巖土工程穩(wěn)定性邊坡穩(wěn)定性分析方法綜述資料學(xué)習(xí)教案

1、會(huì)計(jì)學(xué)1巖土工程巖土工程(gngchng)穩(wěn)定性邊坡穩(wěn)定性穩(wěn)定性邊坡穩(wěn)定性分析方法綜述資料分析方法綜述資料第一頁，共28頁。評(píng)評(píng)價(jià)價(jià)(pngji)方方法法定量分析定量分析(dnglingfnx)定性分析定性分析(dngxngfnx)自然自然(成因成因)歷史分析法歷史分析法工程類比法工程類比法邊坡穩(wěn)定性分析數(shù)據(jù)庫和專家系統(tǒng)邊坡穩(wěn)定性分析數(shù)據(jù)庫和專家系統(tǒng)圖解法：赤平極射投影、實(shí)體比例投影、摩擦圓圖解法：赤平極射投影、實(shí)體比例投影、摩擦圓法法極限平衡分析法極限平衡分析法數(shù)值分析方法數(shù)值分析方法模型模擬試驗(yàn)法等模型模擬試驗(yàn)法等。2.1 2.1 邊坡穩(wěn)定性分析評(píng)價(jià)方法概述邊坡穩(wěn)定性分析評(píng)價(jià)方法概述(1/

2、19)(1/19)不確定性分析方法不確定性分析方法模糊綜合評(píng)價(jià)法模糊綜合評(píng)價(jià)法概率統(tǒng)計(jì)分析法概率統(tǒng)計(jì)分析法第1頁/共28頁第二頁，共28頁。狀況及其發(fā)展趨勢(shì)作出評(píng)價(jià)。狀況及其發(fā)展趨勢(shì)作出評(píng)價(jià)。常用的方法主要有下面幾種。常用的方法主要有下面幾種。 (1) (1)自然自然( (成因成因) )歷史分析法歷史分析法 (2) (2)工程類比法工程類比法 (3) (3)邊坡穩(wěn)定性分析數(shù)據(jù)庫和專家邊坡穩(wěn)定性分析數(shù)據(jù)庫和專家系統(tǒng)系統(tǒng) (4) (4)圖解法圖解法2.1 2.1 邊坡穩(wěn)定性分析邊坡穩(wěn)定性分析(fnx)(fnx)評(píng)價(jià)方法概述評(píng)價(jià)方法概述(2/19)(2/19)第2頁/共28頁第三頁，共28頁。自然歷

3、史分析法（也稱成因自然歷史分析法（也稱成因(chngyn)(chngyn)歷史分析法）歷史分析法） 通過研究邊坡的形成歷史和所處的自然地質(zhì)環(huán)境、它的通過研究邊坡的形成歷史和所處的自然地質(zhì)環(huán)境、它的變形和物質(zhì)組成、變形破壞行跡，以及影響邊坡穩(wěn)定性的各變形和物質(zhì)組成、變形破壞行跡，以及影響邊坡穩(wěn)定性的各種因素特征和相互關(guān)系，從而對(duì)它的演變階段和穩(wěn)定狀況做種因素特征和相互關(guān)系，從而對(duì)它的演變階段和穩(wěn)定狀況做出評(píng)價(jià)和預(yù)測(cè)。出評(píng)價(jià)和預(yù)測(cè)。 主要是針對(duì)已有多年歷史的邊坡，其主要研究?jī)?nèi)容如下主要是針對(duì)已有多年歷史的邊坡，其主要研究?jī)?nèi)容如下：研究組成邊坡的物質(zhì)介質(zhì)及其特征，包括巖土類型及性質(zhì)研究組成邊坡的物質(zhì)

4、介質(zhì)及其特征，包括巖土類型及性質(zhì)、巖體結(jié)構(gòu)特征等。、巖體結(jié)構(gòu)特征等。對(duì)已有的邊坡變形作深入仔細(xì)的研究，包括變形部位、變對(duì)已有的邊坡變形作深入仔細(xì)的研究，包括變形部位、變形類型及形成機(jī)理等。形類型及形成機(jī)理等。分析邊坡所處地區(qū)自然地理?xiàng)l件的變化，包括季節(jié)性雨期分析邊坡所處地區(qū)自然地理?xiàng)l件的變化，包括季節(jié)性雨期、周期性地震、地表水的變化等。、周期性地震、地表水的變化等。聯(lián)系邊坡變形破壞的歷史，確定促使邊坡穩(wěn)定性發(fā)生變化聯(lián)系邊坡變形破壞的歷史，確定促使邊坡穩(wěn)定性發(fā)生變化的主導(dǎo)因素，從而判斷邊坡穩(wěn)定現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)。的主導(dǎo)因素，從而判斷邊坡穩(wěn)定現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)。成因成因(chngyn)(chngyn)歷史

5、分析法不僅能判定邊坡穩(wěn)定現(xiàn)狀，也能歷史分析法不僅能判定邊坡穩(wěn)定現(xiàn)狀，也能對(duì)邊坡穩(wěn)定性演化做出預(yù)測(cè)，并能為定量的力學(xué)計(jì)算方法確對(duì)邊坡穩(wěn)定性演化做出預(yù)測(cè)，并能為定量的力學(xué)計(jì)算方法確定邊界條件和選用參數(shù)，為工程地質(zhì)類比法提供比擬依據(jù)。定邊界條件和選用參數(shù)，為工程地質(zhì)類比法提供比擬依據(jù)。因此，成因因此，成因(chngyn)(chngyn)歷史分析法是各種分析方法的基礎(chǔ)。歷史分析法是各種分析方法的基礎(chǔ)。 第3頁/共28頁第四頁，共28頁。工程地質(zhì)類比法工程地質(zhì)類比法 是將已有邊坡同新邊坡進(jìn)行類比，將前者的研究設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)是將已有邊坡同新邊坡進(jìn)行類比，將前者的研究設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)用于擬建邊坡的研究設(shè)計(jì)中去。為此，需對(duì)

