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第 28 卷 增 2 岩石力学与工程学报 Vol.28 Supp.2 2009 年 9 月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering Sept.，2009 收稿日期收稿日期2008–05–19；修回日期修回日期2008–08–25 基金项目基金项目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KJCX2–SW–LI；国家自然科学基金资助项目10472121， 10602057 作者简介作者简介李世海1958–，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。E-mailshli 论滑坡稳定性分析方法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山体渐进破坏的过程；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，是正确判断山体当前状态、分析滑坡稳定性的有效途径。 关键词关键词边坡工程；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 中图分类号中图分类号P 642.22 文献标识码文献标识码A 文章编号文章编号1000–69152009增 2–3309–16 ANALYSIS FOR LANDSLIDE STABILITY LI Shihai，LIU Tianping，LIU Xiaoyu Institute of Mechanics，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100190，China AbstractLandslide stability is analyzed systematically based on progressive and dynamic failure of geological media. It is very complex to study the landslide according to specific phenomena and model tests. According to the damage degree of the mountains，the failure can be divided into several types，including intrinsic failure，partial re-failure, run-through failure， discrete failure and motive failure. The transition of the failure type is the process of the gradual failure of the mountains. The limitations of the limit equilibrium ，the finite element and the discrete element in analyzing the slope stability are analyzed comprehensively. The characteristics of the continuum-based discrete element are introduced in detail. Landslide surface cracks should be considered as a basic parameter for analyzing landslide stability. The importance of study on motive failure is then described. It is specially emphasized that the engineering problems cannot be solved only leaning on the numerical simulation，and as a result，the effective approach to estimate the condition of mountains and to analyze the landslide stability should combine calculation models and monitoring results together. Key wordsslope engineering；failure type；landslide stability；limit equilibrium LEM；finite element ；discrete element DEM；surface cracks；monitoring results 1 引引 言言 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。 