边坡稳定性评价方法
1.2边坡稳定性评价方法
在工程实践中，可能遇到各种不同类型、不同边界条件的滑动变形边坡，为了评价其稳定性，可以采用不同的计算和评价方法。边坡评价的方法，可以概括为两大类：定性评价和定量评价[7]。
定性评价是定量评价的地质基础，定量评价是定性评价的补充和完善。由于地质条件的复杂性，在实际评价边坡稳定性时，定性与定量应结合使用，互为补充。当前定量评价方法已有多种，并还在不断发展与完善，但各种新的定量分析方法也给定性分析提出了更高的要求。就像有限单元法的采用，能适应岩体的复杂性、结构面得不连续性及边坡形状的不规则性等优点，也提高了对岩体结构分析和确定计算参数的新要求。由于岩体结构的复杂性、滑动面强度指标的时空变化特定等，使边坡稳定分析具有不确定性，因而产生了概率分析法。这种方法的基础，在于确定影响边坡稳定的内外因素及时空变化。
1.2.1定性评价方法
(1)成因历史分析法
成因历史分析法是通过研究边坡的形成历史和所处的自然地质环境、它的变形和物质组成、变形破坏行迹，以及影响边坡稳定性的各种因素特征和相互关系，从而对它的演变阶段和稳定状况做出评价和预测[8]。
成因历史分析法主要是针对已有多年历史的边坡，其主要研究内容如下：①研究组成边坡的物质介质及其特征，包括岩土类型及性质、岩体结构特征等。
②对已有的边坡变形作深入仔细的研究，包括变形部位、变形类型及形成机理等。
③分析边坡所处地区自然地理条件的变化，包括季节性雨期、周期性地震、地表水的变化等。
④联系边坡变形破坏的历史，确定促使边坡稳定性发生变化的主导因素，从而判断边坡稳定现状和发展趋势。
成因历史分析法不仅能判定边坡稳定现状，也能对边坡稳定性演化做出预测，并能为定量的力学计算方法确定边界条件和选用参数，为工程地质类比法提供比拟依据。因此，成因历史分析法是各种分析方法的基础。
(2)工程地质类比法
工程地质类比法是将已有边坡同新边坡进行类比，将前者的研究设计经验用于拟建边坡的研究设计中去。为此，需对要类比的两个边坡全面分析研究其工程地质条件和影响边坡稳定的各种因素，并考虑采矿技术条件，比较其相似性和差异性。只有相似程度较高的边坡才能进行类比，即类比的原则是相似性。工程地质类比法虽然是一种经验方法，但在新边坡的设计中，特别是对中小型边坡的设计时通常采用的一种方法。这种方法可以根据边坡的岩性、构造、岩体结构、水文地质条件、坡高等相似性，从经验数据中选取合理的边坡角；根据岩性和岩体结构的相似性，从经验数据中选取稳定计算参数；根据自然条件相似的边坡破坏实例，反算推求边坡稳定性的计算参数，预测新边坡的变形破坏形式和发展变化规律以及根据相似边坡的整治经验，提出边坡整治措施[8]。
(3)赤平极射投影法
赤平极射投影是表示物体的几何要素，或点、线、平面的空间方向和它们之间的角距关系的平面投影。
利用赤平极射投影分析边坡稳定性时，首先要调查统计岩体节理裂隙，掌握
比较发育和贯通性强的结构面，特别是软弱结构面的产状特征。如果软弱结构面比较明显，就需将其画在赤平投影图上，并结合边坡面在赤平投影图上的位置，分析边坡的稳定性[9][10]。
赤平极射投影法能有效地定性评价边坡的稳定性和滑动形式，但不能表示出软弱结构面在边坡上的具体位置及滑动体的大小和形态特征。为此，以赤平极射投影为基础，尚需采用实体比例投影方法。
近年来，由于工程地质学科的发展，使赤平极射投影法得到了更广发的应用。利用岩体结构面的赤平极射投影，再辅以作用力的矢量图，形成了一整套分析岩体稳定性的方法。对边坡来说，可用于分析除圆弧滑面外的多种几何形态滑体的稳定性。
1.2.2定量评价方法
定量评价方法实质上是一种半定量的方法，虽然评价结果表现为确定的数值，但最终的判定仍依赖于人为的判断[11]。目前，所有定量的计算方法都是基于定性方向之上。
(1)极限平衡法
