论滑坡稳定性分析⽅法
第２８卷增２
岩⽯⼒学与⼯程学报
Ｖ０１．２８
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论滑坡稳定性分析⽅法
李世海，刘天苹，刘晓宇
（中国科学院⼒学研究所，北京１００１９０）
摘要：以地质体的渐进、动态破坏为基本出发点，对滑坡的稳定性问题进⾏较为系统的讨论。通过具体滑坡现象和模型试验说明研究滑坡问题的复杂性：按照⼭体的破坏程度，划分包括既有破坏、局部再破坏、贯穿性破坏、离散性破坏和运动性破坏⼏种破坏形式，说明破坏类型的转化正是ｌＪＪ体渐进破坏的过程：综合分析极限平衡法、有限元法、离散元法分析边坡稳定性的局限性；详细介绍基于连续介质的离散元法的特点；建议将滑坡体地表裂缝作为参数分析的基本参量：阐述分析运动性破坏的重要性；特别强调单纯靠计算⽅法不能解决⼯程问题，将计算模型与现场监测结果分析相结合，是正确判断Ｌ｜ｊ体当前状态、分析滑坡稳定性的有效途径。
关键词ｔ边坡⼯程；破坏形式；滑坡稳定性：极限平衡法；有限元法：离散元法；地表裂缝：监测结果中圈分类号｛Ｐ
６４２．２２
⽂献标识码ｌ
Ａ
⽂章编号ｌｌ０００—６９１５（２００９）增２—３３０９—１６
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引⾔
地质体的渐进和动态破坏是⽬前地质⼒学研究
的前沿问题，是滑坡体稳定性评价的基础。开展动
态分析⽅法的研究和对已有静态⽅法的分析，对于推动斜坡稳定性分析⽅法的发展有着重要的意义。
北固山
我国研究地质灾害的基本技术路线是⾸先进⾏
收藕⽇期Ｉ２００８⼀０５⼀１９：●回⽇期ｌ
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基⾦项⽬⼀国家重点基础研究发展计划｛９７３）项⽬（２００２ｃＢ４１２７０３）：中国科学院重要⽅向性项⽬（Ⅺｃ）（２⼀Ｓｗ—ＬＪ）；国家⾃然科学基⾦资助项⽬（１０４７２１２１．
１０６０２０５７１
作者简介Ｉ李世海（１９５８⼀），男，博⼠，１９８２年毕业于河北⼯业⼤学物理专业，现任研究员，主要从事⾮连续介质⼒学数值计算⽅法及滑坡灾害防治中的关键⼒学问题等⽅⾯的研究⼯作。Ｂｍａｉｌ＝ｓ¨ｉ＠ｉｆｎｃｃｈ．∞．∞
万⽅数据一是加强组织领导
３３１０?岩⽯⼒学与⼯程学报２００９年
地质勘察和勘探，得到⼀些地质结构的信息和岩⼟体的⼒学参数，在此基础上利⽤规范明确规定的极
限平衡分析⽅法或者基于有限元的强度折减法计算出斜坡体的安全系数，根据安全系数⼤⼩判断斜坡是否需要治理。全⾯剖析和重新审视这⼀技术路线的合理性，充分认识和理解各种计算⽅法的适⽤范围，明确数值模拟在解决⼯程问题中的地位和作⽤，有利于提⾼我国地质灾害防治的⽔平．同时对于发展滑坡稳定性的分析⽅法，辨明数值⽅法的研究⽅向也有着⾄关重要的作⽤。
Ｊ．Ｍ．Ｄｕｎｃａｎ…综述了极限平衡法；陈祖煜等【２】发展了三维的极限平衡法：朱⼤勇和钱七虎【３】通过求解⾼次⽅程将极限平衡⽅法的分析更为理论化；郑颖⼈等ｆ４】全⾯介绍有限元强度折减法的应⽤，并⽐较了不同强度准则条件下该⽅法计算结果的差异；Ｌ．Ｊｉｎ矿】总结了有限元和离散元法，介绍了这些⽅法的基本特点和功能。作者通过模型试验和数值模拟分析了岩体结构对⼭体稳定性的影响，给出了离散元和极限平衡法计算结果的差别和共同点。每⼀种⽅法的研究主要强调了⽅法本⾝在理论上的严密性、技术上的可⾏性以及计算结果的合理性。对各种⽅法在基本假设上的差异、⼒学模型和计算中的技术问题分析不⾜，特别是理论模型与⼯程实践衔接以及回答⼯程问题的能⼒⽅⾯缺少综合的分析，⽽且分析滑坡稳定性的⽅法主要是基于静态的分析。
地质体问题的反演和正演参数分析已经引起了⼈们的⾼度重视。杨志法等【６￣９】全⾯讨论了岩体反分析的问题；冯夏庭等【ｌｏ】提出智能岩体⼒学并开展了参数反分析的⼯程应⽤。基于连续介质⼒学模型的参数分析需要证明解的唯⼀性，⾯对复杂的问题由于反分析不唯⼀往往会导致⼀些错误的结论。正演分析尽管分析的⼯作量很⼤，给出的结果往往可以提⾼⼈们对问题的认识。然⽽，地质体
