公路路基高边坡整体稳定性分析研究.doc

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1、公路路基高边坡稳定分析是公路路基高边坡设计的前提，公路高边坡稳定性 问题可分解为两个方面，一方面是某路段高边坡的整体稳定性问题，另一方面是 针对高边坡某一具体薄弱部位的局部稳定性问题。公路高边坡整体稳定性分析是 从整体上、宏观上把握某一路段内高边坡的稳定性状况，这种全局性的把握对高 边坡的设计、施工、维护和局部稳定性分析等有重要的意义。本文针对公路路基高边坡整体稳定性分析，从高边坡稳定性评价标准、公路 路基高边坡荷载、高边坡岩土体参数、极限平衡分析法和有限元强度折减法着手 进行综合分析和研究，得到了一些有益结论，具体内容如下： 本文分析了我国崩、滑、流等地质灾害的灾害情况和现状，着重分析了公

2、路工程中的边坡稳定问题，认为随着我国高等级公路的建设进展，公路路基高边 坡稳定性问题已经成为了当前高等级公路建设中的关键技术难题之一，公路高边 坡整体稳定性分析对公路高边坡的设计、施工和维护意义重大；本文对边坡稳定 性的传统计算方法，包括刚体极限平衡法、极限分析法、有限元圆弧搜索法等做 了较为系统的分析与总结，并着重介绍了有限元强度折减法的基本原理，通过与 传统计算方法的对比阐述了其优点。 本文对高边坡稳定性评价标准进行了研究，对公路路基高边坡稳定性评价 的工程地质综合评价标准和公路路基高边坡稳定性定量判断判据进行了分析研 究。 本文对公路路基高边坡上的主要作用荷载和岩土力学参数进行了分析和

3、研究，对公路路基高边坡荷载的确定方法、荷载组合、各种岩土力学参数的确定 方法进行了研究。 本文针对公路路基边坡整体稳定性分析，对圆弧法、单平面滑动面法、传 递系数法几种边坡整体稳定性极限平衡分析法进行了理论分析和算例计算演示。 本文对有限元强度折减法的研究现状进行了分析，并就用有限元强度折减 法进行节理岩质边坡稳定性分析进行了探讨，对用有限元强度折减法进行公路路 基高边坡整体稳定性分析用算例进行了分析演示。关键字：公路路基；高边坡；整体稳定性分析；稳定性评价标准；极限平衡分析 法；有限元强度折减法ABSTRACTStability analysis of high slope along hi

4、ghway subgrade is the prerequisite for the design of high slope of road subgrade，road high slope stability problem can be decomposed into two aspects，one is the whole stability problem of a section of highway high slope, the other is the local stability of the specific weak part of a targeted high s

5、lope. Highway high slope stability analysis as a whole is the understanding of the state of stability for a section of high slope wholly and from the overall perspective, which has important significance for the design construction% maintenance and local stability analysis of high slope.In this pape

6、r, the high slope stability analysis as a whole is researched, from the high slope stability evaluation criteria% the loads of the high slope of highway roadbeds the rock and soil parameters of high slopes limit equilibrium analysis and strength reduction finite element method to carry out a compreh

7、ensive analysis and research，and obtained some useful conclusions, as follows:(l) This paper analyzes the disaster situations and the status quo of Chinas collapse, landslide, debris flow and other geological disasters, focusing on analysis of the slope stability problems in highway projects, thinks

8、 that in the wake of Chinas progress in highway construction, highway roadbed stability of high slope has become one of the key technical problems in the current high-grade highway construction, the road high slope stability analysis of the overall high slope is of great significance on the highway

9、design construction and maintenance; In this paper, the traditional method for calculating slope stability, including the rigid body limit equilibrium method, limit analysis method, finite element arc search method is done and a more systematic analysis and summary is completed, introduces the basic

10、 principles of strength reduction finite element method specially, by comparison with the traditional method of calculation described its advantages. In this paper, the high slope stability evaluation criteria have been studied, the slope stability comprehensive evaluation criteria by roadbed engine

