（岩土工程专业论文）岩质高边坡稳定性数值模拟与岩体力学参数反分析.pdf

武汉理t 大学硕士学位论文 摘要 边坡失稳破坏造成的崩塌、滑坡、泥石流同地震和火山并列成为全球三大 地质灾害，它涉及矿山工程、土木工程、铁路公路工程、水利水电、港口、废 渣及垃圾处理等诸多工程领域，以及山坡、岸坡等自然领域。近几年来，采矿、 水利、交通和建筑等工程蓬勃发展，工程建设规模和力度也越来越大，边坡地 质灾害更为突出，边坡问题从简单的土坡延伸到复杂的岩质高大边坡，由此岩 质边坡稳定性问题的研究成为一个热点。本文分析了西南某岩质高边坡的工程 地质条件和区域地质条件，分别采用边坡稳定性刚体极限平衡的b i s h o p 圆弧滑 动法、s a r m a 法、三维楔形体法等分析了各种工况及不同开挖锚固情况下边坡的 安全稳定性，特别是用f l a c 3 d 有限差分法对岩质高边坡进行了数值模拟与分 析，将边坡施工监测数据与数值计算结果进行比较和分析，通过正反分析方法 反演岩体力学参数，得到了一系列有价值的成果直接提供给设计施工方作参考。 主要研究内容如下： 首先简要的介绍了刚体极限平衡分析方法、数值方法及反分析方法等高边 坡稳定性分析方法。针对西南某岩质高边坡，根据边坡的工程地质条件和区域 地质条件，分析并选定了岩体物理力学参数取值范围，选取几个具有代表性的 剖面结合不同的结构面组合情况和土层情况，进行了圆弧滑动破坏失稳模式 ( b i s h o p 圆弧滑动法) 、沿结构面滑动破坏失稳模式( s a r m a 法) 及三维楔形块 体局部失稳模式等边坡稳定刚体极限平衡法分析，分别对正常持久状况、暴雨 短暂状况和度地震工况在不同的开挖锚固情况下进行边坡稳定安全系数的计 算及锚索锚固后的安全系数计算，用以对边坡开挖稳定性及锚索锚固效果的评 价。 其次介绍了f l a c 3 d 有限差分软件的原理、特点及其在边坡工程中的应用。 选取了一段有代表性的岩质高边坡，确定所需的岩土体各输入参数及锚索锚固 参数。用a n s y s 实体建模，将a n s y s 模型用接口程序导入到f l a c 3 d 中，用 f l a c 3 d 软件对开挖和锚固过程进行数值模拟。选取每个开挖台阶边缘作为监 控点，模拟边坡实际的开挖和锚索加固过程和施工工序，计算边坡在开挖加固 过程中边坡体的应力、应变、位移和塑性区分布，分析计算结果并对边坡锚索 加固效果进行评价。 武汉理工大学硕士学位论文 最后，对现场监测数据进行了分析，选取了有代表性的监测数据与数值计 算结果进行分析和比较，并通过正反分析方法反演岩体物理力学参数。进而验 证了用f l a c 3 d 软件在岩质高边坡稳定性分析中的可行性。 关键词：岩质高边坡稳定性，极限平衡法，f l a c 3 d ，数值模拟，监测数据， 反分析 i l a b s t r a c t r o c k f a l l ，l a n d s l i d ea n dm u d f l o wc a u s e db ys l o p es t a b i l i t yf a i l u r ew h i c hi sa c o l n r l l o np r o b l e mi nt h er a n g eo f e n g i n e e r i n gf i e l ds u c ha sm i n i n ge n g i n e e r i n g , c i v i l e n g i n e e r i n g ，r a i l w a ya n dh i g h w a ye n g i n e e r i n g ，h y d r o l o g i c a la n dh y d r o e l e c t r i c e n 9 1 n e e n n g w a s t er e s i d u ea n dg a r b a g em a n a g e m e n te n g i n e e r i n g , t o g e t h e rw i t h e a r t h q u a k ea n dv o l c a n oe r u p t i o na r ec o n s i d e r e dt ob et h em o s td i s a s t r o u sg e o l o g i c a l h a z a r da l la r o u n dt h ew o r l d i nr e c e n t y e a r s ，a st h es w i f td e v e l o p m e n to f i n f r a s t r u c t u r ef a c i l i t i e si nt h ef i e l do fm i n i n g i n d u s t r y , h y d r o e l e c t r i ci n d u s t r y , t r a n s p o r t a t i o na n dc o n s t r u c t i o ni n d u s t r y ，t h es c a l eo fc o n s t r u c t i o ni n c