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1、3.1 边坡稳定性分析概述3.2 土质边坡稳定性分析3.3 岩质边坡稳定性分析3.4 规范的一些规定,第三章 边坡稳定性分析, 边坡稳定性分析定性方法 边坡稳定性分析定量方法 边坡稳定极限平衡分析的条分法,3.1 边坡稳定性分析概述,边坡稳定性分析方法简介,对于大型或地质条件复杂的边坡，其稳定性分析一般分两阶段(定性+定量)进行。 第阶段(定性) ，对初勘所取得的地质资料进行研究，由于这阶段试验资料少，多用定性分析对边坡稳定性作出估计，分析时应按不同的构造区段及边坡的不同方位分别进行； 第二阶段(定量) ，对经上阶段分析认为是不稳定的或不满足规范安全系数要求的边坡进行详勘，取得包括岩土或软弱结
2、构面强度、地下水流和水压等方面的资料后，经定量分析对边坡稳定性作出判断。,3.1 边坡稳定性分析概述,对于新设计的大型边坡，根据建筑设计对边坡的要求及边坡的荷载情况，分别预选23个坡角并按坡高段进行稳定性验算，作出包括开挖、支护费用在内的技术经济比较，然后从中选出最优的坡角、坡形。 目前，针对不同类型的边坡，已经提出一种或多种分析方法。在具体应用中，根据具体边坡工程地质条件，选取一种或几种方法进行综合分析。,3.1 边坡稳定性分析概述,(1)地质分析法(历史成因分析法、过程机制分析法),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
3、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。,3.1 边坡稳定性分析概述,定义：该法是将已有的天然边坡或人工边坡的研究经验(包括稳定的或破坏的)，用于新研究边坡的稳定性分析，如坡角或计算参数的取值(如坡率法)、边坡的处理措施等。 类比法具有经验性和地区性的特点，应用时必须全面分析已有边坡与新研究边坡两者之间的地貌、地层岩性、结构、水文地质、自然环境、变形主导因素及发育阶段等方面的相似性和差异性，同时还应考虑工程的规模、类型及其对边坡的特殊要求等。,(2)工程地质类比法(定性),3.1 边坡稳定性分析概述,根据经验，存在下列条件时对边坡的稳定性不利： 边
4、坡及其邻近地段已有滑坡、崩塌、陷穴等不良地质现象存在。 岩质边坡中有页岩、泥岩、片岩等易风化、软化岩层或软硬交互的不利岩层组合。 土质边坡中裂隙发育、有软弱夹层，或边坡由膨胀土等不良岩土构成。 软弱结构面与坡面倾向一致且结构面倾角小于坡角，或基岩面倾向坡外且倾角较小。 地层渗透性差异大，地下水在弱透水层或基岩面上积聚流动；断层及裂隙中有承压水出露。 水流冲刷坡脚或因河水位急剧升降引起岸坡内动水力的强烈作用。 边坡处于强震区或邻近地段采用大爆破施工。,3.1 边坡稳定性分析概述,注意：采用工程地质类比法选取的经验值(如坡角、计算参数等)仅能用于地质条件简单的中、小型边坡。下表是可供选取的边坡坡度
5、容许值。,岩质和土质边坡允许坡度值(道路规范),3.1 边坡稳定性分析概述,注：使用本表时应考虑地区性水文、气象等条件，结合具体情况予以修正。本表不适用于岩层层面或主要节理面有顺坡向滑动可能的边坡。,土的饱和度Sr ：土中孔隙水的体积与孔隙总体积之比，以百分数表示. 饱和度描述土中孔隙被水充满的程度。干土Sr=0,饱和土Sr=100%。,3.1 边坡稳定性分析概述,(3) 图解法, 用一定的曲线和图形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（f 、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。,图解法可