具有⾮连续、⾮均匀等复杂的特性，其破坏过程远远超出了连续介质⼒学模型涵盖的内容。需要对其中的⼀些基本现象和基本概念的认识进⾏概括和分类，在此基础上对各种⽅法的合理性和实⽤性进⾏分析将更有意义。
弄权铁槛寺本⽂⾸先列举了具有代表性的ｌＩＪ体破坏的现象以及典型的堆积体破坏试验，说明了滑坡稳定性分析的复杂性以及动态分析的必要性；阐述了描述⼭体破坏的⼏个主要的破坏阶段，⽽静态分析只是其中的⼀个阶段；剖析了刚体极限平衡法基本假设，
说明了该⽅法只适⽤于分析整体滑动和刚体平动问题，指出该⽅法中所定义的强度的含义不同于地质勘查得到的强度参数；论述了基于有限元的强度折减⽅法分析滑坡稳定性相对于极限平衡法的改进，⽽基于静态分析的⽅法进⾏反分析有较⼤的限制；分析了离散元法分析边坡稳定性的局限性；详细介绍了基于连续介质的离散元法的特点；并建议将滑坡体地表裂缝作为参数分析的基本参量；特别强调单纯靠计算⽅法不能解决⼯程问题，将计算模型与现场监测结果分析相结合，是正确判断⼭体当前状态、分析滑坡稳定性的有效途径。
２滑坡体的复杂破坏现象
２．１具有代表性的滑坡体的动态破坏现象
位于重庆市云阳县的裂⼝⼭（见图１），反映了地质体长时间、⼤尺度破坏的现象。据史料记载，唐朝时代裂⼝⼭就已经存在，⾄今⼏百年，地表断裂的尺⼨已经达到⼏⼗⽶。
图ｌ重庆云阳裂Ｌｊ⼭
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湖北清江茅坪滑坡的地表位移曲线如图２所⽰。该滑坡体⾃清江⽔库１９９３年有记录以来，最⼤地表位移已经达到了２．５ｍ，⽬前该滑坡体还在变形之中，尚未形成滑坡灾害。其地表位移监测见图３。
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图２湖北清江茅坪滑坡的地表位移曲线
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万⽅数据
第２８卷增２李世海，等．论滑坡稳定性分析⽅法
图３湖北清江茅坪滑坡的地表位移监测
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重庆万州区晒⽹坝滑坡体（见图４）的地表已经出现了⼤范围的、⽆规则的破坏，但是该滑坡体依然没有出现整体的滑动——形成灾害。
图４重庆万州区晒⽹坝滑坡体
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但是，２００１年５⽉１⽇发⽣在重庆市武隆县的崩塌灾难，导致７９⼈死亡。发现岩体表⾯的松动到灾难发⽣仅在⼏天之内，破坏前的地表位移没有数字记录。
上述的⼏个滑坡体如果⽤静态的稳定性分析⽅法，均属于不稳定的滑坡体。然⽽，⼭体的破坏状态却有着很⼤的差别，因此，探索新的稳定性分析⽅法有着⼗分重要的意义。
关于诸葛亮的诗
２．２试验表明滑坡体复杂的破坏现象
散体破坏试划¨Ｊ揭⽰，相同尺⼨的堆积体，处在⼲燥和潮湿状态下的破坏形式不同：图５（ａ）所⽰堆积体⼲燥，上部材料离散下滑；图５（ｂ）所⽰堆积体潮湿，上部材料沿⼀个滑⾯整体下滑。
破坏形式的不同主要是由于散体材料间的量纲⼀的量ｃ“ｐ办）不同造成的。⼲燥散体材料对应的ｃ“ｐ砂）较⼩，⽽潮湿的散体材料对应的ｃ／（ｐ助）较⼤。这２种破坏形式对应着滑坡的⼩块度离散下滑和坡体沿着⼀个滑⾯整体下滑２种情况。通过基于
（ａ）（ｂ）
图５堆积体试验破坏形态
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质量检查
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连续介质的离散元法计算也可以得出ｃ／（ｐ办）的值，它是地质体破坏块度⼤⼩的重要指标，ｃ“ｐ助）值越⼩，下滑坡体的块度也越⼩，反之下滑坡体的块度越⼤。
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中国科学院⼒学研究所的堆积块体破坏试验【１２】表明，不同结构的岩体在相同裂隙强度的条件下，临界破坏⾓度差别很⼤。
