天 工柱 ２００９年第４期（总第８２期） 岩体边坡稳定性分析综述 冯国华 张亮 （高速公路管理处） 摘要：边坡是自然或人工形成的斜坡，是人类工程活动中最基本的地质环境之一，也是工程建设中最常见的工程形式，边坡稳 定一直是工程中的一种非常复杂的问题，岩体边坡滑坡与崩塌也是一种重要的地质灾害，边坡稳定性研究已经成为一项在工程中非常 重要的部分，同时又使边坡稳定性分析方法不断得到开创和发展。新的边坡稳定性分析方法不断出现，古老的方法又不断得到改进， 且逐步由定性向非定性和定量的方向发展。本文简要介绍了边坡类型，影响边坡稳定性的因素以及目前边坡稳定性分析的常用方法， 将边坡稳定性分析方法分为定性分析方法和非定性分析方法，对各种方法的基本原理、特点及其适用范围进行了阐述，并对边坡稳定 性分析方法的发展趋势进行了探讨。 关键词：边坡；稳定性分析：定性；基本原理 岩体边坡滑坡做为一种重要的地质灾害，已 给人类的生命财产带来重大威胁，滑坡可导致交 通中断，河道堵塞，厂矿城镇被掩埋，工程建设 受阻。边坡工程研究的目的是通过对边坡稳定性 的分析和评价，为工程提供合理的边坡结构，以 及对具有破坏危险的边坡进行人工处理，避免边 坡、倾斜式边坡和台阶形边坡； （６）根据使用年限分为临时性边坡和永久 性边坡。临时性边坡是指工作年限不超过两年的 边坡，永久性边坡是指工作年限超过两年的边 坡； １．２影响边坡稳定性的因素 坡失稳造成的灾害和损失，并提高工程总体经济 效益。因此，边坡稳定性分析和评价成为边坡工 程研究核心。 影响边坡稳定性的因素很多，潜在的因素有 地形因素，地质材料因素，地质构造等。而还有 很多的诱发的影响因素，例如环境因素，人为因 素等。 （１）地层和岩性。地层岩性的差异是影响 ｌ 边坡的分类及影响边坡稳定性的 因素 １．１边坡的分类 根据工程中的实际情况和不同工程的用途和 需要，边坡设计形态多种多样，边坡的分类也有 以下几种： （１）按照边坡的成因可分为天然边坡和人 工边坡。天然边坡是自然形成的山坡和江河湖海 的岸坡； （２）按照构成边坡坡体的岩土性质可分为 粘性土类边坡、碎石类边坡、黄土类边坡和岩石 类边坡； 边坡稳定的主要因素，不同地层有其常见的变形 破坏形式，岩性对边坡的变形破坏也有直接影 响； （２）地质构造。地质构造因素主要包括边 坡地段的褶皱形态、岩层产状、断层和节理裂隙 发育特征等。地质构造对边坡的稳定，尤其是岩 质边坡稳定的影响十分明显，而在断层和节理裂 隙对边坡变形破坏的影响则更为明显； （３）岩体结构。对于硬和半坚硬岩石来说， 岩石的性质对边坡的稳定并不是主要的影响因 素，而主要影响因素有结构面的倾向和倾角、走 向、组数和数量、连续性以及结构面的起伏差和 （３）按照边坡的稳定性程度可分为稳定性 边坡、基本稳定边坡、欠稳定边坡和不稳定边坡。 这种分类方法一般根据边坡的稳定性系数的大小 进行划分，但无严格的规定； 表面性质等； （４）水的作用。水对边坡的稳定性有显著 影响。处于水下的透水边坡将承受水的浮托力的 作用，而不透水的边坡，坡面将承受静水压力； 充水的张开裂隙将承受裂隙水静水压力作用；地 下水的渗透流动将对坡体产生动水压力；水对边 ３９ （４）按照边坡的高度分类，边坡高度大于 １５ｍ称为高边坡，小于１５ｍ称为一般边坡； （５）根据边坡的断面形式可分为直立式边 岩体边坡稳定性分析综述 冯国华张亮 坡岩体会产生软化作用，水流的冲刷也会直接对 边坡产生破坏； （５）振动作用。地震、大规模爆破和机械 振动，都可能引起边坡应力的瞬时变化，从而影 响边坡稳定。长期开采爆破也可使岩体产生疲劳 效应。振动还可以破坏土、砂颗粒问的联结力， 饱水砂在振动时可以出现液化； （６）边坡形态。