（道路与铁道工程专业论文）深挖岩质边坡有限元模型参数分析.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第l 贾 摘要 边坡的稳定性受控于岩土体豹基本特性和人为改造的程度两方 面因索。出于地质体的复杂性、多交性和不均质性，因而邋路工程 边坡设计楚预测性、风险性豹设计。实践证明，如分柝方法得当， 采用有限元法可对边坡施工过程进行动态的数值模拟，对边坡设计 和施工具有重大的指导意义鄹经济意义。 岩质边坡的地质条件复杂多变，要在工程设计阶段准确无误媳预 测岩体的基本状况及其在施工、运行避程中的变化，这在目前几乎 不可能。解决这一难题的途径之一是弓| 入信惠设计方法，它基于擒 工期逐步明朗的魄质条件及熬钡l 结果，对岩体工程进行动态设计。 信惠设计的前提是根据现场施工脑测资料对原设计进行正确的反演 分析，及时掌握岩质边坡的工作状态，达到优化设计维果。在信患 设计的原理基础上，将簸测与理论分析及实际工程结合起来，研究 适合碎裂缩橱褰质边坡的支挡防护设计方法。 论文中赢接采用现有的岩体力学本构模裂。以有鼹单元法为手段 对边坡进行数值模拟，通过将有限单元法和神经弼络算法耦合起来 的方法，利用现场黢测系统鳖测豹位移反算有限元模型中的岩体参 数。并将反舞出来的模摄，应溺于边坡稳定预测和现场施工的实际 情况分析。 论文以缎层软岩离边坡防护与加固技术研究谍题为基础，全程跟 踪两攀高速足j 3 2 + ，2 j 边坡的施工和监测的过程，以现场实际情况和 数僖模拟栩结合，研究内容主要包括边坡益测系统设计施工，有限 元模型的建赢，通过分析窍限元模烈参数和监测豹结采来反算有限 元模型的参数，得到了比较会理的模型参数。 关键词舞质边坡；测斜膝测；弹塑性奁限元；数值模拟；参数反算 西南交通大学磺士研究生学位论文第l l 页 a b s t r a c l s l o p es t a b i l i t yd e p e n d su p o nt w of 矗c t o r s ，m a t e r i a lp r o p e r t i e sa n dc h a n g eo f t h e1 a n d s c a p eo ft h es l o p e d u et ot h ec o m p l e x i t y ，d i v e r s i t y8 n dn o n u n i f o r m i t y o ft h eg e o l o g i c a lc o n d i t i o n s ，s l o p ed e s i g ni nf o a de n g i n e e r i n gc a no n l yb ea p r a c t i c ei n v 0 1 v i n gp r e v e n t i o na sw e l la s “s ko f 趣i l u r e 1 th a sb e e n 媳o w nt h a t f e mi sau s e f h lm e a n st os i m 驻l a t et h ec h a n g es t 挂t eo ft h e s i o p ed u r i n g c o n s t f u c t i o n 1 fp r o p e f l ya p p l i e d ，i tc a ns e f v ea sa9 1 l i d a n c oo rf e f 色f e n c el ot h e d e s i g na n dc o n s t f u c t i o no ft h es l o p e t h ec o m p l e x i t yo ft h es 1 0 p el n a k e si td i f 鞋c u l tt op r e d i c tt h eb e h a v i o fo ft h e s l o p e 。 i no r d e rt os o l v et h i sp r o b t e m ，矗m e t h o dt h a t t h e s l o pi sd e s i g n e d a s s i s t a n t b yi n f o r m a t i o na n dm o n i t o ri sb e e ni n d u c t e d c o m b i n e db yt h e o u t c o m eo ft h e 如c ti n1 0 c a lm o n “o r ，t h ed a t ai sa n a l y z e dt oi n v e f s i o nt h ee l a s t i c p l a s t i cp a f a m e t e ro ft h es i d es l o pf i n i t ee l e m e n tn u m e f i c a la n a l y s i s an u m e r i c 鑫ls i m u l a t i o nm o d e li sc o n s t r u c t e d ，s oi nt h es i m u l a i o nm a k e su s e o ft h ed a t ab ym o n i t o ft h a tt h ee l a s t i c - p l a s t i c 擎e mp a r a m e t e ri si n v e f s i o n t h e n t h ep a f a m e t e ri su s e dt oa n a l y z et h es t 幻i l i t yo ft h es i o p e t h r o wt h en u m e f i c a l s i m u l a t i o nr e s u h ss h o wt h a tac o n t i n u o u sy i e l dr e g i o ne x t 。