边坡稳定性分析与评价

边坡稳定性分析与评价的目的，一是对与工程有关的天然边坡稳定性作出定性和定量评价；二是要为合理地设计人工边坡和边坡变形破坏的防治措施提供依据。

边坡稳定性分析评价的方法主要有：地质分析法(历史成因分析法)、力学计算法、工程地质类比法、过程机制分析法、理论体边坡已有的变形迹象，阐明其形成演变机制。

1．边坡稳定分析方法简介

1）定性分析方法

主要是分析影响边坡稳定性的主要因素、失稳的力学机制、变形破坏的可能方式及工程的综合功能等，对边坡的成因及演化历史进行分析，以此评价边坡稳定状况及其可能发展趋势。该方法的优点是综合考虑影响边坡稳定性的因素，快速地对边坡的稳定性做出评价和预测。

①地质分析法（历史成因分析法）

根据边坡的地形地貌形态、地质条件和边坡变形破坏的基本规律，追溯边坡演变的全过程，预测边坡稳定性发展的总趋势及其破坏方式，从而对边坡的稳定性做出评价，对已发生过滑坡的边坡，则判断其能否复活或转化。

②工程地质类比法

其实质是把已有的自然边坡或人工边坡的研究设计经验应用到条件相似的新边坡的研究和人工边坡的研究设计中去。它虽然是一种经验方法，但在边坡设计中，特别是在中小型工程的设计中是很通用的方法。

③图解法。

a.用曲线和诺谟图来表征边坡有关参数之间的定量关系，由此求出边坡稳定性系数，或已知稳定系数及其它参数（φ、c、r结构面倾角、坡角、坡高）仅一个未知的情况下，求出稳定坡角或极限坡高。这是力学计算的简化。b.利用图解求边坡变形破坏的边界条件，分析软弱结构面的组合关系，分析滑体的形态、滑动方向，评价边坡的稳定程度，为力学计算创造条件。常用的为赤平极射投影分析法及实体比例投影法。

④边坡稳定专家系统

专家系统Propecter，由斯坦福大学于70年代中期完成的。MIT在80 年代中期研制的测井资料咨询的专家系统也得到成功地应用。

2）定量分析方法

实质是一种半定量的方法，虽然评价结果表现为确定的数值，但最终判定仍依赖人为的判断。

①极限平衡法

极限平衡法在工程中应用最为广泛，这个方法以摩尔—库仑抗剪强度理论为基础，将滑坡体划分为若干条块，建立作用在这些条块上的力的平衡方程式，求解安全系数。

基于该原理的方法很多，如条分法、圆弧法、Bishop法、Janbu法、不平衡传递系数法等。

②数值分析方法

主要是利用数值分析方法求出边坡的应力分布和变形情况，研究岩体中应力和应变的变化过程，求得各点上的局部稳定系数，由此判断边坡的稳定性。这些数值模拟方法包括：有限单元法（FEM）、边界单元法（BEM）、离散元法（DEM）、块体理论（BT）等。

2．圆弧法岩坡稳定性分析

图9-3 圆弧法分析示意图

对于均质的以有及没有断裂面的岩坡，在一定条件下可看作平面问题，用圆弧法进行稳定分析。圆弧法是最简单的分析方法之一。

在用圆弧法进行分析时，首先假定滑动面为一圆弧，把滑动岩体看作为刚体，求滑动面上的滑动力及抗滑力，再求这两个力对滑动圆心的力矩。滑动力矩Ms和抗滑力矩MR之比，即为该岩坡的稳定安全系数Fs：

如果Fs>1，则沿着这个计算滑动面是稳定的；如果Fs≤1，则是不稳定的；如果Fs=1，则说明这个计算滑动面处于极限平衡状态。

由于假定计算滑动面上的各点覆盖岩石重量各不相同，因此，由岩石重量引起在滑动面上各点的法向压力也不同。抗滑力中的摩擦力与法向应力的大小有关，所以应当计算出假定滑动面上各点的法向应力。为此可以把滑弧内的岩石分条，用所谓条分法进行分析，得到假定滑动面上的安全系数为

图9-4 不同条件下均质岩坡坡高与坡角关系曲线

根据用圆弧法的大量计算结果，有人已经绘制了如图所示的曲线，该曲线表示当一定的任何物理力学性质时坡高与坡角的关系。在图上，横轴表示坡角a ，纵轴表示坡高系数H'，H90表示均质垂直岩坡的极限高度，亦即坡顶张裂缝的最大深度，用下式计算：

利用这些曲线可以很快地决定坡高或坡角，其计算步骤如下：

1)根据岩体的性质指标(c、、 )按上式确定H90；

2)如果已知坡角，需要求坡高，则在横轴上找到已知坡角值的点，自该点向上作一条垂直线，相交于对应已知内摩擦角 的曲线，得到一个交点，然后从这一点作一条水平线交于纵轴，求得H'，将H’乘以H90'，即得所要求的坡高H

3)如果已知坡高H需要确定坡角，则首先用下式确定H'

根据H'，从纵轴上找到相应点，通过该点作一条水平线，相交于对应已知 的曲线，得到一个交点，然后从该交点作向下的垂直线，交于横轴，求得坡角。

3．平面滑动稳定分析方法

1）平面滑动的一般条件

岩坡沿着单一的平面发生滑动，一般必须满足下列几何条件:

①滑动面的走向必须与坡面平行或接近平行(约在的范围内)；

②滑动面必须在边坡面露出，即滑动面的倾角必小于坡面的倾角a，即<α；

③滑动面的倾角 必大于该平面的摩擦角J ，即 >j；

④岩体中必须存在对于滑动阻力很小的分离面，以定出滑动的侧面边界。

2）平面滑动分析

大多数岩坡在滑动之前坡顶上或在坡面上出现张裂缝。张裂缝中不可避免地还充有水，从而产生侧向水压力，使岩坡的稳定性降低。在分析中往往作下列假定：

①滑动面及张裂缝的走向平行于坡面；

②张裂缝垂直，其中充水深度为Zω；

③水沿张裂缝底进入滑动面渗漏，张裂缝底与坡趾间的长度内水压力按线性变至零；

④滑动块体重量W、滑动面上水压力U和张裂缝中水压力V三均通过滑体的重心。

潜在滑动面上的安全系数，要按极限平衡条件求得。这时，安全系数等于总抗滑力与总滑动力之比，即

式中：L为滑动面长度(每单位宽度内的面积)，

W按下列公式计算，当张裂缝位于坡顶面时：

当张裂缝位于坡面上时：

将式无量纲化，得到

式中：

当张裂缝在坡顶面上时，

P、Q、R、S均为无量纲的，即它们只取决于边坡的几何要素，而不取决于边坡尺寸。因此，当黏聚力c=0时，安全系数不取决于边坡的具体尺寸。

下面几张图分别表示各种几何要素的边坡的P、S、Q的值，可供计算使用，两种张裂缝的位置都包括在Q比值的图解曲线中，所以不论边坡外形如何，都不需检查张裂缝的位置，就能求得Q值。但应注意，张裂缝的深度一律从坡顶面算起。

4．双平面滑动岩坡稳定性分析

岩坡内有两条相交的结构面，形成潜在的滑动面，如右图所示。上面的滑动面的倾角α1大于结构面内摩擦角φ1。设c1=0 ，上面的岩块体为主动滑块体。下面的潜在滑动面的倾角α2小于结构面的内摩擦角φ2，为被动滑块体。假设主动块体与被动块体之间的边界面为垂直，为极限平衡而所需施加的支撑力：

式中：1 、2 、以及3 分别为上面滑动面、下滑动面以及垂直滑动面上所用的摩擦角；W1和W2分别为单位宽度主动和被动滑块体的重量。

假定1=2=3= ，如果已知Fb、W1、W2 、a1 和 a2之值，则可以用下列方法确定岩坡的安全系数：首先用上述关于Fb 的公式确定保持极限平衡而所需要的摩擦角值，然后将岩体结构面上的设计彩的内摩擦角值与之比较，用下列公式确定安全系数：

5．力多边形法岩坡稳定性分析

两个或两个以上多平面的滑动或者其它形式的折线和不规则曲线的滑动，都可以按照极限平衡条件，用力多边形(分条图解)法来进行分析。

假定根据工程地质分析，ABC是一个可能的滑动面，将这个滑动区域用垂直线划分为若干岩条，对于每一岩条都考虑到相邻岩条的反作用力，并绘制每一岩条的力多边形。以第i条为例，岩条上作用着下列各个力，如图b所示，根据这些力，绘制力的多边形如图c所示。

如果绘制到最后一个力多边形是闭合的，则说明岩坡处于平衡状态，即稳定安全系数等于1，如图c中实线所示。如果绘出的力多边形不闭合，如图c中左边的虚线箭头所示，则说明该岩坡是不稳定的，因为为了图形的闭合还缺少一部分凝聚力。如果最后的力多边形如右边的虚线箭头所示，则说明岩坡是稳定的，因为为了多边形的闭合还少用一些凝聚力，亦即凝聚力还有多余。

用岩体的凝聚力c和内摩擦角进行分析，只能看到岩坡是稳定的还是不稳定的，但不能求出岩坡的稳定安全系数来。为了求得安全系数必须进行多次的试算。这时一般可以先假定一个安全系数，例如(Fs)1，把岩体的凝聚力c和内摩擦系数tg都除以(F2)1，亦即得到

然后用c1、1 进行上述图解验算。如果图解结果显示力多边形刚好是闭合的，则所假定的安全系数就是在这一滑动面下的岩坡安全系数；如果不闭合，则重新假定安全系数，(Fs)2 …… (Fs)n，用c2，2 …… cn，n 进行计算，直至闭合为止，求出真正的安全系数。如果岩坡有水压力、地震力以及其它的力也可在图解中把它们包括进去。

6．近代理论计算法

近代理论计算分析是将土力学、岩石(岩体)力学、弹塑性力学、断裂力学、损伤力学等多种力学和数学计算方法应用于边坡稳定性的定量评价和预测。量化分析涉及到稳定性计算、失稳时间预报、稳定空间预测等。目前采用的主要计算方法如课本表9-1所示。

实践证明，任何计算方法的成功都必须建立在深入查明原型特征和做出符合实际情况的演化机制分析的基础之上，机制分析至少从以下几个方面为理论计算提供了必不可少的信息。

1)力学模型和数学模型

必须根据地质和演化机制模式建模。通过变形破坏机制分析加以确定。

2)主导因素和敏感因素

根据边坡形成演化全过程与各环境动力因素的相关分析加以确定的主导因素和敏感因素。

3)计算参数的选取

坡体各种强度参数和物理、水理性质等参数，都是随边坡演化而变化的变量，因而只有判明边坡的演化机制和发展阶段，才能正确选定。

4)计算方法的选择

方法的选择也要建立在机制分析的基础上。

内容源于网络，如有侵权，请联系删除

相关资料推荐：

边坡稳定性分析评价方法

知识点：边坡稳定性分析与评价