岩质边坡稳定性中的四个要点分析
岩质边坡稳定性分析计算
岩质边坡稳定性分析计算引言：岩质边坡是指由岩石构成的边坡体，它的稳定性分析是地质工程中的一项重要内容。
本文将围绕岩质边坡的稳定性分析进行详细讨论，包括边坡的力学特性、稳定性分析的方法和计算步骤。
一、岩质边坡力学特性：岩质边坡的力学特性主要包括边坡坡度、岩性、结构构造、地质构造、坡面覆盖物、地下水等。
这些因素对边坡的稳定性有着重要影响。
1.边坡坡度：边坡坡度是指地面或水平面与边坡倾斜线的夹角，是影响边坡稳定性的重要因素。
坡度越大，边坡的稳定性越差。
2.岩性：岩石的强度、粘聚力、内摩擦角等岩性参数对边坡稳定性有着重要影响。
一般来说，岩性较强的边坡稳定性较好。
3.结构构造：边坡中的断层、节理、褶皱等结构构造对边坡的稳定性有着重要影响。
结构面的发育程度和倾角越大，边坡的稳定性越差。
4.地质构造：地质构造包括岩层倾角、层面、节理等，对边坡的稳定性具有重要影响。
地质构造的研究可以帮助我们了解边坡的受力特点和变形规律。
5.坡面覆盖物：坡面覆盖物通常包括土壤、草地、水层等，这些覆盖物的分布情况和特性对边坡的稳定性有着显著影响。
6.地下水：地下水的存在对边坡的稳定性具有重要影响。
当地下水位上升时，边坡会受到水的浸润，导致边坡强度降低，从而增加边坡失稳的可能性。
二、岩质边坡稳定性分析方法：岩质边坡的稳定性分析方法主要有极限平衡法和有限元法两种，下面将对这两种方法进行介绍。
1.极限平衡法：极限平衡法是一种经典的岩质边坡稳定性分析方法，它基于边坡体在其稳定状态下的力学平衡原理进行计算。
这种方法通常将边坡分割为无限小的切割体，并假设切割体沿着内摩擦边界面滑动，从而得到边坡的稳定状态。
2.有限元法：有限元法是一种基于有限元理论进行边坡稳定性分析的方法。
这种方法将边坡体离散为有限数量的单元，通过求解单元之间的位移和应力，得到边坡的稳定状态。
有限元法能够模拟较为复杂的边坡几何形状和边界条件，但计算复杂度较大。
三、岩质边坡稳定性计算步骤：进行岩质边坡稳定性分析计算时，通常需要进行以下步骤：1.边坡参数确定：根据实地调查和实验数据，确定边坡的坡度、坡高、岩石强度参数、结构面参数等。
岩质边坡稳定性分析
块体Ⅰ
块体Ⅱ 块体Ⅱ
块体Ⅱ
（三）、多平面滑动
边坡岩体的多平面滑动， 分为一般多平面滑动和 阶梯状滑动两个亚类。 阶梯状滑动，破坏面由多个实际滑动面和受拉面 组成，呈阶梯状，坡稳定性的计算思路与单平面 滑动相同，即将滑动体的自重 (仅考虑重力作用时) 分解为垂直滑动面的分量和平行滑动面的分量。
' ' tg [ 2 C cos( ) 2 sin( )] sin j j t ' tg gH sin sin( )
第三节 岩质边坡稳定性分析
•一、岩质边坡应力分布特征 •二、岩质边坡的变形与破坏 •三、岩质边坡稳定性分析步骤 •四、岩质边坡稳定性计算
一、 边坡岩体中的应力分布特征
斜坡(slope)统指地表一切具有侧向临空面的地质 体，包括天然斜坡和人工边坡。 天然斜坡(简称斜坡）是指自然地质作用形成未经 人工改造的斜坡。 人工边坡(简称边坡）是指经人工开挖或改造形成 的斜坡。 研究目的：研究边坡变形破坏的机理(包括应力分 布及变形破坏特征)与稳定性，为边坡预测预报及 整治提供岩体力学依据。其中稳定性计算是岩体 边坡稳定性分析的核心。