11、ering geological evaluation and the quantitative criteria of stability of roadbed high slope for highway were analyzed. In this paper，the main loads and rock-soil mechanics parameters for highway subgrade high slope was researched, the determination methods for high slope loads load combination rock

12、-soil mechanics parameters was also researched. This paper analysed the overall stability analysis of roadbed slope, the arc method, single-plane sliding surface method, transmission coefficient method of the limit equilibrium slope analysis method is discussed theoretically and examples demonstrate

13、s the calculation.() In this paper, the current research situation of the strength reduction finite element method are analyzed, and on the finite element strength reduction for jointed rock slope stability analysis was discxissed, on the finite element strength reduction to the overall high slope o

14、f highway roadbed stability analysis an example was carried out.KEY WORDS: highway subgrade; high slope; global stability analysis; evaluation criteria for stability; limit equilibrium method; strength reduction finite element method重庆交通大学学位论文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，独立进行研究工作所 取得的成果。除文中已经注明引用

15、的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发 表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确 方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。重庆交通大学学位论文版权使用授权书学位论文作者签名 日期年斗月夕日曰期:/萍月彡日本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向 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。本人授权重 庆交通大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本人 学位论文收录到中国学位论文全文数

16、据库，并进行信息服务（包括但不限于汇编、 复制、发行、信息网络传播等），同时本人保留在其他媒体发表论文的权利。学位论文作者名 日期年指导教师签名： 日期：阵f本人同意将本学位论文提交至中国学术期刊（光盘版）电子杂志社CNKI系列数据 库中全文发布，并按中国优秀博硕士学位论文全文数据库出版章程规定享受相关权第一章绪论3第一章绪论1.1引言我国是一个多山、多沟谷的国家，公路翻山越岭，复杂多变的地形、地貌决 定了我国交通基础设施建设，尤其是大量开展高速公路建设的过程中必将面临大 量的边（滑）坡工程，滑坡与边坡事故日益增多，给人民的生命财产造成巨大的 损失。因此边坡稳定性分析就显得尤为重要。以川藏公路

17、为例，崩塌、滑坡、泥石流灾害是川藏公路最为严重的地质灾害 类型，其以分布广、灾发性和破坏性强，具有隐蔽性及容易链状成灾为特点，每 年都造成巨大的经济损失和人员伤亡。如西藏林芝拉月大塌方，自上世纪50年代 起因山体崩塌数量巨大、伤亡惨重、危害交通时间长而著名。1963年秋一辆载客 车路过此段遇上塌方，车上14人全部罹难；1967年由一支20余人的科考队对拉月 大塌方进行专题考察时遇上特大崩塌。特大崩塌造成在执行科考任务的9名科考队 员及路过崩塌区运输部队的10位同志壮烈牺牲。拉月大塌方地段直至70年代后期 塌方才逐渐缓解，公路基本稳定。1991年发生的102滑坡影响公路长达550米，一 到雨季，

18、滑坡表面坡面泥石流、小崩塌、滚石频频发生，经常阻车断道，甚至造 成车毁人亡重大交通事故。1992年川藏公路K4080+880K4080+895路段边坡坍 滑导致交通中断达半年之久。2000年西藏易贡发生巨型滑坡形成滑坡堰塞湖，库 容15亿方、坝高290米、湖水每天上涨50厘米。边坡稳定问题是公路工程、铁路工程、水运工程等基础设施建设中经常遇到 的问题。以公路工程为例，随着我国经济建设的发展和西部大开发战略的实施，山区高速公路大量修建，路线等级高，路面宽，开挖量大，出现了大量高边坡， 也发生了众多高边坡变形和破坏，既增加了投资，又延误了工期，甚至造成已有 工程破坏。有资料表明：如京珠高速公路广东