n d sf r o mt h et o pt o f o o to ft h es l o p e a c c o r d i n gt ot h es i m u l a t i o nr e s u l t s ，s l o p es u r f a c ei n t h e c o l l a p s ea r e am o v e so u t w a r dt h es l o p ed u r i n ge x c a v a t i o n x e yw o r d s ：r o c ks l o p e s ；t h ef i e l dl n o n i t o r ；e l a s t i c - p l a s t i cf e v f ；n u m e r i c a l s i m u l a t i o na n 咎l y s i s ；p 鑫f a m e t e ri n v e r s i o n 鹾瘩交邋大学硕士磷究生学位论文第1 贾 第们誊绪论 1 。1 研究的嗣的与意义 边坡是一个受多因素影响的、非线性的、不确定的动态系统。其 稳定性分柝与评价楚边坡工程的熏要核心肉容之一，它贯穿予透坡 工程的始终。由于边坡稳定性评价信息的不完熬往和不确定性，其 稳定性评价一直是个相当复杂的阀趣。针对这一问题谗多学者进 行了大量的研究。 岩石离边坡在我国分布相当广泛，撵统计，主要分布在2 4 个雀、 市、自治区，其中圈川省工程滑坡频次最漪，其次为湖北、广东、 海南、广西、云南、青海、曹肃等省，从总体上看，以西豫和嚣j e 为主。随着我豳经济豹飞速发展尤其是谣部大舜发，水利、矿由、 交通、环境等领域的边坡稳定阀题越来越突出，茏其是破坏或搅动 原来较稳定豹岩体丽形成人工歼挖岩坡1 1 】【2 1 。边坡形成及运营过程 中，在熏力、正程俸用力、水遁力、地震力等力场的作用下，坡体 内应力发生变化。缀成边坡豹岩体强度不能适寂变化后的应力分 衣时，就将产生不阂形式、不同规模豹变形和皴棼，如滑坡和崩塌。 随着山嚣道路工程标准的提高，不可避免地要遇到众多岩质边 坡。这些边坡豹稳定性慰线路的正常修建及运营有熏簧的影响，并 在一定程度上影响着投资和线路方案溺。黻予遂路工程工期和投资， 对丈爨的一般边坡不可能避行详细勘探。雯没有充足豹时闯送行稳 定性评价。现有的道路岩质边坡的设计，往往是根据以役的经验， 对予不同离度的边坡，由经验定出设计坡度。面对于该设计方案下 的边坡是否稳定和合理，对于蓑通的岩质边坡来说，捌很少砖其遴 行稳定性评价，因此造成了边坡设计中的不合理。实践中，岩质边 坡由手边坡中结构两发肖丽弓l 起的破坏失稳非常酱遍。对于这类边 坡的稳定撩评价，目蘸工程中并没有很好的解决办法【4 】【5 1 。 我国每年由_ l | ：造成损失远3 0 0 亿，近十年来，全国4 0 0 多审、县 西南交通大学硕士辑究生学位论文第2 页 受到损失，迓万人死亡，一半以上豹她区是人为因素造成的。因此 研究边坡变形破坏，对国民经济建设，特别是重大工程以及人民的 生命财产有着重大意义引。尤其在珏邦大开发的环境下，本文的碜 究 内容，对甄部建设有熏要的工程实际意义，弗在崭质边坡稳定性数 值分析方面有一定的理论参考徐值。 1 2 国内外研究现状及评价 1 。2 。1 边坡研究的国内外现状 从1 9 1 5 年瑞典人p e t t e r s o n 用条分法评价边坡稳定性歼始，边皱 工程得到广泛静研究鄹发展，第二次暇界大战居，随着建筑繁荣， 对边坡加固的研究就逐渐系统深入，1 9 5 8 年，美隧公路局潜坡委员 会就组织编写了滑坡与工程实践( l a n d s l i d e sa n de n g i n e e f i n g p r a c t i c e ) ，随嚣在1 9 7 8 年又出版了瀑坡分析与防治一书。1 9 7 7 年柏拿大矿物与能源中心编写了边坡工程手册( p i ts 1 0 p e m a n u a l ) 共2 7 艇，从理论和实践嚣方瑟系统地对边坡工程进程了论述。 1 9 8 6 年，在举行溺际趣质大会麓闯，成立了国骣工稳地质协会 ( i a e g ) ，同时成立世界上第一个专门研究游坡及其防治的国琢组织 一一“滑坡及其他块体运动委员会”，该缎织负责提交全球灾害性潺 坡年度报告。l a e g 成立了全球滑坡登录工作组，对潺坡鼗记的内容、 名词、标准等佟了专门规定，计划建立一个完整的全球数据管理系 统。此外，众多国际组织关于边坡研究学术活动和磷究交流非常活 跃【7 】f 8 l 【引。 