工程地質穩定性評價

A. 區域地殼穩定性綜合評價過程及結果分析

一、綜合評價過程

1.計算單元的劃分

根據研究精度要求，採用ArcGIS 9.2軟體，按500 m×500 m的網格對研究區進行計算單元劃分。在單元劃分過程中，特別注意某些地質界線或影響帶的邊界，盡量做到單元邊界與其一致（作為單元邊界或將單元縮小），最終將研究區劃分成1731703個計算單元。

圖9-8 滇藏鐵路沿線地質災害易發程度分區圖

2.權重的確定

根據前人推薦的地殼穩定性定量化評價指標權重分配方案（孫葉等，1998），並結合研究區的實際情況，分別對所選定的7項評價指標分配權重：

（1）斷裂及其活動性的權重為0.20；

（2）地震活動性的權重為0.2；

（3）現今地應力集中程度的權重為0.15；

（4）地應變梯度的權重為0.11；

（5）地溫的權重為0.12；

（6）岩性特徵的權重為0.10；

（7）地質災害的權重為0.12。

3.計算結果的歸一化處理

採用ArcGIS9.2軟體，統計每個單元各單因素的評分，再按上述權重值計算各單元的穩定性指數，即：地殼穩定性指數=斷裂×0.2+地震×0.2+地應力×0.15+地殼活動速率×0.11+地溫×0.12+岩土體特徵×0.1+地質災害×0.12。

採用上式計算出的各單元的穩定性指數值位於［2.49，8.73］之間（圖9-9）。為了便於利用穩定性指數進行分級，將計算結果按式9-1進行歸一化。其目的是使所有要素的評價結果均位於區間［0，10］之間。其計算公式為：

滇藏鐵路沿線地殼穩定性及重大工程地質問題

式中：X₁（i，j）——評價要素j的第i評價單元歸一後的數值；

X（i，j）——評價要素j的第i評價單元的數值；

minx（i，j）——評價要素j的最小值；

maxx（i，j）——評價要素j的最大值。

圖9-9 區域地殼穩定性計算結果

二、綜合評價結果

根據歸一化處理後的區域地殼穩定性指數，並結合研究區的具體地質特點，可以將區域地殼穩定性分為穩定、較穩定、較不穩定和不穩定4級，穩定區的指數范圍為0～2.5，較穩定區指數范圍為2.5～5，較不穩定區指數范圍為2.5～7.2，不穩定區指數范圍為7.2～10（表9-6）。根據各單元綜合評價的穩定性指數和分級標准，得到滇藏鐵路沿線及周邊地區的地殼穩定性評價結果（圖9-10）。評價結果顯示，滇藏鐵路沿線的滇西北區、藏東南區和藏南區不同穩定級別地塊所佔比例具有明顯的差別（表9-7）。

表9-6 區域穩定性綜合評價分級標准表

滇西北地區，不穩定區約15714 km²，占該區面積的18%，較不穩定區36926 km²，占該區面積的42%，較穩定區33056 km²，占該區面積的38%，穩定區2174 km²，占該區面積的2%。不穩定區主要分布在紅河斷裂帶、程海斷裂帶、鶴慶-洱源斷裂帶、麗江-小金河斷裂帶、楚雄-南華斷裂和怒江斷裂帶部分地段。較不穩定區主要分布在紅河斷裂以東的不穩定區外圍和紅河斷裂以西的保山地塊內，並受瀾滄江斷裂和怒江斷裂帶的控制。較穩定區分布在不同方向活動斷裂所夾持的穩定地塊上，如紅河斷裂與瀾滄江斷裂之間的NW向地塊。穩定區僅分布於程海斷裂以東和麗江-小金河斷裂帶以北地區，在穩定區沒有活動斷裂。滇藏鐵路通過的地段均為不穩定區和較不穩定區。

藏東南地區，不穩定區約23980 km²，占該區面積的11%，較不穩定區104307 km²，占該區面積的46%，較穩定區85436 km²，占該區面積的38%，穩定區12194 km²，占該區面積的5%。不穩定區主要分布在巴塘斷裂、理塘斷裂、怒江斷裂和八宿斷裂交匯處、嘉黎斷裂帶通麥-察隅段和東喜馬拉雅構造結周邊斷裂系。較不穩定區分布在巴塘斷裂和理塘斷裂所圍限的三角地帶、怒江斷裂和八宿斷裂交匯處和東喜馬拉雅構造結周邊斷裂系周圍。較穩定區分布在不同方向活動斷裂所夾持的穩定地塊上，在三江地區和巴塘斷裂、理塘斷裂圍限塊體內側有大面積分布。穩定區在三江地區和理塘斷裂東北有小面積分布。滇藏鐵路通過的地段以較不穩定區和較穩定區為主，局部地段為不穩定區。

圖9-10 滇藏鐵路沿線區域地殼穩定性綜合評價圖

表9-7 滇藏鐵路沿線區域地殼穩定性分區表

續表

藏南地區，不穩定區3817 km²，占該區面積的28%，較不穩定區21985 km²，占該區面積的18%，較穩定區60098 km²，占該區面積的50%，穩定區34160 km²，占該區面積的28%。不穩定區主要分布在亞東-谷露裂谷帶和錯那-沃卡裂谷帶。較不穩定區分布在亞東-谷露裂谷帶和錯那-沃卡裂谷帶的外圍和EW向墨竹工卡-工布江達斷裂帶上。較穩定區分布在EW向斷裂帶和SN向斷裂帶及外側。穩定區在藏南中部有大面積分布，斷裂帶之間的地塊基本上都屬於穩定區。滇藏鐵路通過的地段以較穩定和穩定為主，局部地段為不穩定區。

總體而言，藏南區地殼穩定性最好，藏東南區次之，滇西北區穩定性最差。地殼穩定性分區及其與鐵路的關系詳見表9-7。

B. 　區域環境工程地質評價

4.3.1區域穩定性分析

黃河三角洲是在基底構造甚為破碎、濟陽凹陷的一個次級負向構造單元上發育形成的。由於區內東北部位於北西向的燕山——渤海地震帶及北東向的沂沫斷裂地震帶的交匯部位，因而與新構造運動有關的構造地震異常活躍。據山東省地震局1985年10月布設的東營—墾利、陳家莊—河口的現代形變及牛庄—新刁口的兩次a徑跡測量結果，埕子口斷裂、孤北斷裂、陳南斷裂、勝北斷裂和東營斷裂的現代活動都有顯示，說明區內的區域穩定性較差。區內新生代以來的斷裂活動表現為具有繼承性脈動活動的特點。尤其是5號樁，樁西至海港一帶位於上述兩條活動斷裂地震帶的交匯復合部位，新生代以來斷陷幅度最大，歷史上曾發生過3次7～7.5級地震，區域穩定性差。根據以上的地震預測，影響烈度一般都在Ⅶ度以上，5號樁一帶為Ⅷ度。根據我國建築規范規定，一切建築物都應設防加固，以保安全。

區內飽和砂土、飽和粉土具有液化的宏觀條件。在歷史地震發生時，曾有噴水冒砂、地面裂縫等現象發生。其液化程度受以下因素影響：土的顆粒特徵、密度、滲透性、結構、壓密狀態、上覆土層、地下水位埋深、排水條件、應力歷史、地震強度和地震持續時間等。

由於黃河三角洲地質體物質組成主要是粉砂，且孔隙度較高，加之形成期堆積速率快，造成地質體中含水量高。隨著時間推移，在上覆沉積物擠壓下，孔隙中水逐漸被擠壓，造成地質體壓縮，導致地面下沉。根據1988年在黃河海港地區實測，該地區壓實下沉速率可達6cm/a，因此由於地面下沉所引起的海面相對上升則更加劇了海岸侵蝕。

另外，近幾十年來的人為活動加劇了本區地面沉降的發展，如：建築地基承載力不足引起的土體壓縮，地下水、石油、鹵水的開采所引起的含水層、儲油層壓縮等。

由此可見，黃河三角洲地區環境工程地質問題頗多，本節將對直接影響東營市經濟發展和規劃的地表下25m土體工程地質類型及其物理力學性質、工程地質性質的區域性變化等進行深入研究。

4.3.2土體的工程地質分類及工程地質特徵

區內小清河以北為黃河三角洲平原，小清河以南多為山前沖洪積平原，基岩埋深在數百米以下，表層均為第四系鬆散沉積物，鑒於一般工業與民用建築物地基持力層一般均在15m以上，一般中高層建築物持力層一般在25m以上的特點，下面僅以0～25m的土體為對象，進行分析和研究（圖4-6）。

圖4-6地表土體類型示意圖

1.土體的岩性與結構特徵

（1）土體岩性分類

區內0～25m深度內的地層多為第四系全新統地層，其沉積環境受黃河和海洋交互或共同影響，形成了以細顆粒為主的地層。所表現出的岩性以粉土最為廣泛，其次為粉質粘土、粉砂、粘土，局部有細砂，其主要岩性特徵見表4-6。

