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1、山东大学硕士学位论文基于ABAQUS流固耦合理论的库岸滑坡稳定性分析姓名：张欣申请学位级别：硕士专业：岩土与结构工程指导教师：李术才;丁秀丽20050516山东大学硕士学位论文摘要我国是一个地质灾害较多的国家，其中滑坡灾害占有较大比例。尤其是随着我国水利建设的大力兴建，时常有库岸滑坡发生失稳，对社会和人民造成严重威胁水的渗透会严重影响滑坡的稳定性。实际上，只要有水存在的地方，应立场和渗硫场就会相互影响、相互作用，处于一种复杂的动态变化过程中，构成流固耦合关系本论文通过对耦合作用进行实质性分析，得出应力场合渗透场相互作用的机理：一方面，应立场的改变会影响土体渗透系数，从而影响渗流场；另一方面，渗
2、流场通过改变水荷载来影响应立场根据岩土体骨架的平衡方程和虚功原理建立应力场平衡方程根据地下水的连续方程和变分原理建立渗流场微分方程。应力场平衡方程和渗流场微分方程共同组成流固耦合问题的控制方程组。该方程组通常为非线性方程组，论文借助国际大型有限元软件A B A Q U S 进行了滑坡体内流固耦合的计算，继而对滑坡稳定性作了定量评价。滑体本构关系具有高度的非线性，数值计算中可采用D u n c a n C h a n g本构模型来模拟。本文以A B A Q U S 有限元软件为开发平台，提出了D u n c a n C h a n g 本构模型的开发思路和实现步骤，完成了模块的编程，并且依据常规
3、三轴试验数据对开发的程序进行了一系列严格验证。结果证明开发是成功的茅坪滑坡是清江隔河岩水库库区一个十分典型和重要的大型古滑坡体，具有多级、多期次的滑动特征。该滑坡一旦失稳，必将产生严重后果。论文对茅坪滑坡体地质特征及监测资料进行研究，对滑坡体的稳定性作了定性分析另外，通过对滑坡的数值分析计算，对滑坡稳定可靠度作了定量分析结果表明：在天然水位下，滑坡中的塑性区范围较有限，尚难危及滑坡的整体稳定，但滑坡后缘附近水力梯度较大，渗流力较大，使该位置局部出现了拉应力，导致滑坡后缘稳定性较差。当水位急剧上升时，在斜坡前缘和后缘都出现了塑性区，滑坡整体稳定性降低。尤其是滑坡前缘稳定性变差，有局部失稳的可能性
4、。本文的工作对滑坡稳定性分析、流固耦合分析具有积极作用，而且本文提出的模拟方法、求解技术和开发思路对水工结构和岩土工程及其他工程领域的数值仿真研究也具有广泛的借鉴意义关键词：库岸滑坡，稳定分析，流固耦合，A B A Q U S，D u n c a n C h a n g 本构模型，二次开发，数值模拟，山东大学硕士学位论文A b s t r a c tT h e r ea r es o m eg e o l o g i c a ld i s a s t r o u ss u c ha sl a n d s l i d ei no u rc o u n t r y S p e c i a l l
5、yw i t ht h eg r e a ts c a l eo fc o n s t r u c t i o n sf o rw a t e rr e s o u r c e s，m o r ea n dm o r el a n d s l i d e sb e c o m e su n s t a b l e，w h i c hb r i n g ss e r i o u se n d a n g e rt os o c i e t ya n dp e o p l e T h er e a s o ni st h a tw h e nw a t e rp e r m e a t e si
6、n t ol a n d s l i d e s，i ta l w a y sw e a k e nt h es t a b i l i t yo fl a n d s l i d e s I nf a c t，i ft h e r ei sa n yw a t e r，s t r e s sf i e l da n ds e e p a g ef i e l dw i l la f f e c te a c ho t h e r，w i l lb ei nac o u p l i n gd y n a m i cd r i f ts i t u a t i o na n df o r mac