6、要類比的兩個(gè)邊坡用于擬建邊坡的研究設(shè)計(jì)中去。為此，需對(duì)要類比的兩個(gè)邊坡全面分析研究其工程地質(zhì)條件和影響邊坡穩(wěn)定的各種因素，并全面分析研究其工程地質(zhì)條件和影響邊坡穩(wěn)定的各種因素，并考慮采礦技術(shù)條件，比較其相似性和差異性。只有相似程度較考慮采礦技術(shù)條件，比較其相似性和差異性。只有相似程度較高的邊坡才能進(jìn)行類比，即類比的原則是相似性。高的邊坡才能進(jìn)行類比，即類比的原則是相似性。 工程地質(zhì)類比法雖然是一種經(jīng)驗(yàn)方法，但在新邊坡的設(shè)計(jì)工程地質(zhì)類比法雖然是一種經(jīng)驗(yàn)方法，但在新邊坡的設(shè)計(jì)中，特別是對(duì)中小型邊坡的設(shè)計(jì)時(shí)通常采用的一種方法。這種中，特別是對(duì)中小型邊坡的設(shè)計(jì)時(shí)通常采用的一種方法。這種方法可以根據(jù)邊坡

7、的巖性、構(gòu)造、巖體結(jié)構(gòu)、水文地質(zhì)條件、方法可以根據(jù)邊坡的巖性、構(gòu)造、巖體結(jié)構(gòu)、水文地質(zhì)條件、坡高等相似性，從經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)中選取合理的邊坡角；根據(jù)巖性和坡高等相似性，從經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)中選取合理的邊坡角；根據(jù)巖性和巖體結(jié)構(gòu)的相似性，從經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)中選取穩(wěn)定計(jì)算巖體結(jié)構(gòu)的相似性，從經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)中選取穩(wěn)定計(jì)算(j sun)參數(shù)參數(shù)；根據(jù)自然條件相似的邊坡破壞實(shí)例，反算推求邊坡穩(wěn)定性的；根據(jù)自然條件相似的邊坡破壞實(shí)例，反算推求邊坡穩(wěn)定性的計(jì)算計(jì)算(j sun)參數(shù)，預(yù)測(cè)新邊坡的變形破壞形式和發(fā)展變化規(guī)參數(shù)，預(yù)測(cè)新邊坡的變形破壞形式和發(fā)展變化規(guī)律以及根據(jù)相似邊坡的整治經(jīng)驗(yàn)，提出邊坡整治措施。律以及根據(jù)相似邊坡的整治經(jīng)驗(yàn)，提

8、出邊坡整治措施。第4頁/共28頁第五頁，共28頁。圖解法圖解法 包括赤平極射投影、實(shí)體比例投影與摩擦圓等方法。包括赤平極射投影、實(shí)體比例投影與摩擦圓等方法。 圖解法的優(yōu)點(diǎn)是能快速、直觀地分辨出控制邊坡穩(wěn)圖解法的優(yōu)點(diǎn)是能快速、直觀地分辨出控制邊坡穩(wěn) 定性的主定性的主要和次要結(jié)構(gòu)面，確定要和次要結(jié)構(gòu)面，確定(qudng)(qudng)出邊坡結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定類型，判定不出邊坡結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定類型，判定不穩(wěn)定塊體的形狀、規(guī)模及滑動(dòng)方向。對(duì)用圖解法判定為不穩(wěn)定的巖穩(wěn)定塊體的形狀、規(guī)模及滑動(dòng)方向。對(duì)用圖解法判定為不穩(wěn)定的巖質(zhì)高邊坡，需進(jìn)一步用計(jì)算加以驗(yàn)證。質(zhì)高邊坡，需進(jìn)一步用計(jì)算加以驗(yàn)證。 第5頁/共28頁第六頁，共

9、28頁。赤平極射投影法赤平極射投影法 赤平極射投影是表示物體的幾何要素，或點(diǎn)、線、平面赤平極射投影是表示物體的幾何要素，或點(diǎn)、線、平面的空間方向和它們之間的角距關(guān)系的平面投影。的空間方向和它們之間的角距關(guān)系的平面投影。 利用赤平極射投影分析邊坡穩(wěn)定性時(shí)，首先要調(diào)查統(tǒng)計(jì)利用赤平極射投影分析邊坡穩(wěn)定性時(shí)，首先要調(diào)查統(tǒng)計(jì)巖體節(jié)理裂隙，掌握比較發(fā)育和貫通性強(qiáng)的結(jié)構(gòu)面，特別是巖體節(jié)理裂隙，掌握比較發(fā)育和貫通性強(qiáng)的結(jié)構(gòu)面，特別是軟弱結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)狀特征。如果軟弱結(jié)構(gòu)面比較明顯軟弱結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)狀特征。如果軟弱結(jié)構(gòu)面比較明顯(mngxin)，就需將其畫在赤平投影圖上，并結(jié)合邊坡面在，就需將其畫在赤平投影圖上，并結(jié)合

10、邊坡面在赤平投影圖上的位置，分析邊坡的穩(wěn)定性。赤平投影圖上的位置，分析邊坡的穩(wěn)定性。 赤平極射投影法能有效地定性評(píng)價(jià)邊坡的穩(wěn)定性和滑動(dòng)赤平極射投影法能有效地定性評(píng)價(jià)邊坡的穩(wěn)定性和滑動(dòng)形式，但不能表示出軟弱結(jié)構(gòu)面在邊坡上的具體位置及滑動(dòng)形式，但不能表示出軟弱結(jié)構(gòu)面在邊坡上的具體位置及滑動(dòng)體的大小和形態(tài)特征。為此，以赤平極射投影為基礎(chǔ)，尚需體的大小和形態(tài)特征。為此，以赤平極射投影為基礎(chǔ)，尚需采用實(shí)體比例投影方法。采用實(shí)體比例投影方法。 近年來，由于工程地質(zhì)學(xué)科的發(fā)展，使赤平極射投影法近年來，由于工程地質(zhì)學(xué)科的發(fā)展，使赤平極射投影法得到了更廣發(fā)的應(yīng)用。利用巖體結(jié)構(gòu)面的赤平極射投影，再得到了更廣發(fā)的應(yīng)

