（森林工程专业论文）岩质边坡稳定性分析及其危险滑移路径搜索研究.pdf

中文摘要 摘要 随着我园国民经济的蓬勃发展，蒸础设施建设也相应得到了迅猛的发展。独 特懿逡理、遮凌条蛰决逡了砉质透坡翊嚣在我基嚣零突出，残忑程建设当巾经豢 不可避免地滠到。为了减少和防止备种岩质边坡失稳事故的发生，有必要加强这 类边坡稳定性分析方面的研究工作。 遥过鼹读丈量的国内终文献，本文系统总缍了岩质边坡稳定性分提磷究避足 年来所取得的成就，并对岩质边坡稳定性各种分析方法迸彳亍了简要评述。猩总结 前人研究成果的基础上，本文将岩放边坡稳定性的影响因素归纳为地质因豢和非 地震因素，阉时从岩俸缝梅控制论的液点出发，搬岩质边坡的王程地质模戮总结 为：有明显控涮健霸无鞠显控铡健臻构瑶戆岩震边缓工程遮震耩整，并分析了与 之对应的岩质边坡变形破坏类型。基于概率统计瑕论和蒙特卡洛方法原理，本文 还建立了岩体结构面概率模型及其掰络模拟分柝体系，并使其程序化。针辩辫体 弹塑往特瞧。本文羞予簿效m o h r - c o u l o m b 强藤壤剐，莰设瀵遗奉| 辩参数麴入工 换算，实现蕤在a n s y s 5 7 中的应用，并论证了转化后的材料参数与原参数的大小 关系，通越对有明显滑面的岩质边坡算例分析，验证了采用它来代替 m o h r - c o u l o m b 属骚准羯怒霹行翦，霹溺来模菝者髂糖精，其谤舞绫暴穗夸、操寄， 同时也提出了对位移精魔要求比较离的有明显滑面岩质边坡正程，宜采用等效 m o h r c o u l o m b 屈服准则来模拟岩体材料；对应力精度要求高的，则适合应用外角 熹终揍疆镣d - p 屡簸臻粼戆建议。 最后，本文对无明擞滑面岩质边坡危险滑穆路径的搜索算法进行了改进研究， 提出以总抗滑储备密度缀小为判据的动态规划方法来确定边坡的危险滑移路径及 荚安全系数犬套的方法，劳逶过算铡褥裂了验证。 关键词：岩质边坡；岩体缩构面网络；有限元法；等效i l o h r c o u l o m b 屈服准则； 慰除潺移路径；劝态规划方法 a b s t r a c t w i mt h er a p i dd e v e l o p m e n to fo u rn a t i o n a le c o n o m i c s t h ec o n s t r u c t i o no fb a s i c f a c i l i t yc o r r e s p o n d i n g l yb e c o m e sf a s t e r 。b e c a u s eo fu n i q u ee n g i n e e r i n gg e o l o g i c a l c o n d i t i o n s ，t h e r ea r es o m eo u t s t a n d i n gp r o b l e mo fr o c ks l o p ei nc h i n a ，w h i c hw eo f t e n u n a v o i d a b l ym e e td u r i n gt h ee n g i n e e r i n gc o n s t r u c t i o n 。i no r d e r t or e d u c ea n dp r e v e n t f r o mv a r i o u sk i n d so ft h ee m e r g e n c eo fr o c ks l o p ea c c i d e n t ，i t i sn e c e s s a r yt o s t r e n g t h e nr e s e a r c ho f r o c ks l o p es t a b i l i t ya n a l y s i s + s u p p o r t e db yh u n d r e d so fd o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a lb i b l i o g r a p h i e s ，t h i sp a p e r s y s t e m i c a l l yd e t a i l st h ed e v e l o p m e n tp r o c e s sa n da c h i e v e m e n to ft h er e s e a r c ho n s t a b i l i t ya n a l y s i sf o rr o c ks l o p ei nr e c e n ty e a r s ，a n di n t r o d u c e sv a r i o u s k i n d so f a n a l y t i c a lm e t h o d s ，t h e ng i v e sb r i e fr e m a r k st oe a c hm e a n sr e s p e c t i v e l y o nt h eb a s i s o fs u m m a r i z i n gf o r e f a t h e r s r e s e a r c hr e s u l t s , t h i sp a p e rs u m a n a r