工程地质稳定性评价

A. 区域地壳稳定性综合评价过程及结果分析

一、综合评价过程

1.计算单元的划分

根据研究精度要求，采用ArcGIS 9.2软件，按500 m×500 m的网格对研究区进行计算单元划分。在单元划分过程中，特别注意某些地质界线或影响带的边界，尽量做到单元边界与其一致（作为单元边界或将单元缩小），最终将研究区划分成1731703个计算单元。

图9-8 滇藏铁路沿线地质灾害易发程度分区图

2.权重的确定

根据前人推荐的地壳稳定性定量化评价指标权重分配方案（孙叶等，1998），并结合研究区的实际情况，分别对所选定的7项评价指标分配权重：

（1）断裂及其活动性的权重为0.20；

（2）地震活动性的权重为0.2；

（3）现今地应力集中程度的权重为0.15；

（4）地应变梯度的权重为0.11；

（5）地温的权重为0.12；

（6）岩性特征的权重为0.10；

（7）地质灾害的权重为0.12。

3.计算结果的归一化处理

采用ArcGIS9.2软件，统计每个单元各单因素的评分，再按上述权重值计算各单元的稳定性指数，即：地壳稳定性指数=断裂×0.2+地震×0.2+地应力×0.15+地壳活动速率×0.11+地温×0.12+岩土体特征×0.1+地质灾害×0.12。

采用上式计算出的各单元的稳定性指数值位于［2.49，8.73］之间（图9-9）。为了便于利用稳定性指数进行分级，将计算结果按式9-1进行归一化。其目的是使所有要素的评价结果均位于区间［0，10］之间。其计算公式为：

滇藏铁路沿线地壳稳定性及重大工程地质问题

式中：X₁（i，j）——评价要素j的第i评价单元归一后的数值；

X（i，j）——评价要素j的第i评价单元的数值；

minx（i，j）——评价要素j的最小值；

maxx（i，j）——评价要素j的最大值。

图9-9 区域地壳稳定性计算结果

二、综合评价结果

根据归一化处理后的区域地壳稳定性指数，并结合研究区的具体地质特点，可以将区域地壳稳定性分为稳定、较稳定、较不稳定和不稳定4级，稳定区的指数范围为0～2.5，较稳定区指数范围为2.5～5，较不稳定区指数范围为2.5～7.2，不稳定区指数范围为7.2～10（表9-6）。根据各单元综合评价的稳定性指数和分级标准，得到滇藏铁路沿线及周边地区的地壳稳定性评价结果（图9-10）。评价结果显示，滇藏铁路沿线的滇西北区、藏东南区和藏南区不同稳定级别地块所占比例具有明显的差别（表9-7）。

表9-6 区域稳定性综合评价分级标准表

滇西北地区，不稳定区约15714 km²，占该区面积的18%，较不稳定区36926 km²，占该区面积的42%，较稳定区33056 km²，占该区面积的38%，稳定区2174 km²，占该区面积的2%。不稳定区主要分布在红河断裂带、程海断裂带、鹤庆-洱源断裂带、丽江-小金河断裂带、楚雄-南华断裂和怒江断裂带部分地段。较不稳定区主要分布在红河断裂以东的不稳定区外围和红河断裂以西的保山地块内，并受澜沧江断裂和怒江断裂带的控制。较稳定区分布在不同方向活动断裂所夹持的稳定地块上，如红河断裂与澜沧江断裂之间的NW向地块。稳定区仅分布于程海断裂以东和丽江-小金河断裂带以北地区，在稳定区没有活动断裂。滇藏铁路通过的地段均为不稳定区和较不稳定区。

藏东南地区，不稳定区约23980 km²，占该区面积的11%，较不稳定区104307 km²，占该区面积的46%，较稳定区85436 km²，占该区面积的38%，稳定区12194 km²，占该区面积的5%。不稳定区主要分布在巴塘断裂、理塘断裂、怒江断裂和八宿断裂交汇处、嘉黎断裂带通麦-察隅段和东喜马拉雅构造结周边断裂系。较不稳定区分布在巴塘断裂和理塘断裂所围限的三角地带、怒江断裂和八宿断裂交汇处和东喜马拉雅构造结周边断裂系周围。较稳定区分布在不同方向活动断裂所夹持的稳定地块上，在三江地区和巴塘断裂、理塘断裂围限块体内侧有大面积分布。稳定区在三江地区和理塘断裂东北有小面积分布。滇藏铁路通过的地段以较不稳定区和较稳定区为主，局部地段为不稳定区。

图9-10 滇藏铁路沿线区域地壳稳定性综合评价图

表9-7 滇藏铁路沿线区域地壳稳定性分区表

续表

藏南地区，不稳定区3817 km²，占该区面积的28%，较不稳定区21985 km²，占该区面积的18%，较稳定区60098 km²，占该区面积的50%，稳定区34160 km²，占该区面积的28%。不稳定区主要分布在亚东-谷露裂谷带和错那-沃卡裂谷带。较不稳定区分布在亚东-谷露裂谷带和错那-沃卡裂谷带的外围和EW向墨竹工卡-工布江达断裂带上。较稳定区分布在EW向断裂带和SN向断裂带及外侧。稳定区在藏南中部有大面积分布，断裂带之间的地块基本上都属于稳定区。滇藏铁路通过的地段以较稳定和稳定为主，局部地段为不稳定区。