11、用。利用巖體結(jié)構(gòu)面的赤平極射投影，再輔以作用力的矢量圖，形成了一整套分析巖體穩(wěn)定性的方法輔以作用力的矢量圖，形成了一整套分析巖體穩(wěn)定性的方法。對(duì)邊坡來說，可用于分析除圓弧滑面外的多種幾何形態(tài)滑。對(duì)邊坡來說，可用于分析除圓弧滑面外的多種幾何形態(tài)滑體的穩(wěn)定性。體的穩(wěn)定性。第6頁/共28頁第七頁，共28頁。邊坡穩(wěn)定專家系統(tǒng)邊坡穩(wěn)定專家系統(tǒng) 該系統(tǒng)是一種計(jì)算機(jī)程序分析法，以專家的水平完成復(fù)該系統(tǒng)是一種計(jì)算機(jī)程序分析法，以專家的水平完成復(fù)雜的邊坡穩(wěn)定分析。它把一般的模擬人類的解題策略與邊坡雜的邊坡穩(wěn)定分析。它把一般的模擬人類的解題策略與邊坡穩(wěn)定問題所特有的大量實(shí)際知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)結(jié)合起來。穩(wěn)定問題所特有的大量

12、實(shí)際知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)結(jié)合起來。 工程地質(zhì)領(lǐng)域最早研制出的專家系統(tǒng)是用于地質(zhì)勘察的工程地質(zhì)領(lǐng)域最早研制出的專家系統(tǒng)是用于地質(zhì)勘察的專家系統(tǒng)專家系統(tǒng) Propecter，由斯坦福大學(xué)于，由斯坦福大學(xué)于70年代中期完成的。年代中期完成的。另外，另外，MIT在在80 年代中期研制的測(cè)井資料咨詢的專家系統(tǒng)也年代中期研制的測(cè)井資料咨詢的專家系統(tǒng)也得到成功地應(yīng)用。得到成功地應(yīng)用。 在國(guó)內(nèi)，許多單位正在在國(guó)內(nèi)，許多單位正在(zhngzi)進(jìn)行研制，并取得了進(jìn)行研制，并取得了很多的成果。專家系統(tǒng)使得一般工程技術(shù)人員在解決工程地很多的成果。專家系統(tǒng)使得一般工程技術(shù)人員在解決工程地質(zhì)問題時(shí)能象有經(jīng)驗(yàn)的專家給出比較正確的判

13、斷并做出結(jié)論質(zhì)問題時(shí)能象有經(jīng)驗(yàn)的專家給出比較正確的判斷并做出結(jié)論，因此，專家系統(tǒng)的應(yīng)用為工程地質(zhì)的發(fā)展提供了一條新思，因此，專家系統(tǒng)的應(yīng)用為工程地質(zhì)的發(fā)展提供了一條新思路。路。 第7頁/共28頁第八頁，共28頁。2.1 2.1 邊坡穩(wěn)定性分析邊坡穩(wěn)定性分析(fnx)(fnx)評(píng)價(jià)方法概述評(píng)價(jià)方法概述(3/19)(3/19)第8頁/共28頁第九頁，共28頁。行靜力平衡計(jì)算，從而行靜力平衡計(jì)算，從而(cng (cng r)r)求出邊坡穩(wěn)定系數(shù)求出邊坡穩(wěn)定系數(shù). .2.1 2.1 邊坡穩(wěn)定性分析評(píng)價(jià)方法邊坡穩(wěn)定性分析評(píng)價(jià)方法(fngf)(fngf)概述概述(4/19)(4/19)第9頁/共28頁第十

14、頁，共28頁。其次，確定極限抗滑力和滑動(dòng)力，其次，確定極限抗滑力和滑動(dòng)力，并計(jì)算其穩(wěn)定性系數(shù)。所謂穩(wěn)定并計(jì)算其穩(wěn)定性系數(shù)。所謂穩(wěn)定性系數(shù)即指可能滑動(dòng)面上可供利性系數(shù)即指可能滑動(dòng)面上可供利用的抗滑力與滑動(dòng)力的比值。由用的抗滑力與滑動(dòng)力的比值。由于滑動(dòng)面是預(yù)先假定的，因此就于滑動(dòng)面是預(yù)先假定的，因此就可能不止一個(gè)，這樣就要分別試可能不止一個(gè)，這樣就要分別試算出每個(gè)可能滑動(dòng)面所對(duì)應(yīng)的穩(wěn)算出每個(gè)可能滑動(dòng)面所對(duì)應(yīng)的穩(wěn)定性系數(shù)，取其中最小者作為最定性系數(shù)，取其中最小者作為最危險(xiǎn)滑動(dòng)面。危險(xiǎn)滑動(dòng)面。最后以安全系數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)最后以安全系數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)(biozhn)評(píng)價(jià)邊坡的穩(wěn)定性。評(píng)價(jià)邊坡的穩(wěn)定性。2.1 2.1 邊

15、坡穩(wěn)定性分析評(píng)價(jià)方法邊坡穩(wěn)定性分析評(píng)價(jià)方法(fngf)(fngf)概述概述(5/19)(5/19)第10頁/共28頁第十一頁，共28頁。2.1 2.1 邊坡穩(wěn)定性分析評(píng)價(jià)方法邊坡穩(wěn)定性分析評(píng)價(jià)方法(fngf)(fngf)概述概述(6/19)(6/19)第11頁/共28頁第十二頁，共28頁。2.1 2.1 邊坡穩(wěn)定性分析邊坡穩(wěn)定性分析(fnx)(fnx)評(píng)價(jià)方法概述評(píng)價(jià)方法概述(7/19)(7/19)第12頁/共28頁第十三頁，共28頁。2.1 2.1 邊坡穩(wěn)定性分析評(píng)價(jià)方法邊坡穩(wěn)定性分析評(píng)價(jià)方法(fngf)(fngf)概述概述(8/19)(8/19)第13頁/共28頁第十四頁，共28頁。 彈塑

