岩石边坡稳定分析

边坡工程—边坡稳定性分析实例边坡工程稳定性分析边坡工程—边坡稳定性分析实例1.1引言对于设计来说，熟悉并且能够认识岩质边坡复杂多样的可能的破坏的形式是非常重要的，因为岩质边坡的岩体结构和构成变化很大，岩体性质多种多样，而许多教科书中为适应这个领域的初学者的需要，尽力的简化繁多的破坏模式，那些对地质地形有经验的人很容易明白这个道理，因此他们采用他们自己的才智和各种方法去解决实际问题。但是那些缺乏各种经验的人可能要去建立复杂边坡状况的简化模型，但是结果常常不是很令人满意。下面分别介绍各种普通的破坏模式，硬岩和软岩都在考虑范围，提醒人们注意观察一个边坡区分另一个的特征，由于在地球上，特别是在地球表面，岩土材料中土和岩石的区别是很模糊的，所以要严格的区分开是比较困难的。1、边坡破坏模式边坡工程—边坡稳定性分析实例在开挖洞室时，周围连续的岩体切应力流可以使块体保持稳定，而在地表面开挖中，由于切应力较小，在块表面没有表面阻力，再加上岩体初始应力较低、岩体风化以及水的影响，表面开挖比地下洞室的开挖更容易失稳。1.3岩质边坡的危害性在暴露到视野的一个岩体内，某一个可以观察到的特征警告了潜在的危害和其它曾经发生的危害。幸运的是，大部分边坡问题在形成期间是具体化的，并且可以用合适措施来纠正。特别是假如能正确的鉴别其破坏模式，然而，有些边坡可能是经过长时间的发展，逐渐朝危险和滑塌方向运动的。1.2岩质边坡的环境边坡工程—边坡稳定性分析实例我们经常能看到沿着一个断层、岩层、节理或其它不连续表面暴露的岩面。如图1（a）所示，它表明以前覆盖这个表面的岩体已经被移走，从这个简单的观察可以识别出岩体特殊的结构特征。从表面被移动的块体可能是通过侵蚀、滑动或旋转被移走的，刺激其发生的因素可能已经在很久以前消失了，但是其中的细节总是有益于观察。aa图1（a）边坡工程—边坡稳定性分析实例如图1（b）所示，暗示先前放在上面的柱状体在过去，可能是在形成期间，已经倾倒，假如孕育他的几何条件复原，可以看成一个倾倒破坏趋势。图1（b）图1（c）典型的土质类型的破坏形式边坡工程—边坡稳定性分析实例在边坡中可以看到各种类型的张裂缝。一个可变形的块体沿着先前存在的或一个新的剪切面运动，如图1（f），可能打开一个或多个线性或弓形张裂缝。在片节理的花岗岩或大体积的砂岩构成物中，弓形张裂缝先于平板移动而分开，并且在板层张拉断开处形成弓形，在全部例子中，张裂缝的形成意味着先前通过在岩板中的拉应力来维持的抵抗力已经消失，而被逐渐增加的下面的滑面的剪力抵抗力取代。1（f）图边坡工程—边坡稳定性分析实例一个滑块的初始运动将沿节理打开，并且从这些“释放表面”分离，如图1（d），在这种情况下，节理的打开取代在非节理材料中的新的张裂缝形成，但是结果不同的是：由于释放的节理从来没有带来任何拉应力，所以将没有自动增加滑面的剪应力。如图1（d）边坡工程—边坡稳定性分析实例1.4不同破坏模式产生原因1.有限块是由存在的不连续面和开挖表面相交形成的。2.不利的方向块首先滑出，留下后面的空间使后面的块体能够滑动，第一个滑动块称为关键块（Goodmanandshi，1985）3.假如某种滑动的动力条件是满足的，沿一个不利方向的表面或块体边缘的滑动会发生。这些条件中最主要的是在开挖的空间，块体是可移动的。4.假如边坡的滑动受到阻止或者受到抑制，滑体可能发生旋转运动，因此，当因为滑层沿有开露面滑动的机会被锁定，倾倒、溃屈、块体跌落或扭转破坏可能发生。5.不完全的块体趋向于滑动，但不完全被节理系统定出边界的块体，可能由于新的断裂使块体孤立，从而发生破坏。边坡工程—边坡稳定性分析实例1.5岩质边坡破坏的原因由于开挖坡脚处的沉积物和岩体引起滑体的滑动由于在边坡下部开挖大型隧道引起边坡上部岩体的连锁断裂滑动边坡工程—边坡稳定性分析实例由于开挖坡脚处的岩体而形成了新的滑动块体由于海水侵蚀坡脚而移走坡脚岩体致使岩体滑动边坡工程—边坡稳定性分析实例1.6不同破坏模式的讨论由于边坡岩体构造复杂多样，所以岩质边坡的破坏模式有许多种，在大部分岩石力学及岩石边坡稳定方面的教材中，岩质边坡的简化破坏形式可以分为：①平面破坏（PlaneFailure）；②楔体破坏（WedgeFailure）；③倾倒破坏（TopplingFailure）。