这一过程称为库岸再造。库岸再造是一个十分复杂的动力地质过程，受岸坡物质组成、结构特征、形态及水流等多因素控制，塌岸过程复杂，尚无法精确地通过数学计算式来表达。
1.3.2地震作用下边坡稳定性分析研究现状
地震边坡稳定性研究是边坡稳定性研究的重要方面，是岩土工程和地震工程中关心的重要问题之一。刘红帅等认为，从地震作用下是否考虑边坡岩体参数的不确定性的观点来看，岩土边坡地震稳定分析方法可分为确定性方法和概率分析方法两大类；从边坡稳定性计算中对地震动作用的不同处理方式来看，岩土边坡地震稳定性分析方法宜分为拟静力法、滑块分析法、数值模拟法和试验法四大类[5，10，12-18]。
2.结束语
目前，我国的大部分已建、正在兴建和规划中的水利水电工程都在该地区。水利工程中库岸边坡的滑动范围和稳定性问题是大坝安全、社会效益和水利工程经济效益考虑的重要因素之一。同时，西南地区地壳活动频繁，地震震级高、强度大，大量库岸边坡都是重力崩塌堆积体。西南堆积体边坡，考虑地震作用下修正塌岸预测方法中图解法，并将其用于预测边坡滑动范围；与实际情况对比进行反分析，藉此评价堆积体边坡震后滑动范围图解法反分析在工程上的适用性。
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边坡稳定性分析与评价方法 篇7
1 边坡稳定性分析的传统理论与方法
1.1 抗剪强度公式
土的抗剪强度理论有很多,但目前比较简单、工程中常常采用的是线性摩尔—库仑(Mohr-Coulomb)强度理论。在这个理论中,认为土的强度包线是一条直线,最大主应力与最小主应力是线性关系,其表达式为σ1=qp+MPσ3。实际上,实验表明,在软弱围岩中,特别是在土中,最大主应力和最小主应力的关系是非线性的,线性关系仅是其中的特例。
1.2 极限平衡分析法
根据考虑的因素和适用条件的不同,极限平衡分析法又可具体分为很多种,如库尔曼法、无限斜坡法、不规则滑面法、瑞典法、摩擦圆法、总应力法、毕肖普(Bishop)法、简布(Janbu)法、传递系数法等。
1.3 极限分析法
极限分析法是应用虚功原理,根据容许应力场和容许位移速度场,认为外力的虚功率等于物体所能接受的虚变形功率而推导出上限定理和下限定理,极限分析法中的上限定理和下限定理得到的解答是精确解答的上限和下限,而极限平衡法一般无法确保它的解答是精确解答的上限还是下限。
2 边坡稳定性分析的定量分析方法
2.1 极限平衡分析法
极限平衡法是边坡稳定分析中最常用的方法。它是通过分析在临近破坏状况下,土体外力与内部强度所提供抗力之间的平衡,计算土体在自身和外荷作用下的土坡稳定性程度,通常以边坡稳定系数表示为:
其中,S为抗剪强度;τ为实际剪应力。
边坡中最小的稳定系数称为边坡稳定安全系数,它表示了该边坡的稳定程度。日前已有了多种极限平衡分析方法,如:斯宾塞法,毕肖普(Bishop)法,简布(Janbu)法,摩根斯—普赖斯法,剩余推力法,沙尔玛(Sarma)法,楔体极限平衡分析法等等。
2.2 有限元法
有限元法是一种十分成熟的数值方法,也是边坡稳定分析中用得较多的一种方法。目前,已经开发了多个二维及三维有限元分析程序,可以用来求解弹性、弹塑性、粘弹塑性、粘塑性等问题。
2.3 无单元法
无单元法是有限元法的一种推广,近来已得到广泛的应用。此法采用滑动最小二乘法所产生的光滑函数近似场函数。它保留了有限元的一些特点,但摆脱了单元限制,克服了有限元的不足。无单元法只需节点信息而不需单元信息,处理简单计算精度高,收敛速度快,提供了场函数的连续可导近似解。基于这些优点,无单元法具有广阔的应用前景。
2.4 离散单元法(DEM)
离散单元法(DEM)是一种适用于模拟离散介质的数值方法。自从康德于20世纪70年代提出以来,这一方法已在岩土工程和边坡问题中得到日益广泛的应用。离散元法的一个突出功能是它在反映岩块之间接触面的滑移,分离与倾翻等大位移的同时,又能计算岩块内部的变形与应力分布。
2.5 快速拉格朗日(Lagrangian)分析法(FLAC)
FLAC首先由康德在20世纪80年代提出并将其程序化、实用化。FLAC基本原理类同于离散单元法,但它却能像有限元那样适用于多种材料模式与边界条件的非规则区域的连续问题求解;在求解过程中,FLAC又采用了离散元的动态松弛法,不需求解大型联立方程组,便于在微机上实现。该方法较有限元方法能更好地考虑岩土体的不连续性和大变形特征,求解速度较快。其缺点是同有限元方法一样,计算边界、单元网格的划分带有很大的随意性。
2.6 DDA法(不连续变形分析法)
DDA法是石根华博士提出的分析不连续变形问题的一种新的离散型数据值计算方法。它兼具有限元与离散元法二法之部分优点。此法将每个块体作为一个单元,块体与块体间通过接触机构进行连接,通过分析单个块体或块体系统的动态平衡,求解块体的受力和运动。此法可以反映岩体连续和不连续的具体部位,考虑了变形的不连续性和时间因素,既可计算静力问题,又可计算动力问题,既可计算破坏前的小位移,也可计算破坏后的大位移,特别适合于边坡极限状态的设计计算。
3 边坡稳定性分析的特殊方法
3.1 基于模糊综合评判的边坡稳定性分析
最早将模糊数学引入岩石力学与工程研究领域借以分析天然岩石不确定性的是我国学者陶振宇和王靖涛,他们将模糊数学中的模糊评判系统应用于岩石工程分类之中,提出了建立在Q系统分类基础上,考虑岩体物理力学参数不确定性的岩石分类方法。日本的樱井春埔等也利用模糊数学对岩石分类进行了研究,同时将模糊数学用于处理边坡问题。Habibagahi等重点考虑了几何参数的模糊性对岩石边坡稳定性分析的影响,并提出了确定模糊安全系数的方法。