总体而言，藏南区地壳稳定性最好，藏东南区次之，滇西北区稳定性最差。地壳稳定性分区及其与铁路的关系详见表9-7。

B. 　区域环境工程地质评价

4.3.1区域稳定性分析

黄河三角洲是在基底构造甚为破碎、济阳凹陷的一个次级负向构造单元上发育形成的。由于区内东北部位于北西向的燕山——渤海地震带及北东向的沂沫断裂地震带的交汇部位，因而与新构造运动有关的构造地震异常活跃。据山东省地震局1985年10月布设的东营—垦利、陈家庄—河口的现代形变及牛庄—新刁口的两次a径迹测量结果，埕子口断裂、孤北断裂、陈南断裂、胜北断裂和东营断裂的现代活动都有显示，说明区内的区域稳定性较差。区内新生代以来的断裂活动表现为具有继承性脉动活动的特点。尤其是5号桩，桩西至海港一带位于上述两条活动断裂地震带的交汇复合部位，新生代以来断陷幅度最大，历史上曾发生过3次7～7.5级地震，区域稳定性差。根据以上的地震预测，影响烈度一般都在Ⅶ度以上，5号桩一带为Ⅷ度。根据我国建筑规范规定，一切建筑物都应设防加固，以保安全。

区内饱和砂土、饱和粉土具有液化的宏观条件。在历史地震发生时，曾有喷水冒砂、地面裂缝等现象发生。其液化程度受以下因素影响：土的颗粒特征、密度、渗透性、结构、压密状态、上覆土层、地下水位埋深、排水条件、应力历史、地震强度和地震持续时间等。

由于黄河三角洲地质体物质组成主要是粉砂，且孔隙度较高，加之形成期堆积速率快，造成地质体中含水量高。随着时间推移，在上覆沉积物挤压下，孔隙中水逐渐被挤压，造成地质体压缩，导致地面下沉。根据1988年在黄河海港地区实测，该地区压实下沉速率可达6cm/a，因此由于地面下沉所引起的海面相对上升则更加剧了海岸侵蚀。

另外，近几十年来的人为活动加剧了本区地面沉降的发展，如：建筑地基承载力不足引起的土体压缩，地下水、石油、卤水的开采所引起的含水层、储油层压缩等。

由此可见，黄河三角洲地区环境工程地质问题颇多，本节将对直接影响东营市经济发展和规划的地表下25m土体工程地质类型及其物理力学性质、工程地质性质的区域性变化等进行深入研究。

4.3.2土体的工程地质分类及工程地质特征

区内小清河以北为黄河三角洲平原，小清河以南多为山前冲洪积平原，基岩埋深在数百米以下，表层均为第四系松散沉积物，鉴于一般工业与民用建筑物地基持力层一般均在15m以上，一般中高层建筑物持力层一般在25m以上的特点，下面仅以0～25m的土体为对象，进行分析和研究（图4-6）。

图4-6地表土体类型示意图

1.土体的岩性与结构特征

（1）土体岩性分类

区内0～25m深度内的地层多为第四系全新统地层，其沉积环境受黄河和海洋交互或共同影响，形成了以细颗粒为主的地层。所表现出的岩性以粉土最为广泛，其次为粉质粘土、粉砂、粘土，局部有细砂，其主要岩性特征见表4-6。

表4-6黄河三角洲0～25m地层岩性分类及主要特征表

（2）土体结构特点

区内土体结构无单层结构，多为多层结构，（多层结构是指一定深度内由3层或3层以上的地层构成），这也是区内的沉积环境所决定的，该区濒临渤海，是河流的最下游段，河道游荡较频繁，古地貌特点反复变化，携带泥、砂的水动力特点也随之变化，因此，区内一般无巨厚的单层岩性沉积。

2.土体工程地质特征

（1）山前冲洪积平原区土体工程地质特征该区地面下25m的沉积物为第四系全新统冲积、洪积（

）物，岩性以土黄—灰黄色粉质粘土、粉土为主，古河道带有粉砂、细砂分布，湖沼相沉积的灰黑色淤泥、淤泥质土比较少见。土层物理力学性质较好，承载力较高。

（2）古黄河三角洲区土体工程地质特征该区地面下25m的沉积物为第四系全新统冲积、海积、湖沼相沉积（

），上部多以土黄色—褐黄色粉土、粉质粘土为主，古河道带有粉砂分布；中部多有灰黑色淤泥质粉质粘土分布；局部有粉砂分布，下部以土黄色粉土、粉砂为主。土层的物理力学性质在水平和垂向上均有较大的变化，局部有小片的软土和高盐渍土分布。

（3）现代黄河三角洲平原区土体工程地质特征

该区地面下25m的沉积物为第四系全新统冲积海积物（

），上部多以土黄—灰黄色粉土、粉质粘土；中部为灰黑色粉质粘土或淤泥质土，具腥味；下部多为浅灰色粉砂土层的物理力学性质在水平和垂向上均有较大的变化，软土分布面积较大，盐渍土呈片状分布，为弱—中等盐渍土。

3.地表下0～25m土体物理力学指标的变化规律

（1）古黄河三角洲区的物理力学性质总体上好于现代黄河三角洲，这正是由于现代黄河三角洲的成陆时间晚于古黄河三角洲，其自重固结的程度差于前者。

（2）无论是古黄河三角洲区还是现代黄河三角洲区各类岩性土层的物理力学指标显示出一个较明显的规律，即从地表向下随深度的增加土层的物理力学指标以较好—较差—好发生变化。一般较差的深度段在5～10m和10～15m。这一变化规律也与区内的沉积环境相吻合，力学指标较差的深度段为1855年黄河改道以前沉积的冲湖积、冲海积相为主的地层。