（四）、楔形体滑动
楔形体滑动的滑 动面由两个倾向 相反、且其交线 倾向与坡面倾向 相同、倾角小于 边坡角的软弱结 构面组成。
反倾岩质边坡稳定性分析
反倾岩质边坡稳定性分析摘要：岩质边坡的稳定性问题一直是岩土工程界关注的热门方向，而反倾岩质边坡作为岩质边坡的一种特定类型，它的破坏模式和机理也值得去大量研究。
本文经过文献调研,针对反倾岩质边坡应用情况给出综述,结合断裂力学的优势与不足作出讨论。
关键词：岩质边坡断裂力学稳定性1引言当岩层的水平倾向与坡面水平倾向恰好相反时,该类边坡即被我们称为反倾层状岩质边坡,在我国西部山区中发育着大量的层状反倾岩质破碎边坡,岩体倾倒破坏是最为常见的一种反倾边坡破坏模式，破坏导致的边坡失稳事故严重的威胁了人们的生命和财产安全[1]。
随着岩土工程学科技术的进一步快速发展,国内外有关学者对反倾向岩质边坡的变形破坏机制和稳定性理论分析作出了大量的创新性研究,已相继取得了较丰富的成果。
2国内外研究现状Goodman等[2]将倾倒破坏分为块状倾倒、弯曲倾倒、块状-弯曲倾倒三种类型，并首次基于极限平衡原理提出了分析块状倾倒破坏的G-B法。
Aydan等[3]提出了采用极限平衡理论的悬臂梁弯曲模型，建立了以坡脚剩余下滑力作为边坡稳定性判断的评价方法。
Liu等[4]通过深部位移监测和UDEC数值模拟分析了反倾边坡破坏的变形特征及演化过程。
陈从新和郑允等基于极限平衡理论，建立了岩质反倾边坡弯曲倾倒破坏基准面计算和稳定性分析方法。
赵维等在悬臂梁模型的基础上对破坏面上的岩层进行了分区，判断了反倾边坡的倾倒风险。
王林峰等、王建明等基于断裂力学对单个岩块的稳定性进行了分析，探讨了岩块的破坏顺序。
地震是诱发反倾岩质边坡破坏的主要因素之一，因此，进行地震荷载对反倾岩质边坡的失稳影响研究具有重大的工程应用价值，已有学者对此作了一定的研究。
例如，Zheng等基于极限平衡法和遗传算法，提出了一种考虑地震惯性力的新方法来寻找反倾岩质边坡的破坏面。
Liu等采用振动台模型试验和数值分析方法研究了强震条件下反倾岩质边坡的动力响应特征。
屈新等推导了推力线高度的计算公式，分析了地震影响系数对反倾边坡弯曲倾倒稳定性的影响。
岩石边坡稳定分析
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（Plane Failure）；②楔体破坏 （Wedge Failure）；③倾倒破坏（Toppling Failure）。
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
楔体滑动（Wedge slides）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
边坡工程—边坡稳定性分析实例
岩质边坡稳定性分析
03
边坡稳定性评价方法：采用何种方法进行稳定性评价， 如极限平衡法、数值模拟法等
04
边坡稳定性分析结果：根据评价方法得出的边坡稳定 性等级，以及可能的失稳模式等
05
边坡治理措施：针对边坡稳定性问题，提出相应的治 理措施，如支护加固、排水措施等
06
边坡监测与预警：建立边坡监测系统，实时监测边坡 稳定性，及时发现并预警可能的边坡失稳风险。
04