近年来,我国岩土工程界在应用模糊数学方法研究一些具有模糊性和非确定性的岩土工程问题方面进展较快,许多学者将模糊数学应用于边坡稳定性分析。李彰明针对边坡稳定性的普遍问题,根据国家标准、行业规范、前人有关研究,遵循重要性、独立性和易测性原则,建立了边坡稳定性分析的模糊综合评价模型,并构造了相关因素边界值矩阵。汪益敏在考虑影响边坡稳定性因素模糊性的基础上,采用多指标因素模糊综合评价方法,对边坡岩体稳定质量进行了多级模糊综合评判研究。刘端伶等采用模糊数学方法,充分考虑工程实际经验,建立了二级模糊数学综合评判模型。张永波等根据对古交市炉峪口煤矿斜坡工程的地质调查研究,确定了影响该斜坡稳定性的4类20项主要影响因素,并应用二级模糊综合评判法对炉峪口煤矿斜坡稳定性进行了综合评价,结果较好地反映了该斜坡的实际稳定程度。徐卫亚通过对边坡稳定性分析中模糊因素的研究,提出了一种新的边坡模糊稳定性分析方法,建立了边坡稳定性分析的模糊数学模型,并给出了相应的求解方法。
3.2 基于遍布节理模型的边坡稳定性强度折减法分析
强度折减方法对于均质土坡稳定性计算问题已经得到与实际较为一致的结论。对于岩质边坡而言,由于岩体中含有大量断层、节理等不连续结构面,一般情况下岩体强度由结构面控制,故岩质边坡计算方法如刚性元法、离散单元法、块体理论等一般只能给出边坡应力、位移及塑性区,而无法得到潜在滑动面位置及相应的稳定安全系数。
显然,由于岩体结构的复杂性,要建立完全反映岩体结构特征的模型是不现实的,因此对于具体工程而言,必须进行适当简化,但同时必须认识到岩体结构面控制,边坡稳定性完全由结构面控制,只能代表部分岩质边坡问题,并不具有普遍意义,特别是强风化或中风化岩体,边坡稳定性可能由岩体强度和结构面强度共同控制,这与二者的物理力学性质及应力状态有关,故对于岩土共存的边坡稳定性问题将更加复杂。本文采用可以描述具有不连续岩体结构力学行为的遍布节理模型,运用强度折减方法进行节理岩体边坡稳定性分析。
以往人们在进行边坡强度折减稳定性分析时,对于土体一般采用理想弹塑性模型,屈服准则为广义米赛斯准则。对于岩质边坡问题,一般认为岩块强度较高,结构面是边坡失稳的控制因素,主要考虑岩体结构面的力学参数。事实上对于大多数岩体结构,同时考虑岩块属性和节理属性的力学模型更具有代表性。
所谓强度折减,即在数值计算中将边坡岩土体强度参数(内摩擦角、凝聚力及抗拉强度)逐渐降低直到结构达极限状态,岩土体所具有的强度参数值与相应于该极限状态的强度参数值之比,则为所求的安全系数,同时可根据弹塑性计算结果得到潜在破坏滑动面位置。
对于遍布节理模型材料,强度折减计算过程可描述为:对于稳定边坡而言,首先选取折减系数Ftrial,将岩土体强度参数凝聚力、内摩擦角、抗拉强度、节理面强度参数cj,φj,σjt分别(或部分)按式(1)进行折减,然后采用适当的岩土体屈服准则,对边坡进行非线性数值计算,若计算收敛,则通过增加折减系数Ftrial,反复对边坡稳定性进行计算,直至满足失稳判据,此时的折减系数Ftrial即为边坡的安全系数Fs。
3.3 边坡稳定性分析中的反演分析法
3.3.1 反算法的基本原理
反算法又称反演分析法或逆演法,它是在极限平衡原理的基础上,假定边坡处于极限平衡状态,此时边坡稳定安全系数K=1,用边坡滑动力与抗滑力的平衡,计算滑动面抗剪指标,反算法的常用公式源于边坡稳定分析传统条分法(即库仑理论)的各种演变公式,一般常用传递系数法,即将地质剖面上的一宽滑体分为若干条块,由滑体后部逐条向前部计算,直至最后一块滑体,且假定最后一块滑体的剩余下滑力等于或接近于零。正确的运用反算法,要选择滑动前矫间极限平衡断面,此时滑坡稳定性系数K=1。
反算法求得的滑面抗剪指标,是滑体滑动现象的反映,尽管选取不同的计算剖面或采用不同的反算公式所得到的抗剪指标不尽相同,但只要用相同的方法在相同的剖面上做正演稳定分析,都能得到可信的相似的结果。反算法所得的抗剪指标包含了滑体稳定的多种影响因素,诸如空间效应、侧向约束、起伏差、滑体内部力的传递影响、分析计算所用剖面方向与滑动方向不吻合时的影响等。
3.3.2 反算的方法及步骤
反算可以采用对一个断面的反算,也可以对多个断面建立联立方程反算求解。对一个断面反算时常常需要假定其中一个变化幅度不大,容易掌握其范围者,来反求另一个。如果要同时反求主滑段的c值和φ值,要采用类似条件下两个或多个断面方程联立求解的方法,其基本条件是断面必须相似。主要包括有:1)地质条件类似。特别是滑面的物质组成和含水状态。2)状态和滑动过程。3)滑坡的发育阶段要相似。实践证明,同一个滑坡的主轴断面和其两侧的辅助断面可以进行联立方程求解。
反算分析的步骤:1)确定反算模型。需要根据滑坡目前的变形发展阶段及可能的失稳方式综合确定出最危险滑体,并依据地下地质判断给出该滑体的稳定性系数。反算模型可以是一个,也可以是多个联合反算;2)反算求解。反算求解可以针对一个模型进行,也可以选择几个剖面联合求解。采用一个模型时,一般先依据工程地质经验和判断,或依据试验确定其中的一个强度参数,然后反算另外一个强度参数;3)强度参数选择。对于反算的大量成果,需要进行综合判断,最终确定出用于深化分析设计的强度参数。
4 边坡稳定性研究的发展方向
1)边坡稳定性分析的实验研究。目前用于边坡稳定性分析的实验研究并不多。实验是边坡稳定性研究的基础,也是计算的依据。只有加强对边坡稳定分析的实验研究,才能促进边坡分析方法的发展。2)继续完善稳定性分析方法。3)大力发展边坡稳定分析的模糊方法。4)积极发展人工智能专家系统及预测预报方法。
摘要：阐述了对边坡进行稳定性分析的必要性,介绍了边坡稳定性分析的传统理论与方法,探讨了边坡稳定性分析的定量分析方法和特殊方法,提出了边坡稳定性研究的发展方向,以便在实践中选择合适的边坡稳定性计算方法,减小边坡失稳的可能性。
关键词：边坡,稳定性,分析方法,发展方向
