邊坡穩(wěn)定性分析方法

工程地質(zhì)類比法

工程地質(zhì)類比法，又稱工程地質(zhì)比擬法，屬于定性分析，其內(nèi)容有歷史分析法、因素類比法、類型比較法和邊坡評比法等。該方法主要通過工程地質(zhì)勘察，首先對工程地質(zhì)條件進(jìn)行分析。如對有關(guān)地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、地形地貌等因素進(jìn)行綜合調(diào)查、分類，對已有的邊坡破壞現(xiàn)象進(jìn)行廣泛的調(diào)查研究，了解其成因、影響因素、發(fā)展規(guī)律等；并分析研究工程地質(zhì)因素的相似性和差異性；然后結(jié)合所要研究的邊坡進(jìn)行對比，得出穩(wěn)定性分析和評價。其優(yōu)點(diǎn)是綜合考慮各種影響邊坡穩(wěn)定的因素，迅速地對邊坡穩(wěn)定性及其發(fā)展趨勢作出估計(jì)和預(yù)測；缺點(diǎn)是類比條件因地而異，經(jīng)驗(yàn)性強(qiáng)，沒有數(shù)量界限。在地質(zhì)條件復(fù)雜地區(qū)、勘測工作的初期、缺乏資料時，都常使用工程地質(zhì)類比法，對邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行分區(qū)并作出相應(yīng)的定性評價，因此，需要有豐富實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的地質(zhì)工作者，才能掌握好這種方法。

邊坡穩(wěn)定性圖解法

在邊被穩(wěn)定性分析中，常使用各種圖解法，它是屬于定性的方法，其優(yōu)點(diǎn)是簡單、直觀、快速；缺點(diǎn)是帶有一定的經(jīng)驗(yàn)性和概念性。因此圖解法常常用于規(guī)劃階段，或初步分析邊坡穩(wěn)定之用。用圖解法分析，發(fā)現(xiàn)有問題的邊坡應(yīng)用計(jì)算驗(yàn)證。圖解法分為諾模圖法和赤平投影圖法，諾模圖法利用諾模圖來表征與邊坡有關(guān)參數(shù)之間的定量關(guān)系，從而求出邊坡穩(wěn)定性系數(shù)、穩(wěn)定坡角和極限坡高，主要應(yīng)用于具有圓弧性破壞面的滑坡；赤平投影圖法利用赤平投影的原理，通過作圖直觀地反映出邊坡破壞的邊界，確定失穩(wěn)巖土體的規(guī)模形態(tài)及其可能變形滑動方向等，從而對邊坡穩(wěn)定程度作出初步分析，并為力學(xué)計(jì)算提供基礎(chǔ)，它主要用于巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性分析。王俊斌等在山西省平遙—榆社高速公路勘察中，運(yùn)用疊加了巖層產(chǎn)狀、路線走向、邊坡傾向、節(jié)理發(fā)育程度及地形坡向的玫瑰花圖，使得路基的高邊坡穩(wěn)定性分析變得簡明扼要，清晰地展現(xiàn)出各種結(jié)構(gòu)面、坡面及路線之間的角度關(guān)系，為分析基巖邊坡的穩(wěn)定性提供了有效的證據(jù)。節(jié)理玫瑰花圖解法無論是在滑坡路基、填方路基還是挖方路基邊坡穩(wěn)定性分析中，均簡潔明了、簡單易行，分析結(jié)果可信度高，在邊坡路基段勘探與穩(wěn)定性分析中應(yīng)加以推廣應(yīng)用。

塊體單元法

塊體單元法介于剛體極限平衡法和有限元法之間，兼有 2 者的優(yōu)點(diǎn)，工作量小，特別適用于如裂隙巖體那樣的非連續(xù)介質(zhì)問題，且塊體元的應(yīng)力精度與位移精度一致，因此按位移和應(yīng)力求出的穩(wěn)定安全系數(shù)比較接近。塊體單元法以塊體形心處的剛體位移作為基本未知量，即用分片的剛體位移模式逼近實(shí)際位移場，在塊體單元之間設(shè)“縫”單元，反映結(jié)構(gòu)的物理性質(zhì)。根據(jù)虛功原理求出各塊體形心處的剛體位移后，由縫單元 2 側(cè)塊體的相對位移確定縫面的變形和應(yīng)力。塊體單元法既保證了各塊條的力和力矩的平衡，又考慮了它們的變形。而且，塊體單元法可以反映非連續(xù)面 2 側(cè)位移和應(yīng)力可能不連續(xù)的特點(diǎn)，還提高了應(yīng)力精度，使穩(wěn)定安全系數(shù)的計(jì)算更為可靠，因此，塊體單元法特別適用于具有軟弱結(jié)構(gòu)面巖體的穩(wěn)定分析。 2100433B