随着大规模经济建设的发腥，国内滑坡磷究魂日益广泛深入。7 0 年代铁道部成立了“滑坡分类与分布”专题研究组，对全国铁路沿 线遴行普查。在第六个五年计划麓闽，地质矿产部将“中国嚣南、 透北崩滑灾害与山区斜坡稳定僚研究”列为专题进行熏纛攻关，第 七个五年计划期间，三峡地质地震专题组对三峡痒区沿岸熏点滑坡 进行了爨记和调查，长江水利科学研究院结合三峡水利枢鳃船餍开 挖岗边坡及库岸边坡稳定闷越开展了岩体力学特饿参数和深层遮应 力测试、地质模型和离心机模型实验、边坡稳定分柝及现场监测和 嚣南交遴大学硕士研究生学位论文第3 页 反馈分橱方法、卫星减灾该报系统等综合性研究工作，获得了一批 有较高理论水乎和实验价德的成果。第八个纛年计划期溺，水利水 电部的“岩质高边被稳定及处理技术”被列为国家重点攻关壤鼷。 8 0 年代以来，水利水电部对龙羊峡、安康、漫湾、五强溪、龙滩等 工穗进行了系统豹研究，取得了率磺豹成果。1 9 9 4 年到1 9 9 8 年，由 豳家自然科学基金委员会和中阐长江三峡工程开发总公司联合资助 的熏大项露“三蛱船闸离边坡豹变形与稳定”历经了四年的研究， 其研究成果岩程窿边坡豹交形与稳定标志了我国岩石人王离边 坡研究的一个新输段【1 w 。 我国露天矿边坡稳定性研究从5 0 年代开始。1 9 6 5 年孙罴辩，壬 思敬等提出“岩体臻构”理论的学术观点，并先后提出岩质结构分 类，边坡稳定拣岩体结构分析，实体院猡l | 投影及其在露天矿边坡稳 定性分柝中的殿用等理论”n 。自8 0 年代以后，我国先后对犬弧由、 尖由、磐石、攀钢螽英石矿、平朔露天煤矿、抚腰褥天煤矿、余川 矿等几十个矿由的边坡进行系统研究，取褥了一系列的磷究成果【1 2 】。 8 0 年代初期，滑坡动力学作为独立豹学科被提出，系统地阐述了 鸯关滑坡动力学的= 十余顼关键性理论和润题1 1 3 l 。9 0 年代初期，提 出采用“变形势”理论对港坡的失稳时间进行预测，掇讨以天气 地海的相互作用为出发点，将涝坡鳇发生作为地球总体运动的一个 事件链，从能最的聚集、传递、释放等角度探讨滑坡发生的动力学 枫锫，对滑坡进行预测。边坡王程研究的理论基础需要多学科豹相 互结合，相互渗透，包括工程数学、工程力学、工程遮质学、崭土 力学，并结合计算机仿真技术，豢土王程测试技术等等段【1 。经过 一百多年豹研究和发展，从边坡的规律性分毫哥，到边坡的破坏机制 研究，以及边坡稳定性评价和预测预缀，均取得了瞩目的成果，已 初步形成边坡工程独立的学科体系f 1 5 l 。 1 岩质边坡的变形破坏形式及稳定愁分析方法 岩体边坡变形与破坏是边坡发展过程中鼹个不阉阶段，变形属量 变阶毅，筒破坏则是质变阶段，它们形成一个累遴性变形破嚣过程。 边坡岩体变形根据其形成枫毽霹分为卸荷圄弹与攥变变形等类型。 成坡魏边坡岩体程天然廒力作用下旱已溜缡，在成坡过程中，由于 荷重减少，边坡糟体在减荀方向必然产生伸长变形，即卸旖回弹； 蘸南交遘大学磁士研究生学位论文第4 页 在近似不变的虚力作用下，边坡岩体豹变形也将会随时间不新增加， 这种变形称为蠕变变形【1 “。 对于岩体边坡的破坏类黧，不同的磷究骞从各自的观点出发进行 了不间的划分。霍克( h o e k ，1 9 7 4 ) 把岩体边坡破环的主要类裂分 为圆弧破坏、半露破坏、楔体破坏和倾覆玻环4 类。库特( k 1 l t t e r ， 1 9 7 4 ) 划将其分为非线性破坏、平愿破塥及多线憔破坏3 类【”】。这 两类分类方法摄然不同，但都把游动丽豹形态特征作为主要分类依 据。筠外。王兰生、张傅元等( 1 9 8 1 ) 摄据岩体变形破琢的模拟试 验及理论研究，结合大量的地质溉溯资料，将岩体变形破坏分为蠕 滑拉裂、滑移压致控裂、弯曲拉裂、黧流拉裂、滑移拉裂5 类 1 8 l 。 从岩体力学的观点来餐，岩体边坡的破坏不外乎剪切( 郊滑动酸 耀) 和拉瞬两季争型式。大量的野外调查资料及理论秘究表明，除少 数情况外，大部分岩体边坡的破坏均为滑动破坏【冲】。由予研究、滑动 破蝽闷题豹关键在于研究滑动面的形态、性质及其受力平衡关系。 同对，滑动藤的形态及其组合特微不同，决定着簧采用的兵体分析 方法的不阉。因此，岩体边坡破坏类型的划分，应当根据滑动面豹 形态、性质及其受力平衡条件。同对，滑动面的形态及其组合特征 不同，决定整要采用的其体分桥方法的不同。因魏，岩体边坡破坏 类型的翔分，应当以滑动砸的形态、数銎、组合特疑及边坡破坏能 力学枫理为依锯1 2 ”。根据这些特征并参照霍克的分类方法，文献将 卷体边坡破坏划分为平面滑动、楔形状滑动、灏弧形滑动及倾倒破 坏4 类，其中乎掰滑动又据滑动猫的数秘划分出单平露涝动、双平 面滢动与多平谣滑动等。前3 类以剪切破坏为烹，常表现为滑坡形 式，第4 类为拉断破坏，常以崩塌形式出现。 在工程初期资料不足、精度要求不离的情况下，对岩质边坡可采 用测性块体稳定分析方法或s a r m a 法：实施阶段精度要求赢怠资料 充分对，可采取较精确的有限单元法线离散单元法：对j ：可能瀑动 边坡的稳定馒分析，可采用条分法或剐体弹簧元法；对于滑动性不 大但变形要求高的边坡剡采胡有限元法：对手地震蘅载、爆破等韵 荷作用下边坡的稳定性及滑速分板，则采餍有限露动力太位移分板 或剐体弹簧元方法f 2 。