边坡稳定性评价基本方法原理综述(论文资料).doc

高等岩石力学课程论文岩土研09高等岩石力学课程论文边坡稳定性评价基本方法原理综述姓 名：鹿英奎学 号：2009y07090103边坡稳定性评价基本方法原理综述摘要：边坡失稳造成的滑坡事故造成很大的经济损失，威胁人们的生命财产安全。鉴于此，边坡稳定性越来越受到人们的关注。本文在查阅资料的基础上，从边坡稳定性研究的意义、影响边坡稳定的因素、评价方法及原理以及未来展望几方面进行综述。关键词：边坡稳定性，评价方法，影响因素，1前言边坡的稳定性的研究问题一直是岩土工程领域研究的主要课题，其灾害的影响是非常严重的，造成的经济损失和人员伤亡巨大，在现实生活中具有很大的研究意义。随着我国近年来基础建设的大发展，在山区建设公路、铁路、矿山、大坝等必然会涉及到大量的边坡工程问题。以滑坡为主要形式的边坡工程灾害问题也会越来越突出。有些专家认为由于边坡失稳造成的滑坡等灾害已经和火山地震并称为三大地质灾害。图1 2001-2004全国地质灾害情况统计资料综上所述，边坡失稳造成的危害是非常严重的。为了有效地控制边坡工程灾害，减少由此带来的经济损失，对边坡稳定性进行深入研究具有重要的学术价值和现实意义。边坡稳定性评价包括两方面的任务:一方面要对边坡稳定性做出评价,另一方面要为人工边坡的合理设计和整治边坡的措施提供设计依据。2 影响边坡稳定性的因素影响边坡稳定性的因素很多，主要有三大类：岩石自然因素、扰动因素及人为因素。岩石自然因素包括岩性、岩石结构、地应力及地形地貌。岩性是决定岩石边坡稳定性的基础。一般岩石越坚硬，又不存在产生块体滑移的几何边界条件，边坡稳定性就越高，反之稳定性就越差。岩石结构和岩石面的发育程度是边坡稳定性的控制因素。结构面往往是岩石边坡滑移面，而结构面的发育程度和组合关系是边坡滑移的几何边界条件，因此结构面越发育，边坡稳定性越差。地应力特别是水平地应力直接决定着边坡拉应力和剪应力的分布范围和大小。在水平地应力大的地区开挖边坡时，拉应力和剪应力常常促使边坡变形破坏。边坡的地形地貌主要包括边坡的坡形、坡高和坡度，他们直接影响着边坡内应力分布，进而影响边坡的破坏类型和边坡的稳定性。扰动因素包括水的作用、风化作用和地震。由于下雨或其他原因使得水深入岩石，岩石的重量增加促使边坡的下滑力也随之增大，而被水软化的岩石抗剪强度，特别是岩石结构面对抗剪强度将大幅下降，这些因素都将造成岩石边坡的不稳定。风化作用促使岩石内裂隙增多、透水性增强，抗剪强度降低。地震是岩石边坡失稳的又一大扰动因素，地震波作用于边坡，在边坡表面常产生拉应力，从而加速边坡的破坏。人为因素主要是指边坡不合理的开挖设计及爆破、加载等，它们都能造成变形破坏甚至整体失稳。概括以上影响边坡稳定性的主要因素可大体概括为两方面：内因和外因。内因是边坡失稳发生的地质基础和物质基础条件,这部分包括：工程地质环境因素，包括岩性、地应力及地形地貌等;岩体结构条件，包括岩体结构特性和岩体结构面特征。外因可以说是发生边坡失稳的触发因素，这部分包括:各种触发因素，包括大量降雨、地震、工程开挖等。3边坡稳定性评价方法及原理目前，关于滑坡稳定性评价的方法有很多，一般将其分为定性分析法、定量分析法与不确定性分析法等，每一种方法都有其优缺点。3.1定性分析方法 定性分析法主要是先进行工程地质勘查工作后，通过对边坡稳定性的影响因素、可能的失稳变形模式及破坏的力学机制等的分析，对已变形岩土体的成因及其演变历史进行研究，从而对边坡的稳定状况作出评价，同时对其可能的发展趋势作出定性的说明和解释。其优点是能综合考虑多种因素对边坡稳定性的影响，并能过快速地对边坡现存稳定状况及其可能的发展趋势作出评价。常用的方法主要有以下几种：3.1.1成因历史分析法就是通过研究斜坡形成的地质历史和所处的自然地质环境，它的外形和地质结构，变形破坏形迹，以及影响斜坡稳定性的各种因素特征和相互关系，从而对它的演变阶段和稳定状况作出评价和预测。成因历史分析法首先应当分析斜坡的区域背景，考察斜坡是否处在容易滑动的大地构造部位，如隔挡式构造的扬起端等。