1 引言

對于任何工程學(xué)科來說, 分析和設(shè)計(jì)是一個(gè)互逆的過程, 使用的基本原理和步驟相同. 但露天采礦邊坡與土木工程邊坡的不同之處在于采礦工程的邊坡是動(dòng)態(tài)的, 在采礦運(yùn)行過程中需要根據(jù)實(shí)際狀況調(diào)整邊坡角和臺(tái)階高度, 例如針對礦區(qū)內(nèi)不同的巖體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不同的邊坡角,或者把原設(shè)計(jì)的多個(gè)臺(tái)階合并成一個(gè)臺(tái)階等等, 因此分析和設(shè)計(jì)幾乎是同步進(jìn)行的. 這個(gè)筆記簡要總結(jié)了C4的核心內(nèi)容, 著重描述邊坡工程分析普遍的步驟和方法, 不涉及太多技術(shù)細(xì)節(jié), 通過這節(jié)課, 能夠讓學(xué)生在頭腦中形成一個(gè)"big picture".

2 邊坡穩(wěn)定性分析步驟

簡言之, 邊坡穩(wěn)定性分析的基本步驟簡述如下:

(1) 盡最大可能獲得項(xiàng)目信息, 例如圖紙, 載荷, 高程等;

(2) 室內(nèi)文獻(xiàn)回顧, 查看鄰近場地是否做過類似的工程, 包括研究鄰近場地的巖土工程勘察報(bào)告以及地圖(Google Earth)和照片解釋[航空照片解釋].  

(3) 現(xiàn)場考察, 巖土工程術(shù)語稱為踏勘, 如果情況允許,最好與甲方人員一起踏勘,有問題能夠及時(shí)讓甲方知道和解決. 查看現(xiàn)場地貌, 查看鉆機(jī)進(jìn)入場地的可能性, 地下管線,空中線路,人工回填等, 填寫踏勘檢查表(Field Visit Checklist). 如果有無人機(jī)可以拍些全局照片為將來分析使用. 

(4) 結(jié)合現(xiàn)場考察情況和項(xiàng)目預(yù)算制定現(xiàn)場勘察計(jì)劃和實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)計(jì)劃, 如果在有限的資金情況下無法取樣和試驗(yàn), 那只能充分發(fā)揮巖土工程師的技術(shù)才能, 對場地進(jìn)行詳細(xì)的工程地質(zhì)調(diào)查, 然后利用受教育的猜想(Educated Guess)和工程判斷力[Terzaghi和Peck的科學(xué)哲學(xué)思想]獲得巖體物理力學(xué)參數(shù)和對邊坡是否穩(wěn)定整體的把握. 對于有經(jīng)驗(yàn)的巖土工程師, 在大多數(shù)情況下不需要分析計(jì)算就能粗略地判斷出一個(gè)邊坡是否穩(wěn)定.  

(5) 分析計(jì)算. 在上述獲得資料和數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)之上, 聯(lián)合使用不同方法對邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析, 這是本節(jié)課程核心講解的內(nèi)容, 將在下面的部分中進(jìn)行詳細(xì)討論.

(6) 給出結(jié)論或建議

從實(shí)踐的角度來看, 邊坡穩(wěn)定性分析最難的部分并不是步驟(5),而是步驟(3)和(4), 它能夠檢驗(yàn)出一個(gè)巖土工程師是否具備解決真實(shí)世界問題的能力, 并且直接導(dǎo)致了最后給出的結(jié)論和建議.  

3 邊坡穩(wěn)定判別準(zhǔn)則

在這個(gè)子模塊中, 討論了邊坡穩(wěn)定的判別準(zhǔn)則. 實(shí)踐的邊坡工程應(yīng)用最多的判別準(zhǔn)則是安全系數(shù), 安全系數(shù)是建立在靜力平衡的基本假設(shè)上得出的. 不同規(guī)模,不同用途的邊坡安全系數(shù)取值不同, 對于采礦工程邊坡, 我們不要求邊坡永久穩(wěn)定, 一般穩(wěn)定概率在80%左右即可, 相對應(yīng)的安全系數(shù)大致是1.3左右. 也就是說, 如果計(jì)算出來的安全系數(shù)大于1.3, 我們就假定這個(gè)邊坡是穩(wěn)定的. 

