（采矿工程专业论文）公路边坡稳定性数值模拟研究.pdf

摘要 摘要 近二十年来，随着我国基础建设的大力发展，边坡稳定性研究及其维护显得越 来越重要。矿山、水利、交通等部门都涉及到大量边坡问题，而且，作为三大自然 灾害( 地震，洪水和崩塌滑坡泥石流) 之一的滑坡灾害严重危及到国家财产和人民 的生命安全，所以对边坡进行稳定性的研究意义非常重大。 公路边坡在各种边坡问题中是比较普遍的。由于公路路线一般较长，经过的地 形、地质条件比较复杂，边坡的稳定性是保证道路正常运行的关键，因此一直以来 是公路建设中的一个值得关注的问题。 本文分析了各种因素对边坡稳定性的影响，研究了极限平衡方法及数值分析法 的原理和发展，应用目前研究较多的极限平衡法和数值模拟方法，结合简单边坡进 行稳定性计算。主要运用数值模拟技术对公路边坡建立有限元模型，模拟了公路边 坡的应力和位移分布情况，并进一步分析边坡坡度及边坡形式对边坡本身稳定性的 影响，并结合极限平衡法对计算结果进行综合论证。 本课题运用数值模拟技术处理边坡稳定性问题具有一定的现实意义，特别是边 坡稳定性分析在岩土工程、土木工程和道路工程领域占据相当重要的地位，边坡稳 定性评价结果的正确与否直接关系到边坡工程的成败。有限元方法已成为非常普遍 的分析边坡稳定性的有效方法。 图：4 3 ；表：l o ：参：6 9 关键词：边坡：稳定性分析；数值模拟：有限元分析 分类号：t u 4 5 2 塑! ! 堡! ：查堂堡主堂焦堡奎 a b s t r a c t d u r i n gt h er e c e n tt w e n t yy e a r s ，w i t ht h eg r e a td e v e l o p m e n to f o u rb a s i cc o n s m j c t i o n ， t h es t u d ya n dm a i m e n a n c ea b o u ts l o p es t a b i l i t yb e c a m em o r ea n dm o r ei m p o n a n t i ft 1 1 e s l o p e1 0 s tt h es t a b i i i t 弘t h e r e a r et w om a i nr e a s o n s ：t h en r s ti sm c ka n ds o i lb o d y s m o v e m e n ta n dd i s t o m o na d dt t l ei n s t a b i l i t yo fs l o p ew h i c hp l a c eap r e m i u mo nt h em i s s i n g o fs l o p e ss t a b i l i t y ；t h es e c o n dr e a s o ni st h el o s i n go fv e g e t a t i o na n ds u r f a c es o i lc a nb r i n g c o r r o d eo ns l o p es u - a c es o i l ，锄dt h em a n m a d er e a s o ns u c ha st h el o s i n go fw a t e ra 1 1 ds o i l c a na l s ob r i n gm ec o l l 印s ea 1 1 dd i l 印i d a t i o no fs l o p e t h ep r o b l e m sa b o u tm a ds l o p ea r e r e l a t i v e l yr i p e n e s si nt h ev a r i o u ss l o p ep r o b l e m s w ek n o wt h a t r o d er o u t ec o m m o n l y r e l a t i v e l yl o n g ，a n dm el a n d f b 肌a n dg e o l o g i cc o n d i t i o ni sv e r yc o m p l e x ，a i l dt h es t a b i l i t y o f s l o p ei st h ek e yt ot h er o a d sr u ni ng e a r ，s oi ti sap r o b l e md e s e r 、，i n gb ep a i da t t e n t i o nt o a 1 1t l l et i m ei nt h em a d sc o n s t r u c t i o n t h ep a p e ra n a l y z e dv a r i o u sf a c t o r si n n u e n c ea b o u tt l l es l o p es t a b i l i t y ，趾dr e s e a r c h e d l i m i tb a l a n c ea n dn u m e r i c a lv a l u ea n a l y z em e t h o d s t h e o r ya n