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边坡稳定性分析评价方法简述 篇8
1.1 极限平衡理论
极限平衡理论[1]的主要思想是将滑动土体进行条分,根据极限状态下土条受力和力矩的平衡来分析边坡的稳定性。根据对平衡方程组增设的边界条件不同,又分为瑞典圆弧法[1]、毕肖普(Bishop)法[1]、简布条分法[1]、斯宾塞法(Spencer)[2]、摩根斯坦(Morgenstern)—普赖斯(Price)法[2]、沙尔玛法(Sara)[2]以及不平衡推力传递法[2]等。极限平衡理论是最经典的定量分析方法,该方法因具有模型简单、计算公式简练、可研究复杂剖面和考虑各种载荷形式而得到广泛应用。各方法对比见表1。
1.2 塑性极限分析和模糊极值理论
杜拉克和普拉格(1952年)提出塑性极限分析法[3],考虑材料应力—应变关系,利用极限状态时自重和外荷载所做的功等于滑裂面上阻力所消耗的功为条件,结合塑性极限分析的上、下限定理求得边坡极限荷载与安全系数。由于塑性极限分析所得的解为浮动于某一范围的模糊极值解,所以孙君实提出了滑动机构的概念,并证明了给定滑动机构的耗散功能定理[4],即滑坡极限分析的极大值定理。将该定理“模糊化”得到给定滑裂面安全系数的模糊极大值定理,再把极大的概念模糊化为滑体内力状态的模糊状态条件,并构造模糊函数和模糊约束条件,提出安全系数的模糊解集和最小模糊解集的概念,从而建立土坡稳定分析“极大中极小”问题的模糊极值理论。这一理论使长期以来条分法研究在假定多余未知函数方面存在的随意性问题得到了较好的解决。
1.3 蒙特卡洛法
蒙特卡洛法[5]也称为随机抽样技术或统计试验方法,是采用统计抽样理论近似求解数学、物理和工程技术问题的数值方法。蒙特卡洛法根据随机变量的分布函数选取随机数输入到分析中,由此得到一个安全系数。由于输入的参数是随机变量,因此得到的安全系数也是一个随机变量。通过重复运算,就可以得到能够代表安全系数的随机样本。由此,样本可以进行统计特征计算和分布拟合检验,最后求解安全指标可靠度和失效概率。另外,根据蒙特卡洛法的基本原理及方法可以编制边坡的稳定性可靠度分析程序,程序中可考虑自重、地下水、外荷载、卸荷裂隙、地震作用、粘聚力、内摩擦角等各种荷载的组合情况。
1.4 遗传进化算法
遗传进化算法[6,7]就是模拟生物进化过程,由美国Holland J H教授首先提出来的[8]。这种算法模仿生物遗传进化的步骤,将复制、杂交、变异、竞争和选择等概念引入到算法中。遗传进化算法虽是一种随机算法,但它又具有一定的方向性,它所使用的“按概率随机选择”是在有方向的搜索过程中的一种工具,正是由于它的方向性,使得它比一般的随机搜索效率要高。
1.5 人工神经网络评价法
人工神经网络[1,9,10]是一种非线性动力学系统,具有较强的非线性映射能力,在不知道数据的具体分布形式和数据之间的制约关系的情况下也能进行非线性映射。人工神经网络可以对现有的工程经验进行自我学习,并将学习的结果存储在神经元的阈值和神经元间的连接权值中,当有新的工程实例输入时,网络将利用其非线性映射能力,给出启发式的推断结果。研究表明,在岩土边坡工程系统分析领域内采用神经网络法具有独特的优势。利用神经网络理论,可以尽可能多地将各种影响边坡稳定因素作为输入变量,建立这些定性或定量影响因素同边坡安全系数与变量之间的高度非线性映射模型,然后用模型来预测和评价边坡的安全性。
1.6 数值分析法
数值分析方法是目前岩土力学计算中使用最普遍的分析方法[11]。数值法的方法很多,主要有:有限元法(FEM)、边界元法(BEM)、无界元法(IDEM)、离散元法(DEM)、快速拉格朗日法(FLAC)、块体理论(BT)与不连续变形分析(DDA)、数值流形元法等,其不同的方法使用的条件是不同的。数值分析法的发展趋势是从平面有限元到三维有限元、从弹性有限元到弹塑性有限元发展。
2 定性分析法
2.1 工程类比法
该方法就是利用已有的自然边坡或人工边坡的稳定性状况及其影响因素、有关设计等方面的经验,把这些经验应用到类似的所要研究边坡的稳定性分析和设计中去的一种方法。它需要对已有的边坡和目前的研究对象进行广泛的调查分析,全面研究工程地质因素等的相似性和差异性,分析影响边坡变形破坏的各主导因素及发展阶段的相似性和差异性,分析它们可能的变形破坏机制、方式等的相似性和差异性,兼顾工程的等级、类别等的特殊要求。通过这些分析,来类比分析和判断研究对象的稳定性状况、发展趋势、加固处理设计等,是目前应用最广泛的一种边坡稳定性分析方法。
2.2 图解法
图解法是综合考虑了边坡各种因素(岩性、地下水、坡度等)的集合,根据相应的公式制成图表,这样使得计算量大大减少,应用时只需查相应的图表即可,该方法在工程界常使用。在应用时需注意不同的方法具有不同的使用范围,详细介绍见表2。
2.3 反分析法
在边坡稳定性分析中,作为前提条件的岩土物理、力学参数的准确与否,对分析的结果有着极其重要的影响。目前,传统的获取岩土各参数的方法主要有试验法(包括室内试验和原位测试)、类比法和专家经验法等。但在具体工程实际中,由于所要分析的边坡岩土体受到多种因素的综合影响,这些传统的方法就显得力不能及。大量研究表明,基于现场位移量测信息获取岩土体物理力学参数的反分析法为此提供了一条新的途径,并已在边坡工程中取得了显著的成效。所谓反分析法就是通过现场监测得到的岩土体所产生的位移量或应力改变量等信息,将其作为已知条件,利用相应的数学模型及通过一定的数值计算方法来反推出岩土体的参数,之后将这些参数反馈回模型中,对岩土体的稳定性进行分析的一种逆向分析方法。
3 边坡稳定性分析评价的发展方向
1)实验研究。
鉴于目前在边坡稳定性分析方面的实验研究并不多[14],实验是研究的基础,也是计算的依据,因此只有加强对实验研究,才能促进边坡稳定性分析评价方法的发展。