表4-6黃河三角洲0～25m地層岩性分類及主要特徵表

（2）土體結構特點

區內土體結構無單層結構，多為多層結構，（多層結構是指一定深度內由3層或3層以上的地層構成），這也是區內的沉積環境所決定的，該區瀕臨渤海，是河流的最下游段，河道游盪較頻繁，古地貌特點反復變化，攜帶泥、砂的水動力特點也隨之變化，因此，區內一般無巨厚的單層岩性沉積。

2.土體工程地質特徵

（1）山前沖洪積平原區土體工程地質特徵該區地面下25m的沉積物為第四系全新統沖積、洪積（

）物，岩性以土黃—灰黃色粉質粘土、粉土為主，古河道帶有粉砂、細砂分布，湖沼相沉積的灰黑色淤泥、淤泥質土比較少見。土層物理力學性質較好，承載力較高。

（2）古黃河三角洲區土體工程地質特徵該區地面下25m的沉積物為第四系全新統沖積、海積、湖沼相沉積（

），上部多以土黃色—褐黃色粉土、粉質粘土為主，古河道帶有粉砂分布；中部多有灰黑色淤泥質粉質粘土分布；局部有粉砂分布，下部以土黃色粉土、粉砂為主。土層的物理力學性質在水平和垂向上均有較大的變化，局部有小片的軟土和高鹽漬土分布。

（3）現代黃河三角洲平原區土體工程地質特徵

該區地面下25m的沉積物為第四系全新統沖積海積物（

），上部多以土黃—灰黃色粉土、粉質粘土；中部為灰黑色粉質粘土或淤泥質土，具腥味；下部多為淺灰色粉砂土層的物理力學性質在水平和垂向上均有較大的變化，軟土分布面積較大，鹽漬土呈片狀分布，為弱—中等鹽漬土。

3.地表下0～25m土體物理力學指標的變化規律

（1）古黃河三角洲區的物理力學性質總體上好於現代黃河三角洲，這正是由於現代黃河三角洲的成陸時間晚於古黃河三角洲，其自重固結的程度差於前者。

（2）無論是古黃河三角洲區還是現代黃河三角洲區各類岩性土層的物理力學指標顯示出一個較明顯的規律，即從地表向下隨深度的增加土層的物理力學指標以較好—較差—好發生變化。一般較差的深度段在5～10m和10～15m。這一變化規律也與區內的沉積環境相吻合，力學指標較差的深度段為1855年黃河改道以前沉積的沖湖積、沖海積相為主的地層。

4.3.3天然地基承載力、飽和砂土液化及軟土與鹽漬土

1.天然地基承載力

黃河三角洲地區基土承載力在不同位置、不同層位均有較大變化，從小於80kPa到大於300kPa。天然地基承載力指自地表算起的第一層或第二層基土（當第一層厚度小於3m，且第二層基土承載力高於第一層時，取第二層承載力數據）的承載力。區內天然地基承載力可分為4個等級（表4-7），其分布與變化規律與地貌單元有較密切的相關關系（圖4-7）。

（1）承載力低區（f_k＜80kPa）的分布

① 呈條帶狀分布於現代黃河三角洲工程地質區內。如利津縣虎灘鄉西南—河口區義和鎮南部、河口東南孤河水庫—渤海農場總場北以及現代黃河入海口北側等地，以上各地帶多為1855年以後成陸，且位於濱海低地或窪地內，排水條件差，自重固結程度低。

表4-7天然地基承載力分區特徵表

② 呈小片狀分布於古黃河三角洲平原區。如東營區勝利鄉南部，利津縣王莊鄉南部等。

（2）承載力較低區（80≤f_k＜100kPa）的分布

① 沿海岸線分布，寬度不一。

② 沿黃河泛流主流帶邊緣、前緣和窪地展布。如利津縣大趙鄉—虎灘—羅鎮—河口區一帶、集賢鄉—渤海農場總場、孤北水庫北部、利津前劉鄉—東營區西城，以及東營區龍居鄉—西范鄉一帶。

（3）承載力中等區（100≤f_k＜120kPa）的分布

① 分布於決口扇的頂部及緩平坡地區。如利津縣南宋—北宋—明集，東營區龍居鄉—油郭鄉—六戶鎮—廣饒縣丁庄鄉以及勝坨鄉—高蓋鄉等地。

② 分布於現代黃河三角洲頂點附近。如寧海鄉—汀河鄉、寧海鄉—傅窩鄉一帶。

③ 分布於現代黃河三角洲北部、東部。如河口區新戶—刁口鄉、孤東水庫—五號樁、墾利縣建林鄉—孤東水庫、建林—西宋鄉。

（4）承載力較高區（f_k＞120kPa）的分布

① 分布於古黃河三角洲的南部。如牛庄—陳官—小清河一帶。

② 分布於小清河以南的山前沖洪積平原區。

③ 零星分布於近代黃河三角洲平原區的地勢較高處。

2.飽和砂土液化

砂土液化是指處於地下水位以下鬆散的飽和砂土，受到震動時有變得更緊密的趨勢。但飽和砂土的孔隙全部為水充填，因此，這種趨於緊密的作用將導致孔隙水壓力驟然上升，而在地震過程的短暫時間內，驟然上升的孔隙水壓力來不及消散，這就使原來由砂粒通過其接觸點所傳遞的壓力（有效壓力）減少，當有效壓力完全消失時，砂層會完全喪失抗剪強度和承載能力，變得像液體一樣的狀態，即通常所說有砂土液化現象。

區內的飽和砂土、飽和粉土具有液化的宏觀條件，在歷史地震發生時，曾有噴水冒砂、地面裂縫等現象發生。其液化程度受以下因素影響：土的顆粒特徵、密度、滲透性、結構、壓密狀態、上覆土層、地下水位埋深、排水條件、應力歷史、地震強度和地震持續時間等。

液化判別就是根據土的物理力學性質及其他工程地質條件，對土層在地震過程中發生液化的可能性的判別。國家標准《建築基礎抗震設計規范》（GBJ11-89）中規定了飽和砂土、飽和粉土的液化判別方法，在對區內飽和砂土、飽和粉土的液化判別時，即依照了前述規范提供的方法，在液化勢宏觀判定的基礎上，採用了原位測試資料——標准貫入試驗進行了液化臨界值和液化指數的計算。根據液化指數對地基液化等級的劃分見表4-8。區內液化砂土的分布規律見圖4-8。

（1）嚴重液化區

① 分布於現代黃河三角洲頂點，向北向東呈扇形展布的黃河泛流主流帶的中上游部位，主要在陳庄鎮—六合鄉、虎灘鄉—義和鎮一帶。

圖4-7天然地基承載力分區示意圖

表4-8地基液化等級表

② 零星分布於廢棄河道帶和決口扇，如下述地帶：東營區永安鄉—廣北水庫一線，呈條帶狀分布，為廢棄河道帶；利津縣店子鄉—前劉鄉，呈片狀分布，為決口扇的中部；東營區史口鄉附近、東營區六戶鎮西側、河口區新戶鄉東北等地。

該區內的飽和粉土、飽和粉砂顆粒均勻，粘粒含量低，沉積厚度較大，形成年代新，固結程度差，因此是最易發生液化的地區。

（2）中等液化區

① 分布於較大的決口扇及決口扇前緣坡地地帶，利津縣城東—明集鄉—大趙鄉、東營區勝利鄉—董集鄉—油郭鄉一帶。

② 分布於黃河泛流主流帶或其邊緣地帶。寧海鄉—墾利縣城；陳庄鎮—傅窩鄉；渤海農場總場東—建林鄉—新安鄉；義和水庫南—河口區。

③ 在濱海低地帶內有零星片狀分布，五號樁及以東地區；刁口碼頭東北—孤北水庫北部；新戶鄉以西及以北的近海地帶。該區一般位於嚴重液化區的外圍及決口扇頂部位或零星分布於小規模的黃河主流帶，飽和粉土、粉砂的粘粒含量較低，固結程度較差，因此是較易發生液化的地區。