dd e v e l o p m e n t ，a p p l i n g l i m i tb a l a l l c ea 1 1 dn 啪e r i c a lv a l u es i m u l a t em e t h o d sw h i c ha r es t u d i e dm o r en o wa i l d 1 i 芏1 k i n gs i m p l es l 叩ec a l c u l a t e dt h es t a b i l i t y n l ea n i c l em a i n l yu s e d n u r n e r i c a lv a l u e s i m u l a t et e c h n o l o g yt ob u i l t1 i m i tu n i tm o d a lf o rm a ds l o p e ，i ts i m u l a t e ds t r e s s a i l d d i s p l a c e m e n t sd i s t r i b u t i n go nr o a ds i o p e ，a n da n a l y z es l o p eg r a d ea n df o m s i n f l u e n c e a b o u ts l o p es t a b i l i t ym o r e ，a n dd e m o n m a t e dm er e s u hs y 毗l e t i c a l l yc o m b i n i n g 也el i m h b a l a n c em e t h o d t h et a s ku s e sn u m e r i c a lv a l u es i m u l a t et e c h n o l o g yt od e a lw i t hs l o p e s t a b i l i t y ，i tp o s s e s s e sd e n n i t er e a l i s ms i g n m c a t i o n ，e s p e c i a l l yt h ea i l a l y s i s a b o u ts l o p e s t a b i l i t yt a l 【e su pq u i t ei m p o r t a t l tc o n s e q u e n c eo nr o c ks o i le n g i n e e r i n 昏c i v i le n g i n e e r i n g a n dc i v i le n g i n e e rn e l d ，t h ec o r r e c t n e s so ft h es l o p es t a b i l i t ye s t i m a t er e s u l tc o 蚰e c t st 1 1 e s l o p ee n g i n e e r i n g ss u c c e s sd i r e c t l y t h el i m i tu n i tm e m o dh a sb e c o m ev e r yu i l i v e r s a l i n a n a l y z i n gs l o p es t a b i l i t y f i g u r e4 3 ；t a b i e1 0 ；r e f e r e n c e6 9 k e yw o r d s ：s l o p e ；s t a b i l i t ya n a l y z e ；n u m e r i c a lv a l u es i m u l a t e ；l i m i tu n i ta n a l y z e c h i n e s eb o o k sc a t a l o g ：t u 4 5 2 独创性说明 本人郑重声明：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的研究成果，也不包含为获得 河北理工大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。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做了明确的说明并表 示了谢意。 签名：旅男1 、日期：口年y 月乙曰 关于论文使用授权的说明 本人完全了解河北理工大学有关保留、使用学位论文的规定， 即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学 校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复 制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 签名：砍劣。导师签名：盥 日期：d 年芏月、曰 引言 引言 近二十年来，随着我国基础建设的大力发展，边坡稳定性研究及其维护显得越 来越重要。