综合评价方法：结合多种分析方法，对边坡稳定性进行综合评价
地质条件
01
岩石类型：不同岩石的力学性质和抗风化能力不同
02
地质构造：断层、褶皱等地质构造对边坡稳定性产生影响
03
地下水：地下水位变化、地下水渗流对边坡稳定性产生影响
04
气候条件：降雨、温度等气候条件对边坡稳定性产生影响
水文条件
1
地下水位：地下 水位的升降会影 响边坡的稳定性
目录
01. 边坡稳定性分析的重要性 02. 岩质边坡稳定性分析方法 03. 岩质边坡稳定性影响因素 04. 岩质边坡稳定性分析案例
保障工程安全
边坡稳定性分析是工程设计的重要环
01
节，关系到工程的安全性和稳定性。 边坡稳定性分析可以预测边坡的变形
02
和破坏，为工程设计提供依据。 边坡稳定性分析可以指导工程设计和
数值模拟法： 利用计算机 模拟边坡变 形和破坏过 程
概率分析法： 通过概率统 计方法评估 边坡稳定性
模糊数学法： 利用模糊数 学理论对边 坡地质力学分析：分析边坡的地质构造、岩石力学性质等
02
数值模拟分析：利用计算机模拟边坡的变形、破坏过程
03
现场监测分析：通过现场监测获取边坡的变形、应力等数据
岩溶地区大型岩质高边坡的稳定性分析
： 级
般 ，未 见有 泥化 夹层 。 （ ４）水文 地 质 条件 。Ａ — Ｂ、Ｃ － Ｄ 段 场地 地 形 为 斜坡 ，不 利
ｃ — Ｄ 段边坡高６ — ７ 米 ，边坡坡脚拟修建小区公路 ，破坏后果 严重。故将Ｃ — Ｄ 段边坡工程的综合安全等级划分为一级 。
２ 地 质 构造
于大气降水和地表水的汇集和积聚 ，有利于大气降水和地表水的 径流和排泄。而且场地 内未见有地下水出露。地本 区地势较高，
Ａ — Ｂ 段边坡为陡倾斜坡 ，边坡最高达８ ０ 米 ，边坡坡脚拟修建 小 区公 路 ，破 坏 后果 严重 。故该 段边 坡 工 程综 合安 全 等级 划 分为
—
层状 ，偶 夹薄 层 。抗风 化 能 力强 及抗 水性 好 。从边 坡 剖面 可 以看
出，坡体 白云岩单层厚０ ． ２ ０ ． ５ ｍ。层理清晰 ，层面较平整。结合
杂填土 （ Ｑ ｍ１ ）：褐灰色 ，为碎石混少量建筑 、生活垃圾等
组 成 ，厚 度２ ． ７ ～ ５ ． ５ ｍ。分 布于 边坡 坡 脚 。 红粘土 （ Ｑ ｅ ｄ １ ）：灰 、黄 灰 色 ，为 粘 土 含 碎 石 组 成 ，可 塑
２ ０ ０ 。 ，坡 高 ｌ （ ） ７ ０ 米 ，长 ｌ （ ） （ ） 米 ，局 部岩 体 呈 陡 倾 状 产 出 ，形 成 潜 在 崩塌 危 岩休 。 Ｃ — Ｄ 段 为 岩 质 边 坡 ，最 低 标 高 为 １ １ ９ ６ 米 ，最 高 标 高 为 １ ２ ０ ３ 米 ，高 ６ ～ ７ 米 ，长 ６ （ ） Байду номын сангаас ，边 坡 倾 向 东 ，坡 度 为 ４ ５ 。～ ５ ０ 。 ，呈 西 高 东 低 态 势 。切 坡 后 将 形 成 ６ ～ ７ 米 ，长 ６ ０ 米 ，坡 度 为 ８ ０ 。 的 边
地灾治理中岩质高边坡的稳定性分析
地灾治理中岩质高边坡的稳定性分析摘要：现代工程地质研究表明，地灾治理中岩质边坡的稳定性需要结合工程地质建设条件作为主要前提。
工程师可以认真分析和控制影响岩质边坡稳定性的各种要素，及时对工程地质要素进行综合分析和评价，从而确定边坡的稳定性和有效性。