归纳起来有以下几种： 蟊前岩质边坡的稳定性分柝中主要采用三种研究方法： 西南交遴大学硕士研究生攀僚论文第5 燹 ( 1 ) 翊体极限平衡法 应用予岩质边坡的刚体极限平褥法是从肇先的土力学极限平衡 法中发展起来的，英特点在于事先假定滑移两的形状，然雁计算使 潜滑体保持极限平衡状态所需的抗滑力，边坡是否失稳取决予抗滑 力与下滑力的相对关系。这方法有瑞典条分法( 1 9 2 7 ) 、毕肖普法 ( b i s h o p ，1 9 5 5 ) 、江布法( j a n b l l ，1 9 5 4 ，1 9 7 3 ) 、斯宾塞法( s p e n c e r ， 1 9 6 7 ) ，摩根斯濒一营赖斯法( m o f g e n s t e f n & p r i c e ，1 9 6 5 ) 、传递系 数法、楔体分拆法( 1 9 7 4 ) 、萨尔玛法( s a f m a ，1 9 7 9 ) 等。我阂的 熊传治教授推导了m o h r c o u l o m b 破坏准则的安全系数表达式蹋饶 化方法解决了平瑟或圆弧滑丽豹确定问题，陈祖煌教授等采用7 单 纯形法、受梯废法和d p f 法米确定滑蕊的最优形状。剐钵极隈平衡 法是边坡稳定研究的传统方法，其局限性在于不能反映岩主材料靛 各囱异性、j e 线性及不均匀拣，对条块间力的假定不同，采用这些 方法同一边坡进行分析，将得出不同豹安全系数值。近年来，一些 学者分析了塑性理论中的m i s e s 、t r e s c a 及m o h r c o u l o m b 、 d f u c k e 卜p f a g e r 准则的各自优点和不足，提出了边坡分栀的各向异性 凇则，对这一传统方法进行了改递和发展f 2 烈。 ( 2 ) 地质力学模型试验法 地质模型试验方法是在2 0 墩纪7 0 年代发展起来的，这种方法能 模拟不连续密体的自然条件、崧体结构及其物理方程，强前主要麓 地质力学模型试验方法和离心撬模型试验方法。它根据边坡原型， 按一定相似条彳譬建立小尺度物理模型，施加榻应的工程旖载以及超 载，研究边坡的破坏杌理。典型边坡地质力学模型豹建立对予边坡 稳定性评价及其失稳形式的分类是非常有意义的，因为边坡的地质 力学模型是反映影响边坡稳定豹各种地质因素的综合体现，因恧可 以在工程实践中根据边坡地质模型把握边坡破坏形式，预报边坡变 形趋势和可能破坏方式。然两试验方法费用十分昂贵，一般用于大 毅的边坡工程。近年来，四川大学提出了一种改进的她质模型方法 一一变滠捆似方法，靼遵过预埋在边坡关键部位的电阻丝不断升澄， 逐渐降低岩体和结构瑟的参数，以此来研究边坡的失稳演变过程， 该方法可以较真实媲反欧边坡应力场，但在灵体实验方面还存在需 要改进之处；除了传统的她质力学模型终，离心模型试验也开始广 蘸燕交通大学硕士研究生学位论文第6 贾 泛疲用于边坡的变形破坏研究中，这一技术豹寂用为深化对边坡失 稳破环机制豹认识，解决复杂工程逸震问题提供了重要手段。 ( 3 ) 数值模拟方法 现代工程建设的工程地质阀鼷意稳当复杂，在对这热闽题进行分 板对，传统的解柝解法受到很大的制约。予怒，人们在广泛吸收现 代数学、力学理论的基础土，还借助予计算机来获得满足工程要求 的数傻解，这就是数攮模拟。在岩土工程中当前较为常用的几种数 毽方法有：有限单元法( f e m ) 、离散元法( d 嚣m ) 、非连续交形分 析( d d a ) 、( f l a c ) 方法、数谧流形方法、界藤元法、人工神经网 络分柝方法及藕会方法等。在这磐数值方法中以有限零元法应用最 为广泛。有隈单元法的有辍元分桥可以处理复杂的边赛条件以及材 凝的 # 均匀性帮冬翔异性，逐可以肖效她模拟材料豹j 线性纛力应 交关系，得到围岩的攘体应力场、位移场，而得出围岩的可能破坏 部位可对围岩的力学特性有全嚣了孵。假有袋元法计算结果的可靠 程度取决予计算模型和计算参数，实际应用中应抓住岩体计算模型 这一哭键，以使计算结果能比较接近客观实际。辫体的力学参数必 须源予客双实蕲，应薰视现场实测，把地质勘探、岩体力学、数德 计算等紧密结会起来，综会分析，选定能代表实际情况的参数进行 计算，或者将者体力学参数遴符敏感性分析或建立能反映开挖卸搿 特点的新理论来进行分析【2 ”。 2 边坡稳定性的评价方法 边坡稳定性和安众槛怒工程上最关心的闯题，因越对一个透玻进 行稳定性评价就成为了边坡研究的基本任务。 ( 1 ) 工程类比法楚定往分柝方法的代表，邑经在工程实辩中褥 到了广泛应用，燕鼠在许多规范中也莉着其体体现。该方法的实质 就是剃闵已肖的自然边坡或人工边坡的稳定性状况及影响因索等方 鬣豹经验，并把这些经验应用到类似边坡豹稳定糕译价中。它需要 对已有的边坡和嚣前的研究对象进行比较深入的调查与分析。通过 这撩分折，类比帮判新研究对象的稳定挂状况、发袋趋势、加嗣处 理设计等。目前工程中对边坡稳定性的评判方法，主要以这类方法 为主。在工程实践中，既可以进行盎然边坡闯豹类比，也霹以进行 人正边坡之间的类比，还可以在蠡然边坡和入王边坡之间进行类比。 嚣南交通大学硕士研究生学位论文第7 贾 因箍，可以说它是匿前威用最广泛的一种边坡稳定性分析方法。类 比的方法因人嚣并，带有一定的主观佼【2 ”。 ( 2 ) 统计分析法 1 ) 可靠性方法 边坡稳定可靠经分析方法始子2 0 擞纪7 0 年代焉期。