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1、边坡稳定性分析报告斜（边）坡稳定性分析方法综述摘要斜坡稳定性分析方法目前主要分为定性类方法、定量类方法和非确定性方法。定性类方法和定量类方法都比较成熟，尤其以定量类方法（刚体极限平衡法和有限单元法等数值计算方法）运用较多；而非确定性方法虽然方法较多，但目前使用相对较少。本文主要介绍三类分析方法中的一些具体方法及其原理，并对三类方法的特征及优缺点进行简单评价。关键词斜坡稳定性分析,定性类方法,定量类方法,非确定性方法ABSTRACTNowadays,themethodsevaluatingslopestabilityaremainlydividedintoqualitativemethods,q
2、uantitativemethodsandnondeterministicmethods.Qualitativemethodsandquantitativemethodsarebothcomparativelymature,andespeciallyquantitativemethodsrigidequilibriumlimitmethodandnumericalcomputationmethodssuchasfiniteelementmethodarewidelyemployed;whilealthoughtherearemanykindsofnondeterministicmethods,
3、theyarecomparativelylessemployed.Thepapermainlyintroducessomespecificmethodsandtheirtheoriesofthethreeevaluatingmethods,andshortcommentsaremadeonthecharacteristics,meritsanddemeritsofthethreeevaluatingmethods.KeyWordsslopestabilityanalysis,qualitativemethods,quantitativemethods,nondeterministicmetho
4、ds1引言斜坡是指地壳表面一切具有侧向临空面的地质体。斜坡的变形破坏过程和它所造成的不良地质环境均可对人类工程活动带来十分严重的危害，并且还可能引起生态环境的失调和破坏，造成更大范围和更为深远的影响。据国土资源部网站资料，我国的滑坡、崩塌、泥石流等斜坡地质灾害正随着工程建设和资源能源的开发而加剧，每年由此造成的损失近300亿元。近10年来，全国有400多个市县受到斜坡地质灾害的侵害，在全国铁路沿线分布的大中型滑坡达1000余处，平均每年中断交通运输44次。全国有近千座水电站及数百座水库受到崩塌、滑坡和泥石流灾害的严重威胁。目前研究斜坡稳定性的方法主要有三大类，即定性类方法、定量类方法和非确定性
5、方法。定性类方法主要有过程机制分析法和工程地质类比法，定量类方法主要有刚体极限平衡法和有限元等数值分析法，非确定分析方法较多，主要为可靠度法及与计算智能相结合的智能分析方法等新方法。考虑到目前定性类方法和定量类方法较为成熟且运用较多，故本文介绍一个采用有限元强度折减法计算斜坡稳定性系数的案例。对于非确定分析方法则针对某些具体方法介绍其原理。2定性类方法斜坡稳定性的定性类方法主要有过程机制分析法和工程地质类比法。2.1 过程机制分析法过程机制分析法应用斜坡变形、破坏的基本规律，通过追溯斜坡演变的全过程，对斜坡稳定性发展的总趋势和区域性特征作出评价和预测。过程机制分析法主要包括1根据阶段性规律预测