矿山、水利、交通等部门都涉及到大量边坡问题，而且，作为三大自然 灾害( 地震、洪水和崩塌滑坡泥石流) 之一的滑坡灾害严重危及到国家财产和人民 的生命安全，所以对边坡进行稳定性的研究意义非常重大，它不仅可为工程实施提 供科学的理论依据，而且对边坡加固和滑坡的预测预报也有重要指导作用。 随着社会进步及经济发展，越来越多的在工程活动中涉及边坡工程问题，通过 长期的工程实践，工程地质工作者已对边坡工程有了深入研究，形成了比较完善的 理论体系，并通过理论对人类工程活动进行有效的指导。边坡作为地质工程的分支 之一，一直是人们研究的重点课题之一。 边坡稳定分析的方法很多，这些方法在边坡稳定分析中各有弊益。新的理论和 方法也不断地运用到边坡稳定分析中，然而，这些新方法有待进一步成熟和完善， 需要进一步在工程实际中检验。 极限平衡法作为传统的方法，在边坡稳定分析中的是一种很重要方法，一直以 来在工程界被广泛运用。然而，极限平衡法在计算边坡稳定安全系数也存在很多的 不便之处：首先，在极限平衡法中，除了瑞典法之外，其他条分法在计算安全系数 时均不能写出安全系数的表达式，在求解安全系数时要通过试算过程；其次，计算 安全系数时，所有的条分法均要事先知道滑动面的位置和形状，然后计算滑动体沿 该滑动面发生滑动破坏的安全系数。这样就存在这样一个问题，对于均质边坡，事 先并不知道滑动面的位置，要计算该边坡抗滑稳定的安全系数时，要多次假定不同 的滑动面进行计算其对应的安全系数值，而计算安全系数时又要试算，因此给计算 带来了很大的麻烦。尽管对于各种边坡如何用图解方法确定滑弧的位置已经制成了 很多表格( 或曲线) ，可供工程人员直接查找，但应用起来还是有很大的不便。 边坡稳定性分析方法很多，不同的方法又各具特点，有一定的适用条件。如何 根据具体的边坡工程地质条件，具体的分析目的与精度要求，合理有效的选用与之 相适应的边坡稳定性分析方法，是一项很重要的工作。本文主要是通过极限平衡法 的力法及数值分析的法的计算来评价不同方法的优缺点，并利用基于有限元法模拟 平台来模拟边坡失稳过程中的应力和位移的变化，直观的分析外部荷载对路基边坡 的应力分部及位移变化情况，利用最小安全系数判定路基边坡的稳定状况。 1 文献综述 1 文献综述 1 1 概述 “边坡”指的是地壳表厩部分一切具有侧向临空面的地质体，是广泛分布于地 表的一种地貌景观。它是人类生存和工程活动最常见最基本的自然地质环境之一 其稳定与否与人类生命及其生存环境有着密切的关系。近年来，随着国民经济的快 速发展，在诸如水电、露天采矿、能源交通及建筑场地地质工程活动领域出现了越 来越多的高陡边坡，而这些边坡又往往成为制约该工程是否合理及成败的重要因 素。对于公路而言，如果边坡问题处理不好，将直接造成比较严重的后果。我国在 8 0 年代中期以前，主要以低等级公路建设为主，由于交通量小，深挖高填较少，因 而边坡工程不作为道路建设的主体工程，由此引起的损失亦不大，所以在工程中对 边坡的研究常常被忽视。进入9 0 年代以后，我国高等级公路建设方兴未艾，由于缺 乏对边坡技术的系统研究，没有成熟的经验供设计部门应用，因此只能用低等级公 路的边坡设计技术或借鉴铁路部门的经验来实施设计施工，缺乏综合考虑，从而为 工程埋下隐患，造成了巨大的经济损失和不良的社会影响，有的甚至中断交通，如 沈大高速公路鲅鱼圈以南1 8 0 k m 长的路段，后期的边坡工程防治费用占整个工程防 治费的8 0 、京石高速公路在1 9 9 7 年遇到洪水冲击后，很多路段出现路基垮塌， 路面悬空的现象，再如众所周知的昆禄路等。据交通部统计，仅1 9 9 1 年因水冲毁路 基1 5 7 7 k m ，冲毁桥梁3 6 0 6 座、涵洞4 0 3 4 3 道，塌方4 1 7 1 万方，直接经济损失 1 6 8 6 亿元。随着交通发展的需要，在各种复杂地形上修路筑桥的现象更为普遍，其 中高填土路基更为常见，如对其研究不足或建设不当，那么带来的后果将是严重和 不可估计的。 如果设计或施工不当，在适当的诱因下，常常发生边坡失稳或滑坡现象，这些 现象经常摧毁工程，破坏房屋，中断交通，毁坏农田，堵塞江河，冲垮桥涵等，对 交通、厂矿、水利、农田及城市建设等造成极大的威胁和危害，制约着国民经济的 发展，所以引起了广泛的重视。因此，如何经济、安全可靠地设计合理的边坡工程 或分析评价天然边坡的稳定性，其重大的意义越发显得突出，与之不可分割的一个 方面就是边坡稳定性分析方法的使用。不同的边坡工程常常赋存于不同的工程地质 环境中，不同的边坡稳定性分析方法又各具特点，有一定的适用条件。目前，边坡 2 河北理i 人学硕+ 学位论文 稳定己经和地震、火山并称为当今三大地质灾害源，国家和地方己经投入了大量的 人力、物力和财力来进行这方面的研究和治理工作。 因而，如何根据具体的边坡工程地质条件，合理有效的选用与之相适应的边坡 稳定性方法，是值得深思的问题。 1 2 国内外研究现状 边坡稳定性问题是岩体力学研究的重要内容之一。作为岩体力学的一个重要组 成部分，其出现和发展与人类工程活动的迫切需要和有关学科的迅速发展紧密相 关。国内外对边坡稳定性分析已有比较成熟的理论和方法。一百多年前，就有了库 伦抗剪强度理论和静力平衡理论。自1 9 1 6 年彼德森( k p p e t t e r s s o n ) 和胡尔顿( s h u lt i n ) 提出了最初瑞典圆弧法以后，开创了极限平衡法分折边坡稳定的先河，此 后，瑞典学者费兰纽斯( w f e l l e n i u s ) 将最初的瑞典圆弧法推广到兼有摩擦力和粘 结力的土体稳定计算中去，并初步探索了最危险滑弧位置的变化规律，即现仍使用 的瑞典圆弧法( 最简单的条分法) 。