邊坡穩(wěn)定性分析方法及其應(yīng)用綜述

1、邊坡穩(wěn)定性分析方法及其應(yīng)用綜述第1頁，共17頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)18分，星期三邊坡穩(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，2022年，5月20日，18點(diǎn)18分，星期三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(gè)很重要的問題, 正確評(píng)價(jià)邊坡的穩(wěn)定性, 對(duì)于確保生產(chǎn)建設(shè)和人民財(cái)產(chǎn)安全具有重要的意義。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)邊坡穩(wěn)定性的研究已然形成了一個(gè)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(duì)邊坡穩(wěn)定性研究大致可分為以下3個(gè)階段： 第一階

2、段(20世紀(jì)50年代)：是從研究鐵路路塹邊坡和引水渠道邊坡開始的。當(dāng)時(shí)主要是對(duì)人工邊坡的類型進(jìn)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(jì)的依據(jù)。 第二階段(20世紀(jì)60年代)：開始形成巖體結(jié)構(gòu)的觀點(diǎn)。劃出了邊坡巖體結(jié)構(gòu)的類型，提出了實(shí)體比例投影方法，用以進(jìn)行塊體破壞的計(jì)算，判別邊坡的穩(wěn)定性，同時(shí)開展大型野外巖體力學(xué)試驗(yàn)，在邊坡穩(wěn)定計(jì)算方面也有了很大進(jìn)展。第3頁，共17頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)18分，星期三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(jì)70年代以來)：開始研究邊坡變形破壞機(jī)理。在計(jì)算方面，不僅應(yīng)用極限平衡原理，還應(yīng)用彈塑性力學(xué)理論，并且隨著計(jì)

3、算機(jī)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(píng)價(jià)邊坡的穩(wěn)定性。同時(shí)，運(yùn)動(dòng)學(xué)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(xué)、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，2022年，5月20日，18點(diǎn)18分，星期三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(qiáng)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

4、條分法。 對(duì)于該方法，從以下三方面進(jìn)行了簡(jiǎn)化：1、對(duì)滑裂面的形狀作出假定，如假定滑裂面形狀為折線、圓弧、對(duì)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(duì)多余未知數(shù)的數(shù)值或分布形狀作假定。 顯然，這三個(gè)簡(jiǎn)化條件弱化了條分法的嚴(yán)密性。不少學(xué)者對(duì)條分法作了一些改進(jìn)，主要體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：1、探索最危險(xiǎn)滑弧位置的規(guī)律；2、對(duì)基本假定作了修改和補(bǔ)充。第5頁，共17頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)18分，星期三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(gè)滑裂面的

5、抗剪強(qiáng)度與實(shí)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(duì)于最危險(xiǎn)滑弧的確定，泰勒?qǐng)D表法較普遍，成都科大的張?zhí)鞂氃诖嘶A(chǔ)上建立了簡(jiǎn)單土坡穩(wěn)定安全系數(shù)與滑動(dòng)圓弧位置之間的函數(shù)關(guān)系。另外，為了彌補(bǔ)條分法中對(duì)多余未知量所作假定的任意性，MorgensternPrice、Janbu等學(xué)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(duì)滑動(dòng)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(yán)格方法。第6頁，共17頁，2022年，5月20日，

6、18點(diǎn)18分，星期三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(jì)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(zhǔn)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(jì)算單元的應(yīng)力及變形，根據(jù)不同的強(qiáng)度指標(biāo)確定破壞區(qū)的位置及破壞范圍的擴(kuò)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，2022年，5月20日，18點(diǎn)18分，星期三雙擊此處添加文

7、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(jì)算機(jī)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(dāng)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(gè)只在結(jié)點(diǎn)相聯(lián)結(jié)的子域，即有限元，然后在單元中采川低階多項(xiàng)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、8頁，共17頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)18分，星期三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(diǎn)，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(jì)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(yùn)動(dòng)方程，采用以時(shí)步漸進(jìn)迭代的動(dòng)態(tài)松弛顯示解法，求出每一時(shí)步塊體位置和接觸力，反復(fù)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(xué)為基礎(chǔ)，利用差分格式，按時(shí)步積

9、分求解，隨著構(gòu)形的變化不斷更新坐標(biāo)，允許介質(zhì)有大的變形。第9頁，共17頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)18分，星期三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(gè)整體矩陣，用隱式方式求解。 6、流形元法以拓?fù)淞餍魏臀⒎至餍螢榛A(chǔ)，利用有限覆蓋技術(shù)把連續(xù)和非連續(xù)變形的計(jì)算統(tǒng)一到數(shù)值流形中。它可以計(jì)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(diǎn)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

