邊坡穩(wěn)定性分析方法及其應(yīng)用綜述

邊坡穩(wěn)定性分析方法及其應(yīng)用綜述第1頁，共17頁，2023年，2月20日，星期四邊坡穩(wěn)定性分析方法發(fā)展歷史主要分析方法各分析方法在邊坡穩(wěn)定性分析的應(yīng)用展望01020304第2頁，共17頁，2023年，2月20日，星期四雙擊此處添加文字邊坡穩(wěn)定性分析方法及其綜述一、邊坡穩(wěn)定性分析方法發(fā)展歷史邊坡穩(wěn)定問題是巖土工程中一個很重要的問題,正確評價邊坡的穩(wěn)定性,對于確保生產(chǎn)建設(shè)和人民財產(chǎn)安全具有重要的意義。隨著現(xiàn)代科學技術(shù)的發(fā)展，對邊坡穩(wěn)定性的研究已然形成了一個專門性的應(yīng)用研究課題，并且得到良好的發(fā)展。自新中國成立以來，我國對邊坡穩(wěn)定性研究大致可分為以下3個階段：

第一階段(20世紀50年代)：是從研究鐵路路塹邊坡和引水渠道邊坡開始的。當時主要是對人工邊坡的類型進行劃分，采用工程地質(zhì)類比法給出穩(wěn)定邊坡角，作為邊坡設(shè)計的依據(jù)。

第二階段(20世紀60年代)：開始形成巖體結(jié)構(gòu)的觀點。劃出了邊坡巖體結(jié)構(gòu)的類型，提出了實體比例投影方法，用以進行塊體破壞的計算，判別邊坡的穩(wěn)定性，同時開展大型野外巖體力學試驗，在邊坡穩(wěn)定計算方面也有了很大進展。第3頁，共17頁，2023年，2月20日，星期四雙擊此處添加文字邊坡穩(wěn)定性分析方法及其綜述

第三階段(20世紀70年代以來)：開始研究邊坡變形破壞機理。在計算方面，不僅應(yīng)用極限平衡原理，還應(yīng)用彈塑性力學理論，并且隨著計算機的發(fā)展，廣泛采用有限單元法來分析邊坡變形破壞條件及評價邊坡的穩(wěn)定性。同時，運動學方法，包括離散單元法、DDA法、數(shù)值流形方法、FLAC法等也得到了廣泛應(yīng)用。近幾年，模糊數(shù)學、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、灰色理論、突變理論、分形理論、混沌等也逐漸被應(yīng)用到邊坡穩(wěn)定分析領(lǐng)域。第4頁，共17頁，2023年，2月20日，星期四雙擊此處添加文字邊坡穩(wěn)定性分析方法及其綜述二、主要分析方法

2.1傳統(tǒng)極限平衡法目前，傳統(tǒng)極限平衡法是工程中用于邊坡穩(wěn)定分析最常用的方法，該方法以摩爾一庫侖的抗剪強度理論為基礎(chǔ)，將滑坡體劃分為若干垂直土條，建立作用在這些垂直土條上的力的平衡方程式，求解安全系數(shù)，即通常所說的條分法。

對于該方法，從以下三方面進行了簡化：1、對滑裂面的形狀作出假定，如假定滑裂面形狀為折線、圓弧、對數(shù)螺旋線等；2、放松靜力平衡要求，求解過程中僅滿足部分力和力矩的平衡要求；3、對多余未知數(shù)的數(shù)值或分布形狀作假定。顯然，這三個簡化條件弱化了條分法的嚴密性。不少學者對條分法作了一些改進，主要體現(xiàn)在以下兩個方面：1、探索最危險滑弧位置的規(guī)律；2、對基本假定作了修改和補充。第5頁，共17頁，2023年，2月20日，星期四雙擊此處添加文字邊坡穩(wěn)定性分析方法及其綜述二、主要分析方法