r e a s e sa n da l s o t h ei n v e s t m e n ts t r e n g t h ，t h ep r o b l e mw en e e dt o d e a lw i t he x t e n dg r a d u a l l yf r o m s i m p l es o i ls l o p et oc o m p l i c a t e dh i g hr o c ks l o p e ，t h ep o t e n t i a lo fs l o p es t a b i l i t y f a i l u r ea n da l s ot h ed i s a s t r o u se f f e c tb e c o m e se v e rm o r ep r o m i n e n t i ti si nt h e s e c o n d i t i o nt h a tt h er e s e a r c ho f h i g hr o c ks l o p es t a b i l i t yh a sb e c o m ear e s e a r c h i n gh o t s p o t t h ee n g i n e e r i n gg e o l o g i c a lc o n d i t i o na n dr e g i o n a lg e o l o g i c a lc o n d i t i o no fs o m e s o u t h w e s t e r nc h i n ah ig l lr o c k s l o p ew a si n t r o d u c e da n da n a l y s e d s e v e r a ll i m i t e q u i l i b r i u mm e t h o d ss u c h 嬲s i m p l i f i e db i s h o pm e t h o d s a r m am e t h o dw e r e e m p l o y e d , s e v e r a ld i f f e r e n te x c a v a t i n ga n ds u p p o r t i n gm e t h o d sa n da l s od i f f e r e n t w o r k i n gc o n d i t i o n sw e r ei n v o l v e dt oe v a l u a t et h es t a b i l i t yo ft h es l o p e e s p e c i a l l y i m p o r t a n ti st h ee m p l o y m e n to ft h ef l a c 3 dm e t h o dt on u m e r i c a l l ys i m u l a t ea n d a n a l y s et h ei n t e r n a ls t r e s sa n dm o v e m e n to ft h es l o p e ，t h er e s u l t sw e r es t u d i e da n d c o m p a r e dw i t hd a t ac o l l e c t e df r o mi n s i t um o n i t o r i n g as e r i e so fu s e f u lt i p sw h i c h w e r eh e l p f u lf o rt h ed e s i g n e r sw e r ed e r i v e df r o m u s i n gt h eb a c ka n a l y s i n gm e t h o dt o o b t a i nr o c kp a r a m e t e r s t h ep r o b l e m st h a tw e r ed i s c u s s e di nt h i sp a p e ra r ea sf o l l o w s ： i ti sf i r s ti n t r o d u c e di nt h i sa r t i c l es e v e r a lm e t h o d st oa n a l y s et h e s t a b i l i t yo f s l o p e s ，s u c ha st h el i m i te q u i l i b r i u mm e t h o d s ，n u m e r i c a lm e t h o d sa n db a c ka n a l y s i s m e t h o d t h ee n g i n e e r i n gg e o l o g i c a lc o n d i t i o na n dr e g i o n a lg e o l o g i c a lc o n d i t i o no f s o m es o u t h w e s t e r nc