10、數(shù)值法結(jié)合起來達(dá)到降維、減小計(jì)算量的目的，有時(shí)還可提高計(jì)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(duì)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(gè)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，2022年，5月20日，18點(diǎn)18分，星期三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(jì)算技術(shù)和測(cè)量技術(shù)的迅速發(fā)展，動(dòng)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(dòng)力分析方法和采用復(fù)雜彈塑性模型并考慮水土耦合作用的動(dòng)力分析方

11、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(shí)模型和結(jié)構(gòu)面模型等。動(dòng)力方程的計(jì)算方法也發(fā)展較快，出現(xiàn)了逐步積分法、振型迭加法、復(fù)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(dòng)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(duì)土體動(dòng)力性質(zhì)的影響，土體動(dòng)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，2022年，5月20日，18點(diǎn)18分，星期三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

12、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(shí)踐中，多采用極限平衡法，對(duì)于粘性土邊坡的穩(wěn)定分析，一般采用條分法。當(dāng)存在滲流作用時(shí)，工程上一般采用簡(jiǎn)化方法忽略或粗略地計(jì)算地下水滲流的作用。在有些工程中，如基坑滲流場(chǎng)分布十分復(fù)雜，簡(jiǎn)化方法僅在少數(shù)情況下可以應(yīng)用，當(dāng)邊坡中的水頭差較大或采用降水措施時(shí)，滲流力的不利作用隨之增大，簡(jiǎn)化方法計(jì)算結(jié)構(gòu)則脫離實(shí)際較遠(yuǎn)，有時(shí)甚至得出錯(cuò)誤的計(jì)算結(jié)果。 由于滲流有限元能夠較為準(zhǔn)確地模擬滲流場(chǎng)，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

13、分析，能夠發(fā)揮兩種算法的優(yōu)勢(shì)。第12頁，共17頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)18分，星期三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(gè)開放的復(fù)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(qiáng)度特性、巖體結(jié)構(gòu)、巖體風(fēng)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(jī)性、模糊性、可變性等不確定性特點(diǎn)，它們對(duì)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(fù)雜的非線性關(guān)系。 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，具有自學(xué)

14、習(xí)、自組織聯(lián)想記憶能力和強(qiáng)容錯(cuò)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(fù)合指標(biāo)，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(gè)實(shí)例為學(xué)習(xí)樣本，討論了運(yùn)用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法預(yù)測(cè)邊坡巖體穩(wěn)定性的有效性。第13頁，共17頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)18分，星期三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(qiáng)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。

15、由于近地表淺層土多為非飽和粘性土，氣候變化對(duì)其力學(xué)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(qiáng)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(qiáng)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(yùn)用非飽和土強(qiáng)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(jìn)行考慮雨水入滲影響的邊坡穩(wěn)定分析計(jì)算。第14頁，共17頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)18分，星期三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(yùn)動(dòng)單元法 邊坡安全系數(shù)的計(jì)算是基于所確定的最

16、危險(xiǎn)滑動(dòng)面求得的，安全系數(shù)求解的關(guān)鍵問題是確定塑性滑動(dòng)區(qū)和最危險(xiǎn)的滑動(dòng)面。對(duì)于幾何形狀多變、介質(zhì)組成復(fù)雜和影響因素較多的邊坡穩(wěn)定性分析，目前多對(duì)實(shí)際問題作大量的簡(jiǎn)化得到基于經(jīng)驗(yàn)或半經(jīng)驗(yàn)的最危險(xiǎn)的滑動(dòng)面。相應(yīng)求得的邊坡安全系數(shù)偏大，計(jì)算誤差難以估計(jì)，影響最終結(jié)論的可靠性。 巖土工程極限分析運(yùn)動(dòng)單元法由Peter Gussmann 教授在20世紀(jì)80年代創(chuàng)立，這種塑性極限數(shù)值分析方法主要針對(duì)巖土這類摩爾一庫侖介質(zhì)。運(yùn)動(dòng)單元法認(rèn)為，對(duì)于所有假設(shè)塑性滑動(dòng)區(qū)和最危險(xiǎn)滑動(dòng)面，真正的最危險(xiǎn)塑性區(qū)和滑動(dòng)面對(duì)應(yīng)的安全系數(shù)最小。該方法通過嚴(yán)格的自動(dòng)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(dòng)區(qū)和

17、最危險(xiǎn)滑動(dòng)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(yán)格的數(shù)學(xué)力學(xué)基礎(chǔ)，適用于各類地質(zhì)條件、巖性和幾何形狀復(fù)雜的巖土工程的極限分析。第15頁，共17頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)18分，星期三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(xué)模型的概化方法 大量的工程實(shí)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(shí)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(dòng)破： 在邊界條件、變形特征和力學(xué)機(jī)制上有著很大的差異，因此，對(duì)傾倒破壞邊坡穩(wěn)定分析和評(píng)價(jià)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(dòng)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(shí)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(xué)模型的概化方法，并對(duì)Goodman和Bray的極