7、 o u p l i n gr e l a t i o n O nt h eb a s i so fm a t e r i a la n a l y s i st oc o u p l i n ge f f e c t，t h ea u t h o rr e a c h st h ea c t i o nm e c h a n i s mb e t w e e nt h es t r e s sf i e l da n dt h es e e p a g ef i e l d：f i r s t，t h ec h a n g eo fs t r e s sf i e l dc a nm a k
8、 ei n f l u e n c et op e r m e a t i o np a r a m e t e r，t h e nt ot h es e e p a g ef i e l d A n o t h e r，t h es e e p a g ef i e l dc a na l s om a k ei n f l u e n c et os t r e s sf i e l dt h r o wc h a n g i n gt h ew a t e rl o a d B a s e do nb a l a n c i n ge q u a t i o no ff r a m e
9、w o r ko fr o c ka n ds o i la n dt h ep r i n c i p l eo fv i r t u a lw o r k，t h es t r e s sb a l a n c i n ge q u a t i o nc a nb ea c q u i r e d B a s e dO nt h ec o n t i n u i t ye q u a t i o no fg r o u n dw a t e ra n dt h ev a r i a t i o np r i n c i p l e，t h es e e p a g ed i f f e r
10、 e n t i a le q u a t i o nc a nb ea c q u i r e d T h ea b o v et w oe q u a t i o n sf o r mt h ec o n t r o le q u a t i o n sw h i c hu s u a l l yi san o n l i n e a re q u a t i o n s T h ed i s s e r t a t i o nc o m p u t e dt h ec o u p l i n gp r o b l e mo fs e e p a g ea n ds t r e s s，a
11、 n dq u a l i t i v ee v a l u a t et h es t a b i l i t yo fl a n d s l i d e T h eu p p e rp a r to fl a n d s l i d eh a sh i g hn o n l i n e a rc h a r a c t e r，W ec a nU S eD u n c a n C h a n gc o n s t i t u t i v et os i m u l a t ei t C h o o s i n gA B A Q U Ss o f t w a r ea st h eh i g
12、 hl e v e ld e v e l o p m e n tp l a t f o r m，t h er e d e v e l o p m e n tp r o c e d u r e st oa d dD u n c a n C h a n gc o n s t i t u t i v em o d e lw e r ed e s c r i b e da n dw e r ec o m p i l e dt oc o d e s S o m en u m e r i c a lv e r i f i c a t i o nw e r et h e ne x a m i n e ds
