（岩土工程专业论文）地下空区对边坡稳定性的影响研究.pdf

博士学位论文 摘要 摘要 边坡稳定性分析是工程防灾减灾的重要研究领域。影响边坡稳定性的因素 很多，其中地下空区作为影响边坡稳定性的外部因素对边坡造成的破坏分为二 种形式：即边坡的滑动和边坡坡面( 台阶) 的塌陷。根据边坡与地下空区存在 的先后关系，考虑二种情况下地下空区对边坡稳定性的影响：第一种情况是先 有地下空区然后进行边坡的开挖，如露天矿边坡下存在的地下老采空区；第二 种情况是先有边坡然后进行地下工程的开挖，如山区隧道工程的开挖。本文在 已有研究工作的基础上，利用遗传算法的原理、强度折减理论和大型岩土工程 专用软件f l a c m ，结合工程实例，并在现场调查及监测的基础上，进行地下空 区对边坡的稳定性影响研究，其主要研究内容如下： 首先，本文提出改进遗传算法的思想，基于简化b i s h o p 条分法和j a n b u 法， 利用m a t l a b 编写了c m i g a 和r m i g a 程序分别进行边坡最危险圆弧滑动面和 任意形状滑动面的搜索并计算其安全系数。通过三个计算实例表明，对于简单 的边坡，遗传算法与其它传统计算方法相比没有多大的优越性，而对于复杂边 坡，遗传算法优势明显，因为它可以搜索到最优化问题的全局最优解。 针对中国铝业公司矿山公司夹沟铝矿的地下老采空区边坡，提出加速混合 遗传算法，同时采用f l a c 软件分析不同大小、位置的地下老采空区对边坡稳定 性的影响，并通过边坡应力和位移及边坡安全系数的变化情况，系统地分析了 各种影响因素的影响程度。 地下采空区顶板的最小安全厚度是保证边坡坡面( 台阶) 不发生塌陷的必 要条件。以夹沟铝矿为工程背景，利用强度折减技术和二分法原理，以塑性区 的贯通作为顶板破坏的标准，利用f l a c 软件计算地下空区顶板最小安全厚度， 并得出了影响空区顶板最小安全厚度的主要因素，进一步分析了边坡的安全系 数随着空区顶板厚度的变化规律。 通过综合分析各种地下空区对边坡稳定性影响，得出了夹沟铝矿西南面边 坡上部土层发生滑动的和夹沟铝矿西面边坡3 0 0 水平( 台阶) 坍塌事故的主要 原因。为较好地判断地下空区边坡是否发生滑动或者塌陷，提出了边坡下伏的 各种地下空区处理与否的标准。 对关口垭浅埋隧道开挖过程中的山体边坡位移进行现场监控量测，并进行 了数据整理和分析，得出了边坡位移变化的规律。在隧道开挖过程中，边坡地 博士学位论文摘要 表的变形与开挖面的位置有非常密切的关系，边坡地表的变形大致可分四个阶 段，即：微小变形阶段、变形剧增阶段、变形缓慢阶段和变形基本稳定阶段。 对f l a c 3 d 软件进行二次开发并建立了三维模型，用于计算浅埋隧道开挖的 不同阶段边坡地表的变形，同时得到隧道开挖过程中边坡的应力场、位移场和 安全系数，总结得出隧道开挖的每一个工况对边坡稳定性的影响规律；通过现 场监测数据及计算结果对比可知，计算结果与实测结果较为吻合，可以为浅埋 隧道施工提供指导。 本文所做研究工作，立足于学科前沿，运用最新数学计算方法和手r 段，对 地下空区对边坡稳定性的影响进行了研究，具有较高的理论和应用价值。 关键词边坡，地下空区，安全系数，遗传算法，f l a c ，顶板安全厚度，隧道， 监控量测，数值计算 u 博士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t s t a b i l i t ya n a l y s i so fs l o p ei sa l li m p o r t a mr e s e a r c hf i e l do fd i s a s t e r p r e v e n t i o na n dr e d u c t i o n t h e r ea r em a n yf a c t o r st oe f f e c tt h es l o p e s t a b i l i t y , o fw h i c hu n d e r g r o u n dv a c a n ta r e ai st h ee x t e r i o rf a c t o nt h es l i p o fs l o p ea n dt h es u b s i d e n c eo ft h es u r f a c eo fs l o p ea r et h ed e s t r u c t i v e f o r m st h a tu n d e r g r o u n dv a c a n ta r e aa c t s t os l o p e a c c o r d i n gt ot h e e x i s t e n tr e l a t i o no fu n d e r g r o u n dv a c a n ta r e aa n ds l o p e ，t w oc a s e ss h o u l d b ec o n s i d e r e d ：t h ef i r s to n e ，u n d e r g r o u n dv a c a n ta r e ah a de x i s t e db e f o r e s l o p ew a se x c a v a t e d s u c ha st h eu n d