i z e sf a c t o r si n f l u e n c i n g r o c ks l o p es t a b i l i t yi n t og e o l o g i c a la n dn o t * g e o l o g i c a lf a c t o r a tt h es a m et i m e ，o nt h e g r o u n do fr o c kn a a s ss t r u c t u r ec o n t r o l l i n gt h e o r y , t h ee n g i n e e r i n gg e o l o g ym o d e l o ft h e r o c ks l o p ei s g r o u p e di n t ot w ot y p i c a lc l a s s e s o n e i st h em o d e lw i t l io b v i o u s c o n t r o l l i n gd i s c o n t i n u i t i e s ，t h eo t h e ri st h em o d e lw i t h o u t o b v i o u sc o n t r o l l i n g d i s c o n t i n u i t i e s ，a n dt h i sp a p e rc o r r e s p o n d i n g l ya n a l y z e st h e i rt y p e so fd e s t r u c t i o n b a s e d0 nt h et h e o r yo fp r o b a b l es t a t i s t i c sa n dt h ep r i n c i p l eo fm o n t ec a r l om e t h o d t h i sp a p e rs e t su ps t a t i s t i c a lm o d e lo f j o i n ta n di t sn e t w o r ks y s t e mo fs i m u l a t i o n ，a l s o t u r n si ti n t op r o c 赫u r e t a k i n ge l a s t i ca n dp l a s t i cc h a r a c t e r i s t i c so fr o c ki n t oa c c o u n t ， i nt h ep a p e r , o nt h eb a s i so fe q u i v a l e n tm o h r - c o u l o m bc r i t e r i o n ，t h i sc r i t e r i o ni s s u c c e s s f u l l ya p p l i e dt of e mp r o g r a m - a n s y s 5 。7b ya r t i f i c i a lc o n v e r s i o no nr o c k - s o i l m a t e r i a lp a r a m e t e r so n l y , a n dt h i sp a p e rp r o v e st h es i z er e l a t i o nb e t w e e nt h em a t e r i a l t r a n s f o r m e dp a r a m e t e r sa n do r i g i n a lp a r a m e t e r s ，i ti sa l s os h o w nt h a tt h i sc r i t e r i o ni s r e a s o n a b l et h r o u g he x a m p l ea n a l y s eo ft h er o c ks l o p ew i t l lo b v i o u sc o n t r o l l i n g d i s c o n t i n u i t i e s ，a n dc a nb ea d o p t e dt or o c km a t e r i a l ，t h er e s u l to fc a l c u l a t i o ni sl i t t l e a n dc o n s e r v a t i v e ，t h ep a p e rp r o sf o r w a r dt h ec o n c e p tt h a tt h er o c ks l o p eo fo b v i o u s c o n t r o l l i n gd i s c o n t i n u i t i e sw i t hh i g he x p e c t a t i o n sf o rp r e c i s i o no fd i s p l a c e m e n ts h o u l d a d o p te q u i v a l e n tm o h r c o u l o m bt o i m i t a t er o c km a t e r