巖體邊坡破壞理論

巖體邊坡破壞理論第一頁，共一百零四頁，2022年，8月28日第二頁，共一百零四頁，2022年，8月28日第三頁，共一百零四頁，2022年，8月28日第四頁，共一百零四頁，2022年，8月28日貴州三穗特大橋滑坡第五頁，共一百零四頁，2022年，8月28日第六頁，共一百零四頁，2022年，8月28日西藏易貢特大崩滑災(zāi)害第七頁，共一百零四頁，2022年，8月28日第八頁，共一百零四頁，2022年，8月28日第九頁，共一百零四頁，2022年，8月28日第十頁，共一百零四頁，2022年，8月28日第十一頁，共一百零四頁，2022年，8月28日目前采用的巖體邊坡坡穩(wěn)定性評價方法與社會需求矛盾尖銳的主要表現(xiàn)可歸納為：第十二頁，共一百零四頁，2022年，8月28日（1）路塹、水電工程的溢洪道、露天礦等工程邊坡在不斷增高，大多數(shù)工程邊坡穩(wěn)定性常常須在開挖前預(yù)測邊坡的穩(wěn)定性。而目前的三維極限平衡穩(wěn)定性評價方法以及與其相近的三維穩(wěn)定性分析方法都是針對某個滑體的評價方法，難以勝任。第十三頁，共一百零四頁，2022年，8月28日（2）目前人工邊坡的坡角的設(shè)計很大程度上依賴于經(jīng)驗，沒有實現(xiàn)定量分析。設(shè)計斜坡與“理想”斜坡相距甚遠(yuǎn)，有些設(shè)計坡角靠近坡頂部分偏于安全，靠近坡低的坡段卻偏于危險，必然提高工程造價或釀成工程上的后患。巖體斜坡的設(shè)計急待摒棄以往經(jīng)驗設(shè)計方法，進(jìn)入任意坡高安全度一致的定量設(shè)計階段。第十四頁，共一百零四頁，2022年，8月28日（3）滑坡的治理與支護(hù)的決策有待適當(dāng)?shù)睦碚摷傲炕Ｐ椭笇?dǎo)，以保證其技術(shù)上的可行性和經(jīng)濟(jì)上的合理性。（4）以往為了確定滑動面的位置及滑坡的體積、滑動結(jié)構(gòu)面的面積耗費大量的時間和人力與物力，人們希望有捷徑可走。第十五頁，共一百零四頁，2022年，8月28日（5）結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度、滑坡的體積及滑動面面積等滑坡地質(zhì)參數(shù)很難快速、準(zhǔn)確地獲得。目前的一半反分析方法難度大、精確度低?？辜魪?qiáng)度是邊坡、水利水電、地下工程至關(guān)重要的參數(shù)，費用高、精度差。幾十年來，它是有關(guān)研究者的最關(guān)注的工程問題。第十六頁，共一百零四頁，2022年，8月28日巖體邊坡三維評價方法的研究現(xiàn)狀對于巖體邊坡，通過現(xiàn)場節(jié)理調(diào)查及統(tǒng)計分析,采用Monte-Carlo隨機(jī)模擬方法，進(jìn)行節(jié)理三維網(wǎng)絡(luò)的計算機(jī)模擬、研究確定了邊坡的節(jié)理巖體強(qiáng)度和破壞模式，通過滑動面自動搜索及FLAC數(shù)值模擬，進(jìn)行邊坡的穩(wěn)定性分析。系統(tǒng)地計算分析節(jié)理巖體邊坡穩(wěn)定狀況。還有學(xué)者在傳統(tǒng)的邊坡穩(wěn)定性三維分析模型的基礎(chǔ)上,提出了一個全新的基于GIS的邊坡穩(wěn)定性三維柵格分析模型。在這個模型中，假定初始滑動面就是橢球底面,采用蒙特卡洛（Monte-Carlo）隨機(jī)模擬方法，在求取最小安全系數(shù)法的同時,確定出最危險滑動面。運(yùn)用GIS柵格模型和GIS數(shù)據(jù)模擬滑坡滑動過程時，滑坡體將沿主滑方向滑動，直到其安全系數(shù)上升到1為止。第十七頁，共一百零四頁，2022年，8月28日所有的計算均可通過一個稱為三維邊坡地理信息系統(tǒng)（3DSLOPGIS）的計算程序來完成，該程序主要利用GIS的空間數(shù)據(jù)處理分析功能。在有限元法求解應(yīng)力的基礎(chǔ)上,采用數(shù)學(xué)規(guī)劃法分析邊坡穩(wěn)定的問題。通過數(shù)學(xué)規(guī)劃法與有限元法的結(jié)合,不但滿足邊坡力的平衡條件,而且考慮了材料的應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系,計算時不需做任何假定,使得計算結(jié)果更加精確合理，計算結(jié)果表明用該方法解決三維邊坡穩(wěn)定分析問題是可行的。第十八頁，共一百零四頁，2022年，8月28日全新的基于GIS空間數(shù)據(jù)庫的三維邊坡穩(wěn)定分析模型，假定初始三維滑動面為橢球形，研究采用Monte-Carlo模擬方法搜尋最危險滑動面，全部分析研究程序采用VB和GIS控制軟件編制，利用GIS的空間數(shù)據(jù)處理分析功能，各種可能滑動面所需輸入數(shù)據(jù)可以方便地得到，而且結(jié)果也能方便地在數(shù)字地圖上表示和分類。第十九頁，共一百零四頁，2022年，8月28日有限元與數(shù)學(xué)規(guī)劃方法的結(jié)合、基于地理信息系統(tǒng)數(shù)字模擬技術(shù)上邊坡三維穩(wěn)定性評價注入了活力。但卻遠(yuǎn)不能滿足人們對生命財產(chǎn)的保護(hù)和對在邊坡工程中的生產(chǎn)的需求。這種現(xiàn)狀不僅僅是由于巖土體邊坡穩(wěn)定性評價中的數(shù)學(xué)、力學(xué)問題不得不簡化地質(zhì)邊界條件帶來過大的誤差，還由于有限元方法介質(zhì)前提與巖體實際介質(zhì)本性的突出矛盾及數(shù)據(jù)處理分析方法的局限性和巖體工程地質(zhì)條件空間變化的復(fù)雜性的矛盾。第二十頁，共一百零四頁，2022年，8月28日截止目前這些方法還沒能實現(xiàn)對邊坡連續(xù)地、動態(tài)地對邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析。對于按結(jié)構(gòu)體滑動的巖體邊坡還停留在巖土體邊坡單一滑塊穩(wěn)定性計算方式，所以無法實現(xiàn)高邊坡的總體地全面地三維量化分析，也就無法實現(xiàn)包括任何坡高的穩(wěn)定分析及其穩(wěn)定性的對比，沒有解決上述邊坡工程中亟待解決的棘手問題：第二十一頁，共一百零四頁，2022年，8月28日巖體邊坡穩(wěn)定性三維動態(tài)數(shù)字化分析方法的基本原理