e r g r o u n dm i n e d 一0 t i ta r e au n d e rt h e s l o p eo fs t r i pm i n e ；t h es e c o n do n e ，s l o p e h a de x i s t e db e f o r e u n d e r g r o u n dv a c a n ta r e aw a se x c a v a t e d s u c ha st h et u n n e le x c a v a t i o ni n m o u n t a i n o u sa r e a s o nt h eb a s i so ft h ef o r e g o n er e s e a r c h e s ，g e n e t i c a l g o r i t h m 、s t r e n g t hr e d u c t i o nt h e o r ya n df l a c s o f t w a r ea r ea d o p t e di n t h ea n a l y s i so fe n g i n e e r i n ge x a m p l e s ，t h e nt h es l o p es t a b i l i t yi n f l u e n c e d b yu n d e r g r o u n dv a c a n ta r e ai sr e s e a r c h e d t h em a i nr e s e a r c hc o n t e n t sa r e a sf o l l o w s ： a ni m p r o v e dg e n e t i ca l g o r i t h mi s p r e s e n tf i r s t , a n dt h e n ，0 1 1t h e b a s i so fs i m p l i e db i s h o pm e t h o da n dj a n b um e t h o d c 皿g aa n d r g ap r o g r a m sa r ec o m p i l e di nm a t l a bt os e a r c hf o r t h em o s t d a n g e r o u sc i r c l es l i p s u r f a c eo rt h er a n d o m s l i p s u r f a c e s h a p e r e s p e c t i v e l y , w i t hw h i c ht h es a r vf a c t o r sa r ec a l c u l a t e d t h er e s u l t s o b t a i n e df r o mt h r e en u m e r i c a le x a m p l e si n d i c a t et h a tg e n e t i ca l g o r i t h m h a v e n to b v i o u sa d v a n t a g ec o m p a r e dw i t ho t h e rm e t h o d si ns i m p l es l o p e ， b u ti th a so b v i o u sa d v a n t a g e si nc o m p l e xs l o p eb e c a u s et h i sm e t h o dc a n g e tt h eg l o b a lo p t i m a ls o l u t i o no f o p t i m i z a t i o np r o b l e m s a c c e l e r a t i n gh y b r i dg e n e t i ca l g o r i t h m ( a h g a ) a n df l a cs o f t w a r e a r eu s e dt oa n a l y s eh o wu n d e r g r o u n dm i n e d - o u ta r e ao fd i f f e r e n ts i z ea n d l o c a t i o ni n f l u e n c et h es l o p es t a b i l i t yi nj i ag o ua l u m i n i u mm i n eo f a l u m i n i u mc o m p a n yi nc h i n a a c c o r d i n gt ot h ev a r i a t i o no f t h es t r e s s 、 d i s p l a c e m e n ta n ds a f e t yf a c t o ro fs l o p e ，a u t h o rs y n t h e t i c a l l ya n a l y s et h e i n f l u e n c i n gd e g r e eo fe v e r yi n f l u e n c i n gf a c t o r t h el e