极限平衡法是根据边坡上的滑体或滑体分块的力学平衡原理(即静力平衡原理)分析边坡各种破坏模式下的受力状态，以及利用边坡滑体上的抗滑力和下滑力之间的关系来评价边坡的稳定性阴。极限平衡法是边坡稳定分析计算的主要方法，也是工程实践中应用最多的一种方法。目前工程中用到的极限平衡稳定性分析方法有：Fellenius法（W.Fellenius，1936）、Bishop法（A.W.Bishop,1955）、Tayor法（Tayor，1937）、Janbu法（N.Janbu，1954，1973）、Sarma法（Sarma，1979）、Spencer法（N.Spencer,1973）、Morgenstern-Price法（Morgenstern-Price，1965）、Baker-Garber临界滑面法（Baker-Garber，1978）、楔形体法、平面破坏计算法、传递系数法等。在工程实际中，主要是根据边坡破坏滑动面的形态来选择合适的极限平衡法。
在极限平衡法的各种方法中[12]，尽管每种分析方法都有它的适用范围及假设条件，且得出的计算公式所涉及的因素各不相同，但是将他们都归结为极限平衡法，其大前提是相同的，即：假定岩土体是刚体，岩土体破坏是由于滑体内滑动面上发生滑动而造成的，滑动面上岩土变形服从破坏条件假定，假设滑动面己知，其形状为圆弧面、平面、对数螺旋面或其它不规则曲面，通过考察滑动面形成的隔离体的静力平衡特征，确定沿这一滑动面的破坏形式，或考虑隔离体整体平衡，或将隔离体分成若干竖向条块，并对条件另作一些简化，考虑条块的静力平衡，这样可以求出一系列滑面发生滑动时的破坏特征，最小的破坏面出现，与之对应的滑动面就是危险滑动面[13]。
常用极限平衡分析方法特点见表1-1。
表1-1极限平衡法比较及其主要特点[14]分析方法
瑞典条分法假设条件1、滑动面为圆弧
2、不考虑条间作
用力力学分析整体力矩平衡适用范围及特点1、圆弧滑面滑坡2、垂直条分滑体3、计算简单，稳定系数
偏小
4、只适于简单均质土坡
Bishop法1、可为任意形的1、整体力矩1、任意形的滑面
滑面平衡与静力2、垂直条分滑体
2、不考虑条间垂平衡3、稳定系数略大
向作用力2、条间垂向4、一般适于土坡
作用力为零
分块极限平1、滑动面为不规1、分块力矩1、很适于折线滑动面
衡则形状平衡2、计算复杂，稳定系数
2、滑面与分块界2、分块力平偏大
面同时达到极限衡3、垂直分条，适于土坡
状态
Janbu法1、滑动面为不规1、分块力矩1、垂直条分滑体
则形状平衡2、用于复合滑坡
2、条间水平与垂2、分块力平3、可适于非均质土坡
直分力有一定的衡4、K值介于Bishop法与分
函数关系3、考虑条间块极限平衡法之间的解
3、作用于条块上作用力答
的重力、反力通过
条块底面的中点
Sarma法1、滑面与侧面都分块力平衡1、可为任意条分块体
达到极限状态2、适于任何形状滑面滑
2、滑体作用有临坡
界水平加速度3、适于岩质滑坡或土滑
坡
楔形法受结构面或软弱整体力平衡适于岩质楔形滑坡或土
面控制形成的空滑坡
间楔形滑动
传递系数法1、条间作用力合1、各分块力1、任何形状滑面滑坡(不平衡推力力方向与滑面倾平衡2、垂直条分块体
法)角一致2、考虑了分3、岩质滑坡或土滑坡
2、条间作用力合条面上的剪4、滑动面倾角不宜过陡
力为负值则记传力
递的分块作用力
为零
(2)数值分析法
数值分析法主要是利用某种方法求出边坡的应力分布和变性情况，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
[8][13]。其方法主要包括：有限元法（FEM）、边界元法（BEM）、有限差分法（FDM）、快速拉格朗日法（FLAC）、离散元法（DEM）、界面元法、不连续变形分析（DDA）法、流形元法（NMM）等[15]。
