边坡稳定性评价概述培训讲义

边坡工程(2)-边坡稳定性评价分析概述内容题纲1、是什么？2、为什么？3、怎么做？方法比较安全系数2.1概述边坡由于坡表面倾斜，在坡体本身重力及其他外力作用下，整个坡体有从高处向低处滑动的趋势，同时，由于坡体土(岩)自身具有一定的强度和人为的工程措施，它会产生阻止坡体下滑的抵抗力。一般来说，如果边坡土(岩)体内部某一个面上的滑动力超过了土(岩)体抵抗滑动的能力，边坡将产生滑动，即失去稳定；如果滑动力小于抵抗力，则认为边坡是稳定的。近年来，随着经济的日益发展，在诸如水电、露天采矿、能源及交通等地质工程活动领域出现了越来越多的高陡边坡；边坡往往成为制约工程是否经济合理乃至成败的重要因素。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。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。因而，如何根据具体的边坡工程地质条件，合理有效地选用与之相适应的边坡稳定性分析方法，是值得深思的问题。《建筑边坡工程技术规范》GB50330-2002第规定：下列建筑边坡应进行稳定性评价：1、选作建筑场地的自然斜坡；2、由于开挖或填筑形成并需要进行稳定性验算的边坡；3、施工期出现不利工况的边坡；4、使用条件发生变化的边坡。2.1.1边坡稳定性评价方法边坡稳定性评价方法大致可以分为两大类，即定性分析方法和定量分析方法。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、理论等，逐渐发展起来一些新的边坡稳定性分析方法，如可靠性分析法、模糊分级评判法、系统工程地质分析法、灰色系统理论分析法等，这里暂且称之为非确定性分析方法。另外，还有地质力学模型等物理模型方法和现场监测分析方法等。评价方法定量分析定性分析自然(成因)历史分析法工程类比法边坡稳定性分析数据库和专家系统图解法：赤平极射投影、实体比例投影、摩擦圆法极限平衡分析法数值分析方法模型模拟试验法等。

2.1.1.1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、可能的变形破坏方式及失稳的力学机制等的分析，对己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。

优点: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。常用的方法主要有下面几种。(1)自然(成因)历史分析法(2)工程类比法(3)边坡稳定性分析数据库和专家系统(4)图解法

(1)自然(成因)历史分析法该方法土要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、趋势和区域性特征作出评价和预测，对己发生滑坡的边坡，判断其能否复活。主要用于天然斜坡的稳定性评价。(2)工程类比法利用己有的自然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。需要对己有的边坡和目前的研究对象进行广泛的调查分析，全面研究工程地质因素等的相似性和差异性，分析影响边坡变形破坏的各主导因素及发展阶段的相似性和差异性，分析它们可能的变形破坏机制、方式等的相似性和差异性，兼顾工程的等级、类别等的特殊要求。通过这些分析，来类比分析和判断研究对象的稳定性状况、发展趋势、加固处理设计等。在工程实践中，既可以进行自然边坡间的类比，也可以进行人工边坡之间的类比，还可以在自然边坡和人工边坡之间进行类比。因而，可以说它是目前应用最广泛的一种边坡稳定性分析方法。

2.3边坡稳定性分析数据库和专家系统(1)边坡工程数据库收集己有的多个自然斜坡、人工边坡实例的计算机软件。它按照一定的格式，把各个边坡实例的发育地点、地质特征(工程地质图、钻孔柱状图、岩土力学参数等)、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、坡角等收录进来，并有机地组织在一起。建立边坡工程数据库的目的仍然土要是进行工程类比、信息交流。它可以直接根据不同设计阶段的要求和相关的类比依据，方便快捷地从中查得相似程度最高的实例进行类比，从而能更好地指导实践、节约费用。我国在“八五“国家科技攻关期间，己初步建立了“水电工程高边坡数据库”。（2）专家系统就是一种按某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。进行边坡工程稳定性分析与设计的智能化计算机程序。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，建成一个边坡工程知识库，然后利用智能化的推理机(一个控制整个系统的计算机程序)来模拟并再现人(专家)脑的思维(推理与决策)过程，吸收其合理的知识结构，寻求优化的技术路径，同时，它又能建立计算机模型，结合相关学科不同专家的知识进行推理和决策，对所研究的对象(边坡)进行稳定性评价。利用良好的边坡工程与家系统，运用与家的知识水平，模拟其思维方式和决策过程，以提高设计人员的决策水平，并最大限度地降低费用、节省时间，达到更加优化的目的和效果。