（3）輕微液化區

① 分布於古黃河三角洲泛濫平原及決口扇邊緣，如下述地帶：利津縣南宋鄉—北宋鄉；東營區龍居鄉—廣饒縣陳官鄉—丁庄鄉。

② 分布於現代黃河三角洲的非黃河泛流主流帶區，如下述地帶：利津縣王莊鄉—墾利縣勝坨鄉；利津縣集賢鄉—墾利縣城東部；河口區太平鄉—義和水庫。

該區粉土、粉砂的沉積厚度較小，粘粒含量較高，因此液化程度較輕。

（4）非液化區

① 分布於工作區小清河以南的山前沖洪積平原，該區地下水位埋藏深，水位以下的飽和粉土，粉砂密實程度較好，因此不易液化。

② 分布於沿海地帶的濱海低地，該區除河口相沉積外，地層粘粒含量較高或以粘性土為主，因此不易液化。

3.軟土與鹽漬土

（1）軟土

軟土一般是指天然含水量高、壓縮性大、承載力低的一種軟塑到流塑狀態的粘性土。如淤泥、淤泥質土以及其他高壓縮性飽和粘性土、粉土等。黃河三角洲地區地處渤海之濱，具有軟土的沉積環境，鑽探資料亦證明，區內呈片狀分布著軟土。

① 軟土的劃分標准

本次劃分軟土時採用如下方法：當滿足下列條件之一時，並且厚度大於0.50m，將其確定為軟土：承載力標准值f_k＜80kPa；標貫錘擊數N_63.5≤2；靜力觸探錐頭阻力q_c＜0.5MPa；流塑狀態。

② 軟土的空間分布

軟土主要分布於區內的東北部濱海地帶、河口—刁口碼頭一帶。利津縣羅鎮—黃河故道西、墾利縣下鎮鄉東部，另外在利津縣明集鄉—廣南水庫一線呈不連續片狀、碟狀分布。

③ 軟土的成因及主要物理力學性質

區內的軟土具有兩種成因：①爛泥灣相沉積：在歷次河口的兩側，沉積的以細粒成分為主的土層，一直處於飽和狀態，排水固結過程進展緩慢，所以土的力學性質很差。顏色以灰褐色為主，流塑態，土質細膩，岩性以粉質粘土為主，夾粉土和粘土薄層。②濱海湖沼相沉積：顏色以灰—灰黑色為主，有機質含量較高，具腥臭味，為淤泥或淤泥質土。

圖4-8地基砂土液化分區示意圖

表4-9軟土的主要物理力學指標統計表

從表4-9中可以看出：區內軟土具有含水量高、孔隙比大、壓縮性高、承載力低的特點，在荷載作用下變形較大，對建築物極為不利。因此，在工程建設規劃時，應盡量避開有軟土分布的地區。在無法避開軟土的建築物，應對區內的軟土有足夠的重視，採取一定的處理措施，對於一般工業民用建築可採取粉噴樁法進行處理，對於高層重型建築物應採取深基礎，如沉管灌注樁等，以避開軟土的不利影響（圖4-9）。

（2）鹽漬土

當土中的易溶鹽含量大於0.5%，且具有吸濕、松脹等特性的土稱為鹽漬土。區內的鹽漬土為濱海鹽漬土，按含鹽性質則大部分屬氯鹽漬土，局部為硫酸鹽漬土，鹽漬土按含鹽量可分為弱鹽漬土（0.5%～1%），中鹽漬土（1%～5%）、強鹽漬土（5%～8%）和超鹽漬土（>8%），區內的鹽漬土主要為弱鹽漬土，局部地段有中鹽漬土（見圖4-10）。

4.3.4工程地基適宜性評價

工程建築地基適宜性受多種因素的影響，為達到評價結果清晰簡潔、合理反映出區內建築適宜性等級的目的，選用了專家聚類法（亦稱總分法）進行評價。評價過程為：首先擬定評價因子，對各評價因子量化、分級並給定各級別的標准分，其次用傅勒三角形法確定各評價因子的權重，然後計算各勘測點單項因子分值和總分值，再按各點的總分值進行分區。最終的評價結果見表4-10、4-11、4-12、4-13。

圖4-9軟土分布示意圖

圖4-10鹽鹼土分布示意圖

表4-10一般工業與民用建築地基適宜性評價方案（評價深度10m）

① 沉降因子

式中：M_i——土層i的厚度；Z_i——土層i的埋深；el_i——土層i的天然孔隙比。

② D_Ⅰ——山前沖洪積平原；D_Ⅱ——古黃河三角洲平原；D_Ⅲ——現代黃河三角洲平原。

表4-11一般工業與民用建築地基適宜性評價分區說明表

表4-12高層重型建築物地基適宜性評價方案（評價深度25～30m）

表4-13高層重型建築物地基適宜性評價分區說明表

一般建築、高層建築物地基適應性評價分區見圖4-11、4-12。

圖4-11一般建築物地基適宜性評價分區示意圖

圖4-12高層建築物地基適宜性評價分區示意圖

C. 工程地質評價

1、工程場地的穩定性與適宜性；
2、工程地質、水文地質條件；
3、預測工程對既有建築的影響，工程建設產生的地質環境變化，以及地質環境變化對工程的影響；
4、提出各類建築物工程措施建議意見；
5、預測施工、運營過程中可能出現的工程地質問題，並提出相應的防治措施和合理的施工方法。

D. 黃土地下建築的工程地質和穩定性評價

一、工程地質工作在黃土地下建築中的地位

（一）勘察工作的必要性

勘察工作是了解情況的工作，是哨兵工作，它在建築中的地位是十分重要的，在新的黃土地下建築的建設中，有些單位很重視，從選點一開始，就重視工程地質工作，為以後的設計和施工創造了好的條件，但有些單位還不夠重視，認為有了民間黃土窯洞的經驗，建設黃土地下建築就不成問題了。其實這是不對的，民間黃土窯洞的經驗要吸取，而且必須要吸取，但這些分散的經驗，還需要以現代科學去進行總結和提高，特別需要指出，民間黃土窯洞與工業用的黃土地下建築是有一段相當大的距離，是不能直接套的，如有一個工程，當設計人員進入場地時，工期已近，而勘察工作一點也沒有做，這就使設計人員難於作出正確的判斷。以後雖然勉強做了一些，但地質情況還沒有摸清楚，就組織大面積施工，結果欲速則不達，施工中遇到了一些有可能避開的不良地質現象，如洞口出現厚層的近代坡積層，造成洞面和引道的塌方，洞體放在新第三紀（新近紀）的紅粘土層中，出現嚴重的剝落和坍塌，以及遇到地下水等，事與願違，反而延長了工期，有幾個洞沒有達到要求的深度，甚至個別的被迫放棄。

通過以上的一些經驗，我們認識到，黃土地下建築的建設，雖然有民間黃土窯洞的經驗，但了解情況的勘察工作仍然是十分重要的，當然，勘察的方式方法可以多種多樣，有專業隊勘察，也有其他方式勘察，目的是要摸清情況。

（二）選點問題

選點是建設工作的開始，可以考慮在工作之初，能避免犯方向性的錯誤，非常重要。黃土是分布廣泛的堆積物，是有選擇餘地的，如果認真地選是可以選到比較好的地方，山西的一些工程，在選點上就下了工夫，這些點的工程地質條件就比較好，位於汾河兩岸的黃土台塬區，地貌簡單，地層穩定，岩性較均質，結構較密實，土的強度中等，沒有地下水，不良的地質現象較少，因而在勘察、設計、施工時都比較順利，使用沒有什麼麻煩。但選得不當的也有，如只考慮埋深，而忽視其他方向，結果把地點放到老鄉說的「坍坊A」里去了，終因地質復雜，不適用，大部分報廢了。選點不僅要在大范圍內選，而且在小范圍內也要認真地選，有時在其地質條件相同或相似的情況下，往往一溝之差，就會差之千里。如某工程選在盆地的邊緣，臨近基岩山地，由於基岩的剝蝕面高低不平，黃土地層的厚薄不均，空間分布規律性差，這就使洞室既不能保證有足夠的埋深，又有可能挖到基岩，或遇到地下水，造成很大困難，像這樣的情況一般是可以避免的，如果把場地向盆地中心移一點，離開基岩山地，不利的地質條件就可以得到解決。

根據現有資料和經驗，從工程地質條件來說，黃土地下建築工程的位置，宜選在山嶽與河谷平原之間的中心稍上的地帶、大河支流的兩側，因為這些地帶，黃土沖溝深，黃土地層厚，層位穩定，基岩埋藏深，滑坡等不利地質現象較少，遇到上層滯水的可能性也較小。

（三）測繪和調查

工程地質測繪和調查是勘察工作中最基本最常用的工作方法之一。黃土的直立剖面多，且黃土地下建築一般是山區建築，在山區，天然露頭一般較好，但地貌條件比較復雜；由於人煙稀少，研究程度一般較差；有著豐富的民間開挖黃土窯洞的經驗，因此，在解決黃土洞室的工程地質問題時，應重視工程地質調查和測繪。其工作可分為兩個方面。

1）場地工程地質條件的調查和測繪。這個工作過程是大家所熟悉的，那就是首先在前人所研究過的一般理論和區域工程地質條件知識的指導下，從場地的實際出發，研究地貌特徵、地層規律、水文地質條件、自然地質現象等，從而進行工程地質分區、分段。