2)完善定量分析方法。
目前,定量性分析方法在边坡稳定性分析中占有绝对的地位,只有不断完善才能适合不同的边坡条件。
3)发展边坡稳定分析评价的模糊方法。
模糊方法在处理不确定性问题方面具有非常大的优势,但该方法的难点在于评价的相关因素及各因素的边界值的确定等方面,现因理论的不完善,实际应用中因子选取的随意性等,故应加强这方面的研究。
4)发展人工智能专家系统及预测预报方法。
岩土边坡稳定性的各种分析方法 篇9
随着各种岩土工程建设的不断增多, 滑坡灾害也越来越突出。正因为如此, 近年来在地质学和水土保持领域, 滑坡和泥石流问题已成为比以往任何时候更重要、更迫切的研究课题。数学计算方法的发展和计算机技术的进步, 为边坡稳定分析注入了新的活力, 使之呈现出一种新的发展趋势。
目前, 在工程中多采用传统的极限平衡理论进行计算。通常黏性土质边坡的滑动曲面接近圆弧, 在工程设计中常假定滑动面为圆弧面。建立在这一假定上的稳定性分析方法称为圆弧滑动法, 是极限平衡分析法的一种常用方法。
1 整体圆弧滑动法
1915年, 瑞典彼得森 (Petterson K E) 采用圆弧滑动法分析边坡的稳定性, 以后此法在各国得到了广泛应用, 称为瑞典圆弧法。
由于黏性土的颗粒之间存在粘结力, 所以, 不能用滑动面上任一单元体的稳定条件来代表整个滑动土体的稳定条件。对于均质的黏性土坡, 其实际滑动面与圆柱面接近。若按平面应力问题来考虑, 将滑动面以上土体看作刚体, 并以它为脱离体, 分析在极限平衡条件下其上的各种作用力, 可认为边坡失去稳定就是滑动土体绕圆心发生转动。
图1为一均质黏性土土坡, AC为假定的滑动面, 圆心为O, 半径为R。当滑面与坡面包围的滑体保持稳定时, 必须满足力矩平衡条件 (滑弧上的法向反力N通过圆心) , 其安全系数可用滑动面上的最大抗滑力矩与滑动力矩之比来定义, 即:
undefined (1)
式中:W——滑动体质量;τf——滑面的抗剪强度;Lε——滑弧长度;R——滑弧半径;d——土体重力对滑弧圆心的力臂。
按照摩尔-库仑强度理论, 一般情况下, 土的抗剪强度τf由粘聚力c和摩擦力σtgφ两部分组成。因此, 它是随着滑动面上法向应力的改变而改变的, 沿整个滑动面并非一个常数。但对饱和黏土来讲, 在不排水剪条件下, φ=0, 则τf=c。于是, (1) 式可写为:
undefined (2)
这时, 滑面上的抗剪强度为常数, 用 (2) 式可直接进行边坡的抗滑稳定安全系数计算。这种稳定分析方法通常称为φ等于零分析法。
2 条分法
条分法是将滑动土体竖直分成若干土条, 把土条当成刚体, 对作用于各土条上的力进行力与力矩的平衡分析, 求出在极限平衡状态下土体稳定的安全系数, 并通过一定数量的试算, 找出最危险滑裂面位置及相应的 (最低的) 安全系数。
将滑动土体分成若干土条后, 土条的两个侧面存在着条块间的作用力, 如图2所示。作用在条块i的力, 除重力Wi外, 条块侧面ac和bd作用有法向力Pi、Pi+1, 切向力Hi、Hi+1, 前者力的作用点离弧面为hi、hi+1。滑弧段cd的长度为li, 其上作用着法向力Ni和切向力Ti, Ti中包括粘聚阻力ci×li和摩擦阻力Nitgφi。由于条块的宽度不大, Wi和Ni可看成是作用于弧段cd的中点。在这些力中, Pi、Hi和hi在分析前一土条时已经出现, 可视为已知量, 因此, 待定的未知量有Pi+1、Hi+1、hi+1、Ni和Ti等5个。每个土条可建立三个力的平衡方程, 即:∑Fxi=0, ∑Fzi=0, ∑Mi=0和一个极限平衡方程。
undefined (3)
如果将滑动土体分成n个条块, 则条块间的分界面有 (n-1) 个。界面上力的未知量为3 (n-1) , 滑动面上力的未知量为2n, 加上待求的安全系数FS, 总计未知量个数为 (5n-2) 。可以建立的静力平衡方程和极限平衡方程为4n个。待求未知量与方程数之差为 (n-2) 。一般在用条分法计算中, n在10以上, 因而是一个高次的超静定问题。要使问题得解, 必须作出各种简化假定, 以减少未知量。由于采用的假定不同而形成不同方法, 不同的计算方法得出的结果也不相同。通常采用的稳定分析方法均为国外几十年前提出的传统方法, 如瑞典条分法。
瑞典条分法是条分法中最古老而又最简单的方法。该法假设滑动面为一个圆弧面, 并认为条块间的作用力对边坡的整体稳定性影响不大, 可以忽略。或者说, 假定条块两侧的作用力大小相等、方向相反, 且作用于同一直线上。图2中取条块i进行分析, 由于不考虑条间力作用, 根据径向平衡条件, 则有:
Ni=Wi×cosαi (4)
设安全系数为FS, 根据滑弧面上的极限平衡条件, 则有:
undefined (5)
式中:Tfi——条块i在滑动面上的抗剪强度。
整个滑动土体对圆心O取力矩平衡得:
∑ (WiR×sinαi-TiRi) =0 (6)
将 (4) 式代入 (5) 式后, 再将 (5) 式代入 (6) 式, 得如下瑞典条分法计算公式:
undefined (7)
式中:ci——第i条滑裂面处土体粘聚力;li——第i条滑弧弧长;Wi——第i条自重, Wi=γibihi;bi和hi分别为第i条宽度和高度;αi——第i条底面中点的法线与竖直线交角;φi——第i条内摩擦角。
瑞典条分法是忽略条块间力影响的一种简化方法, 它只满足滑动土体整体力矩平衡条件, 而不满足条块的静力平衡条件, 这是它区别与其他条分法的主要特点。我国的规范中建议土坡稳定分析采用该法, 多年来的应用也积累了丰富的工程经验。该法得到的安全系数一般比其他较严格的方法偏低10 %～20 %, 即误差偏于安全方面, 故目前仍然是工程上常用的方法。
3 数值计算方法