h i n aw a ss t u d i e d ，t h em c km a s sp a r a m e t e ra s s i g n m e n t sw e r e e v a l u a t e da n dr e s t r i c t e di nas m a l lr e g i o n s e v e r a lr e p r e s e n t a t i v ec r o s s s e c t i o n sw i t h i i i 武汉理工大学硕士学位论文 d i f f e r e n ts o i l1 a y e r sa n dd i f f e r e n tc o m b i n a t i o no ff a u l t sa n dj o i n t s ，u n d e rc o n d i t i o n s l i k en o r m a le x c a v a t i o ns e q u e n c e ，i n s t a n td o w n p o u r , a n d8d e g r e eo fr i c h t e rs c a l e e a r t h q u a k e ，s u p p o r t e db yv a r i o u s c a b l e s i n s t a l l i n gs e q u e n c ew e r ea n a l y s e d t o c o m p u t et h es a f e t yc o e f f i c i e n c yb e f o r ea n da f t e rc a b l ei n s t a l l a t i o n n l cr e s u l t sc o u l d b eu s e dt oa s s e s st h es t a b i l i t yo ft h er o c ks l o p ea n dt h ee f f i c i e n c yo fc a b l ei n s t a l l a t i o n f l a c 3 d ( f a s tl a g r a n g i a na l g o r i t h mf o rc o n t i n u a ) i st h e ni n t r o d u c e da sa s e l e c t i v en u m e r i c a lm e t h o dt ob eu s e di ng e o t e c h n i c a le n g i n e e r i n g ，i t sp r i n c i p a l ，i t s f e a t u r ea n di t su s e f u l n e s si ng e o t e c h n i c a lf i e l di sh i g h l i g h t e da n de l a b o r a t e d t os h o w t or e a d e r sh o wt h i sk i n do fm e t h o dc o u l db ee m p l o y e dt os o l v er e a lp r o b l e m s ，a r e p r e s e n t a t i v es e c t i o no fah i g hr o c ks l o p e i st h e ne m p l o y e dt ob ea n a l y s e d am o d e l i st h e nc o n s t r u c t e db ym e a n so fi m p u t i n ga n s y sg r i di n t of l a c 3 d ，t h e ns e v e r a l c o n t r o lp o i n t sa r ed i s t r i b u t e dt ot h ee d g eo fe v e r yc a tw a l k st om o n i t o rt h eb o t h h o r i z o n t a la n dv e r t i c a ld i s p l a c e m e n t ，i n n e rs t r e s s ，s t r a i na n dp l a s t i c i t yr e g i o na r ea l s o m o n i t o r e dd u r i n gt h ee x c a v a t i n ga n dc a b l ei n s t a l l i n gp r o c e d u r e 砀er e s u l t sa r et h e n a n a l y s e dt ob ec o m p a r e dw i t hr e s u l t sc o l l e c t e db e f o r ee x c a v a t i o no rw i t hr e s u l t sa f t e r c a b l ei n s t a l l a t i o