一、不同力學(xué)性質(zhì)結(jié)構(gòu)面的組合規(guī)律;二、單位結(jié)構(gòu)體；三、優(yōu)勢結(jié)構(gòu)體；四、優(yōu)勢結(jié)構(gòu)體的空間變化規(guī)律：第二十二頁，共一百零四頁，2022年，8月28日若按實體比例投影方法求得的單位結(jié)構(gòu)體的體積表示為，則坡高為n時，其結(jié)構(gòu)體的體積為

若按實體比例投影方法求得的滑動面面積……，則坡高為n的可能滑動結(jié)構(gòu)體的面積……第二十三頁，共一百零四頁，2022年，8月28日第二十四頁，共一百零四頁，2022年，8月28日方法步驟

（1）結(jié)構(gòu)面的工程地質(zhì)調(diào)查絕大多數(shù)巖體失穩(wěn)都是結(jié)構(gòu)體失去平衡狀態(tài)造成的，巖體斜坡失穩(wěn)亦如此。巖體的結(jié)構(gòu)是由結(jié)構(gòu)面的空間組合狀態(tài)所決定的，對其結(jié)構(gòu)體的分析應(yīng)從研究分析結(jié)構(gòu)面開始。結(jié)構(gòu)面的工程地質(zhì)調(diào)查應(yīng)著重查明巖體結(jié)構(gòu)面類型、產(chǎn)狀、力學(xué)性質(zhì)、密度、延續(xù)性、結(jié)構(gòu)面充填物類型、粒度、物質(zhì)成分、厚度和不均勻程度、地下水作用情況、結(jié)構(gòu)面及其充填物風(fēng)化和蝕變狀況。第二十五頁，共一百零四頁，2022年，8月28日（2）確定邊坡地質(zhì)結(jié)構(gòu)類型邊坡結(jié)構(gòu)類型按邊坡的結(jié)構(gòu)體類型與滑動面的地質(zhì)特征可劃分為四種結(jié)構(gòu)類型的邊坡：單滑動面、楔形雙滑動面、同傾向雙滑動面和多滑動面邊坡結(jié)構(gòu)類型。如果細(xì)致劃分邊坡的地質(zhì)類型，此四大結(jié)構(gòu)類型還可各分為若干亞類。第二十六頁，共一百零四頁，2022年，8月28日単滑動面結(jié)構(gòu)—五面體第二十七頁，共一百零四頁，2022年，8月28日