13、t r i c t l y A c c o r d i n gt ot h ed a t ao ft y p i c a lc o n v e n t i o n a lt r i a x i a lc o m p r e s s i o nt e s t s，t h ev e r i f i c a t i o n ss h o wt h a tt h er e d e v e l o p m e n ti ss u c c e s s f u l M a o p i n gL a n d s l i d e，o n eo ft h em o s tt y p i c a la n di m
14、 p o r t a n tl a r g e-s c a l er e c u rl a n d s l i d ei nt h eh e a d p o n do fG e h e y g a nr e s e r v o i ri nQ i n g j i a n gR i v e r，h a sm u l t i l e v e la n dr e p e t i t i o u ss l i d i n gc h a r a c t e r s O n c et h eM a o p i n gs l o p eb e c o m e si n s t a b l e，d i s a
15、 s t r o u sd e s t r o yc a nb ec a u s e d T h i sd i s s e r t a t i o na n a l y s e st h eg e o l o g i c a lc h a r a c t e r i s t i c sa n dm o n i t o r i n gd a t ao fM a o p i n gL a n d s l i d ec o m p r e h e n s i v e l y，a n dm a k eq u a l i t i v ee v a l u a t i o no nt h ei n f l
16、 u e n c eo fw a t e rt ol a n d s l i d es t a b i l i t y I na d d i t i o n，a c c o r d i n gt ot h en u m e r i c a lc a l c u l a t i o no nl a n d s l i d e s，t h ea u t h o rm a k eq u a n t i t a t i v ee v a l u a t i o nu n d e rt w o山东大学硕士学位论文s i t u a t i o n s：t h en a t u r a lr e s e
17、r v o i rw a t e rl e v e la n dr a p i d l ya s c e n dr e s e r v o i rw a t e rl e v e l T h es i m u l a t i n gr e s u l ti n d i c a t e s：f o rt h ef i r s ts i t u a t i o n，t h ep l a s t i cz o n ei sl i m i t e da n dc a n te n d a n g e rt h es t a b i l i t yo ft h es l o p e B u tt h e
18、 r ei sat e n s i o na r e a，a n dt h eg r o u n dw a t e rs u r f a c ei sac o n v e xs u r f a c et o w a r d st h es l o p ef a c ea n dt h eg r a d i e n ti sh i g hn e a rt h es l o p eb a c ke d g e A n dw h e nw a t e rl e v e la s c e n d sh i g h e r，t h ep l a s t i cz o n ea l s op r e s
19、e n ta ts h a l l o wz o n en e a rt h es l o p ef r o n ta n db a c ke d g e s A n dt h es t a b i l i t yb e c o m e sw o r s e，e v e na tt h ef r o n te d g e A l lt h es c h e m e sp r o p o s e di nt h i st h e s i sh a v es t r o n gu t i l i t yt os t a b i l i t ya n a l y s i sa n ds e e p