16、性極限平衡分析法彈塑性極限平衡分析法 彈塑性極限平衡法從分析邊坡體的應(yīng)力和變形入彈塑性極限平衡法從分析邊坡體的應(yīng)力和變形入手，由邊坡體的應(yīng)力和變形特征來確定邊坡體的極限手，由邊坡體的應(yīng)力和變形特征來確定邊坡體的極限平衡狀態(tài)，從而避免對(duì)邊坡體最小安全系數(shù)的反復(fù)計(jì)平衡狀態(tài)，從而避免對(duì)邊坡體最小安全系數(shù)的反復(fù)計(jì)算及比選，達(dá)到減少工作量和提高準(zhǔn)確率的目的。算及比選，達(dá)到減少工作量和提高準(zhǔn)確率的目的。 彈塑性極限平衡法中采用強(qiáng)度折減法，即逐漸降彈塑性極限平衡法中采用強(qiáng)度折減法，即逐漸降低材料強(qiáng)度低材料強(qiáng)度( (即降低材料抗剪強(qiáng)度參數(shù)即降低材料抗剪強(qiáng)度參數(shù)c c和和 的方法來的方法來逼近系統(tǒng)的極限平衡狀態(tài)

17、，并以屈服區(qū)的貫通來表征逼近系統(tǒng)的極限平衡狀態(tài)，并以屈服區(qū)的貫通來表征極限平衡狀態(tài)的到達(dá)，把材料強(qiáng)度折減系數(shù)極限平衡狀態(tài)的到達(dá)，把材料強(qiáng)度折減系數(shù)(Zi)(Zi)定義定義為系統(tǒng)的整體穩(wěn)定安全系數(shù)為系統(tǒng)的整體穩(wěn)定安全系數(shù)(Fs)(Fs)。在地質(zhì)條件、材料。在地質(zhì)條件、材料參數(shù)、屈服準(zhǔn)則和本構(gòu)關(guān)系正確的前提下，能夠保證參數(shù)、屈服準(zhǔn)則和本構(gòu)關(guān)系正確的前提下，能夠保證由此得到的穩(wěn)定安全系數(shù)為真實(shí)穩(wěn)定安全系數(shù)的下限由此得到的穩(wěn)定安全系數(shù)為真實(shí)穩(wěn)定安全系數(shù)的下限。 彈塑性極限平衡法不必假設(shè)土條間的作用力和破彈塑性極限平衡法不必假設(shè)土條間的作用力和破壞面的位置和形狀，因此，該方法能處理復(fù)雜壞面的位置和形狀，

18、因此，該方法能處理復(fù)雜(fz)(fz)幾何輪廓和邊界條件，有廣泛的適用性和良好的應(yīng)用幾何輪廓和邊界條件，有廣泛的適用性和良好的應(yīng)用前景。前景。 第14頁/共28頁第十五頁，共28頁。優(yōu)勢(shì)面理論分析法及其發(fā)展應(yīng)用優(yōu)勢(shì)面理論分析法及其發(fā)展應(yīng)用 采用優(yōu)勢(shì)面理論分析法可確定巖坡的控穩(wěn)優(yōu)勢(shì)面，采用優(yōu)勢(shì)面理論分析法可確定巖坡的控穩(wěn)優(yōu)勢(shì)面，并進(jìn)行優(yōu)勢(shì)面組合分析并進(jìn)行優(yōu)勢(shì)面組合分析 ，找出其試算安全系數(shù)最小的優(yōu)勢(shì)，找出其試算安全系數(shù)最小的優(yōu)勢(shì)分離體，確定邊坡破壞模型，并采用極限平衡分析法分析計(jì)分離體，確定邊坡破壞模型，并采用極限平衡分析法分析計(jì)算優(yōu)勢(shì)分離體的安全度及邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)，以此判斷邊坡算優(yōu)勢(shì)分離體的

19、安全度及邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)，以此判斷邊坡整體穩(wěn)定狀況整體穩(wěn)定狀況 ，從而克服和彌補(bǔ)經(jīng)典極限分析法中要假定，從而克服和彌補(bǔ)經(jīng)典極限分析法中要假定滑動(dòng)面、反復(fù)計(jì)算滑動(dòng)面、反復(fù)計(jì)算 比選最小的安全系數(shù)及相應(yīng)的滑動(dòng)面的比選最小的安全系數(shù)及相應(yīng)的滑動(dòng)面的不足，提高了最小安全系數(shù)的可靠性。不足，提高了最小安全系數(shù)的可靠性。 在采用優(yōu)勢(shì)面理論分析法時(shí)，在確定控穩(wěn)優(yōu)勢(shì)面時(shí)在采用優(yōu)勢(shì)面理論分析法時(shí)，在確定控穩(wěn)優(yōu)勢(shì)面時(shí)，一般首先要通過野外地質(zhì)，一般首先要通過野外地質(zhì)(dzh)(dzh)調(diào)查來對(duì)研究體內(nèi)的結(jié)調(diào)查來對(duì)研究體內(nèi)的結(jié)構(gòu)面加以分類，確定各候選優(yōu)勢(shì)面的綜合權(quán)重值，還需進(jìn)一構(gòu)面加以分類，確定各候選優(yōu)勢(shì)面的綜合權(quán)重