nt os e et h es t a b i l i t yo fs l o p ea n dt h ee f f e c to fc a b l ei n s t a l l a t i o n l a s tb u tn o tl e a s t ，r e a l t i m em o n i t o r i n gr e s u l t sw e r ec o l l e c t e da n ds o r t e d ， r e p r e s e n t a t i v ed a t ac o u l db ec h o s e nt ob ec o m p a r e dw i t hc o m p u t e do n e s ，t h u sc o u l d b eu s e da si n p u t si nb a c ka n a l y s i st os o r to u tr e a lp a r a m e t e r si nt h ew i l d t h i s e x a m p l ec o n f i r m sf l a c 3 d su s a g ei nt h eg e o t e c h n i a lf i e l dt ob e a l le f f e c t i v ew a yo f a n a l y s i n gt h es t a b i l i t yo fh i g hr o c ks l o p e ，i tc a na l s ob ei n s t r u c t i o n a lt o d e c i d ea t w h i c ht i m et od ot h ee x c a v a t i n gw o r ko r c a b l ei n s t a l l a t i o nw o r k ，s e r v et h e c o n s t r u c t i o nw o r kw e l li n d e e d k e yw o r d s ：s t a b i l i t yo fh i g hr o c ks l o p e ，l i m i te q u i l i b r i u mm e t h o d ，f l a c 3 d ， n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，i n s i t um o n i t o r i n gd a t a ，b a c ka n a l y s i s i v 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生( 签名) ：垒盔重塾日期堂翌2 ，墨：! ! 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武 汉理工大学认可的国家有关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会 公众提供信息服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ：盘查毖 导师( 签名) ： 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 研究的目的及意义 边坡是自然斜坡和人工边坡的统称，是人类生存及工程活动最常见的自然 地质环境，如露天采矿工程、铁路、公路、水利建设、房屋建筑与市政建设等 等。人类在从事生产和建设过程中，不可避免的要对岩石圈表层进行处理，其 中，水电建设、露天采矿和道路修筑等人类工程活动对岩土体的挖掘，往往形 成众多的边坡。随着我国经济建设的迅速发展，特别是西部大开发战略的实施， 大型重点工程项目日益增多，在公路、铁路、水利、市政、土建、矿山等资源 开发和基础设施的建设中，出现了大量的边坡。特别是地质条件复杂、人工边 坡和自然边坡环境较为恶劣的西部地区，由于工程规模的不断增大和地形地质 条件的限制，边坡的高度越来越大，稳定性问题日益突出。工程建设中不断发 生的边坡失稳事件，导致了人们生命和财产的严重损失，由此引起工期延误而 带来的间接损失更是不可估量。可见，边坡的稳定问题事关工程建设和运行期 间的安全和经济效益，对其稳定性进行综合评价和防治具有非常重要的工程实 践意义和经济价值，同时，众多典型实例研究的实践也会推动边坡稳定性研究 理论和方法的进展。 1 2 边坡稳定性分析方法 根据不同的工程地质与工程环境，边坡稳定分析的方法一般可分为定性分 析和定量分析两大类。此外，近年来，人们在前面两种分析方法的基础上，又 引进了一些新的学科、理论，逐渐发展起来一些新的边坡稳定性分析方法，如 可靠度分析法【1 1 、模糊分级评判法【2 1 、系统工程地质分析法、灰色系统理论分析 法【3 】等，这里暂且称之为非确定性分析方法。另外，还有物理模型方法和现场监 测分析方法等。 定性分析方法 定性分析方法主要是通过工程地质勘察，对影响边坡稳定性的主要因素、 武汉理下大学硕十学位论文 可能的变形破坏方式及失稳的力学机制等进行分析，对已变形地质体的成因及 其演化史进行分析，从而给出被评价边坡一个稳定性状况及其可能发展趋势的 定性的说明和解释。