a s ts a f e t yt h i c k n e s so ft h ev a c a n ta r e ar o o fi st h en e c e s s a r y c o n d i t i o nt h a tt h es u r f a c eo fs l o p ec a l k n tc o l l a p s e s t r e n g t hr e d u c t i o n h 1 博士学位论文a b s t r a c t t e c h n i q u ea n dd i c h o t o m yp r i n c i p l ea r ea d o p t e d ，a n dt h et h r o u g hc u t t i n g o f p l a s t i c i t yz o n ei sr e g a r d e dt ob et h ed e s t r u c t i v ec r i t e r i o n ，t h e n , t h el e a s t s a f e t yt h i c k n e s s e sa r ec a l c u l a t e db yf l a ci nj i ag o ua l u m i n i u mm i n e t h em a i nf a c t o r st h a ti n f l u e n c et h el e a s ts a f e t yt h i c k n e s so ft h ev a c a n t a r e ar o o fa r eg a i n e d , a n dt h ev a r i a t i o nl a w st h a tt h es a f e t yf a c t o r so fs l o p e f o l l o wt h et h i c k n e s so f t h ev a c a n ta r e ar o o f sa r es t u d i e d a f t e rt h es y n t h e t i c a la n a l y s i so ft h es l o p es t a b i l i t yi n f l u e n c e db y u n d e r g r o u dv a c a n ta r e a , t h em a i nr e a s o n so fs l o p es l i pa n dc o l l a p s ei nj i a g o ua l u m i n i u mm i n ea r eo b t a i n e d i no r d e rt oj u d g ei ft h es l o p eh a p p e n t os l i d eo rc o l l a p s e ，t h et r e a t m e n ts t a n d a r do fu n d e r g r o u n dv a c a n ta r e ai s p u tf o r w a r d t h ed i s p l a c e m e n t so f s l o p es u r f a c ea r em e a s u r e dd u r i n gt h es h a l l o w b u r y i n gt u n n e li sd u gi ng u a n k o u y a ，a n dt h ev a r i a t i o nl a wi so b t a i n e d t h r o u g hd a t at r e a t m e n ta n da n a l y s i s t h ed i s p l a c e m e n t so fs l o p es u r f a c e a r en e a r l yr e l a t i v et ot h el o c a t i o no fc u t t i n gs u r f a c eo ft u n n e l t h e d i s p l a c e m e n t s o f s l o p e s u r f a c ea r ed i v i d e di n t o4 p h a s e s ：t i n y d i s p l a c e m e n tp h a s e ，f a s t e ri n c r e a s ep h a s e ，l o w e ri n c r e a s ep h a s ea n d s t e a d yp h a s e b a s e do nt h ea f t e r - e x p l o i t e dt e c h n o l o g yo ff l a c3 d t h e3 dm o d e l i ss e tu pt oc a l c u l a t et h ed i s p l a c e m e n to fs l o p es u r f a c ei nt h ed e f f e r e n t p h a s eo fs h a l l o wb u r y i n gt u n n e lc u t t i n