20、a g e s t r e s sc o u p l i n ga n a l y s i s，a n da r ec a b l eo fr e f e r e n c et on u m e r i c a ls i m u l a t i o nr e s e a r c hf o rg e o-e n g i n e e r i n g，h y d r o p o w e rs t r u c t u r e sa n do t h e re n g i n e e r i n gf i e l d s K e y w o r d s：r e s e r v o i rl a n d
21、s l i d e，s t a b i l i t ya n a l y s i s，s e e p a g e s t r e s sc o u p l i n g，A B A Q U S，D u n c a n C h a n gc o n s t i t u t i v em o d e l，r e d e v e l o p m e n t，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。
22、对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人承担。论文作者签名：苏双日期：2 一i、奠(6关于学位论文使用授权的声明本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。(保密论文在解密后应遵守此规定)论文作者签名：翅导师签名：日期：p。岁少刁拉山东大学硕士学位论文第一章绪论1 1 问题的提出1 1 1 滑坡概述在一定的地质条件下，由于外界条件的变
23、化，各种自然的或人为的因素影响(例如坡面植被破坏、长期受水浸润、削弱坡体下部支撑力量等)破坏了岩(土)体的力学平衡条件，使山坡上的不稳定土体(岩体)在重力作用下，沿着一定的软弱面(带)做整体的、缓慢的、间隙性的、有时甚至是突发性的向下滑动的不良地质现象，称之为滑坡。滑坡广泛分布于世界各地，并对各国的经济建设造成了不同程度的危害。美国每年由滑坡灾害造成的经济损失可达数亿美元。加拿大境内的十二条铁路线上，每年针对滑坡的防治经费就已超过5 0 0 万美元。早期的巴拿马运河两岸的滑坡也是世界闻名。欧洲地区的前苏联、捷克、意大利、挪威、瑞典和英国等国家也曾不同程度地受到滑坡灾害的困扰。我国是一个自然灾害
24、较多的国家，在众多的自然灾害中，滑坡占有一定的比重早在2 0 0 0 多年前我国史书上就有“山崩堵江”、“地移掩村”的记载。在历次大地震和洪水暴雨的灾害记述中，也都可以发现滑坡灾害的先例。建国以来，随着经济建设的迅速发展、大规模工程的不断扩建，各种滑坡事故愈来愈多，给国民经济建设事业带来严重的影响。据统计，我国有新老滑坡约3 0 万处，其中灾害性滑坡约1 5 万处，受到滑坡灾害威胁和可能受到滑坡威胁的地区约占全国陆地面积的2 4，每年因各种滑坡造成的经济损失就高达1 0 0 亿元以上。随着我国近几年来水利水电建设的迅速发展，水库库岸滑坡频繁发生失稳现象，并酿成严重后果。因此，对库岸滑坡的稳定性
25、进行研究在工程安全、环境保护和减灾防灾等方面具有重要的理论和工程实际意义。在我国，滑坡类型相对齐全，按滑动面与岩体结构面的关系可划分为：顺层滑坡、切层滑坡；按滑坡体厚度可划分为：浅层滑坡(厚度仅数米)、中层滑坡(厚度为数米到2 0 米左右)、深层滑坡(厚度在2 0 米以上)；按坡体组成成分可划分为：岩质滑坡、土质滑坡；按滑坡成因又可划分为：自然滑坡、露采滑坡、路堑滑坡、库岸滑坡：按滑坡的规模大小可分为：小型滑坡(体积小于3 万方)、中型滑坡(体积3 5 0 万方)、大型滑坡(体积5 0-3 0 0 万方)、超大型滑坡(体积大于3 0 0 万方)；按滑坡受力状态不同可分为：牵引式滑坡、推动式滑坡