19、北段高度大于30米的边坡有近300处， 治理滑坡和高边坡加固花费近8亿元。又如云南省元磨高速公路，在总长147公里 范围内，高度超过30米以上的边坡就有349处，坡高大于50米的边坡有170多处，其 中开挖后有164处出现坍塌，约占50%,由于大量的边坡工程使得该公路的投资概 算控制不住，开始的时候由于不明确是否应该花钱治理而舍不得花钱，到后来不 得不花更多的钱进行治理，致使一些区段的投资高达7000万元/公里，治理滑坡和 边坡加固花费达5亿多元。重庆市万州至梁平高速公路有20余公里设在砂泥岩顺层 地段，几乎所有的高边坡开挖后都发生了变形，加固边坡费用近2亿元1。图1.1川藏公路K4378+1

20、50处山体崩塌图1.2川藏公路“102”滑坡治理工程图1.3公路路基边坡灾害实例点多、面广、频发的地质灾害及大量灾害治理资金的投入，使得边（滑坡 稳定性问题成为我国交通等基础设施建设中的热点与难点问题，另外，边坡稳定 分析也是边坡设计的前提，它决定着边坡是否失稳以及边坡失稳时存在多大推力， 以便为支挡结构的设计提供科学依据。所以幵展边坡稳定性问题研究具有重要的 理论和现实意义。边坡工程研究的目的在于通过对边坡稳定性的分析和评价，为实际工程提供 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，避免滑坡出现造成 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就成为 边坡工程

21、研究的核心。为了达到减少和治理边（滑坡地质灾害的目的，进行边 坡稳定性分析是必须进行的工作。多年来，许多学者致力于这方面的研究工作， 取得了许多可喜的成绩，但仍存在不少问题亟待解决。尤其以高边坡失稳破坏的 机理最为复杂、多变，随着高等级公路的快速建设，在公路施工过程中，不可避 免地会出现大景的高填方和深挖方路段，加之复杂的地形、山高谷深，公路沿线 的髙边坡及高切坡极易发生灾难性的边坡灾害事故，于是公路路基高边坡稳定性 问题成为了当前高等级公路建设中的关键技术难题之一。1.2边坡稳定分析方法研究综述边坡稳定性分析是经典土力学最早试图解决而至今仍未圆满解决的课题2_3。 关于边坡稳定性的分析方法有

22、多种，但总体而言，常用的边坡稳定分析的理论与 方法主要有三种：一是极限平衡理论，它根据滑塌体沿假想滑动面滑动的极限平 衡条件进行分析，能够把影响边坡稳定的主要因素考虑进去；二是室内模型试验, 在野外勘査、地质调査的基础上，建立滑动体的地质物理模型进行室内模型试 验，结合试验结果进行边坡稳定性分析；三是数值模拟方法，对边坡滑动体进行 应力一应变（变形）分析，通过有限元、边界元等数值计算方法对边坡进行较为 严格的应力、应变和位移分析。三种方法各有优缺点，目前较为常见的是极限平 衡法、极限分析法和有限单元法。极限平衡法采用条分的基本思想，假定边坡处 于极限平衡状态来搜索最危险的潜在滑动面并计算相应的

23、最小安全系数。极限分 析法在计算中考虑了土体的应力一应变关系，物理概念清晰，计算简单，如果是 均质边坡不必经过很多滑动面的试算，就可以通过公式、图表直接计算出土坡的 安全系数。而有限单元法则是近年来随着计算机科学的迅速发展和岩土力学基本 理论的不断提高而发展起来的一种新方法，它不仅可以计算出边坡内的应力与变 形情况，同时通过采用一定的技术还可以分析边坡的稳定性，并在边坡稳定性分 析的应用中显示出其优越性。有限单元法主要分为有限元圆弧搜索法和有限元强 度折减法，有限元圆弧搜索法是一种半解析方法，它一方面利用了有限元的计算 结果(目前主要是应力)，另一方面需要假定滑动面的位置，结合极限平衡理论，对