楔形雙滑動面結(jié)構(gòu)—四面體第二十八頁，共一百零四頁，2022年，8月28日同傾向雙滑動面結(jié)構(gòu)—六面體

第二十九頁，共一百零四頁，2022年，8月28日多個不同傾向滑面結(jié)構(gòu)體第三十頁，共一百零四頁，2022年，8月28日多同傾向滑面結(jié)構(gòu)體第三十一頁，共一百零四頁，2022年，8月28日（3）巖體斜坡的優(yōu)勢結(jié)構(gòu)體分析為解決研究目標(biāo)引入單位結(jié)構(gòu)體的概念。區(qū)域中巖體結(jié)構(gòu)面成組賦存于巖體之中是突出的地質(zhì)力學(xué)規(guī)律。所以，結(jié)構(gòu)體也是按組出現(xiàn)于巖體中。巖體實質(zhì)是三維無限非連續(xù)天然結(jié)構(gòu)體，所以可以認(rèn)為巖體可以含有無窮多個結(jié)構(gòu)體，它們是具有相似的立體圖形。第三十二頁，共一百零四頁，2022年，8月28日由于同一區(qū)域上巖體所經(jīng)歷的構(gòu)造應(yīng)力歷史是一致的，以至于結(jié)構(gòu)體的各個相互對應(yīng)的結(jié)構(gòu)面的力學(xué)性質(zhì)也是相同的。結(jié)構(gòu)體的各個結(jié)構(gòu)面與邊坡的坡面角距關(guān)系也是一致的。這一規(guī)律啟發(fā)我們研究邊坡的穩(wěn)定性可以研究一個特例結(jié)構(gòu)體，求得它對于特定工程地質(zhì)條件下的穩(wěn)定性及其規(guī)律，然后推廣到一般任意結(jié)構(gòu)體之中。為了研究巖體穩(wěn)定性數(shù)字化模型的方便，我們定義1米坡高邊坡的某種結(jié)構(gòu)體為單位結(jié)構(gòu)體。第三十三頁，共一百零四頁，2022年，8月28日所謂優(yōu)勢結(jié)構(gòu)體，指經(jīng)過工程地質(zhì)調(diào)查和實體比例投影對比，最易失穩(wěn)定一種或幾種結(jié)構(gòu)體。優(yōu)勢結(jié)構(gòu)體分析，就是將結(jié)構(gòu)體的兩結(jié)構(gòu)面組合交線傾向與斜坡傾向有較小交角，且傾角小于坡角的結(jié)構(gòu)體，按組合交線傾角的從大到小和它與斜坡傾向交角的由小到大，同時考慮到滑動結(jié)構(gòu)面抗剪指標(biāo)大或小綜合分析，依次排序，首先以最不利于穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)體作為穩(wěn)定性評價的對象，若經(jīng)動態(tài)穩(wěn)定分析，它在設(shè)計坡高范圍內(nèi)是穩(wěn)定的，一般情況下其它結(jié)構(gòu)體必然是穩(wěn)定的。否則依次計算其它結(jié)構(gòu)體的穩(wěn)定狀態(tài)。第三十四頁，共一百零四頁，2022年，8月28日﹙4﹚建立穩(wěn)定性數(shù)字化動態(tài)模型采用極限平衡方法建立穩(wěn)定性數(shù)字化動態(tài)模型?？紤]穩(wěn)定性的影響因素根據(jù)邊坡的等級邊坡類型。。最終實現(xiàn)每個抗滑動力因子、滑動力因子隨單位坡高的增量連續(xù)的獲得。建立穩(wěn)定性系數(shù)與坡高的表達(dá)式。第三十五頁，共一百零四頁，2022年，8月28日單滑動面邊坡巖體結(jié)構(gòu)三維穩(wěn)定性數(shù)字化動態(tài)分析

一、概述與其他結(jié)構(gòu)類型相比，單滑動面斜坡結(jié)構(gòu)體結(jié)構(gòu)簡單，結(jié)構(gòu)面相互制約也單一，但是單滑動面滑坡的危害性較大，產(chǎn)生的后果比較嚴(yán)重。路塹、水電工程的溢洪道、露天礦等大型工程邊坡的穩(wěn)定性常常在開挖前預(yù)測斜坡的穩(wěn)定性，而目前的方法難以準(zhǔn)確預(yù)測它的穩(wěn)定性，進(jìn)而會產(chǎn)生嚴(yán)重的后果。例如千將坪滑坡與塘巖光滑坡，它們都是單滑動面滑坡，因為沒有準(zhǔn)確預(yù)測出它的穩(wěn)定性而導(dǎo)致了災(zāi)難的發(fā)生。第三十六頁，共一百零四頁，2022年，8月28日三峽庫區(qū)千將坪滑坡，2003年７月13日零時20分在中國三峽水庫初期蓄水后１min，三峽水庫區(qū)湖北省秭歸縣沙鎮(zhèn)溪鎮(zhèn)千將坪村二組和四組１５００萬ｍ３山體突然下滑，造成房屋倒塌、廠房摧毀、交通中斷、青干河堵塞，經(jīng)濟(jì)損失慘重，１４人死亡，１０人失蹤。1961年3月6日，湖南省資水柘溪水庫蓄水初期，近壩庫區(qū)右岸塘巖光村發(fā)生體積165×104m3的高速滑坡，滑坡體高速滑落水庫，激起巨大涌浪。涌浪漫過壩頂，造成重大損失，死亡４０人。第三十七頁，共一百零四頁，2022年，8月28日單滑動面結(jié)構(gòu)邊坡的側(cè)向切割面產(chǎn)狀比較陡且有強(qiáng)度較低的地質(zhì)條件，即傾角大于70?側(cè)向切割結(jié)構(gòu)面屬于延續(xù)性好的夾泥層、糜棱巖時，可以不考慮側(cè)向滑動面的摩阻力。當(dāng)可以忽略側(cè)向切割面的摩阻力或單滑動面結(jié)構(gòu)斜坡具備側(cè)向臨空的地形條件的情況下，可建立如下穩(wěn)定性動態(tài)數(shù)字化穩(wěn)定性分析模型：第三十八頁，共一百零四頁，2022年，8月28日穩(wěn)定性動態(tài)數(shù)字化穩(wěn)定性分析模型的建立如圖6-1所示的單滑動面巖體結(jié)構(gòu)側(cè)向剖面圖所示，斜坡的坡角為α，滑動面的傾角為β，坡頂平面的傾角為ψ，單位結(jié)構(gòu)體坡高為H1，H1高度為單位長度（1m）。側(cè)向剖面ABC為三角形，設(shè)△ABC的高AD為h1，不考慮側(cè)向切割面對結(jié)構(gòu)體滑動的抗滑作用，屬于平面力系問題，設(shè)單位結(jié)構(gòu)體的重量為W1，滑動面長度=l1，按極限平衡理論，其穩(wěn)定性系數(shù)的表達(dá)式應(yīng)為：第三十九頁，共一百零四頁，2022年，8月28日圖6-1：單滑動面巖體結(jié)構(gòu)斜坡側(cè)向剖面示意圖第四十頁，共一百零四頁，2022年，8月28日按極限平衡理論，其穩(wěn)定性系數(shù)的表達(dá)式應(yīng)為：第四十一頁，共一百零四頁，2022年，8月28日