g ，a tt h es a m et i m e ，t h es t r e s sf i e l d a n ds a f e t yf a c t o ra r eo b t a i n e d ，a n dt h ei n f l u e n c i n gl a w st h a te v e r yw o r k c o n d i t i o no ft u n n e lc u t t i n gi n f l u e n c et ot h es l o p ea r ec o n c l u d e d t h e c a l c u l a t i o nr e s u l t sa n dt h em e a s u r ed a t aa r ec o m p a r e d ，a n dw ec a r lk n o w t h a tc a l c u l a t i o nr e s u l ta n s w e rt h em e a s u r ed a t av e r yw e l l ，s ot h er e s u l t s c a nb eu s e dt og u i d ec o n s t r u c t i o n s t a n d i n g a tt h ef r o n to fs c i e n c er e s e a r c h ，t h ei n f l u e n c et h a t u n d e r g r o u n dv a c a n ta r e aa c t st ot h es l o p ei ss t u d i e db yt h ea u t h o ro ft h e d i s s e r t a t i o nu s i n gn e w l yn u m e r i c a lm e t h o d sa n dm e a n si nt h ec o u r s eo f r e s e a r c hw o r k i ts h o w sah i g ht h e o r e t i c a la n dp r a c t i c a lv a l u e k e yw o r d s ：s l o p e ，u n d e r g r o u n dv a c a n ta r e a ，s a f e t yf a c e t o r ，g e n e t i c a l g o r i t h m ，f l a c ，s a f e t y t h i c k n e s so f r o o f , t u n n e l ，m o n i t o r i n g m e a s u r e m e n t ，n u m b e r i c a ic a l c u l a t i o n i v 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研 究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注 和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究 成果，也不包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用 过的材料。与我共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文 中作了明确的说明。 作者签名： 石支 日期：塑! 年卫月卫日 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论 文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文； 学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 作者签名：! !导师签 一l ， 日期：生年旦月生日 博士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 问题的提出及研究目的和意义 1 1 1 问题的提出 边坡稳定性分析是工程防灾减灾的重要研究领域，边坡稳定性问题涉及矿 山工程、公路工程、水利工程、建筑工程等诸多工程领域。而边坡变形破坏不 是单纯的动力地质现象，它的发生和发展是极其错综复杂的。 影响边坡稳定性的因素很多，概括地说，主要可分为内在因素和外部因素。 其中内在因素包括组成边坡岩土体的地层岩性、地质构造、岩体结构等，这方 面的研究较多。这些因素的影响是长期而缓慢的，是边坡变形破坏的先决条件。 它们决定了边坡变形的形式和规模，对边坡的稳定性起着控制作用；而外部因 素包括风化作用、水文地质、振动、边坡形态、人类的工程作用以及气象条件、 植物生长等等【】。这些因素对边坡变形和破坏的影响比较明显和迅速，但它们 只有通过内在因素才能对边坡的稳定性起着破坏作用，或者促进边坡变形的发 生和发展。边坡的变形和破坏，实质上是内在的和外部的各种因素综合作用的 结果。在这些因素中，人类的工程作用，如地下开挖，虽然属于一种外部因素， 但这种地下开挖在地下留下大量的空区，往往给边坡工程造成很大的危害。