4.3.3天然地基承载力、饱和砂土液化及软土与盐渍土

1.天然地基承载力

黄河三角洲地区基土承载力在不同位置、不同层位均有较大变化，从小于80kPa到大于300kPa。天然地基承载力指自地表算起的第一层或第二层基土（当第一层厚度小于3m，且第二层基土承载力高于第一层时，取第二层承载力数据）的承载力。区内天然地基承载力可分为4个等级（表4-7），其分布与变化规律与地貌单元有较密切的相关关系（图4-7）。

（1）承载力低区（f_k＜80kPa）的分布

① 呈条带状分布于现代黄河三角洲工程地质区内。如利津县虎滩乡西南—河口区义和镇南部、河口东南孤河水库—渤海农场总场北以及现代黄河入海口北侧等地，以上各地带多为1855年以后成陆，且位于滨海低地或洼地内，排水条件差，自重固结程度低。

表4-7天然地基承载力分区特征表

② 呈小片状分布于古黄河三角洲平原区。如东营区胜利乡南部，利津县王庄乡南部等。

（2）承载力较低区（80≤f_k＜100kPa）的分布

① 沿海岸线分布，宽度不一。

② 沿黄河泛流主流带边缘、前缘和洼地展布。如利津县大赵乡—虎滩—罗镇—河口区一带、集贤乡—渤海农场总场、孤北水库北部、利津前刘乡—东营区西城，以及东营区龙居乡—西范乡一带。

（3）承载力中等区（100≤f_k＜120kPa）的分布

① 分布于决口扇的顶部及缓平坡地区。如利津县南宋—北宋—明集，东营区龙居乡—油郭乡—六户镇—广饶县丁庄乡以及胜坨乡—高盖乡等地。

② 分布于现代黄河三角洲顶点附近。如宁海乡—汀河乡、宁海乡—傅窝乡一带。

③ 分布于现代黄河三角洲北部、东部。如河口区新户—刁口乡、孤东水库—五号桩、垦利县建林乡—孤东水库、建林—西宋乡。

（4）承载力较高区（f_k＞120kPa）的分布

① 分布于古黄河三角洲的南部。如牛庄—陈官—小清河一带。

② 分布于小清河以南的山前冲洪积平原区。

③ 零星分布于近代黄河三角洲平原区的地势较高处。

2.饱和砂土液化

砂土液化是指处于地下水位以下松散的饱和砂土，受到震动时有变得更紧密的趋势。但饱和砂土的孔隙全部为水充填，因此，这种趋于紧密的作用将导致孔隙水压力骤然上升，而在地震过程的短暂时间内，骤然上升的孔隙水压力来不及消散，这就使原来由砂粒通过其接触点所传递的压力（有效压力）减少，当有效压力完全消失时，砂层会完全丧失抗剪强度和承载能力，变得像液体一样的状态，即通常所说有砂土液化现象。

区内的饱和砂土、饱和粉土具有液化的宏观条件，在历史地震发生时，曾有喷水冒砂、地面裂缝等现象发生。其液化程度受以下因素影响：土的颗粒特征、密度、渗透性、结构、压密状态、上覆土层、地下水位埋深、排水条件、应力历史、地震强度和地震持续时间等。

液化判别就是根据土的物理力学性质及其他工程地质条件，对土层在地震过程中发生液化的可能性的判别。国家标准《建筑基础抗震设计规范》（GBJ11-89）中规定了饱和砂土、饱和粉土的液化判别方法，在对区内饱和砂土、饱和粉土的液化判别时，即依照了前述规范提供的方法，在液化势宏观判定的基础上，采用了原位测试资料——标准贯入试验进行了液化临界值和液化指数的计算。根据液化指数对地基液化等级的划分见表4-8。区内液化砂土的分布规律见图4-8。

（1）严重液化区

① 分布于现代黄河三角洲顶点，向北向东呈扇形展布的黄河泛流主流带的中上游部位，主要在陈庄镇—六合乡、虎滩乡—义和镇一带。

图4-7天然地基承载力分区示意图

表4-8地基液化等级表

② 零星分布于废弃河道带和决口扇，如下述地带：东营区永安乡—广北水库一线，呈条带状分布，为废弃河道带；利津县店子乡—前刘乡，呈片状分布，为决口扇的中部；东营区史口乡附近、东营区六户镇西侧、河口区新户乡东北等地。

该区内的饱和粉土、饱和粉砂颗粒均匀，粘粒含量低，沉积厚度较大，形成年代新，固结程度差，因此是最易发生液化的地区。

（2）中等液化区

① 分布于较大的决口扇及决口扇前缘坡地地带，利津县城东—明集乡—大赵乡、东营区胜利乡—董集乡—油郭乡一带。

② 分布于黄河泛流主流带或其边缘地带。宁海乡—垦利县城；陈庄镇—傅窝乡；渤海农场总场东—建林乡—新安乡；义和水库南—河口区。

③ 在滨海低地带内有零星片状分布，五号桩及以东地区；刁口码头东北—孤北水库北部；新户乡以西及以北的近海地带。该区一般位于严重液化区的外围及决口扇顶部位或零星分布于小规模的黄河主流带，饱和粉土、粉砂的粘粒含量较低，固结程度较差，因此是较易发生液化的地区。