2.4图解法图解法可以分为诺模图法和赤平投影图法。

诺模图法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来反分析其它参数(v，c，结构面倾角，坡角，坡高等)的方法。它实际上是数理分析方法的一种简化方法，如Taylor图解等。目前主要用于土质或全强风化的具弧形破坏面的边坡稳定性分析。

投影图法利用赤平极射投影的原理，通过作图来直观地表示出边坡变形破坏的边界条件，分析不连续面的组合关系、可能失稳岩土体形态及其滑动方向等，进而评价边坡的稳定性，并为力学计算提供信息。常用的有赤平极射投影图法、实体比例投影图法等。它目前主要用于岩质边坡岩体的稳定性分析。3定量分析法严格地讲，边坡稳定性分析还远远没有走到完全定量这一步，它只能算是一种半定量的分析方法。常用的边坡稳定性分析方法土要有下述几种：（1）极限平衡分析法（2）数值分析方法3.1极限平衡法块体极限平衡法是当前国内外应用最广的边坡稳定分析方法。它是传统边坡稳定分析方法的代表。块体极限平衡法首先假定滑移面已知、同时假定滑动体为刚体，即忽略滑动体的变形对稳定性的影响，在以上假定条件下对边坡进行静力平衡计算，从而求出边坡稳定安全系数.块体极限平衡法的具体作法可概括如下：首先，确定滑动面的位置和形状。由于滑动面是假定的，故任何形状的面都可以充当，当然实际的滑动面将取决于结构面的分布、组合关系及其所具有的剪切强度。大量的实践证明，均质土坡的破坏面都接近于圆弧形，岩体中存在软弱结构面时，边坡岩体常沿某个软弱结构面或某几个软弱结构面的组合面滑动，因此，根据具体情况假定的滑动面与实际情况是很接近的。其次，确定极限抗滑力和滑动力，并计算其稳定性系数。所谓稳定性系数即指可能滑动面上可供利用的抗滑力与滑动力的比值。由于滑动面是预先假定的，因此就可能不止一个，这样就要分别试算出每个可能滑动面所对应的稳定性系数，取其中最小者作为最危险滑动面。最后以安全系数为标准评价边坡的稳定性。当滑移面为一简单平面时，静力平衡计算可采用解析法计算，因而可获得解析解。著名的库仑公式就是一例，一直沿用至今。当滑移面为圆弧、对数螺线、折线或任意曲线时，无法获得解析解，通常要采用条分法求解。此时坡体为一静不定问题，通过对某些未知量作假定，使方程式的数目与未知数数目相等从而使问题成为静定，这种方法十分简便，而且计算结果能满足工程要求而被广为应用。

目前工程中常用的条分法有：Fellenius法（Ｗ.Fellenius，1963）、Bishop法（Ａ.Ｗ.Bishop，1955）、Janbu法（N.Janbu，1954，1973）。Morgestern-Price法、（Morgestern-Price，1965）、Spencer法（Spencer，1973）、Sarma法（Sarma，1979）、传递系数法等由于假设条件与应用的方程不同，条分法分为非严格条分法与严格条分法.在非严格条分法中，通常只满足一个平衡条件，而不管另一个平衡条件。在土条的平衡中只满足力的平衡，而不满足力矩平衡，在总体平衡中只满足力的平衡或者力矩平衡。可见，非严格条分法的计算结果是有一定误差的。非严格条分法有两个末知数(安全系数和条间力的作用方向)。但只有一个方程.因而尚需作一个假定。非严格条分法通常是假定条间力的方向，由于假定不同而形成各种方法，有瑞典法、简化Bishop法、简化Janbu法、陆军工程师团法、罗厄法、Sarma法、不平衡推力法(传递系数法)等。严格条分法满足所有的力平衡条件，它有三个末知数(安全系数、条间力作用方向和作用点)和两个方程，因而也要做一个假定。如果假定合理，其解答十分接近准确解。由于所用的假设不同.有Morgenstern-Price法、Spencer法、Janbu法等.块体极限平衡法的优点：方便简单，适用于研究多变的水压力及不连续的岩体和土体。主要缺点：不能反映岩土体内部真实的应力应变关系，所求稳定性参数是滑动面上的平均值，带有一定的假定性。因此难以分析岩土体从变形到破坏的发生发展全过程，也难以考虑累进性破坏对岩土体稳定性的影响。数值分析方法是目前岩土力学计算中使用最普遍的分析方法。有限元(FEM)法边界元(BEM)法快速Lagrangian分析(FLAC)法离散元(DEM)法块体理论(BI）与不连续变形分析(DDA)无界元(TDEM）法3.2数值分析方法4非确定性分析方法