我国研究地质灾害的基本技术路线是首先进行 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[1]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[4]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. Jing[5]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[10]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。 本文首先列举了具有代表性的山体破坏的现象 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 1 重庆云阳裂口山 Fig.1 Yunyang clink mountain in Chongqing 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 2.5 m，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。 时间/年 图 2 湖北清江茅坪滑坡的地表位移曲线 Fig.2 Surface displacement-time curves of Maoping slope along Qing River，Hubei 位移/mm EJ8 监测点 EJ9 监测点 EJ10 监测点 EJ11 监测点 EJ12 监测点 EJ13 监测点 EJ14 监测点 EJ15 监测点 第 28 卷 增 2 李世海， 等. 论滑坡稳定性分析方法 3311 图 3 湖北清江茅坪滑坡的地表位移监测 Fig.3 Surface displacement monitoring of Maoping slope along Qing River，Hubei 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 Fig.4 Shaiwangba Landslide in Wanzhou country of Chongqing 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。 2.2 试验表明滑坡体复杂的破坏现象试验表明滑坡体复杂的破坏现象 散体破坏试验[11]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 5a所示 堆积体干燥，上部材料离散下滑；图 5b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 /cgh不同造成的。干燥散体材料对应的 /cgh较小，而潮湿的散体材料对应的 /cgh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 Fig.5 Failure s of accumulation body test 连续介质的离散元法计算也可以得出 /cgh的值， 它是地质体破坏块度大小的重要指标， /cgh值 越小，下滑坡体的块度也越小，反之下滑坡体的块 度越大。 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 cm10 cm10 cm，10 cm10 cm10 cm，5 cm5 cm5 cm 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 白崖 水田 竖井 黄沟 水田 婆娑溪沟 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 Fig.6 Arrangement modes of test rocks 大块结构面不连通排列如图 6a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 6b所示，其试验结 果为破坏角度为 11 ，属于倾倒破坏。 混合大、小块结构面不连通排列如图 6c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 1 给出了不同的结构条件下的临界破坏角 度。 