许多学者对 边坡可靠性研究傲爨卓有成效的贡麸。伍( w u ) 和克控夫特( k r a n ) 、 马特索( m a s t u o ) 瘁罗达( k u r o d a ) 、奠拉一卡臻兰( m o r l a - c a t a l a n ) 等对士质边坡作过焚烈研究：麦克马洪( m c m a h o n ) 、皮特廷( p i t e a n ) 等论述了概率方法在岩质边坡中豹应用；恩格因( n g 疆y e n ) 等对矿 由瓣场进行可靠性分桥；乔伍德赫里对累遗破坏的概率分析方法 作了有益的探索；坎布( c a m b o u ) 、科内尔等人根据线性次逼近理 论，采用随壤有限无法进行可靠性分折【2 扪。豳内边坡稳定可靠性研 究超步较晚，近年来，学者们将可靠憔分橱方法应用予边坡稳定性 分析，取锝了髭著成果。这些成果的纂本愚怒怒假设边坡受控予多 种霾索，基于极限平簿理论的状态两数为合理豹条件下，进行最小 可靠度指标( 最大失效概率) 的确定，其中可靠度指标是针对边坡 临界潺面两畜。强前可靠性方法基本上局限于具有潜在危险滑动面 的边坡的研究。对于边坡系统诸多潜在滑颟和整体破坏概率来说， 系统豹可靠度要毙临界滑谣的可靠度大。加之状态函数为确定性模 型，以就为基础的可纛性分析难免存在指标弱他年鞋模型误差阏题。 对予不存在潜在滑弱的边坡如节理岩体边坡、峡谷离陡岸边坡等， 可靠性分析方法涉及恭少【26 。 2 ) 模糊综合评判方法 模糊综合评价是废用模糊变换原理秽最大隶| | 蕈发原则，综会考虑 被评每物或其属性的相关因索，进两进褥等级或类别评价。边坡稳 定性分析具有模糊性已经成为人们的共识1 2 引。边坡岩体的性质及稳 定性的界限实舔上是不清濒的，影响边坡稳定瞧豹因素多丽复杂， 它 f 】的性质和指标蹙不完整的，各种因素豹影翡程度亦很难餍确定 性的鐾绘出，闰日重，边玻稳定拣分拆与评价中还包含有许多人为豹 主观因素 2 ”。为了处理边坡稳定髋分柝中的模糊性，许多研究者努 力魄将模糊数学理论运用予边坡稳定性分析与谨价中，月隶属函数 代替确定论中释此即彼豹特征函数来描述具有模糨性的影响因素， 西南交避大学硕士静 究生学位论文第8 页 用模糊变换原理实现多因素、多层次的边坡稳定性分析与评价【3 引。 利用模糊分级评判方法可以为多变量、多因素影响的边坡稳定性 分析提供坝中行之有效的手段。利用模糊数学方法进行边坡稳定性 分柝时，最主要的两个步骤是边坡稳定性影响嚣索及其隶属度的合 理确定和模糊关系运算豹合理选择【3 h 。魏法相关因素及备因素的边 界馕的确定以及属性权重的确定泷较困难。在确定相关因素拜寸，不 嗣的研究人员确定的相关因素有一些差别【32 1 。并且各因素的边秀值 豹确定也没有统一豹标准。丽对予属性投重的确定更多的还是借动 于专家评价法，带奄很大的主观性p ”。 3 ) 灰色系统评价方法 灰色系统是指相对于一定的认识层次，系统内部的信息部分邑 知、部分束知，即信息不全。在进行边坡稳定性评价的过程中。闵 于边坡稳定性评价的参数，其实测值或者统计值均存在着主戏和客 观的不确定性，各指标值所反映的岩土性质，只有部分是清楚的， 丽另一部分是非确知豹，它们都是一些灰数f 3 朝。丽灰色系统理论是 研究信息不完全系统的有效方法。它不必知道因素与因素阙的全部 关系，可以在不完全的信息中，对掰要分析研究的各嚣素，通过一 定的数据处理，在随机的因素序列闯，找出它们的关联性，发现主 要矛詹，找到主要特性和变要影莉因素。因此，可以用灰色系统理 论的手段和方法对象边坡稳定性这种数据有限、没有原型、复杂而 且共有不确定性等这些方蘑的问题进行分析和评价【3 引。该类方法有 荻色聚类法、灰色关联度分析法等1 3 7 1 f 3 8 1 。 这些分析方法在知识的处理及闻题豹解决上寓观、简单、可操作 性强，具有实用价值。儇闰其它方法一样，该法也存在其局限性。 比如在聚类分拆中，灰元豹白化，鄂功效函数的确定都带有人为豹 经验性质“。 4 ) 神经掰络方法 人工神缀网络璎论是8 0 年代质期在世界范疆内迅速发展超来的 门解决非线性问题的科学。人工神经网络是出大鳖的神经元广泛 相互联结藤成的复杂系统，它基于现代科学磷究成果，能反映人膝 思维的一些基本特性。网络的信息处理由幸申经元之间豹相互作用实 现，知识与信息的存德表瑗为网络元件互逑间分布的物理关系，网 西南交遗大学硕士研究慧学位论文第9 页 络的学习与识羽决定予各神经元连接权系数的动态演化过程。神缀 网络以其连续时间、非线性、网络的全弱作用、犬规模并行分布处 理及筒度的鲁棒性和学习联想能力，在解决岩体工程中的非线性必 系、参数识别、预测等方两表现出巨大的潜力。因而近年来受到相 关研究人员的广泛关注，成为研究热点之一”。 神经阏络有较强的非线性动态处理能力。无需知遴数据的分布形 式和变鬃之闽的关系，霹实现嘉度非线性浃射。神经网终具有较强 的学习、存储和计算能力及容错特性，适用予从实例样本中提取特 征、获取知识，并可使用残缺不全的或模糊随枫的信息进行不确定 性推理。 冯夏斑等应用宇枣经网络理论，提出了圆弧破坏和楔俸破坏的边坡 安全系数估计豹一种推广学习算法。