（3）轻微液化区

① 分布于古黄河三角洲泛滥平原及决口扇边缘，如下述地带：利津县南宋乡—北宋乡；东营区龙居乡—广饶县陈官乡—丁庄乡。

② 分布于现代黄河三角洲的非黄河泛流主流带区，如下述地带：利津县王庄乡—垦利县胜坨乡；利津县集贤乡—垦利县城东部；河口区太平乡—义和水库。

该区粉土、粉砂的沉积厚度较小，粘粒含量较高，因此液化程度较轻。

（4）非液化区

① 分布于工作区小清河以南的山前冲洪积平原，该区地下水位埋藏深，水位以下的饱和粉土，粉砂密实程度较好，因此不易液化。

② 分布于沿海地带的滨海低地，该区除河口相沉积外，地层粘粒含量较高或以粘性土为主，因此不易液化。

3.软土与盐渍土

（1）软土

软土一般是指天然含水量高、压缩性大、承载力低的一种软塑到流塑状态的粘性土。如淤泥、淤泥质土以及其他高压缩性饱和粘性土、粉土等。黄河三角洲地区地处渤海之滨，具有软土的沉积环境，钻探资料亦证明，区内呈片状分布着软土。

① 软土的划分标准

本次划分软土时采用如下方法：当满足下列条件之一时，并且厚度大于0.50m，将其确定为软土：承载力标准值f_k＜80kPa；标贯锤击数N_63.5≤2；静力触探锥头阻力q_c＜0.5MPa；流塑状态。

② 软土的空间分布

软土主要分布于区内的东北部滨海地带、河口—刁口码头一带。利津县罗镇—黄河故道西、垦利县下镇乡东部，另外在利津县明集乡—广南水库一线呈不连续片状、碟状分布。

③ 软土的成因及主要物理力学性质

区内的软土具有两种成因：①烂泥湾相沉积：在历次河口的两侧，沉积的以细粒成分为主的土层，一直处于饱和状态，排水固结过程进展缓慢，所以土的力学性质很差。颜色以灰褐色为主，流塑态，土质细腻，岩性以粉质粘土为主，夹粉土和粘土薄层。②滨海湖沼相沉积：颜色以灰—灰黑色为主，有机质含量较高，具腥臭味，为淤泥或淤泥质土。

图4-8地基砂土液化分区示意图

表4-9软土的主要物理力学指标统计表

从表4-9中可以看出：区内软土具有含水量高、孔隙比大、压缩性高、承载力低的特点，在荷载作用下变形较大，对建筑物极为不利。因此，在工程建设规划时，应尽量避开有软土分布的地区。在无法避开软土的建筑物，应对区内的软土有足够的重视，采取一定的处理措施，对于一般工业民用建筑可采取粉喷桩法进行处理，对于高层重型建筑物应采取深基础，如沉管灌注桩等，以避开软土的不利影响（图4-9）。

（2）盐渍土

当土中的易溶盐含量大于0.5%，且具有吸湿、松胀等特性的土称为盐渍土。区内的盐渍土为滨海盐渍土，按含盐性质则大部分属氯盐渍土，局部为硫酸盐渍土，盐渍土按含盐量可分为弱盐渍土（0.5%～1%），中盐渍土（1%～5%）、强盐渍土（5%～8%）和超盐渍土（>8%），区内的盐渍土主要为弱盐渍土，局部地段有中盐渍土（见图4-10）。

4.3.4工程地基适宜性评价

工程建筑地基适宜性受多种因素的影响，为达到评价结果清晰简洁、合理反映出区内建筑适宜性等级的目的，选用了专家聚类法（亦称总分法）进行评价。评价过程为：首先拟定评价因子，对各评价因子量化、分级并给定各级别的标准分，其次用傅勒三角形法确定各评价因子的权重，然后计算各勘测点单项因子分值和总分值，再按各点的总分值进行分区。最终的评价结果见表4-10、4-11、4-12、4-13。

图4-9软土分布示意图

图4-10盐碱土分布示意图

表4-10一般工业与民用建筑地基适宜性评价方案（评价深度10m）

① 沉降因子

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

② D_Ⅰ——山前冲洪积平原；D_Ⅱ——古黄河三角洲平原；D_Ⅲ——现代黄河三角洲平原。

表4-11一般工业与民用建筑地基适宜性评价分区说明表

表4-12高层重型建筑物地基适宜性评价方案（评价深度25～30m）

表4-13高层重型建筑物地基适宜性评价分区说明表

一般建筑、高层建筑物地基适应性评价分区见图4-11、4-12。

图4-11一般建筑物地基适宜性评价分区示意图

图4-12高层建筑物地基适宜性评价分区示意图

C. 工程地质评价

1、工程场地的稳定性与适宜性；
2、工程地质、水文地质条件；
3、预测工程对既有建筑的影响，工程建设产生的地质环境变化，以及地质环境变化对工程的影响；
4、提出各类建筑物工程措施建议意见；
5、预测施工、运营过程中可能出现的工程地质问题，并提出相应的防治措施和合理的施工方法。