2.1傳統(tǒng)極限平衡法畢肖普法引入安全系數(shù)定義的改變，畢肖普等將土坡穩(wěn)定安全系數(shù)定義為沿整個滑裂面的抗剪強度與實際產(chǎn)生的剪應(yīng)力之比。這就使安全系數(shù)的物理意義更明確，而且使用范圍更廣泛。對于最危險滑弧的確定，泰勒圖表法較普遍，成都科大的張?zhí)鞂氃诖嘶A(chǔ)上建立了簡單土坡穩(wěn)定安全系數(shù)與滑動圓弧位置之間的函數(shù)關(guān)系。另外，為了彌補條分法中對多余未知量所作假定的任意性，Morgenstern—Price、Janbu等學者提出了土條側(cè)向面不應(yīng)發(fā)生剪切和拉伸破壞的合理性假定。1973年，Janbu針對滑動面為非圓弧的情況，提出了邊坡穩(wěn)定分析的普遍條分法；Morgenstern—Price法是唯一在滑裂面的形狀、靜力平衡要求、多余未知數(shù)的選定各方面均不作假定的嚴格方法。第6頁，共17頁，2023年，2月20日，星期四雙擊此處添加文字邊坡穩(wěn)定性分析方法及其綜述二、主要分析方法

2.1傳統(tǒng)極限平衡法此外，極限平衡的其他計算方法還有斯賓塞法、沙爾瑪法、不平衡推力傳遞法等，極限平衡法滿足力和力矩平衡、摩爾一庫侖破壞準則和應(yīng)力邊界條件，未考慮土體本身的應(yīng)力一應(yīng)變關(guān)系。近年來，有限元法迅速發(fā)展，利用有限元法，考慮到土的非線性本構(gòu)關(guān)系，求出每一計算單元的應(yīng)力及變形，根據(jù)不同的強度指標確定破壞區(qū)的位置及破壞范圍的擴展情況，并設(shè)法將局部變形與整體破壞聯(lián)系起來，求得合適的臨界滑裂面位置，再根據(jù)極限平衡分析可推求整體安全系數(shù)。第7頁，共17頁，2023年，2月20日，星期四雙擊此處添加文字邊坡穩(wěn)定性分析方法及其綜述二、主要分析方法

2.2數(shù)值分析法隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值分析方法也被廣泛應(yīng)用于邊坡穩(wěn)定分析當中。主要包括：有限差分法、有限單元法、離散單元法、拉格朗日元法、非連續(xù)變形分析方法、流形元法和幾種半解析元法等。

1、有限差分法是用差分網(wǎng)格離散求解域，將工程問題的控制方程轉(zhuǎn)化為差分方程，然后結(jié)合初始及邊界條件，求解線性代數(shù)方程組，得到工程問題的解。

2、有限單元法是將分析域離散成有限個只在結(jié)點相聯(lián)結(jié)的子域，即有限元，然后在單元中采川低階多項式插值，建立單元特性矩陣，再利用能量變分原理集合形成總特性矩陣，最后結(jié)合初始及邊界條件求解，這是一種化整為零，由零及整的方法。第8頁，共17頁，2023年，2月20日，星期四雙擊此處添加文字邊坡穩(wěn)定性分析方法及其綜述二、主要分析方法

2.2數(shù)值分析法

3、離散元法以受節(jié)理切割成離散的塊體為出發(fā)點，塊與塊之間在角和面上的接觸處有相互作用；離散元法常應(yīng)用于應(yīng)力水平不高的情況，塊體的彈性變形可以不計而將其視為剛性塊體；根據(jù)巖塊的幾何形狀及其鄰接塊體的關(guān)系，建立運動方程，采用以時步漸進迭代的動態(tài)松弛顯示解法，求出每一時步塊體位置和接觸力，反復迭代直至平衡狀態(tài)。離散元法也可考慮塊體本身的彈性變形，稱為變形離散元法。

4、拉格朗日法是一種分析非線性大變形問題的數(shù)值解法，它以連續(xù)介質(zhì)力學為基礎(chǔ)，利用差分格式，按時步積分求解，隨著構(gòu)形的變化不斷更新坐標，允許介質(zhì)有大的變形。第9頁，共17頁，2023年，2月20日，星期四雙擊此處添加文字邊坡穩(wěn)定性分析方法及其綜述二、主要分析方法

2.2數(shù)值分析法

5、非連續(xù)變形分析法是一種分析非連續(xù)節(jié)理巖體的數(shù)值方法，它以塊體為單元，基于能量原理形成一個整體矩陣，用隱式方式求解。

6、流形元法以拓撲流形和微分流形為基礎(chǔ)，利用有限覆蓋技術(shù)把連續(xù)和非連續(xù)變形的計算統(tǒng)一到數(shù)值流形中。它可以計算塊體的變形和拉裂、裂縫的發(fā)展和開閉；從流形方法的一般有限覆蓋的觀點看，連續(xù)體的有限單元法和塊體系統(tǒng)的非連續(xù)變形分析方法都可以看成是流形元法的特例。