2）民間黃土窯洞的調查和測量。這項工作是黃土洞室的工程地質勘察中所特有的，由於地下建築的計算理論尚未過關，而我國黃土地區有大量黃土窯洞的存在，所以吸取民間黃土窯洞的經驗是建設黃土地下建築的一個實際的途徑，因此，在勘察時須對場地附近的民間黃土窯洞進行調查研究，在調查時，除測量黃土窯洞的幾何尺寸外，還要著重對各個窯洞所處的地段，進行工程地質條件的研究，並應在有代表性的窯洞地點，採取少量的土樣，作一般的物理力學性質的分析，使其與場地的工程地質條件進行比較，從而採用工程地質比較法，吸取其經驗。

在作了以上兩個方面的調查和測繪之後，就可以對場地內設置黃土地下建築物能否達到使用要求，以及經濟、安全等作出初步的評價，為下一步工作指出了方向。

（四）勘探和試驗

在勘探點的布置上，我們認為應該考慮以下兩個原則：①以掌握不同地貌單元和不同層位的工程地質性質為主，而不是按照網狀等地面建築的布置方法，如此，就可以充分利用能間接反映工程地質性質的地質、地貌規律，減去大量的勘探工作量；②盡可能使探井和單洞的布置，與初步擬定的通風井和洞室的布置相結合，這樣，既不破壞地層，將來又可利用。

在試驗工作上，目前一般都用評價指標解決黃土地下建築的穩定性問題。對於評價指標的選取，我們採用了土力學中的一般概念，認為洞室主要是強度問題，因此，首先考慮內摩擦角和凝聚力，其次考慮濕陷系數和壓縮系數，濕陷系數雖然沒有像評價黃土地基那樣重要，但仍不失為一個評價指標，它對洞室要不要防水是有價值的。除了這些試驗過程復雜，易產生誤差的力學指標外，還有試驗簡單、能反映實際情況的物理性指標，總之需要全部的物理力學性質指標，這樣可以作較全面的多指標的分析。在總圖設計時，由於要掌握較大范圍內的黃土性質的空間分布規律，這樣多指標的分析，就顯得更加重要。就是在結構設計時，這種多指標的分析，仍要採用，可以避免片面性，當然這個階段，在結構影響的范圍內，要多做些力學指標，搞得准一點，這樣它們與影響洞室穩定性的其他因素結合在一起，才能作出比較符合實際的洞室穩定性的評價。

（五）施工期間的工程地質工作

施工時的工程地質工作，在地下建築中，甚為重視。黃土地下建築也應如此，因為盡管勘察時做過詳細的勘察工作，但不可能，也不必要，對每個洞位都進行勘探，許多都是用現有理論或經驗推理一下，這難免與實際情況有所出入，這有待於在施工大量揭露地層時，根據變化了的工程地質情況，改變其設計方案和施工措施，同時也是驗證理論，加深對工程地質規律的認識，提高勘察工作水平的好時機。因此，工程地質人員和設計施工人員都要重視這個時期的工程地質工作，才能較好地完成生產任務和提高技術水平。

（六）黃土洞室的工程地質分類

我們在研究黃土地下建築之前，對我國黃土的工程地質類型和區域分布規律已有一定的認識，因此，在研究黃土地下建築的一開始，就在眾多的工程中，有目的地選擇有代表性的典型地區和地層進行研究，開始在六盤山以西的隴中盆地地區，這里廣泛發育著鬆散的新黃土地層，工程地質性質差，以後在陝西渭北黃土塬梁區，這里發育著老黃土的下部地層，工程地質性質好，再後到陝西關中黃土台塬區和山西黃土台塬區，這里廣泛發育著較密實的老黃土上部地層，工程地質性質中等。通過對這4個工程的黃土地下建築的研究，使我們對影響洞室穩定性的工程地質因素有著一定的認識，我們認為目前可以根據影響黃土洞室穩定性的工程地質因素資料和區域工程地質資料，將我國黃土大致劃分為3個主要類型（表1），以供今後評價黃土地下建築物的穩定性參考。

（七）幾點初步認識

1）勘察工作是必須搞的，搞的方式方法可以是多種多樣，是專業隊搞，或者其他方式搞，目的是要弄清情況，便於以後有針對性地確定建築措施。

2）選點是建設工作的開始，是在廣闊的范圍選擇有利的自然地質條件，是勘察工作中的重要一環，點選好了，有了一個比較好的物質基礎，以後的工作要順利得多。

3）黃土的直立剖面多，天然露頭好，尤其是在山區，因此，應加強工程地質測繪工作，這樣可以做到事半功倍，減少不必要的勘探工作量。

4）在勘察過程中，要注意民間黃土窯洞的調查，並著重從工程地質上多作分析，為評價黃土洞室穩定性時提供資料。

5）勘探點（包括鑽孔、探井和平洞等）的布置，以掌握不同地貌單元和不同層位的工程地質性質為目的，並盡可能地與初步擬定的通風井和洞室結合起來。

6）目前要提供的是評價指標，較全面的評價是多指標的評價，因此，需作全部的物理力學性質指標（包括濕陷系數），但其中以凝聚力和內摩擦角的強度指標為最重要。

7）施工期間的工程地質工作，不能忽視，工程地質人員與設計施工人員的緊密結合，可以做到隨地質情況的改變而改變其設計方案和施工措施，同時也可以做到加深對黃土工程地質規律的認識，提高勘察工作的水平。

8）通過黃土地下建築的實踐和區域工程地質資料，目前可將我國黃土大致劃分為3個主要類型，即高強度的甲類黃土、中強度的乙類黃土和低強度的丙類黃土。以供評價黃土地下建築的穩定性參考。

表1 黃土洞室的工程地質類型

二、黃土地下建築的穩定性評價

（一）民間黃土窯洞的調查

在地下建築的設計中，洞室穩定性的評價方法有許多種，如理論計演算法、實測試驗法、工程地質比較法等，這些方法，雖然各有其特點，但也反映人們對地層壓力的認識還是不夠的，以致在解決具體設計任務時，常常面臨的第一個問題，就是如何選擇一個比較符合實際的評價方法。

由於黃土在我國分布很廣，我們祖先早就利用黃土窯洞作為住宅，經過數千年的歷史，一直延革到現在。在民間已積累起豐富的建設黃土洞室的經驗，我們要把建設黃土地下建築的工作做好，就必須調查研究民間黃土窯洞，這是十分重要的。但還要看到，埋藏在群眾中的一些原始的、零碎的、沒有通過整理的分散經驗，需要用科學的方法去總結、去提高，才能有更普遍的意義，才能發揮更大的作用，否則也是會出問題的。有些單位在調查民間窯洞時，重視分析研究，效果也比較好，如現在已建成的很多黃土地下建築就是這樣，但也有一些單位，不加分析地亂套，結果碰了壁，如某工程不顧條件地亂搬，土質條件只能打較小跨度，套土質好跨度大的民間窯洞打，結果沒有打成，造成損失。又如另一個工程也不顧條件地亂模仿，本來可以把跨度搞得大一些，結果弄得比較小，造成使用的不方便。目前不論用得好的，或者碰了壁的，這方面的經驗都沒有很好地總結起來，民間黃土窯洞分布在各種復雜的地質條件下，斷面尺寸大小不同，如何去調查又如何將其經驗用到工業用的黃土地下建築上，我們進行過一些摸索，做法大致是這樣，在調查民間黃土窯洞之前，首先對擬建場地的工程地質條件作較深入的了解，其次在調查民間黃土窯洞時，除仔細測量斷面的幾何尺寸，詢問開挖時的情況和以後的變化趨勢外，還要仔細研究窯洞所處地點的工程地質條件，並比較其與擬建場地的工程地質條件的異同，如果基本相同或接近，就可以參考這些民間黃土窯洞的建設經驗，進行設計、進行施工，因為在工程地質條件基本相同的兩個地點，一地由於開挖洞室所出現的現象，在另一地以同樣的方式開挖，其現象必然會重復出現。這在道理上是說得通的，在實踐上也是解決問題的，由於吸取民間窯洞的經驗而現在已經建成的若干洞室就是最好的例證。在民間黃土窯洞的調查中，還會出現這樣的情況，工程地質條件可以比較，但所測到的斷面尺寸不夠理想，也就是說工業用的黃土地下建築要求比較大的跨度，而民間黃土窯洞的跨度大多數情況下比較小，因為生活用的窯洞一般有3～4m寬的跨度就夠了。只有民間特殊用的窯洞跨度才大些，如磨坊、倉庫等，這些特殊的較大跨度的民間黃土窯洞，往往是我們調查研究的重點，因為它可以較好地作為建設工業用的黃土地下建築的借鑒，我們這種做法，實際上是工程地質比較法在黃土地下建築設計中的應用，以下我們想從方法意義上加以具體的說明和討論。