4.1可靠性分析法边坡稳定性分析中传统上采用一种“确定性的”方法,即将安全系数定义为作用在滑弧上的抗滑力矩与滑动力矩的比值。但事实上,计算所涉及的许多参数是可变的,即具有不确定性的特征,这些不确定性在岩土工程中普遍存在。该方法的原理是首先通过现场调查，以获得影响边坡稳性影响因素的多个样本，然后进行统计分析，求出它们各自的概率分布及其特征参数，再利用某种可靠性分析方法，如MonteCarlo法、可靠指标法、统计矩法、随机有限元法等来求解边坡岩体的破坏概率即可靠度。只要我们求出的可靠度足够大，也即破坏概率足够小，小到人们可以接受的程度，就认为边坡工程的设计是可靠的。4.2模糊分级评判方法影响边坡稳定性的诸因素除了具有前述的随机不确定性外，还具有一定的模糊不确定性。采用模糊分级评判或模糊聚类方法对边坡的稳定性作出分级评判；其具体做法通常是先找出影响边坡稳定性的各个因素，并赋子它们不同的权值，然后根据最大隶属度原则来判定边坡的稳定性。实践证明，模糊分级评判方法为多变量、多因素影响的边坡稳定性分析提供了一种行之有效的手段。这一方法土要应用于大型边坡的整体稳定性评价。目前，除了以上两种常用的非确定性分析方法外，系统工程分析方法、灰色系统理论方法、突变理论方法、神经元方法、损伤断裂力学理论、分叉与混沌理论等也在边坡稳定性方向上得到了不同程度的应用，为边坡稳定性分析及预测提供了新的途径。5物气理模累型方立法物理群模型创方法此是一副种发烘展较期早、妙应用拘广泛塑、形拣象直奴观的掌边坡岸稳定榜性分受析方交法。旁它主赴要包侄括光弹秋模型究、底京摩擦半试验柄、地头质力锻学模衔型试雨验、鼻离心术模型阻试验等。这些方蒜法通常角能够形逗象地模际拟边坡船岩土体乞中的应香力大小壤及其分阶布，边测坡岩土誓体的变夏形破坏驴机制及砍其发展帽过程、耽加固措范施的加时固效果矛等。离心避模型眨试验是以永离心粪机作拆为加状载工迷具，票把1停/察n缩狗尺的匪模型饭放在昏以n墓g吊离心忠加速续度运甜转的撤离心届机中镜进行伞试验谋，测追量其童中的赖应力促、变拥形，释观察帜模型透的变患形破炭坏发消展过镇程及垦加同周措施串的加吼同效资果。仇由于奔离心半力与卫重力探保持跳等效访，且地加速招度不瓜会改西变材稀料的培性质沸，从评而使映模型果与原取型的香应力泼应变尤相等迫、变慈形相莲似、期破坏塘机理雄相同鹿，能漠够再监现原额型的蚀特性砌。该纯方法金可以逢在同去一模旋型上策，完樱成弹弱性、侨弹塑爆性乃猛至破极坏失喘稳各扎个阶平段(忠整个骨过程迅)的以模拟祸，展愉示边租坡岩诸土体挤变形阁破坏盯的机羡制与四过程相，且把可以脸测量圾全过借程的叔应力往和位车移，宴还可泪求得笑超载饼安全觉系数族等。与其冶他模你拟方宇法相蜘比，罚离心庆模型喝要求旋模型赖材料指具有垦弹模挎、容音重多飞样，嫂且要浸求模衔型与都原型眨材料图的本迅构关良系完士全相绑似，点对模橡型尺核寸的惯大小漏和精畅度要夸求较侮高，拣测量皂方法朗及其倡技术往要求捕严格炒，费知用较货高等料。6逼现场宗监测耗分析怪法岩石流魂变力学找认为岩兔体的变悄形破坏既是一个膝过程。始岩质边城坡工程断由稳定桑状态向零不稳定炮状态的仇突变也忌必然具苗有某种案前兆。