关键词：地灾治理；岩质高边坡；稳定性分析就现代工程建设的内容而言，岩质边坡的稳定性分析评价工作的内容较多，其涉及了工程地质学、岩体力学和计算科学等多种方法，属于多学科交叉，是岩土工程研究的重点内容。
目前国内影响岩质边坡稳定性的因素和评价方法很多，突出的问题是忽略了边坡的地质环境条件，没有将边坡的内部结构与外部诱发因素结合起来。
现在采用案例分析的方式来探讨地形、环境对边坡的影响，希望能够提高边坡的稳定性，提供更合理的分析思路。
1.项目研究概述本工程案例选取A项目a段标段的开挖内容，在区域中存在一系列的岩质边坡问题，其中起止里程的最大开挖深度为21.5m，存在一处深挖高路堑边坡，且属于互通立交的起点以及高速公路的左侧等。
整体上，边坡的内部节理发育较为理想，其中有一条挤压破碎带，两组节理面和层面也被切割层坡体岩石，整体坡面呈现出碎块状。
首先，可以观察到整体地形。
该地区地形属中、低山地貌，地势相对平坦，植被发育不差，植被数量较少。
坡度段为脊部，后缘地形逐渐减小，坡向和脊向也呈35°斜角。
整个中部地势较高，两侧有小沟壑，坡度角度小于45°。
其次，观察地层岩性。
整个岩体为变质泥岩、砂岩、页岩，三个岩体交错排列(如图1所示)。
其中变质泥岩为弱风化、褐黄色，岩体较为破碎，呈薄层状。
整个层理面部分清洁，可以看见光滑丝绸，内部也有大量黏土矿物;变质页岩为棕褐色，弱风化，岩石相对破碎，片理结构理想，含大量碳酸盐岩有机质;变质砂岩呈灰黄色，岩石破碎，在岩石的断口处有砂感。
（图1 地质灾害治理过程中岩质高边坡稳定性分析）观察地质构造，边坡为大角度倾斜边坡，边坡体为一侧倾斜的单斜构造，整个岩层的产状态为25-78°;岩体节理发育明显，分布均匀，尺寸穿透力强，间距多集中在10-15cm。
岩质边坡稳定性分析
✓ 数值模拟法：利用计算机 模拟边坡的变形和破坏过 程，预测边坡的稳定性
12 34
✓ 模糊数学法：利用模糊数 学的方法，对边坡的稳定 性进行评价和预测
综合分析方法
定性分析：根据经验、知识、现场调查等对 边坡稳定性进行评估
定量分析：利用数学模型、计算机模拟等方 法对边坡稳定性进行定量计算
综合分析：结合定性和定量分析方法，对边 坡稳定性进行全面评估
边坡稳定性得到显著提高，保障
了高速公路的安全运营
某水电站边坡稳定性分析
01
水电站概况：介绍水电站的地理 位置、规模、结构等基本信息
03
边坡稳定性分析方法：介绍采用 的边坡稳定性分析方法，如极限 平衡法、有限元法等
05
边坡治理措施：根据边坡稳定性 分析结果，提出相应的边坡治理 措施，如锚杆加固、排水措施等
监测与预警：通过实时监测边坡变形、应力 等参数，对边坡稳定性进行动态评估和预警
岩质边坡稳定性分析的影响 因素
地质条件
岩石类型：不 同岩石类型的 力学性质和抗 风化能力不同
01
地下水：地下 水的存在和分Leabharlann 布对边坡稳定 性产生影响03
02
地质构造：断层、 褶皱等地质构造 对边坡稳定性产 生影响
04
岩体结构：岩 体的结构特征 对边坡稳定性 产生影响
02
边坡地质条件：分析边坡的地质 条件，如岩石类型、结构、地下 水等
04
边坡稳定性分析结果：展示边坡 稳定性分析的结果，如安全系数、 破坏模式等
06
结论：总结边坡稳定性分析的结 论，如边坡稳定性是否满足要求， 是否需要采取治理措施等