24、 边坡稳定性进行评价；而有限元强度折减法直接通过强度折减得到边坡的安全系 数和滑动面，该法还便于应用大型有限元软件(比如ansys等)，是一种很有应用前景 的边坡稳定性分析方法。1.2.1极限平衡法极限平衡法(LEM: limit equilibrium method)是建立在莫尔一库仑强度准则的基 础上的，其特点是:只考虑静力平衡条件和土的莫尔一库仑破坏准则。对于土坡稳 定性分析，大多数是静不定问题，极限平衡条分法通过引入一些简化假定来使问 题变得静定可解。其计算过程一般先假定土坡破坏是土体沿某一确定的滑裂面滑 动，再根据滑裂土体的静力平衡条件和莫尔一库仑破坏准则计算沿该滑裂面滑动 的可能性

25、，即安全系数的大小，或是破坏概率的高低，然后系统地选取多个可能 的滑动面，用同样的办法计算稳定安全系数或是破坏概率。最后安全系数最小或 者是破坏概率最高的滑动面就是最可能的滑动面。极限平衡法采用条分法进行，条分法能够适应复杂的坡体几何形状、各种土 质以及孔隙水压力等条件，最为常用。在过去的几十年里，曾经提出过许多种极 限平衡条分法，从不考虑或部分考虑条块间的作用力，不能满足力的平衡条件的 Fellenius法(1936)4以及简化Bishop法5等简单的条分法，发展到考虑条间力作用并 能满足全部平衡条件的Janbu法(1954, 1973)6_7, Spencer法(1967)8和 Morge

26、nstem-Price法(1965)9等严格条分法。这些方法具有相同的基本思路，均假 定土体沿着一定的滑动面作刚性滑动，然后把滑动土体竖向分成有限宽度的若干 土条，把土条当作刚性体，根据静力平衡条件和极限平衡条件求得滑动面上的力 的分布，从而计算出稳定安全系数。它们之间的区别在于条块间作用力假设与所第一章绪论9需满足的平衡条件，具体比较示于表1.1415。在此基础上，Espinoza(1994)给出土 坡稳定极限平衡条分法的统一理论框架及计算公式16，Duncan(1996)对土坡稳定 极限平衡法进行了深入而全面的探讨17，郑颖人等(2001)对土坡稳定性的发展做了 较全面系统的概括和总结18

27、，并给出了单阶斜坡和多阶斜坡安全系数计算公式。 杨明成与郑颖人等人(2002)根据极限平衡原理和Mohr-Coulomb破坏准则，应用最 优控制理论思想，并充分考虑运动许可条件，建立了能同时确定土坡临界滑动面 和最小安全系数的局部最小安全系数法19。朱禄娟等P2)2W开展了二维土坡稳 定性分析方法的各种统一计算公式的研究。陈祖煜(2003)2全面阐述了当前广泛采 用的土坡稳定性分析方法的基本原理，并给出相应的计算程序及大量的应用实例， 从而丰富了土坡稳定分析的理论与实践。Timothy和Hisham(1998)21，Chen等 (2001)22等将二维Spencer法推广到三维情形，同时满足了

28、整体力平衡条件与力矩 平衡条件，取得了较好的效果。表1.1各种极限平衡方法的比较 Tab. 1.1 Compare of various Limit Equilibrium Method极限平衡条分法多余变量的假定严格/非严格作者及时间瑞典条方法假定条块间无任何 作用力非严格Fellenius(1936)简化Bishop法假定条块间只有水 平力非严格Bishop(1955)简化Janbu法假定条块间只有水 平力非严格Janbu(1954)传递系数法假定条间力方向非严格潘家铮(1980)分块极限平衡法条块间满足极限平 衡非严格潘家铮(1980)不平衡推力法假定了条间力方向非严格建筑地基基础设计规

29、范 (1989)Sarma法条块间满足极限平 衡非严格Sarma(1973,1979)严格Janbu法假定条间力作用位 置假定条块间水平与严格Janbu(1973)Spencer法垂直作用力之比为严格Spencer(1967)常数Morgenstemprice严格Morgenstem-price (1965)法Leshchinsky&Huang假定条底法向力的严格Leshchinsky&Huang (1992)法分布、大小极限平衡法的难点在于潜在最危险滑动面的搜索及土坡稳定安全系数的确 定。朱大勇(1997)23认为土坡临界滑动面不是孤立的，而是共生于一簇危险滑动面 中，因此引入临界滑动场概念