地 下空区对边坡稳定性的影响大致分两种情况： 1 ) 地下开挖先于边坡开挖。在边坡开挖前，先进行地下开挖，经过相当长 的一段时间，岩体重新达到稳定，地下空区的变形也基本趋于稳定，但是在地 下采动影响域内原岩应力状态产生了变化，并形成了新的不同的应力区域。再 进行边坡的开挖时，在进行边坡稳定性的分析时，就必须考虑地下空区的形态、 规模及空间位置等因素的影响。在我国许多露天矿中，受利益驱使，大量的非 法开采所形成的采空塌陷区对露天矿边坡的稳定性造成严重的影响，有的甚至 干扰了矿山的正常生产秩序，如：甘肃白银有色金属公司的厂坝铅锌矿为国内 罕见的高陡边坡 6 1 ，1 9 9 6 年，由于地下采空区的影响发生过特大掉铲埋钻事故， 造成了巨大的经济损失；1 9 9 7 年8 月，中铝河南公司夹沟铝矿【7 j ，采场西部3 0 0 米水平( 采矿阶段) 下部矿区突然塌陷，正在作业的一辆剥土车掉进采空区内， 1 9 9 9 年9 月，局部边坡由3 2 0 米- - 3 0 0 米水平出现滑坡，边坡完整性遭破坏， 博士学位论文第一章绪论 给生产带来很大的影响和损失；另一方面，许多在五、六十年代建成的地下矿， 如江西铜业公司银山铅锌矿【引、洛阳栾川钼业集团矿山公司三道庄矿区 9 - 1 0 1 、福 建省上杭县紫金山金矿【_ 孔、甘肃省玛曲县格尔珂金矿【h 】等，由于多种原因由 地下转为露天，原来修筑的大量地下洞室及回采巷道等地下空区对露天矿边坡 的开挖带来了一定的影响。另外，在路桥工程、水利工程等其它工程领域的边 坡开挖中【j ，也会因为一些非人为因素形成的地下空区( 如溶洞等) ，而造成 边坡地表的塌陷及其它的边坡安全事故。 2 ) 先开挖边坡或者先存在自然的边坡( 本文考虑的这类边坡在地下工程未 开挖之前都是相对稳定的) ，再在边坡下进行地下工程的开挖。由于地下工程的 开挖，在开挖区周围岩土体的应力重新进行分布，开挖区的变形也还没有趋于 稳定，因此必须考虑开挖区的应力释放及变形对边坡的影响。山区公路浅埋隧 道开口段的施工是这种类型地下空区对边坡稳定性影响的典型实例，由于隧道 的开挖会导致山体边坡的应力、位移等发生变化，从而影响边坡的稳定性。“十 五”期间，随着国家基建重心向西部转移，在铁路和公路建设中都出现了较大 比重的山区隧道，如：南昆线隧道占全线的4 0 ，内昆线隧道占全线的4 1 5 ， 新建的渝怀线隧道占全线的3 9 ；在湖南省公路建设方面，常张高速公路有隧道 1 4 座，邵怀高速公路有隧道1 5 座，其中有全国最长的高速公路隧道一6 9 5 公 里的雪峰山隧道，常吉高速公路更是高达4 7 座。隧道的增多对铁路和公路工程 的施工增加了很多的困难，特别是隧道进口段往往是地质条件最为复杂的地段， 大都为浅埋，容易塌方，而且仰坡开挖又破坏了山体原有平衡，往往会造成边 坡的不稳定，由于公路隧道跨度较大，在这方面体现得尤为突出。在这些工程 建设中，隧道口的加固是整个工程的重中之重，因此，一般在隧道口要利用超 前导管、管棚、锚杆( 索) 、桩( 墙) 、植被等措施分别对隧道口及相应的边 坡进行加固，但滑坡事故时有发生。2 0 0 4 年1 月，万开高速公路南山隧道施工 中，隧道口处在一个古滑坡体上，由于开挖路基的扰动和频繁降水，沉睡了数 万年的滑坡体在隧道进洞时被“激活”了，边坡挖一点塌一点，坡顶也出现了 大面积开裂，不得不对边坡、坡顶进行大面积喷锚的同时，又在洞门作了套拱 强化保护，才使得工程顺利地进行。2 0 0 4 年8 月，襄十高速公路徐家湾隧道口 突发山体滑坡，造成交通堵塞5 个小时；2 0 0 3 年3 月，当时正在建设中的国家 重点工程徽杭高速公路的竹岭隧道西洞口在施工过程中发生滑坡；1 9 9 9 年4 - - - 6 月，龙岩漳龙高速公路乌石山隧道右线进口在施工中了生山体滑坡。因此可见， 地下开挖对边坡稳定性的影响很大。 目前，国内外单独对地下空区或者边坡本身的稳定性研究很多，但将两者 结合起来考虑，特别是研究地下空区对边坡稳定性影响的并不多，而且研究的 2 博士学位论文 第一章绪论 工程领域、侧重点及研究方法等方面都存在较大差别。考虑地下空区对边坡影 响的复杂性和特殊性，本文结合湖南省自然科学基金资助项目“地下空区对边 坡的稳定性影响及试验研究”( 编号：0 5 j j 3 0 0 8 2 ) 、中国铝业股份有限公司“夹 沟矿群采空区对边坡稳定性影响分析及滑坡治理研究”【l ”、湖南省交通厅科技 攻关项目“常张高速公路关1 5 1 垭隧道施工监测及信息化施工技术研究”i l 、中 南大学博士生创新工程“边坡最危险滑动面自由搜索的遗传进化算法”( 0 4 0 1 1 0 ) 等 研究课题，分别利用遗传算法的原理、强度折减理论和大型岩土工程专用软件 f l a c 3 d ，结合工程实例，在现场监测的基础上，分别进行两种类型的地下空区 对边坡稳定性的影响研究。 1 1 2 研究的目的和意义 研究两种类型地下空区对边坡稳定性的影响具有十分重要的理论和实际意 义。