还要注意研究区域性的地壳运动规律，如在地壳强烈上升、河谷不断深切地区，常会出现高陡的河岸斜坡，其稳定性一般较差。而往地壳上升缓慢或基本稳定地区，河谷逐渐停止下切，以侵蚀夷平为主，斜坡也比较稳定。在考察区域背景时，还应注意区域性大片出露的易滑地层，这些地层往往是滑坡群发育的重要原因。斜坡地形地貌特征、地质结构、岩性组合等也是成因历史分析中应该研究的内容。坡形和坡高及地貌形成历史对斜坡稳定性评价都很重要，一般来说高陡边坡稳定性较差。软弱岩层和结构面的产状及其与斜坡方位的关系，岩层厚度变化、物质成分、连通率等对斜坡的变形形式和破坏方式判断十分重要。研究中要注意掌握某一具体斜坡变形体的外形和内部变形迹象，据此，按前述变形破坏演变过程可确定斜坡所处的演变阶段。此法主要用于天然斜坡的稳定性评价。3.1.2工程地质类比法类比法就是将所要研究的斜坡或拟设计的人工边坡与已经研究过的斜坡或人工边坡进行类比，以评价其稳定性及其可能的变形破坏方式，并确定其极限坡角和坡高，类比时必须全面分析研究对象的工程地质条件和影响斜坡稳定性的各种因素，比较其相似性和差异性，只有相似程度较高的才能进行类比，即类比的原则是相似性。 优点是速度快，效率高，而且类比法可解决在缺少详细勘察资料的情况下对边坡稳定性进行评价的难题。而且在工程实践的过程中，既可以对自然边坡间进行类比，也可以对人工边坡间进行类比，还可以在自然边坡和人工边坡间进行工程地质类比。因此目前工程类比法仍然是边坡稳定性评价的一种重要方法。 缺点是过程较繁琐，而且人为主观性较大，其分析结果依据评判人的经验和水平会有所不同。3.1.3图解法包括诺模图法、投影图法等。诺模图法该方法是利用诺模图或关系曲线来表示与边坡稳定相关参数之间的关系，并由此求出边坡稳定性系数，或依据已知的稳定系数及一些参数来反演分析其他参数的方法。投影图法常用投影图法有赤平极射投影图法、实体比例投影图法、markland jj投影图法等。投影图法是利用赤平极射投影的原理，通过图形直观地表示出边坡失稳变形的边界，分析岩土体不连续面之间的组合关系，以及变形岩土体可能的滑动方向等，从而评价边坡的稳定性。图解法的优点是能快速、直观地判断出控制边坡的优势结构面，确定出边坡的破坏类型，判定变形岩土体的形状、滑动方向。对用图解法判定为不稳定的岩质边坡，需要经过计算加以确定。3.2定量分析方法 定量评价方法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安全系数，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极限平衡法、数值分析法等。3.2.1条分法1916 年,瑞典学者彼得森就提出了著名的条分法。先假定若干可能的滑裂面,然后将滑裂面以上土体分成若干垂直土条,对作用于各土条上的力进行力与力矩的平衡分析,求出极限平衡状态下土体稳定性的安全系数,并通过一定数量的试算,找出最危险的滑裂面位置及相应的最优安全系数。但条分法也有其弊端,如对于条间力的大小、方向、作用点进行不同假设,得到不同的计算方法,但各类计算方法的计算步骤都非常复杂,一般均需试算或迭带。同时,由于没有考虑土体本身的应力应变关系和实际工作状态,所以,求出的土条之间的内力或土条底部的反力均不能代表土坡在实际工作状态下真正的内力或反力,更不能求出变形。3.2.2极限平衡分析法极限平衡分析法建立在库仑理论基础上，一般要假设破坏面，然后用岩土基本参数c、进行稳定计算。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。优点：由于极限平衡法具有模型简单明了、计算公式简捷、稳定或不稳定可以从安全系数上判断，实践经验多，数据库庞大。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。特别是很多老专家和大师。缺点： 需要假设破坏面。如果假设地好，结果就越准确，假设错了，结果也可想而知。带有随机性，假设滑动面需要经验，也是该方法的致命缺点所在。