边坡形态对边坡的稳定性 上，根据斜坡岩土体的结构、构造等特性，分析 斜坡形成及其演化的全过程，对斜坡的稳定状况 和发展趋势作出定性评价。 （３）工程地质类比法 在现场调查、观测、统计和分类等基础上的 定性分析方法，从经验和表象方面来分析，边坡 岩体的破坏基本上是受岩体的结构类型和性质所 控制的。传统的工程类比分析法有自然斜坡类比 有直接影响。边坡形态指边坡的高度、长度、剖 面形态、平面形态以及边坡的临空条件等。对均 质岩土边坡而言，坡度越陡，坡高越大，对其稳 定越加不利。当边坡的稳定受同向缓倾滑动结构 面控制时，边坡的稳定性与其坡度关系不大而主 要取决于边坡高度； （７）人类的工程活动因素。随着人类工程 活动规模的日益扩大，它对边坡稳定性的影响越 来越显著，不当的人类工程活动引起的边坡失稳 事故频繁发生，使得人们不得不重视人类工程活 动对边坡稳定性的影响。 ２边坡的稳定性分析方法 定性分析方法和定量分析方法是边坡稳定性 分析的两种主要方法。而在这两种分析方法的研 究基础上，又出现了非确定性分析方法，如系统 工程地质分析法、可靠性分析法、模糊分级评判 法、灰色系统理论分析法，还有物理模型方法等。 ２．１定性分析方法 定性分析方法主要是通过对工程地质勘察， 分析影响边坡稳定性的主要因素、失稳的力学机 制等的分析，对水文，地质，气候等进行分析， 判断边坡破坏的可能性及可能破坏的方式等。常 用的方法主要有范例推理评价法、自然历史分析 法、工程地质类比法和图解法等几种。 （１）范例推理评价法 范例推理评价法是由斯坎克（Ｓｃｈａｎｋ）在 １９８２年提出的。范例推理包括目标范例和源范 例，在当前所面临的新问题称为目标范例，而把 记忆的问题称为源范例。 （２）自然历史分析法 自然历史分析法也叫成因历史分析法，是用 于天然斜边的稳定性评价。它主要是在研究斜坡 所处位置区域构造运动及地质历史演变的基础 法、观测地质现象判断斜坡稳定法等，其缺点是 比较繁琐，但传统的工程类比法速度快、效率高， 而且类比法可解决在缺乏详细勘察各类影响因素 的情况下评价边坡稳定性的难题。 （４）图解法 图解法可以分为诺模图法和投影图法。目前 主要用于岩质边坡岩体的稳定性分析中，常用的 有赤平极射投影图法、摩擦圆法、实体比，例投 影图法等。 （ａ）诺模图法 这种方法是利用一些诺模图或关系曲线来表 征与边坡稳定有关参数问的关系，并根据这些关 系求出边坡稳定安全系数，它也是数理分析方法 的一种简化方法，目前主要用于土质或全强风化 的具有弧形破坏面的边坡稳定性分析。 （ｂ）赤平极射投影图法 赤平极射投影图法就是利用赤平极射投影的 原理，通过作图来直观地表示出边坡变形破坏的 边界条件，分析不连续面的组合关系，这种方法 适用于岩体整体结构、块状结构的宏观稳定性。 （Ｃ）摩擦圆法 摩擦圆法的原理是假定边坡岩体的危险滑动 面为圆弧面，滑动体在自重、滑动弧上的摩擦力、 粘聚力的共同作用下得到平衡，并认为在平衡的 调整过程中摩擦力己全部发挥作用，剩余下滑力 由粘聚力承担。 ２．２定量分析方法 定量分析法主要包括极限平衡分析法和数值 分析法。 （１）极限平衡分析法 极限平衡法是边坡稳定分析中仍非常多采用 的方法，它的原理是假定结构面为平面，结构体 为刚体，不考虑块体本身的强度破坏，通过分析 岩体在破坏那一刻的力的平衡来求得问题的解。 岩体边坡稳定性分析综述 极限平衡分析法主要包括经典极限平衡分析方 法，弹塑性极限平衡分析法，在经典极限平衡分 析方法中，我国广泛应用的方法之一是不平衡推 力法。它适用于任意形状的滑裂面，而假定条问 力的合力与上一条土条底面相平行，根据力的平 衡条件，逐条向下推求，直到最后一条的推力为 零。 （２）数值分析法 数值分析方法是目前岩土力学计算中使用最 普遍的分析方法。主要有有限元法、有限元强度 折减法、流形元法、边界元法、离散元法、界面 应力元法等。 （ａ）有限元法 有限元法是一种十分成熟的数值方法，也是 边坡稳定分析中用得较多的一种方法。其中极限 分析有限元法可以对贯通和非贯通的节理岩质边 坡进行稳定分析，同时可以考虑地下水、施工过 程的影响，可以考虑各种支挡结构与岩土材料的 共同作用，因而具有很大的优越性和应用前景。 有限元强度折减法是在边坡稳定安全系数可以定 义为使边坡刚好达到临界破坏状态时，对坡体剪 切强度进行折减的程度，即定义稳定安全系数为 坡体实际抗剪强度与临界破坏时折减后的剪切强 度的比值。 （ｂ）边界元法 边界元法与有限元方法不同，它只对研究区 的边界进行离散，因而它要求的数据输入量较 少。该方法对处理无限域和半无限域问题较为理 想。它要求事先知道求解问题的控制微分方程的 基本解，在处理材料的非线性、不均匀性、模拟 分步开挖等方面还远不如有限元法，它同样不能 求解大变形问题。 （ｃ）无界元法 无界元法的出现主要是为了克服有限元法在 计算时其计算范围和边界条件不易确定的这一缺 点，其优点是：有效地解决了有限元方法的“边 界效应”及人为确定边界的缺点，在动力问题中 尤为突出，显著地减小了解题规模，提高了求解 精度和计算效率，这些优点也决定了无界元法将 拥有广阔的前景和发展。 （ｄ）离散元法 离散元法是一种动态的数值分析方法，是由 冯国华张亮 Ｃｕｎｄａｌｌｐａ（１９７１）首先提出并应用于岩土体稳 定性分析的一种数值分析方法。可以用来模拟边 坡岩体的非均质、不连续和大变形等特点，因而， 也就成为目前较为流行的一种岩土体稳定性分析 数值方法。该方法在进行计算时，首先将边坡岩 体划分为若干刚性块体，以牛顿第二运动定律为 基础，结合不同本构关系，考虑块体受力后的运 动及由此导致的受力状态和块体运动随时问的变 化。 （ｅ）流形元法 流形元法是以拓扑流形为基础，应用有限覆 盖技术，吸收有限元法与ＤＤＡ法各自的优点， 通过在分析域内各物理覆盖上建立一般覆盖函数 和加权求和形成总体位移函数，从而把连续和非 连续变形的力学问题统一到流形方法之中。 （ｆ）有限差分法 有限差分法主要是求解给定初值或边值问题 的数值方法。有限差分法的原理是将待求解问题 的基本方程组和边界条件近似地改用差分方程来 表示，即由一定规则的空间离散点处的场变量（应 力、位移）的代数表达式代替，这些变量在单元 内是非确定的，从而把求解微分方程的问题转化 为求解代数方程的问题。 ２．３ 非确定性分析方法 （１）模糊综合评价法 模糊综合评价是应用模糊变换原理和最大隶 属度原则对边坡稳定性进行分析的方法。由于在 实践施工中边坡性质及稳定性的界限实际上不是 很清楚，具有相当的模糊性，综合考虑被评事物 或其属性的相关因素，进而进行等级或类别评 价。模糊分级评判方法为多变量、多因素影响的 边坡稳定性分析提供了一种行之有效的手段，这 一方法主要应用于大型边坡的整体稳定性评价。 （２）可靠度评价方法 边坡工程可靠性分析是评价边坡工程状态的 一种新方法，它把边坡岩体性质、荷载、地下水、 破坏模式、计算模型等作为不确定量，借鉴结构 工程可靠性理论方法，结合边坡工程的具体情 况，用可靠指标或破坏概率来评价边坡安全度。 与传统的确定性理论相比较，可靠性分析能更好 地反映边坡工程的实际状态，正确合理地解释许 多用确定性理论无法解释的工程问题。边坡工程 ４１ 岩体边坡稳定性分析综述 冯国华张亮 可靠性分析的方向是正确的，它能真实地考虑到 客观和人为的一些不确定性因素，并且己逐步运 用于工程实践。 （３）灰色系统评价法 ３ 边坡稳定性分析方法的发展趋势 综合上面介绍的边坡稳定性分析方法的各个 方面，我们也可以看出随着实际工程对这种方法 的更高要求，在对老方法进行改进和提高的同 灰色系统是指信息不完全、部分信息己知、 部分信息未知的系统。灰色系统理论认为，在决 定事物的诸因素中若既有己知的，又有未知的或 时，人们也在不断地对新方法进行开发和研究， 可以看出边坡稳定性分析方法对工程的重要性， 不确定的，它们所在系统则称为灰色系统。 （４）人工智能法 人工智能方法包括遗传算法、专家系统和神 经网络控制等，是一种自适应启发式群体型概率 性迭代式全局收敛算法，是基于自然选择和基因 遗传学原理的随机搜索算法，人工智能中的专家 系统的应用在于应用专家系统中的知识处理、知 识应用和不确定性推理的技术来分析边坡的稳定 性。人工神经网络是一种高度非线性映射处理系 统，网络由许多计算单元（神经元）相互连接构 成，而这些连接的强度可通过训练自动调整。人 工神经网络的应用在于利用神经网络的学习和联 想记忆功能，运用网络存储的领域知识对边坡进 行稳定性分析。 （５）遗传进化算法 遗传进化算法是一种新发展起来的全局搜索 的算法。它的原理是首先随机生成一组模型，将 模型的每个参数表示为二进位制数码，然后对种 群内各模型根据具体问题所给的目标函数决定其 生存概率，来进行优胜劣汰，再把剩下的较优的 个体进行交换和变异，最终完成一次对种群的繁 殖，反复循环，来模拟生物进化的规律。它的特 点是在检索了少部分搜索空间后便能迅速地收敛 于最优解。该方法模拟了生物遗传进化的过程， 克服了传统方法容易陷入局部极小值的缺点，是 一种全局优化算法。 ２．４物理模型方法 物理模型方法主要包括光弹模型、底摩擦试 验、地质力学模型试验、离心模型试验等。这些 方法能够模拟边坡岩土体中的应力大小及其分 布，边坡岩土体的变形破坏机制及其发展过程、 加固措施的加固效果等。该方法可以在同一模型 上，完成弹性、弹塑性乃至破坏失稳各个阶段的 模拟，展示边坡岩土体变形破坏的机制与过程， 且可以测量全过程的应力和位移，还可求得超载 安全系数等。 ４２ 同时各种方法也有其不断改进的余地，都有着更 加成熟发展的趋势。 （１）从边坡稳定性影响因素上看，从原来 的注重边坡地貌、岩土体结构、构造等特征，到 目前考虑气候环境、动力、地下水等多种影响因 素。为了更实际地反映实际情况，建立多因素相 结合的耦合研究方法，也成为今后的研究方向。 （２）从分析方法上来说，目前在工程中用 于边坡稳定性分析的常规方法很多，把某两种或 几种方法综合运用于边坡稳定性分析之中，有助 于相互比较，成为目前评价边坡稳定性的普遍方 法及发展趋势。在把定性分析方法把握成熟后， 再对非定性分析方法进行研究，进一步进行边坡 稳定性分析实验研究，是以后边坡稳定性分析方 法的发展趋势。 （３）重视理论向实际应用的转化，各种数 学模型的相继建立，推进了非线性工程地质的研 究进展，但建立能适用解决工程实际问题的模型 并推广应用之，是边坡稳定性分析研究的一个重 要方向。 ４ 结语 岩体边坡是一个很复杂的体系，是应该结合 使用的定性分析和定量分析方法来分析其稳定性 的，现在通常还是考虑多种定量方法并举、相互 校核来提高评价分析的准确度。虽然目前各种研 究方法不断涌现，但是边坡稳定分析的精确解仍 然是岩土工程界的前沿课题之一。在岩体边坡稳 定性分析中虽然有很多新理论新方法，如神经网 络、模糊数学等，但是由于还不是很完善，所以 在实际工程中应用的较少，实际工程中还需要继 续发展这方面的理论和工程研究。随着科学的不 断进步和工程研究人员的不断努力，相信边坡稳 定性研究会朝着理论更为成熟，方法更为完善的 方向发展，从而为边坡稳定工程提供更加合理的 正确的分析成果。