在第一类地下空区对边坡稳定性的影响研究中，本文将该类问题简化成平 面应变问题，利用加速混合遗传算法和f l a c 软件，着重研究不同形态、规模和 分布的地下空区对边坡的影响程度，探讨了边坡破坏的机理，并用于分析具体 的工程实例，该类研究要达到如下目的： ( 1 ) 提出实用可靠的边坡稳定性的计算方法和相应的计算程序，在此基础 上得出实用的地下空区对边坡稳定性影响的计算方法和相应的计算程序； ( 2 ) 结合工程实例，利用加速混合遗传算法和岩土工程大型专业软件f i _ a c 共同分析平面应变情况下含地下空区的边坡稳定性，从理论上得出地下空区对 边坡稳定性的主要影响因素及影响程度，同时分析该工程边坡发生滑动的主要 原因及机理； ( 3 ) 确定边坡开挖过程中地下空区顶板的最小安全厚度，得出影响地下空 区顶板最小安全厚度的主要因素，并研究地下空区顶板厚度与边坡的安全系数 之间的关系，分析得出边坡( 台阶) 面发生塌陷的原因； ( 4 ) 为防止地下空区边坡发生滑动或者塌陷，结合地下空区各种影响因素 的影响程度，提供了边坡下伏地下空区处理与否的依据； 在第二类地下空区对边坡稳定性的影响研究中，由于地下空区在开挖之前 边坡本身是稳定的，而地下开挖引起的周围岩土体应力重分布会对边坡的稳定 性造成影响，所以该类研究主要是分析地下开挖过程中边坡稳定性的动态变化 情况。本文主要是以浅埋隧道开挖为主题，结合一个工程实例，通过现场监测 和数据处理，然后利用f l a c 3 d 软件进行计算，并与实测资料进行对比，从而研 究地下工程( 如浅埋隧道工程) 的开挖对边坡稳定性的影响规律，该类研究要 博士学位论文 第一章绪论 达到如下目的： ( 1 ) 结合工程实例，进行现场监控量测，并对现场量测数据进行整理，从 而得出隧道开挖过程中地表变形的变化规律； ( 2 ) 建立三维模型，利用f l a c ”计算浅埋隧道开挖的不同阶段边坡地表的 变形，并与实测结果进行对比，同时得出隧道开挖过程中边坡的应力场和安全 系数的变化规律； ( 3 ) 通过现场试验及计算分析对比，研究隧道开挖的每一个工况对边坡稳 定性的影响，为浅埋隧道施工提供指导。 因此，进行地下空区对边坡的影响研究，可以合理地利用我国的矿产资源； 同时用于分析交通土建工程中地下开挖对边坡及地表的影响，提出合理的开挖 顺序，解决部分的滑坡问题，为国家的经济建设做出应有的作用。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 边坡稳定性研究 ( 1 ) 边坡稳定性研究的发展概况 边坡工程是岩土工程的一个重要领域，它的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连。边坡工程涉及到工程数学、力学、 工程地质学、工程结构等多个学科，其研究历史己达1 0 0 余年。在早期边坡的 稳定性及其加固治理研究工作中，基本上采用了以材料力学和简单的均质弹性 理论为基础的土力学原理和方法，在这些方法中，大都具有半经验半理论的性 质，即通常假定滑动面具有某一固定位置和形状1 1 ”“。 第二次世纪大战后，随着世界各地经济的恢复，水利、交通和建筑等工程 的成批兴建，涌现了大量的路基路堑边坡、大坝坝肩和河谷岸坡等人工或自然 边坡，而在五十年代采矿事业的迅速发展，带来了大量的矿山边坡，这样边坡 的稳定性问题就变得非常突出。有时甚至制约了经济的发展。这一时期对边坡 的认识与研究也是比较简单，边坡稳定性研究主要通过边坡物理模拟试验和其 它岩土力学室内试验，并采用均质弹性理论和极限平衡理论进行分析与评价： 二十世纪六十年代，由于意大利瓦依昂坝址上游岸边岩体突然失稳等重大事故 的发生团】和工程建设的蓬勃发展，促进和推动了边坡岩体力学基础理论和应用 研究的较大发展；而六十年代以后，采矿、水利、交通和建筑等工程建设更加 j 迅速，新的问题层出不穷，使得边坡稳定性研究的基础理论和方法途径均有着 较大进展。在边坡稳定性分析计算方面，经过多年的研究总结，在研究方法上 博士学位论文 第一章绪论 基本上是沿着两种途径进行：一种是以极限平衡理论为基础，利用图解法或数 学计算分析法，最后求得“安全系数”或类似“安全系数”的概念来进行边坡 稳定性的定量评价；另一种途径是，随着计算机的引入，以有限单元法、离散 元、边界元等数值计算方法被广泛应用到分析计算边坡岩土体的变形特征和应 力状态 1 9 2 2 1 。 我国对边坡稳定性问题的广泛研究始于2 0 世纪中叶。主要与国家的经济发 展和工程建设的需要息息相关，边坡稳定性研究多见于铁路工程、水利水电工 程和矿山工程等国家急需建设的工程中，高边坡稳定性的研究则是近十多年才 开展起来的，归结起来我国从解放到现在，边坡稳定性的研究大致可分为以下 几个阶斟1 】： 五十年代，主要是从研究铁路路堑边坡和引水渠道边坡开始的，当时着重 人工边坡类型的划分，采用工程类比法给出边坡角，作为边坡设计的依据；六 十年代，开始形成了岩体结构及控制的观点 2 4 2 ”，划出了边坡岩体结构类型， 并在应用赤平极射投影的基础上，提出了实体比例投影方法，用以进行块体破 坏的计算，判断边坡的稳定性口6 】。同时结合露天矿边坡稳定性研究，开展了大 型室外岩体力学试验【l 卅，在边坡稳定性计算方面也有了很大的进展；七十年代， 开始研究边坡的破坏机理。在计算方面，不仅应用了极限平衡原理，还应用了 弹塑性力学理论，并且随着计算机的发展，广泛采用有限单元法来分析边坡变 形破坏条件及评价边坡的稳定性；八十年代以来，边坡稳定性研究进入比较全 面的发展阶段。随着计算理论及计算机技术的发展，数值模拟技术已广泛应用 于边坡稳定性研究，且逐步从定性过渡到半定性、半定量研究边坡变形破坏过 程及内部作用机制过程，并从整体上认识边坡变形破坏机制，认识边坡稳定性 的发展变化。