岩土工程稳定性-边坡稳定性分析方法综述资料

1、边坡稳定性分析方法综述(zngsh) 共三十页 在工程实践中，可能遇到各种不同类型(lixng)、不同边界条件的滑动变形边坡，为了评价其稳定性，可以采用不同的计算和评价方法。边坡评价的方法，可以概括为三大类：定性评价、定量评价及不确定性分析方法。 定性评价是定量评价的地质基础，定量评价是定性评价的补充和完善。 由于地质条件的复杂性，在实际评价边坡稳定性时，定性与定量应结合使用，互为补充。当前定量评价方法已有多种，并还在不断发展与完善，但各种新的定量分析方法也给定性分析提出了更高的要求。共三十页评价(pngji)方法定量分析(dnglingfnx)定性分析自然(成因)历史分析法工程类比法边坡稳定

2、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 边坡稳定性分析评价方法概述(1/19)不确定性分析方法模糊综合评价法概率统计分析法共三十页 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(fnx)，对己变形地质体的成因及其演化史进行分析(fnx)，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)

3、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 2.1 边坡稳定性分析(fnx)评价方法概述(2/19)共三十页自然历史分析法（也称成因历史分析法） 通过研究边坡的形成历史和所处的自然地质环境、它的变形和物质组成、变形破坏行迹，以及影响边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做出评价和预测。 主要是针对已有多年历史的边坡，其主要研究内容如下：研究组成边坡的物质介质及其特征，包括岩土类型及性质、岩体结构特征等。对已有的边坡变形作深入仔细的研究，包括变形部位、变形类型及形成机理等。分析边坡所处地区自然地理条件的变化，包括季节性雨期、周期性地

4、震、地表水的变化等。联系边坡变形破坏的历史，确定促使边坡稳定性发生变化的主导因素，从而判断边坡稳定现状和发展趋势。成因历史分析法不仅(bjn)能判定边坡稳定现状，也能对边坡稳定性演化做出预测，并能为定量的力学计算方法确定边界条件和选用参数，为工程地质类比法提供比拟依据。因此，成因历史分析法是各种分析方法的基础。 共三十页工程地质类比法 是将已有边坡同新边坡进行类比，将前者的研究设计经验用于拟建边坡的研究设计中去。为此，需对要类比的两个边坡全面分析研究其工程地质条件和影响边坡稳定的各种因素，并考虑采矿技术条件，比较(bjio)其相似性和差异性。只有相似程度较高的边坡才能进行类比，即类比的原则是相

5、似性。 工程地质类比法虽然是一种经验方法，但在新边坡的设计中，特别是对中小型边坡的设计时通常采用的一种方法。这种方法可以根据边坡的岩性、构造、岩体结构、水文地质条件、坡高等相似性，从经验数据中选取合理的边坡角；根据岩性和岩体结构的相似性，从经验数据中选取稳定计算参数；根据自然条件相似的边坡破坏实例，反算推求边坡稳定性的计算参数，预测新边坡的变形破坏形式和发展变化规律以及根据相似边坡的整治经验，提出边坡整治措施。共三十页图解法 包括赤平极射投影、实体比例投影与摩擦圆等方法(fngf)。 图解法的优点是能快速、直观地分辨出控制边坡稳 定性的主要和次要结构面，确定出边坡结构的稳定类型，判定不稳定块体

6、的形状、规模及滑动方向。对用图解法判定为不稳定的岩质高边坡，需进一步用计算加以验证。 共三十页赤平极射投影法 赤平极射投影是表示物体的几何要素，或点、线、平面的空间方向和它们之间的角距关系的平面投影。 利用赤平极射投影分析边坡稳定性时，首先要调查统计岩体节理裂隙，掌握比较发育和贯通性强的结构(jigu)面，特别是软弱结构(jigu)面的产状特征。如果软弱结构(jigu)面比较明显，就需将其画在赤平投影图上，并结合边坡面在赤平投影图上的位置，分析边坡的稳定性。 赤平极射投影法能有效地定性评价边坡的稳定性和滑动形式，但不能表示出软弱结构面在边坡上的具体位置及滑动体的大小和形态特征。为此，以赤平极射

7、投影为基础，尚需采用实体比例投影方法。 近年来，由于工程地质学科的发展，使赤平极射投影法得到了更广发的应用。利用岩体结构面的赤平极射投影，再辅以作用力的矢量图，形成了一整套分析岩体稳定性的方法。对边坡来说，可用于分析除圆弧滑面外的多种几何形态滑体的稳定性。共三十页边坡稳定专家系统 该系统是一种计算机程序分析法，以专家的水平完成复杂的边坡稳定分析。它把一般的模拟人类的解题策略(cl)与边坡稳定问题所特有的大量实际知识和经验结合起来。 工程地质领域最早研制出的专家系统是用于地质勘察的专家系统Propecter，由斯坦福大学于70年代中期完成的。另外，MIT在80年代中期研制的测井资料咨询的专家系统