其优点是能综合考虑影响边坡稳定性的多种因素，快速地 对边坡的稳定状况及其发展趋势作出评价。常用的定性分析方法有自然( 成因) 历史分析法、图解法( 诺模图法、投影图法) 、范例推理评价法【4 1 、专家系统法【5 】 和工程类比法。 长期的工程实践己经形成了大量的各类边坡工程，对其稳定性状况的研究 一直是人们关注的焦点，充分挖掘和利用大量的、稳定性状况己被研究清楚的 边坡的成功经验有着重要的实际意义。由此形成了目前应用最广泛的一种边坡 稳定性分析方法，即工程类比法。类比是一种从特殊过渡到特殊的思维方式， 类比法在科学研究中起十分重要的作用。工程地质类比法一般仅适用于地质结 构简单的中小型边坡处理分析，在地质条件复杂地区或勘探工作的前期，也常 采用此法，对边坡作定性评价。工程类比法的优点是综合考虑各种影响边坡稳 定的因素，迅速地对边坡稳定性及其发展趋势做出估计和预测，缺点是类比条 件因地而异，经验性强，没有数量界限【6 1 。一些重要的规范和规定都明确规定【7 】， 在有关地质工程设计中应采用工程类比法，许多重要的边坡工程正是采用了工 程类比法设计成功的。但是，以往的工程类比法的实施绝大多数以人工操作完 成，效率低，而且主观性很强。因此，计算机和人工智能的运用为类比推理( 人 类工程经验) 的充分利用开辟了广阔的前景。 定量分析方法 数学力学分析是岩石高边坡处理工程研究中的一个重要环节。它是通过建 立工程岩体的力学模型和利用适当的分析方法，预测工程岩体在各种力场作用 下的变形与稳定性，为岩石工程设计和施工提供定量依据。 在求解岩土工程问题中，通常根据工程基本情况确定几何条件、荷载条件、 边界条件；通过地质勘探和室内外试验确定地质条件、本构模型、力学参数等； 通过解析法或数值法，求解结构或岩土介质的物理量( 如应力、应变等) 【8 】。这一 求解过程称为确定性分析。其中建立符合实际的力学模型和选择适当的分析方 法是数学力学分析中的关键。目前常用的力学模型有：刚体力学模型、弹性及弹 塑性力学模型、流变模型、断裂力学模型、损伤力学模型、渗透网络模型、拓 扑模型等等。 常用的确定性分析方法包括极限平衡法和数值分析法。极限平衡分析方法 2 武汉理工大学硕士学位论文 很多，主要包括：主要包括：f e l l e n i u s 9 】法、b i s h o p 1 0 】法、t a y o r 法、j a n b u 1 1 】 1 2 】法、 m o r g e n s t e r n p r i c e 1 3 】法、s p e n c e r t l 4 】法、滑楔法、不平衡推力法、s a r m a 1 5 】【1 6 】法、 平面破坏计算法、传递系数法以及b a k e r g a r b e r t l 7 】临界滑面法等。数值分析方 法主要包括：有限差分法、有限元法、边界元法【1 引、离散元法【1 9 】、无界元法【2 0 】、 流形元法【2 l 】、( d d a 法) 不连续变形分析、法【2 2 1 、快速拉格朗日法( f l a c 法) 等。 ( 1 ) 极限平衡法极限平衡理论的主要思想是将有滑动趋势范围内的边坡岩 体按某种规则划分为一个个小块体，通过块体的平衡条件建立整个边坡平衡方 程来分析边坡的稳定性。由于极限平衡法具有模型简单、计算公式便捷、可以 解决各种复杂剖面形状、能考虑各种加载形式的优点，因此得到广泛的应用。 ( 2 ) 有限元分析方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。有限元法的优点 是部分地考虑了边坡岩体的非均质和不连续性，可以给出岩体的应力、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，分析最先、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。但它在求解大变形和位移不连续 等问题时，需要进行大量的计算，对于无限域、应力集中问题等的求解也还不 太理想。 大型工程的边坡或重要边坡的安全稳定一般均要采用二维平面或三维有限 元进行分析【2 3 1 。通过有限元分析，可以得到边坡内部的应力分布状况、塑性区 的分布范围和位移等。此外，还可以对边坡工程处理措施中的抗滑桩、预应力 锚索的详细作用机理和局部应力状态进行深入的分析，模拟边坡的各种工作状 态，进行仿真演算。通过计算参数和条件的改变( 岩石力学参数、开挖坡型、工 程处理方案和地下孔隙水作用等) ，寻找影响边坡安全稳定的敏感因素，优化边 坡设计。 ( 3 ) 有限差分法有限差分法是求解给定初值和( 或) 边值问题的较早的数值 方法之一。有限差分法主要思想是将待求解问题的基本方程组和边界条件( 一般 均为微分方程) 近似地改用差分方程( 代数方程) 来表示，即由一定规则的空间离 散点处的场变量( 应力、位移) 的代数表达式代替，这些变量在单元内是非确定的， 从而把求解微分方程的问题转化为求解代数方程的问题。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 武汉理工大学硕七学位论文 了f l a c 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。