（二）工程地質比較法的概念和應用

工程地質比較法就是用比較的方法，認識工程地質的規律，並運用這一規律為建設服務。也就是將已建建築物所處的工程地質條件，與擬建建築物所處的工程地質條件，加以周密地比較，從而預測擬建建築物的發展情況，達到建設的目的。在這方面需要具體明確的問題是，必須弄清工程地質條件的內容，對工程地質的分析，要以自然歷史分析方法為基礎結合力學分析方法解決實際問題，因此，工程地質的比較，既不能理解為地質方面的比較，而忽視力學的分析，又不能只用力學方面的比較，而不注意地質的特點，兩者不可偏廢，而要結合考慮。我們在評價黃土洞室穩定性時，在作擬建場地的工程地質條件與黃土洞室（黃土窯洞）所處的工程地質條件的比較時，既要考慮黃土的地貌、地層、構造等特徵，同時還要注意測定黃土的物理力學性質，特別是強度指標，並分析地質特徵和物理力學指標與成洞的幾何特徵的關系，這樣對黃土洞室的工程地質條件可以獲得較全面的知識，從而才能正確地使用工程地質的比較方法。但採用這個方法的條件是，必須有已建成的洞室作借鑒，對於黃土洞室來說，這種借鑒是比較容易得到的。因為有大量民間黃土窯洞和已建成的若干黃土洞室的存在，可作為借鑒，作為樣板，作為再發展的基礎。根據我們先後在甘肅（1965）、陝西（1966、1967）、山西（1968、1969）使用工程地質比較法的經驗和1971年對黃土洞室進行的調查研究，目前客觀上已有可能用工程地質比較法的概念，對已存在的若干黃土洞室和民間黃土窯洞所處的工程地質條件進行綜合分析，初步整理出黃土地下建築物的穩定性評價表（表2），即黃土洞室的經驗尺寸，以供進一步使用工程地質比較法之用。這個表是以我們民間黃土窯洞的調查資料和4個試驗點的實測資料為基礎進行編制的。只要符合有2的工程地質類型，斷面形式，襯砌結構和施工方法的，其洞室是安全的，它可以作為目前評價黃土地下建築穩定性的參考，我們認為這是現階段解決黃土地下建築設計問題的一個重要途徑。

表2 黃土洞室的經驗尺寸

從表2中可以看出，最大跨度是9m，如生產要求更大的跨度，可以把研究黃土地層壓力與建立比較的樣板結合起來，表2中7m,9m 兩種跨度就是通過研究黃土地層壓力的實測試驗建立起來的。這樣做實際上是實測試驗的一種，先試出一個樣板來，再進行設計，進行推廣，以下我們再談談實測試驗法。

（三）實測試驗法的應用

實測試驗法不僅是研究地層壓力的主要手段，而且也是解決生產實際的好辦法。一般可以把研究地層壓力與解決當前生產問題結合起來。我們在甘肅的工程上用的工程地質比較法，做出場地評價後，接著又用實測試驗法去驗證其結論是否正確，這樣就把長期研究地層壓力的任務與近期解決生產實際問題結合起來。我們在陝西、山西也是這樣做的，把研究地層壓力的實測試驗與驗證設計思想和建立樣板結合起來，這樣就能不斷推動生產前進，積累科學研究資料，如陝西8.8m 凈跨洞的地層壓力的實測試驗，就是通過驗證其設計是否正確的過程中進行的，而山西的6m,7m,9m 3種凈跨洞的地層壓力的實測試驗是為建立樣板推動全面而開展的，它們既有研究任務又有生產要求。實測工具已日益增多，測變形的可用精密水準儀、千分表等，測壓力的可用壓力盒、支柱測力計等，測結構應力的可用電阻絲片。

從檢驗結構是否安全的觀點出發，測量工具有1～2項就行了，如果有目的地研究地層壓力就要有多工具的進行，因為測試的誤差目前尚難消除，像壓力盒的野外埋設問題就沒有解決，測到的就不是真正數值，所以多工具的實測可以互相校正。

實測試驗法主要是進行科學研究的方法，用它來進行設計會給工作帶來創造性，但使用它要有條件，要有實測試驗工具和使用工具的人，並且還要先搞出樣板洞，才能進行全面設計，因此，比較復雜，只有在特殊情況下，才使用它。

（四）幾點初步認識

1）調查民間黃土窯洞，挖掘其建設經驗，是設計黃土地下建築的特點，通過調查，會大大豐富我們的感性認識，能較好地解決當前的生產任務，同時也會大大煥發我們的學術思想，增強我國走自己黃土地下建築發展道路的信心。

2）工程地質比較法是評價黃土地下建築穩定性的方法之一，在目前黃土地層壓力尚未掌握的情況下，它是有實用意義的。

3）表2是現有若干黃土窯洞和黃土洞室資料的綜合整理，它可作為設計的參考。這是滿足當前生產迫切要求的一個重要步驟。

4）實測試驗法是長期研究黃土地層壓力的方法，也是當前評價黃土地下建築穩定性的方法之一，在工程地質比較法無條件做出比較的情況下，可通過研究地層壓力與解決當前生產任務相結合的方法，先試出樣板，然後進行比較、進行設計。

5）無論工程地質比較法還是實測試驗法，都有它們自己的特點和使用條件和范圍，不能過分強調哪一個。理論計演算法，由於實測資料不夠，我們研究得也較少，所以這次未加討論，隨著實測資料和生產經驗的不斷積累，新的符合實際的理論計演算法將會出現，並起著它應該起的積極作用。

（本文是作者於1972年4月13日在西安召開的「黃土地下建築經驗交流會議」上所作的發言的前兩部分。）

E. 崩塌穩定性評價

崩塌體穩定性評價是為崩塌成災的可能性和危險性評價提供依據，為防災抗災和編制防治工程可行性報告提供依據。

1.穩定性評價的內容

(1)穩定性現狀評價

在綜合分析調查資料的基礎上，對崩塌體(危岩體)在現有因素作用下的穩定性進行評價。

(2)穩定性預測評價

包括:①崩塌穩定性發展趨勢及破壞產生時段的預測;②主要致災外動力作用(暴雨、地震、庫水位升降、人工振動及其疊加作用等)的致災強度、靈敏度分析與概率預測;③崩塌方式、規模及運動特徵預測;④派生災害的預測。

2.穩定性評價的方法

崩塌穩定性評價的方法有地質分析、數理分析、概率分析、模型試驗和模擬實驗以及利用動態監測資料分析判斷等。由於災害地質體的復雜性和認識的局限性，僅僅採用某一種方法就下結論，是有很大風險的，應採用多種方法進行綜合判斷。這些方法中，地質分析、模擬試驗為定性評價，但地質結構是地質災害的主控因素，因此，地質分析是穩定性評價的基本方法，具有決策意義。

(1)地質歷史分析法

根據調查獲得的資料，運用工程地質學等多學科知識對崩塌體進行穩定性分析。方法有變形歷史分析法、工程地質類比法、岩體穩定的結構分析法等，包含理論分析和類比分析。在分析中應確立地質災害研究的系統觀，即地質災害系統內部的有機聯系原則、整體性原則、有序性原則和動態原則。

1)岩體穩定的結構分析:分析主要結構面之間、結構面與臨空面之間的組合關系，確定可能失穩的結構體的形態、規模與空間分布，判定不穩定塊體可能移動的方向和破壞方式。主要採用圖解分析，包括摩擦圓法、玫瑰圖法、極射赤平投影法、節理統計極點圖與等密度圖、平面投影法和實體比例投影法等。

2)類比分析:根據相似性原則將已經發生過的崩塌體特徵、成災條件、成災動力、成災因素、成災類型和成災機制與被調查對象進行類比分析，評價其穩定性。

相似性具體包括:①崩塌體岩性、主控結構面、岩土體結構、斜坡結構等相似性;②崩塌體賦存條件相似性;③孕災因素、動力因素相似性;④發育階段相似性。

3)地質綜合分析評價:在以上分析的基礎上，根據災害地質學的理論，對崩塌體的形態特徵、地質結構、成災條件、成災動力、成災因素、變形破壞形式和特徵、失穩條件和機制等進行全面系統的分析，評價崩滑體現階段的穩定性，預測其發展趨勢，評價其失穩的必要條件、相關因素、失穩的可能性和失穩的規模、方式、方向，預測失穩的時間。

(2)數理分析法

常用的有極限平衡法、有限元法等。

3.穩定性評價的一般要求

1)查明可能失穩的地質體的邊界條件和荷載條件:這是穩定性評價的重要前提。荷載條件包括自重力、靜水壓力、動水壓力、揚壓力、庫水壓力、浮托力、地震力、人工動力、地應力和工程荷載等。穩定性現狀評價主要考慮已經產生並持續作用的荷載，預測評價則要考慮到可能發生的特殊荷載，如地震、暴雨、人工動力等。