7、半解析元法是將解析法和數(shù)值法結(jié)合起來達到降維、減小計算量的目的，有時還可提高計算精度。常用的半解析元法有：有限條法、有限層法、有限線法和邊界元法。這些半解析元法是相對有限元法而言的，它不象有限元法那樣全域離散，而是在某個方向采用解析解的方法，利用解析解來降低維數(shù)，其他類同有限元法。第10頁，共17頁，2023年，2月20日，星期四雙擊此處添加文字邊坡穩(wěn)定性分析方法及其綜述二、主要分析方法

2.2數(shù)值分析法近20年來，由于計算技術(shù)和測量技術(shù)的迅速發(fā)展，動力分析法也發(fā)展較快，從最早的線性總應(yīng)力法，逐步發(fā)展為基于非線性有限單元法基礎(chǔ)的有效應(yīng)力動力分析方法和采用復雜彈塑性模型并考慮水土耦合作用的動力分析方法，從只能分析一維問題發(fā)展到能夠分析二、三維問題，從只能分析飽和土體發(fā)展到能夠分析多相非飽和土體。本構(gòu)模型也從早期的線彈性模型發(fā)展為粘彈性模型、彈塑性模型、邊界面模型、內(nèi)時模型和結(jié)構(gòu)面模型等。動力方程的計算方法也發(fā)展較快，出現(xiàn)了逐步積分法、振型迭加法、復反應(yīng)分析法、有限差分法子結(jié)構(gòu)法等方法。目前常用的動力分析方法主要有剪切梁法、集中質(zhì)量法和數(shù)值分析法等。若考慮孔隙水對土體動力性質(zhì)的影響，土體動力分析方法還可區(qū)分為總應(yīng)力法和有效應(yīng)力法。第11頁，共17頁，2023年，2月20日，星期四雙擊此處添加文字邊坡穩(wěn)定性分析方法及其綜述三、各分析方法在邊坡穩(wěn)定性分析中的應(yīng)用邊坡穩(wěn)定性的分析方法有很多，除上述介紹的基本方法外，還可將兩種或兩種以上的分析方法結(jié)合起來應(yīng)用，這些方法均取得了較好的效果。

3.1條分法與有限元法相結(jié)合到目前為止，在土坡穩(wěn)定分析的工程實踐中，多采用極限平衡法，對于粘性土邊坡的穩(wěn)定分析，一般采用條分法。當存在滲流作用時，工程上一般采用簡化方法忽略或粗略地計算地下水滲流的作用。在有些工程中，如基坑滲流場分布十分復雜，簡化方法僅在少數(shù)情況下可以應(yīng)用，當邊坡中的水頭差較大或采用降水措施時，滲流力的不利作用隨之增大，簡化方法計算結(jié)構(gòu)則脫離實際較遠，有時甚至得出錯誤的計算結(jié)果。由于滲流有限元能夠較為準確地模擬滲流場，因此將條分法和有限元法結(jié)合起來應(yīng)用于邊坡穩(wěn)定性分析，能夠發(fā)揮兩種算法的優(yōu)勢。第12頁，共17頁，2023年，2月20日，星期四雙擊此處添加文字邊坡穩(wěn)定性分析方法及其綜述三、各分析方法在邊坡穩(wěn)定性分析中的應(yīng)用

3.2人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法

由于邊坡系統(tǒng)是一個開放的復雜系統(tǒng)，邊坡巖體穩(wěn)定性狀況是多種因素非線性耦合作用的結(jié)果，其中巖石強度特性、巖體結(jié)構(gòu)、巖體風化作用和坡高是影響邊坡巖體穩(wěn)定性的基本因素，而水的作用、施工方式等構(gòu)成了邊坡巖體穩(wěn)定性的誘發(fā)因素。這些因素有的是確定性的，但大部分具有隨機性、模糊性、可變性等不確定性特點，它們對不同類型邊坡巖體穩(wěn)定性的影響權(quán)重是變化的，這些因子之間具有復雜的非線性關(guān)系。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，具有自學習、自組織聯(lián)想記憶能力和強容錯性，為邊坡穩(wěn)定性智能化研究奠定了可靠基礎(chǔ)。在綜合分析邊坡巖體變形失穩(wěn)破壞模式及其影響因素的基礎(chǔ)上，提出了表征邊坡巖體穩(wěn)定性分析的復合指標，根據(jù)國內(nèi)在各種類型巖體及巖體結(jié)構(gòu)中已經(jīng)成功建造的水電工程邊坡穩(wěn)定狀況等41個實例為學習樣本，討論了運用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法預測邊坡巖體穩(wěn)定性的有效性。第13頁，共17頁，2023年，2月20日，星期四雙擊此處添加文字邊坡穩(wěn)定性分析方法及其綜述三、各分析方法在邊坡穩(wěn)定性分析中的應(yīng)用