判別邊坡穩(wěn)定的另一個(gè)準(zhǔn)則是位移, 我們將在本課程的最后一部分講授邊坡的監(jiān)測技術(shù). 絕對位移和位移速率在大多數(shù)情況下能夠判別出邊坡在一定時(shí)期內(nèi)是否穩(wěn)定.  在理論研究中, 我們也使用最大剪應(yīng)變形成的應(yīng)變剪切帶來判別邊坡是否穩(wěn)定, 但這已經(jīng)超出了本課程的范圍. 

4 邊坡穩(wěn)定性分析方法

這個(gè)子模塊是本節(jié)課的重點(diǎn)內(nèi)容, 但由于內(nèi)容太多, 不能詳細(xì)討論技術(shù)細(xì)節(jié), 僅扼要介紹了分析方法的基本框架. 下面介紹主要的邊坡穩(wěn)定分析方法.

4.1 工程類比法

在上面邊坡穩(wěn)定性分析步驟的討論中, 第(2)步文獻(xiàn)回顧的其中一個(gè)目的就是通過工程類比來判斷研究的邊坡是否穩(wěn)定. 這種方法的最新變化形式是我們目前正在研究發(fā)展的新一代巖土工程專家系統(tǒng), 其框架不是基于規(guī)則(rule)而是基于深度學(xué)習(xí)(Deep Learning). 發(fā)展眾多子數(shù)據(jù)集的目的之一就是為了構(gòu)建這樣的專家系統(tǒng).

4.2 穩(wěn)定性圖法

在個(gè)人計(jì)算機(jī)和計(jì)算工具還沒有普及(30至40年前吧)之前, 研究者們把自己的研究公式通過改變參數(shù)值(邊坡角, 邊坡高度等)來顯示在不同情形下得出的安全系數(shù), 這樣的圖稱為邊坡穩(wěn)定性圖(slope stability charts), 它能夠幫助巖土工程師快速做出判斷. 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展, 現(xiàn)在基本上不再需要這樣的穩(wěn)定性圖, 不過,在某些情況下使用這些圖還是很方便的, 因此在近期發(fā)布的一些工程手冊或規(guī)范中偶爾還能看到經(jīng)典的邊坡穩(wěn)定性圖. 

4.3 赤平極射投影法

赤平極射投影是工程地質(zhì)學(xué)和巖石邊坡工程最經(jīng)典的圖形分析方法. 去年曾經(jīng)講過, 參看下面的鏈接. 我們將在本課程的后半部分詳細(xì)討論這種方法.

構(gòu)造地質(zhì)的立體投影(Stereographic projection)方法

赤平極射投影的極點(diǎn)矢量和等值線圖

4.4 工程巖體分類法

工程巖體分類法是實(shí)踐邊坡工程中最常使用的一種穩(wěn)定性評價(jià)方法. 從RQD, Q-System, RMR到GSI, 以及最近發(fā)展的Q-Slope[邊坡工程巖體分類系統(tǒng)Q-slope], 我們將在下一節(jié)C5的課程中討論這些分類方法及其在邊坡穩(wěn)定性分析中的應(yīng)用.

Deere's RQD---現(xiàn)代巖體工程分類方法的基石 (Part I)

Deere's RQD---現(xiàn)代巖體工程分類方法的基石 (Part II)

Q-System巖石塊體尺寸的估算(RQD/Jn)

工程巖體分類的簡要回顧

工程巖體分類RMS(Rock Mass Strength)

巖體變形模量的估算---Python實(shí)現(xiàn)

4.5 極限平衡法

極限平衡法是邊坡穩(wěn)定性最方便快捷的分析方法, 我們將在以后的課程中,以SLIDE軟件為例,詳細(xì)討論極限平衡法的分析原理包括各種條分法的差異以及如何使用SLIDE來解決真實(shí)的邊坡穩(wěn)定性問題.