26、；按滑坡的稠度与刚度不同可分为：塑流滑坡、塑性滑坡(稠度滑坡)、块体滑坡；按滑坡滑面的形状不同可分为：曲线形滑坡、直线形滑坡、折线形滑坡；按滑坡性质及滑带变形可分为：流动滑坡，挤出滑坡。对滑坡稳定性进行分析，首先要明确其破坏机理和评价因素。合理确定这些评价因素的主次更是滑坡稳定性分析的关键。影响滑坡稳定性的因素主要包括：1)内因方面(地质因素)地形地貌因素：地形起伏较大或地面坡度较大都会引起失稳，对滑坡稳定性不利。岩性因素：滑坡一般发生在易于发生亲水软化的土层中和一些软质岩层中。当坚硬岩层或岩体内存在有利于滑动的软弱面时，就会在适当的条件下形成滑坡。容易形成滑坡的软质岩层有页岩、泥岩、泥灰岩等
27、。此外，千枚岩、片岩等在一定的条件下也容易形成滑坡。构造因素：埋藏于土体或岩体中的倾向与斜坡一致的层面、夹层、基岩顶面、山东大学硕士学位论文古剥蚀面、不整合面、层间错动面、断层面、裂隙面、片理面等一般都是抗剪强度较低的软弱面当斜坡受力情况突然变化时，这些软弱面都可能成为滑坡的滑动面。水文地质因素。2)外因方面(诱发因素)大自然的风化作用、降雨、人为的不合理切坡、坡顶加载、地表水流冲刷坡脚以及地震的影响，都会促使斜坡土石向下滑动，并激发斜坡发生滑动现象。其中，水是形成滑坡的重要因素。地下水、地表水都可以改变斜坡的外形。当水渗入滑坡体内时，不但可以增大滑坡的下滑力，而且将迅速改变滑动带土石的性质，
28、降低其抗剪强度，起到“润滑剂”的作用。另外，地震能够产生地震加速度，使斜坡土体(或岩体)承受巨大的惯性力，并促使地下水位发生强烈变化，导致斜坡发生大规模滑动。综上所述，滑坡灾害分布较广，作用因素多样性以及破坏机理复杂性，使滑坡成为世界各国研究的重要地质和工程问题之一。1 1 2 库岸滑坡概述及水的作用机理库区滑坡的形成，是在第四纪漫长的地质历史进程中，地壳内外力相互作用的结果其中，库区特有的地质地貌为滑坡的发育提供了必要的边界条件，特别是岩体中软弱夹层的存在及其空间分布特点，是控制坡体稳定和造成坡体失稳的基础。在水的作用下，库区滑坡主要包括蓄水初期水位上升引起的滑坡和水位骤降引起的滑坡。休斯特
29、概括美国大古力坝库岸滑坡特征，其中就有这样的描述：自水库初期蓄水的3 0 4 0 年代，由更新世冰河堆积层组成的大部分库岸曾发生数百处滑坡，其中大部分发生在蓄水初期，但不少也发生在周期性、连续性库水位降落时期1 9 6 3 年1 0 月9 日所发生的意大利瓦依昂(V a i o n t)水库左岸大滑坡，在水库蓄水至2 2 5 4 m 时，左岸山体突然下滑，体积达2 7-3 0 x1 0 W，滑速达2 8 m s，水库中有5 1 0 7 m 3 的水体被挤出，激起2 5 0 m 高的巨大涌浪，高1 5 0 m的洪波溢过坝顶冲向下游，约有3 0 0 0 人丧生，举世震惊。为世人所瞩目的三峡水利枢纽
30、工程是我国跨世纪的工程，在修建前后三峡地区亦经历了多次大型滑坡灾害。早在1 9 7 5 年雨季，秭归就发生过滑坡、崩塌等地质灾害8 0 0 余处；1 9 8 2 年7 月暴雨期，重庆市万州县发生大小崩滑体8 万余处，并于1 9 8 2 年7 月1 5 日至3 0 日形成崩滑体，使该县2 0 余万户约1 0 0 万人受灾，1 0 万亩耕地、3 6 万间房屋被毁，造成1 4 万户人无家可归；1 9 9 3 年7 月至8 月，万州县再次发生崩滑体1 1 万处，毁坏耕地1 9 8 万亩，房屋5 6 3 万间，3 8 0 0 多户人无家可归，各类经济损失达1 8 亿元；1 9 9 3 年重庆市云阳县发生
31、的滑坡灾害使受灾农户达2 5 1 3 万户，人口达9 1 3 7 万人，占农户总数的4 7 6 各类经济损失达8 8 9 0 万元；1 9 9 8 年8 月暴雨季节，发生了重庆马牛镇滑坡，面积为2 6 k m ，方量达l 亿m 3，造成直接经济损失几千万元；1 9 9 8 年6 月一8 月，在湖北省巴东县相继发生了白岩沟滑坡、铜盆溪岩崩、鲁家湾等滑坡；1 9 9 9 年8月一9 月，在重庆市巫山旧城发生了沿江滑坡和地面变形，造成3 0 0 0 多人受灾；2 0 0 1 年5 月1 日2 0 时3 0 分左右，重庆市武隆县县城江北西段发生滑坡，滑坡体垂直高4 6 8 米，前沿宽5 5 2 米，后