6、以分为两类：,不同条件下均质岩坡 坡高与坡角关系曲线,3.1 边坡稳定性分析概述, 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，为力学计算创造条件。常用的有赤平极射投影分析法及实体比例投影法。 赤平极射投影分析法、实体比例投影法与摩擦圆等方法用于岩质边坡的稳定分析，可快速、直观地分辨出控制边坡的主要和次要结构面，确定出边坡结构的稳定类型，判定不稳定块体的形状、规模及滑动方向。 对用图解法判定为不稳定的边坡，需进一步用计算加以验证。下面简要介绍利用赤平极射投影图初步判断边坡稳定性。,3.1 边坡稳定性分析概述,3.1 边坡稳定性分析概述,当结构面的倾向与坡面倾向相反时，边坡为稳定
7、结构。 当结构面的倾向与坡面倾向基本一致但其倾角大于坡角时，边坡为基本稳定结构。 当结构面的倾向与坡面倾向之间夹角小于30且倾角小于坡角时，边坡为不稳定结构。 下图为1组结构面构成的边坡赤平极射投影,1组结构面构成的边坡 (a)不稳定结构；(b)基本稳定结构；(c)、(d)稳定结构；(e)不稳定结构,3.1 边坡稳定性分析概述,2组结构面构成的边坡 (a)不稳定结构；(b)基本稳定结构；(c)稳定结构,下图为2组结构面构成的边坡赤平极射投影,3.1 边坡稳定性分析概述,3组结构面构成的边坡 (a)不稳定结构；(b)基本稳定结构；(c)不稳定结构；(d)基本稳定结构；(e)稳定结构,下图为3组结
8、构面构成的边坡赤平极射投影,3.1 边坡稳定性分析概述,工程地质领域最早研制出的专家系统是用于地质勘察的专家系统 Propecter，由斯坦福大学于70年代中期完成的。 在国内，许多单位进行了相关研究工作，并取得了较多的成果。专家系统使得一般工程技术人员在解决工程地质问题时能象有经验的专家给出比较正确的判断并做出结论，因此，专家系统的应用为工程地质的发展提供了一条新思路。,(4)边坡稳定专家系统,3.1 边坡稳定性分析概述,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。目前，所有定量的计算方法都是基于定性方向之上。,极限平衡法在工程中应用最为广泛，这个方法早
9、期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(主要为垂直条分)，建立作用在这些条块上的力的平衡方程式，求解安全系数。,(1)极限平衡法,3.1 边坡稳定性分析概述,定量分析方法,垂直条分法就是将滑动土体竖直分成若干土条，把土条当成刚体，分别求作用于各土条上的力对圆心的滑动力矩(或力)和抗滑力矩(或力) ，然后求土坡的稳定安全系数。,条间切向力,3.1 边坡稳定性分析概述,极限平衡方法，没有象传统的弹、塑性力学那样引入应力应变关系来求解本质上为静不定的问题，而是直接对某些多余未知量作假定，使得方程式的数量和未知数的数量相等，因而使问题变得静定可解。 根据边坡破坏的边界条件，应用力学分析
10、的方法，对可能发生的滑动面，在各种荷载作用下进行理论计算和抗滑强度的力学分析。通过反复计算和分析比较，对可能的滑动面给出稳定性系数。 目前，刚体极限平衡方法已经从二维发展到三维。,3.1 边坡稳定性分析概述,刚体极限平衡分析方法很多，在处理上，各种条分法在以下几个方面引入简化条件： (a) 对滑裂面的形状作出假定，如假定滑裂面形状为折线、圆弧、对数螺旋线等；(b) 放松静力平衡要求，求解过程中仅满足部分力和力矩的平衡要求；(c) 对多余未知数的数值和分布形状做假定。 该方法比较直观、简单，对大多数边坡的评价结果比较令人满意。 该方法的关键在于对滑体的范围和滑面的形态进行分析、正确选用滑面计算参
11、数、正确分析滑体的各种荷载。 基于该原理的方法很多，如Bishop法、Janbu法、M-P法、不平衡传递系数法等。,3.1 边坡稳定性分析概述,常见条分法及其相应的假定,陆军工程师团法、罗厄法、通用(或称广义)Janbu法、GLE法等,3.1 边坡稳定性分析概述,主要是利用某种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，由此判断边坡的稳定性。主要有以下几种：,(2)数值分析方法,有限单元法（FEM） 该方法是目前应用最广泛的数值分析方法。其解题步骤已经系统化，并形成了很多通用的计算机程序。 其优点是部分地考虑了边坡岩体的非均质、不连续介质特征，考虑了岩体的应力应变特征，因