i a l ，t h ec r i t e r i o nt h a ti t s r o t u n d a t o so nt h e 7 p l a n op a s s e st h r o u g ho u t e ra n g l e p o i n t so fm o h r - c o u l o m b 珏 中南林学院硕士学位论文 c r i t e r i o ni ss u g g e s t e dt ot h er o c ks l o p eo fo b v i o u s c o n t r o l l i n gd i s c o n t i n u i t i e sw i t hh i g h e x p e c t a t i o n sf o rp r e c i s i o no fs t r e s s f i n a l l y , t h i sp a p e ri m p r o v e st h ea l g o r i t h mo fs e a r c h i n gd a n g e r o u ss l i d ep a t ho ft h e r o c ks l o p ew i t h o u to b v i o u sc o n t r o l l i n gd i s c o n t i n u i t i e s ，a n dp r o p o s e st h em e t h o do f a d o p t i n gd y n a m i cp l a n n i n gm e t h o dw h i c hi s b a s e do nt h ec r i t e r i o no fm i n i m u m s l i d e * r e s i s t e dl e s e l v ed e n s i yt oc o n f i r md a n g e r o u ss l i d ep a t h ，a n ds a f e t yc o e f f i c i e n to f s l o p e ，b yae x a m p l ei ti sv e r i f i e d k e y w o r d s ：r o c ks l o p e ；m o d e lo f j o i n tn e t w o r k ；f i n i t e e l e m e n tm e t h o d ；e q u i v a l e n t m o h r o c o u i o m bc r i t e r i o n ；d a n g e r o u ss l i d ep a t h ；d y n a m i cp l a n n i n g m e t h o d 磁 斗勘舟蘑浅 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研 究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品，也不包含为 获得中南林学院或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。对本 文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式表明。 本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：羁嗣已 汹年岛月，易日 专鞫辩浚嗡 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文 的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的 复印件或电子版，允许论文被查阅或借阅。本人授权中南林 学院可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇 编本学位论文。 本学位论文属于： 作者签名： 湔年 1 、 2 、 保密口，在年解密后适用本授权书。 不保密囹。 ， 导师签名：唔去修， 砂影年) d ，锗 1 绪论 1 绪论 1 1 选题意义 边坡是指天然斜坡和人工边坡的总称，它是人类工程活动中最基本的地质环 境之一，同时也是工程建设中最常见的工程形式【1 1 。所谓天然斜坡是在自然地质 作用下形成的、未经人工改造的斜坡，该类斜坡在自然界中特别是山区地段广泛 分布，如山坡、沟谷岸坡等；所谓人工边坡是由于人工的开挖或改造而形成的， 如露天采矿边坡、铁路公路路堤路堑边坡等等，此类边坡，在工程建设当中，屡 见不鲜，是当今岩土工程界研究的重点和难点。按照构成边坡坡体的岩土材料性 质，边坡又可分为土质边坡和岩质边坡【2 1 。在本文中，主要以岩质边坡为研究对 象。 在重力、地质营力及外部荷载作用下，边坡不断演化并伴随着不同形式和规 模的变形和破坏。不稳定的边坡，在本身重力、水、外部荷载及其它因素的作用 下，常常发生滑坡、滑塌、崩塌和剥落等事故。作为全球三大地质灾害( 地震、 洪水、崩塌滑坡泥石流) 之一的边坡失稳事故致使人民的生命财产遭到极其严重 的损失，每年各国由此而造成的伤亡人员数目惊人、经济损失数以亿记。