随着数值分析方法的不断发展, 出现了不同数值分析方法的结合使用, 如有限元、边界元、无限元、离散元与块体元等的相互结合, 数值解与解析解的相互结合。这些方法的相互结合使用, 能充分发挥各自的特性, 解决复杂的岩土体边坡问题。运用数值方法进行岩土边坡的稳定性分析有许多优点。由于岩土边坡工程所处的边界条件和地质环境一般比较复杂, 加之土体的不连续性、不均匀性、各向异性等特性, 造成边坡工程问题十分复杂, 而数值分析方法可以方便地处理这些问题。
当前, 有限元法已经成为最流行的数值计算方法之一, 成为岩石边坡稳定性分析的主要计算工具, 已经有许多常规的标准算法, 并且开发了很多商业软件和专业程序。用有限元法分析边坡稳定性的步骤, 通常是首先计算出边坡内每一单元的应力, 然后根据整个滑裂面的抗剪强度与实际产生的剪应力之比来求得安全系数。
有限元法经历了从线性到非线性、弹性到弹塑性、平面到三维空间、静力到动力、均匀介质到多相介质、各向同性到各向异性的发展, 也经历了从被认为是单纯的计算方法发展到作为一种数值试验的过程。经过几十年的发展, 有限元法已经日臻完善, 并在边坡稳定分析中广泛采用。但目前还有许多问题值得进一步研究, 例如网格离散客观性差, 在应力集中区, 不同网格计算精度可能会相差很多;出现新的大裂缝或剪切带时, 网格调整比较困难;边坡岩体本构模型的选择;大型三维有限元模型在高度非线性情况下的收敛问题等。
4 其他方法
连续介质快速拉格朗日差分法 (Fast Lagrangian Method of Continua) 也是近年来逐步成熟完善起来的一种新型数值分析方法, 已在岩土工程中得到了越来越广泛的应用。对于给定的单元形函数, 快速拉格朗日法求解的代数方程实际上与有限元法相同, 所以, 这种方法也具有与有限元法相同的优点。
应用系统科学、人工智能、神经网络、进化计算和模糊数学等新兴学科理论, 综合研究岩石边坡工程系统的不确定性和工程经验, 发展出一套切实可行的智能力学分析方法, 这可能是解决复杂的边坡工程所涉及的问题的一条有效途径。
5 结语
现行的边坡稳定性分析方法很多, 大多数属于极限平衡法。另外, 由于影响边坡稳定性的因素很多, 以及岩体本身的复杂性、岩体本构关系确定的人为性、单元间应力的不连续性等, 使岩石边坡的数值分析还有许多工作要做。对于具体的方法来讲, 各种方法互有利弊, 同时也可以优势互补。因此, 对于不同的实际问题, 选择一个适用方法显得尤为重要, 或同时使用两种方法, 甚至多种方法。
摘要：对目前常用的几种边坡稳定性方法进行了分析, 提出了各自的适用范围。
关键词：圆弧滑动,条分法,边坡稳定性
参考文献
[1]刘端伶, 谭国焕.岩石边坡稳定性和Fuzzy综合评判法[J].岩石力学与工程学报, 1999, 18 (2) :170-175.
边坡稳定性分析方法 篇10
1 路基边坡系统稳定性评价方法
常见的路基边坡系统稳定性评价方法包括以下几种:
(1) 刚体极限平衡分析法。该评价方法的原理是架设岩土体破坏的原因是路基边坡土体滑动, 利用对边坡滑动面隔离体静力平衡的考虑, 计算在滑动发生时造成的岩土体破坏荷载。该评级方法的优势在于:一方面, 该方法侧重于对危险滑弧位置规律的研究, 并以此绘制相关的曲线与数表, 在很大程度上能够降低计算工作量;另一方面, 该评价方式在基础假定的基础上, 提出了新的计算方式, 保证计算结果与实际情况更加接近, 通过长期的实践证明, 采用该评价方法, 在合理条件下, 计算出的安全系数与实际相差不大。但是, 利用这种方式进行路基边坡系统稳定性分析, 并没有对土体本身应力与应变关系、土体状态进行考虑, 计算结果不能表示土体实际状态下的反力、内力, 更不能得出土体变形计算结果, 只能根据假定条件求出路基边坡稳定性安全系数。
(2) 有限单元法。该法属于数值分析法的一种, 优势在于该方法对路基边坡岩土体不均匀性、非均质性进行了全面考虑, 能够准确的反映边坡岩土体应力大小, 并反映应力的具体分布, 另外可以根据岩土体本构关系, 对边坡变形实施有效的分析, 分析出工程最需要加固的位置。然而, 该评级方法在对贪图提不连续面、大变形、应力集中等方面计算还不够完善, 存在一定的局限性。
(3) 无单元法。这种分析方法原理在于利用滑动最小二乘法, 得出光滑函数近似函数。这种方式不仅保留了有限单元法的一些优势, 还有效的消除了单元限制, 弥补了有限元分析法的局限性。采用这种评价分析方法, 仅仅需要结合结点信息, 在计算准确、处理方式、收敛速度等方面具有很大的优势。
(4) 离散单元法。这种路基边坡系统稳定性评价分析方法适用于模拟离散介质数值求解, 原理在于划分研究区域为一个个离散的块状单元, 在每一块单元之间并没有变形协调约束, 满足平衡方程。由于多边形块状单元不容易自由运动, 受到相邻块状单元的阻力很大。采用这种评价分析方式, 能够有效的反映出块状单元接触面滑动、倾翻等位移, 并且能够准确计算岩土体内部应力与变形情况。所以, 在一般破裂岩土体、块状结构中离散单元分析法较为适用。
(5) 块状系统不连续变形分析法。这种路基边坡系统稳定性评价分析法将每一个不连续的块状土体当做是一个独立的单元, 块状体之间利用接触机构实施有效的连接, 利用对单个块状体的分析, 反映块体运动以及受力情况。利用这种方法, 能够对岩土体移动、张开、转动、闭合等过程进行有效的模拟, 以此对岩土破坏程度、破坏范围等进行准确判断, 进而对路基边坡系统整体稳定性做出评价。这种评价分析方法在计算步骤、参数选取、变形问题处理等方面还有一定的不足, 但是其属于一种新型岩土数值分析计算法, 具有非常广阔的应用前景。
2 现存的路基边坡系统稳定性评价方法存在问题