D. 黄土地下建筑的工程地质和稳定性评价

一、工程地质工作在黄土地下建筑中的地位

（一）勘察工作的必要性

勘察工作是了解情况的工作，是哨兵工作，它在建筑中的地位是十分重要的，在新的黄土地下建筑的建设中，有些单位很重视，从选点一开始，就重视工程地质工作，为以后的设计和施工创造了好的条件，但有些单位还不够重视，认为有了民间黄土窑洞的经验，建设黄土地下建筑就不成问题了。其实这是不对的，民间黄土窑洞的经验要吸取，而且必须要吸取，但这些分散的经验，还需要以现代科学去进行总结和提高，特别需要指出，民间黄土窑洞与工业用的黄土地下建筑是有一段相当大的距离，是不能直接套的，如有一个工程，当设计人员进入场地时，工期已近，而勘察工作一点也没有做，这就使设计人员难于作出正确的判断。以后虽然勉强做了一些，但地质情况还没有摸清楚，就组织大面积施工，结果欲速则不达，施工中遇到了一些有可能避开的不良地质现象，如洞口出现厚层的近代坡积层，造成洞面和引道的塌方，洞体放在新第三纪（新近纪）的红粘土层中，出现严重的剥落和坍塌，以及遇到地下水等，事与愿违，反而延长了工期，有几个洞没有达到要求的深度，甚至个别的被迫放弃。

通过以上的一些经验，我们认识到，黄土地下建筑的建设，虽然有民间黄土窑洞的经验，但了解情况的勘察工作仍然是十分重要的，当然，勘察的方式方法可以多种多样，有专业队勘察，也有其他方式勘察，目的是要摸清情况。

（二）选点问题

选点是建设工作的开始，可以考虑在工作之初，能避免犯方向性的错误，非常重要。黄土是分布广泛的堆积物，是有选择余地的，如果认真地选是可以选到比较好的地方，山西的一些工程，在选点上就下了工夫，这些点的工程地质条件就比较好，位于汾河两岸的黄土台塬区，地貌简单，地层稳定，岩性较均质，结构较密实，土的强度中等，没有地下水，不良的地质现象较少，因而在勘察、设计、施工时都比较顺利，使用没有什么麻烦。但选得不当的也有，如只考虑埋深，而忽视其他方向，结果把地点放到老乡说的“坍坊A”里去了，终因地质复杂，不适用，大部分报废了。选点不仅要在大范围内选，而且在小范围内也要认真地选，有时在其地质条件相同或相似的情况下，往往一沟之差，就会差之千里。如某工程选在盆地的边缘，临近基岩山地，由于基岩的剥蚀面高低不平，黄土地层的厚薄不均，空间分布规律性差，这就使洞室既不能保证有足够的埋深，又有可能挖到基岩，或遇到地下水，造成很大困难，像这样的情况一般是可以避免的，如果把场地向盆地中心移一点，离开基岩山地，不利的地质条件就可以得到解决。

根据现有资料和经验，从工程地质条件来说，黄土地下建筑工程的位置，宜选在山岳与河谷平原之间的中心稍上的地带、大河支流的两侧，因为这些地带，黄土冲沟深，黄土地层厚，层位稳定，基岩埋藏深，滑坡等不利地质现象较少，遇到上层滞水的可能性也较小。

（三）测绘和调查

工程地质测绘和调查是勘察工作中最基本最常用的工作方法之一。黄土的直立剖面多，且黄土地下建筑一般是山区建筑，在山区，天然露头一般较好，但地貌条件比较复杂；由于人烟稀少，研究程度一般较差；有着丰富的民间开挖黄土窑洞的经验，因此，在解决黄土洞室的工程地质问题时，应重视工程地质调查和测绘。其工作可分为两个方面。

1）场地工程地质条件的调查和测绘。这个工作过程是大家所熟悉的，那就是首先在前人所研究过的一般理论和区域工程地质条件知识的指导下，从场地的实际出发，研究地貌特征、地层规律、水文地质条件、自然地质现象等，从而进行工程地质分区、分段。

2）民间黄土窑洞的调查和测量。这项工作是黄土洞室的工程地质勘察中所特有的，由于地下建筑的计算理论尚未过关，而我国黄土地区有大量黄土窑洞的存在，所以吸取民间黄土窑洞的经验是建设黄土地下建筑的一个实际的途径，因此，在勘察时须对场地附近的民间黄土窑洞进行调查研究，在调查时，除测量黄土窑洞的几何尺寸外，还要着重对各个窑洞所处的地段，进行工程地质条件的研究，并应在有代表性的窑洞地点，采取少量的土样，作一般的物理力学性质的分析，使其与场地的工程地质条件进行比较，从而采用工程地质比较法，吸取其经验。

在作了以上两个方面的调查和测绘之后，就可以对场地内设置黄土地下建筑物能否达到使用要求，以及经济、安全等作出初步的评价，为下一步工作指出了方向。

（四）勘探和试验

在勘探点的布置上，我们认为应该考虑以下两个原则：①以掌握不同地貌单元和不同层位的工程地质性质为主，而不是按照网状等地面建筑的布置方法，如此，就可以充分利用能间接反映工程地质性质的地质、地貌规律，减去大量的勘探工作量；②尽可能使探井和单洞的布置，与初步拟定的通风井和洞室的布置相结合，这样，既不破坏地层，将来又可利用。

在试验工作上，目前一般都用评价指标解决黄土地下建筑的稳定性问题。对于评价指标的选取，我们采用了土力学中的一般概念，认为洞室主要是强度问题，因此，首先考虑内摩擦角和凝聚力，其次考虑湿陷系数和压缩系数，湿陷系数虽然没有像评价黄土地基那样重要，但仍不失为一个评价指标，它对洞室要不要防水是有价值的。除了这些试验过程复杂，易产生误差的力学指标外，还有试验简单、能反映实际情况的物理性指标，总之需要全部的物理力学性质指标，这样可以作较全面的多指标的分析。在总图设计时，由于要掌握较大范围内的黄土性质的空间分布规律，这样多指标的分析，就显得更加重要。就是在结构设计时，这种多指标的分析，仍要采用，可以避免片面性，当然这个阶段，在结构影响的范围内，要多做些力学指标，搞得准一点，这样它们与影响洞室稳定性的其他因素结合在一起，才能作出比较符合实际的洞室稳定性的评价。