美国、 日本、意大利、中国等都是边坡失稳事故发生较多、受害严重的国家。在美国， 1 9 2 5 年怀俄明州的格罗斯一丈特河谷，约3 8 0 0 万n 1 3 的岩层顺石炭系粘土层滑下， 堵河以致形成6 0 m 深的湖，湖水从坝顶溢流后，坝即崩溃【3 1 ，同时从地区来看， 根据s c h u s t e r 收集的资料显示，在美国仅加州地区由于边坡失稳造成的经济损失 每年可达3 3 亿美元，除此之外，美国平均每年至少有2 5 人死于这种灾害；在日 本，1 7 9 3 年九州岛发生强烈地震，约有5 3 5 亿m 3 的土石自前山东坡下滑2 7 0 0 m ， 落入明海湾，引起海啸，涌浪使沿岸8 0 k i n 的地带遭到破坏，死亡1 5 万人以上， 该国岛根、长野、西颈城均发生过大规模的山体滑坡，损失惨重，伤亡人数达几 十，日本山区占土地面积的8 0 以上，每年因边坡失稳而造成的经济损失多达数 百亿日元；在意大利，1 9 6 3 年瓦依昂拱坝左岸的岩质边坡发生破坏，约有2 0 0 3 0 0 1 0 6i n 3 的岩石沿斜坡滑动，造成3 0 0 0 多人死亡的重大事故【4 】；在我国，由 于人工边坡或自然边坡失稳造成的损失同样数目巨大，据不完全统计，自从1 9 9 8 年以来，福建省先后发生了崩塌、滑坡、泥石流、地面塌陷等事故2 1 3 0 0 多起， 涉及4 0 多个县( 市、区) ，造成3 0 0 余人死亡，伤5 0 0 余人，毁房5 0 0 余间，经 中南林学院硕士学位论文 济损失高达1 0 多亿元；三峡库区的最新统计表明，1 9 8 2 年以来库区两岸发生滑 坡、崩塌、泥石流7 0 多处，规模较大的4 0 多处，死亡人数达4 0 0 之多，直接经 济损失数千万；云南省的公路边坡灾害调查数据显示，1 9 9 0 1 9 9 9 年间，云南公 路边坡发生大、中型崩塌、滑坡、泥石流1 3 5 1 4 4 次，造成1 0 0 0 余座桥梁被毁， 经济损失达1 6 8 亿余元，对全省2 2 2 0 k m 公路的运营构成严重威胁【引。据有关部 门报道，我国每年由此造成的经济损失近3 0 0 亿元，全国4 0 0 多个市、县受到严 重损坏，有近万人死亡，同时这种灾害也正随着开发建设步伐的加快而日益加剧。 上述种种事例，不难看出由于边坡失稳，严重造成经济上不应有的损失；由 于边坡发生破坏而导致交通中断、生产停顿、江河堵塞、塘库淤填、建筑物被毁 坏、严重危及到国家财产和人们的生命安全。 我国是世界上最大的发展中国家，也是目前世界上具有最大规模资源开发工 程和土木建设工程的国家。随着西部开发战略的实施，资源开发和基础设旌的建 设正以前所未有的速度发展。我们正在快速修建国家主干高速公路网和完善铁路 运输系统；正在开展城市基础设施建设和加速推进都市化进展；正在大规模开采 矿产资源等等。然而，我国地形变化大，地形地质条件、地质构造复杂，因此， 开展大规模的水电工程、公路工程、铁路工程、矿山工程等建设活动，经常不可 避免的需要开挖岩土体，形成大量的边坡。随着工程规模的增大，边坡也越来越 高，如三峡水电工程船闸高边坡高达1 7 0 m 6 】，黄河小浪底水电工程进水口边坡高 1 2 0 m ，溪咯渡水电站拱肩槽边坡高达2 5 0 m ，抚顺西露天矿高边坡开挖深度已超 过3 0 0 m ，等等，这些边坡的稳定状况，事关工程建设的成败与安全，对整个工 程的可行性、安全性及经济性等起着重要的控制作用，并在很大程度上影响着工 程建设的投资及使用效益，如果工程处理不当，往往导致边坡失稳，造成巨大的 经济损失，给社会带来一定的负面影响。加之我国三分之二的国土为山地，独特 的地理、地质条件为边坡失稳提供了物质基础；同时，我国是地处世界上两条最 活动的地震带之间的一个多震国家，东有太平洋地震带，西有喜马拉雅山一地中 海地震带，约有三分之二的省区发生过破坏性地震，并且目前正处于地震活动高 潮时期，它为边坡破坏提供了外力和触发条件，边坡失稳随时都有可能带来严重 的破坏，甚至是灾害，因此，边坡问题在我国非常突出，而且亟待解决。 为了减少和避免各种边坡失稳事故的发生，我们必须加强边坡的科学研究工 作，目前土质边坡已有许多学者做过专门研究，理论比较成熟【”，然而岩质边坡 相对土质边坡有其自身相对复杂的特点，破坏形式更为隐蔽，破坏性质更为复杂， 理论研究不够完善，是当今岩土工程界研究的前沿、热点和难点，尽管到目前为 2 1 绪论 止对岩质边坡稳定性进行过一些研究和探讨，但仍然有许多问题尚待解决，因此 对岩质边坡稳定机理及应用开展研究是我国大型工程建设的迫切需要，具有重要 的现实意义和理论意义，其工程应用前景也很广阔。 1 2 国内外岩质边坡稳定性研究现状 1 2 1 岩质边坡稳定性研究发展历程 人们对边坡稳定性的研究已有近百年的历史，最早是从观察滑坡现象开始的， 主要以土体为研究对象，早期的工作是把滑坡作为一种地质现象，仅仅停留在定 性和经验性判断【8 1 。十九世纪末及二十世纪初，伴随着工业革命而兴起的大规模 建设，诱发了大量的滑坡，造成了很大的经济损失，这时人们开始借用一般材料 力学中的均质弹性、弹塑性理论对滑坡进行半经验、半理论的研究，主要从两个 方面对边坡稳定性进行了研究：一是借用土力学的极限平衡概念，根据静力平衡 条件计算边坡极限状态下的稳定性；二是从边坡所处的地质条件以及失稳现象上 对滑坡发生的环境以及机理进行了研究，其结果大都是定性的【9 1 。 