6、斜坡所处演变阶段和发展趋势，2根据周期性规律判定促进斜坡演变的主导因素，3根据区域性规律阐明斜坡稳定性分区特征。2.1.1 阶段性规律斜坡可能具有的变形形式和破坏方式与斜坡外形特征、地质结构以及所处环境之间是密切相关的。对于一个具一定外形和结构特征的斜坡，可以应用赤平投影方法综合分析坡体中起控制作用的结构面或软弱带的空间组合状况，即可大致确定斜坡的类型和可能的变形机制及破坏方式。明其形成演变机制，即可参照各类变形模式演变图式和阶段划分的地质依据，确定斜坡所处演变阶段。对于一些重要的边坡，通过现场调研，查明斜坡类型和变形机制模式，建立相应的力学和数学模型，采用物理和数值再现模拟，将模拟成果与实际
7、调查情况进行对照，则可对斜坡目前的演变阶段和发展趋势作出评价和预测。2.1.2 周期性规律促进斜坡变形破坏的各种因素，在地质历史进程中都有其各自的周期性变化规律。例如地震的周期性出现以及气象、水文动态的季节性变化和多年变化等。因而斜坡演变也会具有周期性变化规律，并受到主导因素的周期性变化规律所制约。追溯斜坡演变过程中的周期性规律，可以判定不同时期促进斜坡演变的主导因素。2.1.3 区域性规律在地质条件、地貌条件以及气候条件相似地区，斜坡演变规律会有相似性。斜坡演变的区域性规律，实际上决定于动力环境的形成和演变特征。在进行区域评价时，应注意环境动力因素的演变对斜坡演变的影响。对于近期地质构造活动
8、，可以表现在地区近期的升降特征、地区构造最大主压应力方向及其变化、活断层断面特征及活动方式。2.2 工程地质类比法工程地质类比法是指把所要研究的边坡与已取得勘察资料、建筑经验地质条件类似的边坡进行对照，并作出工程地质评价的方法。主要是对已有边坡的岩性、结构、自然环境、变形主导因素和发育阶段等作全面分析，并与拟建边坡作出相似性的比较，评价拟建边坡的稳定性和发展趋势。例如从失稳边坡与稳定边坡在地貌上不同的特征来判断边坡的演变和稳定性；从边坡的结构和作用等因素的组合来判断边坡稳定性的变化趋向等。2.2.1 边坡稳定条件形态对比法稳定边坡形成要素一般有如下规律性，对于待分析边坡可与之相比较并初步判断该
9、边坡是否稳定。1）自然斜坡外形受地质构造、岩性、地下水赋存情况等因素影响。因重力作用，通常稳定的高边坡较稳定的低边坡平缓。2）影响边坡的重力、岩性、岩体结构、气候等因素相同时，人工边坡较自然边坡可维持较陡的坡度。3）研究表明，对于同一种斜坡的稳定自然边坡高度H和坡面投影长度L存在基函数关系HaLbo参数a,b的取值与岩性有关。在双对数坐标中，该幕函数关系拟合为直线，对不同类型边坡所绘制的直线大约会聚于点（H,L）（3050m,22800m）。2.2.2 边坡失稳条件对比法通过对拟建边坡进行长期观测和与邻近同类边坡的相似性对比，结合边坡出现的不利于稳定的地质条件，确定其对边坡稳定影响的程度，作出
10、稳定性判断。不利的地质条件主要如下1）边坡及其邻近地段滑坡、崩塌、陷穴等不良地质现象；2）岩质边坡中的泥岩、页岩等易风化、软化岩层或软硬交互的不利岩层组合；3）土质边坡中网状裂隙发育，有软弱夹层，或边坡体由膨胀岩土层组成；4）边坡存在外倾结构面；5）地层渗透性差异大，地下水在弱透水层或基岩面上积聚流动，断层及裂隙中有承压水露出；6）坡上有漏水，水流冲刷坡脚或因河水位急剧升降引起岸坡内动水压力的强烈作用；7）边坡处于强震区或邻近地段采用大爆破施工。2.3 定性类方法评价定性类方法建立在对斜坡变形、破坏的基本规律之上，并可结合大量已有边坡的工程经验，相对于定量类方法及非确定性方法而言具有简单、方便
11、的特点。然而定性类方法也有明显缺点。定性类方法考虑因素有限，得到的关于边坡是否稳定的结论也相对模糊。尤其不能精确考虑滑带土黏聚力、内摩擦角、岩土体容重、地下水动态以及人类工程活动等重要影响因素。事实上，受客观条件和人类认识自然能力的限制，上述因素还具有取值的不确定性和时间上的不稳定性。因此，定性类方法可以作为边坡稳定性分析的初步判定方法，尚需结合定量类方法或非确定性方法来综合判定得出结论。3定量类方法边坡稳定性分析的定量类方法主要有刚体极限平衡法和有限元法等数值方法。这些方法都以一个边坡稳定系数K作为边坡稳定性的评价。3.1 边坡稳定性系数的定义工程界广泛使用稳定系数来进行边坡的稳定性评价，稳