30、，通过数值方法求解临界滑动场，进而获得临界滑 动面及其对应的最小安全系数。该方法能将所有可能的危险滑动范围同时显现， 且由临界滑动场能快速确定出土坡临界滑动面。尽管极限平衡法己经很完善，但是在处理复杂边坡的稳定问题时，极限平衡 法仍存在如下问题： 条分法视土体为理想刚塑性状态，而实际上土体是变形体，用分析刚性体 的方法不能满足变形协调条件，因而计算出滑动面上的应力状态不真实。 条分法所求得安全系数只是所假定的滑裂面上平均的安全系数，并认为沿 滑动面上各点土体具有相同的剪应力水平，抗剪强度的发挥程度是相同的。这显 然与实际不符。 条分法不进行应力一应变分析，其滑动面上的正应力和剪应力一般由条块

31、的自重决定，这不符合边坡工程的实际应力状态。由于假定每一土条的下滑力平 行于该土条底面(即滑面)，这样由条块自重决定的剪应力在坡脚处最小。事实上， 坡脚处剪应力最大，这已被试验和应力一应变分析所证实。所以边坡形成以后，坡脚处出现最大的剪应力集中，破坏首先从这里开始，然后向上发展。因此认为 边坡失稳与土体应力分布状态无关是不符合实际的。 条分法无法分析边坡破坏的发生与发展过程（边坡的渐进破坏过程），更 无法考虑局部变形对边坡稳定的影响。 条分法假定若干个滑动面，通过比较各个滑动面的安全系数求出最小的安 全系数，同时确定相应的滑动面为最危险滑动面。但实际工程中的计算，往往只 是假定几个滑动面，这样

32、往往容易漏掉真正最危险的滑动面。1.2.2极限分析法一般地，结构极限承载能力或稳定分析的方法通常有两种&25: 类是弹塑 性分析法，即根据应力一应变关系、具体问题的初始条件与边界条件、荷载历史 逐步求解承载力问题；另一类是塑性极限分析方法，即忽略中间的弹塑性过程， 直接研究极限状态。塑性力学中的极限分析法(LAM: limit analysis method)很早就 用于结构稳定性分析，运用塑性力学中的上、下限定理求解土坡稳定问题。华裔 学者陈惠发教授26系统地将其应用于土体稳定性研究，丰富了岩土塑性力学的内 容，使极限分析法成为独立的土体稳定性分析方法。土力学极限分析法是建立在 材料为理想刚

33、塑性体、微小变形及材料遵守相关联流动法则3个基本假定上。利用 连续介质中的虚功原理可证明两个极限分析定理即下限定理与上限定理。上限法 也称能量法，其理论基础是上限定理。应用上限法通常需要假设一个滑裂面，并 将土体构成若干块，土体视作刚塑性体，然后构筑一个协调位移场。为此需要假 设滑裂面为对数螺线或直线，然后根据虚功原理求解滑体处于极限状态时的极限 荷载或稳定安全系数。极限分析下限法的理论基础是下限定理，它在计算过程中 需要构造一个合适的静力许可的应力分布，在通常情况下可用应力柱法或者应力 不连续法等来求得问题的下限解，其解偏于安全，可以实用。下限定理的应用是 有限的，因为很难找到合适的静力许可

34、的应力分布，只有极少数情况下可用应力 柱方法构造这种平衡静力场，获取下限解。极限分析法中最常用的是上限定理， 因此，极限分析法在多数情况下实际上是上限法。这一求解方法最大的好处是回避了在工程中最不易弄清的本构关系，而同样 获得了理论上十分严格的计算结果。极限平衡法是完全建立在静力平衡(力平衡、 力矩平衡或它们同时平衡)基础上的，对于多块体滑动机构，需引入内力假设使之 变为静定结构。极限平衡法对滑动面形状几乎不作限制，但滑动面上必须满足 Mohr-Coulomb准则，而对滑体内介质是否满足Mohr-Coulomb准则是无法一一进行 检验的，因此，极限平衡解既不是上限解，也不是下限解。与极限平衡方