其中有限单元法（FEM）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。其不足之处是：数据准备工作量大，原始数据易出错，不能保证整个区域内某些物理量的连续性；对解决无限性问题、应力集中问题等其精度比较差[16]。数值计算方法的各种方法比较见下表1-2。
表1-2数值计算法比较及其主要特点分析方运行机制适用范围法
有限元离散岩土介质为可以用来求解弹法多个单元，荷载移性、弹塑性、粘弹（FEM）植于节点，插值函塑性、粘塑性等问
数考虑连续条件，题
采用矩阵位移法
或力学求解岩土
介质应力场和位
移场
FLAC法优先差分原理考虑岩土体不连
续性、大变形等特
点
离散元将区域离散为单对块状、层状破裂法元，但单元节点可或一般碎裂结构（DEM）以分离，单元间的岩体比较适合
作用力可由力与
位移的关系求出，
个别单元的运动
由牛顿运动定理
确定
块体理几何学原理与解几何学特征，利用论（BT）析方法拓扑学、群论原
理，适用于岩体稳
定分析
不连续通过不连续面间考虑了变形的不变形分的相互约束建立连续性，可以计算析整个系统的力学静力、动力问题，（DDA）平衡条件，引入了可以计算岩体破
非连续接触和惯坏前小变形及破性力，采用运动学坏后大位移问题
原理解决非连续
的动力与静力问
题
无界元采用了一种特殊近年来已比较广法的形函数及位移泛地应用于非线
插值函数，能反映性问题、动力问在无穷远处的边题、不连续问题等界条件的求解，是有限元
方法的推广优点部分地考虑了非均质、不连续性，可以给出岩上体应力、应变的大小与分布缺点不能很好地求解大变形和位移不连续等问题;对于无限域、应力集中问题等的求解还不理想。计算便捷，单元网格的画分随意性强求解速度快动态性，考虑了岩体的非均质、不连续和大变形等特点，允许块体间发生平动转动甚至相离，可形象反映应力场、速度、位移等力学参数的全程变化只考虑抗剪强度，不计节理变形、力矩作用网格的划分比较复杂，耗用大量的计算机内存及计算时间。能有效解决有限元的“边界效应片”及人为确定边界的缺点，在动力问题中尤为突出一般要与其它方法如有限元联合使用
表1-2数值计算法比较及其主要特点分析方运行机制适用范围法
有限元离散岩土介质为可以用来求解弹法多个单元，荷载移性、弹塑性、粘弹（FEM）植于节点，插值函塑性、粘塑性等问
数考虑连续条件，题
采用矩阵位移法
或力学求解岩土
介质应力场和位
移场
FLAC法优先差分原理考虑岩土体不连
续性、大变形等特
点
离散元将区域离散为单对块状、层状破裂法元，但单元节点可或一般碎裂结构（DEM）以分离，单元间的岩体比较适合
作用力可由力与
位移的关系求出，
个别单元的运动
由牛顿运动定理
确定
块体理几何学原理与解几何学特征，利用论（BT）析方法拓扑学、群论原
理，适用于岩体稳
定分析
不连续通过不连续面间考虑了变形的不变形分的相互约束建立连续性，可以计算析整个系统的力学静力、动力问题，（DDA）平衡条件，引入了可以计算岩体破
非连续接触和惯坏前小变形及破性力，采用运动学坏后大位移问题
原理解决非连续
的动力与静力问
题
无界元采用了一种特殊近年来已比较广法的形函数及位移泛地应用于非线
插值函数，能反映性问题、动力问在无穷远处的边题、不连续问题等界条件的求解，是有限元
方法的推广优点部分地考虑了非均质、不连续性，可以给出岩上体应力、应变的大小与分布缺点不能很好地求解大变形和位移不连续等问题;对于无限域、应力集中问题等的求解还不理想。计算便捷，单元网格的画分随意性强求解速度快动态性，考虑了岩体的非均质、不连续和大变形等特点，允许块体间发生平动转动甚至相离，可形象反映应力场、速度、位移等力学参数的全程变化只考虑抗剪强度，不计节理变形、力矩作用网格的划分比较复杂，耗用大量的计算机内存及计算时间。能有效解决有限元的“边界效应片”及人为确定边界的缺点，在动力问题中尤为突出一般要与其它方法如有限元联合使用