2 0 世纪3 0 4 0 年代，很多学者对瑞典圆弧法 的基本假定作些修改和补充，提出新的计算方法，使之更加符合实际情况，如毕肖 普( h i s h o p ) 法、简布( j a n b u ) 、普遍条分法、王复来法、沙尔玛法等】。随着现 代科技的发展，计算机的广泛应用，世界各地水力水电、交通、能源等基础设旌建 设日益提出更高的技术要求，因此，对边坡稳定性评价的方法也不断更新，8 0 年 代以来，边坡稳定性研究的理论与方法更加成熟，可以利用计算机或半定量地模拟 边坡开挖至破坏的全过程。一些新理论、新方法、新技术诸如破坏概率分析方法、 信息论方法、模糊数学、灰色理论、损伤断裂力学理论、神经网络模型、数据库与 专家系统和计算机仿真技术等被引入边坡稳定性研究，为定量评价和预测岩质边坡 稳定性开辟了更为广阔的前景，边坡稳定性研究己步入系统工程分析研究阶段。从 边坡工程研究发展历程可见，边坡稳定性研究发展的过程，同时又是一个边坡稳定 性分析方法不断发展的过程。新的边坡稳定性分析方法不断出现，古老的方法又不 断改进，且逐步由定性向定量、半定量的方向发展。总之边坡稳定性分析归纳起来 主要有： 1 2 1 定性分析 定性分析方法主要是通过工程地质勘察， 的变形破坏方式及失稳的力学机制等的分析， 3 一 对影响边坡稳定性的主要因素、可能 对易变形地质体的成因及演化史进行 l 文献综述 分析，从而给出被评价边坡的一个稳定性状况及其可能发展趋势的定性说明和解 释。是一种以稳定性地质判别标志为基础的地质分析法，常用的方法主要有下面几 种。 1 成因历史分析法 该方法根据边坡发育的地质环境、边坡发育历史中的各种变形破坏迹象及其基 本规律和稳定性影响因素等的分析，追溯边坡演变的全过程，对边坡稳定性的总体 状况、趋势和区域性特征做出评价与预测，对己发生滑坡的边坡，判断其能否复活 或转化，它主要用于天然斜坡的稳定性评价。 2 工程类比法 该方法实质上就是利用已有的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，并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。 3 边坡性分析数据库和专家系统稳定 1 ) 边坡工程数据库收集己有的多个自然边坡、人工边坡实例的计算软件。它按 照一定的格式，把各个边坡实例的发育地点、地质特征、变形破坏影响因素、形 式、过程、加固设计，以及边坡的坡形、坡高、坡角等收集起来，并有机地组织在 一起。建立边坡数据库的目的依然主要是进行工程类比、信息交流。 2 ) 专家系统是一种按学科及相关学科专家的水平进行推理和解决问题、并能说 明其缘由的计算机程序。它把某一位或多位边坡工程专家的知识、工程经验、理论 分析、数值分析、物理模拟、现场监测等行之有效的知识和方法有机地组织起来， 建立一个边坡工程知识库，然后利用智能化的推理机制来模拟并再现人脑的思维过 程寻求优化的技术路径【1 2 】。 4 图解法 图解法可以分为诺模图法和赤平投影图法。该法就是利用一定的诺模图或关系 曲线来表征与边坡稳定有关参数间的关系，并由此求出边坡稳定安全系数，或根据 要求的安全系数及一些参数反求其它参数( 如摩擦角、粘结力、坡角和坡高等) 的 方法。这种方法的实际是数理分析方法的一种简化方法，如t a y l o r 图解法等。主要 应用于土质边坡或全风化的圆弧形破坏面的边坡稳定性分析中【6 1 。 河北理1 人学硕士学位论文 1 2 - 2 定量分析 是一种应用岩体力学、土力学的理论和方法，依靠经典的数学物理方程求解稳 定系数，通过计算机分析计算崩滑体内的应力应变分布状态，从而达到稳定性评价 与预测的目的。定量分析主要采用有限元法，极限平衡法、边界元法等。其中有限 元法比其它二种方法更具有直观、形象和实用性。 1 极限平衡分析法 边坡稳定分析方法很多。从早期的楔体分析、极限平衡分析以至到近代其它学 科与地质学科的结合方法等。极限平衡分析法是工程实践中应用最早、也是目前最 普遍使用的一种定量分析方法，该法从土体滑坡计算发展起来，在工程实践中用于 评价土体边坡的稳定性，常常假定滑动面为圆弧形，以此条件建立土体的作用力与 土体强度之比的平衡条件，进行边坡稳定性评价。极限平衡法的基本思路是：假定 岩土体是刚体，其破坏是由于土体内滑动面上发生滑动而造成的，假设滑动面已 知，形状可以平面、圆弧面、对数螺旋面或其他不规则曲面，通过考虑由滑动面形 成的隔离体的静力平衡，确定这一滑动面发生滑动时的破坏荷载。常见方法有：瑞 典圆弧条分法、简化毕肖普法、简布法、萨尔玛法、斯宾塞法、摩根斯坦一普赖斯 法、楔体极限平衡分析法等等。 1 9 1 5 年瑞典彼得森( k e p e 仳r s o n ) 提出的圆弧法，其后在各国得到广泛的应 用，人们将其称之为“瑞典圆弧法”。这一方法用于岩质边坡稳定性分析，只有在 均质各向同性的岩体及破碎或松散岩体中才有某种近似的意义，因为岩质边坡破坏 一般均为非圆弧形滑动面。 