（6-1）第四十二頁，共一百零四頁，2022年，8月28日二、無地下水浸潤曲面的單滑動面巖體結(jié)構(gòu)邊坡的穩(wěn)定性三維動態(tài)分析

A、根據(jù)地質(zhì)邊界條件和邊坡的受力條件，計入地震力影響的單滑動面結(jié)構(gòu)土體邊坡穩(wěn)定性動態(tài)數(shù)字化模型為：第四十三頁，共一百零四頁，2022年，8月28日B、側(cè)向切割面陡傾，走向與滑動面傾向一致C、側(cè)向切割面緩傾，走向與滑動面傾向一致第四十四頁，共一百零四頁，2022年，8月28日上式中：α，β—斜坡的坡角及滑動結(jié)構(gòu)面傾角；C，C1—滑動結(jié)構(gòu)面及側(cè)向切割面的內(nèi)聚力；φ,φ1—滑動結(jié)構(gòu)面及側(cè)向切割面內(nèi)摩擦角；n—坡高；γ—巖體的容重；α1—側(cè)向切割面的傾角；s—走向與滑動面傾向一致對陡傾側(cè)向切割面面積。w1—緩傾側(cè)向切割面與過l的垂面圍成的側(cè)滑體的重力；第四十五頁，共一百零四頁，2022年，8月28日圖4-3緩傾角側(cè)向切割面單滑動面巖體結(jié)構(gòu)三維立體示意圖W0—單位結(jié)構(gòu)體的重力；B—斜坡的計算寬度，應(yīng)根據(jù)地質(zhì)條件而定。第四十六頁，共一百零四頁，2022年，8月28日C、緩傾側(cè)向切割面走向與滑動面傾向不一致圖6-3緩傾側(cè)向切割面走向與滑動面傾向不一致第四十七頁，共一百零四頁，2022年，8月28日如圖6-3所示，設(shè)側(cè)向滑移單位結(jié)構(gòu)的重力為W1，側(cè)向滑移面的面積為S1。根據(jù)該地質(zhì)條件的幾何邊界條件，應(yīng)用側(cè)向切割面陡傾時已知條件單位結(jié)構(gòu)體滑面長度與緩傾側(cè)向切割面滑面面積及其長度，根據(jù)緩傾側(cè)向切割面產(chǎn)狀與滑動面及走向與滑動面傾向一致的陡立面的角距關(guān)系可得到：第四十八頁，共一百零四頁，2022年，8月28日以上各式中：

—側(cè)向切割面與滑動面組合交線的傾角；

—側(cè)向切割面與滑動面組合交線的方向上的假坡角；

—側(cè)向切割面走向與滑動面傾向見的夾角；

—側(cè)向滑移三棱錐體的高。其它參數(shù)含義同前。第四十九頁，共一百零四頁，2022年，8月28日于是可以列出以下滑動結(jié)構(gòu)面傾向與側(cè)向緩傾結(jié)構(gòu)面走向有間夾角穩(wěn)定性數(shù)字化動態(tài)方程：：第五十頁，共一百零四頁，2022年，8月28日考慮地震力作用的穩(wěn)定性數(shù)字化動態(tài)模型為：第五十一頁，共一百零四頁，2022年，8月28日2.6.5有地下水作用的單滑動面巖體的動態(tài)穩(wěn)定性數(shù)字化模型

地下水對滑坡活動的影響一直是地質(zhì)災(zāi)害研究者關(guān)注的課題之一，目前已經(jīng)有許多科研工作者就如何確定地下水對滑坡的影響作了相關(guān)研究，但都未能給出簡潔、準(zhǔn)確的研究方法。本文從靜水壓力和動水壓力兩個方面研究了地下水對巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性影響，總結(jié)出穩(wěn)定性動態(tài)數(shù)字化模型。第五十二頁，共一百零四頁，2022年，8月28日圖6-4靜水壓力作用下斜坡第五十三頁，共一百零四頁，2022年，8月28日不計入側(cè)向摩阻力的有地下水地質(zhì)條件的単滑動面斜坡動態(tài)數(shù)抓模型：—坡頂面傾角。其它符號同前?！o水壓力；第五十四頁，共一百零四頁，2022年，8月28日若斜坡最大坡高為H，任意坡高為n，則滑動面的直線方程為一系列平行的曲線，它們可以統(tǒng)一表示為：一系列平行的直線線與侵潤曲線建立聯(lián)立方程第五十五頁，共一百零四頁，2022年，8月28日求得曲線的交點（x1n,y1n）,（x2n,y2n）若各條直線與侵潤曲線為此的面積為Sn,靜水壓力為Un則，