二十世纪五十年代法国的马尔帕塞薄拱坝左岸坝肩的崩塌以及六十年代意大 利瓦依昂水库的库岸滑坡事故【1 0 】，把边坡的稳定性研究提高到了一个崭新的高 度，人们意识到岩体材料与一般材料具有很大差异，开始重视岩体的不连续性、 各向异性、非均一性等独特性质研究，特别是开始意识到地质结构面对岩体结构 工程稳定性的控制作用，认识到岩体的失稳与结构面的发育程度、发育位鼍、产 状、组合特征以及工程性质有着十分密切的联系，不管基础岩石如何坚固，只要 岩体中存在着不利的结构面构成的软弱地质界面或分割面，岩体就失去了其完整 性和连续性，就有可能沿着这些结构面发生破坏1 1 1 】。六十年代开始形成的岩体结 构及控制观念【1 2 , 1 3 , 1 4 ，对边坡岩体结构类型进行了划分，并运用赤平投影法和实 体比例投影法对边坡稳定性进行了研究【1 5 】，同时结合露天矿边坡的稳定性研究， 开展了大型野外岩体力学实验，使边坡的稳定性研究进入了边坡失稳机制及内部 作用过程的研究阶段i l “。 自上世纪八十年代以来，在以往注重工程地质研究的基础上，将边坡稳定性 研究与岩土力学相结合，使边坡稳定性研究进入了一个新阶段。通过对岩体结构 材料特殊性的研究，使人们认识到岩体工程的稳定性在很大程度上由岩体结构所 控制，岩体结构不仅控制着岩体的变形，还控制着岩体的破坏规律和力学性质， 形成了岩体结构控制论的基本观点，提出了岩体结构面的统计与模拟、块体稳定 性分析等方法i r 7 , 1 8 , 1 9 ，并取得了较大的进展；针对边坡破坏模型的研究，提出了 中南林学院硕士学位论文 刚体力学、弹性及弹塑性、断裂力学、损伤力学和流变力学等多种地质力学模型， n 并撵篷了惫掺撰影薅涛坡、蓬强溪嚣游壤、羧瑟嚣潺动滢瑗、籁镪交形酸繇、渍 屈变形破坏等多种滑坡失稳类型【2 0 】；程边坡稳定性预测模型的研究中，系统方法、 模糊数学、获色理论、信息论方法以及概率统计等被相继引入，从而形成了优势 鞭分撬戈孛，豹透缓稳定瞧系统穰型、淡灰色聚类及灰色关联势辑为基璃秘灰色 聚类模型、以信息理论及概率统计为慕础的信息论模型等多种独具特色的边坡稳 定性预测模型【2 1 , 2 2 l ；近年来，耗散结构论、协同论、突变理论、混沌理论以及分 澎理论等菲线性辩学毂笈壤蹬边坡稳定瞧磅究提供了赫理论、瑟方法，劳显悉在 边坡稳定瞧研究中获得了不少开创性成果，如滑坡复杂性探索、滑坡吸弓 子的特 征研究、边坡稳定性非线性动力学理论模型、边坡稳定性突变理论模型、边坡变 澎豹分形特程、边坡岩体的滚变模型等等，不过上述各簪 究才剐剃起步，还农诲 多阍题需要解决i 翻。 1 2 2 岩质边坡稳定性分析方法 岩体是在漫长的地质发展过程中形成的地质体的一部分，它的成因和构造复 杂，岩性多样，从结构特点来看，可分为连续介质、裂隙介质和散体介质；从力 学性能来看，它包括了几乎所有固体材料的力学属性一弹性、塑性、粘性、流变 性、各向异性和非均质性1 2 4 , 2 5 】。不同类型岩体，即使在相同的外界条件作用下， 将出现不同的变形和破坏机制，因而在工程实践中也就形成了不同的研究途径和 各具特色的分析方法，目前岩质边坡的稳定性分析方法中主要有两大类方法：第 一类方法是在边坡滑面确定的情况下，根据滑裂面上的抗滑力和下滑力直接计算 边坡安全系数，滑裂面上的力可以由滑体的静力平衡条件求解，这类方法包括极 限平衡法、关键块理论等；第二类方法首先采用数值分析方法确定边坡的位移场 和应力场，再采用超载法、强度储备法等使边坡达到极限状态，从而间接地得到 安全系数，这种方法不仅考虑了滑移体力的平衡，而且考虑了位移协调条件和岩 体本构关系等。现将这几种主要岩质边坡稳定性分析方法概述如下： 1 2 2 1 极限平衡分析法 极限平衡分析法目前仍是岩质边坡稳定性分析的主要方法之一，该方法应用 较为广泛，简便易行，计算工作量小，容易为工程技术人员所掌握，有一定的实 践经验，特别是当滑动面为单一优势面时，该方法能较合理地确定其稳定性，但 对于复杂的滑动面，必须引入若干假定，因此所得的成果就存在一定的近似性。 采用极限平衡法分析边坡的稳定性，要事先确定可能失去平衡的潜在滑体以及滑 1 绪论 动模式，然后根据力学平衡原理分析边坡各种破坏模式的受力状态，采用抗滑力 和下滑力之间的关系来评价边坡的稳定性，通常可采用解析法求解。目前常用的 极限平衡法主要包括：b i s h o p 法、f c l l e n i u s 法、j a n b u 法、s p e n c e r 法、 m o r g e n s t e r n p r i c e 法和s a r m a 法等等【2 6 1 ，之间的比较见表1 1 。 表1 1 各种极限平衡分析法之间的比较 极限平衡方法并不是一种“严格的”力学方法，即使边坡破坏模式相同，不 羁鼓本人曼舞法可戆不曩，结论胃娩不一羧，同粒该方法不考虑装傣的变形与威 力，不能够确定相_ 陂的变能和应力分布，因而不能模拟系统的破环过程和探索边 瑗懿溪透酸豁秘理。