1 9 5 5 年毕肖普( a n ，b i s h o p ) 提出条分法，将圆弧滑动体分为若干等宽垂直条 块，分别求其自重并将重力分解成与滑动面相切和正交的两个分力并以圆弧的圆 心为力矩中心，求该圆弧的安全系数。这种方法比瑞典圆弧法进了一步，但与岩质 边坡破坏仍有很大的区别。 萨尔玛( s a n n a ) 法是极限平衡法的最新发展。自萨尔玛博士于1 9 7 9 年在边 坡和堤坝稳定分析一文中提出该方法以来，在西方国家逐渐普遍采用，近些年 来，在我国露天矿边坡稳定性分析中也有广泛应用。它具有的优点是可以用于各种 形状滑动面的边坡稳定分析，可根据岩体实际存在的断层、节理和层面等结构面划 分为条块，使计算比较接近实际。萨尔玛法比较简单适用，可以对影响边坡稳定性 1 文献综述 的各种因素进行敏感度分析；对边坡岩体破坏( 滑坡) 进行反分析，求滑动面的抗 剪强度参数；计算滑坡推力，为抗滑桩设计提供依据。 斯宾塞( s p e n c e r ) 法假定条块之间的作用力与水平线成。角，o 角及边坡稳定 性安全系数f s 、由条块的力矩和力的平衡条件确定，该方法满足力矩与力的平衡条 件，但假定条块之间的作用力方向相同。 摩根斯坦普赖斯法假定两相邻条块法向条间力和切向条问力之间存在个对水 平方向坐标的函数关系，实际上是假定条块之间的作用力方向随水平坐标变化，变 化的函数关系人为地确定，然后由力矩和力的平衡确定潜在滑移面上的法向应力及 边坡稳定性安全系数n 上述各种极限平衡分析方法均是在力学上做出了些简化假设，所以均有一定 的适用范围及局限性。但极限平衡方法抓住了问题的主要方面，且简单直观，并有 多年的实用经验，若使用得当，将得到比较满意的结果，它是目前应用最多的一种 分析方法。 2 数值分析方法 数值方法是把力学中的微分方程或积分方程或多元未知量问题化归大型线性方 程组去求解，而计算技术的发展，使长期困扰工程力学，回避求解大型方程组的问 题得到解决，这是历史性的大变革。主要包括有限单元法、边界元法、f l a c 法、 离散元法、d d a 法等等，其中有限元法应用比较广泛。 1 ) 有限元( f e m ) 法 有限元法在边坡岩土体的稳定性分析中得到最早( 1 9 6 7 年) 应用，也是目前非 常广泛使用的一种数值分析方法。目前，己经开发了多个二维及三维有限元分析程 序，如s a p 2 0 0 0 ，a n i m a ，a n s i s 等，可以用来求解弹性、弹塑性、粘弹塑性、粘 塑性、流变问题、大变形和小变形问题以及其他非线性应力变形问题等等。有限元 法的优点是部分地考虑了边坡岩体的非均匀和不连续性，可以给出岩体的应力、应 变大小和分布，避免了极限平衡分析法中将滑体是为刚体而过为简化的缺点，能使 我们近似地从应力应变区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。但它还不能很好地求解大变形和位移不连 续等问题，对于无限域、应力集中问题等的求解还不理想。 2 ) 边界元( b e m ) 法 边界元法是7 0 年代发展起来的一种数值方法，c r o n c hs l 于1 9 7 6 年首先将其应 用到分析层状岩体的开挖稳定问题。边界元法和有限元法都是解决边值问题的数值 6 河北理j ：人学硕十学位论文 方法，它们的主要区别在于边界元法是“边界”方法，有限元法是“区域”方法， 因此使用边界元有降低维数的效果。边界元法中的位移不连续法虽然还能对岩体中 的断层、裂隙等各种不连续面进行较好的处理，但是，在处理非均质问题和非线性 问题方面，不如有限元法灵活。因而，边界元法目前在边坡岩体稳定性分析中的应 用还远不如在地下洞室中应用广泛。 3 ) 快速l a g r a j l 画a 1 1 分析( f l a c ) 法 为了克服有限元等数值分析方法不能求解岩土体大变形问题的缺陷，人们根据 显式有限差分原理，提出了f l a c 数值分析方法。该方法较有限元法能更好地考虑 岩土体的不连续和大变形特性，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。它己有不少商用程序，它无需建立刚性矩阵，所需内存少， 时间少，但也有不足之处口o 2 2 。 4 ) 离散元( d e m ) 法 离散元法是由c u i l d a l lp a ( 1 9 7 1 ) 首先提出并应用于岩土体稳定性分析的一种数 值分析方法。它是一种动态的数值分析方法，可以用来模拟边坡岩体的非均质、不 连续和大变形等特点，因而，也就成为目前较为流行的一种岩土体稳定性分析数值 方法。离散单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。此法在岩质高边坡稳定分 析中有较广泛的应用，离散元法用于边坡变形破坏机理的研究是近些年来的一个新 进展，是分析不连续岩体的一种较理想的数值计算方法。该方法充分考虑了节理岩 体的不连续性，以分力的块体为出发点，允许块体有较大的位移，甚至脱离母体而 自由下落，且可以对节理岩体破坏的全过程进行模拟博。2 0 】。 5 ) 不连续变形分析( d d a ) d d a 是s h ig e i l l l u a 于1 9 8 8 年提出的一种新的数值方法。该方法用种类似于 离散元的块体来模拟被不连续面切割成的块体系统，在此过程中，块体通过不连续 面间接触连成整体。