浸潤曲線應(yīng)采用鉆探方法，以一定數(shù)量的鉆孔取得的地下水水位，用回歸分析方法求得該拋物線方程。第五十六頁，共一百零四頁，2022年，8月28日動水壓力對單滑面邊坡穩(wěn)定性的影響（一）概述如果斜坡巖體是透水的，地下水在其中滲流時由于水力梯度作用，就會對斜坡產(chǎn)生動力，其方向與滲流方向一致．指向臨空面．因而對斜坡穩(wěn)定是不利的。地下水的另一個效應(yīng)是直接的力學(xué)作用，邊坡中存在的穩(wěn)定的滲流方向的滲透壓力以體力作用于土體骨架上。只要知道水力坡降，便可以計算出動水壓力：第五十七頁，共一百零四頁，2022年，8月28日工程應(yīng)用中，通常假定動水壓力平行于滑面，直接代入各種計算方式進(jìn)行穩(wěn)定分析。地下水的賦存和運(yùn)移是對邊坡和滑坡穩(wěn)定產(chǎn)生影響的主要自然因素之一，據(jù)統(tǒng)計資料表明：90%以上的巖質(zhì)邊坡失穩(wěn)與地下水作用有關(guān)，85%以上的土質(zhì)邊坡的破壞與地下水關(guān)系密切，30%－40%的水壩失事由地下水滲流破壞引起，我國大多數(shù)滑坡都是以降雨引起地下水狀態(tài)變化為直接誘導(dǎo)因素。因此分析邊坡中地下水動力作用，以及在此基礎(chǔ)上進(jìn)行排導(dǎo)措施的研究成為目前邊坡工程中的主攻課題之一。第五十八頁，共一百零四頁，2022年，8月28日式中：Udn—動水壓力；J—水力坡降；Sn—飽水巖體部分的面積；γw—水的容重。因為每變換一個單位坡高結(jié)構(gòu)面與浸潤曲線的交點（x1n,y1n）、（x2n,y2n）是已知的，所以，可求得水力坡度的值應(yīng)為對于變換坡高的滑移結(jié)構(gòu)體的動態(tài)動水壓力可表示為：第五十九頁，共一百零四頁，2022年，8月28日實質(zhì)上動水壓力的方向為浸潤曲線f（x）的切線方向，為安全起見，可以認(rèn)為它與滑動結(jié)構(gòu)面是平行的。所以把動水壓力和靜水壓力都計入的巖體斜坡穩(wěn)定性動態(tài)數(shù)字化的數(shù)學(xué)模型為：第六十頁，共一百零四頁，2022年，8月28日式中，

—地震系數(shù)；

un—動態(tài)坡高下的靜水壓力；udn—動態(tài)坡高下的動水壓力；

L—單位結(jié)構(gòu)體的坡長。其它符號同前。此外，在工程邊坡施工時如果有工程荷載，如道路斜坡，橋頭斜坡和上覆有村落和城鎮(zhèn)、工業(yè)和民用建筑以及濱海施工時，都必須考慮外加荷載對工程的影響。如果不將外加荷載設(shè)計進(jìn)去，可能會產(chǎn)生嚴(yán)重的后果。假設(shè)斜坡外加荷載為Q，則動態(tài)穩(wěn)定系數(shù)：第六十一頁，共一百零四頁，2022年，8月28日多因素單滑動面巖體邊坡的動態(tài)數(shù)字化穩(wěn)定性分析

第六十二頁，共一百零四頁，2022年，8月28日因為地下水的水位隨季節(jié)變化，浸潤曲線f（x）在一年中隨季節(jié)周期性變化。這種變化應(yīng)從鉆孔的監(jiān)測或水井調(diào)查監(jiān)測中獲得。邊坡的穩(wěn)定性預(yù)測應(yīng)從最危險的條件出發(fā)，應(yīng)符合最優(yōu)化原則，所以應(yīng)以一年中的最高水位確定的浸潤曲線f（x）計算靜水壓力和動水壓力。第六十三頁，共一百零四頁，2022年，8月28日楔形雙滑動面巖體邊坡穩(wěn)定性動態(tài)數(shù)字化分析

當(dāng)單滑動面邊坡的滑動面的傾向與斜坡的傾向交角大于30°，側(cè)向切割面的傾角小于70°或其傾向與斜坡傾向交角大于30°時，斜坡的巖體結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為楔形雙滑動面斜坡。這種巖體結(jié)構(gòu)的斜坡是緩傾斷裂構(gòu)造區(qū)常見的斜坡地質(zhì)結(jié)構(gòu)。除緩傾斷層外，緩傾節(jié)理和緩傾軟弱夾層也常成為斜坡的滑動結(jié)構(gòu)面，滑動結(jié)構(gòu)面與斜坡的傾向很少有完全一致或接近的地質(zhì)條件，所以這種結(jié)構(gòu)的斜坡比單滑面結(jié)構(gòu)斜坡出現(xiàn)的概率更高。由于巖體中節(jié)理分布的普遍性，有時斜坡的楔形雙滑動面結(jié)構(gòu)體常以多組的形式出現(xiàn)。第六十四頁，共一百零四頁，2022年，8月28日地下水作用下的楔形雙滑動面示意圖第六十五頁，共一百零四頁，2022年，8月28日第六十六頁，共一百零四頁，2022年，8月28日

n—邊坡的高度；W0—單位結(jié)構(gòu)體的自重；Un1—結(jié)構(gòu)面Ⅰ所受的靜水壓力；Un2—結(jié)構(gòu)面Ⅱ所受的靜水壓力；P10,，P20–求滑動面組合交線方向垂直作用力的合力換算所受重力的系數(shù)