某矿山边坡稳定性分析
矿山概况：地理位置、 开采方式、地质条件 等
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“精确”解析解
数学解析方法
精确
刚塑性假定
同时破坏假定 不考虑滑床变形
无法考虑开挖
基本假定
与工程实际不符
“精确”？ 误差
1.2 刚体极限平衡法存在的不足
① 破坏标准的判定
破坏的标准是按照滑动面同时破坏而制定的，并没有考虑滑坡的渐进破坏
② 强度参数的选取
在计算中要么选取峰值强度，要么选取残余强度，没有考虑峰值强度向 残余强度的变化
◇ Goodman单元存在的问题
P Q
P
Q
Kn
0
U0
Ks ? P
➢缺点：
1、切向刚度与法向刚度很难测定，需试算多次 2、会发生相互嵌入现象，引起计算不收敛
➢ Goodman单元法向刚度与切向刚度比对 边坡安全系数的影响
法向刚度： 5GPa
1.06
法向刚度： 10GPa
法向刚度 T 切向刚度
1.01
2.3 有限元超载法
临界滑动条件下诱发失稳荷载 Fs 边坡现状条件下同性质不利荷载 *临界滑动条件的判定标准
①、不收敛；②、发散；③、折减过程中位移曲线的突变点
*计算的过程
理想弹塑性——不计残余强度，峰值强度=残余强度 弹塑软化——计入残余强度
*超载的方式
◇滑面拉剪应力转移后的真实安全储备
在有限元分析中，当滑动面拉、剪应力超限时， 荷载将向它周围进行转移。通过拉剪应力转移， 边坡滑动面部分被拉开或发生滑移，只对未发生 拉开和滑移的滑动面部分进行安全系数求解。
◇根据边坡使用目标，确立其安全使用界限
可分别根据边坡在使用过程中的主要失稳诱发 因素分别进行“超载”计算，分别确定出边坡的 极限水位、极限承重、极限开挖角度、极限地震 烈度等界限值作为设计与管理的原则与指标。
◇边坡开挖动态仿真设计与优化设计
在现场即时监测手段充分发达、计算机仿真技术、 反演分析理论与方法长足进展后，可逐步模拟边坡 的分布开挖过程，及其各开挖时段的坡体稳定性态， 据此提出对边坡在空间上、时间上的最优加固与支 护措施与安全储备的可靠度。
30
60
90 120 t
不同数量级的安全系数
2、法向刚度与切向刚度不在同一数量级时，安全系数的变 化较大，差一个数量级，安全系数大约差20﹪
T=10时边坡位移矢量图
T=100时边坡位移矢量图
T=1时边坡位移矢量图
法向刚度 T 切向刚度
◇ Katona内界面单元模型
➢优势：
1、不需要确定节理、断层Kn、Ks，通过接触面两侧的模量 变化来反映Kn的影响；
➢赤平投影法
➢点安全度等值线
➢次生滑动面
加固措施引起的新的危险滑动面
要点二 潜在滑动面的模拟
1 滑动面的模拟
◇无滑动面的方法
◇无界面的方法
采用薄层实体单元模拟滑动面
◇ Goodman节理单元模型 ◇ Katona内界面单元模型
弹簧单元
节点的接触对单 元单元
V1 Ks
V2
Kn U2
U1 Ks
Kn
二维Goodman单元模型
边坡现状条件下滑面强度参数 Fs 临界滑动条件下滑面强度参数
*临界滑动条件的判定标准
①、不收敛；②、发散；③、折减过程中位移曲线的突变点
*折减的内容
① 、所有结构面按同一比例同时折减? ； ②、只折减控制结构面（K大于1.0的那个面)；
*折减的过程