此方法的计算网格( 单元) 与岩体物理网格相一致，可以反映 岩体连续和不连续的具体部位。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， d d a 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。d d a 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，岩体种类繁多，性质 - 7 1 文献综述 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 0 】。 1 2 3 半定量分析 是一种以工程地质类比加简单计算为特点的评价方法。通过一系列数理统计分 析，处理大量表征崩滑体稳定性的模糊性参数，采用刻画稳定性程度的隶属函数， 运用模糊矩阵的复合运算，实现崩滑体稳定性评价与预测。 即把模糊评判和层次分析法相结合进行滑坡综合评判。其基本思路是，分析影 响滑坡的各种因素，采用层次分析法将各种因素划分层次，建立递阶关系，求出各 类影响指标对稳定性的影响程度，最后和模糊评判方法按最大隶属度原则进行选 择，判断边坡属于哪种状态【2 ”。 1 2 4 非确定分析 不确定性分析方法在边坡稳定分析中应用最早大约出现在2 0 世纪7 0 年代初。 一方面是由于一些新理论和方法如可靠度、人工智能等的出现：另一方面是由于在 边坡工程设计和分析中涉及有大量不确定因素越来越被人们认识到，如岩体性质、 荷载等物理方面的不确定性、取样、试验的统计不确定性，计算模型的不确定性和 人为过失造成的不确定性等，这些不确定性造成的影响尽管通过提高岩石测试和计 算技术的精度能在一定程序上减少，但局部试验的精确性、确定性并不能消除岩石 性状宏观判断上的随意性和模糊性，而且不可能无限度提高单项试验的精度、规模 和完善确定性计算方法，因此用较简单的测试手段来提高对岩石工程质量状态判断 的精度，就显得十分必要，目前主要的不确定性方法包括可靠度方法、模糊数学 法，人工智能法和灰色预测系统法等几种。 1 可靠度方法 可靠度方法是边坡稳定分析中应用最广的不确定性方法。边坡稳定分析中有许 多的不确定因素：岩土层面及边界条件的不确定性、岩土性质的变异性、荷载及分 布的不确定性和计算模型的不确定性等，而现行定值设计方法未深入考虑这种不确 定性，使得土坡安全系数的可靠性往往受制于人为经验，这是安全系数法最大的缺 点。近几十年来国内外已开始用概率和可靠度的方法研究土坡稳定问题。现在可靠 性设计的方法也达到了实际应用的阶段。可靠度法随机变量的取值除了重度、粘聚 力和内摩擦角外，还要考虑弹性模量、泊松比、剪胀角和侧压力系数对边坡安全系 8 河北理f ：人学硕士学位论文 数的影响。可靠度研究，是一个系统的整体设计，必须研究其基础的每个部分( 称 为予系统部分) 和积累资料。然而，在边坡稳定分析中，可靠法目前还没有像极限 平衡分析那样得到广泛的认同和普及，其主要困难是设计公式本身往往具有相当大 的误差，而且可能也有不按设计进行的施工。另外，从本质上讲，可靠度法本身并 不深入研究边坡失稳的内在机理。 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。不足之处是备择集一般取稳定、基本稳定、不稳定三种状态， 因而对边坡的评判较笼统，同时，由于隶属函数是依据一些基本原则确定，权重的 分配多由经验确定，因而主观性较大。模糊数学方法一般适用于外延不明确，内涵 明确的对象。 3 人工智能法 人工智能方法包括遗传算法、专家系统和神经网络控制等。遗传算法最早由 m i c h i g a n 大学的h o l l a n d 等教授创立，是一种借鉴生物界自然选择和自然遗传机制 的随机化搜索算法，该算法打破了传统的逐点搜索的格局，代之以同时搜索多个点 的技术，将繁殖、杂交取代搜索、迭代，并对所需优化设计的问题无任何特殊的要 求，适应能力强，具有易于采用并行计算机和并行计算技术作并行计算及可达到全 局最优解的特点【2 8 _ 3 2 】。它是一种自适应启发式群体型概率性迭代式全局收敛算法， 是基于自然选择和基因遗传学原理的随机搜索算法，其显著特点是：不需要梯度信 息，不要求函数连续，全局搜索能力强，适合于并行处理和大型复杂优化问题的求 解，而且程序通用性强。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、知识应用和不确定性推理的技术来分析边坡的稳定性。人工神经网络它是一 种智能化的数据处理方法，具有处理非线型数据的能力。1 9 8 9 年r o b e r th e c h t n i e l s o n 证明了对于闭区间内的任一个连续函数都可以用一个隐层的b p 网络来逼 近，因而一个二层的b p 网络可以完成任意的n 维到m 维的映射。计算结果表明， 神经网络对边坡的稳定和失稳破坏做出准确判断，对安全系数做出较准确的估计 【州。是一种高度非线性映射处理系统，网络由许多计算单元( 神经元) 相互连接构 成，而这些连接的强度( 权值) 可通过训练自动调整。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 9 一 1 文献综述 析。