文章编号:1001-831X(2004)02-0250-06岩石边坡稳定性分析方法贾东远1,2,阴 可1,李艳华3(1.重庆大学土木工程学院,重庆 400045;2.秦皇岛市建筑设计院,河北秦皇岛 066001;3.河北农经学院工业工程系,河北廊坊 065000)摘 要:通过综述岩石边坡稳定性分析方法及其研究的一些新近展,并具体从极限平衡法、数值计算方法、流变分析、动力分析等方面进行详细论述,对岩石边坡稳定性分析中涉及到的岩体参数取值、计算模型、各种方法的优缺点等方面进行了探讨,最后提出对岩石边坡稳定性分析的建议。

关键词:岩石边坡;稳定性;极限平衡;数值计算中图分类号:TU457 文献标识码:A前言岩石边坡稳定性分析一直是岩土工程中重要的研究内容。

在我国基本建设中,特别是三峡工程及西部大开发,出现了许多岩石边坡工程,如三峡船闸高边坡、链子崖危岩体以及由于移民迁建用地、城市建设用地形成的边坡等等。

在解决这些复杂的岩石边坡问题的过程中,大大促进了岩石边坡稳定性分析方法的发展。

随着人们对岩石边坡认识的不断深入以及计算机技术的发展,岩石边坡稳定性分析方法近年来发展很快,取得了一系列研究成果,现分别对其中主要的研究方向和成果作简要介绍并分析各自特点和适用条件,为岩石边坡稳定性分析的工程应用和理论研究提供参考意见。

1 岩体参数及计算模型极限平衡、数值计算等计算方法在岩石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力学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试验取得岩体力学参数,但由于时间和资金限制,原位试验不可能大量进行,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。

但是,经验公式是以一定数量的室内和现场实验资料为依据,通过回归分析求出的,而未能把较多的地质描述引入其中。

各个经验公式计算同一岩体的参数时,普遍存在因经验程度不同而确定出的抗剪强度相差较大。

由于这些原因,许多文献提出了用其它方法来确定岩体的抗剪强度参数[1-4]。

其中张全恒(1992)[1]讨论了确定岩体结构面抗剪强度参数常规方法存在的问题,提出了经验公式和实验相结合的试件法;何满潮(2001)[2]根据工程岩体的连续性理论,提出了根据室内完整岩块试验参数,结合野外工程岩体结构特点进行计算机数值模拟试验,从而确定工程岩体力学参数的方法;周维垣(1992)[3]提出确定节理岩体力学参数的计算机模拟试验法,该方法基于节理裂隙岩体的野外勘察资料,建立岩体损伤断裂模型,在计算机上模拟试验过程,获得所需数据;杨强等(2002)[4]在样本有限的情况下,采用可靠度理论,求出某保证率下的岩体抗剪强度值。

岩体作为复杂的地质体,其力学特性是多种因素共同作用的结果,如形成过程、地质环境和工程环境等。

为了能将所有控制因素作为一个整体来考虑,而不仅局限于定量因素,许多文献利用人工第24卷 第2期2004年6月 地 下 空 间UNDERGROUND SPACEVol.24 No.2Jun.2004收稿日期:2003-12-11(修改稿)作者简介:贾东远(1975-),男,河北唐山人,硕士,主要从事岩土工程设计、检测方面的工作。

神经网络来确定岩体的抗剪强度参数[5],[6]。

若采用了此种方法来解决工程岩体的抗剪强度参数选取的非确定性问题,须先建立了选取工程岩体抗剪强度参数的人工神经网络模型,然后通过大量工程测试资料进行训练和学习,最后得出一些有意义的结论。

随着人工智能和专家系统技术的发展,在整理现有大量实测资料的基础上,建立一个具有专家丰富经验和大量数据资料的用于岩体力学参数选取的专家系统是完全可能也是十分必要的。

节理岩体的强度、变形和稳定性主要受结构面控制,必须根据工程实际情况,合理的选用参数,正确建立计算模型。

数值方法中通常将岩体节理当作一种介质,单独设立单元加以考虑,最为典型的是Goodman节理单元,这种单元在工程中被广泛应用,并在实践中不断得到完善、修改和发展。

当实际工程中节理大量存在时,采用节理单元较为困难,甚至有时不可能,这时采用基于均匀化思想的节理岩体复合模型,为节理密集时的数值分析提供了方便。

其基本思想是将存在大量节理的岩体等效为一种宏观复合材料,这包括给出了单向节理岩体的复合本构模型,进行了实验验证,建立节理岩体的本构方程,进行了有限元仿真分析,计及了节理岩体宽度、刚度及走向等对岩体结构力学特性的影响,或运用物理模拟实验和数值方法对节理岩体的破坏机理损伤演化方程等展开了多方面的研究[7]-[11]。