其缺点是同有限元方法一样，计算边界、单元 网格的划分带有很大的随意性。 非确定性分析方法 非确定性分析方法主要包括模糊综合评价法、可靠度评价方法、灰色系统 评价法、人工神经网络分析法、遗传进化算法和概率分析法。 ( 1 ) 模糊综合评价模糊综合评价【2 4 】是应用模糊变换原理和最大隶属度原 则，综合考虑被评事物或其属性的相关因素，进而进行等级或类别评价。模糊 分级评价方法为多变量、多因素影响的边坡稳定性提供了一种行之有效的手段。 ( 2 ) 可靠度评价方法可靠度评价方、法 2 5 】把边坡岩体性质、荷载、地下水、 破坏模式、计算模型等作为不确定量，借鉴结构工程可靠性理论方法，结合边 坡工程的具体情况，用可靠指标或破坏概率来评价边坡安全度。与传统的确定 性理论相比较，可靠性分析能更好地反映边坡工程的实际状态，正确合理地解 释许多用确定性理论无法解释的工程问题。 ( 3 ) 人工神经网络分析法人工神经网络【2 6 】是指由大量简单神经元广泛互 连构成的一种计算结构，是一种广义的并行处理系统。利用神经网络可以尽可 能多地将各种影响因素作为输入变量，建立这些定性或定量影响因素同边坡安 全系数与变形量之间的高度非线性映射模型，然后用模型来评价边坡的安全性。 反分析方法 以上的确定性分析方法和非确定性分析方法都是定量分析方法，运用在分 析求解问题时可统称为正分析。正分析理论己经取得了较大的进展，数值方法 的应用和发展为近似求解复杂的岩土工程问题提供了有力的手段，但是其近似 程度完全取决于所用本构模型在多大程度上反映岩土介质的形态以及计算参数 在多大程度上代表岩土体的真实情况。 常用的边坡稳定性分析方法普遍存在以下问题： 边坡稳定性分析缺少足够资料边坡稳定性问题首先面对的是资料有 限的问题，不仅是输入给模型的基本参数( 如材料参数、模型参数) 没有现成的数 据可用都必须经过近似进行推导，而且测量精确度不高。在现阶段，由于“参数 给不准”，不能获得足够的资料用于理论分析和数值模拟。 滑坡破坏机理不太清楚滑坡岩土体的变形破坏特征极其复杂，而且多 半是高度非线性的。由于研究对象不断在变化，很难找到种精确的数值方法 4 武汉理工大学硕士学位论文 进行求解。由于对破坏机理不太清楚，人们在进行理论分析和数值模拟时，经 常不得不在特定情况下进行假设，套用已有的理论和定理进行处理，致使分析 结果常常与实际出入很大。在对本构模型的选取上，也带有一定的盲目性。 边坡稳定性分析存在大量的非确定性边坡岩土体是一种不确定性系 统，既有客观上的非确定性，也有主观上的非确定性。这种非确定性包括随机 性、模糊性、信息的不完全性和信息处理的不确定性。对于客观上的非确定性， 主要有：载荷环境的初始应力场、介质地质环境的材料参数、不同施工环境与 条件等，由于客观上的这些非确定性，加上对滑坡破坏机理不太清楚，导致主 观上的非确定性，如计算模型、参数的选取，计算条件的假定等。 岩体力学参数的选取对于地下工程的评价及变形预测具有决定性的作用， 围岩参数反分析法自提以来，得到了很大的发展。所谓反分析法，就是以现场 量测的、反映系统力学行为的某些物理信息( 位移、应变、应力或荷载等) 为基础， 通过反演模型系统的物理性质模型及其数学描述，推算得到该系统的各项或某 些初始参数( 初始地应力、本构模型参数等) 的方法。其目的是接近现场量测结果 的理论预测模型，近似模拟或预测岩体结构的某些力学行为，对运行中的岩土 结构工程性态进行评价、预测、控制和决策。 反分析的优点是：岩体的某些参数，如弹性模量、强度参数等，对地下工 程的施工和设计具有极其重要的作用。直接进行这些参数的现场测量势必要耗 费大量的物资和精力，而结果却不一定令人满意。试图从改进实验技术和采用 新的实验手段解决岩体设计参数的困难( 例如现场原位实验、地应力量测等) 至今 收效甚微。而反分析克服了直接测量岩体参数所带来的弊端，仅用工程中较易 得到的位移量就可以反演出岩体的这些参数。反分析的重要应用价值不仅在于 提供适用的计算参数，还可以利用反分析所得参数对随后的施工或设计效果提 供科学的预测。 反分析的缺点在于它的力学模型是基于固体力学理论建立的，它首先假设 了围岩的变形规律，而这一规律的研究还处于尚未成功的时期，岩体的本构关 系、喷锚支护的机理、开挖系统的控制理论等问题均未得到解决。因此反分析 得到的岩体参数与实际值之间存在一定的差别，所得到的参数只是一种“综合参 数”，包含了不同岩层、节理、地质特征及工程施工因素等众多因素的影响，其 物理概念是“模糊”的。 自从上个世纪7 0 年代提出由现场量测信息进行参数及本构关系等的反分析 5 武汉理工大学硕士学位论文 以来，随着新奥法及监控设计思想的广泛流行，岩土力学反分析得到了很大的 发展。反分析得到的计算参数是等效参数，它综合反映岩土的性质和工程施工 的各种影响因素，采用反分析得到的参数作为在同一模型下正分析的输入参数 大大提高了分析结果的可靠性。反分析方法为数值计算提供实用参数的同时， 为预报技术提供理论基础。在施工过程中，根据施工期间的实测资料进行反分 析，将反分析的结果反馈到设计、施工和管理中，为改进设计、优化施工、进 行工程预报提供依据，能使设计、施工达到更满意的结果，对提高工效、降低 成本、保证安全均有非常重要的作用。 