（五）施工期间的工程地质工作

施工时的工程地质工作，在地下建筑中，甚为重视。黄土地下建筑也应如此，因为尽管勘察时做过详细的勘察工作，但不可能，也不必要，对每个洞位都进行勘探，许多都是用现有理论或经验推理一下，这难免与实际情况有所出入，这有待于在施工大量揭露地层时，根据变化了的工程地质情况，改变其设计方案和施工措施，同时也是验证理论，加深对工程地质规律的认识，提高勘察工作水平的好时机。因此，工程地质人员和设计施工人员都要重视这个时期的工程地质工作，才能较好地完成生产任务和提高技术水平。

（六）黄土洞室的工程地质分类

我们在研究黄土地下建筑之前，对我国黄土的工程地质类型和区域分布规律已有一定的认识，因此，在研究黄土地下建筑的一开始，就在众多的工程中，有目的地选择有代表性的典型地区和地层进行研究，开始在六盘山以西的陇中盆地地区，这里广泛发育着松散的新黄土地层，工程地质性质差，以后在陕西渭北黄土塬梁区，这里发育着老黄土的下部地层，工程地质性质好，再后到陕西关中黄土台塬区和山西黄土台塬区，这里广泛发育着较密实的老黄土上部地层，工程地质性质中等。通过对这4个工程的黄土地下建筑的研究，使我们对影响洞室稳定性的工程地质因素有着一定的认识，我们认为目前可以根据影响黄土洞室稳定性的工程地质因素资料和区域工程地质资料，将我国黄土大致划分为3个主要类型（表1），以供今后评价黄土地下建筑物的稳定性参考。

（七）几点初步认识

1）勘察工作是必须搞的，搞的方式方法可以是多种多样，是专业队搞，或者其他方式搞，目的是要弄清情况，便于以后有针对性地确定建筑措施。

2）选点是建设工作的开始，是在广阔的范围选择有利的自然地质条件，是勘察工作中的重要一环，点选好了，有了一个比较好的物质基础，以后的工作要顺利得多。

3）黄土的直立剖面多，天然露头好，尤其是在山区，因此，应加强工程地质测绘工作，这样可以做到事半功倍，减少不必要的勘探工作量。

4）在勘察过程中，要注意民间黄土窑洞的调查，并着重从工程地质上多作分析，为评价黄土洞室稳定性时提供资料。

5）勘探点（包括钻孔、探井和平洞等）的布置，以掌握不同地貌单元和不同层位的工程地质性质为目的，并尽可能地与初步拟定的通风井和洞室结合起来。

6）目前要提供的是评价指标，较全面的评价是多指标的评价，因此，需作全部的物理力学性质指标（包括湿陷系数），但其中以凝聚力和内摩擦角的强度指标为最重要。

7）施工期间的工程地质工作，不能忽视，工程地质人员与设计施工人员的紧密结合，可以做到随地质情况的改变而改变其设计方案和施工措施，同时也可以做到加深对黄土工程地质规律的认识，提高勘察工作的水平。

8）通过黄土地下建筑的实践和区域工程地质资料，目前可将我国黄土大致划分为3个主要类型，即高强度的甲类黄土、中强度的乙类黄土和低强度的丙类黄土。以供评价黄土地下建筑的稳定性参考。

表1 黄土洞室的工程地质类型

二、黄土地下建筑的稳定性评价

（一）民间黄土窑洞的调查

在地下建筑的设计中，洞室稳定性的评价方法有许多种，如理论计算法、实测试验法、工程地质比较法等，这些方法，虽然各有其特点，但也反映人们对地层压力的认识还是不够的，以致在解决具体设计任务时，常常面临的第一个问题，就是如何选择一个比较符合实际的评价方法。