与此同时，学科之间的相互渗透使许多与现代科学有关的系列理 论方法，如系统论、非线性科学、不确定性研究方法等被引入边坡稳定性研究 中，从而进入一个全新的阶段【2 刀。在计算方法发展的过程中，由于岩土体的复 杂性，人们很难全面、正确地认识诸如岩土体的破坏机理、力学参数等工程特 性，对岩土体与基础工程以及上部结构相互作用的认识也往往是肤浅的，所以 近年来，现场安全监测措施正逐渐成为深入认识岩土体工程性质以及确保岩土 体安全稳定的必备手段p j 。 ( 2 ) 边坡稳定性的分析方法 常用的边坡稳定性分析方法有：工程地质类比法、极限平衡法、极限分析法、 数值模拟方法、可靠度法、模型试验法、人工智能法等。 极限平衡法作为最基本、最简单的方法得到广泛应用，其分析结果通常作 为设计依据。最早是1 9 1 5 年瑞典人k p e t t e r s o n 提出了所谓的瑞典条分法； s 博士学位论文第一章绪论 f e l l e n n i u s 等人【2 8 j ( 1 9 2 7 年) 在此基础上提出了普通条分法，该方法将边坡滑面假 定为圆弧形，满足力矩平衡条件，但不满足力平衡条件；1 9 5 5 年b i s h o p f 2 9 1 提出 了修正的条分法，该方法也假定边坡滑面为圆弧形，它满足力矩平衡条件和垂 直方向的力平衡条件，但不满足水平方向的力平衡条件；1 9 5 7 年j a n b u l 3 0 1 提出了 更精细的条分法，适应于任意形状的滑动面，并在1 9 6 8 1 3 1 1 年和1 9 7 3 1 3 2 】年进行了 改进；l o w ej 和k a r a f i a t hl ( 1 9 6 0 ) 例与美国军方工程师联合会【3 4 】( 1 9 7 0 ) 提出了 一种力平衡条分法；m o r g e n s t e m & p r i c e p5 j 提出了一种既满足力平衡条件又满足 力矩平衡条件的新方法，它容许条块间力的方向发生变化；s p e n c e r l 3 6 1 ( 1 9 6 7 ) 提 出了一种简化的条分法，它预先假定了条块间力的作用方向；h o e k l 3 7 】( 1 9 7 4 ) 提 出了进行边坡楔形体分析的方法，假定各滑动面均为平面，以各滑动面总抗滑 力与楔体总下滑力来确定安全系数；r e v i l l a 和c a s t i l l o t 3 8 1 ( 1 9 7 7 ) 提出了剩余推力 法，s a r m a 【3 卅( 1 9 7 9 ) 提出了“非垂直条分法”，他认为除平面和圆弧面外，滑 动体必须先破裂成相互滑动的块体后才能滑动。剩余推力法和s a r m a 法在岩质 边坡的稳定性分析中得到了广泛的应用。另外，潘家铮f 4 0 j 对边坡稳定问题提出 了最大值和最小值原理，陈祖煜1 4 l j 对该原理进行了理论上的证明。此外，还有 三维极限平衡分析方法，如：h o v l a n d 法和l e s h c h i n s k y 等【4 2 1 。但极限平衡法没 有考虑材料的应力一应变关系，所得安全系数只是假定滑裂面上的平均安全度， 求得的条问力和滑条底部反力也不是边坡滑移变形时真实存在的1 4 引。 在极限平衡法的基础上，不断有人对其进行了完善和修正，主要考虑两个 方面的问题，即滑动面和安全系数，提出了一般滑动面形状、局部安全系数和 变动安全系数等。如：l e s h c h i n s k y l 4 4 1 、l ik sd 5 】、c l o u g ha k 【4 6 1 、m i l u t i n 4 7 1 、 c h e nz 一y u 和s h a oc m t 4 引、m e i k e t s ud g 、e s p i n a z o t 50 1 、b a k e rr t 5 ”、 b o u t r u p & l o v e l l 【5 2 1 、c e l e s t i n o & d u n c a n l 5 3 1 、c h e r u b i n ic & g r e c ov r i s 4 j 、y a m a g a m i t 【5 5 1 、c h e nz y u 5 6 】、g r e c ov r t 锎、王雪峰【5 8 j 等对此做出了较大的贡献。 极限分析法1 5 9 是d r u c k e r 和p r a g e r 于1 9 5 2 年提出的，它通过构造协调的速 度场或应力场来求解上限或下限极限荷载，理论严格。由于下限解理论遵循协 调的应力场，求解相当困难，且极限分析法很难考虑复杂荷载及环境条件的变 化，因此该方法在工程应用较少。 数值模拟方法将岩土体看成变形体，可以有效地模拟材料的应力和应变关 系，还可以处理复杂的边界条件以及材料的非均匀性和各向异性，可以有效地 模拟边坡内的应力分布、塑性区的范围和位移场分布等。数值模拟技术为定量 评价边坡稳定性问题创造了条件。