公路路基边坡工程具有很强的开放性、复杂性, 同时对工程的影响因素较多, 同时具有一定的模糊性、随机性以及不确定性, 利用传统力学对边坡稳定性进行分析计算, 在一些问题中具有很大局限性。通常来说, 传统边坡系统稳定性分析采用方法为定值分析法, 在计算分析中忽略了由于不确定参数带来的误差, 同时也没有将由于抗力、荷载等计算中随机性因素对工程整体结构的影响, 评价分析结果往往与工程实际存在较大的差异, 同时在定值分析法得出的安全系数与路基边坡系统稳定性安全性能有很大的误差。
随着计算机信息技术的发展, 特别是计算机信息技术在边坡稳定性分析方面的应用, 数值分析法得到了显著的提高与完善, 稳定性数值分析逐渐成熟。然而计算机技术发展速度远远快于对土体本构关系的研究速度, 对利用计算机信息技术分析路基边坡系统稳定性造成很大的制约。
3 路基边坡系统稳定性评价方法发展前景
基于现阶段存在的边坡稳定性分析方法以及存在的问题, 随着我国科技水平的进步, 未来的边坡系统稳定性评价分析方法发展趋势体现在以下几个方面:
(1) 对相关参数的取值会越来越合理。对路基边坡稳定性的评价质量, 对路基边坡设计、滑坡治理等方面都具有十分重要的意义, 必须保证分析方法中参数取值的合理性。经相关研究表明, 计算参数取值合理性对稳定性评价的影响远远大于计算方法对其的影响。而现阶段, 对于采用极限平衡方法进行边坡稳定性分析的工程, 其主要计算误差来源是计算参数, 加上边坡土体不均质特点, 参数会发生一定的变化, 导致计算结果呈现一定的离散型。因此, 计算参数合理化是未来边坡稳定性评价分析必然的发展趋势。
(2) 各种分析方法有机结合使用。随着工程复杂性增加, 包括对工程施工要求的提高, 采用单一的边坡稳定性评价方式显然局限性太大。所以采用两种或多种评价分析方法, 取长补短, 发挥各个分析方法的优势, 消除单一评价法的局限性。
(3) 反向分析法。传统的边坡稳定性分析都是从边坡受力、失稳影响因素等方面研究, 如果采用反向反分析法, 改从边坡变形角度出发, 逐渐探寻引起边坡变形失稳的原因, 以此对边坡系统稳定性进行评价。
4 总结
综上所述, 公路路基边坡稳定性评价分析, 对路基边坡设计以及滑坡处理等方面具有是十分重要的意义。在进行稳定性评价分析时, 需要保证计算方法以及计算参数的合理性, 同时针对实际工程情况, 结合各方面的条件, 尽可能消除评价结果与工程实际情况的差异, 保证路基边坡稳定性系统评价的准确性。
摘要：本文首先介绍现阶段我国常用的几种路基边坡系统稳定性评价方法, 分析每一种方法的原理及优缺点, 然后分析现阶段边坡系统稳定性分析存在的问题, 最后提出了路基边坡系统稳定性评价的发展前景, 供有关人员参考。
关键词：路基边坡系统,稳定性评价,方法
参考文献
[1]张希, 杭晓阳, 卢银玲.路基边坡稳定性评价方法的探讨[J].河南省土木建筑学会论文集.2012, 15 (7) :124-125.
边坡稳定性分析方法 篇11
关键词：瓮福磷矿；露天开采；长锚索加固
中图分类号：TD853 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2013）08-0104-02
贵州省瓮福磷矿的英坪矿段是一个大型的海相沉积磷块岩矿床。矿段位于高坪背斜东翼南段，岩层倾向东，呈单斜产出。矿段内岩层总体倾向东，倾角平均29°。从1990年起对英坪矿段B矿层采用露天开采。目前正回采0线～6线的2#采场，采场的最低标高是+1170m，西翼已经形成250m的层面边坡，其中上半部边坡坡度平均为32°。随着开采的进行，西翼下盘边坡裂缝越来越多，最大达250m左右。在滑坡体下采矿，安全性没法保障，因此，滑坡体的治理成为矿区研究的重点。
1 计算模型的建立
本次数值计算模型根据英坪矿段现状边坡状况及其边坡的岩体力学性能指标（如表1所示），提出了排土场削坡+毛石混凝土压+1260m+长锚索加固的综合治理方案。
2 边坡开挖后不支护结果分析
由图2至图5的计算结果得知，开挖后的边坡率比自然边坡角大，边坡稳定性变差，总位移主要在边坡的自然面；开挖后边坡上主要显现成压应力，然后开挖坡面与边坡的自然表面连通成拉应力区，边坡的最大主应力值变大，稳定性变差；开挖后边坡原始的应力平衡已经破坏，应力集中于边坡的坡脚处，此时，边坡的安全系数是1.39，边坡此时比较安全。
3 长锚索综合加固结果分析
采用排土场削坡+毛石混凝土压+1260m+长锚索加固的综合治理方案后的数值计算模型如图6所示，数值计算结果如图7至图9所示。
由位移图可知，边坡施工长锚索后总位移显著减少，位移量范围从-100～-40mm减少到-20～-10mm，位移带不影响整体稳定性。边坡面的最大位移从44.5mm减小到22mm。最大剪切应变增值从-3.42×10-4减小到了-2.28×10-4，边坡稳定性增加。
4 结语
从计算结果分析可知综合治理边坡的方案效果明显，然而长锚索的寿命有限。一般英坪矿段边坡治理先对泥土层进行削坡，在矿山的开采服务年限内，采用排土场削坡+毛石混凝土压+1260m+长锚索加固的综合治理方案，能够使矿段边坡的安全性得到保证。
参考文献
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[3]钟登华.库岸滑坡体失稳三维动态模拟与分析研究[J].岩石力学与工程学报，2007，26（2）：361-367.
[4]孟达.露天矿边坡损伤与可靠性变化规律的数值分析[J].辽宁工程技术大学学报，2007，26（4）：538-540.
[5]彭康，李夕兵.基于响应面法的海下框架式采场结构优化[J].中南大学学报（自然科学版），2011，（8）：2417-2423.
[6]彭康，李夕兵.海底下框架式分层充填法开采中矿岩稳定性分析[J].中南大学学报（自然科学版），2011，（11）：3452-3457.