32、沿宽2 5-3 0 米，方量约1 6 万一，致使一幢建筑面积为4 0 6 1 平方米的9 层楼房被摧毁掩埋，造成7 9 人死亡、7 人受伤。另外，各基本建设工程受滑坡、崩塌灾害的危害也十分严重，以交通工程和城镇建设为最。历史上著名的新潍滑坡，曾有过多次复活滑动，如1 0 2 6 年、1 5 4 2 年和1 9 8 5 年等都曾造成长江断航，其中1 0 2 6 年滑动造成断航2 1 年；1 9 8 2 年云阳2山东大学硕士学位论文鸡扒子滑坡，滑坡体1 5 x1 0 7 m 3，近1 8 x1 0 6 m 3 涌入长江，使滑坡前缘长江北岸枯水线向江中推进了5 0 余米，长江河床淤高3 0 余米，造
33、成三道急流，6 0 0 m 长的急流险滩，严重威胁长江航运的安全。后用8 0 0 0 万元，采取在河底挖掘堆积物、沿岸压脚、滑坡表面排水等综合措施，才使航行得以恢复。据不完全统计，三峡库区在1 7 5 m 库水位影响的范围内共有大小滑坡1 1 9 0 余个，各类变形体分布更是广泛。三峡水库2 0 0 3 年蓄水后，诸如黄土坡、红石包、谭家坪等许多滑坡一部分被水浸没或完全被水浸没，尤其库水位在1 3 5-1 7 5 m 周期涨跌对，滑坡将会受到河流地质作用和库水动力作用，使得原已稳定的滑坡再度失稳。总结库岸滑坡的破坏方式主要有以下三种：一、大量松散岩土体滑入库中，造成水库的有效库容减小，降低水库
34、效益；二、大型滑坡体高速滑入库中，掀起巨大的涌浪，危害大坝等水工建筑或者危及周围居民的安全：三、在峡谷地区，体积巨大的崩塌岩土体滑入江河中，容易形成堵江坝，继而造成新的淹没危害或次生洪水，对下游建筑设施及人民生命财产构成较大威胁。水库库岸滑坡之所以发生的频率如此之高，产生的危害如此之大，都是因为水对滑坡产生了重要影响，会在一定程度上降低滑坡体的稳定性。水的作用主要体现在：1)浮力减重和动水压力作用库水位上升时，水的浮力作用使滑体抗剪阻力降低，但水面以上岩士体的重量没有发生变化，整个滑坡体的稳定性就会降低，从而引起滑坡。库水位急剧下降时，滑坡体内的超孔隙水压力会使滑坡失去稳定性据统计，渗透系数为
35、1 0 屯1 0-c m s 的滑坡，是最容易产生超孔隙水压力的，常常引起库岸滑坡的大面积移动。2)浸泡软化作用库区特殊的地质条件允许泥岩以及系古、中生代软质泥岩的大量存在这类岩体的抗风化能力弱，耐水性差，如果长期在水的作用下，可泥化成土，强度大大降低。库区出露泥岩的易改造性，更为库水的浸泡软化作用提供了有利条件，加速坡体的失稳。3)流水冲刷作用受库水长期浸泡的滑坡体，在水位下降时，会产生流水冲刷的现象，继而引起坡面变形或发生滑坡。4)浪蚀作用对于一般库区的边岸来说，风浪击碎边岸并不是主要问题，只在航运繁忙地段对滑坡产生一定的影响。由此看来，水库蓄水、水位降落所引起的渗流场变化对库岸滑坡的稳定
36、性具有重要影响。所以对于滑坡稳定性进行评价，必须先对滑坡体内渗流场的变化进行充分的了解，在此基础上，才能正确分析滑坡的稳定状况，为其稳定性评价和工程治理提供坚实的基础。目前，研究库水位升降对滑坡稳定性的影响还不够深入，往往只能将地下水的力学作用概化为静水压力，忽视了渗透压力的作用，从而使评价结果与实际情况有较大的出入。所以在渗流作用下分析滑坡的稳定性具有显著的工程实践意义。1 2 问题研究现状1 2 1 滑坡稳定性研究现状早期的边坡稳定性研究主要以土体为研究对象，借用土力学理论，形成了一3山东大学硕士学位论文种半经验半理论性质的研究方法，由于对力学机理方面考虑较少，其计算结果往往与实际情况有较
37、大差别在这一时期，我国滑坡失稳现象虽然屡有发生，但从总体上看，大型滑坡并不多，所以此时的稳定性研究尚处于初期发展阶段，工作重点侧重于滑坡历史资料的分析以及滑坡形态的分类，归纳总结出不同类型滑坡的稳定性分析方法和相应的变形破坏机制。二十世纪六十年代后，随着世界经济的发展，以及采矿、水利、交通等基础设施的大规模建设，所形成的矿山边坡、大坝坝肩、库岸滑坡、路堑边坡等都具有规模庞大、地质条件复杂等特点，这就使得早期的研究方法不再适用。特别是1 9 6 3 年意大利瓦依昂(V a i o n t)水库大坝上游左岸滑坡的滑动事故，使人们清醒地认识到对滑坡破坏力学机理研究的不足，从而促进了研究工作在六、七十
38、年代的迅速发展。这一时期的研究主要以边坡破坏机理为中心，提出了以弹塑性理论为基础、以改进的极限平衡法为应用的多种方法。尤其在1 9 6 7 年，人们第一次尝试用有限单元法研究边坡的稳定性问题0 1，为定量评价边坡稳定性开创先河。后来，随着大规模工程的进一步开展、决策要求不断的提高，以概率论为基础的可靠度方法也逐步引入到边坡稳定性的研究中同时期，我国边坡稳定性分析的原理与方法也获得了不断的丰富与发展，如中国科学院地质研究所工程地质室提出的岩体结构理论及相应的边坡岩体稳定性分析的岩体工程地质力学方法，对边坡稳定性分析是一个具有创见性的重要发展。目前，这种分析方法在我国的边坡工程设计及边坡稳定性分析