12、定系数大于1,则边坡是稳定的；小于1则是不稳定的；等于1时边坡处于临界状态。用定量类方法分析边坡稳定性时一般采用稳定系数，与安全系数（一般由规范规定）进行对比的方法来加以判断,当稳定系数大于安全系数时边坡安全稳定，否则就认为是不稳定、不安全的。目前边坡稳定系数的定义分为三种抗滑力和滑动力的比值定义法、强度折减系数定义法和超载系数定义法。3.1.1 抗滑力和滑动力的比值定义法稳定系数定义为滑坡体中滑动面上的抗滑力与滑动力之比KRS式中R坡体岩土提供的广义抗滑力，如抗剪强度、抗滑力、抗滑力矩等;S坡体岩土的广义滑动力，如剪应力、下滑力、滑动力矩等。根据沿滑裂面剪应力的计算方法，稳定系数的定义有如下
13、三种（1）基于应力水平的定义法当滑动面上一点的大小有效主应力差为l-3,以此为直径作莫尔圆，圆心保持不变，作一个与摩尔-库伦强度包络线相切的应力圆（破坏应力圆），响应的应力圆直径记为。1-o3f,则整个滑面的稳定系数定义为Kdll-3ol-3fdl（2）基于剪应力的定义法设c,为材料的黏聚力和内摩擦角，和n是滑动面上的剪应力和正应力，则整个滑面的稳定系数定义为Kcntandldl（3）基于应力水平加权强度的定义法Kcntandll-3l-3fcntandl式中各符号意义同上。3.1.2 强度折减系数定义法岩土坡沿某一滑裂面的稳定系数K定义为将岩土体的抗剪强度指标降低为c水，tan/K,当沿着此
14、滑裂面的岩土体处处达到极限平衡时对应的折减系数K即为稳定系数（也称为材料强度储备系数）。3.1.3 超载系数定义法超载法是在假定边坡岩体强度参数不变的前提下，逐级增加荷载，把边坡临界失稳相应荷载与边坡正常工作荷载之比定义为稳定系数。超载法通过不断增加荷载，直至边坡达到破坏，相应的破坏荷载Pf与坡顶建筑物的实际荷载PO的比值即为稳定系数KPfPO3.2刚体极限平衡法3.2.1刚体极限平衡法概述刚体极限平衡法是将边坡稳定问题当作刚体平衡问题来研究，它具有以下基本假定（1）视岩土体为刚体，即只考虑破坏面上的极限平衡状态，不考虑岩土体变形；（2）遵循库仑判据，破坏面上强度由c、控制；（3）应力集中,即
15、滑体中应力以正应力和剪应力方式集中作用于滑面上；（4）针对平面稳定问题，即边坡走向与或滑动面走向的夹角在20。以内。在稳定性分析中，对于仅有单一滑面的简单边坡，根据基本假设完全可以确定稳定性分析中所出现的未知数。但在复杂状态下，亦即边坡体被分割成几何形态比较复杂的岩土块，这时只凭刚体极限平衡法中的基本假定已无法确定数目较多的未知数。须在基本假设之外再增添若干补充假定，例如岩土块间接触面上作用力的方向、作用力的位置等。由于分析的观点不同，采用补充假定的方式也不同，因此刚体极限平衡法派生出各种不同类型的解法。刚体极限平衡法的关键在于确定边坡岩土体的强度指标、边坡滑动面的形状及其位置、安全系数。3.
16、2.2刚体极限平衡法的基本方法刚体极限平衡法中最基本的方法为瑞典条分法。瑞典条分法的剪切面假定为圆弧，计算中不考虑分条间的作用力，因此稳定系数可以根据绕圆心的抵抗力矩与滑动力矩的比值来确定，且每个分条底部的反力可以直接由该分条上的荷载算出。由于瑞典条分法假定简单，计算结果与实际情况出入较大，因此有许多改进的条分法，例如考虑分条间推力方向的传递系数法。传递系数法示意图传递系数法有两个基本假定1）每个分条范围内的滑动面为一直线段，整个滑体是沿折线滑动；2）分条间的反力平行于该分条的滑动面，且作用点在分隔面的中央。计算各分条在重力、滑动面上的孔隙水压力、水平作用力、滑动面上的摩擦力、黏聚力，以及上一条分传递的推力作用下，对下一条分的推力作用Ei。各分条的条间推力乘以