20、值，還需進(jìn)一步確定優(yōu)勢(shì)面的力學(xué)參數(shù)，所有這些過程都或多或少的帶有步確定優(yōu)勢(shì)面的力學(xué)參數(shù)，所有這些過程都或多或少的帶有經(jīng)驗(yàn)性，都要不同程度的受到主觀性的影響，但恰恰這兩方經(jīng)驗(yàn)性，都要不同程度的受到主觀性的影響，但恰恰這兩方面是確定其分析結(jié)果可靠程度的關(guān)鍵問題，因而優(yōu)勢(shì)面理論面是確定其分析結(jié)果可靠程度的關(guān)鍵問題，因而優(yōu)勢(shì)面理論分析法存在一定的缺陷性分析法存在一定的缺陷性 。因此，優(yōu)勢(shì)面理論分析法中引。因此，優(yōu)勢(shì)面理論分析法中引入了層次分析法，在一定程度上提高了控穩(wěn)優(yōu)勢(shì)面的選定客入了層次分析法，在一定程度上提高了控穩(wěn)優(yōu)勢(shì)面的選定客觀性。觀性。第15頁/共28頁第十六頁，共28頁。2.1 2.1 邊坡

21、穩(wěn)定性分析邊坡穩(wěn)定性分析(fnx)(fnx)評(píng)價(jià)方法概述評(píng)價(jià)方法概述(9/19)(9/19)(2)數(shù)值分析方法數(shù)值分析方法 大致可以分為兩大類：大致可以分為兩大類： 第一類是基于第一類是基于(jy)連續(xù)介質(zhì)的應(yīng)力應(yīng)變分析方法，這類方法包括有限元、連續(xù)介質(zhì)的應(yīng)力應(yīng)變分析方法，這類方法包括有限元、邊界元、拉格朗日元等，它們具有強(qiáng)大的處理復(fù)雜幾何邊界條件和材料非線性邊界元、拉格朗日元等，它們具有強(qiáng)大的處理復(fù)雜幾何邊界條件和材料非線性特征的能力。同時(shí)，也可以模擬有限條數(shù)的巖體結(jié)構(gòu)面。這些方法在固體和流特征的能力。同時(shí)，也可以模擬有限條數(shù)的巖體結(jié)構(gòu)面。這些方法在固體和流體的各個(gè)領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用，是理論

22、體系比較嚴(yán)格也比較成熟的一種方法；體的各個(gè)領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用，是理論體系比較嚴(yán)格也比較成熟的一種方法； 另一類方法是基于另一類方法是基于(jy)非連續(xù)介質(zhì)的應(yīng)力應(yīng)變分析方法。眾所周知，巖體非連續(xù)介質(zhì)的應(yīng)力應(yīng)變分析方法。眾所周知，巖體是由結(jié)構(gòu)面切割的不連續(xù)介質(zhì)。盡管有限無能夠通過設(shè)置界面單元來模擬這些是由結(jié)構(gòu)面切割的不連續(xù)介質(zhì)。盡管有限無能夠通過設(shè)置界面單元來模擬這些結(jié)構(gòu)西，但是當(dāng)這些界面很多時(shí)，也會(huì)出現(xiàn)模擬大變形和收斂性能方面的問題結(jié)構(gòu)西，但是當(dāng)這些界面很多時(shí)，也會(huì)出現(xiàn)模擬大變形和收斂性能方面的問題。近期，在非連續(xù)介質(zhì)應(yīng)力應(yīng)變分析方面發(fā)展了一系列新的方法，如離散元、。近期，在非連續(xù)介質(zhì)應(yīng)力應(yīng)變

23、分析方面發(fā)展了一系列新的方法，如離散元、界面元、界面元、DDA、流形元等，為研究類似巖體這樣的非連續(xù)介質(zhì)提供了很好的、流形元等，為研究類似巖體這樣的非連續(xù)介質(zhì)提供了很好的手段。這些方面具有強(qiáng)大的處理非連續(xù)介質(zhì)和大變形的能力，不僅能夠比較真手段。這些方面具有強(qiáng)大的處理非連續(xù)介質(zhì)和大變形的能力，不僅能夠比較真實(shí)地模擬結(jié)構(gòu)加荷破壞全過程的應(yīng)力應(yīng)變性狀，而且還可以動(dòng)畫形式提供邊坡實(shí)地模擬結(jié)構(gòu)加荷破壞全過程的應(yīng)力應(yīng)變性狀，而且還可以動(dòng)畫形式提供邊坡以后的塌落、崩解過程。以后的塌落、崩解過程。 數(shù)值方法是把力學(xué)中的微分方程或積分方程或多元未知量問題化歸大型線數(shù)值方法是把力學(xué)中的微分方程或積分方程或多元未知

24、量問題化歸大型線性方程組去求解，而計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，使長(zhǎng)期困擾工程力學(xué)，回避求解大型方性方程組去求解，而計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，使長(zhǎng)期困擾工程力學(xué)，回避求解大型方程組的問題得到解決，這是歷史性的大變革。程組的問題得到解決，這是歷史性的大變革。 總結(jié)起來，數(shù)值分析（應(yīng)力應(yīng)變分析）方法主要包括有限單元法、邊界元總結(jié)起來，數(shù)值分析（應(yīng)力應(yīng)變分析）方法主要包括有限單元法、邊界元法、法、FLAC法、離散元法、法、離散元法、DDA法等等，其中有限元法應(yīng)用比較廣泛。法等等，其中有限元法應(yīng)用比較廣泛。第16頁/共28頁第十七頁，共28頁。（1 1）有限元）有限元(FEM)(FEM)法法 有限元法在邊坡巖土體的穩(wěn)定性分析

25、中得到最早有限元法在邊坡巖土體的穩(wěn)定性分析中得到最早(1967(1967年年) )應(yīng)用，也是目前非常廣泛使用的一種數(shù)值分析方應(yīng)用，也是目前非常廣泛使用的一種數(shù)值分析方法。目前，己經(jīng)開發(fā)了多個(gè)二維及三維有限元分析程序，法。目前，己經(jīng)開發(fā)了多個(gè)二維及三維有限元分析程序，如如SAP2000SAP2000，ANIMAANIMA，ANSYSANSYS等，可以用來求解彈性、彈塑等，可以用來求解彈性、彈塑性、粘彈齷性、粘塑性、流變問題、大變形和小變形問題性、粘彈齷性、粘塑性、流變問題、大變形和小變形問題以及其他非線性應(yīng)力變形問題等等。以及其他非線性應(yīng)力變形問題等等。 有限元法的優(yōu)點(diǎn)是部分地考慮了邊坡巖體的非