表 1 试验临界破坏角和数值模拟临界破坏角对照表 Table 1 Comparison of critical failure angles between experiment and simulation 临界破坏角/ 试验类型 试验结果 离散元法 极限平衡法 大块贯通 22.1～24.2 23.0 26 中块贯通 9.8～11.6 10.0 26 大块不贯通 25.0～26.3 25.5 26 中块不贯通 23.0～24.9 23.5 26 混合块 19.5～21.8 21.0 26 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[13]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 和今天的状态都是未知的，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 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常用边坡稳定性分析方法 4.1 极限平衡法极限平衡法 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 1 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[12]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 54 m 的情况 下是稳定的；而离散元分析结论是边坡开挖 30 m 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。 滑坡角度/ 图 7 DEM 和 LEM 分析不同角度开挖的边坡临界高度 Fig.7 Critical excavation depths of slope with different natural angles analyzed by DEM and LEM 极限平衡法分析结果与模型试验及离散元计算 结果之间的差别反映在实际工程中可能会导致设计 方法和设计思路的变化。 4.1.2 极限平衡法的基本假设和力学模型分析 为确定影响极限平衡法适用范围的关键因素， 需要对该方法的基本假设和力学模型进行深入地剖 析。 极限平衡法有如下几个基本假设1 不考虑 地质体的变形，认为材料是刚性的；2 采用条分 法，将地质体的结构从形式上简化为条状结构；3 假设地质体滑移面是预先规定形状的面，通过搜索 最小安全系数的面来确定滑移面的位置；4 安全 系数是在滑移面上的抗滑力矩之和与地质体体力产 临界开挖深度/m LEM DEM cf 0.2 MPa， 30 ， 65 拟合曲线 拟合曲线 3314 岩石力学与工程学报 2009年 生的滑动力矩之和的比值。上述的 4 个假设相互制 约，构成了简单易行的极限平衡方法。方法的局限 性正是由基本的假设造成，因此需要综合分析不同 假设的内涵及其相互之间的内在联系。 1 刚性体假设对安全系数的影响不会太大。 在关于极限平衡法和有限元的讨论过程中，专家们 认为有限元的一个特点是考虑了材料可变形，但 是，2 种方法在很多问题上得到的结果差别又不大， 分析其中的原因对于理解各种方法的适用范围非常 重要。 刚性体和条状结构的假设会导致应力场的重 新分布，也会导致滑面上各点的应力有所区别。但 是，因为安全系数是定义在整个滑面上的，应力在 整个确定破坏面上的切向力之和基本上只与滑面以 上几何体的形状有关。如果有限元的计算只是得到 了一个破坏面，而这个破坏面以上的弹性体的内力 即重力的作用不改变，对破坏面上的应力的分布影 响不大，那么 2 种算法得到的结果就不会有太大的 差别。有大量的工作将有限元和极限平衡方法相互 验证，并且得到了吻合的结果，可见问题的关键并 不是刚性假设而在于其他假设的影响。 2 极限平衡法中划分的条块只能平动。刚性 块体与整体滑动的假设要求每一个条块都必须要沿 着滑面滑动，因为滑面以上的部分，都是由一系列 的刚性条块组成的，如果是垂直条分法，那么每一 个条块的水平运动“位移”都是相等的，而在垂直 方向受到垂直面的限制每个条块各点的位移也是相 同的，因此，无论滑面、条块的形状怎样变化，条 块都不会发生转动，这一苛刻的限制显然与实际问 题有很大的差距。 3 极限平衡法中的强度参数。滑动假设限定 了破坏形式是剪切破坏，且在整个滑动面均为剪切 破坏面，通常采用 Mohr-Coulomb 准则，并且将黏 聚力 c 引入抗滑力的计算。具体计算时需要确定 c 的取值，这就需要充分理解 c 在计算方法中所代表 的物理意义。 在假设的圆弧中如果包含了既有破坏面，这时 c 是结构面的 j c值；如果滑面穿过岩块 c 值就应该 是岩块的强度 r c。需要说明的是山体中包含土体 和岩块是客观的，而圆弧是主观确定的。计算时人 们并不知道假设的滑面上是否有大的块石，也不知 道是否需要引入岩块的强度。由滑面假设计算得到 的强度与客观条件之间就会出现差别，这也正是长 期以来采用刚体极限平衡法在计算参数方面争论不 休的关键。事实上， r c和 j c有 1～2 个量级上的差 别。对于堆积层滑坡土体遇水软化的强度和原有的 强度相比也有量级的差别，这就给具体计算中强度 参数的选取带来很大的难度，因为，整个滑面上的 强度参数是一个平均值，并且还与穿过岩块和结构 面的面积权重有关，可以用公式表示为 rr rr rrjj 11 rjrj rrjj 11 rjrj NNN iiii ii NNN iiii ii S cS c c N SSN SS S fS f f N SSN SS                    1 式中 ri c， ji c和 ri f， ji f分别为第i条岩块、结构 面的黏聚力和摩擦因数； ri S， ji S分别为某一条岩 块和结构面的被切割的面积；N， r N分别为总条数 和岩块的条数。