—結(jié)構(gòu)面Ⅰ、Ⅱ的平均摩擦系數(shù)；C1,C2—結(jié)構(gòu)面Ⅰ、Ⅱ的平均內(nèi)聚力；

—結(jié)構(gòu)面Ⅰ、Ⅱ的交線的傾角；Udn—任意坡高滑移結(jié)構(gòu)體所受的動水壓力；第六十七頁，共一百零四頁，2022年，8月28日第六十八頁，共一百零四頁，2022年，8月28日第六十九頁，共一百零四頁，2022年，8月28日同傾向雙滑動面巖體邊坡穩(wěn)定性動態(tài)數(shù)字化評價這種地質(zhì)結(jié)構(gòu)斜坡的兩個滑動結(jié)構(gòu)面常為扭性和壓扭性結(jié)構(gòu)面，有緩傾角軟弱夾層或?qū)用婢弮A的棋盤格狀構(gòu)造區(qū)的邊坡常常具有這種邊坡結(jié)構(gòu)。若側(cè)向切割面為硬性結(jié)構(gòu)面，由于受到側(cè)向切割面的限制，其穩(wěn)定性系數(shù)一般較大，處于穩(wěn)定狀態(tài)，但如果側(cè)向被溝谷切割，或有斷層通過，則穩(wěn)定性系數(shù)會大幅度的降低。第七十頁，共一百零四頁，2022年，8月28日同頃向雙滑動面結(jié)構(gòu)邊坡剖面示意圖第七十一頁，共一百零四頁，2022年，8月28日若傾角較陡的滑動結(jié)構(gòu)面的傾角為β，傾角較緩的滑動結(jié)構(gòu)面為α，則單位寬度的單位結(jié)構(gòu)體重量W11=γ。這種地質(zhì)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性計算須求出如圖6-1所示的單位結(jié)構(gòu)體中二部分巖體重量W111和W211。根據(jù)該圖所示的結(jié)構(gòu)體各個邊間的角矩關(guān)系，可以得到這兩部分的巖體自重分別為：第七十二頁，共一百零四頁，2022年，8月28日任意滑體的重力:第七十三頁，共一百零四頁，2022年，8月28日為了求任意結(jié)構(gòu)體的動態(tài)穩(wěn)定性系數(shù)，我們首先分析單位結(jié)構(gòu)體的穩(wěn)定性系數(shù)。目前以極限平衡理論求單位結(jié)構(gòu)體的穩(wěn)定性系數(shù)有等K法、非等K法和剛體平衡法。其中等K法認(rèn)為兩個滑面穩(wěn)定性系數(shù)是等值的；非等K法認(rèn)為二者不相等，并假定重量為W111的塊體穩(wěn)定性系數(shù)為1，以另一塊巖體的穩(wěn)定性系數(shù)代表整體巖體的穩(wěn)定性系數(shù)。剛體平衡則是把滑動塊體看成是剛體的前提下應(yīng)用坐標(biāo)軸間的平衡方程及巖體邊界條件解得穩(wěn)定性系數(shù)。顯然，后種方法比較繁瑣。非等K法只是一種特例，不能代表這個結(jié)構(gòu)體失穩(wěn)的一般規(guī)律。所以選擇了等K法計算邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)。

第七十四頁，共一百零四頁，2022年，8月28日這種方法的基本觀點認(rèn)為滑體下滑的穩(wěn)定性系數(shù)是相等的，以此條件將列出的平衡方程解得穩(wěn)定性系數(shù)。根據(jù)通過工程地質(zhì)勘察獲得的邊界條件求得W111、W211的穩(wěn)定系數(shù)為：第七十五頁，共一百零四頁，2022年，8月28日第七十六頁，共一百零四頁，2022年，8月28日巖體斜坡的定量設(shè)計

截止目前，邊坡的坡角設(shè)計還處于經(jīng)驗設(shè)計階段，與邊坡不斷增高的工程需求現(xiàn)狀極不適應(yīng)。實際上，對于非松散介質(zhì)沿結(jié)構(gòu)面破壞的巖體，邊坡坡角的控制因素是結(jié)構(gòu)面的抗剪強(qiáng)度和邊坡的高度。在一定范圍內(nèi)，由于地層、巖性和地質(zhì)歷史時期中應(yīng)力場相同，邊坡的巖體含有同類型滑移結(jié)構(gòu)體，邊坡滑動面的抗剪強(qiáng)度是接近的，所以經(jīng)長期的內(nèi)、外動力地質(zhì)作用后的邊坡坡角在同樣坡高的條件下其坡度是接近一致的。大量的工程地質(zhì)調(diào)查表明，具有相同結(jié)構(gòu)體的巖體斜坡的天然坡角是非常接近的，而且從坡頂至坡底是從大到小變化的。在設(shè)計中天然邊坡的工程地質(zhì)條件和環(huán)境與人工邊坡工程用途要區(qū)別對待。路塹邊坡是較長的人工邊坡，坡向轉(zhuǎn)彎處及斜坡走向方向被溝谷切割地帶，可不考慮側(cè)向側(cè)阻力的作用，有些邊坡,像一定地質(zhì)條件下船閘高邊坡、小型露天礦邊坡應(yīng)計入側(cè)向切割面的摩阻力。第七十七頁，共一百零四頁，2022年，8月28日單滑動面巖體結(jié)構(gòu)邊坡的坡角設(shè)計

