边坡稳定影响因素及稳定分析方法.docx
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边坡稳定影响因素及稳定分析方法
边坡稳定影响因素及稳定分析方法
边坡稳定影响因素及稳定分析方法
学院：
资源与安全工程学院
专业班级：
采矿1202班
学号：
g1*******46
姓名：
张进
指导老师:
李地元
边坡稳定影响因素及稳定分析方法
摘 要：
在明确边坡稳定性取决于边坡自身的结构特性、水、振动、人类活动、气候条件、风化及植被等内外因素综合作用的前提下，对边坡的稳定分析方法从定性到定量的发展过程进行了分析。
定性分析法主要有地质历史力学分析法、工程经验类比法和图解法等；定量分析法主要有极限平衡法、有限单元法、控制理论分析法、智能技术分析法以及综合分析法等。
针对现有边坡稳定分析方法存在的利弊,提出了需要深入研究的问题,以完善边坡稳定性的研究内容。
关键词：
边坡稳定性；影响因素；稳定分析方法。
1、引言
边坡稳定性问题一直是岩土边坡的一个重要研究内容,它涉及水利水电、矿山、公路、铁道、港口、工民建等诸多工程领域。
由于岩土边坡表面倾斜，在自身重量及其它外力作用下，整个岩土结构都有从高处向低处滑动的趋势，如果结构体内部某一面上的滑动力超过结构体抵抗滑动的能力就会发生滑坡。
水利水电、矿山、公路、铁路、工民建等工程，存在大量的边坡，其稳定性对整个工程的可靠度、安全度以及社会经济效益都有重大的影响。
因此，深入了解和掌握边坡的变形及发展规律，对边坡稳定性进行分析评价,提出合理的防治措施，避免出现滑坡等地质灾害造成的损失，提高工程总体经济效益，是岩土力学与工程中最重要的理论与实践课题之一，是经典力学最早试图解决而至今仍未圆满解决的课题之一，也是当前岩土工程界研究的课题之一。
2、边坡稳定影响因素
边坡稳定受自身结构、自然营力和人类活动的影响，具有许多很复杂的影响因素，实质上是其内外因综合作用的结果。
影响边坡稳定的内因包括边坡自身的结构特性和水的作用；而外因则包括振动力作用、人类活动、气候条件的变化、风化作用及植被等因素。
2.1 影响边坡稳定的内在因素
2.1.1 边坡的结构特性
边坡的稳定性取决于其自身的结构稳定性，而岩土体的结构包括岩土体在形成过程中所具有的颗粒、孔隙、排列、联结等特征，其结构的稳定性又取决于由这四个特征的综合作用导致岩土体中存在结构面特别是较弱结构面。
因此，在对岩土体强度及稳定性分析中，结构面被认为是特别重要的因素。
由于结构面的强度比岩土体自身的强度低很多，特别是软弱结构面的存在，导致岩土体的整体强度大大降低，增大了岩土体的变形性能和流变性质，加深了岩土体的不均匀性、各向异性和非连续性。
大量的边坡工程失事证明，一个或多个结构面组合边界的剪切滑移、张拉破裂和错动变形是造成边坡失稳的主要原因。
从边坡稳定性考虑，应特别研究岩土体结构面的成因类型、规模、连续性及间距、起伏度及粗糙度、表面结合状态及充填物、产状及边坡临空面的关系等。
结构面的数量越多、规模越大，对边坡稳定性的影响越大；结构面的连续性好、间距小或密度大，则边坡的稳定性更差。
决定结构面成为潜在滑动面的两个最重要因素是结构面的产状和抗剪强度，只有在结构面或结构面交线的倾角与坡向基本一致时,才存在潜在滑动面的可能性；而结构面的抗剪强度同时受结构面表面性质、充填物等的影响。
表面颗粒间越光滑、泥质充填物越厚,越容易失稳。
2.1.2水的作用
水对边坡岩土体稳定性的影响不仅是多方面的，而且是非常活跃的，大多数边坡岩土体的破坏都与水的活动有关。
水作为自然界极其常见的流体，常常影响岩土的变形过程，在很多情况下会加速甚至诱发岩土体的变形与破坏。
统计表明土坡失稳90%是因为水的原因。
水在岩土中的作用主要表现：
①水的物理作用，包括润滑作用、软化和结合水的强化作用；②水的化学作用,包括溶解作用、水化作用、水解作用、溶蚀作用、氧化还原作用；③水的力学效应，包括孔隙静水压力和孔隙动水压力作用。
前两种作用往往改变岩土的物质成分或结构,从而改变其凝聚力和内摩擦角；水通过物理、化学作用改变岩土体的结构，后一种通过孔隙静水压力作用，影响岩土体的有效应力并降低其强度，通过孔隙动水压力作用，在岩土体中产生一个剪应力从而降低其抗剪强度。