逶足冬寒，嚣癌终学溪赞对极限平黎法兹这魑软罄遴嚣了大 量的研究改进，如1 9 9 9 年杨松林针对传统烂直条分法和萨尔玛法应用于岩石边坡 稳是牲努撂瓣缺纛，提爨了逶臻范潮更广戆广义条分法，该方法考瘪了条块润势 界面的应力变形关系，采用条块问分界面的应力褒形本构关系代替传统的两类条 分法瓣条袭分赛委上力酶大小、方翔蕺终趱熹熬入秀穰宠，这一骰法受鸯瑟终会爨 土工程的实际情况，并采用优化搜索的方法给出了相对最危险的潜在滑动面及其 安龛系羧1 2 7 ；2 0 0 0 年h k u m s a r 等奔绥了静秀帮动力黎载条俘下揆髂涛皱模墼试 验研究情况，在极限平衡分析方法中考虑了动力的作用，并且在严格的试验条件 和赛蕲工程中褥虱验证1 2 霹；2 0 0 1 年李冬瓣捷密一耱三维豹岩石边坡裰隈平衡法， 即威用岩石边坡多层d e m 几何模慰，参照简化b i s h o p 法的假定，进行边坡稳定 性分析的滕分析方法，进黼提出了抗淆系数谱静穰念，戳反映稚袋者体稳定嚣索 s 中南林学院碳学位论文 的不均匀性p j 。 1 2 2 2 数值分析方法 在很多岩质边坡工程的实际问题中，出于岩土体的非均质、非线性的性状以 及几何形状的任意性、不连续等因素，在多数情况下不可能获得其数值精确解。 最近三十多年来，随着计算机的迅速发展，在岩质边坡工程中，数值分析受到了 极大重视，各种数值方法在岩质边坡工程中都得到了广泛应用，而随着岩质边坡 工程中各种复杂问题的解决又深化和丰富了数值分析的方法。应用数值方法进行 边坡工程的计算具有下列独特的优点：( 1 ) 由于边坡具有复杂的边界条件和地质环 境，如岩土体的非均匀性、非连续性，造成边坡工程问题的非线性等特性，这些 问题要采用弹塑性理论和极限平衡分析解决，数值分析可以方便地处理上述问题。 ( 2 ) 数值方法可以得到边坡的应力场、应变场和位移场，非常直观地模拟边坡变形 破坏过程。( 3 ) 数值分析能根据岩土体的破坏准则，确定边坡的塑性区或拉裂区域， 分析边坡的累进性破坏过程和确定边坡的起始破坏部位。( 4 ) 数值方法适用于分析 边坡工程的分步开挖、边坡岩土体与加固结构的相互作用、地下水渗流、爆破和 地震等因素对边坡稳定性的影响1 3 0 】。 目前常用于岩质边坡稳定分析数值计算方法包括有限元法、边界元法、离散 元法、有限差分法、流形元法、不连续变形分析方法d d a 等等，它们主要区别 如表1 2 所示，同时也开发了相应的商业软件和专业程序，如e c l i p s e 、m o r e 、a n s y s 、 f l a c 、m i s e 、p h a s e 、f l o w 、3 d 。o r 。 表1 2 几种数值方法的比较 随着数值分析方法的不断发展，同时也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、块体元等方法之间的相互结合、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 的岩体边坡问题，如2 0 0 1 年任清文等采用块体单元法进行边坡稳定性分析，此法 1 绪论 兼有极限平衡法和有限元法的优点，既满足全部平衡条件，又在一定程度上考虑 了材料的变形【3 1 l ；2 0 0 2 年张季如对边坡开挖作非线性有限元分析，获得边坡变形 的大小和分布、塑性区的扩展状态、滑移面的形成、发展直至整体破坏的演变过 程，并以此确定合理的滑移面位置，最后采用极限平衡法计算边坡的安全系数【3 2 1 。 数值分析方法日益广泛地应用于在岩质边坡的变形与稳定问题的分析中，为 解决许多工程难题提供了有力的工具。然而我们应该认识到，数值计算方法并不 是万能的，它有一定的前提条件和适用范围，运用数值方法解决工程实际问题， 计算结果的正确与否主要取决于三个方面的影响因素【3 3 l ： ( 1 ) 计算参数的选取：计算参数的选取在很大程度上决定了计算结果的精确程 度。目前，取得计算参数的主要途径是试验室试验和原位测试，但岩体力学参数 是岩体中的岩块、断层、节理、裂隙等的力学参数的综合反应，故现场的力学参 数往往要比在室内不含节理裂隙的岩块试样测得的低得多，即使是现场试验，与 实际工程也存在尺寸效应问题：另一方面，无论试验室试验还是原位测试，取得 的岩体力学参数或初始应力状态，在一定程度上都受到了扰动，与实际情况有一 定的偏差；再者，岩土工程建设规模较大，在工程范围内不可能布设过多的测点， 否则要花费太多的人力、物力与财力。因此，光靠这些手段获得可靠的岩体力学 参数非常困难。另外，工程的施工爆破，在一定范围会产生松动圈与卸载带，使 得这些区域的岩体力学参数也是动态变化的。 ( 2 ) 地质模型的抽取与力学模型的选取；工程地质条件的查明是数值分析的基 础和前提。地质模型是在工程地质条件综合分析的基础上，对工程地质体的概括 与简化，如地质边界条件、水文地质条件的组合特征、断层的分布情况等。在地 质模型的基础上，通过合理的抽象、简化和概括，便可建立工程地质数值分析的 力学模型。力学模型选取的好坏对计算结果的影响也很大。选取的力学模型必须 突出控制工程地质问题的主导因素，要能准确地反映地质体的客观实际，同时又 要具有力学分析的可能性。 ( 3 ) 所采用的计算方法：目前，用于岩质边坡稳定性计算的数值分析方法很多， 如前所述的有限元法、边界元法、离散元法等等，这些岩质边坡稳定性分析方法 都是人们在不同的认识阶段，根据对岩体认识程度的不同，针对岩体的主要特性， 在做出某些假定的基础上提出的，因而这些方法具有一定的实用范围和一定局限 性。