26、均勻和有限元法的優(yōu)點(diǎn)是部分地考慮了邊坡巖體的非均勻和不連續(xù)性，可以給出巖體的應(yīng)力、應(yīng)變大小和分布，避免不連續(xù)性，可以給出巖體的應(yīng)力、應(yīng)變大小和分布，避免了極限平衡分析法中將滑體視為剛體而過為簡(jiǎn)化的缺點(diǎn)，了極限平衡分析法中將滑體視為剛體而過為簡(jiǎn)化的缺點(diǎn)，能使我們近似地從應(yīng)力應(yīng)變區(qū)分析邊坡的變形破壞機(jī)制，能使我們近似地從應(yīng)力應(yīng)變區(qū)分析邊坡的變形破壞機(jī)制，分析最先、最容易發(fā)生屈服破壞的郎位和需要首先進(jìn)行加分析最先、最容易發(fā)生屈服破壞的郎位和需要首先進(jìn)行加固處理的部位等。固處理的部位等。 不足：還不能很好地求解大變形和位移不連續(xù)等問題不足：還不能很好地求解大變形和位移不連續(xù)等問題，對(duì)于無限，對(duì)于無限(

27、wxin)(wxin)域、應(yīng)力集中問題等的求解還不理想域、應(yīng)力集中問題等的求解還不理想。第17頁/共28頁第十八頁，共28頁。（2 2）邊界元）邊界元(BEM(BEM）法）法 邊界元法是邊界元法是7070年代發(fā)展起來的一種數(shù)值年代發(fā)展起來的一種數(shù)值方法，于方法，于19761976年被應(yīng)用到分析層狀巖體的開挖穩(wěn)定年被應(yīng)用到分析層狀巖體的開挖穩(wěn)定問題中。邊界元法和有限元法都是解決邊坡問題的問題中。邊界元法和有限元法都是解決邊坡問題的數(shù)值方法，它們的主要區(qū)別在于邊界元法是數(shù)值方法，它們的主要區(qū)別在于邊界元法是“邊界邊界”方法，有限元法是方法，有限元法是“區(qū)域區(qū)域”方法，因此使用邊界方法，因此使用邊界

28、元有降低維數(shù)的效果。邊界元法中的位移不連續(xù)法元有降低維數(shù)的效果。邊界元法中的位移不連續(xù)法雖然還能對(duì)巖體中的斷層、裂隙等各種不連續(xù)面進(jìn)雖然還能對(duì)巖體中的斷層、裂隙等各種不連續(xù)面進(jìn)行較好的處理，但是，在處理非均質(zhì)問題和非線性行較好的處理，但是，在處理非均質(zhì)問題和非線性問題方面不如有限元法靈活問題方面不如有限元法靈活(ln hu)(ln hu)。因而，邊。因而，邊界元法目前在邊坡巖體穩(wěn)定性分析中的應(yīng)用還遠(yuǎn)不界元法目前在邊坡巖體穩(wěn)定性分析中的應(yīng)用還遠(yuǎn)不如在地下洞室中應(yīng)用廣泛。如在地下洞室中應(yīng)用廣泛。第18頁/共28頁第十九頁，共28頁。（3 3）快速）快速LagrangianLagrangian分析分

29、析(FLAC)(FLAC)法法 為了克服有限元等數(shù)值分析方法不能求解巖土為了克服有限元等數(shù)值分析方法不能求解巖土體大變形問題的缺陷，人們根據(jù)顯式有限差分原理，提體大變形問題的缺陷，人們根據(jù)顯式有限差分原理，提出了出了FLACFLAC數(shù)值分析方法。該方法較有限元法能更好地考數(shù)值分析方法。該方法較有限元法能更好地考慮巖土體的不連續(xù)和大變形特性，求解速度較快。其缺慮巖土體的不連續(xù)和大變形特性，求解速度較快。其缺點(diǎn)是計(jì)算點(diǎn)是計(jì)算(j sun)(j sun)邊界、單元網(wǎng)格的劃分帶有很大的邊界、單元網(wǎng)格的劃分帶有很大的隨意性它已有不少商用程序，它無需建立剛性矩陣，隨意性它已有不少商用程序，它無需建立剛性矩

30、陣，所需內(nèi)存少，時(shí)間少，但也有不足之處。所需內(nèi)存少，時(shí)間少，但也有不足之處。（4 4）第19頁/共28頁第二十頁，共28頁。（4 4）離散元）離散元(DEM)(DEM)法法 是一種動(dòng)態(tài)的數(shù)值分析方法，可以用來模擬邊坡巖是一種動(dòng)態(tài)的數(shù)值分析方法，可以用來模擬邊坡巖體的非均質(zhì)、不連續(xù)和大變形等特點(diǎn)，因而，也就成為體的非均質(zhì)、不連續(xù)和大變形等特點(diǎn)，因而，也就成為目前較為流行的一種巖土體穩(wěn)定性分析數(shù)值方法。目前較為流行的一種巖土體穩(wěn)定性分析數(shù)值方法。 離散單元法的一個(gè)突出功能是它在反映巖塊之間接離散單元法的一個(gè)突出功能是它在反映巖塊之間接觸面的滑移、分離與傾翻等大位移的同時(shí)，又能計(jì)算巖觸面的滑移、分離