由于这三种作用往往又相互耦合，对岩土的受力过程产生复杂的影响。
2.2影响边坡稳定的外在因素
2.2.1人类活动的影响
随着社会的发展，人类工程活动对边坡稳定性的影响越来越大，大量公路、铁路、水库、港口、工民建等工程的修建，不可避免地破坏了边坡自身的稳定性和边坡的整体结构，改变了边坡的形状、高度和坡度以及边坡上的植被条件等。
边坡越高、边坡越陡、人为对植被破坏越严重，边坡越容易失稳，反之则更稳定；人为对路堑或基坑开挖、路堤填筑或坡顶堆载等也会在一定程度上影响边坡的稳定。
2.2.2气候条件
气候条件主要是指温差变化、降雨、降雪及冻融等因素。
温差越大、降雨降雪越大、冻融作用越强，对边坡稳定性影响越大。
通常，温差变化、降雨、降雪和冻融等因素，既可单独地又可综合地造成显著的边坡稳定问题。
由于季节性降雨、突然的暴雨和坡面上冰的溶化会引起地下水位的变化，如高渗区紧靠开挖坡面，若边坡的岩土体稳定接近临界破坏状况的话，附加的水压力就会引起边坡的破坏。
2.2.3风化作用和植被的影响
边坡的稳定性还受到后期的风化作用、植被的覆盖情况等因素的影响。
风化作用使岩土体的裂隙增加，强度降低，影响边坡的形状和坡度，使地面水易于侵入，改变地下水的动态等。
沿裂隙风化时，可使岩土体脱落或沿边坡崩塌、堆积、滑移等。
植物根系可吸收部分地下水有助于保持边坡的干燥，增强边坡的稳定性；但有时在岩质边坡上，生长在裂隙中的树根也可能引起边坡局部崩塌。
3、边坡稳定分析方法
3.1边坡稳定性研究的发展
最早的边坡稳定性研究可以追溯到1925年太沙基编写的《建立在土的物理学基础的土力学》一书中。
这时期的边坡稳定性研究主要从两方面进行：
一是从边坡所处的地质环境条件即滑坡发生的环境机制进行分析，基本上是定性分析；二是借用刚体极限平衡原理，根据静力平衡条件确定边坡在极限平衡状态下的整体稳定性，其显著特点是采用材料力学和简单的均质弹性、弹塑性理论为基础的半经验半理论的研究方。
1959年法国Maupassant坝左岸坝肩岩体的崩溃、1963年意大利Vaiont坝上游左岸的库岸边坡滑坡以及我国一些水利工程所遇到的边坡失事等问题，使研究者意识到边坡破坏是一种时效过程或累积过程，特别是1967年人们第一次尝试使用有限元法来研究边坡的稳定问题,给定量评价边坡的稳定性创造了条件，并逐步过渡到数值分析方法。
随着大量工程的兴建，决策要求的提高，又引入了以概率论为基础的可靠度分析方法。
上世纪80年代后，特别是近几年，随着计算水平的大幅度提高、新的数学方法的不断涌现以及岩土体力学性质的深入研究，各种复杂的数值分析方法广泛地应用于边坡稳定研究中。
从某种程度上讲，边坡稳定性的研究发展过程同时也是边坡稳定性分析方法不断完善的过程。
3.2边坡稳定分析方法
3.2.1边坡稳定的定性分析法
边坡稳定的定性分析法主要是通过工程地质勘察，分析影响边坡稳定性的主要因素、可能的变形破坏方式及失稳的力学机制等，对已变形的岩土体的成因及演化史进行分析，从而给出被评价边坡的稳定性状况及其发展趋势的说明及解释。
边坡稳定的定性分析法主要有地质历史力学法、工程经验类比法。
地质历史力学法是由中国科学院地质所基于岩体结构理论提出的边坡响应稳定分析方法，该方法的实质在于以岩体结构理论为基础，强调岩土体中结构面特别是软弱结构面对边坡岩土体的变形及失稳破坏的控制作用，运用赤平投影及实体比例投影作图法来确定边坡潜在不稳定块体可能的几何形态或滑移边界，并应用与现场滑坡条件相应的滑面岩土体强度指标来评价边坡的稳定性。
工程经验类比法是针对已有边坡的稳定状况和影响因素，把有关设计经验应用到所研究的滑坡中去，这是目前应用最多的定性分析法。
3.2.2边坡稳定的定量分析法
边坡稳定的定量分析法主要包括极限平衡法、有限单元法、控制理论分析法及综合分析法。
（1）极限平衡法。
将滑动趋势范围内的边坡岩土体按某种规则划分为一个个小块体，通过分析每个块体的受力平衡条件来建立起整个边坡的平衡方程，以安全系数表示其稳定程度。
其中，对无粘性土的直线型滑动，安全系数定义为抗滑力与下滑力之比；对粘性土的曲线型滑动，安全系数定义为抗滑力矩与下滑力矩之比,其评判标准：