2)重視監測資料的分析:變形監測資料直觀地表徵崩塌體的穩定性，在穩定性評價中具有決策意義。相關因素的監測資料則會加深對變形因素和變形機理的認識。

3)根據崩塌體的實際條件，合理地選取計算參數:應通過反演分析和地質類比分析，綜合考慮，選取參數。

4)應力-應變分析中計算單元的劃分，必須以地質單元為基礎，保持與地質單元的一致。

5)應採用多種方法進行崩塌體的穩定性評價:至少採用兩種方法，以相互補充、驗證和綜合評價。目前，使用數理分析獲得的結果尚不能作唯一判據，只能提供參考。地質分析和動態監測資料仍是穩定性評價的基礎。

評價方式的選擇與工作階段有關。初步調查階段只需作地質分析，取得定性評價結果;詳細調查就要採用地質分析與極限平衡分析相結合;可行性研究階段就應採用多種方法進行評價，包括應力-應變分析。

4.穩定性評價應提交的成果

1)單項評價報告及附圖，如有限元法、極限平衡法、模擬試驗成果等。

2)綜合分析報告，包括崩塌體穩定性現狀評價、崩塌體發展趨勢及穩定性預測、派生災害的預測。報告附圖為:①崩塌穩定性評價圖;②崩塌運移堆體分布預測圖;③其他圖件。

F. 邊坡穩定性評價方法

1.定性分析方法

分析影響邊坡穩定性的主要因素、失穩的力學機制、變形破壞的可能方式及工程的綜合功能，並對邊坡的成因及演化歷史進行分析，以此評價邊坡穩定狀況及其可能的發展趨勢。該方法的優點是綜合考慮影響邊坡穩定性的因素，快速地對邊坡穩定性做出評價和預測。常用的方法有：

（1）地質分析法（歷史成因分析法）

根據邊坡的地貌形態、地質條件和邊坡變形破壞的基本規律，追溯邊坡演變的全過程，預測邊坡穩定性發展的趨勢及其破壞方式，從而對邊坡穩定性做出評價，對已發生過滑坡的邊坡，則判斷其能否復活或轉化。

（2）工程地質類比法

其實質是把已有的自然邊坡或人工邊坡的研究設計經驗應用到條件相似的新邊坡的研究和人工邊坡的研究設計中去。需要對已有邊坡進行詳細的調查研究，全面分析工程地質因素和影響邊坡變形發展主導因素的相似性和差異性，同時，還應考慮工程的類別、等級及其對邊坡的特定要求等。它雖然是一種經驗方法，但在邊坡設計中，特別是在中小型工程的邊坡設計中是很通用的方法。

（3）圖解法

可以分為兩類：(1)用一定的曲線和偌謨圖來表徵邊坡有關參數之間的定量關系，由此求出邊坡穩定性系數，或已知穩定系數及其他參數（φ、c、r、結構面傾角、坡角、坡高）僅一個未知的情況下，求出穩定坡角或極限坡高。這是力學計算的簡化。(2)利用圖解求邊坡變形破壞的邊界條件，分析軟弱結構面的組合關系，分析滑體的形態、滑動方向，評價邊坡的穩定程度，為力學計算創造條件。常用的為極射赤平投影分析法及實體比例投影法。

（4）邊坡穩定專家系統

工程地質領域最早研製出的專家系統是用於地質勘查的專家系統Propecter，由斯坦福大學於20世紀70年代中期完成。另外，麻省理工學院在80年代中期研製的測井資料咨詢專家系統也得到成功應用。在國內，許多單位正在進行研製，並取得很多成果。專家系統使得一般工程技術人員在解決工程地質問題時能像有經驗的專家一樣給出比較正確的判斷並做出結論。因此，專家系統的應用為工程地質的發展提供了一條新思路。

2.定量評價方法

其實質仍是一種半定量方法，雖然評價結果表現為確定的數值，但最終判定仍然依賴人為的判斷。目前，所有定量的計算方法都是基於定性基礎之上的。

（1）極限平衡法

極限平衡法在工程中應用最為廣泛。根據邊坡破壞的邊界條件，應用力學分析的方法，對可能發生的滑動面，在各種荷載作用下進行理論計算和抗滑強度的力學分析。通過反復計算和分析比較，對可能的滑動面給出穩定性系數。該方法比較直觀、簡單，對大多數邊坡的評價結果比較令人滿意。該方法的關鍵在於對滑體的范圍和滑面的形態進行分析，正確地選用滑面計算參數，正確地分析滑體的各種荷載。基於該原理的方法很多，如條分法、圓弧法、Bishop法、Janbu法、不平衡傳遞系數法等。

極限平衡方法的最新發展之一是Sarma法。其基本概念：邊坡除非是沿一個理想的平面或圓弧滑動，才可以作為一個完整的剛體運動，否則，必須先破裂成多個可以相對滑動的塊體，才能發生滑動。該方法的優點是：可以用來評價各種類型滑坡的穩定性，如平面滑動、楔體滑動、圓弧及非圓弧滑動等。

（2）數值分析方法

主要是利用某種方法求出邊坡的應力分布和變形情況，研究岩體中應力和應變的變化過程，求得各點上的局部穩定系數，由此判斷邊坡的穩定性。主要有以下幾種：(1)有限單元法（FEM）：該方法是目前應用最廣泛的數值分析方法。其優點是部分地考慮了邊坡岩體的非均質、不連續介質特徵，考慮了岩體的應力應變特徵，可以避免將坡體視為剛體、過於簡化邊界條件的缺點，能夠接近實際地從應力應變分析邊坡的變形破壞機制，對了解邊坡的應力分布及應變位移變化有利。其不足之處是：數據准備工作量大，原始數據易出錯，不能保證整個區域內某些物理量的連續性；對解決無限性問題、應力集中問題等精度比較差。(2)邊界單元法（BEM）：該方法只需對邊界極限離散化，具有輸入數據少的特點。計算精度較高，在處理無限域方面有明顯的優勢。不足之處：一般邊界元法得到的線性方程組的關系矩陣是滿的不對稱矩陣，不便應用有限元中成熟的對稀疏對稱矩陣的系列解法。另外，邊界元法在處理材料的非線性和嚴重不均勻的邊坡時，不如有限元法。(3)離散單元法（DEM）：可以直觀反映岩體變化的應力場、位移場及速度場等各個參量的變化，可以模擬邊坡失穩的全過程。該方法特別適合塊裂介質的大變形及破壞問題的分析。缺點是計算時步需要很小，阻尼系數難以確定等。(4)塊體理論（BT）該方法利用拓撲學和群論評價三維不連續岩體穩定性，建立在構造地質和簡單力學平衡計算基礎上。塊體理論為三維分析方法，隨著關鍵塊體類型的確定，能找出具有潛在危險的關鍵塊體的臨空面位置及其分布。

3.不確定性分析方法

（1）系統分析方法

由於邊坡處於復雜的岩體力學環境條件下，其穩定性涉及的面很廣，且程度非常復雜，可以認為其是一個復雜系統。因此，邊坡問題也是一個系統工程問題。應用系統分析方法應該遵循的途徑：岩體力學環境條件的研究→變形破壞機制的研究→穩定性計算分析。目前，該方法廣泛應用於邊坡穩定性分析之中。

（2）可靠度分析方法

確定分析方法中經常用到安全系數的概念，實際上只是滑動面上的平均穩定系數，而沒有考慮影響安全系數各個因素的變異性，可靠度分析方法則考慮了這一點。可靠度分析方法在分析邊坡的穩定性時，充分考慮各個隨機要素（如岩體及結構面的物理力學性質，地下水的作用包括靜水壓力、動水壓力、裂隙水壓力、軟化作用、浮托力及各種荷載等）的變異性。

（3）灰色系統方法

灰色系統理論主要以信息利用與開拓為宗旨，以客觀現象量化為目標，除對事物進行描述外，更側重對事物發展過程進行動態研究。應用於滑坡研究中主要有兩方面：一是用灰色預測模型進行滑坡失穩時間的預報，實踐證明該預測的精度仍需進一步提高；二是用灰色聚類理論進行邊坡穩定性分級、分類。該方法的局限性是聚類指標的選取、灰元的白化等帶有經驗性質。

（4）模糊數學評判法

模糊數學對處理經驗模糊性的事物和概念具有一定的優越條件。該方法首先找出影響邊坡穩定性的因素，並進行分類，分別賦予一定的權值，然後根據最大隸屬度原則判斷邊坡單元的穩定性。實踐證明，模糊評判法效果較好，為多變數、多因素影響的邊坡穩定性的綜合定量評價提供了一種有效的手段。其缺點是各個因素的權重選取帶有主觀判斷的性質。