由于黄土在我国分布很广，我们祖先早就利用黄土窑洞作为住宅，经过数千年的历史，一直延革到现在。在民间已积累起丰富的建设黄土洞室的经验，我们要把建设黄土地下建筑的工作做好，就必须调查研究民间黄土窑洞，这是十分重要的。但还要看到，埋藏在群众中的一些原始的、零碎的、没有通过整理的分散经验，需要用科学的方法去总结、去提高，才能有更普遍的意义，才能发挥更大的作用，否则也是会出问题的。有些单位在调查民间窑洞时，重视分析研究，效果也比较好，如现在已建成的很多黄土地下建筑就是这样，但也有一些单位，不加分析地乱套，结果碰了壁，如某工程不顾条件地乱搬，土质条件只能打较小跨度，套土质好跨度大的民间窑洞打，结果没有打成，造成损失。又如另一个工程也不顾条件地乱模仿，本来可以把跨度搞得大一些，结果弄得比较小，造成使用的不方便。目前不论用得好的，或者碰了壁的，这方面的经验都没有很好地总结起来，民间黄土窑洞分布在各种复杂的地质条件下，断面尺寸大小不同，如何去调查又如何将其经验用到工业用的黄土地下建筑上，我们进行过一些摸索，做法大致是这样，在调查民间黄土窑洞之前，首先对拟建场地的工程地质条件作较深入的了解，其次在调查民间黄土窑洞时，除仔细测量断面的几何尺寸，询问开挖时的情况和以后的变化趋势外，还要仔细研究窑洞所处地点的工程地质条件，并比较其与拟建场地的工程地质条件的异同，如果基本相同或接近，就可以参考这些民间黄土窑洞的建设经验，进行设计、进行施工，因为在工程地质条件基本相同的两个地点，一地由于开挖洞室所出现的现象，在另一地以同样的方式开挖，其现象必然会重复出现。这在道理上是说得通的，在实践上也是解决问题的，由于吸取民间窑洞的经验而现在已经建成的若干洞室就是最好的例证。在民间黄土窑洞的调查中，还会出现这样的情况，工程地质条件可以比较，但所测到的断面尺寸不够理想，也就是说工业用的黄土地下建筑要求比较大的跨度，而民间黄土窑洞的跨度大多数情况下比较小，因为生活用的窑洞一般有3～4m宽的跨度就够了。只有民间特殊用的窑洞跨度才大些，如磨坊、仓库等，这些特殊的较大跨度的民间黄土窑洞，往往是我们调查研究的重点，因为它可以较好地作为建设工业用的黄土地下建筑的借鉴，我们这种做法，实际上是工程地质比较法在黄土地下建筑设计中的应用，以下我们想从方法意义上加以具体的说明和讨论。

（二）工程地质比较法的概念和应用

工程地质比较法就是用比较的方法，认识工程地质的规律，并运用这一规律为建设服务。也就是将已建建筑物所处的工程地质条件，与拟建建筑物所处的工程地质条件，加以周密地比较，从而预测拟建建筑物的发展情况，达到建设的目的。在这方面需要具体明确的问题是，必须弄清工程地质条件的内容，对工程地质的分析，要以自然历史分析方法为基础结合力学分析方法解决实际问题，因此，工程地质的比较，既不能理解为地质方面的比较，而忽视力学的分析，又不能只用力学方面的比较，而不注意地质的特点，两者不可偏废，而要结合考虑。我们在评价黄土洞室稳定性时，在作拟建场地的工程地质条件与黄土洞室（黄土窑洞）所处的工程地质条件的比较时，既要考虑黄土的地貌、地层、构造等特征，同时还要注意测定黄土的物理力学性质，特别是强度指标，并分析地质特征和物理力学指标与成洞的几何特征的关系，这样对黄土洞室的工程地质条件可以获得较全面的知识，从而才能正确地使用工程地质的比较方法。但采用这个方法的条件是，必须有已建成的洞室作借鉴，对于黄土洞室来说，这种借鉴是比较容易得到的。因为有大量民间黄土窑洞和已建成的若干黄土洞室的存在，可作为借鉴，作为样板，作为再发展的基础。根据我们先后在甘肃（1965）、陕西（1966、1967）、山西（1968、1969）使用工程地质比较法的经验和1971年对黄土洞室进行的调查研究，目前客观上已有可能用工程地质比较法的概念，对已存在的若干黄土洞室和民间黄土窑洞所处的工程地质条件进行综合分析，初步整理出黄土地下建筑物的稳定性评价表（表2），即黄土洞室的经验尺寸，以供进一步使用工程地质比较法之用。这个表是以我们民间黄土窑洞的调查资料和4个试验点的实测资料为基础进行编制的。只要符合有2的工程地质类型，断面形式，衬砌结构和施工方法的，其洞室是安全的，它可以作为目前评价黄土地下建筑稳定性的参考，我们认为这是现阶段解决黄土地下建筑设计问题的一个重要途径。

表2 黄土洞室的经验尺寸

从表2中可以看出，最大跨度是9m，如生产要求更大的跨度，可以把研究黄土地层压力与建立比较的样板结合起来，表2中7m,9m 两种跨度就是通过研究黄土地层压力的实测试验建立起来的。这样做实际上是实测试验的一种，先试出一个样板来，再进行设计，进行推广，以下我们再谈谈实测试验法。

（三）实测试验法的应用

实测试验法不仅是研究地层压力的主要手段，而且也是解决生产实际的好办法。一般可以把研究地层压力与解决当前生产问题结合起来。我们在甘肃的工程上用的工程地质比较法，做出场地评价后，接着又用实测试验法去验证其结论是否正确，这样就把长期研究地层压力的任务与近期解决生产实际问题结合起来。我们在陕西、山西也是这样做的，把研究地层压力的实测试验与验证设计思想和建立样板结合起来，这样就能不断推动生产前进，积累科学研究资料，如陕西8.8m 净跨洞的地层压力的实测试验，就是通过验证其设计是否正确的过程中进行的，而山西的6m,7m,9m 3种净跨洞的地层压力的实测试验是为建立样板推动全面而开展的，它们既有研究任务又有生产要求。实测工具已日益增多，测变形的可用精密水准仪、千分表等，测压力的可用压力盒、支柱测力计等，测结构应力的可用电阻丝片。

从检验结构是否安全的观点出发，测量工具有1～2项就行了，如果有目的地研究地层压力就要有多工具的进行，因为测试的误差目前尚难消除，像压力盒的野外埋设问题就没有解决，测到的就不是真正数值，所以多工具的实测可以互相校正。