对国内一些边坡工程处理成果分析可以发现，我国对大型岩质边坡的稳定 分析是非常重视的。根据边坡所处的部位及重要程度，在一些大型边坡工程中， 常常对同一边坡，采用多种分析方法，从不同的角度，考虑各种不同的荷载、 工况交替组合，利用不同的计算结果，相互对照、相互补充、综合分析，以求 对边坡的稳定情况了解得更完善和准确，使边坡工程的设计更加安全、合理、 经济。 1 3 岩质高边坡稳定性分析国内外研究现状 1 3 1 刚体极限平衡方法 人们对边坡稳定性的关注最早是从滑坡现象开始的。1 7 7 6 年c o u l o m b 在 分析挡土墙的稳定性时，提出了土体线性破坏准则，即f 2 c + o t a n 矽，这一准则 奠定了边坡稳定分析的基础。1 9 世纪末，伴随着欧美资本主义国家工业化的兴 起，出现了较多的人工边坡，由于对边坡稳定机理认识不足，出现了许多滑坡 和坍塌事故，造成了很大的损失。这时，人们才开始研究边坡稳定问题，并借 用土力学中极限平衡的概念，由静力平衡条件计算边坡极限状态下的稳定性。 1 9 1 6 年瑞典人p e t e r s o n 首先提出了只考虑摩擦力不考虑粘聚力的以土体条分为 基础的土坡稳定性分析方法。1 9 2 2 年f e l l e n i u s 9 1 、t e r z a g h i 发展了瑞典国家委员 会发表的近似圆弧滑动面分析方法。1 9 2 6 年t a y l o r 对瑞典条分法进行了改进， 在稳定性计算中同时考虑了摩擦力和粘结力的影响。1 9 5 5 年b i s h o p 1 0 】在考虑了 土条的侧面力，按照滑动体整体力矩平衡条件并忽略成对条间力产生的力矩对 最初的瑞典条分法进行了改进。m o r g e n s t e r n _ p r i c e 1 a 法的基本假设是：条块间的 6 武汉理工大学硕士学位论文 法向力与剪切力的比值用条间力函数厂俐与1 个待定比例系数五的乘积表示。 s a r m a 1 5 】【1 6 】法是基于斜条块的边坡稳定性计算方法，它认为斜条块间的剪切强度 与滑动面剪切强度被一致调用；并假设滑体受水平地震力作用，然后根据条块 的力平衡条件，通过复杂推导，得到边坡临界地震影响系数k c 的解析表达式， 再通过迭代方式求解边坡在实际震动影响系数下的边坡安全系数。j a n b u 1 1 】【1 2 】假 定条间水平力作用位置，假定土条静力平衡将条分法应用到任何形状的滑动面。 潘家铮【2 7 】在详细分析了建筑物和地基抗滑稳定的各种方法后，提出了边坡稳定 分析的极值原理，即滑坡体如能沿许多个滑面滑动，则失稳时它将沿抵抗力最 小的一个滑面破坏( 极小值原理) ；滑坡体的滑面确定时，则滑面上的反力( 以及 滑坡体内的内力) 能自行调整，以发挥最大的抗滑能力( 极大值原理) 。经过上述 等学者的改进，极限平衡法已经成为今天应用最广泛的分析方法。 5 0 年代以前对岩石边坡研究的较少，仅只是将土质边坡稳定性计算理论直 接用于岩石边坡。这些土质边坡稳定性计算分析方法在力学原理上是粗浅的， 同时，以一种极其简单的概念作出的基本假定也是脱离土体物理力学过程实际 情况的。第二次世界大战后，世界各国水利、交通和建筑工程的大量兴建，以 及采矿事业的迅速发展，产生了大量的人工和自然的岩质边坡，由于应用土力 学原理和方法于岩质边坡并没有得到较好的效果。人们普遍认识到岩石力学研 究的重要性。1 9 5 4 年索柯洛夫斯基根据松散介质极限平衡原理提出了边坡稳定 性的数学计算方法引起了普遍的重视。费先科考虑了岩体中软弱结构面对滑动 面的控制作用和根据松散介质极限平衡原理提出的计算方法在研究和解决矿山 边坡稳定性问题中得到一定的作用【2 3 1 。1 9 5 9 年法国m a l p a s e t 坝和1 9 6 3 年意大 利v o j a n t 水库岸坡沿岩体中的软弱央层面产生顺层失稳滑动，造成了重大的经 济损失和人员伤亡，使人们逐渐认识到了结构面对边坡的控制作用及边坡失稳 的时效特征( l m u l l e r 2 列) ，初步形成了岩体结构的观点( 谷德振【2 9 】等) 。我国学者 在应用赤平极射投影的基础上，提出了实体比例投影方法用以进行边坡块体破 坏的计算，定性判断边坡的稳定性。陈宗基【3 0 】等结合露天矿边坡稳定性的研究， 进行了比较系统的岩体力学性质的试验研究，包括大型现场试验及室内岩块试 验，常规力学试验及流变力学试验，结构面力学试验，动力学及静力学试验等， 极大地推动了岩质边坡稳定性研究的进展。张倬元【3 1 1 、王兰生等开始研究边坡 变形破坏机制，提出了斜坡变形的蠕滑一拉裂、滑移一压致拉裂、滑移一拉裂、 弯曲一拉裂、塑流一拉裂和滑移一弯曲6 种主要地质模式，开创了地质和岩石 7 武汉理工大学硕士学位论文 力学分析相结合的时代，为推进边坡稳定性研究做出了重要贡献。 1 3 2 数值分析方法 二十世纪八十年代后，由于计算机技术的飞速发展及岩土力学性质研究的 进展，各种复杂的数值计算方法广泛地应用于滑坡研究，同时，由于学科之间 的相互渗透，这一时期的研究方法各式各样，成果叠出。