同时，由于岩土体的复杂多变性、非连续各向异性、隐蔽性，各种分析方法 得出的结论仍需要综合分析比较。对于数值方法，有些精度很高的计算由于边界 条件、参数选择、参数与计算模型的配套问题不是很严格，有时得出的结论仅具 7 中南林学院硕士学位论文 有参考价值。因此长期以来，岩质边坡稳定性研究一直成为岩土工程界研究的难 点和热点之一。 上述三个方面的影响因素中，力学参数的选取是第一位的，对计算结果的正 确与否影响最大，其次是地质模型的简化及所选取的力学模型，所采用的计算方 法对计算结果的影响与前两个因素相比虽然较小，但对某些特殊问题有时又非常 重要，如由于流形元法引入了覆盖的概念，比较适合模拟开裂问题。在实际工程 问题中，应该具体问题具体分析，全方位考虑各因素的影响，选取最佳的计算参 数、理论模型以及计算手段。 1 2 2 3 其它方法 灏予透缓者俸形成子不鬻条侔、不同环境，经缝壳多次运动终焉，聚霄宏蕊 上的不连续性又有微观上的不连续性，不同的方法从不同的角度对边坡的糠定性 及相关闯题逐行了研究，强离散元瓢离散块体静角度对透城连行应力帮位移计算， 而极限平衡方法仅从考虑变形破坏的极限状态来进行分析。由于岩体形态是如此 之复杂，确定往计算方法无法概括箕复杂往，也不可缝全面考虑所肖豹影响蠢素， 一个经过抽魏的数学模型所求得的确定性解与实际情况相比必然会有一定的出 入。为此，发展了许多的不确定性方法。 人工神经嬲络是依据人脑结构的基本特征发展起来的一种信息处理体系或计 算体系，它仅是对神经系统的数学捆象、糨略的遥i 睫及模仿，由输入层、隐含层、 输出艨组成。神经元是其基本处理攀元，神经元之间有连线，知识由各神经元之 间的连接强度表达，随络的记忆存储行为表现为各单元之间连接权重的动态演化 过程，网终攀习熬霹豹就是谬找一缀合适的连接强发。它以并行方式处理数据和 信息，具有鼹好的容错性、很强的自学能力和对环境的自邋应能力，通过搜索非 穗确的潢意辫来达到蟪入和输出豹嚣线性映射，特剔适宣处理知识鸳景不清楚、 推理规则不明确等复杂类型模式识别且难以建模的问题。利用神缀网络理论，可 敬尽斑襞多媲姆各秘影豌因素终为羧入变鬃，建立这些定毂或定量影响困綮月边 坡安企系数与变形量之间的摘度非线性映射模型，然后用模型来预测和评价边坡 熬安全性 3 4 , 3 5 , 3 6 j 露。瑗在爰键覆藏熟瓣是b p 翅，毽蔟存在鬓貉入髑帮最奎、浚敛 速度慢等缺点。为克服这些缺点，自适应网、复合网络等也逐渐被应用到边坡工 程串来，摇1 9 9 9 年声才金等结舍饕入貔臻究残莱对襻经嚣络孛豹b p 彝法避零综 合改进，并将其运用鼍：岩石边坡稳定性评判，并建藏了评判模型【3 8 】。 逑瑗稳定往分辑是不确定性滔遴，吴鸯淹辊毪、模鞭犍，传缝方法为定僮方 8 1 绪论 法，没有考虑实际存在酶不确定住，所给豹安全系数并不能反斑分析对象真实的 安全度和可靠度，对于这类具有模糊性的枣件可以采用模糊数学方法，该方法是 应用模糊交换原理和最大隶属度原划，综合考虑被评事物或其属性的相关因素， 进两进行等缎或级别评价，近几年来在这方面的研究也取锝了不少成果，如1 9 9 9 年剃瑞玲等采用f u z z y 数学方法充分考虑忑程实际经验。建立了f u z z y 绦合评判 模型1 3 9 l 。 应用系统科学、人工智能、神经网络、进化计算和模糊数学簿新兴学科理论， 综会硪究岩嚣边坡童程系绞豹不确定性和忑程经骏，发最出一套切实可抒的智熊 力学分析方法，这w 能是解决复杂的边坡正程涉及问题的一条有效途径，如2 0 0 0 年滋爱庭对影旗边坡稳定瞧熬因素进行了分辑，掇出了迭壤稳定性分析靛综合集 成理论和方法。 1 2 。2 4 者囊透壤流蜜分耩 工程实践表明，岩质边坡开挖以后，岩体的】陵力调接和变形并不是瞬时完成 的，而是随时闻变化发展，变形趋子稳定需要延续一个较长的时麓，表现出明鼹 的流变效_ 陵。岩体孀变是嬲边坡交形的一个非常熬要因素，边坡蠕变可以理解为 一个没有嚼短滑移璇的长期地质逮动，虽然每年r 发生凡毫米的位移，憾在较长 黠阙内这种位移的累加，受l j 表现为可以测基出来的边坡运动，如果运动超出了嫔 界加速度值，则蠕嶷表现为滑移和流动。经过数十年的研究，者土工程界已经糨 累了大量豹流变摸撄炎斟，妇元件模型、矮服瑶模型、内时模型和经验模型，务 类模型依据各自的特点适用于不同的岩土类型，在国内外研究成果的基础上，张 为瑟提出了一耪分数除导数滚交攒型，其实质上就是用a b e l 钵取代在经典滚变模 型理论中常用的n e w t o n 粘性流体，通过非线性弹簧、a b e l 粘壹、摩擦件三基本 元转豹势联残枣联，可数褥熨不鄹匏滚交模型，溺瓣瞧建壶7 蟋变柔量秘捡戆模 量的实用表达式【4 0 t 4 1 1 。2 0 0 2 年徐平等介绍了三峡工程船闸区岩体及结构筒现场蠕 变试验或聚，考瘩嘉蓉工嚣挖蠲蓠黪边坡懿拨动影翡疆及迭疆承疆力教终翔，遴器 了施工期和运行期边坡流变稳定性的数值分析【4 2 l ；2 0 0 2 举曹树刚等通过时岩石的 应力应交魏线帮舔交鍪线分提，褥糖滞模逛孛豹糖滞系数修委必嚣线毪，挺塞了 一种组合流变模到4 3 1 。 l 2 2 s 岩旗边坡动力分析 媲震发生对，自然状态下稳定豹边坡，此射缀有可能会诱发滑坡。因为地震 动钍边坡中产生附加的水平和竖向动应力，叠加在已经存在的静应力之上，当渤 9 中南栋学院硕士学位论文 剪应力超过抵抗剪应力时可能诱发边坡惯性失稳。