4.確定性和不確定性方法的結合

主要是概率分析方法與有限元法或邊界單元法相結合而形成的隨機有限元法或隨機邊界單元法等。由於是隨機變數，故其結果更能客觀地模擬邊坡岩體的力學性質、邊坡岩體的變形破壞發展及其性態的變化，從而成為數值模擬方法發展的新途徑，是邊坡穩定性研究的新手段。

5.物理模擬方法

早在1971年，英國帝國學院最早把傾斜檯面模型技術用於研究邊坡傾倒破壞機理及過程。隨後，又試製成了基底摩擦試驗模型，廣泛應用於邊坡塊狀傾倒及彎折傾倒。然而，由於受模型尺寸的限制，這些模型技術不能模擬大型復雜的工程及二維、三維的模型。針對這種工程要求，離心模型試驗技術快速發展起來。國外早在20世紀30年代就已起步，特別是近20年來，這一技術有了快速發展，並得到廣泛應用。離心模型試驗主要模擬以自重為主荷載的岩土結構，在模型試驗過程中模型出現了與原型相同的應力狀態，從而避免了使用相似材料，而直接使用原型材料。因此，這項技術已被廣泛地在各個方面得到應用。由於離心模型技術能使模型達到原型的壓力水平，近年來已被廣泛地應用於滑坡研究之中，為復雜的岩石工程的研究提供了有力手段。邊坡工程中的離心模型試驗也存在一些尚未解決的問題，主要是一些模擬理論問題。由於用原型材料進行試驗，在相似規律條件下，並不能使模型滿足所有的條件，從而引起固有誤差。此外，如何確定參數有待進一步研究。

G. 地基穩定性評價

地基穩定性的評價，我覺得這個可能在設計方面吧，剛開始那個地基要牢固，要打的比較深一些

H. 工程地質穩定性評價方法——以麗江-香格里拉段為例

一、概述

隨著滇藏鐵路工程的分段實施，麗江-香格里拉段的規劃設計已納入日程。但是，由於該段地形地貌和地質條件非常復雜，雖然經過多輪論證，線路仍難最後確定。按照初期規劃（圖13-1），滇藏鐵路麗江-香格里拉段共有3個走向方案可以比選：①麗江-長松坪-虎跳峽上峽口-香格里拉方案（西線方案）；②麗江-大具-白水台-小中甸-香格里拉方案（組合方案）；③麗江-大具-白水台-天生橋-香格里拉方案（東線方案）。初步分析認為，西線方案工程地質條件相對較好，可以作為推薦方案，該方案需要新建鐵路隧道34座，總長87130 m，占該段線路總長的54.4%，最長的隧道是位於麗江西北的玉峰寺隧道，全長10970 m；需要新建鐵路大橋39座（10253 m），涵洞182座（4547 m），橋涵占線路總長的9.2%。復雜的工程地質條件使得該方案仍存在許多問題，且工程建設難度大。

為了更好地指導該段鐵路選線，我們在區域地殼穩定性評價的基礎上，將基於GIS技術的層次分析法引入到麗江-香格里拉段鐵路規劃區的工程地質穩定性評價（工程地質條件評價）。在評價過程中，綜合考慮地形坡度、工程地質岩組、斜坡結構、地質災害發育現狀、地殼穩定性、微地貌類型（地形與鐵路設計高程高差）、人類工程活動、降水量、距離溝谷距離等因素，充分利用GIS技術處理海量數據信息的優勢，採用層次分析法模型，進行麗江-香格里拉段鐵路規劃區的工程地質穩定性評價。基於評價結果，可以很好的指導該段線路比選和優化。

二、基於GIS的層次分析法原理

層次分析法（Analytical Hierarchy Process，簡稱AHP）是美國數學家SattyT.L.在20世紀70年代提出的一種將定性分析和定量分析相結合的系統分析方法。它適用於多准則、多目標的復雜問題的決策分析，可以將決策者對復雜系統的決策思維過程實行數量化，為選出最優決策提供依據（圖13-2）。經過多年的應用實踐，不少研究者開始將GIS技術與AHP方法相結合，大大提高了傳統的AHP方法在地學研究中的應用效果（Harris et al.，2000；劉振軍，2001；彭省臨等，2005）。基於GIS的層次分析法充分利用GIS技術的空間分類和空間分析功能，在評價指標數據採集、處理和自動成圖方面具有明顯的優勢，不僅可以對工程地質穩定性的相關影響因素進行更細致的逐次分析，而且在計算過程中不受計算單元數量的限制，因而評價結果更直觀、更便於應用。

圖13-1 滇藏鐵路麗江-香格里拉段線路方案示意圖

圖13-2 基於GIS的層次分析法技術路線圖

基於GIS層次分析法的工程地質穩定性分區評價過程大致可分為以下步驟：

（1）確定研究區、研究對象及研究目標，並進行數據分析，確定進行工程地質穩定性分區所需要的數據，包括數據來源、數據質量指標等。

（2）將收集的各種資料進行數據處理，包括在MapGIS 6.7軟體平台上進行數字化、格式轉換、投影轉換、分層及屬性編碼等，建立研究區、研究對象的空間資料庫。

（3）根據研究目標的特徵，分析影響目標的因素，建立目標的層次指標模型和層次結構，構造判斷矩陣，由專家對影響因素進行綜合評分，並進行層次單排序、求解權向量和一致性檢驗，從而獲得各指標因素值，並運用GIS空間分析功能提取分析因子。

（4）採用ArcGIS 9.2軟體平台，對評價區域進行柵格化，每一個柵格作為模型評價的一個運算單元，並將資料庫中的數據按照規則進行柵格化處理。再採用圖形疊加的模型評價方式，將參與評價的各個因素權值分配到不同的柵格上。將各個因素進行圖形疊加，對屬性值進行代數運算，再將疊加後的柵格數據化，生成新的圖形，並形成最終評價結果。

（5）工程地質穩定性分區評價的數學模型：

滇藏鐵路沿線地殼穩定性及重大工程地質問題

式中：B——工程地質穩定性指數，a_j——權重，N_j——指數。

（6）通過分析計算獲得的工程地質穩定性指數值的分布范圍，結合野外實際調查結果驗證，對不同區域的鐵路工程建設適宜性進行綜合分區評價。

I. 斜坡的穩定性評價

斜坡的穩定性分析的目的一方面是為了對與人類工程-經濟活動有關的斜坡穩定性及其發展變化做出科學評價和預測；另一方面是為了斜坡整治或邊坡設計提供科學依據。目前斜坡工程研究中，其穩定性評價方法主要有以下三種。

7.6.1 過程機制分析法

亦稱演變歷史分析法。這種方法的實質就是應用前述斜坡變形、破壞的基本規律，通過追溯斜坡變形發展演化的全過程，對斜坡穩定性現狀和發展總趨勢做出評價和預測。並通過對典型事例的深入剖析和其區域性發育分布規律的研究，對斜坡變形和破壞的區域性特徵進行預測。主要包括以下幾個方面。

7.6.1.1 根據階段性規律預測斜坡所處演變階段的發展趨勢

這方面的預測大致有以下一些內容。

7.6.1.1.1 確定斜坡可能的變形形式和破壞方式

如前所述，斜坡可能具有的變形形式和破壞方式與斜坡外形特徵、地質結構以及所處環境之間是密切相關的。對於一個具一定外形和結構特徵的斜坡，可以應用赤平投影方法綜合分析坡體中起控製作用的結構面或軟弱帶的空間組合狀況，即可大致確定斜坡的類型和可能發生的變形機制和破壞方式。

7.6.1.1.2 根據斜坡變形跡象判定斜坡演變階段

通過現場調研，查明某一具體斜坡已有的變形跡象，闡明其形成演變機制，即可參照前述各類斜坡變形模式的演變圖式和階段劃分的地質依據，確定斜坡所處演變階段。

分析中應特別注意變形模式的轉化標志。若彎曲-拉裂轉化為蠕滑-拉裂，必然引起後緣拉裂面閉合和錯動方式的改變，這是轉化標志，也是這類變形體即將產生深層大規模破壞的預兆。

7.6.1.1.3 演化全過程再現模擬分析

對於一些重要的斜坡和邊坡，通過現場調研，查明斜坡類型和變形機制模式，建立相應的力學和數學模型，採用物理和數值模擬再現。將模擬成果與實際調查情況進行對照，則可對斜坡目前的演變階段和發展趨勢做出評價和預測。

7.6.1.2 根據周期性規律判定促進斜坡演變的主導因素

促進斜坡變形破壞的各種因素，在地質歷史進程中都有其各自的周期性變化規律。例如：河流由侵蝕變為淤積、由淤積再轉為侵蝕；地震的周期性出現以及氣象、水文動態的季節性變化和多年變化等。因而斜坡演變也會受具有周期性變化規律所制約。這樣，追溯斜坡演變過程中的周期性規律，也就可以判定不同時期促進斜坡演變的主導因素。