极限平衡分析方法很多,主要包括:fellenius法、bishop法、janbu法、morgensternprice法、spen2cer法、滑楔法、不平衡推力法、sarma法等。各种方法的最大不同之处在于对相邻土条之间的内力所做假定不同,这些假定的物理意义不同,所能满足的平衡条件也不一样。3.2.3 sarma 法该方法可以用来评价各种类型滑坡的稳定性,如平面滑动、圆弧及非圆弧滑动等。条块边界不需要垂直,但是此方法仅从静力分析和强度破坏角度评价边坡稳定性,只给出安全系数,这一单一评价指标没有考虑斜坡演化的动力学过程和位移变形影响。3.2.4 有限元法有限元法是一种十分成熟的数值方法。它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。有限元是一种比较简单实用的计算方法,在工程中应用比较普遍,在保证足够的精度下分析边坡稳定性,有其优点:(1) 不需要事先假设滑面的形状,破坏发生在土体内剪应力超过剪切强度的区域; (2) 不需要假设条间力,维持整体平衡直到达到破坏; (3) 考虑了土体的非线性弹塑性本构关系,以及变形对应力的影响。可以模拟渐进破坏直到整体剪切破坏。滑移面大致在水平位移突变的地方及塑性变形发展严重的部位,呈条带状; (4) 能够对复杂地貌和地质情况的边坡进行计算; (5) 能够模拟土体与支护的共同作用。3.2.5 有限元强度折减法有限元强度折减法的原理是：不断降低坡体的强度参数(黏聚力c和内摩擦角 )，使系统达到临界状态，由此而获得的强度折减系数就是滑坡安全系数。在计算过程中将坡体和滑动面的强度参数(黏聚力c和内摩擦角 )逐步折减，即式中：k为折减系数。将折减后所得参数输入进行有限元计算，若程序计算收敛，则滑坡仍处于稳定状态；继续折减，直到不收敛为止，此时土体出现大幅度塑性滑移，滑坡最终的折减系数即为滑坡的安全系数。有限元强度折减法除了具有有限元的一切优点外,求解安全系数时,不需要假定滑裂面的形状和位置, 也无需进行条分，而是由程序自动求出滑裂面;能够考虑开挖过程对边坡稳定性的影响;能够模拟坡体和支护的共同作用。3.2.6 基于gis的边坡稳定分析方法由于边坡稳定性受到多种因素的影响，传统的分析方法取得了一些成果，但可操作性、实用性欠佳，基本上实现可视化。gis以其优越的空间分析能力，图像处理能力，结果表示的直观化使得它很有优势。将传统的预测方法与gis技术相结合，来进行滑坡空间预测。图2 gis分析边坡稳定性步骤图3.2.7 优势结构面分析方法优势结构面分析方法是在岩体结构控制论的基础上发展起来的。岩体结构控制论认为,岩体是不完整的,它被各种各样的结构面所切割,这些结构面包括节理裂隙、断层面软弱层等。优势结构面就是上述各种结构面中按一定的优势指标找出的对岩体稳定性起控制作用的结构面.这是研究岩体稳定性问题的一种新方法。这种理论认为最新出现的、活动性强、破碎带软弱和含水量大的的断裂面对边坡的稳定性影响最大，这种断裂面成为优势结构面的可能性最大。这种方法是在系统的地质分析的基础上,根据优势指标找出优势结构面及优势结构面形成的破坏模式,然后建立相应的力学数学模型,向量化分析方面发展.3.2.8 离散元法离散元法是专门用来解决不连续介质问题的数值模拟方法。该方法把节理岩体视为由离散的岩块和岩块间的节理面所组成,允许岩块平移、转动和变形,而节理面可被压缩、分离或滑动。因此,岩体被看作一种不连续的离散介质。其内部可存在大位移、旋转和滑动乃至块体的分离,从而可以较真实地模拟节理岩体中的非线性大变形特征。离散元法的一般求解过程为:将求解空间离散为离散元单元阵,并根据实际问题用合理的连接元件将相邻两单元连接起来;单元间相对位移是基本变量,由力与相对位移的关系可得到两单元间法向和切向的作用力;对单元在各个方向上与其它单元间的作用力以及其它物理场对单元作用所引起的外力求合力和合力矩,根据牛顿运动第二定律可以求得单元的加速度;对其进行时间积分,进而得到单元的速度和位移。从而得到所有单元在任意时刻的速度、加速度、角速度、线位移和转角等物理量。