作者简介：折文丰（1985—），男，陕西子长人，供职于贵州瓮福（集团）有限责任公司，工程硕士，研究方向：矿山设计。
边坡稳定性分析方法 篇12
膨胀岩土具有碎裂性和低强度性，对开挖边坡和填土边坡的稳定性具有极大的危害。主要表现在以下三个方面[1]：
1）膨胀岩土各种结构面极其发育。这些结构面富水后往往成为潜在滑动面，尤其是深大的幔状结构面更常率先形成滑动面后壁；另外，四通八达的结构面成为裂隙水的通道，使结构面和岩体含水量增大，强度进一步衰减。这两方面因素的叠加，对边坡稳定十分不利，进而导致边坡坍塌。同时，碎裂岩体对锚杆的握裹力减小，群锚机制不能充分实现，导致锚杆类支护工程失效甚至破坏。
2）膨胀岩土的抗压强度极低。抗剪强度不高且随干湿循环而急剧衰减，这归因于成岩作用低，岩体碎裂，含水量大。由于抗压强度低，坡脚岩体难以承受边坡自重压力，对于陡边坡、重面板的锚杆类支护工程，更易因坡脚应力高度集中而被压溃，酿至边坡崩塌。由于抗剪强度低，易沿结构面滑动，边坡坡率要相当缓才能保持稳定。
3）含水量对强度的影响尤为严重。边坡失稳往往发端于含水量大的鞍部低坡段，边坡高处并不易坍滑，说明边坡高度没有含水量对边坡稳定性的影响大。地面反坡的坡段更因地表水不易入渗而稳定性较高，加之结构面产状及其组合在边坡两侧也往往不同，形成高低两侧边坡的稳定性有差异。
因此，对膨胀岩土边坡，除总体上把握其破碎性和低强度性外，应进一步掌握不同地段、不同高低边坡地貌、地质、地下水状况的差异，才能分段、分不同类型、不同力度的采取针对性的工程防范措施。
膨胀岩土中产生膨胀力的激发原因是由于水分的变化，即含水量增加时便产生膨胀力，含水量减少时岩土体便收缩，把膨胀力尽量合理地考虑到边坡稳定分析中，是解决膨胀岩土边坡稳定性计算问题的关键。本文遵循简捷、方便和实用的原则，建立膨胀岩土稳定性分析的极限平衡法。
2 膨胀岩土边坡稳定性分析模型
2.1 基本假定
1）对于同一类膨胀岩土，经过若干次干缩湿胀循环后，土体内产生众多裂隙，但其裂隙分布是随机任意，杂乱无章的，故假定此时的岩土体仍为均质体，即不计裂隙影响，按均质岩土体分析边坡稳定性。
2）岩土体滑动时，滑动面为连续圆弧面，且设滑弧均过坡脚，即滑弧为“坡脚圆”。
3）考虑大气风化作用影响，风化层厚度根据具体工程所处地理位置决定，如：成都地区，风化层厚度d取为1.5 m。这样，由于风化作用影响，膨胀岩土边坡由外到内应分为三层[2,3,3,4]：(1)表层：即受风化作用直接影响层，在此层内，裂隙极其发育，膨胀力沿深度有明显变化，有较大的膨胀变形，强度衰减幅度大；(2)浅层：在表层以下，且膨胀力大于上覆土重力的一层，此层内，裂隙较细小而且不太发育，有一定的膨胀变形，亦有一定的强度衰减，但变形和衰减幅度均较小；(3)深层：在浅层之下，即：膨胀力等于上覆土重力之处以下的土层，此层内无膨胀变形和强度衰减，可视为不受膨胀力影响的部分。
4）在表层内，假定膨胀力随深度按一定规律变化，根据含水量的变化特点及土层受约束状况，为便于计算简化成线性变化规律；进入浅层界面之后，设膨胀力开始保持此界面处之值，并向浅层内延伸相当长距离，然后开始变小，一直变化延伸至深层区之内，这样便形成了边坡中膨胀力的折线型变化规律。在竖向按离开坡顶的垂直距离计算，横向则按离开坡面的水平距离计算，如图1所示，具体计算按式（1）和（2）。
其中sP膨胀力，由试验确定。
5）条分计算时，每个小土条视为刚体，相应的膨胀力垂直作用于刚体周边。
6）假定滑弧穿过的区域均是表层或浅层。
2.2 土条受力模式
对于单面开挖边坡，由于上表面有原始地表等覆盖封闭，所以可视为仅有一个临空面；对于侧面和顶部均开挖或填土边坡，由于侧面与上表面均无覆盖封闭，故应有两个临空面。二者根本差别在于由此引起的膨胀力的分布不同，即：开挖表层范围内的竖向膨胀力为常数sP，而填土其竖向膨胀力则按线性规律变化（由前假定）。
1)单面开挖边坡
如图2所示，一个单面开挖边坡横断面，虚线表示风化层影响范围。将滑动土体分成四个区域，对每个区域分别进行土条受力分析。
根据工程实践，对于一般的膨胀岩土边坡，滑弧仍从其下面膨胀岩土中穿过。各区土条受力如图3所示。
2）双面开挖或填土边坡
如图4所示，故将其分成五个区域。由于横向、竖向均有风化层，在ABMN区内按竖向风化影响计算膨胀力；在ABCO区内按横向风化影响计算膨胀力。各区土条受力模式如图5所示。
3. Fellenius法(瑞典圆弧法)与简化Bishop法计算分析
3.1 关于Fellenius法和Bishop法
(1)Fellenius法
此法是仅考虑作用于土体滑动面上的抗滑力(矩)与下滑力(矩)，由二者之比计算出边坡稳定系数，忽略土条之间的相互作用力，即:考虑由重力等引起的下滑力(矩)以及由摩擦力和粘聚力产生的抗滑力(矩)。分别计算各土条的下滑力iT和抗滑力iR，最后将各土条的相应之力相加得到∑iT和∑iR，求得稳定系数k=∑iR/∑iT。
(2)Bishop法
此法思路主要有三点:(1)由每个土条的竖直方向的力的平衡得到Ni与iT的关系式;(2)由稳定系数的定义:土体滑动时滑面上的剪应力除土体的抗剪强度;(3)由各力对圆弧中心的力矩的平衡得出下滑力iT。其中，忽略了土条之间的横向作用力，且认为每个土条两侧的竖向作用力相互平衡，若不计孔隙水压力，即为“简化Bishop法”。在上述的三点中，先将(1)、(2)联立(即将稳定系数定义先用于各个土条中)，消去iT得出Ni表达式，此表达式中含有一个初始稳定系数ko（第一次可取用Fellenius法计算得到的k值)，然后再根据(3)步骤将每个土条的iT求出，最后将各个土条的Ni、iT累加，代入稳定系数k的表达式中，得出k的表达式，再用迭代法计算(即每次通过改变初始ko值实现)，直到相邻两次计算的k值之差满足精度要求便可。