邊坡的穩(wěn)定性通常以滑動面上的抗滑力(Fs)與滑動力(Fr)的比值，即抗滑穩(wěn)定性系數(shù)(η)來表示。這一比值越大，邊坡越穩(wěn)定；反之，邊坡越不穩(wěn)定。

評價邊坡穩(wěn)定性的常用方法有下列4類：

①定性分析法。通過對邊坡的尺寸和坡形、邊坡的地質(zhì)結(jié)構(gòu)、所處的地質(zhì)環(huán)境、形成的地質(zhì)歷史、變形破壞形跡，以及影響其穩(wěn)定性的各種因素的研究，判斷邊坡演變階段和穩(wěn)定狀況。

②極限平衡分析法。把可能滑動的巖、土體假定為剛體，通過分析可能滑動面，并把滑動面上的應(yīng)力簡化為均勻分布，進(jìn)而計(jì)算出邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)。

③數(shù)值分析法。利用有限單元分析法，先計(jì)算出邊坡位移場和應(yīng)力場，然后利用巖、土體強(qiáng)度準(zhǔn)則，計(jì)算出各單元與可能滑動面的穩(wěn)定性系數(shù)。

④工程地質(zhì)類比法。將所研究邊坡或擬設(shè)計(jì)的人工邊坡與已經(jīng)研究過的或已有經(jīng)驗(yàn)的邊坡進(jìn)行類比，以評價其穩(wěn)定性，并提出合理的坡高和坡角。。

邊坡破壞的類型很多，常見的是崩塌和滑坡。陡坡前緣部分巖、土體突然與母體分離，翻滾跳動崩墜崖底或塌落而下的過程和現(xiàn)象，稱為崩塌。邊坡部分巖、土體沿著先前存在的地質(zhì)界面，或新形成的剪切破壞面向下滑動的過程和現(xiàn)象，稱為滑坡。在邊坡破壞中，滑坡是最常見，危害最嚴(yán)重的一類。

所有的邊坡失穩(wěn)，均涉及到邊坡巖、土體在剪切應(yīng)力作用下的破壞。因此，影響剪切應(yīng)力和巖、土體抗剪強(qiáng)度的因素，都影響邊坡的穩(wěn)定性。例如，構(gòu)成邊坡巖、土體的工程地質(zhì)性質(zhì)及其變化；邊坡中斷層、層面、不整合面等不連續(xù)面的產(chǎn)狀與坡面傾向、傾角之間的關(guān)系；邊坡尺寸和形態(tài)的改變；坡腳遭受水的侵蝕或人工開挖；邊坡上天然或人工加載；邊坡巖、土體中地下水位的升降，以及地震和爆破引起的瞬時振動等，均會在一定程度上改變邊坡的穩(wěn)定性。。

邊坡穩(wěn)定性是指邊坡巖、土體在一定坡高和坡角條件下的穩(wěn)定程度。

不穩(wěn)定的天然斜坡和設(shè)計(jì)坡角過大的人工邊坡，在巖、土體重力，水壓力，振動力以及其他外力作用下，常發(fā)生滑動或崩塌破壞。大規(guī)模的邊坡巖、土體破壞能引起交通中斷，建筑物倒塌，江河堵塞，水庫淤填，給人民生命財(cái)產(chǎn)帶來巨大損失。

研究邊坡穩(wěn)定性的目的，在于預(yù)測邊坡失穩(wěn)的破壞時間、規(guī)模，以及危害程度，事先采取防治措施，減輕地質(zhì)災(zāi)害，使人工邊坡的設(shè)計(jì)達(dá)到安全、經(jīng)濟(jì)的目的。