平面破坏和楔体破坏是比较常见的破坏形式，但是倾倒破坏是一种很重要的破坏形式。还有许多其它破坏形式，如侵蚀破坏（Erosion）、由于岩体松散解体而引起的破坏（Ravelling）、溃屈破坏（Bucking）、断裂破坏（Fracture）等，其中每一种又有许多不同的具体表现形式边坡工程—边坡稳定性分析实例侵蚀（Ravelling）可以严重的降低一个岩质边坡的安全程度。或者通过对表面的集中冲刷，或者从内部侵蚀，特别是在胶结较差的淤泥质沉积物、强风化的花岗岩和残余土。当包含松散的淤泥材料的自然或人工边坡和有张开节理的坚硬岩接触时，内部侵蚀可能发生，这主要发生在许多火山岩系列和主要的断裂区。假如可侵蚀的土体位于张开节理的岩体下面，存在的参流可以产生迅速的侵蚀过程；假如可侵蚀的土体位于张开节理的上面，他们的进入到裂隙的内部侵蚀是可能的，但是一般来说对边坡破坏较少（虽然这是在毁坏逆流岩体表面结构）边坡工程—边坡稳定性分析实例松散（Ravelling）源于岩石切坡表面的圆石或块体逐渐的松散和侵蚀，它是在风化和重力作用下体的消耗和逐渐侵蚀。块体滑动（Blocksliding）发生在一个较弱的单一平面上，当最终滑体的周围完全被结构面确定了边界，有可能发生块体滑动。只有一个优势不连续面层状岩体的情况下，潜在的滑动是不可能的，除非块体两侧边缘被地形上的山谷剪切割裂，或者有发展的刺激滑动的类型的剪切割裂，后者很容易的通过单个的断裂和剪切区（切割滑体平行于滑面的方向）由三个或较多节理形成的块体不要求任何其它的结构或地形来帮助从边坡上滑动（假如它们是在开挖的空间可移动的）。可移动的块体可以在一个方向沿一个面滑动，或者通过沿一个块的边缘在两个交叉的块面滑动，或者以旋转的模式滑动边坡工程—边坡稳定性分析实例楔体滑动（Wedgeslides）发生在边坡被仅仅两个不平行的不连续表面切割的情况下。在这些情况下，近似的四边滑块被两个岩体不连续表面和两个地面的切平面围成。倾倒破坏（Toppling）涉及岩柱或岩块绕某一固定基面转动。如图3为弯曲式倾倒和块体式倾倒，另外还有弯曲块体复合式倾倒。图4出示了次生倾倒模式弯曲式倾倒和块体式倾倒图3边坡工程—边坡稳定性分析实例图4次生倾倒模式边坡工程—边坡稳定性分析实例图5岩体断裂破坏边坡工程—边坡稳定性分析实例图6溃屈破坏图7土质型边坡破坏边坡工程—边坡稳定性分析实例2、岩质边坡稳定性分析方法2.1岩体参数极限平衡、数值计算等计算方法在岩质边坡稳定性分析中得到广泛应用，其中如何选择计算所需的工程岩体强度参数成为关键的问题。对于重大工程，可通过现场大型岩体原位实验取得岩体力学参数，但由于时间和资金限制，原位实验不可能大量进行，因而该方法仍有一定的局限性。另外，选取岩性特别均匀的试样几乎是不可能的，多数情况下，是用经验公式来确定岩体抗剪强度参数边坡工程—边坡稳定性分析实例目前岩质边坡的稳定性分析中主要采用两大类方法。第一类方法是根据滑裂面上的抗滑力和滑动力直接计算边坡安全系数。滑裂面上的力可以由滑体的静力平衡条件求解，这类方法包括刚体极限平衡法、关键块理论等。第二类方法首先采用数值分析方法（如有限元、离散元、块体元和DDA等）确定边坡的位移场和应力场，再采用超载法、强度储备法等使边坡达到极限状态，从而间接地得到稳定安全系数。这种方法不仅考虑了滑移体力的平衡，而且考虑了位移协调条件和岩体本构关系等2.2边坡稳定性分析方法边坡工程—边坡稳定性分析实例极限平衡法目前边坡稳定分方法许多都是建立在极限平衡理论之上，而且大都采用刚体极限平衡法，这些方法简单易行。