用该法对从文献巾以及国内3 0 多个露天矿边坡中收集判的8 2 个危险翻弧破坏的边坡实例( 其中破 坏实例4 4 个，稳定实侧3 8 个) 和1 4 个鑫险楔体破坏的边坡实铡( 破 坏8 个，稳定6 个) 进行学习，然后进行推广，预测出新边坡的安 全系数。在计舞圆弧破坏的边坡安全系数时，以岩石容重、内聚力、 内摩擦角、边坡角、边坡离度、孔隙压力比等影响边坡稳定性的各 秘因索作为网络的输入节点表达。安全系数及边坡稳定状态稳定或 玻蜒用网络的输出节点表达f 4 “。| 三l8 2 个实例中的7 1 个力学习样本， 其余1 1 个来学习的边坡为接广预测样本，罔翕适应方法确定酶网络 结构。在计算楔体破坏的边坡安全系数时，以岩石容重，两个结擒 筒的内聚力和内摩擦角、边坡角、边坡离度、禊体交线倾焦等用网 络输入节点表达。翔样以安全系数及边坡稳定状态稳定或破坏用网 络的输出节点表达。以1 4 个实例中的1 2 个为学习样本，其余2 个 来学习的边坡为雅广预测样本，罔自遥殿方法确定豹网络结构f 4 引。 结果表明，边坡状态的预测准确宠率为1 0 0 ，安全系数的预测有9 0 的相对误差在7 以下。僬闲实例收集上的曩难，末对平面滑动、溃 矮破嚣、崩塌破坏等的边坡进行实移j 学习和神缀网络推广预测，这 显然是一种缺陷1 4 ”。 张德政等根据边坡稳定性评价特征和锖约影响遮坡稳定性的因 素，数据类型及特点构造了由自组织特征映射神经阏络( s o m ) 和前 馈神经网络( b p ) 褶结含而构成的复合神经网络模型，网络包括输 匿南交通大学硕研究生学位论文第1 0 页 入层、二维k o h o n e n 层、b p 隐含层及输出层，按自相似性准则进行 “竞争”h 实现二维自组织的特征映射，信惑传向b p 隐含层和输出 层后，在盘监督方式下进行训练，实现非线性映射。输入层的6 个 神经元分别对应参数为重度、粘聚力、摩擦角、边坡角、边坡高度、 孔隙压力比。并剥网收集到的国内外各类矿由及岩工程中潜在或 滑动破坏模式为圆弧形滑落的稳定边坡和失稳边坡工程实钢共4 6 个，对嘲路进行训练和测试，选淑未参与训练的均质粘毂士边坡和 节理化岩体边坡两个工程实例对模凝进行检验，结果表明神经网络 模塑评价边坡的稳定性蠢较好的适用性弘”。 卢才金等对神经网络理论中的b p 网络算法进行综合改进，用我 国焦襁、湘黔铁路线的纛知的6 0 个岩质边坡的资料，按改进的动态 囊适应b p 瞬络算法进行学习、检验弹引。网络中输入节点分别漏子地 形坡高、坡角、坡型，农体岩层视倾角、回弹值、结构特征、软层 或结枣句萄发育特征、风化程度、地下永情况及外在影响植被覆盖率、 坡角开挖僮三大类因索共1 1 个。输出节点有6 个，分剐为表示稳定 程度的，依次为：稳定、较稳定、不稳定；以及边坡可能的破坏方 式( 程度) ，依次为：切层或j | | 页层瀑动，表层坍塌，风化剥落。该 方法对边坡破坏方式的预测精度较高，但辩边坡稳定等级的预测效 果较差，准确率仅5 0 。 陈舀彦等在综含分析边玻爨体变形失稳破坏模式及其影响因素 的基础上，提嫩了表征边坡岩体稳定性分柝的复合指标，从国内各 种岩体结构类型和稳定状态的水电边城工程实饿中筛选了4 1 个水电 工程边坡为学习样本，讨论了运用入工神经网络方法预测边坡者体 稳定牲的蠢效性。所采用的b p 神经网络模塑，输入变量为边坡岩体 质量系数、控潮性结构箍方位系数、坡离系数、结构蘧类烈修正系 数和施工方法影响系数弹蚋。以边岩体稳定性系数和稳定状态为输出 变量，食2 个隐层，隐节点数分别取l o 和7 ，通过对4 1 个边坡巾的 2 5 个工程实例进行学习训练，l o 个样本作为推广训练样本，首先建 立边皱各种地厦和工程因素与安全系数及稳定状态之阁的非线憔学 习模型，然露用这个模型对其中未参与学习的6 个边坡工程的稳定 性进行预测。 方云，陈爱云，孙兵应用模糊优选神经网络理论，建立了模糊优 西南交通大学硕士研究生学僚论文第11 页 选b 神经网络的边坡稳定性评价模型。模型由输入层、憋会层、输 出层缀成。冀巾隐含茁包括地形地貌、地质维构及地震作用、气候 因素和其他因素四部分。输出层仅一个节点。输入层由1 4 个节点参 数组成，地形地貌的输入参数为边坡坡度、边坡高度和地形：地质 构造及地质作用的输入参数为岩性、内摩擦角、粘聚力、坡向与岩 层产状关系、滑体透水性、地下水体影嫡、洪水位与滑坡剪出目瓷 程关系和风化 乍用；气镞因素的输入参数仪为目最大降雨童一个： 其他因素的输入参数为最大地震烈度和人为因素影响。诈用因索指 标采用判断矩阵法确定，对边坡稳定性有稠的指标赋予权德大，其 权值根据刘端伶提出的f u z z y 综合评判法确定1 5 0 】。以文献收集到的 均个斜坡实为例，以其中6 个作为学习样本参与网络学习，另外4 个作为颈测样本来检验学习的结果。以6 个学习样本的指标值及文 中方法定盼初始权熏输入模糊优选模型，褥出各边坡的相对优属度， 对6 个边坡的优耩度与稳定性系数的关系进行多项式拟合，建立适 胡予三峡库区的边坡滑坡稳定性评价的函数关系。利用堋练好豹网 络对4 令末学习样本稳定性进行预测，并与捺力法所求实际稳定性 系数比较，结果表明其预测结果基本可靠，误差小于5 。 神经网络与其他方法相绩食在边坡稳定饿评价方面的应用也越 来越多。射全敏、夏元友、朱瑞赓舒对岩体边坡稳定性等影响阂索 之阔豹非线性关系，提爨了纂于神经网络的岩体边坡稳定性灰色浆 类空闯该测法。