因此，如果计算者不知道选取的滑 面穿过的岩块和结构面的比 rj /SS或者软化土体与 原土体的面积比， 就不可能给出准确地平均意义上 的强度参数。在这种情况下，通过钻孔得到的剪切 强度值在计算中的实际意义已经不存在了，钻孔得 到的c值可能有 2 个量级的差别，而计算所应采用 的值可能是c值中最大和最小中的任何一个值，如 此大的差别对安全系数的影响自然很大。由实测参 数得到的强度参数平均值为 11 NN ii ii cf cf NN    ， 2 即使在滑面穿过岩石的面积与穿过节理的面积 相等的情况下，计算与实际的情况也可能差别很大， 自然也会与工程经验有较大差别。由此就不难理解， 专家们在确定一个滑坡是否稳定时，总是讨论强度 参数的选取问题，其结果也只能是不得不抛开由试 验测量得到的强度参数，凭经验给出计算用的参数。 4 关于安全系数的讨论。在极限平衡法的计 算中，只要是给定一组平均意义上的强度参数，总 可以得到一个安全系数。反过来，对于特定的滑坡 体也可以求出对应安全系数为1时的一组平均强度 参数 11 cf，给定不同的摩擦因数，求出黏聚力。在 工程中，对应着已经滑动的滑坡，也可以推算出最 大的强度参数值是 11 cf， 。 在这里作者特别强调， 只 有已经滑动的山体，才可能反分析出摩擦角，而这 第 28 卷 增 2 李世海， 等. 论滑坡稳定性分析方法 3315 时的黏聚力c值为0。然而，工程上要求，在边坡 没有出现滑动的情况下确定安全系数，并且想知道 安全系数不为1的值，这事实上是非常困难的。事 实上，对于不滑的边坡只能推算安全系数是大于1 的，或者说只能推算出强度参数是大于 1 c， 1 f，而 具体大多少并不能知道，这是由于安全系数取决于 当前的强度参数，而当前的强度参数来自于式1的 计算，其可能的变化范围非常大，由此可见，由安 全系数确定稳定性在实际操作过程中会遇到困难。 至于能否从参数分析的角度确定强度的大小，可以 用在斜面上放置一个滑块的简单例子给予说明，滑 块只有被推动或者滑动之后，才可以知道它的摩擦 力是多大，如果施加外力小于临界的推动力或者下 滑力小于摩擦力，无论力的取值怎么变化，块体在 宏观上都是不动的，用静力平衡的方法显然不能分 析出强度参数的大小，不能确定强度参数也就不能 给出可靠的安全系数。 总之，极限平衡法的局限性并不是由于该方法 在基本假设下的计算结果的差别，而在于其基本假 设与实际情况不符。分析方法采用的强度参数与实 测的岩土参数具有不同的含义是导致工程实践中参 数选取具有“随意”性的主要原因。材料的强度参 数不能确定，其安全系数的可靠性也就值得怀疑。 当然，其他分析方法的强度参数选取与极限平衡法 有类似的问题。 4.2 有限元法有限元法 4.2.1 有限元法静态计算的特点 有限元法可以分为静态计算和动态计算2类。 目前关于稳定性分析的方法主要是静态的方法，这 里包括不同类型单元的多种计算格式、不同本构关 系线性、非线性和强度准则Mohr-Coulomb准则、 D-P准则等的力学模型。一般的计算方案是首先计 算出初始的应力场，然后采用降低强度的方法计算 研究区域内的应力场分布给出破坏点和破坏面，直 至强度降低到某一值计算达到不收敛时为止，材料 本身的强度和折减后的强度之比定义为安全系数。 这种方法也称为强度折减法， 在我国被普遍地采用， 分析专家也说服了工程专家承认该方法的实用性和 可操作性。在有限元法中引入一系列的结构面，用 以分析不连续的问题，正是有限元和离散元殊途同 归的发展方向。 计算结果的合理性依赖于对地质体内部结构分 布规律的认知程度。静态有限元法得到的破坏点属 于局部再破坏，当局部破坏点贯通之后形成了破坏 面，则可以归类为贯穿性破坏。如果初始的状态中 没有结构面或者引入了已知初始结构面之后再进行 计算，所得到的局部破坏和贯穿性破坏都是可以理 解和接受的。如果岩体内的结构面是未知的工程实 践中经常遇到，那么，得到的结果只能是某种初始 状态假设下的。当假设的结构分布与真实的结构有 很大差别时，得到的计算结果就是不可信的。从这 个意义上来讲，用有限元法进行稳定性分析也不能 直接回答工程问题。 静态有限元计算不能分析出现破裂后的块体的 平动和转动问题。有限元法的这一特性是由其基本 的原理所决定的，主要表现在边界条件必须有足够 的约束 一点固定还需要有2个方向上的法向约束， 否则计算就会发散。在研究区域内如果有一个单元 被结构面切割后，缺少了足够的约束条件，对该块 体的计算就会发散。 4.2.2 以计算结果发散作为稳定性判别的标准 计算结果发散涉及到多种因素如计算网格的质 量和计算网格所能够承受的大变形的能力。当岩体 内部有结构面且结构面附近的单元划分的质量欠佳 时，很有可能发生这样的情况贯穿性破坏还没有 出现甚至个别点出现“假破坏”时，计算已经发散。 