安全系数大于1时处于稳定状态；等于1时处于临界状态；小于1时为失稳状态。
极限平衡法使用较早，发展也较完善，是工程上使用最多、最成熟的方法，即使在不能给定应力作用下的岩土体结构变形情况，也能对结构体的稳定性做出较精确的评价。
（2）有限单元法。
根据边坡岩土体的性质，将边坡岩土体分割成不同大小、种类的小区域（称为有限元）,然后分析每一个单元的受力情况，再组合成整个系统并构成系统方程组，然后求解。
目前，有限单元法主要是按照弹塑性理论，对边坡进行有限元分析，得出完整的应力—应变成果，再按传统的极限平衡法，搜索滑移面，找出最小安全系数；或者折减所有单元的强度指标直至失去平衡,安全系数就是强度指标的降低倍数，以此来评价边坡的稳定。
它是边坡稳定分析中应用较多的一种数值分析方法，最大的优点是可分析任何形状的结构体，不但能进行线性分析还可进行非线性分析，而且它可以考虑边坡内部的应力、应变问题。
吴春秋〔7〕（2004）研究了有限单元法在土体稳定性分析中存在的相关问题；喻和平等〔10〕（2005）采用区间有限元法计算边坡内任意一点的应力—应变来评价边坡的稳定等。
（3）控制理论分析法。
基于概率论的可靠度分析方法、基于模糊理论的模糊分析方法和基于灰色系统理论的灰色分析方法。
可靠度分析方法是基于对边坡岩土体的性质、荷载、工程地质条件以及计算模型等不确定性的认识，结合边坡系统的具体情况，采用概率论和可靠度，来评价边坡系统的稳定性。
谭晓慧等〔13〕（2005）为真实模拟边坡的破坏情况及过程，进行了边坡的大变形有限元可靠度分析。
边坡工程中的模糊理论方法是用隶属函数代替确定性分析法中非此即彼的量，对那些边界不清的过渡问题进行描述，应用模糊模式识别和模糊聚类分析方法对影响边坡稳定的因素进行分析，最后用综合评判理论，来总体评价边坡的稳定。
（4）综合分析法。
现有的各种边坡稳定分析方法各有利弊，相互间存在互补性,因此可以利用贝叶斯法，来实现对各种稳定分析方法的相互耦合，以取得更稳健、实用和可靠的分析法。
它实际上是考虑各种分析方法对稳定分析的权重，来实现对多种方法的综合与自动选择。
4、边坡稳定分析中存在的问题
现有多种分析评价边坡稳定的方法，大都基于边坡岩土体的应力—应变情况，边坡缓慢变形的逐渐破损，以及边坡性质的不确定性和非线性关系等方面出发进行分析的，但边坡工程事故仍在不断发生，这说明对边坡的稳定性分析还缺乏准确、全面、系统地研究，存在许多需进一步解决的问。
（1）综合分析法的深入研究。
由于单一的边坡稳定分析方法存在缺陷，所以应把多种方法有效地结合起来使用，以取长补短、相互完善。
（2）反分析法的应用研究。
一般研究边坡系统的失稳总是从边坡受力的角度出发,如果反过来从边坡系统的变形分析出发，寻求边坡的变形失稳判据，也可以评价边坡的稳定。
研究位移反分析法就是先以实测的边坡位移值为依据，反演求出边坡的初始应力参数，来评价边坡的稳定。
（3）本构模型的应用研究。
非饱和土体新的本构模型的出现，为边坡稳定性研究开辟了新的途径，由于目前在这方面还未出现新成果，故要加大力度研究。
5、结论
（1）边坡稳定性是由其内外因素综合作用的结果。
边坡自身的结构特性和水的作用是导致其发生变形失稳的根本因素，而外在的人类活动、气候条件、风化作用、植被及其它一些因素是促使边坡发生变形失稳的辅助因素，外因通过内因起作用。
（2）边坡的稳定分析方法经历了从定性到定量的发展过程。
定性分析法主要有地质历史力学法、工程经验类比法等；定量分析法主要有极限平衡法、有限单元法、控制理论分析法、及综合分析法等。
（3）现有的边坡稳定分析方法各有利弊，还存在许多需要深入研究的问题，也需要引入新的理论、新的方法来完善边坡稳定性的研究内容。
6、参考文献:
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〔6〕 肖盛燮,等.二维高速滑坡力学模型〔J〕.岩石力学与工程学报,2006.2;
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华中理工大学出版社,1987;
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