副捕捉这违些前兆蓬信息并斧对其进庭行分析诸和解释类，将可晴更好地债认识边袋坡岩土欲体变形缎的发展牛过程和表失稳的掉征兆及依其判据正。人们栗在生产刃实践的绞过程中端旱己认许识到这歼个问题带，并对列之越来蹄越重视卵。在发冲展其它蹲边坡稳警定性分她析理论拢与方法挠的同时燃，又开侵展了现棵场监测扩技术方陆法、监小测结果兴分析方掠法等的顿研究，币力图通过现故场监测腥所获得朋的信息咐如位移绝、位移妈速度、控应力、颠声发射袄率、氡爷气、脉尾冲频率瓜、地下插水等有质关特征商，来对蜓边坡岩焦土体稳央定性作觉出评价眼和预测考，为加故同处练理设神计提赏供服亡务，辅同时爆，又惜能对诞加同些措施寒的加胸同效皆果进街行检词验，梁为施纺工的叼安全化保护佛等提酱供信遇息。由于示现场料监测润结果哄直观敌可靠牺，因问而利弱用监家测结刑果对浆边坡篮过程殖的稳苍定性截进行解分析构，己术成为鉴目前么边坡咳工程组中稳搭定性脊评价炼极其嫌重要齐的一今种方构法。以上简访要介绍舅了目前上土要的射边坡稳嫂定性分大析方法斤。各种方犬法的原针理不同窃，作出罗的分析郊结果表窑示方式垦不一，搂各有其落优缺点廊。建立于凡复杂地门质体中耍的边坡顽工程，充有极其膨复杂多季变的特忍性，同站时又有粉较强的物隐蔽性风。因而哪，在实篮际工程质中，应纲根据边爱坡工程胖的具体妖特点及凯使用目症的，最眉好能同时绒利用法多种美分析悄方法经进行丽综合栏分析伶验证，力巾求得则出一遇个更定加客垒观、尺可靠送、合货理的勒评价膀结果赴。边坡纯稳定漂性计鄙算方险法选我择:根据拼边坡糕类型歌和可新能的尽破坏煎形式螺，可竭按下晓列原斯则确训定：1、土贯质边坡招和较大浩规模的绑碎裂结爪构岩质鱼边坡宜反采用圆弧重滑动身法计算倒；2、清对可欺能产佛生平嫌面滑炉动的拘边坡足宜采卖用平面踢滑动类法进行计席算；3、收对可习能产住生折烤线滑侵动的溜边坡张宜采仪用折线挡滑动弓法进行挂计算诉；4、远对结隆构复难杂的珠岩质秀边坡混，可皆配合量采用赤平极宿射投影获法和实藏体比例奏投影法分析销；5、田当边院坡破腐坏机健制复谜杂时栏，宜撒结合数值植分析繁法进行分惧析。GB壳50坚33烟0-顾20辫02贤有关捷规定徒:边坡稳乳定性评座价应在蜘充分查车明工程葬地质条距件的基鞠础上，矛根据边薯坡岩土紧类型和客结构，综合采壮用工程圆地质笨类比弹法和轿刚体徐极限帝平衡马计算芽法进觉行。在进短行边破坡稳虎定性艘计算冒之前灾，应登根据馆边坡过水文卖地质圾、工裤程地支质、脚岩体波结构与特征并以及患已经若出现描的变乳形破闲坏迹椅象，嗽对边怨坡的挥可能守破坏蜂形式越和边敬坡稳客定性腥状态思做出定性判脏断，确定软边坡破丽坏的边缎界范围丑、边坡吼破坏的遮地质模犬型，对仁边坡破庭坏趋势之作出判互断。边坡稳然定性系久数和安屈全系数安全系厅数：简单访地说垫就是放允许蔑的稳塞定性偿系数博值，权安全纪系数剧的大炕小是域根据锯各种拘影响娃因素怖人为华规定甩的；稳定中性系睬数：反映滑飘动面上玩抗滑力兄与滑动月力的比基例关系性，用以绵说明边绸坡岩体钳的稳定翼程度。安全系票数的选过取是否合洗理，直宏接影响育到工程森的安全款和造价浮。它必元须大于帝1才能蜜保证边猾坡安全取，但比至1大多著少却