其基本出发点是把岩块作为一个刚体，为方便计算作一些假定，不考虑岩石的应力应变关系，因而这种建立在刚体极限平衡理论上的稳定分析方法无法考虑边坡的变形与稳定。针对极限平衡法国内外学者进行大量的研究，如H.Kumsar等(StabilityAssessmentofRockSlopesAgainstWedgeFailures，RockMech.RockEngng，2000，33（1）)介绍了静力和动力荷载条件下楔体滑坡模型实验研究情况，在极限平衡分析方法中考虑了动力的作用，并且在严格的实验条件和实际工程中得到验证；边坡工程—边坡稳定性分析实例杨松林(岩体稳定分析的广义条分法初步探讨,岩土工程学报,1999,20（1））针对传统竖直条分法和萨尔玛法应用于岩体边坡的稳定性分析的缺点，提出了适用范围更广的广义条分法，广义条分法考虑了条块间分界面的应力变形关系，采用条块间分界面的应力变形本构关系代替传统的两类条分法对条块分界面上力的大小、方向或作用点的人为假定，这一做法更加符合岩土工程的实际情况，并采用优化搜索的方法给出了相对最危险的潜在滑动面及其稳定系数边坡工程—边坡稳定性分析实例李冬田（岩坡的层分析方法与抗滑系数图谱,岩土工程学报,2001,23(1)）提出一种三维的岩坡极限平衡法，即应用岩坡多层DEM几何模型，参照简化Bishop法的假定，进行岩坡稳定性分析的层分析方法，进而提出了抗滑系数谱的概念，以反映碎裂岩体稳定因素的不均匀性。边坡工程—边坡稳定性分析实例数值计算方法运用数值方法进行岩质边坡的稳定性计算分析有许多优点，如由于边坡工程所处的边界条件和地质环境一般比较复杂，加之岩体的不连续性、不均匀性、各向异性等特性，造成边坡工程问题复杂，而数值分析方法可以方便地处理这些问题；数值分析法可以根据岩体的破坏准则，确定边坡的塑性区、拉裂和压碎区；分析边坡渐进破坏过程和确定边坡起始破坏部位；可以得到岩质边坡的应力场、应变场和位移场，可用于分析边坡工程的分步开挖、边坡岩体与加固结构的相互作用，地下水渗流、爆破和地震等因素对边坡稳定性的影响等；此外，用离散单元法可以仿真边坡整体滑移过程，对于预测边坡的破坏规模和方向具有重要意义。随着计算机技术的飞速发展，数值方法发展很快，在岩质边坡稳定性分析中正发挥着越来越重要的作用。边坡工程—边坡稳定性分析实例其它新方法神经网络方法从模拟人脑形象思维入手，具有非线性性、并行性和强泛化性等特点。目前，用于地质体的神经网络主要是BP网络，许多文献研究了这种方法的应用。如卢才金等（1999）（改进的BP网络在岩质边坡稳定性评价中的应用,岩石力学与工程学报,1999,18（3）:303~307）结合前人的研究成果对神经网络中的BP算法进行综合改进，并将其运用于岩质边坡稳定性评判，并建立了评判模型。边坡工程—边坡稳定性分析实例边坡稳定性分析是不确定性问题，具有随机性、模糊性，传统方法为定值方法，没有考虑实际存在的不确定性，所给的安全系数并不能反应分析对象真实的安全度和可靠度，对于这类具有模糊性的事件可以采用模糊数学方法，如刘瑞玲等（岩石边坡稳定性和Fuzzy综合评判法，岩石力学与工程学报,1999,18（2）:170~175）采用Fuzzy数学方法充分考虑工程实际经验，建立了Fuzzy综合评判模型。边坡工程—边坡稳定性分析实例应用系统科学、人工智能、神经网络、进化计算和模糊数学等新兴学科理论，综合研究岩质边坡工程系统的不确定性和工程经验，发展出一套切实可行的智能力学分析方法，这可能是解决复杂的边坡工程涉及问题的一条有效途径。李章明等（露天矿边坡实用性专家系统PESOPSV1.0设计及应用,岩土力学,1996,17(4)）开发了露天矿边坡实用的专家系统,用于边坡问题的智能化研究；冯夏庭（智能岩石力学导论,科学出版社,2000）对影响边坡稳定性的因素进行了分析，提出了边坡稳定性分析的综合集成理论和方法边坡工程—边坡稳定性分析实例2.3边坡流变分析岩质边坡的变形与失稳大多与时间有关，上述两类方法只能分析边坡的短期稳定性，对于由岩体流变引起的长期变形和稳