理想弹塑性——不计残余强度，峰值强度=残余强度
弹塑性软化——计入残余强度，残余强度<峰值强度, c、f不同
⑥ 评价方法单一
只能模拟均质性较强的土质边坡，无法模拟真实岩质边坡的非均质、 各向异性的性态以及连续变形与非连续变形的破坏模式
1.3 有限元分析滑坡稳定性的优势
◆符合滑坡实际的破坏模式
◆引入塑性理论，随拉剪应力超限，强度参数由峰值强度向
残余强度转化
◆符合潘家铮“极大值原理”，能反映滑坡破坏的内力与应力的调
岩质边坡稳定性分析中的四个要点
李宁
西安理工大学岩土工程研究所
2008.12.4
目录
潜在滑动面的确定 潜在滑动面的模拟 稳定性评价方法 预应力锚固效果分析与评价
要点一 潜在滑动面的确定
1 滑动面的确定
◇土质边坡、破碎岩质边坡
➢最大剪应力等值线 ➢刚体极限平衡法滑弧搜索法
◇岩质边坡
➢地质结构面
根据地质资料与经验，将可能形成潜在滑动面的软弱结 构面进行连同，其中安全系数最小为可能潜在滑动面
③ 计算方法的局限
无法模拟边坡施工过程、开挖引起的二次应力场，加固措施、加固 时机、渗流、地震等作用的影响 ④ 不符合“潘家铮极大值原理”
无法体现出滑面上的拉剪应力的传递与转移及滑体内部的内力调整， 滑面将发挥最大抗滑能力的特性
⑤ 适用范围单一
只能模拟均质性较强的土质边坡，无法模拟真实岩质边坡的非均 质、各向异性的性态以及连续变形与非连续变形的破坏模式
滑动面的模拟——界面单元、摩擦单元
初级思想
安全系数——界面单元、摩擦单元的分析成果
（法向应力与剪切应力成果）
Fs
i n
tan i
Ci
li
i n
li
①弹性分析
不考虑拉应力
②弹塑性分析
Fs
i n
tani
Ci
i n
li
li
i m
tan i'
Ci'
li
i m
li
2.2 有限元强度折减法
2、直接采用节理、断层的C、Φ值，摩尔—库仑定律确定 接触面滑动、固定、分离等状态；
要点三 边坡稳定性评价方法
现有常见边坡稳定性分析方法
极限平衡方法 传统有限元方法（E,P） 有限元强度折减法 有限元超载法
1 刚体极限平衡法的误差的由来
1.1 误差的由来
刚体极限平衡法 求解的过程与方法
基本假定
安全系数
0.96
0
2
4
6t
同一数量级的安全系数
1、法向刚度与切向刚度在同一数量级时，安全系数的变化不大
安全系数 安全系数
1.6 1.5 1.4 1.3 1.2 1.1
1 0
e2:10GPa e2:5GPa
0.2 0.4 0.6 0.8 1 t
2 1.8 1.6 1.4 1.2
1 0.8
0
e2:10GPa e2：5GPa
整
◆能够模拟各种性态的滑坡
均质性较强的土质滑坡；非均质、各向异性的岩质滑坡
◆评价方法全面
既能稳定性控制，又能整体、局部的变形控制
2 边坡稳定性分析方法的比较
2.1 传统有限元法（弹性,弹塑性分析）
通过有限元方法模拟真实条件下边坡的岩层、断层、风化层参 数与工程性状，获得接近真实情况下的应力、变形等成果
N
S S
N
二维内界面单元模型
滑动面的模拟存在的问题
◇滑动面模拟的必要性问题
坡顶
滑移不连 续变形
坡脚
剪出不连 续变形
有界面、节理单元模拟滑动面
只能反映 边坡的连
续变形
无滑动面
坡顶
滑移不连 续变形
坡脚
剪出不连 续变形
有界面、节理单元模拟容易产生
畸形
无界面方法