采用极限平衡法中的Fellenius法(瑞典圆弧法)和Bishop法(实为“简化Bishop法")分别计算边坡稳定系数。若单纯用Fellenius法，虽计算思路十分简单，但计算结果显得较为粗糙，为提高计算结果之精确程度，再用Bishop法对Fellenius法得出的最危险滑弧进行核算，得到相对更精确些的结果。
按上述思路对各区域用两法分别计算。
3.2 单面开挖边坡
I区：令：iQ=Ps右-Ps左=Psh ri-Psh 1i；第i土条的合重力iW=γiAi+P上bi，式中Ai为第i土条面积，且将上覆压力计入重力之内；作用于滑面上的膨胀力的合力Pei=Ps⋅li，其中il为第i土条的滑弧长度；第i土条滑弧中点的切线与水平方向的夹角为αi各符号含义下同）。
则：由力的平衡可得：
即得：
II～IV区：
类似I区，变化主要在作用于土条侧面上的膨胀力的分布形式有所不同，但iQ仍表示第i土条的右侧合膨胀力减去其左侧合膨胀力，而其它各式的计算形式与Ⅰ区相同。但要注意的是，对于IV区，Ps1≠Ps2≠Ps，此时，
其中：为土条右边界离开侧坡面的水平距离，x2为土条左边界离开侧坡面的水平距离，d为风化层影响深度，成都地区为1.5 m。
把各区的∑iT、∑iR得出后再总体累加起来，则最终可以求出k,
以上这是用Fellenius法计算,而简化Bishop法如下:
I区:
1)由竖向力之平衡:(11)由于假定,所以上式即为:
2)由稳定系数定义:
即可取-初始稳定系数ko=
式(11)、(12)联立,消去Ti得:
3)由对圆心O的合力矩平衡得:
式中:iie Q⋅为左、右侧膨胀力对圆心力矩之差(右-左),
即:
则:
4)累加:
对于II～V区:
此间各区与I区的差别主要在于土条两侧膨胀力的分布规律不同,而该膨胀力产生的力矩的计算方法则同I区(膨胀力计算,仍按前述分布规律实现),而且其它计算过程亦同I区。这样,可把各区的∑iT与∑+)tan(iicl Nφ计算出来,最终累加各区这两项的相应值,则稳定系数k的表达式由二者相比得出,在此表达式中仍含有一个k值,采用迭代法计算,即:令fokk=(Fellenius法计算的稳定系数值)推出1kk=,再让1kko=,又得出2kk=,……,如此循坏迭代,直到相邻两个k值之差满足精度再求便可,k的表达式如下:
其中：ko为每次迭代的初值。
必须注意的是，迭代过程中若系数moi≤0.2，则计算误差会陡然增大，此时便认为迭代失效，停止Bishop法计算。
3.3 双面开挖或填土边坡
对于双面开挖或填土边坡路堑，计算过程同单面开挖边坡相应方法均相似，主要不同在于膨胀力的计算，因为二者的分布规律不尽相同，这里应有两个风化带（横向、竖向），所以膨胀力要分这两种情况分别计算，在图5中，（a）、（c）、（e）三种情况中的Ps1、Ps2的计算式子是不同的。
4 算例分析
成都某道路工程，路面宽80 m。取距地表约1.5m处的土质分析，试验测得其物理力学性质指标如下：含水量w=27.8%，饱和度Sr=94%，天然容重γ=19.4kN/m3，粘聚力c=36k Pa（饱和三轴剪），内摩擦角φ=15°（饱和三轴剪），天然含水量下的最大膨胀力sP=37 kPa。
成都地区的膨胀土以弱膨胀土居多，由于表层受风化影响强度会有所下降，故表层以下的强度指标较其应有所提高，本文按粘聚力提高20%、内摩擦角保持不变来处理。
对于用该膨胀土填筑高h=3m的边坡（击实土外包改性土）和开挖高h=5m的边坡分别采取不同的坡率1m进行计算，边坡计算强度考虑膨胀土的变动强度和强度衰减按长期强度取值。根据工程实践经验，长期强度取为饱和三轴剪的70～80%，故填土边坡计算粘聚力取为试验值的75%，计算内摩擦角的正切值取为试验值的80%，而对于开挖，粘聚力与内摩擦角的折减率则分别取为85%和90%。按Fellenius法和简化Bishop法算得的路基稳定系数如表1和表2所示。
注：XS—最危险滑弧与坡顶的交点距坡脚的水平距离（下同）；计算时，按上覆静荷载
注：这里是按堑坡表面防护静荷载Pj=10 kPa计算。
根据《建筑边坡工程技术规范》(GB 50330-2002)，边坡稳定最小安全系数取为1.20。表中计算结果表明，当填土边坡坡高为3m，坡率为1:1.5时，其状态为基本稳定，因此，可认为对于一般的3米左右的低缓填土边坡是基本安全的，仅需进行适当防护便可；而对于坡高为5m，坡率为1:1的开挖边坡，其状态是不稳定或欠稳定，所以，对于坡高为5m左右，坡率为1:1左右的开挖边坡，须进行支挡加固处理。
5 结论
1)对于膨胀岩土边坡的稳定性计算，简化Bishop法与Fellenius法计算结果有所不同，虽简化Bishop法计算之值偏大，与理论分析更接近。
2）按本文方法思路，可根据坡高、坡率等参数的具体大小，计算各自情况下的边坡稳定系数。
3）本文提出的方法，可在安全系数k选定后，根据两种计算结果分析和判断边坡的稳定状态，确定是否需要加固支挡，并以此为基础，进行下一步的设计工作。
摘要：根据膨胀岩土的工程特性,通过对单面开挖和填土边坡受膨胀力的状态进行了分区,分析了受力模式,采用极限平衡法中的Fellenius法(瑞典圆弧法)和Bishop法(简化Bishop法)分别计算边坡稳定系数,并确定是否需要采取工程措施。
关键词：膨胀岩土,稳定系数,支护措施
参考文献
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