试验采⽤了尺⼨分别为２０锄×１０锄×１０ｃｍ，１０锄×ｌＯｃｍ×１０ｃｍ，５ｃｍ×５ｃｍ×５ｃｍ的⼤、中、⼩３种岩块，按照图６所⽰的不同排列⽅式摆放在可以改变⾓度的平台上，排列时结构⾯包含贯通和不贯通２种情况，岩块之间⽤松散砂充填（砂⼟的摩擦⾓为２６。）。然后，逐渐提⾼平台的⾓度，直⾄松散体滑动或者垮塌。
（ａ）⼤块结构⾯不连通排列
（ｂ）中块结构⾯连通排列万⽅数据
３３１２?岩⽯⼒学与⼯程学报２００９年
（ｃ）混合⼤、⼩块结构⾯不连通排列
图６试验岩块排列⽅式
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⼤块结构⾯不连通排列如图６（ａ）所⽰，其试验结果为：⼤块不连通排列破坏⾓度与砂⼟的摩擦⾓基本⼀致为２６。，属于滑动破坏。
中块结构⾯连通排列如图６（ｂ）所⽰，其试验结果为：破坏⾓度为ｌｌ。，属于倾倒破坏。
混合⼤、⼩块结构⾯不连通排列如图６（ｃ）所⽰，其试验结果为：临界破坏⾓度约为２１。，属于下部滑动、上部倾倒破坏。
试验结果表明：
（１）在结构⾯的强度参数不变的情况下，不同分布的裂隙结构⾯对于堆⽯体的临界破坏⾓度影响很⼤。表ｌ给出了不同的结构条件下的临界破坏⾓度。
表ｌ试验临界破坏⾓和数值模拟临界破坏⾓对照表
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（２）当结构⾯的分布能够保证岩体整体滑动时，破坏⾓度才与结构⾯的摩擦⾓⼀致，也与极限平衡法的滑动破坏⾯的经验值保持⼀致。
（３）倾倒破坏和滑移破坏没有明显的界限，在有些条件下可以是共存的。该结论说明崩塌和滑坡作为不同的经典地质灾害分类，其破坏过程可能属于同⼀阶段。
实际的岩体结构的复杂程度远超过试验所给出
的特殊结构形式，这也为地质⼯程斜坡稳定性的分析⽅法提出了更⾼的要求。
上述的地质现象、模型试验从不同⾓度说明了地质体破坏的复杂性。滑坡灾害形成和⼭体崩塌只是⼭体破坏的最后阶段，定量地描述地质体需要研究地质体破坏演化过程，仅仅研究最后的状态远远不够。地质灾害的形成不仅仅是空间上的破坏尺度和滑移距离，还与时间有关，这就需要考虑地质体的渐进破坏过程。由此看出，定量地描述地质体的破坏规律还需要对⼀些基本的破坏形式做出分类。
３地质体破坏的类型及其定义
定量地描述地质体的破坏规律需要建⽴合理的⼒学模型，通过理论演绎、数值模拟、试验研究得到地质体的变形、破坏、运动规律。然⽽，地质体作为⼒学研究的对象与固体、流体、⼀般⼒学研究的对象不同，因此，需要不同的研究⽅法、研究内容，李世海等ｌｌ３Ｊ对此有了⼀定的表述。这⾥更深⼀步阐述、说明和总结地质体破坏不同阶段的基本概念及其内涵，以便于理解如何建⽴相关⼒学模型。
（１）既有破坏：固体⼒学中描述材料破坏通常是连续介质内部某⼀点的应⼒或应变状态满⾜了材料破坏的条件⽽产⽣裂缝，断裂⼒学中描述材料破坏通常是材料内部裂纹的扩展，即材料有裂缝认为是⼀种破坏的状态。地质体内部初始状态就存在许多结构⾯，⽽且这种结构⾯的尺⼨在某⼀⽅向上甚⾄和研究区域的尺度相当。按照材料破坏的定义，地质体内部在初始的状态就有⼤破坏存在，这些破坏是地质体固有的，并不是受外部荷载作⽤、内部材料特性改变的结果。
然⽽，地质体的当前状态是长期演化⽽来的，开展⼒学研究的难点在于不知道材料的初始状态。事实上，地质体在⼀年、⼗年、百年乃⾄万年以前和今天的状态都⾜未知的，因此，寻求初始状态没有特别的意义，重要的是如何通过某种⽅法得到⼀些信息，定量化描述需要的已知条件。确定地质体的初始状态从何时开始并不重要，⽽重要的是获得地质体的信息。地质体的初始状态的确定取决于获得地质体的信息量，可以选择有地质体信息描述的任何时间地质体的状态作为初始状态。这种地质体内部初始状态下的破坏称为既有破坏。
（２）局部再破坏：地质体内部的⾮既有破坏区
域，可以⽤连续介质的⼒学模型来描述，该区域的万⽅数据
第２８卷增２李世海，等．论滑坡稳定性分析⽅法?３３１３?