35、法相比, 极限分析法具有以下显著优点：(1) 具有较为严密的理论基础，在分析过程中严格地遵循塑性力学极限分析来 寻找岩土稳定性指标；P)对破坏面及其上的应力分布不做事先的假设；(3) 无论所研究结构的几何形状和荷载情况多么复杂，总能求出一个能实用的 稳定性指标；(4) 应用起来其解题手续比较简便；(5) 继承了传统极限平衡法的特点，能给出一个简单而实用的稳定性指标(如安 全系数、临界滑裂面、临界荷载等(6) 能为使用者提供个清晰的破坏模式，更适于处理存在可能滑动土坡的稳 定性分析。极限分析法是建立在极哏定理基础上的，原则上可以给出问题的上下限解， 但上下限距离往往过大又变得无实际意义目前极限分

36、析法虽然克服了极限平衡法的一些不足，能够在一定程度上考虑 土体的应力一应变本构关系，但是也只能给出假定滑移面上的应力场及速度场， 且同样不能考虑边坡的坡体变形及其变形对边坡稳定性的影响。而实践经验证明, 稳定和变形有着相当密切的关系，一个边坡在发生整体破坏之前，往往伴随着较 大的垂直沉降和侧向位移变形。1.2.3有限元圆弧搜索法有限元圆弧搜索法是极限平衡法与有限元法的耦合172M8。它的分析以有限 元应力分析为基础，搜索最危险滑动面，得到边坡的安全系数。采用该方法求解 边坡稳定性安全系数时，首先要对边坡进行有限元分析，进而得到边坡上每个节 点的应力张量。此时土体的本构模型也不再拘泥于理想塑性状

37、态，而是可以采用 非线性弹性模型或者弹塑性模型等，得到边坡应力后分析还包括定义安全系数和 确定最危险滑动面以及最小安全系数。由此可见，极限平衡条分法和有限元圆弧搜索法既有不同之处，也有相同之 处。不同之处在于：前者是通过假设静不定问题为静定问题，建立静力平衡方程 来求解，后者是通过对假设滑动面上有限元计算出的应力结果进行积分来求解安 全系数。相同之处就是：两者都需要假定边坡的潜在滑动面，通过假定多个不同 滑动面来寻求最危险滑动面及最小安全系数。综上所述，有限元圆弧搜索法的一般计算过程可以这样描述：首先在边坡中 假设一个潜在的滑动面，然后把边坡当作变形体，按照土的变形特性，应用有限 元法计算出边

38、坡内的应力分布，再通过搜索潜在滑裂面，验算滑动坡体的整体抗 滑稳定性，按沿整个滑裂面的抗剪强度与实际产生的剪应力之比得到滑裂面安全 系数，应用圆弧搜索法或者数学规划方法按照安全系数最小的原则确定最危险滑 裂面和边坡安全系数。基于有限元法计算边坡稳定性使用了与极限平衡法相同的 计算步骤，能够获得与极限平衡法接近的最小安全系数和临界滑裂面。在多组不 同的假定的滑裂面中，最小的安全系数对应着最危险的滑裂面。这一寻求最小安 全系数与最危险滑裂面的过程一般通过试算来实现，但不适当的试算方法可能无 法寻找出边坡真正的最危险滑动面，鉴于此便出现了多种不同的搜寻最危险滑动 面的方法，比如网格搜索法、二分法、数

39、学规划法等。显然，搜寻最危险滑动面 的方法实质上取决于所假定滑动面的方法，这些假定方法需要保证能从所假定的 多个滑动面中找出边坡真正的最危险滑动面。例如假定滑动面为圆弧，那么搜寻 最危险滑动面时就可以通过不断改变圆弧的圆心位置及半径大小来寻找。有限元圆弧搜索法引入了有限元分析，在土体本构模型的选取上更加合理，弥补了极限平衡法只能假定土体为刚塑性体的不足，但是它仍然没有摆脱极限平 衡法中事先假定滑动面的不足，依然是一种介于极限平衡法和有限元法中间的过 渡方法。1.2.4有限元强度折减法现在有限元强度折减法的定义虽然有很多种表述方法，但是其基本原理基本 上是一致的。Duncan(1996)指出边坡