考慮緩傾切割面與滑動面交角不計入地震力第七十八頁，共一百零四頁，2022年，8月28日計入地震力的影響第七十九頁，共一百零四頁，2022年，8月28日邊坡治理決策判據(jù)

選擇哪種治理措施作為特定工程地質(zhì)條件下的邊坡治理方法關(guān)系到治理效果和治理邊坡的經(jīng)濟(jì)合理性。采用傳統(tǒng)的極限平衡理論公式計算邊坡的穩(wěn)定性，因為只能以勘察滑動面和切割面得到的滑動坡體數(shù)據(jù)模擬該滑坡的穩(wěn)定狀態(tài)，不能進(jìn)行該工程地質(zhì)條件下任意坡高穩(wěn)定性的對比分析，還沒能發(fā)現(xiàn)同一邊坡不同坡高滑動結(jié)構(gòu)體的穩(wěn)定性系數(shù)變化規(guī)律，更無法研究穩(wěn)定性系數(shù)對于坡高的變化規(guī)律，以至于對邊坡治理決策問題研究甚少，無法從理論上評價或證明邊坡治理的方法是最優(yōu)選擇。此動態(tài)方法最根本的功能是動態(tài)地、連續(xù)地計算從坡頂至坡底或預(yù)測任意開挖深度的可能滑體的穩(wěn)定狀態(tài)。這種大量的計算過程適合于計算機(jī)來完成，使任意坡高數(shù)量眾多的滑體的穩(wěn)定性系數(shù)值一覽無余地展現(xiàn)在計算者眼前，穩(wěn)定性系數(shù)的變化及其規(guī)律也就很容易發(fā)現(xiàn)了。第八十頁，共一百零四頁，2022年，8月28日単滑面地質(zhì)結(jié)構(gòu)斜坡穩(wěn)定性系數(shù)隨坡高的變化以坡高為變量求對于穩(wěn)定性系數(shù)的導(dǎo)數(shù)：可見，隨著n的增加，穩(wěn)定性系數(shù)以n2的速率降低。坡越高由于坡高引起的穩(wěn)定性系數(shù)的減少越加微弱。第八十一頁，共一百零四頁，2022年，8月28日上式表明每增加一個單位坡高相對應(yīng)的穩(wěn)定性系數(shù)的增量是負(fù)增量，即穩(wěn)定性系數(shù)隨坡高增加的減小值或隨坡高減小的增加值為：

第八十二頁，共一百零四頁，2022年，8月28日隨著坡高的增加，坡高增加一個單位高度后其穩(wěn)定性系數(shù)的減少量在降低。當(dāng)n為無限大時，差值趨近于零。說明坡高對穩(wěn)定性系數(shù)的減小率在坡高較小時較大，坡高較大時較小。因為軟弱結(jié)構(gòu)面的傾角是常量，從斜坡治理效果出發(fā)，希望治理后穩(wěn)定性隨斜坡改變變化量很小，而當(dāng)坡高較大時，坡角α的降低已經(jīng)不能明顯地顯示其作用。當(dāng)較大時，削坡對穩(wěn)定性系數(shù)的貢獻(xiàn)將變得微乎其微，如果繼續(xù)采用削坡的方法來治理邊坡就勢必造成巨大的工程浪費，這時應(yīng)采用增加滑動面抗剪力或相當(dāng)于增加滑動面抗剪力方法。因此采用削坡法時，坡高對邊坡的影響必須慎重對待。第八十三頁，共一百零四頁，2022年，8月28日楔形雙滑動面邊坡的治理決策分析楔形雙滑動面人工邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)為：于是有：即在坡度較大時，坡高每增加1m其穩(wěn)定性系數(shù)降低率很低。而高度較小的斜坡恰好相反。第八十四頁，共一百零四頁，2022年，8月28日

同傾向雙滑動面結(jié)構(gòu)邊坡治理決策分析同理，求得穩(wěn)定性系數(shù)對于坡高的導(dǎo)數(shù)為：第八十五頁，共一百零四頁，2022年，8月28日此地質(zhì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性系數(shù)對于坡高的變化率與j成反比，即隨著坡高的增加，穩(wěn)定性系數(shù)對于坡高的變化率不斷減小，但比單滑動面結(jié)構(gòu)邊坡減小的要慢。增加滑動面的抗剪強(qiáng)度仍然是一個在任何坡高都適用的方法，但是兩個滑動面的增強(qiáng)效果相差較大。第八十六頁，共一百零四頁，2022年，8月28日邊坡治理決策判據(jù)根據(jù)上述分析，我們看到了穩(wěn)定性系數(shù)隨著坡高的變化規(guī)律。在坡高較低時，穩(wěn)定性系數(shù)的速率變化很快，當(dāng)邊坡較高時，穩(wěn)定性系數(shù)隨著坡高變化較慢。按照現(xiàn)行的《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》(GB50330-2002)進(jìn)行的工程實踐表明，當(dāng)每增加1米坡高，如果邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)變化小于0.025，則說明坡高的降低對于穩(wěn)定性系數(shù)的提高可以忽略。置言之，這種條件下，邊坡治理的決策不應(yīng)是削坡，而應(yīng)該是提高滑動面內(nèi)聚力的各種治理方法。所以按邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)變化小于0.025這個界限，得到如下邊坡治理決策判據(jù)：第八十七頁，共一百零四頁，2022年，8月28日只有相鄰坡高的穩(wěn)定性系數(shù)的比值大于或等于1.00162才可以考慮用削坡的治理決策。應(yīng)用巖體斜坡穩(wěn)定性動態(tài)數(shù)字化模型可以非常分布地應(yīng)用此判據(jù)：第八十八頁，共一百零四頁，2022年，8月28日判別公式単滑動面結(jié)構(gòu)斜坡楔形四面體地質(zhì)結(jié)構(gòu)斜坡第八十九頁，共一百零四頁，2022年，8月28日巖體邊坡穩(wěn)定性三維動態(tài)數(shù)字化量基本理論