12、而可以避免将坡体视为刚体、过于简化边界条件的缺点，能够接近实际地从应力应变分析边坡的变形破坏机制，对了解边坡的应力分布及应变位移变化很有利。,3.1 边坡稳定性分析概述, 快速拉格朗日有限差分法(FLAC),FLAC（Fast Lagrangian Analysis of Continue）由美国Itasca Consulting Group，Inc.为地质工程应用而开发的连续介质显式有限差分计算程序，主要适用模拟计算岩土工程地质材料的力学行为，特别是材料达到屈服极限后产生的塑性流动。,FLAC程序建立在拉格朗日算法基础上，特别适合模拟大变形及扭曲变形。FLAC程序设有多种本构模型，可解算地质
13、类材料的高度非线性(包括应变硬化/软化)、 不可逆剪切破坏、粘弹(蠕变)、孔隙 介质的固流耦合、热力耦合 以及动力学行为等。,3.1 边坡稳定性分析概述,该方法只需对已知区的边界极限离散化，因此具有输入数据少的特点。 由于对边界极限离散，离散化的误差仅来源于边界，区域内的有关物理量是用精确的解析公式计算的，故边界元法的计算精度较高，在处理无限域方面有明显的优势。 其不足之处为：一般边界元法得到的线性方程组的关系矩阵是不对称矩阵，不便应用有限元中成熟的 对称矩阵的系列解法。另外，边界元法 在处理材料的非线性和严重不均匀的边 坡问题方面，远不如有限元法。,边界单元法（BEM）,3.1 边坡稳定性分
14、析概述,是由Cundall（1971）首先提出的。该方法利用中心差分法解析动态松弛求解，为一种显式解法，不需要求解大型矩阵，计算比较简便，其基本特征在于允许各个离散块体发生平动、转动、甚至分离，弥补了有限元法或边界元法的介质连续和小变形的限制。因此，该方法特别适合块裂介质 的大变形及破坏问题的分析。其缺点是 阻尼系数难以确定等。 离散单元法可以直观地反映岩体变化 的应力场、位移场及速度场等各个参量的 变化，可以模拟边坡失稳的全过程。,离散元法(UDEC-DEM),3.1 边坡稳定性分析概述,是由Goodman和Shi（1985）提出的，该方法利用拓扑学和群论评价三维不连续岩体稳定性。 该法建立
15、在构造地质和简单的力学平衡计算的基础上。利用块体理论能够分析节理系统和其它岩体不连续系统，找出沿规定临空面岩体的临界块体。块体理论为三维分析方法，随着关键块体类型的确定，能找出具有潜在危险的关键块体在临 空面的位置及其分布。 块体理论不提供大变形下的解答，能 较好地应用于选择边坡开挖的方向和形状。, 块体理论(BT),3.1 边坡稳定性分析概述, 无粘性土坡稳定性分析 边坡稳定极限平衡分析的条分法,3.2 土质边坡稳定性分析,无粘性土坡稳定性分析,1）微单元A自重: W=V,2）沿坡滑动力：,3）对坡面压力：,（由于无限土坡两侧作用力抵消）,4）抗滑力：,5）抗滑安全系数：,W,T,N,坡与水
16、平夹角为 砂土内摩擦角为,W,R,N,A,3.2 土质边坡稳定性分析,破坏形式：表面浅层滑动,当=时，Fs=1.0，天然休止角,安全系数与土容重无关,与所选的微单元大小无关,思考：在干坡及静水下坡中， 如不变，Fs有什么变化,坡内任一点或平行于坡的任一滑裂面 上安全系数Fs都相等,3.2 土质边坡稳定性分析,有沿坡渗流情况,正常蓄水土坝下游,水位骤降的土坝上游,逸出段,3.2 土质边坡稳定性分析,A,(1) 自重：,渗透力： （方向：平行于土坡）,(2) 滑动力：,(3) 抗滑力：,(4) 抗滑安全系数：,取微单元 A，以土骨架为隔离体：,l,h,J,J,3.2 土质边坡稳定性分析,讨论：,意味着原来稳定的坡，有沿坡渗流时可能破坏,与所选V大小无关，亦即在这种坡中各点安全系数相同,与容重有关,与无渗流比较Fs减小近一倍,3.2 土质边坡稳定性分析,其它：,(1) 与坡面成一定角度,(2) 垂直向内渗流,(3) 部分浸水无粘性土坡,(4) 非线形强度指标的影响,3.2 土质边坡稳