40、的安全系数F,可以定义为使边坡刚好达到临 界破坏状态时，对土体材料的抗剪强度进行折减的程度17，即定义边坡安全系数 是土体的实际的抗剪强度与临界破坏时折减后的剪切强度的比值，具有强度储备 系数的物理意义。cc=c/Fs,(pc=arctan(tan沴(1.D基于强度储备概念的安全系数尽可定义为：当土体材料的抗剪强度参数c和卢 分别用其临界强度参数4和九所代替后，结构处于临界破坏状态，其中： c! R,f =arctan(-tanR(1.2)在用有限元强度折减法求解上式所示的安全系数厂5时，通常需要求解一系列 的具有下列强度参数的题目：式中c和0是土体的抗剪强度参数，及是抗剪强度的折减系数。强度

41、折减技术的要点就是假定外荷载不变，利用式(1.2)来折减土体的强度指标 c和0，然后对边坡进行有限元分析，通过不断地增加折减系数反复进行应力 应变分析，直到边坡达到破坏，此时的折减系数就是安全系数Fs。赵尚毅、郑颖人等29通过毕肖普法和强度折减法的安全系数定义，认为两者 安全系数具有相同的物理意义，强度折减法在本质上与传统方法是一致的。采用 强度折减法分析边坡稳定时，通常将c和0值同时除以折减系数进行折减，即采用 等比例强度折减的方法。然而有试验研究表明，0值较稳定，波动较小，而c值受 外界因素影响较大，不够稳定，波动较大，因此把c和0值同等看待按等比例强度 折减，显然是不够合理，也不符合实际

42、，而采用不等比例强度折减时，不等比例 值如何选取又是一个值得研究的课题。陆述远等、常晓林等3_31在重力坝坝基稳 定分析中采用等保证率法，即按等保证率选取C、0值，随着保证率的增大，c、卢 值逐渐降低，得到两个不同的折减系数和&值，随着和值逐渐增大，引 起规体的从局部到整体的渐进破坏，但不等比例强度折减方法分析边坡稳定仍然 存在诸如c、0值按何种不同比例折减、如何根据两个折减系数（和值来评价边坡的稳定性等一系列的问题，国内的唐芬、郑颖人等3M6对边坡渐进破坏的双 安全系数（双折减系数）进行了讨论、公式推导和机理分析，但这些问题的讨论 还未形成共识，有待进一步研究。鉴于此本文采用强度折减法时仍选

43、取了较为常 用的等比例折减。采用有限元强度折减法无需事先假定滑动面的形状和位置，只需通过不断降 低岩土体的强度参数，从而使边坡岩土体因抗剪强度不能抵抗剪切应力而发生破 坏，并得到最危险滑动面及相应的安全系数。基于以上优点，近年来随着计算机 技术的飞速发展，有限元强度折减法得到了学术界和工程界的普遍关注。但是现 在的问题是要运用好它还需要解决以下几个问题：首先，就是对所研究对象选取一个合适的本构模型及屈服准则。土体的性质 比较复杂，屈服准则也有多种，如何选取或建立一个既准确又较为适用的土体本 构模型和屈服准则显得非常重要。其次，是边坡强度参数、变形参数、几何参数的选取与处理，即提取可靠的 边坡控

44、制性参数和选择合理的折减对象。众所周知，对于任何数值分析来说，原 始参数选取的准确与否直接关系到所得结果的可靠性。一旦原始数据错误或者误 差较大，即便方法正确也是徒劳（即，如果参数不准，数值计算再先进，也是垃 圾进去，垃圾出来）。因此在进行有限元强度折减分析之前，需要先对土体的各 种参数进行分析、筛选。最后，也是最重要的一点就是边坡土体失稳判定标准的选取问题，也是目前 岩土工程界争论比较大的一个问题。由于边坡临界折减系数的大小的确定一定程 度上依赖与边坡失稳判定标准的尺度，故这个问题就显得尤为重要，它直接关系 到边坡安全系数的大小。总之，只有有效的解决好以上几个问题，有限元强度折减法的优势才能