邊坡穩(wěn)定性的分析研究始于20世紀(jì)20年代，最早是對土體的穩(wěn)定性進(jìn)行分析和計算，其成果可見于瑞典的Fillcnius、美國的Terzagji和Taylor的土力學(xué)經(jīng)典著作中。直到60年代初，巖體邊坡的穩(wěn)定性分析研究才開始進(jìn)行。巖石本身是一種堅硬的、強(qiáng)度指標(biāo)很高的材料，對其力學(xué)性質(zhì)，可采用類似金屬、混凝土等結(jié)構(gòu)的分析方法。但是巖體又受眾多結(jié)構(gòu)面的切割，使其在宏觀上呈現(xiàn)一定的松散介質(zhì)的特性。正是因為這個原因，在自然界，我們可以看到高達(dá)千米的直立邊坡，也可以看到大量與土質(zhì)邊坡類似的滑坡失穩(wěn)現(xiàn)象。第九十頁，共一百零四頁，2022年，8月28日

用于本動態(tài)分析方法的地質(zhì)力學(xué)理論如所周知，地質(zhì)力學(xué)在中國是由李四光創(chuàng)立的。最初是從1921年研究中國北部石炭紀(jì)、二疊紀(jì)含煤地層開始的。1924年以后，李四光對比了中國南部和北部石炭～二疊紀(jì)及地球上其他地區(qū)同一時期，特別是古生代以后海進(jìn)、海退現(xiàn)象，認(rèn)為大陸上海水的進(jìn)退，不僅是海面的升降，可能還有由赤道向兩極，反過來由兩極向赤道的方向性的運(yùn)動。據(jù)此,他推斷大陸運(yùn)動也可能有這種方向。本項研究成果應(yīng)用的極限平衡理論本項研究應(yīng)用的實體比例投影方法

第九十一頁，共一百零四頁，2022年，8月28日1980年孫玉科等著的《赤平極射投影在巖體工程地質(zhì)力學(xué)中的應(yīng)用》較系統(tǒng)的闡述了赤平極射投影和實體比例投影的原理及實際巖體工程中的應(yīng)用方法。赤平極射投影是解析平面和直線的空間課題的一種圖解方法，使用起來比較簡單方便。該方法和理論目前在分析巖體穩(wěn)定，尤其是分析邊坡和地下洞室?guī)r體穩(wěn)定性時仍被應(yīng)用，解決和預(yù)測了巖體中結(jié)構(gòu)面組合相交時的角距關(guān)系和結(jié)構(gòu)體的體積計算問題，可以完全用圖解的方法代替繁雜的公式演算，既簡便迅速，也比較形象直觀，而且，只要作圖細(xì)致，也可以達(dá)到相當(dāng)精確地程度，現(xiàn)在仍然是其它方法不可替代的。第九十二頁，共一百零四頁，2022年，8月28日邊坡變形與破壞的漸變理論與方法

漸變的地質(zhì)環(huán)境邊坡變形與破壞的漸變過程邊坡穩(wěn)定性系數(shù)的隨時間的漸變過程邊坡穩(wěn)定性系數(shù)的隨坡高的漸變過程第九十三頁，共一百零四頁，2022年，8月28日對于天然邊坡：第九十四頁，共一百零四頁，2022年，8月28日

—單位結(jié)構(gòu)體的自重；

—坡高為n的可能滑動結(jié)構(gòu)體的自重；n—坡高，一般以米表示，n=1，2，3，……；k—邊坡結(jié)構(gòu)體滑動面的個數(shù)；k=1，2，3，……N1N2……Nk—結(jié)構(gòu)體作用于結(jié)構(gòu)面1，2，……k上的法向應(yīng)力，可以用計算坡高滑移結(jié)構(gòu)體重力作用方向與各滑移結(jié)構(gòu)面法線間夾角間的幾何關(guān)系求得；第九十五頁，共一百零四頁，2022年，8月28日C1C2Ck—第1—k個滑動結(jié)構(gòu)面的內(nèi)聚力；；

—第1—k個滑結(jié)構(gòu)面的內(nèi)摩擦角；

η—水平地震系數(shù)；

—結(jié)構(gòu)面組合交線或滑動方向與水平面的交角；γ----巖體的容重。第九十六頁，共一百零四頁，2022年，8月28日第九十七頁，共一百零四頁，2022年，8月28日Pk——A——為滑動結(jié)構(gòu)體自重分解為滑動結(jié)構(gòu)面K的法向力所乘系數(shù),K=1,2,3,……，為滑動面的個數(shù)