3.3非飽和土強度理論應(yīng)用我國南方地區(qū)廣泛分布著殘積土、膨脹土等粘土。該地區(qū)的山地或人工邊坡在雨季常發(fā)生失穩(wěn)破壞，而且以淺層滑坡為多見。由于近地表淺層土多為非飽和粘性土，氣候變化對其力學性狀有很大的影響。每年雨季，降雨雨水入滲使土體飽和度增大，含水量增加，引起土體抗剪強度大幅下降。在分析了殘積土、膨脹土等邊坡在降雨入滲情況下抗剪強度降低的主要原因后，探討了現(xiàn)有的考慮雨水入滲影響的邊坡穩(wěn)定分析方法，運用非飽和土強度理論，提出非飽和土等效凝聚力新概念，從而可方便地使用常用的畢肖普法等極限平衡法進行考慮雨水入滲影響的邊坡穩(wěn)定分析計算。第14頁，共17頁，2023年，2月20日，星期四雙擊此處添加文字邊坡穩(wěn)定性分析方法及其綜述三、各分析方法在邊坡穩(wěn)定性分析中的應(yīng)用

3.4運動單元法邊坡安全系數(shù)的計算是基于所確定的最危險滑動面求得的，安全系數(shù)求解的關(guān)鍵問題是確定塑性滑動區(qū)和最危險的滑動面。對于幾何形狀多變、介質(zhì)組成復雜和影響因素較多的邊坡穩(wěn)定性分析，目前多對實際問題作大量的簡化得到基于經(jīng)驗或半經(jīng)驗的最危險的滑動面。相應(yīng)求得的邊坡安全系數(shù)偏大，計算誤差難以估計，影響最終結(jié)論的可靠性。巖土工程極限分析運動單元法由PeterGussmann教授在20世紀80年代創(chuàng)立，這種塑性極限數(shù)值分析方法主要針對巖土這類摩爾一庫侖介質(zhì)。運動單元法認為，對于所有假設(shè)塑性滑動區(qū)和最危險滑動面，真正的最危險塑性區(qū)和滑動面對應(yīng)的安全系數(shù)最小。該方法通過嚴格的自動搜索過程尋找滿足約束方程和邊界條件的最小安全系數(shù)并確定塑性滑動區(qū)和最危險滑動面，根本上提高了巖土工程極限分析結(jié)果的精度與可靠性，具有嚴格的數(shù)學力學基礎(chǔ)，適用于各類地質(zhì)條件、巖性和幾何形狀復雜的巖土工程的極限分析。第15頁，共17頁，2023年，2月20日，星期四雙擊此處添加文字邊坡穩(wěn)定性分析方法及其綜述三、各分析方法在邊坡穩(wěn)定性分析中的應(yīng)用

3.5基于地質(zhì)力學模型的概化方法大量的工程實例表明，傾倒破壞通常發(fā)生于層狀結(jié)構(gòu)的巖質(zhì)邊坡中，其典型的結(jié)構(gòu)特征為巖層層面與邊坡走向一致但傾向相反。如果同時存在一組或多組順坡向的節(jié)理將巖層切割成離散的塊體，則更容易發(fā)生此種類型的破壞。這類邊坡的失穩(wěn)形式與邊坡剪切滑動破：在邊界條件、變形特征和力學機制上有著很大的差異，因此，對傾倒破壞邊坡穩(wěn)定分析和評價也不同于常規(guī)的分析方法。

Goodman和Bray首先建立了單塊巖柱在傾斜平面上的穩(wěn)定、滑動和傾倒的判據(jù)，提出了邊坡傾倒破壞的極限平衡法，該方法目前已經(jīng)在實際工程中得到了初步的應(yīng)用。應(yīng)用巖體結(jié)構(gòu)面網(wǎng)絡(luò)模擬原理，提出了一種邊坡傾倒破壞地質(zhì)力學模型的概化方法，并對Goo