31、與傾翻等大位移的同時(shí)，又能計(jì)算巖塊內(nèi)部的變形與應(yīng)力分布。此法在巖質(zhì)高邊坡穩(wěn)定分析塊內(nèi)部的變形與應(yīng)力分布。此法在巖質(zhì)高邊坡穩(wěn)定分析中有較廣泛的應(yīng)用，離散元法用于邊坡變形破壞機(jī)理的中有較廣泛的應(yīng)用，離散元法用于邊坡變形破壞機(jī)理的研究是近些年來的一個(gè)新進(jìn)展，是分析不連續(xù)巖體的一研究是近些年來的一個(gè)新進(jìn)展，是分析不連續(xù)巖體的一種較理想的數(shù)值計(jì)算方法。該方法充分考慮了節(jié)理巖體種較理想的數(shù)值計(jì)算方法。該方法充分考慮了節(jié)理巖體的不連續(xù)性，以分離的塊體為出發(fā)點(diǎn)，允許塊體有較大的不連續(xù)性，以分離的塊體為出發(fā)點(diǎn)，允許塊體有較大的位移，甚至的位移，甚至(shnzh)(shnzh)脫離母體而自由下落，且可以脫離母體而

32、自由下落，且可以對(duì)節(jié)理巖體破壞的全過程進(jìn)行模擬。對(duì)節(jié)理巖體破壞的全過程進(jìn)行模擬。第20頁/共28頁第二十一頁，共28頁。（5 5）不連續(xù)變形分析）不連續(xù)變形分析(DDA)(DDA) DDA DDA是于是于8080年提出的一種新的數(shù)值方法。該方法用年提出的一種新的數(shù)值方法。該方法用一種類似干離散元的塊體來模擬被不連續(xù)面切割成的塊一種類似干離散元的塊體來模擬被不連續(xù)面切割成的塊體系統(tǒng)，在此過程中，塊體通過不連續(xù)面間接觸連成整體系統(tǒng)，在此過程中，塊體通過不連續(xù)面間接觸連成整體。此方法的計(jì)算網(wǎng)格體。此方法的計(jì)算網(wǎng)格( (單元單元) )與巖體物理網(wǎng)格相一致，與巖體物理網(wǎng)格相一致，可以反映巖體連續(xù)和不連續(xù)

33、的具體部位。單個(gè)塊體內(nèi)部可以反映巖體連續(xù)和不連續(xù)的具體部位。單個(gè)塊體內(nèi)部(nib)(nib)滿足連續(xù)介質(zhì)的變形協(xié)調(diào)方程和本構(gòu)關(guān)系，但滿足連續(xù)介質(zhì)的變形協(xié)調(diào)方程和本構(gòu)關(guān)系，但塊體間不滿足變形協(xié)調(diào)關(guān)系，塊體間的本構(gòu)關(guān)系是通過塊體間不滿足變形協(xié)調(diào)關(guān)系，塊體間的本構(gòu)關(guān)系是通過假定剛度來實(shí)現(xiàn)，假定剛度來實(shí)現(xiàn)，DDADDA中的本構(gòu)關(guān)系為塊體所受的合外中的本構(gòu)關(guān)系為塊體所受的合外力與塊體位移之間的關(guān)系。力與塊體位移之間的關(guān)系。DDADDA法是兼具有限元與離散法是兼具有限元與離散元法二者之部分優(yōu)點(diǎn)的一種數(shù)值方法，其一個(gè)時(shí)步內(nèi)的元法二者之部分優(yōu)點(diǎn)的一種數(shù)值方法，其一個(gè)時(shí)步內(nèi)的求解過程更像有限元法，而在塊體運(yùn)動(dòng)學(xué)

34、求解方面更類求解過程更像有限元法，而在塊體運(yùn)動(dòng)學(xué)求解方面更類似于離散元法。但是，巖體種類繁多，性質(zhì)極為復(fù)雜，似于離散元法。但是，巖體種類繁多，性質(zhì)極為復(fù)雜，計(jì)算時(shí)步的大小對(duì)結(jié)果影響很大，且需耗用大量的計(jì)算計(jì)算時(shí)步的大小對(duì)結(jié)果影響很大，且需耗用大量的計(jì)算機(jī)內(nèi)存及計(jì)算時(shí)間。機(jī)內(nèi)存及計(jì)算時(shí)間。第21頁/共28頁第二十二頁，共28頁。數(shù)值計(jì)算方法數(shù)值計(jì)算方法(fngf)的各種方法的各種方法(fngf)比較比較第22頁/共28頁第二十三頁，共28頁。第23頁/共28頁第二十四頁，共28頁。（3 3）不確定性分析方法）不確定性分析方法 模糊綜合評(píng)價(jià)法模糊綜合評(píng)價(jià)法 模糊綜合評(píng)價(jià)法是把模糊評(píng)判和層次分析相結(jié)

35、合進(jìn)行模糊綜合評(píng)價(jià)法是把模糊評(píng)判和層次分析相結(jié)合進(jìn)行滑坡綜合評(píng)價(jià)的一種方法滑坡綜合評(píng)價(jià)的一種方法. . 主要方法：在地質(zhì)勘察的基礎(chǔ)上，分析影響主要方法：在地質(zhì)勘察的基礎(chǔ)上，分析影響(yngxing)(yngxing)邊坡穩(wěn)定的各種因素，采用層次分析法將各邊坡穩(wěn)定的各種因素，采用層次分析法將各種因素劃分層次，建立遞階關(guān)系，求出各類指標(biāo)對(duì)邊坡穩(wěn)種因素劃分層次，建立遞階關(guān)系，求出各類指標(biāo)對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響定性的影響(yngxing)(yngxing)程度。最后用模糊評(píng)判方法的最程度。最后用模糊評(píng)判方法的最大隸屬原則進(jìn)行選擇大隸屬原則進(jìn)行選擇 ，把邊坡分成穩(wěn)定，把邊坡分成穩(wěn)定 、較穩(wěn)定、較穩(wěn)定 、較、