39、中己经获得了广泛的应用。二十世纪八十年代后期，由于计算机应用技术的大幅度提高以及岩体力学研究的逐步深入，各种复杂的数值计算方法广泛地应用于边坡稳定性研究。同时，由于各学科之间的相互渗透，这一时期的研究方法缤采分成，研究成果层出不穷：在数值计算、数值模型和岩土力学参数选取等方面取得很大进展：不断补充和完善边坡变形破坏的地质力学模式；广泛应用数据库及专家系统方法；迅速提高稳定性监测预报技术；引入类比统计技术；借鉴非线性科学方法，取得开拓性研究成果等。纵观上述发展历程，滑坡稳定性研究的发展趋势可归纳为：从定性分析发展到定量分析，从确定性分析发展到非确定性分析定量分析法又称为数学模型法，是在定性分析的
40、基础上建立研究对象的地质模型，通过合理的假设和简化，将复杂的对象抽象成可以求解的数学模型，进而选取合理的参数，进行预测计算，最终获取预测结果。目前滑坡定量分析方法可以分为两大类：非确定性分析方法和确定性分析方法。前者主要包括模糊数学分析法、灰色理论分析法、灰色模糊综合法以及概率分析法等；后者主要包括解析法和数值分析法。下面针对不同类型的分析方法进行详细论述：1 定性分析方法该方法针对滑坡演化历史中的稳定性主要影响因素、失稳力学机制以及变形破坏方式等进行分析，以此评价滑坡稳定状况并预测其可能的发展趋势。该方法的优点是综合考虑了影响滑坡稳定性的各种因素，快速地对其稳定性做出评价和预测。常用的方法有
41、：1)地质分析法(历史成因分析法)滑坡稳定性地质分析法的基础是可靠的地质判据。采用这种方法进行滑坡稳定性分析，首先，需要对滑体进行勘探和试验，获得详细的环境工程地质条件、滑体稳定性现状信息以及影响滑体稳定性的内、外动力因素。其次，对所获得的资料进行归类、分级统计处理。再次，选择合理的地质判据。然后，对各项地质4山东大学硕士学位论文判据进行分析，分别提出三种不同稳定效应(不利、一般、有利)的判别标志最后，按判别标志对滑坡稳定性进行单因素判别，再采用多因素综合判别系数法对滑体的稳定性作出综合判定。2)工程地质类比法该方法是一种经验方法，即在全面分析工程地质因素的相似性和差异性的条件下，将已有的滑坡
42、稳定性研究经验运用到相似地质条件的滑坡稳定性评价中去。这种方法在滑坡治理设计等方面是可以采用的。3)图解法图解法可以分为两类：用一定的曲线和图表来表征边坡有关参数间的定量关系，由此求出边坡稳定性系数；或在其中一个参数(结构面倾角、坡角、坡高)未知，稳定性系数和其它参数已知的情况下，求出这个未知参数。这种方法属于力学计算的简化。利用图解法可以求边坡变形破坏的边界条件，分析软弱面的组合关系，分析滑体的形态、滑动方向，评价边坡的稳定程度，为力学计算创造条件。4)边坡稳定专家系统用于地质勘察的专家系统P r o p e c t e r 是工程地质领域最早研制出的专家系统，由斯坦福大学于7 0 年代中期
43、完成的。专家系统使得一般工程技术人员在解决工程问题时能象有经验的专家一样给出比较正确的判断，并做出结论。因此，专家系统的应用为工程地质的发展提供了一条新思路。在国内，许多学者正在进行研制，并取得了很多的成果。2 确定性定量分析方法确定性定量分析方法主要包括以极限平衡法为主的解析法和各种数值分析法。1)极限平衡法极限平衡法是工程中最经典、应用最广泛，也是目前最成熟有效的一种方法。它引入摩尔一库仑强度准则，通过对潜在滑体的受力分析，根据滑体的力(力矩)平衡、建立边坡安全系数表达式进行定量评价由于该方法的直观性至今仍被工程界广泛应用。其关键在于正确判断滑体的范围、临界破坏面的位置和选定恰当的计算参数
44、，正确地分析滑体的各种荷载。基于该原理的方法主要有瑞典条分法，最早是由瑞典人P e t e r s o n 在1 9 6 1 年根据大量观测数据提出的。他假定边坡稳定问题是一个平面应变问题，滑裂面是一个圆柱面，计算中不考虑土条之间的作用力，边坡稳定安全系数是用滑裂面上抗滑力矩与滑动力矩之比来定义的。随后瑞典圆弧法得到逐渐完善，瑞典学者F e l l e n i u s 将最初的圆弧法推广到考虑摩擦力和粘聚力的情况，并初步探索了最危险滑弧位置的变化规律。4 0 年代以后，随着土力学学科的不断发展，有不少学者致力于条分法的改进，探讨了最危险滑裂面的形状和位置规律，并绘制成各种表格和曲线。同时对条间