这就给计算分析专家的判断带来了一定的难度，并 要求计算者有足够的计算经验。 同时，形成贯穿性破坏并不说明会产生滑坡灾 害。 按照滑移线的理论， 当静态计算形成了破坏面， 就达到了破坏面以上区域开始运动的条件。然而， 一旦出现了区域的滑动，破坏面上的受力就会改 变，这就相当于破坏面以上的研究区域改变了边界 条件，在此基础上会演化出各种可能的破坏状态， 诸如继续运动、运动停止、继续运动而破坏面以上 的研究区域再破坏、再破坏后的区域可能静止也可 能产生更大的运动等等。这些过程都是有限元和离 散元法需要发展的方向。静态有限元只是关注得到 破坏面，而不考虑以后的力学过程，单纯从方法本 身突破这种局限性较为困难。 4.2.3 对强度折减法的认识 从物理上讲，强度折减本质上是对应着地质体 的强度受条件变化而降低的过程，可以把它看作是 一种力学过程，通过计算不同强度值下的应力场和 位移场可以提高对地质体的状态的认识，有着重要 的意义。目前，应用有限元强度折减法的主要目的 3316 岩石力学与工程学报 2009年 是计算安全系数，以便在某些条件下与极限平衡法 比较，试图建立计算破坏时的强度值与滑坡体的 “真实”强度值之间的联系安全系数。这就必 然会遇到与极限平衡法相同的问题，即，如何确定 滑坡体的“真实”强度。正如前面的讨论，只要分 析安全系数大于1的问题，真实强度的取值是在2 个有量级差别的参数之间选择或者由经验确定，那 么，引用了含有更多计算参数的计算方法也就必然 无法摆脱经验参数的限制。 4.2.4 有限元法得到的破坏面与极限平衡法中的滑 动面不等价 按照滑移线的理论，不存在贯穿破坏面和运动 性破坏面的区别， 统称为滑动面。 采用有限元计算， 当在既有破坏的基础上发生局部破坏，首先是出现 破坏单元，并且计算不收敛，然后采用“生死单元” 技术，进一步计算可以算出贯穿性破坏，并得到破 坏面。但是，该破坏面未必对应极限平衡法中滑动 面，主要是有限元法与刚体极限平衡法的破坏准则 有区别。按照塑性力学的强度准则进行计算，材料 的破坏对应着某种应力–应变关系和破坏条件。塑 性破坏中包含了与塑性屈服面相关的强度参数和流 动法则，可以想象，由此得到的破坏面和隔离出的 区域就不会出现简单的滑动，当然，破坏面上的复 杂的应力状态并不能科学地表述滑面上的力学状 态，这也正是有限元法长期以来没有为地质工程界 接受的原因之一。至于有限元和极限平衡2种方法 的差别有多大取决于研究区域的各种参数的取法以 及破坏面上的受力状态，而2种方法得到一致结果 的结论是在特殊条件下成立的。 总之，传统的有限元法是基于连续介质力学模 型的计算方法，用于研究地质体的破坏过程也可以 通过增加结构面的方式实现，但是，静态有限元法 分析渐进破坏问题有较大的困难，其中包括以发散 作为破坏的判断标准、研究区域内部出现某一个块 体的刚体平动与转动问题、贯穿性破坏后的运动等。 与极限平衡法比较该方法有更复杂的强度破坏条 件，而在计算安全系数选取真实的强度参数时则遇 到相同的问题。 4.3 离散元法离散元法 离散元法是基于非连续模型的计算方法。随着 离散元法的发展，该方法所派生的功能不断地扩 大，该方法的主要优势是可以方便地处理非连续介 质的问题，能够客观地描述已知介质中的既有破坏 结构面，也能够描述特定条件下介质中裂缝的产 生、发展，该方法在模拟材料的破坏时不是通过计 算发散而是根据界面的张开、滑移和运动速度表 述。然而，目前该方法模拟边坡的稳定性仍面临着 许多问题，还没有被广大工程专家所接受。 1 离散元的初始状态依赖于结构面的分布 在初始状态的问题上，无论哪一种方法都面临 着相同的问题，这是一个根本性的问题，单从这一 点上来说，极限平衡法、有限元法、离散元法都处 在相同的水平。主要的区别在于对于同一组强度参 数极限平衡法得到确定的一个破坏面；有限元法可 以选择不同的材料本构关系，对于同一组强度参 数，会得到不同的应力场分布，得到不同的破坏面 甚至次生的破坏面；离散元可以选择不同的结构面， 给出不同的参数值，得到的结果相差会更大，甚至 会超出和偏离经验的认知范围。这种差别所产生的 效果让工程师更加偏爱使用极限平衡法，原因是可 以通过简单的计算得到唯一的结果。但是，正是由 于离散元法可以给出不同的参数来分析，使得它可 以选取更切合实际的参数，如果将这种复杂的计算 模型和其他的手段结合起来，其优势就不是简单模 型所能比拟的。 对于岩质边坡而言，其内部结构是复杂而有序 的，块体离散元可以通过已知地质构造面的倾角和 倾向将有序性描述出来，借助于随机技术也可以描 述同一组结构面在局部的差异。有了这样的几何描 述，确定岩体力学参数就相对容易一些，结构面的 强度和岩石的强度都可以给出可以控制的范围，而 不能确定的是结构面的连通率。采用离散元法可以 把山体稳定性参数分析的焦点从岩体的强度参数转 化为结构面的几何参数，使研究的目标更加明确。 对于堆积层滑坡，地质体内部的土、石分布就像岩 质边坡的内部结构一样复杂和具有未知性。这类滑 坡体的突出特点是在滑坡灾害发生之前地表裂缝发 育充分，这为分析滑坡体的状态创造了条件，而描 述地裂缝的发展正是离散元的优