专家系统与神经网络的优点是可考虑其它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和力学方法表示的不确定性因素以及它们的关 系，对结论既能进行定量分析，又能进行定性分析。然而，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，储备知识的范围和程度将在很大程序上影响其对边坡稳定性的评判。 4 灰色预测系统法 在边坡工程稳定性分析中，灰色预测系统法是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，从而对边坡的稳定进行分 析。目前在边坡工程中应用扶色系统预测模型进行滑坡发生时间的预测较多。 上述四种稳定性评价和分析方法，各有侧重、优点和不足，并且已经广泛运用 于生产实践中，并将在实践中得到进一步补充和完善。 1 - 3 问题的提出 目前用于边坡稳定分析的方法很多，这些方法在边坡稳定分析中各有弊益。新的 理论和方法也不断地运用到边坡稳定分析中，然而，这些新方法有待进一步成熟和 完善，有待进一步在工程实际中检验。 极限平衡法作为传统而古老的方法，在边坡稳定分析中的是一种很重要方法， 一直以来在工程界被广泛运用。其主要原因是：它概念清晰，很容易被工程人员理 解和掌握，同时通过极限平衡法分析还能直接给出反映边坡稳定的安全系数值。 然而，极限平衡法在计算边坡稳定安全系数也存在很多的不便之处：第一，极 限平衡法中，除了瑞典法之外，其他条分法在计算安全系数时均不能写出安全系数 的显式表达式，也就是说，在求解安全系数时要通过试算过程；其二，计算安全系 数时，所有的条分法均要事先知道滑动面的位置和形状，然后计算滑动体沿该滑动 面发生滑动破坏的安全系数。这样就存在一个问题，对于均质边坡，事先并不知道 滑动面的位置，要计算该边坡抗滑稳定的安全系数时，要多次假定不同的滑动面进 行计算其对应的安全系数值，而计算安全系数时又要试算。因此给计算带来了很大 的麻烦。尽管对于各种边坡如何用图解方法确定滑弧的位置已经制成了很多表格 ( 或曲线) ，可供工程人员直接查找，但应用起来还是有很大的不便。 针对以上极限平衡中存在的不便，很多专家和学者致力于这方面的改进研究， 如潘家铮、陈祖煌和杨天林等人在如何寻找最危险滑裂面做了很多研究工作，也取 1 0 河北理人学硕十学位论文 得了很多的成果，然而并没有从根本上克服以上不足。另外，土坡开挖后，在开挖 面上应力会释放；土坡加锚后，锚件对边坡应力分布有很大的影响。如何在利用极 限平衡计算其稳定系数时合理地考虑这些影响一直未得到很好的解决。 随着计算机技术的发展，有限元也广泛地被应用到边坡稳定分析中。有限元能 够充分考虑岩土体的应力一应变之间的关系，并且能够给出应力应变场，同时还可 了解土坡的破坏机理，跟踪土坡内塑性区的开展情况。但是，有限元在分析边坡稳 定时也存在一些不足：有限元法虽然能给出边坡体内应力、应变、变形等分布情 况，却无法直接给出边坡稳定安全系数值大小，而工程上通常还是习惯用安全系数 值的大小来表征边坡稳定情况。因此，用有限元计算边坡稳定安全系数时，仍然要 假定滑动面，根据假定滑动面上的应力分布计算安全系数值，并且这样计算所得的 安全系数也缺乏配套的评判标准，在具体应用时存在不便。 1 4 研究内容和方法 1 研究内容 针对上述问题，本文主要做了以下几方面的工作： 1 ) 收集整理相关的资料，充分研究国内外的边坡稳定性分析的发展现状，对边 坡的破坏因素及边坡稳定性的分析方法进行综合分析，分析各种方法的优缺点，确 立以数值法对边坡稳定性进行分析的基础； 2 ) 研究极限平衡洼的理论基础，以瑞曲圆弧法为例研究极限平衡法的计算过 程，及最小安全系数的计算方法，并以此为基础分析极限平衡理论对边坡进行稳定 性分析存在的主要问题，及现在的解决方法； 3 ) 研究有限元法原理，及非线性问题的计算方法，并对有限元原理在软件上的 应用进行分析研究； 4 ) 采用极限平衡法及有限元方法，对填方边坡进行稳定性分析；通过有限元方 法的计算结果对边坡形态对挖方边坡的稳定性进行合理分析： 5 ) 对有限元法的计算结果与及极限平衡法计算结果进行比较分析研究，研究比 较两种不同的定量分析方法结果的差异大小，通过传统方法验证数值分析法的可靠 性，并通过两个不同的分析方法分析填方路基的边坡形状与边坡稳定性的关系。并 通过有限元法模拟挖方边坡的稳定性，对挖方法边坡的形状、坡度与边坡稳定性的 关系情况进行模拟分析。 2 拟采取的研究方法 1 文献综述 本文采用大型有限元分析软件和极限平衡法对边坡进行分析计算，得出衡量边坡稳 定性的定量指标，比较两种方法计算的结果，通过安全系数判定填方边坡的稳定 性。同时采用不同的边坡形态和坡度，利用大型有限元分析软计算，分析边坡形态 和坡度对边坡安全性的影响。 j 2 2 边坡及边坡稳定性分析方法 2 边坡及边坡稳定性分析方法 2 1 边坡及影晌边坡稳定性的主要因素 1 边坡概述 边坡是在内力地质作用和外力地质作用下形成和发展的，内力地质作用是指来 自地球内部的力所引起的地壳运动和岩浆岩活动等；外力地质作用是指来自地表外 部力，如风化、重力、流水、地下水、冰川、冻融、风力、波浪等的作用力以及人 为作用力等。