具有代表性的方法有 有限元方法和有限差分法等。基于有限差分法的快速拉格朗同有限差分方法 ( f l a c 3 d ) 为本文研究重点，将在后面第4 章中进行详细介绍。 19 6 8 年d u n c a n 3 2 】和g o o d m a n t 3 3 】把有限元方法引入到边坡稳定性计算中， 开创了边坡稳定性分析的数值计算时代。b r o w n 和k i n g 首次采用有限元计算匀 质边坡的剪应力分布情况。c l o u g h 和w o o d w a r d t 3 4 】，对坝基边坡进行非线弹性 有限元分析，考虑了结构和基础变形增量对应力和变形的影响，所得有限元计 算结果同变形观测值近似吻合。k u l h a w y 和d u n c a n ”】用双曲线弹性模型对高边 坡进行了有限元分析，计算的边坡水平位移值和实际相吻合，但计算的应力分 布情况不太理想。e i s e n s t i e n t 3 6 1 对高边坡进行了三维的非线弹性有限元分析，结 果发现计算的滑动面的位置及其扩展同实际相一致。p a l m e r t r o n t 3 7 】运用d u n c a n c h a n g 双曲线弹性有限元模型对二维和三维情况下的坝基边坡变形情况进行了 比较分析。r a y m o n d 3 8 】采用多线性弹性有限元计算了边坡的孔隙压力和位移值， 并与实测值进行了比较，同时讨论了这种方法的局限性。k w a ny e e 和c h a c kf a n l e e 有限元方法用于应变软化材料构成的边坡的应力和位移分析。l e f e b v r e 3 9 j 等 运用三维有限元法对各种各样的山谷边坡的平面应变分析结果进行了评价。 s n i t b h a n 和c h e n t 4 0 】把边坡弹塑性或弹粘塑性分析的结果同极限平衡分析结果 相对照，发现两者有较好的一致性。e s i e n t e i n 和l a w 【4 1 】研究了边坡应力应变各 向异性行为对计算结果的影响。k o h g o 和y a m a s h i t a e 4 2 】比较了弹塑性有限元分析 的结果和极限平衡分析的结果，发现二者有较好的一致性。j i a n gg l 和m a g n a n j p 【4 3 】采用有限元法分析堤坝的破坏机制，并与条分法的极限分析相比较。 g r i f f i t h sd v 和l a n ep a 4 4 采用有限元法分析边坡的变形、破坏和稳定性。 在采用大变形有限元法分析边坡稳定性方面，目前也有不少研究成果。 n e w i b e r g ，m k o p o n e n 和k r u n e s s o n 4 5 】采用g a l e r k i n 法建立了有限元的基本 公式，并给出了边坡渐进破坏的一维大变形弹塑性有限元公式，同时指出边坡 中软弱带的大剪切变形对边坡稳定性有重要的影响。b e r g a d o 和c h a i 4 6 1 在 武汉理工大学硕七学位论文 s h i b a t a 和s e k i g u c h i 4 7 】所做工作的基础上，采用弹粘塑性模型分析粘土坝边坡 的变形行为，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 的小应变有限元更符合实际。e a m e r o i 、b a s c h r e f l e r 和0 0 z i e n k i e w i e z 4 s 采 用b i o t 固结理论和更新的拉格朗同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【4 9 】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【5 0 】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。周翠英等【5 l 】在 用有限元法分析均质土坡边坡稳定性时，引入计算大变形问题的更新的拉格朗 日方法，推导了边坡大变形弹塑性有限元分析的方程式，并采用边坡某一幅值 的等效塑性剪应变区，从坡脚到坡顶贯通前的折减系数作为均质土坡的安全系 数。 同时，国际性的岩石力学组织对岩石边坡稳定性问题的研究给予了一定的 重视。1 9 6 6 年、1 9 7 0 年和1 9 7 4 年分别在里斯本、贝尔格莱德和美国的丹佛召 开的国际岩石力学大会，分别以“天然边坡和开挖边坡”，“斜坡稳定”及“地表工 程”等专题对岩质边坡稳定性的有关问题进行了学术交流讨论。世界大坝会议及 各种国际性的工程或学科的有关专门会议，也发表了不少有关岩质边坡稳定性 问题的研究资料和论文。 1 9 8 6 年，国际工程地质协会( i a e g ) 成立，同时成立了“滑坡及其它块体运动 委员会”，它是国际上第一个专门研究滑坡及其防治的国际组织。国际岩石力学 与工程学会( i s r m ) 、国际岩土力学与基础工程学会( i s s m f e ) 、国际大坝委员会 ( i c o l d ) 等均将边坡工程作为重要的专题进行了学术交流和讨论，有力地推动了 边坡稳定性研究的进展。8 0 年代以来，随我国改革开放步伐