8、也得到成功地应用。 在国内，许多单位正在进行研制，并取得了很多的成果。专家系统使得一般工程技术人员在解决工程地质问题时能象有经验的专家给出比较正确的判断并做出结论，因此，专家系统的应用为工程地质的发展提供了一条新思路。 共三十页2、定量分析法严格地讲，边坡稳定性分析(fnx)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(fnx)方法。常用的边坡稳定性分析(fnx)方法土要有下述几种：（1）极限平衡分析法（2）数值分析方法2.1 边坡稳定性分析评价方法(fngf)概述(3/19)共三十页(1)极限平衡法块体极限平衡法（经典极限平衡法）块体极限平衡法是当前(dngqin)国内外应用最广

9、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，从而求出边坡稳定系数.2.1 边坡稳定性分析(fnx)评价方法概述(4/19)共三十页基本思路：首先，确定滑动面的位置和形状。实际的滑动面将取决于结构面的分布、组合关系(gun x)及其所具有的剪切强度。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

10、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。2.1 边坡稳定性分析评价方法(fngf)概述(5/19)共三十页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(gngsh)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

11、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（.Fellenius，1963）、Bishop法（.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2.1 边坡稳定性分析评价(pngji)方法概述(6/19)共三十页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

12、，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(zuyng)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的平衡条件，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。根据所

13、用假设的不同，又分Morgenstern-Price法、Spencer法、Janbu法等.2.1 边坡稳定性分析评价(pngji)方法概述(7/19)共三十页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。块体极限平衡法的缺点(qudin)： 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。 难以分析岩土体从变形到破坏的发生发展全过程; 难以考虑累进性破坏对岩土体稳定性的影响。2.1 边坡稳定性分析(fnx)评价方法概述(8/19)共三十页 弹塑性极限平衡分析法 弹塑性极限平衡法从分析边坡体的应力和变形入手，由边坡体的应力

14、和变形特征来确定边坡体的极限平衡状态，从而避免对边坡体最小安全系数的反复计算及比选，达到减少工作量和提高准确率的目的。 弹塑性极限平衡法中采用强度折减法，即逐渐降低材料强度(即降低材料抗剪强度参数c和 的方法来逼近系统的极限平衡状态，并以屈服区的贯通来表征极限平衡状态的到达，把材料强度折减系数(Zi)定义为系统的整体稳定安全系数(Fs)。在地质条件、材料参数、屈服准则和本构关系正确的前提下，能够保证由此得到的稳定安全系数为真实(zhnsh)稳定安全系数的下限。 弹塑性极限平衡法不必假设土条间的作用力和破坏面的位置和形状，因此，该方法能处理复杂几何轮廓和边界条件，有广泛的适用性和良好的应用前景。

15、 共三十页优势面理论分析法及其发展应用 采用优势面理论分析法可确定岩坡的控稳优势面，并进行优势面组合分析 ，找出其试算安全系数最小的优势分离体，确定边坡破坏模型，并采用极限平衡分析法分析计算优势分离体的安全度及边坡稳定安全系数，以此判断边坡整体稳定状况 ，从而克服和弥补经典极限分析法中要假定滑动面、反复计算 比选最小的安全系数及相应的滑动面的不足(bz)，提高了最小安全系数的可靠性。 在采用优势面理论分析法时，在确定控稳优势面时，一般首先要通过野外地质调查来对研究体内的结构面加以分类，确定各候选优势面的综合权重值，还需进一步确定优势面的力学参数，所有这些过程都或多或少的带有经验性，都要不同程度

16、的受到主观性的影响，但恰恰这两方面是确定其分析结果可靠程度的关键问题，因而优势面理论分析法存在一定的缺陷性 。因此，优势面理论分析法中引入了层次分析法，在一定程度上提高了控稳优势面的选定客观性。共三十页2.1 边坡稳定性分析评价方法(fngf)概述(9/19)(2)数值分析方法 大致可以(ky)分为两大类： 第一类是基于连续介质的应力应变分析方法，这类方法包括有限元、边界元、拉格朗日元等，它们具有强大的处理复杂几何边界条件和材料非线性特征的能力。同时，也可以模拟有限条数的岩体结构面。这些方法在固体和流体的各个领域都有广泛的应用，是理论体系比较严格也比较成熟的一种方法； 另一类方法是基于非连续介