有限单元法( f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，f e m ) 开始 应用于研究边坡稳定问题始于二十世纪6 0 年代，a n a g o s t i ( 1 9 6 9 ) 、b a l i g h ( 1 9 7 5 ) 、 g i g e r ( 1 9 7 6 ) 、b a l i g h ( 1 9 7 7 ) 、a z z o u z ( 1 9 8 1 、c h e n ( 1 9 8 3 ) 、d e n n h a r d t ( 1 9 8 5 ) 、 6 博士学位论文第一苹绪论 u g a i ( 1 9 8 5 ) 和s e e d ( 1 9 8 8 ) 【h m 6 】等人先后采用有限元法对边坡稳定性问题进行了 研究，取得了很多的研究成果。随后发展了边界元c a o u n d a r ye l e m e n tm e t h o d ， b e m ) 、离散元1 6 7 ( d i s c r e t ee l e m e mm e t h o d , d e m ) 、不连续变形分析 6 8 - 6 9 1 ( d i s c o n t i n o u sd e f o r m a t i o na n a l y s i s ，d d a ) 、数值流形方法1 7 叫( n u m e r i c a lm a n i f o l d m e t h o d ，n m m ) 、运动单元法1 7 1 7 2 】、快速拉格朗日法删等数值方法。随着数值 分析方法的发展，出现了不同数值方法的相互耦合，如有限元、边界元、无限 元、离散元与块体元等相互藕合，数值解与解析解的结合，以及非确定性的数 值方法，如：随机有限元法、模糊有限元、概率数值分析等。 模型试验法，按试验方法可分为块体结构模型试验、底面摩擦试验和离心 模型试验。这类试验最大优点是可以比较直观定性地显现边坡稳定条件和变形 破坏发展过程。但由于模型材料的各种力学参数很难严格地满足相似条件，同 时岩体结构及其力学参数具有随机性、模糊性，故该类试验难以定量化分析。 可靠度理论最早应用在航空、电子等领域，后来逐渐应用到机械、土木、 水利等部门。2 0 世纪7 0 年代后期，可靠度理论开始在边坡工程中得到应用，马 鞍山矿山研究院最早在我国矿山边坡研究中引入了可靠度法( 破坏概率分析法) ， 该方法考虑了边坡中各要素的随机性特征，认为斜坡分析中强度参数以及安全 系数都是符合某种概率分布的函数，并引入了安全限的概念，将安全限概念同 最大信息墒原理结合起来，用于计算坡体中的每一个滑块的破坏概率，继之计 算整个斜坡的破坏概率，使边坡研究从确定性模型迈向概率模型p w 踟。 8 0 年代后，由于学科之间的相互渗透，出现了许多与现代科学有关的理论 方法，如：系统方法、模糊数学、灰色理论、信息论方法、以及非线性科学( 耗 散结构论、协同论、突变理论) 、以及混沌动力学、分形理论、超循环论、神经 网络、遗传算法等应用到边坡工程研究中，显示了良好的应用前景。在边坡稳 定性的非线性动力学理论模型【7 9 。8 0 】、滑坡系统的自组织特性【8 1 2 】、边坡变形的 分形特征 8 3 - 8 6 1 、边坡失稳的分岔与突变模型i 朔、边坡稳定判别的灰色系统理论 8 8 - 8 9 l 等方面取得了若干成果。这些新理论和方法大大推动了边坡研究的进展， 但由于它们仍处于探索阶段，仍然存在很多不足 9 0 1 ，如：滑坡系统参数的选择往 往受到实际监测资料的限制，资料自身的误差影响滑坡过程中的非线性方程的 建立；对于滑坡的自组织特征，由于边坡系统内部和外部之间的相互作用和耦 合机制不清楚，难以建立模型来分析和研究，只能通过一系统的宏观参数( 如熵、 分维数、l y a p u n o v 指数等) 的数值分析来研究系统的复杂性；对于分形理论，尺 度的选择对无标度或规律性会有一定的影响，而且滑坡系统也并非简单的分维。 这些新理论和方法的出现反映出目前岩土工程研究者正由传统的正向思 维，即牛顿时代的思维模式向不确定方向，即系统思维、反馈思维、全方位思 7 竖主兰垡堡塞墨二兰笙丝 维( 包括逆向思维、非逻辑思维、发散思维甚至直觉思维) 发展。各种新技术、 新方法、新理论的引入及其与上述评价方法的耦合仍是目前发展的主趋势【9 l 】。 1 2 2 地下空区对边坡稳定性影响研究 地下空区分为两大类，一类是由于自然原因( 如地质构造等) 形成的，如 溶洞；另一类是由于人类活动( 如矿产资源的采掘、隧道开挖等) 在地表以下 留下的各种形态、规模和不同分布的空洞。在这两类空区中，第二类空区比第 一类空区对工程、环境等的影响更大，而地下采空区是第二类地下空区的典型 代表，按矿产被开采的时间，可分为老采区、现采区和未来采区。矿体被采出 后，自顶板岩层向上形成三带：即垮落带、裂隙带和弯曲带，地表沉陷产生连 续或非连续变形，由此带来一系列环境岩土工程问题，如地表积水、道路裂缝、 房屋倒塌、耕地减少、农田减产、边坡失稳等，给矿区工程建设留下很大隐患 【9 2 删。 ( 1 ) 地下空区的稳定性研究 矿区废弃老采空区对工程建设具有巨大的潜在威胁，并具有如下特点：一是 隐蔽性。老采空区一般深埋于地下，其特征一般难以弄清，其“活化”过程难 以直接观察；二是复杂性，其“活化”过程受多种自然和人为因素的影响，其 “活化”机理、过程及其对地表的影响规律相当复杂；三是突然性，许多存在 较大残留空洞的浅部老采空区，其失稳破坏常常是突然性的，其塌陷时间难以 准确预计；四是长期性，指老采空区的“活化”是一个长期的过程，可能在采 后几年或几十年甚至上