45、力作不同的假设，并不断提出了：不考虑条间剪力的毕肖普法、考虑条间作用力的推力传递系数法、假定条间达到极限平衡的刚体极限平衡法以及条问推力作用点位置可假定的詹布法等。且前工程设计中广泛采用的是瑞典条分法和简化的毕肖普法。2)数值分析方法该分析方法是利用某种数值方法求得滑坡的应力分布、变形情况以及变化过程，求得各点上的局部稳定性系数，由此判断滑坡的稳定性。主要有以下几种方法：(1)有限单元法(F E M)：该方法是目前应用最广泛的数值分析方法。它能够考虑滑坡体的非均质性、不连续性等特征，考虑岩体的应力应变特征，避免将山东大学硕士学位论文坡体视为刚体。能够切实地以应力、应变为变量分析边坡的变形破坏机
46、制，对了解滑坡的应力分布、应变发展很有利。其不足之处是：数据准备工作量大，而且原始数据易出错，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、应力集中等问题精度较差。(2)边界单元法(B E l d)：该方法只需对已知区域的边界进行极限离散化，具有输入数据少的特点。其计算精度较高，在处理无限域方面有明显的优势。其不足之处为：一般边界元法得到的线性方程组的关系矩阵是满的不对称矩阵，不能采用有限元中成熟的求解稀疏对称矩阵的解法。另外，边界元法在处理材料的非线性严重不均匀的滑坡问题方面，远不如有限元法。(3)快速拉格朗日分析法(F L A C)：为了克服有限元等数值分析法不能求解岩土大变形问
47、题的缺陷，人们根据显式有限差分原理，提出了F L A c 数值分析方法该方法较有限元方法能更好地考虑岩土体的不连续性和大变形特征，求解速度较快。其缺点是同有限单元法一样，计算边界单元网格的划分带有很大的随意性。(4)离散单元法(D E M)：该方法可以直接反映岩体变化的应力场、位移场以及速度场等各个参量的变化，也可以模拟边坡失稳的全过程。另外，该方法特别适合块裂介质的大变形及破坏问题的分析，但所需计算时步非常小，阻尼系数也难以确定。(5)块体理论(B T)：该方法是以构造地质和简单的力学平衡计算为基础，利用拓扑学和群论提出的一种评价三维不连续岩体稳定性的方法。随着关键块体类型的确定，块体理论能
48、够找出具有潜在危险的关键块体的临空面位置及分布。除以上几种方法外，数值方法近年来又有较大发展，出现了如无界元(I D E M)、不连续变形分析(D D A)等方法。此外，由于工程实践的需要，出现了多种数值方法的耦合算法，使滑坡稳定分析数值方法化的趋势更加明显。但数值分析方法也存在着一下两点不足：第一，由于地质条件的复杂性及认识的局限性，往往使计算的地质模型以及本构关系与实际情况存在着一定的偏差第二，由于计算参数的选取是以某种简化为基础的，与实际存在一定误差，继而影响了计算结果的精度。3 不确定性定量分析方法该方法的评价基础是工程地质类比法、滑坡静态规律的认识以及预测科学的一般原理。类比法是一种
49、逻辑推理法，但往往由于推理的可靠性不足，其结论具有或然性。非确定性定量分析方法就是基于滑坡预测理论的广义系统科学原理，在类比法的基础上发展起来的一类研究方法。随着概率论、数理统计、信息理论、模糊数学等方法用于滑坡预测，目前已形成了多种预测模型。其预测成果可相互对比、检验，从而可使预测成果更具合理性、科学性目前常用的非确定性定量分析方法主要有以下几种：1)经验方法：将多位专家丰富的理论知识、工程经验等建成一个滑坡预测知识库，通过计算机模型对所研究的对象进行预测和评价；2)数理统计方法：首先用回归分析等方法在不稳定滑坡所处地质环境条件和作用因素之间建立一种相关的预测模型，然后预测研究对象的稳定性；
50、3)信息模型法：以信息论为基础，用滑坡产生过程中获取的信息量来衡量滑坡失稳的可能性：4)模糊数学评判法：是以模糊数学为基础的，目前常用的方法有模糊综合评判法、可靠度分析法和模糊层次综合评判法；5)灰色系统方法：以灰色系统理论为基础，利用灰色关联分析评价滑坡稳6山东大学硕士学位论文定性各影响因素的影响程度：6)模式识别方法：以人工智能技术为基础，利用人工神经网络感知已有模式，来判定滑坡的稳定性；7)非线性模型预测法：即利用非线性预测模型来模拟滑坡系统的复杂性，比较典型的有分形理论。8)人工智能法：其中两个最重要的领域是人工神经网络和专家系统。在边坡工程中，人工神经网络的应用在于利用神经网络的学习