在外力地质作用下，地表原有地质体不断受到改造而形成各种类型的 边坡，例如：由于河流的侵蚀下形成河谷边坡；由于人工开挖出现工程边坡；由于 由山体的崩塌形成堆积边坡等。边坡可分为土质边坡和岩质边坡。在公路、铁路等 交通设施的建设、水电工程等天然资源的开发和利用以及房屋建筑和深基坑的开挖 工程中都会遇到边坡的稳定问题。根据发生形态以及变形的性质，大体上可以分为 三种类型： 1 ) 崩塌：边坡上大量陡立柱状或棱块状的土体、岩块向下倾倒、坍塌、移动， 土体或岩块间有相对位移，边坡岩体内往往有倾角较大的岩体结构面存在。 2 ) 滑坡：完整的边坡体在自重和其它自然因素的作用下，沿其内部的一定的面 或带，或边坡上部的松散堆积岩土沿其基底面( 或带) 作整体移动。按滑动面形状 分有平面滑动、契体滑动、圆弧滑动等( 图1 ) 。 3 ) 流动：饱水的松软岩土以4 6 。甚至更缓的坡角沿基岩面或地面沟谷流体移 动1 1 3 1 。 因此边坡失稳破坏会产生滑坡、滑动、沉陷、泥石流、岩崩等形式，这些在表 面上看似斜坡岩土体运动的不同表现形式，但随时都有可能带来严重破坏，甚至是 灾难。如美国的布法罗的煤矿废物泥浆挡坝的倒塌造成1 2 5 人死亡；1 9 6 3 年，意大 利的v a i o m 水库左岸滑坡，使得2 5 0 0 0 万m 3 滑体以2 8 i 1 1 s 的速度下滑到水库，形 成2 5 0 多米高的涌浪，造成下游2 5 0 0 多人丧生；据不完全统计，我国从1 9 9 8 年以 来福建省先后发生崩塌、滑坡、泥石流、地面坍塌等2 1 3 0 0 多起，涉及到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，经济损失高达1 0 多 亿元；四川省近十年来，每年地质灾害造成的损失达数亿元，死亡人数在3 0 0 人左 右，三峡库区最新统计资料表明，1 9 8 2 年以来库区两侧发生滑坡、坍塌等造成直接 经济损失数千万。由此可见边坡稳定性至关莺要。 - 1 3 河北理工大学硕士学位论文 2 影响边坡稳定性的主要因素： 边坡是否稳定受多种因素的影响，主要有： 1 ) 地质条件 ( 1 ) 士体的工程地质性质。岩土体的力学性质决定了边坡失稳的方式。坚硬岩 石边坡失稳以崩塌和结构面控制型失稳为主。对其它因素给定的边坡，岩土体的工 程地质性质越优良，边坡的稳定性越高。 ( 2 ) 地质构造。表现为结构面的发育程度、规模、连通性、充填程度及充填物 成分和结构面的产生状态对边坡稳定性的影响。在评价结构面对边坡稳定性的影响 时，要特别注意结构面的产生状态与边坡面的相互关系。图2 表明，结构面与边坡 面的组合不同，边坡的稳定性也不同。 图l 滑坡 f 嘻】c o i a ) 反倾稳定b ) 陡坡顺倾稳定c ) 中、低坡顺倾易失稳 图2 结构面与边坡面组合类型对边坡稳定性影响 f i g 2e m c ti ns t r u c t u r ea n ds l 叩e 啊l eo ns l o p es 诅b i 咐 2 ) 水文条件 “十个边坡九个水”这句话形象的反映了边坡失稳往往与地表水及地下水的活 动有密切关系这一客观事实。由于岩土体的力学性质受水的影响很大，地下水富集 程度的提高一方面增大坡体下滑力；另一方面降低软弱夹层和结构面的抗剪强度， 引起孔隙水压力上升，降低滑动面上的有效正应力，导致滑动面的抗滑力减小，从 而导致边坡失稳。 3 ) 新构造运动 新构造运动往往引起边坡形态、产生状态及水文地质条件发生改变而导致边坡 失稳，强烈的新构造运动一地震对边坡稳定性的影响极大，地震往往伴有大量的边 坡失稳。 4 ) 地貌因素 1 4 - 2 边坡及边坡稳定性分析方法 边坡的形态和规模等地貌因素对边坡稳定性的影响是显而易见的，不利形态和 规模的边坡往往在坡顶产生张应力并引起坡顶出现张裂缝：在坡脚产生强烈的剪 应力，出现剪切破坏带，这些作用极大地降低边坡的稳定性。边坡面与地质构造面 的不利组合会导致边坡结构面控制型失稳。 图3 削坡引起边坡失稳 f 唔3s i o p el o s i n gs t a b i i i t y b yc u n i n g 图4 加载导致的边坡失稳 f i g 4s l o 衅i o s i n gs t a b i l 时b y l o a d i n g 图5 开挖导致边坡失稳 f i g 5s l o p el o s i n gs t a b i l 时 b yd i g g i n g8 l o n gt e m n e 5 ) 气候因素 大气降雨是地下水的主要补给源。气候类型不同，大气降雨量也不同，因此， 在不同的地区由于大气降雨量不同，即使其它条件相同，边坡的稳定性也不相同。 暴雨或长期降雨以及融雪过后，往往可以见到边坡失稳增多的现象，这说明大气降 雨等对边坡的稳定性有很大影响。 6 ) 风化作用 风化作用使岩土的抗剪强度减弱。裂隙增加、扩大，影响斜坡的形状和坡度； 透水性增加，使地面水易于浸入，改变地下水的动态等，沿裂隙风化时，可使岩土 体脱落或沿斜坡崩塌、堆积、滑移等。 7 ) 人类的工程活动因素 人类工程活动规模的曰益扩大，它对边坡稳定性的影响越来越显著，不当的人 类工程活动引起的边坡失稳事故频繁发生，使得人们不得不重视人类工程活动对边 坡稳定性的影响。对边坡稳定性