滑坡是常見的地質(zhì)災(zāi)害，對人民的生命財(cái)產(chǎn)帶來巨大的損失和威脅。在山區(qū)，滑坡發(fā)生時，大塊體的滑動土體會導(dǎo)致河道的堵塞、對庫區(qū)產(chǎn)生巨大的涌浪，嚴(yán)重威脅下游的航道和下游人民的生命財(cái)產(chǎn)安全。公路的滑坡會導(dǎo)致交通中斷，造成交通安全隱患，等等。邊坡穩(wěn)定性是水利工程和巖土工程中的一個重要研究內(nèi)容。邊坡穩(wěn)定性對整個工程的安全度、可靠度以及社會經(jīng)濟(jì)效益都有重大的影響，因此深入掌握邊坡的失穩(wěn)規(guī)律，對邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行安全性評價，同時提出對應(yīng)的防治措施以避免出現(xiàn)滑坡等地質(zhì)災(zāi)害。邊坡穩(wěn)定受到人類活動、自然變化以及自身結(jié)構(gòu)影響。引發(fā)邊坡滑動的因素有很多，但是滑坡產(chǎn)生的本質(zhì)原因都是由于巖土體內(nèi)部存在一個滑動面，在該滑動面上的剪應(yīng)力達(dá)到了該部分土體的抗剪強(qiáng)度，使得該部分的巖土體的穩(wěn)定遭到破壞。這些影響因素可分為影響邊坡穩(wěn)定的內(nèi)部因素和影響邊坡穩(wěn)定的外在因素。內(nèi)部影響因素主要包括巖土的結(jié)構(gòu)性和水導(dǎo)致巖土體物理化學(xué)性質(zhì)的變化，巖土的結(jié)構(gòu)性對巖土的穩(wěn)定性和強(qiáng)度影響較大，特別是存在的軟弱結(jié)構(gòu)面會使得巖土體整體的抗剪強(qiáng)度降低。大量的邊坡工程事實(shí)證明，結(jié)構(gòu)面及其組合邊界的錯動變形、張拉破裂、剪切滑移是造成邊坡失穩(wěn)的主要原因。水在巖土體當(dāng)中具有物理作用，如潤滑和軟化巖土體，產(chǎn)生化學(xué)作用如溶解、水化、水解作用；產(chǎn)生力學(xué)效應(yīng)，包括孔隙動水壓力作用和孔隙靜水壓力作用。這些作用都會改變巖土的物質(zhì)成分或結(jié)構(gòu)，進(jìn)而改變巖土體的內(nèi)摩擦角和凝聚力系數(shù)，減小顆粒間的有效應(yīng)力，導(dǎo)致巖土體的抗剪強(qiáng)度的降低。外部因素主要包括振動力的作用，如施工爆破、地震導(dǎo)致土體的液化松動。人類活動的影響，如基坑的開挖和路堤的填筑、植被的破壞，氣候條件如降雨、降雪、凍融等也會導(dǎo)致土體的抗剪強(qiáng)度的降低，進(jìn)而增加邊坡失穩(wěn)的可能性。邊坡穩(wěn)定分析的計(jì)算方法有多種，如瑞典條分法、Janbu 條分法、Morgenstern-Price 法、簡化畢肖普法、塑性極限法等。 條分法因?yàn)槠淞W(xué)模型簡單適用，可對邊坡進(jìn)行定量的評價，經(jīng)過長期的工程實(shí)踐和不斷的完善和補(bǔ)充，己經(jīng)成為邊坡穩(wěn)定分析的成熟方法。在我國工程業(yè)界內(nèi)，雖然邊坡穩(wěn)定分析的方法很多，但瑞典條分法和簡化畢肖普法在工程領(lǐng)域當(dāng)中最為常用，主要原因在于這兩種方法比較容易理 。2100433B

邊坡穩(wěn)定性分析是邊坡設(shè)計(jì)、邊坡穩(wěn)定狀態(tài)判別、邊坡加固與治理的重要決策依據(jù)。

從20 世紀(jì)初開始，在邊坡穩(wěn)定性分析中，先后發(fā)展了工程地質(zhì)分析法、類比法、極限平衡法、數(shù)值分析方法和不確定性分析方法(可靠性方法、模糊數(shù)學(xué)方法、灰色理論方法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法等)。其中，極限平衡法至今仍是邊坡穩(wěn)定性分析的基本方法。2100433B

邊坡穩(wěn)定性計(jì)算（calculating slope stability）是指根據(jù)露天礦的實(shí)際條件，計(jì)算一定穩(wěn)定系數(shù)所需的邊坡角，或計(jì)算邊坡角一定時的穩(wěn)走性系數(shù)。

為此，首先應(yīng)建立邊坡穩(wěn)定系數(shù)與影響邊坡穩(wěn)定性的各種參數(shù)間的數(shù)學(xué)模型。應(yīng)用的計(jì)算公式都是在某些假設(shè)條件下，通過理論推導(dǎo)得出的，應(yīng)注意其適用范圍。 2100433B