45、显现 出来。1.3公路路基高边坡整体稳定性分析在我国公路行业，一般认为岩质边坡高于30m、土质边坡高于20m即为高边 坡1。公路高边坡稳定性问题可分解为两个方面，一方面是某路段高边坡的整体稳 定性问题，另一方面是针对高边坡某一具体薄弱部位的局部稳定性问题。公路高 边坡整体稳定性分析是从整体上、宏观上把握某一路段内高边坡的稳定性状况， 这种全局性的把握对高边坡的设计、施工、维护和局部稳定性分析等有重要的意 义。一般来说，公路高边坡整体稳定性分析包括高边坡稳定性评价和高边坡稳定#第二章高边坡稳定性评价标准性计算两方面内容，二者相辅相成。1.4本文主要研究工作本文针对公路路基高边坡整体稳定性分析这一

46、主题，主要做了如下几个方面 的研究工作： 本文分析了我国崩、滑、流等地质灾害的灾害情况和现状，着重分析了公 路工程中的边坡稳定问题，认为随着我国高等级公路的建设进展，公路路基高边 坡稳定性问题已经成为了当前高等级公路建设中的关键技术难题之一，公路高边 坡整体稳定性分析对公路高边坡的设计、施工和维护意义重大；本文对边坡稳定 性的传统计算方法，包括刚体极限平衡法、极限分析法、有限元圆弧搜索法等做 了较为系统的分析与总结，并着重介绍了有限元强度折减法的基本原理，通过与 传统计算方法的对比阐述了其优点。 本文对高边坡稳定性评价标准进行了研究，对公路路基高边坡稳定性评价 的工程地质综合评价标准和公路路基

47、高边坡稳定性定量判断判据进行了分析研 究，这是本文所研究的问题之一，将在第二章做详细阐述。 本文对公路路基高边坡上的主要作用荷载和岩土力学参数进行了分析和研 究，对公路路基高边坡荷载的确定方法、荷载组合、各种岩土力学参数的确定方 法进行了研究，本文将在第三章对此作详细说明。 本文针对公路路基边坡整体稳定性分析，对圆弧法、单平面滑动面法、传 递系数法几种边坡整体稳定性极限平衡分析法进行了理论分析和算例计算演示。 本文对有限元强度折减法的研究现状进行了分析，并就用有限元强度折减 法进行节理岩质边坡稳定性分析进行了探讨，对用有限元强度折减法进行公路路 基高边坡整体稳定性分析用算例进行了分析演示。 第

48、二章高边坡稳定性评价标准高边坡稳定性评价是公路髙边坡地质安全的战略性问题之一，它为局部稳定性 分析指明方向。局部稳定性分析针对“点”，那么高边坡稳定性评价就是对“面” 的评价，这种评价应先从定性上把握，再从定量来分析。在多因素非线性的耦合 作用下，高边坡的稳定性具有动态性和不确定性的特点，应将高边坡看作一个复 杂的系统，采用定性与定量相结合的方法，提高高边坡稳定性评价的精度和准确 性。工程地质综合分析方法和力学平衡计算法是常用的两种高边坡稳定性评价方 法，前者以工程地质分析对比法等定性方法为主，力学平衡计算法以极限平衡分 析法、有限元强度折减法等定量方法为主。定性分析可为力学、有限元等定量计 算提供计算范围（边界条件）和参数等；反过来，定量计算可验证定性分析结论 的正确性，并得出稳定性系数和结构设计所需的岩土推力等。由于高边坡稳定性受控于边坡所在岩土体的基本性质地层岩性、地质构 造、岩体结构、坡体结构及水文地质条件等，以及人为改造的程度开挖高度、 坡形