36、較不穩(wěn)定及不穩(wěn)定等幾個(gè)等級(jí)。不穩(wěn)定及不穩(wěn)定等幾個(gè)等級(jí)。第24頁/共28頁第二十五頁，共28頁。概率統(tǒng)計(jì)分析法的應(yīng)用及其發(fā)展概率統(tǒng)計(jì)分析法的應(yīng)用及其發(fā)展 常用的概率統(tǒng)計(jì)方法有解析法、精確的蒙特卡羅模擬。常用的概率統(tǒng)計(jì)方法有解析法、精確的蒙特卡羅模擬。 解析法一般根據(jù)抗剪強(qiáng)度的分布概率，通過解析表達(dá)式分解析法一般根據(jù)抗剪強(qiáng)度的分布概率，通過解析表達(dá)式分析計(jì)算邊坡穩(wěn)定性系數(shù)析計(jì)算邊坡穩(wěn)定性系數(shù)K的分布，判斷邊坡的穩(wěn)定狀況。的分布，判斷邊坡的穩(wěn)定狀況。 蒙特卡羅模擬法是通過抗剪強(qiáng)度參數(shù)的均勻分布隨機(jī)數(shù)蒙特卡羅模擬法是通過抗剪強(qiáng)度參數(shù)的均勻分布隨機(jī)數(shù) ，取得參數(shù)的正態(tài)分布抽樣，進(jìn)而模擬取得參數(shù)的正態(tài)分布

37、抽樣，進(jìn)而模擬K值的分布，并計(jì)算值的分布，并計(jì)算 K1的概率。的概率。 可靠性概率分析理論在邊坡工程中得到了廣泛的應(yīng)用。近可靠性概率分析理論在邊坡工程中得到了廣泛的應(yīng)用。近年來發(fā)展起來年來發(fā)展起來 的方法很多的方法很多 ，如近似的一階二次矩法，如近似的一階二次矩法 (簡(jiǎn)稱簡(jiǎn)稱 FOSM)、Rosenblue方法及改進(jìn)一階二次矩法方法及改進(jìn)一階二次矩法Hasofer-lind(H-L )法、法、Rackwitz-Fiessler(R-F)法等法等 ，多是以極限狀態(tài)方程具，多是以極限狀態(tài)方程具有明確的解析表達(dá)式為基礎(chǔ)有明確的解析表達(dá)式為基礎(chǔ)(jch)。但邊坡作為一個(gè)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)。但邊坡作為一個(gè)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)

38、 ，涉及邊坡穩(wěn)定性的因素很多，涉及邊坡穩(wěn)定性的因素很多 ，即確定邊坡穩(wěn)定狀況的隨機(jī)變，即確定邊坡穩(wěn)定狀況的隨機(jī)變量很多量很多 (如坡高、坡腳如坡高、坡腳 、內(nèi)聚力、內(nèi)摩擦角、容重、內(nèi)聚力、內(nèi)摩擦角、容重 、孔隙水壓、孔隙水壓力等力等)，其失效模式形式很多，對(duì)失效函數(shù)值的求解一般采用有，其失效模式形式很多，對(duì)失效函數(shù)值的求解一般采用有限元分析法進(jìn)行限元分析法進(jìn)行 ，因而基本隨機(jī)變量不存在明確的表達(dá)式，因而基本隨機(jī)變量不存在明確的表達(dá)式 ?？煽啃皂憫?yīng)可靠性響應(yīng) 面法作為對(duì)諸多隨機(jī)變量面法作為對(duì)諸多隨機(jī)變量 的一種有效的一種有效 的可靠性解的可靠性解法，解決法，解決 了這一問題。了這一問題。 概率統(tǒng)

39、計(jì)方法事先確定的自變量序列是否齊全，其值是否概率統(tǒng)計(jì)方法事先確定的自變量序列是否齊全，其值是否準(zhǔn)確，或是否能真正反映邊坡穩(wěn)定狀況準(zhǔn)確，或是否能真正反映邊坡穩(wěn)定狀況 收集的觀測(cè)點(diǎn)是否有代收集的觀測(cè)點(diǎn)是否有代表性等，許多因素限制分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，而且其預(yù)測(cè)結(jié)果大表性等，許多因素限制分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，而且其預(yù)測(cè)結(jié)果大多以用區(qū)間反映的邊坡破壞概率來表示，也具有定性定點(diǎn)多以用區(qū)間反映的邊坡破壞概率來表示，也具有定性定點(diǎn)第25頁/共28頁第二十六頁，共28頁。四、邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法發(fā)展趨勢(shì)四、邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法發(fā)展趨勢(shì) (1)從分析方法上來說，目前從分析方法上來說，目前(mqin)在工程中用于邊坡穩(wěn)定在工

40、程中用于邊坡穩(wěn)定性分析的常規(guī)方法很多性分析的常規(guī)方法很多 ，把某兩種或幾種方法綜合運(yùn)用于邊坡，把某兩種或幾種方法綜合運(yùn)用于邊坡穩(wěn)定性分析之中，有助于相互比較，成為目前穩(wěn)定性分析之中，有助于相互比較，成為目前(mqin)評(píng)價(jià)邊評(píng)價(jià)邊坡穩(wěn)定性的普遍方法及發(fā)展趨勢(shì)。另外，對(duì)如何更接近邊坡系坡穩(wěn)定性的普遍方法及發(fā)展趨勢(shì)。另外，對(duì)如何更接近邊坡系統(tǒng)的實(shí)際特征，比較準(zhǔn)確地確定潛在滑動(dòng)面位置及其形態(tài)等，統(tǒng)的實(shí)際特征，比較準(zhǔn)確地確定潛在滑動(dòng)面位置及其形態(tài)等，國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出了傳統(tǒng)方法的很多改進(jìn)算法。例如，為了準(zhǔn)確國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出了傳統(tǒng)方法的很多改進(jìn)算法。例如，為了準(zhǔn)確描述復(fù)雜的非線性邊坡特征，在基于改進(jìn)描述復(fù)雜的非線性邊坡特征，在基于改進(jìn)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法和常神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法和常規(guī)規(guī)SVR算法的基礎(chǔ)上，算法的基礎(chǔ)上，