对岩质边坡动力分析研究，最 初是由t e r z a g h i 于1 9 6 5 年采用拟静力法，以水平、垂直加速度来考虑地震的影 响对边坡进行分析，这种方法简单、赢接，但是这种方法不能计算出变形信息。 随后，n e w m a r k 提出屈服加速度的概念，采用以此概念为基础的滑块模型来计算 边坡的永久变形。近年来，在边坡动力稳定分析研究方面取得了不少成果，如2 0 0 2 年祁生文定义了动力高边坡效应和动力低边坡效应，给出了不同岩土材料的边坡 在相同的动力输入条件下出现相同动力效应必须满足的条件，研究了边坡动力效 应位移、速度以及加速度极值分布规律、边坡高度、律动极值和高边坡动力响应 临界高度的关系：2 0 0 2 年辛鸿博等根据我国过去近8 0 0 年间地震诱发的天然岩土 边坡的事例，研究了我国岩土边坡地震崩滑特征以及边坡地震崩滑与地震动参数 的关系，通过对1 2 5 次历史地震造成的2 8 5 例典型滑坡进行分析，提出预测天然 岩土边坡地震崩滑的初判标准1 4 4 1 。然而，目前的研究还远不能满足工程实际的需 要，无论是采用动力模型试验还是采用有限元进行动力分析，目前大多数是针对 某些特定的重大工程的需要，常规条件下的岩质边坡动力问题的研究工作并不多， 因此在边坡动力稳定分析方面还有大量的工作要做，值得进一步的研究。 1 2 3 岩质边坡稳定分析的发展趋势 目前正在进行的西部大开发，首先必须搞好基础建设，因此会涌现出大量需 要解决的岩质边坡工程问题。但纵观岩质边坡稳定分析方法的发展，各种方法均 没有达到真正完满解决工程实际问题，对理论模型的辨识、本梅关系、计算参数、 仿真方法都需作进一步深入具体研究。同时，各种技术革新、数学、力学及计算 机技术的快速发展等均向理论分析不断提出了新的挑战。 针对岩土工程的如此多的不确定性，我们不能只沿用传统的思维方式处理， 而应转换思维，不仅要正向思维，即从事物的必要性出发，根据试验建立模型， 在特定条件下求解：也要逆向思维，如位移反分析法，先以实测的位移值为依据 反演求出初始应力与参数，再反过来应用于工程实践。思维的转换还包括系统思 维、反馈思维和全方位思维。系统思维是把所研究的问题看成一个巨系统，强调 组成系统的单元和系统整体的联系和区别，保持系统开放，从系统的微小涨落中 去不断调整，使之不断趋向于平衡，从而完成问题的求解。反馈思维是从信息反 馈角度研究，通过控制过程来推知、达到系统的最优。全方位思维是从多学科交 叉渗透来研究问题，如不断运用新的方法来模拟问题间潜在的相关性，借用计算 机等职能手段来模拟人脑思维，利用专家经验来帮助判断，利用发达的网上资源 1 0 1 绪论 来获得信息和帮助。 由于岩质边坡工程的复杂性，岩质边坡稳定评价不能依赖于单一方法，理论 需要多学科的相互结合、相互渗透，包括工程数学、工程力学、工程地质学、岩 土力学，并结合计算机仿真技术、岩土工程测试技术等手段。因此，依托予计算 机技术，形成集成式智能评价系统，是未来发展的一种趋势。同时由于岩质边坡 工程常依赖于经验，故利用岩质边坡工程的失稳和稳定实例来建立系统，考虑多 种因素影响，使多学科交叉融合，研究开发基于案例推理的岩质边坡稳定的综合 集成式智能评价系统，也将是未来的发展方向之一。 1 3 岩体结构面网络模拟研究现状 结构面对于岩体工程特性有着薰要影响，结构面的存在是造成岩体结构不适 续热、各囊异性、嚣均一燃豹主要爨霾；磷究表明，结构亵在岩体露边坡熬失稳 破坏中起者难要的控制作用，在岩体工程的设计与施工中占有重臻的地位。因此， 有爨簧了瑟缝橡嚣程岩髂鬣岩终边缓孛豹分毒壤凝。鼹予较大瓣缍搀瑟，其数爨 和分布范围是有限的，通常在地质勘测中就可以焱明；但是对于中、短、微结构 嚣，赉手其数蠢多，分毒范围广，苓毒戆遽过逮袋鼓溅采一一查明，铮瓣这令瓣 题，人们希攥从概化角度，总体上了解这魑结构硝的分布情况。簧描述结构面在 空鬻串懿分耀，蓄先娶禳攒努舞麓溅蘑褥翻豹缩擒嚣襻零数据，穰定结擒嚣空阉 几何参数的分布。阑内外的许多学者针对此问题做了大爨研究，建立了翳外统计 结稳嚣足侮参数豹溅线法及统计鬻法，确定结构甏戆犊囱、稷囊、阗蘸、迹长浚 及隙宽的概率密度分布形式和相应的统计参数1 4 5 ，4 6 1 。根据这些结构面几何特征的 分布参数，倍韵予蒙特卡洛方法，在计算械褥翻符合统诗麓律静结构蟊鹣过程称 为结构面网络生成，得到的结构面分布图形称为结构面网络图，这种技术是由英 国入a s a m a n i c g o 莆御的 4 7 1 。目前二维结构面丽络生成援朱已经成熬并褥弱应弼 1 4 ”，三维结构面网络生成磁在研究之中，缀然有一些成果，但比较粗糙。基于结 构面网络模燕，人们对岩体结构的连通率、渗流薰以及综合抗剪强度等分鄹进行 了研究，取褥了许多成果【4 9 j 。 借助予结构面网络模撤，对边坡稳定性进行研究是一个有效的方法，其主要 途径就是根捉岩体边坡内的结构蕊分布及成力场，找出鸯一组结构面以及它们之 间的岩桥桐互连接所组成的一条抗滑储备最小的路径。在这方面的研究中， e 。e g l y n n 麓先提出了一令裂隙岩体随枫剪切强度豹模型，该模型在绘定的应力场 下从左边界到右边界计算所有可能破环的路径并找出最小强度的路径f 5 0 】。 i l 甲南林举院硕士学位论文 h h e i n s t e i n 等研究了结