材料仍然可以称为连续介质。局部再破坏是指在外部荷载和地质体内部材料特性变化的条件下，地质体内部连续部分满⾜破坏条件，进⽽在连续介质的区域内形成了⾮连续的新的破坏⾯。
（３）贯穿性破坏：当局部再破坏的区域逐步扩⼤，将既有破坏区域内的破坏⾯连接成为贯穿整个研究区域的破坏⾯时，则称研究区域内发⽣了贯穿性破坏。贯穿性破坏的破坏⾯在极限平衡⽅法中定义为滑⾯，在有限元⽅法中是达到塑性破坏的点连接起来形成的破坏⾯。
（４）离散性破坏：在某些条件下，地质体贯穿性破坏后的运动，导致了此前⽣成的贯穿性破坏⾯上受⼒条件不断改变，致使尚未破坏的区域内部产⽣更多的贯穿性破坏⾯，同时地质体表⾯产⽣很多裂缝，连续的研究区域被破坏⾯割裂为离散体，这⼀状态称为离散性破坏。这种状态可能造成的危害是地表建筑的彻底毁坏并威胁到⽣命财产的安全。
（５）运动性破坏：出现了贯穿性和离散性破坏的地质体，有可能因为内部能量的释放和受⼒条件的变化⽽静⽌，也有可能发⽣长距离的运动，如⼭体滑坡的滑动、岩体的崩塌以及发⽣泥⽯流。运动性破坏描述的是研究区域内部分地质体破坏后在体⼒和外部荷载作⽤下达到了⼀定的运动速度的过程。此类破坏的影响来⾃于整体的滑移和崩塌，破坏是灾难性的，波及的范围超出了研究区域。
按照上述定义，地质体的破坏过程是定义在初始状态的基础之上的，初始状态地质体内部的破坏属于既有破坏阶段；当外加荷载变化、渗流场作⽤和内部材料特性变化的条件下，⾮既有破坏的区域进⼀步破坏的阶段属于局部再破坏阶段；当既有破坏和局部破坏的区域连接成为贯穿的破坏⾯时属于贯穿性破坏阶段；贯穿性破坏后的部分地质体开始运动，其内部的受⼒状态改变，破坏⾯增多，导致研究区域被多个破坏⾯切割达到离散性破坏阶段；处在离散状态或贯穿性破坏状态的⼭体开始运动，并达到⼀定的速度形成运动性破坏。
由此可以看出，滑坡稳定性的分析⽅法更多的是关注贯穿性破坏的条件，但这对于认识和掌握滑坡破坏的动态过程是远远不够的。
４常⽤边坡稳定性分析⽅法
４．１极限平衡法４．１．１极限平衡法应⽤与试验和离散元对⽐
⼒学研究所进⾏的堆积块体破坏试验，体现了极限平衡法适合解决的问题。同时也反映了它不能解决的问题。⽤极限平衡法和离散元法模拟试验，得到结果如表１所⽰。
表ｌ中试验破坏⾓度⼤的对应着下滑破坏，⾓度居中的对应着下滑与倾倒同时发⽣，⾓度⼩的对应着倾倒破坏，可见极限平衡法适于⽤于下滑破坏，⽽不适于⽤于倾倒破坏。对于相同的问题，⽤离散元法得到的结果与试验结果很接近。
Ｓ．Ｈ．Ｌｉ等【ｌ２Ｊ以武隆滑坡为模型，⽤不同的⽅法分析了开挖条件下的边坡临界⾼度（见图７）。极限平衡法分析结果是边坡在开挖⼩于５４ｍ的情况下是稳定的：⽽离散元分析结论是边坡开挖３０ｍ以上就是不稳定的，⽽且随着⾓度的增加临界开挖深度还要降低。
罢
型
磺
辍