17、质的应力应变分析方法。众所周知，岩体是由结构面切割的不连续介质。尽管有限无能够通过设置界面单元来模拟这些结构西，但是当这些界面很多时，也会出现模拟大变形和收敛性能方面的问题。近期，在非连续介质应力应变分析方面发展了一系列新的方法，如离散元、界面元、DDA、流形元等，为研究类似岩体这样的非连续介质提供了很好的手段。这些方面具有强大的处理非连续介质和大变形的能力，不仅能够比较真实地模拟结构加荷破坏全过程的应力应变性状，而且还可以动画形式提供边坡以后的塌落、崩解过程。 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

18、程组的问题得到解决，这是历史性的大变革。 总结起来，数值分析（应力应变分析）方法主要包括有限单元法、边界元法、FLAC法、离散元法、DDA法等等，其中有限元法应用比较广泛。共三十页（1）有限元(FEM)法 有限元法在边坡岩土体的稳定性分析中得到最早(1967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SAP2000，ANIMA，ANSYS等，可以用来求解弹性、弹塑性、粘弹龌性、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

19、了极限平衡分析法中将滑体视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郎位和需要首先进行(jnxng)加固处理的部位等。 不足：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。共三十页（2）边界元(BEM）法 边界元法是70年代发展起来的一种数值方法，于1976年被应用到分析层状岩体的开挖稳定问题中。边界元法和有限元法都是解决边坡问题的数值方法，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(duncn

20、g)、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。共三十页（3）快速Lagrangian分析(FLAC)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FLAC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(linx)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已有不少商用程序，它无需建立刚性矩阵，所需内存少，时间少，但也有不足之处。（4）共三十页（4）离散元(DEM)法 是一种动态

21、的数值分析方法，可以用来模拟(mn)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，以分离的块体为出发点，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。共三十页（5）不连续变形分析(fnx)(DDA) DDA是于8

22、0年提出的一种新的数值方法。该方法用一种类似干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，DDA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。DDA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，性质极为复杂，计算时步的大小对结果影响很大，且需耗用

23、大量的计算机内存及计算时间。共三十页数值计算方法的各种( zhn)方法比较共三十页续上表(shn bio)：共三十页（3）不确定性分析方法 模糊综合评价法 模糊综合评价法是把模糊评判和层次分析相结合进行滑坡综合评价的一种方法. 主要方法：在地质勘察(knch)的基础上，分析影响边坡稳定的各种因素，采用层次分析法将各种因素划分层次，建立递阶关系，求出各类指标对边坡稳定性的影响程度。最后用模糊评判方法的最大隶属原则进行选择 ，把边坡分成稳定 、较稳定 、较不稳定及不稳定等几个等级。共三十页概率统计分析法的应用及其发展 常用的概率统计方法有解析法、精确的蒙特卡罗模拟。 解析法一般根据抗剪强度的分布概

24、率，通过解析表达式分析计算边坡稳定性系数K的分布，判断边坡的稳定状况。 蒙特卡罗模拟法是通过抗剪强度参数的均匀分布随机数 ，取得参数的正态分布抽样，进而模拟K值的分布，并计算 K1的概率。 可靠性概率分析理论在边坡工程中得到了广泛的应用。近年来发展起来 的方法很多 ，如近似的一阶二次矩法 (简称 FOSM)、Rosenblue方法及改进一阶二次矩法Hasofer-lind(H-L )法、Rackwitz-Fiessler(R-F)法等 ，多是以极限状态方程具有明确的解析表达式为基础。但边坡作为一个动态系统 ，涉及边坡稳定性的因素很多 ，即确定边坡稳定状况的随机变量很多 (如坡高、坡脚 、内聚力

25、、内摩擦角、容重 、孔隙水压力等)，其失效模式形式很多，对失效函数值的求解一般采用有限元分析法进行 ，因而基本随机变量不存在明确的表达式 。可靠性响应 面法作为对诸多随机变量 的一种有效 的可靠性解法，解决 了这一问题。 概率统计方法事先确定的自变量序列是否齐全，其值是否准确，或是否能真正反映边坡稳定状况 收集的观测点是否有代表性等，许多因素限制(xinzh)分析结果的准确性，而且其预测结果大多以用区间反映的边坡破坏概率来表示，也具有定性定点共三十页四、边坡稳定性评价方法发展趋势 (1)从分析方法上来说，目前在工程中用于边坡稳定性分析的常规方法很多 ，把某两种或几种方法综合运用于边坡稳定性分析之中，有助于相互比较，成为目前评价边坡稳定性的普遍方法及发展趋势。另外，对如何更接近边坡系统的实际特征，比较准确地确定潜在滑动面位置及其形态等，国内外学者提出了传统方法的很多改进算法。例如，为了准确描述复杂的非线性边坡特征，在基于改进BP神经网络算法和常规SVR算法的基础上，Scholkopf B于2000年提出了基于一种改进支持向量机算法 ( SVR)的边坡稳定性预测方法。 同时，近年来兴起许多(xdu)新的理论和评价方法，各种方法耦合，以及由二维分析向三维分析