在边坡稳定性研究中,由于离散元法在模拟过程中可以考虑边坡失稳破坏的动态过程,允许岩块之间存在滑动、平移、转动和岩体的断裂等复杂过程,具有宏观上的不连续性,可以较真实地、动态地模拟边坡在形成和开挖过程中应力、位移和变形状态的变化及破坏过程,因此,在边坡稳定性分析中得到了广泛应用。3.2.9 流形元法流形元法是一种能够统一处理连续问题和非连续问题的数值方法。它的核心是两种独立的网格一数学网格和物理网格，综合了有限元、非连续变形分析法和解析法，并利用单纯形积分的精确积分来求解岩土工程中的变形及稳定性等问题。流形元法的最大优点在于它能统一模拟岩体的连续与非连续变形，同时也是祸合了传统有限元法、非连续变形分析方法及解析法基础上的扩展。而其核心的流形顶盖的概念为岩土体数值模拟提供了新的分析思路，同时该方法可广泛用于固、气、液三态的连续与非连续问题的求解。3.2.10基于bp神经网络的评价方法该方法采用定性与定量相结合的原则,根据岩石的坚硬程度和岩体的完整程度,确定边坡的稳定性程度,然后结合具体工程特点,确定确定边坡的稳定性级别。由于主观因素及定性指标的差异性,在实际工作中常会发生根据定性特征确定的级别与用定量指标确定的级别不一致的情况,这时就需要对两种指标进行综合分析判断,必要时还要重新进行测试.若有一种方法能使定性指标定量化,而且可以按不同地质条件、不同工程特点选取相应且易测的定量指标,就会使岩体稳定性评价方法简化。3.3不确定性分析法在传统的确定性分析方法中，将边坡稳定性的所有影响因素均看成已知量，通过各种分析计算产生一个确定性结果，但实际边坡是一个具有多种不确定因素的非线性系统，在稳定与不稳定之间并没有一个确定的界限。3.3.1灰色关联分析法影响边坡稳定的诸多因素之间相互联系且具有较强的不确定性。灰色关联分析可以在有限数据资料的情况下,比较准确地寻找各变化因素与参考因素之间的关联性,根据各因素的敏感性分析确定影响边坡稳定的主导因素,从而提高边坡稳定性计算的效率。具体步骤是:首先对各因素序列进行数据处理,得到灰关联因子空间,然后获取序列间的差异信息,由此建立差异信息空间,通过差异信息空间和计算差异信息比较测度即灰色关联度,并对灰色关联度进行排序,最后得到因子间的序列关系。3.3.2可靠度分析方法边坡工程可靠度分析是把边坡岩体性质,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。3.3.3模糊综合评价法模糊数学以隶属函数形式表现了事物具有某种属性的特征，从而使一些内涵不是很分明的概念得以表示。模糊综合评价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。其优点是能得到边坡稳定性等级分类指标据此判断出边坡的稳定性情况；缺点是在实际操作过程中,评判中权数的分配带有一定的经验性和主观性,并且并没有考虑到各个影响要素。模糊综合评判建模主要有6 个步骤：建立评判因素集、确定稳定性评价序列分级、建立单因素权重集、单因素模糊评判、综合模糊评判，再由最大隶属度得到结果。3.3.4突变级数法突变级数法又称突变模糊隶属函数，它把突变数学与模糊数学结合起来，利用归一公式对矛盾关系进行演算（它把多个评价目标体系看成是一对矛盾体系），实际上是一种多维模糊隶属函数，是关于复杂的抽象多目标的模糊隶属函数。其主要特点是它首先对系统的评判总目标进行多层次矛盾分解，再由归一公式进行综合量化运算，最后归为一个参数，即求出总的隶属函数，从而进行评判。突变级数法没有对指标采用权重，但权衡了各评判指标的相对重要性，定性与定量相结合，从而减少一般模糊算法的主观性。4 展望和结论边坡稳定性分析方法可归纳为定性分析方法、定量分析方法和不确定分析法三大类,其中又包含不同层次的小类,三类方法各有优劣,可相互补充,扬长避短。 现阶段,边坡稳定性分析方法研究主要集中在与计算机技术、岩土力学、数学模型结合上,也产生和发展了一些新方法,其中三维稳定性和能量理论来分析是研究热点之一,以有限元法为代表的数值分析法以及各种不确定性分析方法发展迅速,而传统的极限平衡法主要以改进为主。由于边坡稳定性受到诸多因素的制约，要