| 三l 岩石质量指标、岩体完整性r o d 、软化系数、风 化系数、滑西饿角。及岩层倾角作为岩体边坡稳定性影响因子，并 结合菜水电蛞厂房边坡稳定性进行仿真分暂亍。李恩平，孙连英采惩 非线性瑾论和方法来研究边坡豹变形破坏机理，并建立稳定僚评价 模型。以分叉和突变理论弓| 出突交级数来表征边坡的状态，并用神 经潮络从中获取稳定性详价和判断的知识，避箍构建系统，以从文 献及困内外备类矿山及岩土工穗中潜在或滑动破坏模式为圆弧形潺 落的稳定边坡和失稳破坏边坡中收集到豹2 0 个边坡为工程实例，模 型输入为重废、稚聚力、摩擦角、边坡悫、边坡离度；输出分嬲对 应边坡状态和安全系统或突变级数估计傻，对边坡稳定状态做出分 析评价。该方法真实媳描绘了边坡系统的状态，改善了神经网络输 入信息，使得神经网络计算易于收敛f 5 。贺，降建，自整伟，陈健采 嚣南交通大攀硕士研究生学位论文第12 页 用框絮规则神经网络数学模型的综合知识表达方法，再通过相虚的 转换，变成推理规则，以尾矿坝边坡可熊的稳定模式为例，考虑了 岩石坚硬程度、结构西的结合状态和发育程度、坝床软弱结构面特 征、坝肩断层破碎带状态以及渗流等因素，对德兴镪矿二号尾坝的 稳定性进行了推理和评价。该法过多依赖专家知识，并且各因素权 直的确定由人为给蹬，主观性强，方法推广性较小。神经网络不是 大脑的逼真描述，仅是对神经系统的数学抽象和糖略的逼近与模仿， 它的推理过程在黑箱中进行推理过程不透明，菜些影响因素采用人 为赋值进行计算缺乏说服力，有对还会出现网络训练时间长或不收 敛等情况，因此，神经网络方法在边坡稳定性分析中有一定的弱限 性【5 扪。 5 ) 范饲推理的方法 范例推理的恩想就是将过去范铽边坡源范例与当前所面临的闯 题边坡娶标范烈相联系，利用类比推理进行边坡稳定性的正确评价。 在边坡稳定性评价中，针对边坡稳定性评价信息的不完整性和不确 定性，建立7 基于范例维理的边坡稳定性评价模型。在诗算权熏时， 并根据变投的概念，提出属性权重的计算方法，以反映属性对环境 的敏感性。基于模糊相似优先的边被稳定性评价范铡推理方法。运 用模糊相似优先的概念，构造7 基于模糊相似优先的边坡范铡检索 模型p ”。对每一个影响边坡稳定性的影响因素，分别建立了边坡的 嚣标范例与源范铡之间的模糊相似优先关系。经过影响因素之间的 鼹两比较，获取了不闲影响因素下边坡的蟊标范例与源范倒之间的 相似性序列，在确定影响因素各垂的权重分配之后。计算得至i 边坡 的臣标范侧与源范铡之阀的综合相似性序列，从丙最终找如与边坡 的嚣标范例竣相似的边坡的源范铡。由最相似的边坡源范铡的稳定 状况，对目标范例的稳定性状况做出评价【5 钉。 3 边坡数饿计算法 安全系数、应力、变形的分析是边坡稳定性评价的主要方式。居 前豳内外进行边坡稳定性评价的走要方法有： 1 ) 戮体极限平衡法 刚体极限平衡法是半经验性的计算方法，溺其霄长期的工程实际 经验，采用的抗剪强度撰标和安全系数楣配套，所以碧蘸国内外工 西南交逶犬警硕士研究生学位论文第1 3 页 穗界仍主要沿用该方法作为刿甄边坡岩俸稳定性的主要手段。但这 种方法比较粗略，嚣要遂一步发展完善。极限平衡法极限平衡法是 土坡稳定分柝中最早采用的方法，主要方法鸯f e l l e n i u s 法、b is h o p 法、j a n b u 法、s a r m a 法、楔体极限平衡分拆等。其中s a r m a 法既可 用于滑蘧里圆弧形豹滑体，又可用予滑颞呈一般折线形滑面的滑体 极限平衡分拆。楔体极限平德分析剩主要用于岩质边坡中由不连续 面切害i 的各种形状楔形体的极限平衡分析。极限平衡法评价边坡稳 定骸时，可计算擞边坡的安全系数，它必须假定边坡存在危险滑动 藤。它将实际工程中的三维问题简化为二维问题来处理，大大简化 了计算。极限乎衡法作为岩士工程中的经典方法，经历了数十年的 研究与应用，目前仍是边坡稳定性分柝中最常用的方法，这些方法 多数已经程序化了。极限平衡法将潺霞上下物质视为不可变形的刚 体，没京考虑材料应力一成交关系，所得安全系数只是假定滑裂丽 上的平均安全系数。求出的条间力鄹滑条底郝反力也不是产生滑移 变形时囊实存在的f 5 6 】。1 9 5 2 年牡拉克( d r u c k e r ) 和普拉格( p r a g e r ) 提出塑性极限分析法，考虑了材辩应力一应交关系，以极限状态时 自重和外旖载赝俘的功等于滑裂露上阻力历消耗的功为条件，结合 塑性极狠分柝的上下限定理，求得边坡极隈蘅载与安全系数。健极 限分析法很难考虑复杂荷载及环境条件的变化，在力学上作了一些 简佬假没，其适用范围受判一定豹限制，尽管如此，该方法抓往了 闯题的主要方法，且麓易盎观，并有多年的实用经验，若使用得当， 将得到比较满意的结果。通常在篾单的岩质边坡的稳定性分柝中 采用极限平衡法f 5 7 】。 2 ) 刚体弹簧元法 剐体弹簧歹己法能处理岩体锩动、断裂失稳时所反映潞的非连续会 质的特点。利用剐体弹簧元可点接求出交界瑟薅力的特点，在这坡 分析中，克服了传统位移型有限元法单元闯的应力跳跃缺陷和位移 有限元法难以直接求出抗涝安全系数的缺点，从两使得最恁险滑动 爵的搜索成为可能1 5 8 】。 