某些重要斜坡和滑坡，也可採用再現模擬來定量評價斜坡失穩和滑坡復活的主導因素。7.6.1.3 根據區域性規律闡明斜坡穩定性分區特徵

在地質條件、地貌條件以及氣候條件相似地區，斜坡演變規律也會具有相似性。因而研究斜坡演變的區域性規律，進行合理區劃工作，具有十分重要的理論和實踐意義。斜坡演變的區域性規律，實際上決定於動力環境的形成和演變特徵。為論證這一規律，應在查明斜坡變形破壞的時空發育分布狀況的基礎上，系統分析各內外動力因素與斜坡演變的相關性。

根據上述分析進行區域性評價，尤應注意環境動力因素的演化對斜坡演變的影響。以近期地質構造活動為例，可表現為以下幾方面。

7.6.1.3.1 地區近期的升降特徵

地區近期的升降狀況，決定了區域斜坡穩定狀況的演化趨勢。

在評價河谷斜坡穩定性時，應注意河谷發育史中曾出現過的強烈下切期。這些時期也就是斜坡變形破壞的活躍期，常常可能保存著相應時期造成的古滑坡、崩塌殘體。這種現象在我國西南山區河谷中十分普遍，往往是水庫岸坡穩定性研究的重點地段。

圖7.15 大渡河瀘定下游一帶斜坡穩定性區域性狀況示意圖

7.6.1.3.2 地區構造最大主壓力方向及其變化

構造應力場在河谷發育過程中曾有過變動的地區，分析不同地質歷史時期最大主應力方向與河谷之間的關系，也是評價河谷斜坡穩定性的主要依據。河谷方向與歷次最大主應力方位近於正交的部位，往往是斜坡變形與破壞較強的部位。

7.6.1.3.3 活斷層面特徵及活動方式

在活斷層附近，應注意根據斷層面特徵及錯動方式判定斷層附近岩體的完整性。例如在平移斷層的兩側，斷面轉折帶和不同斷面的交匯部位必然是壓碎擴容帶，岩體完整性差，也是斜坡容易發生變形破壞的部位；而平直段則相對要完整得多，斜坡通常也比較穩定。大渡河上游石棉至瀘定段有一很好的實例，如圖7.15所示，近期有明顯反扭平移的金坪斷層在午尼附近由北西向急轉成南北向，這種形式與斜坡剖面上的滑移-壓致拉裂圖式相似，轉折部位相當於壓碎擴容帶，花崗岩體極為破碎鬆散，河谷兩岸發育一系列滑坡或滑塌，午尼附近的滑塌殘體超過1×10⁸m³。在斷層平直段，這種現象就比較少見。此外，活斷層的端部，往往也是斜坡變形破壞較活躍的部位。

7.6.2 極限平衡理論計算

目前的斜坡理論性分析方法較多，歸納起來主要有極限平衡理論計算，數值分析和概率統計分析等幾類。在工程實踐中，極限平衡理論發展最早，使用也最廣泛。

7.6.2.1 均質土坡穩定性計算

以極限平衡理論為基礎計算土坡的穩定性，如瑞典條分法、畢肖普法等。用這些方法計算土坡穩定性，假設邊坡破壞時的滑面形狀為圓弧面，通過試算或根據經驗找出最危險滑動圓弧的中心。土坡的穩定系數K為沿圓弧滑面的抗滑力矩和滑動力矩對滑動中心的力矩之比：

環境地質與工程

實踐表明，均質土坡的滑面多接近於圓弧形。故用圓弧法來計算均質土坡穩定時，比較接近實際。但由於計算時作了一些簡化，如把滑體看成均質剛體，滑面簡化為圓弧面，空間問題簡化為平面問題處理等。因此，在這種簡化條件下計算得到的穩定系數實際上仍屬於定性或半定量評價，必須根據邊坡的工程地質條件做出綜合的分析。對於非均質土坡的滑面形狀則取決於土的性質和土的結構，分析更為復雜。這種情況下，條分法較為實用。

7.6.2.2 岩質邊坡穩定性計算

岩質邊坡穩定性計算必須密切結合岩體的工程地質條件分析。首先要弄清邊坡滑動體的邊界條件，以便確定滑動體的形態。分析邊坡變形破壞時的滑動面、分割面和臨空面的產狀、形狀及受力條件。這些面在邊坡變形破壞時構成了邊界條件，受邊坡岩體的地質構造、岩體結構、邊坡形態及地貌、地下水、地表水等因素的控制。岩質邊坡在復雜條件下，往往有多組不同產狀的結構面，因而滑坡岩體的邊界條件是很復雜的。其中滑動面的性質、產狀、組合形態對岩質邊坡穩定性起決定性作用。根據結構面的產狀及組合情況，把岩質邊坡的破壞型式分為：同傾向單滑面型、同傾向多滑面型、不同傾向雙滑面型和多滑面型。對於同傾向單滑面和同傾向多滑面兩種情況的邊坡穩定性計算如下。

7.6.2.2.1 同傾向單滑面

同傾向單滑面是常見的邊坡型式，特別是滑動面走向與坡面走向接近一致，側向切割條件較好，有一定的臨空面且滑動面傾角α大於滑面摩擦角φ時，最易產生滑動。圖7.16所示，邊坡岩體在自重作用下發生沿AB面滑動，滑體自重為W，滑面長為L，根據極限平衡理論，則坡體穩定系數K的基本公式為：

環境地質與工程

圖7.16 同傾向單滑面邊坡穩定性計算圖示

式中α——潛在滑動面的傾角（°）；β——斜坡坡角（度）；φ、c——滑面的摩擦角和內聚力（度，kPa）；H、h——坡高、滑體厚度（m）；γ——坡體的天然重度（kN/m³）。

根據工程的等級和性質要求，一般K=1.1～1.5。特殊應力組合情況下穩定性系數K值可適當降低。從上式看出：單滑面平面滑動穩定系數與滑面長和坡角β無關，而與滑體厚度h成反比。這說明削坡減荷措施能削減滑體厚度，從而有效提高邊坡的穩定性。

當K=1時，即抗滑力等於下滑力，坡體處於極限平衡狀態，得出極限平衡時最大坡高H_max為：

環境地質與工程

當滑坡區地下水位較高，滑動體為相對隔水層時，在邊坡穩定性計算中要計入滑面上地下水的靜水壓力P_w，由此可得邊坡穩定系數為：

環境地質與工程

7.6.2.2.2 同傾向折線形滑動面

圖7.17 折線形滑動面滑坡計算圖

計算這類邊坡穩定性時，一般根據所查明的滑動面起伏情況，劃分為折線形的塊段，每一塊段底部滑面為平直的斜面，並確定各段參數（圖7.17）。根據我國鐵道部採用的滑坡推力計演算法來計算斜坡的穩定性，不考慮塊段兩側力的作用。

對第一塊段ABB′僅考慮其重力，則作用於滑面AB上的下滑力和抗滑力為：

環境地質與工程

第一塊的剩餘下滑力E₁為：

環境地質與工程

令λ₁=cos（α₁-α₂）-sin（α₁-α₂），第二塊的剩餘下滑力E₂為：

環境地質與工程

以此類推，計算出最後一個塊段的剩餘下滑力E_n為：

環境地質與工程

若E_n＞0，邊坡將會失穩，若E_n＜0，則說明無剩餘下滑力，邊坡穩定。當E_n=0時，邊坡處於極限平衡狀態。為了安全起見，將抗滑力除以一個安全系數K_s，一般取K_s值為1.05～1.25。

此法在國內應用較廣，為支擋工程設計提供了方便，但計算較繁瑣。為了簡化計算，也可採用水平投影法來求安全系數。首先分塊段計算出下滑力和抗滑力，然後投影到水平面上，求得K值，即：

環境地質與工程

7.6.3 工程地質類比法

工程地質類比法是目前工程實踐中很實用的一種簡易評價方法。其實質是把已有的天然斜坡和邊坡的研究或設計經驗應用到條件相似的斜坡評價或邊坡設計中去。這些經驗所考慮的因素包括斜坡剖面形態，斜坡變形破壞形式及其發展變化規律，斜坡的整治經驗等。在進行類比時，不但要考慮斜坡結構特徵的相似性，還要考慮斜坡所處的地質條件和自然環境的相似性以及促使斜坡演變的主導因素和斜坡變形破壞發展階段的相似性。在相似條件下才能進行類比。

我國在同自然地質現象的斗爭中積累了豐富的經驗，這是我們的寶貴財富，需要充分利用。在斜坡穩定性評價中，往往需要多種方法共同運用，相互補充，綜合論證，方能取得良好的效果。