目前这方面的研究成果很多,但形成理论体系得到公认并在实际工程中应用的还不多,仍需进一步深入细致地研究,以建立更科学实用的节理岩体本构模型。

2 边坡稳定性分析方法目前岩石边坡的稳定性分析方法中主要有两大类方法。

第一类方法是在边坡滑面确定的情况下,根据滑裂面上的抗滑力和下滑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。

现将这几种主要岩石边坡稳定性分析方法概述如下。

2.1 极限平衡法目前许多边坡稳定分析方法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,为方便计算作了一些假定,不考虑岩体的应力应变关系,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应力分布。

当然,国内外学者针对极限平衡法进行了大量的研究,如H.Kumsar等(2000)[12]介绍了静力和动力荷载条件下楔体滑坡模型试验研究情况,在极限平衡分析方法中考虑了动力的作用,并且在严格的试验条件和实际工程中得到验证;杨松林(1999)[13]针对传统竖直条分法和萨尔玛法应用于岩石边坡稳定性分析的缺点,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安全系数;D. Stark等(1998)[14]将二维极限平衡法推广到三维,使之更能反映实际边坡的状况;李冬田(2001)[15]提出一种三维的岩石边坡极限平衡法,即应用岩石边坡多层DE M几何模型,参照简化Bishop法的假定,进行边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。

2.2 数值计算方法运用数值方法进行岩石边坡的稳定性分析有许多优点。

由于岩石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,造成边坡工程问题十分复杂,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,可以分析边坡渐进破坏过程和确定边坡起始破坏部位,可以得到岩石边坡的应力场、应变场和位移场,可以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,可以考虑地下水渗流、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,这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,在岩石边坡稳定性分析中正发挥着越来越重要的作用。

国内岩石力学与工程界在将数值方法应用于2512004年第2期 贾东远等:岩石边坡稳定性分析方法岩石边坡稳定分析方面进行了大量实践,取得了一系列重要成果。

张永兴、阴可(1999)[16]采用有限元模拟了三峡船闸开挖的情况;潘亨水(1998)[17]结合具体工程实例,探索了强度储备法在岩石边坡中稳定性分析中的具体应用;寇小东(2001)[18]应用显式有限差分法(FLAC 3D)计算三峡船闸高边坡开挖过程的应力变形和稳定性;孙亚东(2002)[19]采用当前国际上发展的一种最新数值分析方法 非连续变形分析(DDA),结合一典型算例对该方法进行验证,对倾倒的破坏机理进行分析研究;冯子良等(2000)在三维弹塑性有限元计算基础上引入动态规划理论来分析复杂受力状态下岩体的总体稳定性,确定各个剖面的滑面形状,从而判断总体空间问题;栾茂田等(2000)[20]提出了非连续变形计算力学模型(DDC MM)的基本原理,并将其应用于一个典型岩石边坡的稳定性分析。

另外,随着数值分析方法的不断发展,出现了不同数值分析方法的结合使用,如有限元、边界元、无限元、离散元与块体元等的相互结合;数值解与解析解的相互结合,这些方法的相互结合使用能充分发挥各自的特性,解决复杂的岩体边坡问题。

如任清文等(2001)[21]采用块体单元法进行边坡稳定性分析,此法兼有极限平衡法和有限元法的优点,既满足全部平衡条件,又在一定程度上考虑了材料的变形;张季如(2002)[22]对边坡开挖作非线性有限元分析,获得边坡变形的大小和分布、塑性区的扩展状态、滑移面的形成、发展直至整体破坏的演变过程,并以此确定合理的滑移面位置,最后采用极限平衡法计算边坡的安全系数。

当前,有限元法已经成为最流行的数值计算方法之一,成为岩石边坡稳定性分析的主要计算工具,现在已经有许多常规标准的算法,并且开发了许多商业软件和专业程序。

用有限元法分析边坡稳定性的步骤通常是首先计算出边坡内每一单元的应力,然后根据整个滑裂面的抗剪强度与实际产生的剪应力之比来求得安全系数。

Duncan (1996)[23]指出边坡安全系数可以定义为使边坡刚好达到临界破坏状态时,对岩土体剪切强度进行折减的程度,这种强度折减技术特别适合用有限元方法来实现。

随着计算机技术的发展,尤其是岩土材料的弹塑性有限元计算技术的发展,出现了许多适合于岩土材料的大型通用有限元软件,其前后处理的功能越来越强大,为利用有限元进行边坡稳定性分析创造了条件[24]-[28]。

由于用折减系数等方法所计算的边坡安全系数的大小与所采用的屈服准则有关,而许多大型有限元程序(如ANSYS、MARK、PATRAN、DE NG)只给出了广义米赛斯屈服准则,赵尚毅(2002)[28]对几种常用的屈服准则进行了比较,导出了各种准则互相代换的关系。

随着计算机和有限元技术发展,强度折减有限元方法正成为边坡稳定性分析研究的新趋势。

有限元法可以比较准确地分析岩石边坡中应力应变的分布,并根据强度准则计算安全系数。