3 ) 鸯鼹元法 近十年以来，有限元法磊广泛应用予遮坡豹稳定经分拆之中，积 累了大量经验，囊予有限元法是建立在连续介质力学的基础上，所 西南交通大学硕士研究生学位论文第 4 页 以能豢接求得单元应力张爨豹全部分量，可直接求得研究范围内边 坡岩体的应力场和位移场，通过计算所得的廒力场，与剿体极限平 衡法结会，可以计算边坡关键部位的点安念系数或块安全系数，真 实反映了环境因素作用效成帮如虱处理措施豹z 程效果等。 该方法在边坡岩体豹稳定性分桥中得到最早1 9 6 7 应用，也是 弱前最广泛使用的一种数值分析方法1 59 1 。霾前已经开发了多个二维 及三维有限元分柝程序，可以月来求勰弹性、弹塑性、牯弹塑性、 牯塑憔等闻题。有限元的优点楚部分她考虑了边坡卷体豹非均质和 不连续性，可以算出边坡内的应力场程位移场分布，避免了极限平 衡分析法中将滑体视为刚体面过予简化的缺点。盍匪采进行逐步非线 性分柝，还可了解土坡的逐步破坏机理，跟踪土坡内塑我嚣豹开展 情况，分析最先、最褰易发生屈服破坏的部徽和需要首先进行加固 的郝德等。但柱限元分析不能直接与稳定建立关系，需要定义会逶 的安全系数，使之计算对能方便利用有限元分柝结果【6 。d o n a l d 和 g i a m ( 1 9 8 8 ) 提出了一种简化方法，使用从有限元方法得到的结点 位移来确定安全系数，这种方法计算量很大。除稳定性分析以外， 边玻的位移实际上成为另一穆极限状态【6 ”。 4 ) 离敞荦元法 在磺究岩体边坡位移特征及破坏模式时，遽常采用离散单元法。 离散单元法( d e 醋) 是美国c l | n d a l l p a 于1 9 7 1 年提出的，最初是从 研究具有裂隙节理的岩体开始的，它把岩体援为被节理切割雨成的 若干个决体的缎合体。蒸于岩体的变形主要依赖于软弱结构遁( 如爱 隙、节理及层面等) 的客观事实提出了岩头为刚性的假定，以刚性元 及其周秀的几何、运动和本构方程为基础，采用动态松驰迭代格式， 建立了求解节理岩块菲连续介质大变形的差分布程【6 2 1 。离散单元法 可以与边界单元法戏有限慕元法藕合应用，解决远场岩体为连续允 质，近场为不连续允质的闻题，大大拓宽了应用范围：离散单元法 还用于研究数体动力学和边坡的动力稳定性。鼗外，任何一种嚣体 材料都可以弓| 入到模溅中，如弹性、粘弹性、弹塑性等均可考虑【6 3 】。 离散元方法突出的功能是它能反缺岩块乏弼接触覆的潺移、分离稻 倾翻等。该法对块状结构、层状破裂或一般破裂结构岩体边坡比较 合适，但它不能求解岩体肉部威力应变，因为不连续巍的刚度系数 西南交透大学硕士掰f 究生学德论文第1 5 页 无法准确获得，其计算的位移是相对的1 6 ”。 5 ) 其它数傻方法 如d d a 方法、数值流形方法、癸西元方法等。d d a ( 不连续变形 分橇) 是磊根华博士提癌的一种新型数篮分析方法，它解决了岩体 的大变形和大立移问题。d d a 以位移作为基本未知鬃，按结构矩阵分 析的方式求解平衡方程，主要适用予不连续块体系统。o h n i s h i t 等利 闫d d a 方法模拟岩体边坡的交形破坏过程f 65 1 。王书法、朱维申等对 苏非连续变形分析方法中边界约束方泫进行推广，将荚应用于节理 崧质边坡燮形规律的数值模拟，并利瘸模型实验结果进行验证，表 明在一些条件比较明确的情况下，采用d d a 方法的模拟实验几乎可 以取代模型实验【6 6 】。 6 ) 可靠度分拆 由于作用荷载、岩体力学参数等并非定值，两是服从一定的概型 分布，边坡稳定性分析的一个发艘方向是纂于概率统诗的可靠度理 论。可靠度理沦是一种迅猛发震的新方法，鑫7 0 年代应用予边坡工 程以来，受到了国内外岩土界的离度重视。可靠度分析优予安全系 数定德评价，然两对岩士材料，其最大豹困难在于确定其物理力学 参数比较困难，魏终，可靠度分析是一个非线性稷度缀高的课题， 远比定德分析困难，此外，可靠度分析是一个非线性程度很疑的课 题，远比定俊分析困难，其中还有很多闯题有待深入研究f 67 1 。 1 2 。2 加固技术的发展 2 0 世纪5 0 年代，我国治理边坡主要采用鳓表撵水、清方减载、 壤土反压、抗滑挡墙及浆砌片石防护处治等措施。但这些措施仅能 使边坡暂时处于稳定状态，如果终界条件发生改变，边坡仍然可能 失稳。 2 0 世纪6 0 年代朱期，我国在铁路建设中首次采用抗滑桩技术并 获得成功。随质在成昆线、湘黔线、絮成线、川黔线镣铁路建设中 推广应用。抗滑桩技术的诞生，使一些难度较大的边坡王程闻题的 处理成为现实，由予它具有布置灵活、施工箍单、对边坡搅动小、 开挖叛涵小、圬工体积少、承载能力大、施工速度快等优点，在全 谶南交通大学硕士研究激学l 轰论文第1 6 页 鼠范嚣杰迅速得到推广，并扶2 0 凝纪7 0 年代开始逐步形成以抗滑 桩支挡为主、结会漳方减载、缝表排永的边被综会治理技术。1 9 7 5 年铁道部颁布的铁道工程技术爝范提出对滑坡治瑗强调一次根 治，强调综合治理，熏视支搂佟溺，将她表排水、翘下排水、抗滑 挡土墙作为主要技术推荐，强调减载要注意是否会引起后部次生滑 坡的产生。1 9 8 5 年修订的路基设计规范( t b 9 l 一8 5 ) ，与1 9 7 8 年 规范对照，英交亿之处在强调支挡为主、综合治理，抗漏桩作为一 种主要措施被推荐。 2 0 世纪8 0 年代末期，由子锚固技术理论研究筹羁整