4.6 概率分析和敏感性分析

盡管理論上概率分析和敏感性分析可以在數(shù)值模擬中使用, 但是時(shí)間代價(jià)太大, 因此目前的概率分析和敏感性分析都在極限平衡法中使用, 從實(shí)踐的角度來看, 這樣的處理方法已經(jīng)足夠精確. 我們將在講授極限平衡法時(shí)附帶討論這兩種分析方法. 

巖石邊坡穩(wěn)定性概率分析

巖石破壞路徑的搜索算法

巖石邊坡平面滑動(dòng)的概率分析

巖石邊坡楔形體穩(wěn)定性概率分析(Probabilistic Analysis)---Part 1

巖石邊坡楔形體穩(wěn)定性概率分析(Probabilistic Analysis)---Part 2

巖石邊坡楔形體穩(wěn)定性概率分析(3)---節(jié)理剪切強(qiáng)度的隨機(jī)分布

使用BLOCK算法搜索邊坡的最小滑動(dòng)面

4.7 LRFD法

LRFD代表著Load And Resistance Factor Design, 荷載與阻力系數(shù)設(shè)計(jì), 這是一種極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法, 起源于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論, 上學(xué)期的<鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理>中, 曾經(jīng)提及過這種方法. 

極限狀態(tài)設(shè)計(jì)(Limit State Design)的基本概念

強(qiáng)度設(shè)計(jì)方法的歷史背景(Strength Design Method)

[書] 預(yù)應(yīng)力混凝土分析與設(shè)計(jì): 基本原理by A.E. Naaman (2)

值得一提的是, LRFD是北美的叫法, 在歐洲,假如你看Eurocode, 它不叫LRFD, 類似是分項(xiàng)系數(shù)之類的稱謂, 其實(shí)原理是一樣的. 在本次課程中, 僅用淺顯的語言向?qū)W生介紹了LRFD的工作機(jī)理以及為什么要使用這種方法, 設(shè)計(jì)過程遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出本課程的范圍.   

4.8 數(shù)值模擬

Last but not least, 數(shù)值模擬已經(jīng)由純學(xué)術(shù)研究逐漸應(yīng)用到工業(yè)實(shí)踐中, 最早應(yīng)用于巖石工程的數(shù)值模擬方法是有限元法, 根據(jù)目前的文獻(xiàn)回顧, 1970年代中期已經(jīng)有研究者開始應(yīng)用有限元解決巖石工程問題, 1980年代開始在巖石工程中使用有限差分法, 邊界元法和離散元法以及DDA[石根華的Discontinuous Deformation Analysis (DDA)文獻(xiàn)聚合], 進(jìn)入21世紀(jì), 巖石工程數(shù)值模擬技術(shù)得到了實(shí)質(zhì)性的發(fā)展, 以Itasca為代表開發(fā)了基于DFN和PFC3D的新型模擬技術(shù)---合成巖體SRM[節(jié)理化巖石的合成巖體模型[A SRM Model for Jointed Rock]], 以及另一種模擬技術(shù)離散格點(diǎn)方法(LSM, Lattice-Spring-based Method)[SRMTools---基于微觀力學(xué)的巖石邊坡3D模型]. 這些先進(jìn)的數(shù)值模擬方法不在本課程的講授范圍內(nèi)，如果有剩余課時(shí)的話, 計(jì)劃用一節(jié)課簡要概括一下數(shù)值模擬方法的演化過程，其目的僅為了擴(kuò)展學(xué)生的思路。最后列出一些巖石邊坡工程代表性的計(jì)算機(jī)軟件:

(1) 極限平衡法(LEM)：SLIDE2, SLIDE3, SLOPE/W

(2) 有限元法（FEM)：RS2, RS3, SIGMA/W, PLAXIS, GTS, Abaqus

(3) 有限差分法(FDM)：FLAC, FLAC/Slope, FLAC3D

(4) 離散元法(DEM)：UDEC, 3DEC, PFC2D, PFC3D

(5) 邊界元(BEM): Examine2D, Examine3D, MAP3D

(6) 特定類型(Special)：DIPS, RocFall, RocTopple, RocPlane, SWedge