实测试验法主要是进行科学研究的方法，用它来进行设计会给工作带来创造性，但使用它要有条件，要有实测试验工具和使用工具的人，并且还要先搞出样板洞，才能进行全面设计，因此，比较复杂，只有在特殊情况下，才使用它。

（四）几点初步认识

1）调查民间黄土窑洞，挖掘其建设经验，是设计黄土地下建筑的特点，通过调查，会大大丰富我们的感性认识，能较好地解决当前的生产任务，同时也会大大焕发我们的学术思想，增强我国走自己黄土地下建筑发展道路的信心。

2）工程地质比较法是评价黄土地下建筑稳定性的方法之一，在目前黄土地层压力尚未掌握的情况下，它是有实用意义的。

3）表2是现有若干黄土窑洞和黄土洞室资料的综合整理，它可作为设计的参考。这是满足当前生产迫切要求的一个重要步骤。

4）实测试验法是长期研究黄土地层压力的方法，也是当前评价黄土地下建筑稳定性的方法之一，在工程地质比较法无条件做出比较的情况下，可通过研究地层压力与解决当前生产任务相结合的方法，先试出样板，然后进行比较、进行设计。

5）无论工程地质比较法还是实测试验法，都有它们自己的特点和使用条件和范围，不能过分强调哪一个。理论计算法，由于实测资料不够，我们研究得也较少，所以这次未加讨论，随着实测资料和生产经验的不断积累，新的符合实际的理论计算法将会出现，并起着它应该起的积极作用。

（本文是作者于1972年4月13日在西安召开的“黄土地下建筑经验交流会议”上所作的发言的前两部分。）

E. 崩塌稳定性评价

崩塌体稳定性评价是为崩塌成灾的可能性和危险性评价提供依据，为防灾抗灾和编制防治工程可行性报告提供依据。

1.稳定性评价的内容

(1)稳定性现状评价

在综合分析调查资料的基础上，对崩塌体(危岩体)在现有因素作用下的稳定性进行评价。

(2)稳定性预测评价

包括:①崩塌稳定性发展趋势及破坏产生时段的预测;②主要致灾外动力作用(暴雨、地震、库水位升降、人工振动及其叠加作用等)的致灾强度、灵敏度分析与概率预测;③崩塌方式、规模及运动特征预测;④派生灾害的预测。

2.稳定性评价的方法

崩塌稳定性评价的方法有地质分析、数理分析、概率分析、模型试验和模拟实验以及利用动态监测资料分析判断等。由于灾害地质体的复杂性和认识的局限性，仅仅采用某一种方法就下结论，是有很大风险的，应采用多种方法进行综合判断。这些方法中，地质分析、模拟试验为定性评价，但地质结构是地质灾害的主控因素，因此，地质分析是稳定性评价的基本方法，具有决策意义。

(1)地质历史分析法

根据调查获得的资料，运用工程地质学等多学科知识对崩塌体进行稳定性分析。方法有变形历史分析法、工程地质类比法、岩体稳定的结构分析法等，包含理论分析和类比分析。在分析中应确立地质灾害研究的系统观，即地质灾害系统内部的有机联系原则、整体性原则、有序性原则和动态原则。

1)岩体稳定的结构分析:分析主要结构面之间、结构面与临空面之间的组合关系，确定可能失稳的结构体的形态、规模与空间分布，判定不稳定块体可能移动的方向和破坏方式。主要采用图解分析，包括摩擦圆法、玫瑰图法、极射赤平投影法、节理统计极点图与等密度图、平面投影法和实体比例投影法等。

2)类比分析:根据相似性原则将已经发生过的崩塌体特征、成灾条件、成灾动力、成灾因素、成灾类型和成灾机制与被调查对象进行类比分析，评价其稳定性。

相似性具体包括:①崩塌体岩性、主控结构面、岩土体结构、斜坡结构等相似性;②崩塌体赋存条件相似性;③孕灾因素、动力因素相似性;④发育阶段相似性。

3)地质综合分析评价:在以上分析的基础上，根据灾害地质学的理论，对崩塌体的形态特征、地质结构、成灾条件、成灾动力、成灾因素、变形破坏形式和特征、失稳条件和机制等进行全面系统的分析，评价崩滑体现阶段的稳定性，预测其发展趋势，评价其失稳的必要条件、相关因素、失稳的可能性和失稳的规模、方式、方向，预测失稳的时间。

(2)数理分析法

常用的有极限平衡法、有限元法等。

3.稳定性评价的一般要求

1)查明可能失稳的地质体的边界条件和荷载条件:这是稳定性评价的重要前提。荷载条件包括自重力、静水压力、动水压力、扬压力、库水压力、浮托力、地震力、人工动力、地应力和工程荷载等。稳定性现状评价主要考虑已经产生并持续作用的荷载，预测评价则要考虑到可能发生的特殊荷载，如地震、暴雨、人工动力等。

2)重视监测资料的分析:变形监测资料直观地表征崩塌体的稳定性，在稳定性评价中具有决策意义。相关因素的监测资料则会加深对变形因素和变形机理的认识。

3)根据崩塌体的实际条件，合理地选取计算参数:应通过反演分析和地质类比分析，综合考虑，选取参数。

4)应力-应变分析中计算单元的划分，必须以地质单元为基础，保持与地质单元的一致。

5)应采用多种方法进行崩塌体的稳定性评价:至少采用两种方法，以相互补充、验证和综合评价。目前，使用数理分析获得的结果尚不能作唯一判据，只能提供参考。地质分析和动态监测资料仍是稳定性评价的基础。

评价方式的选择与工作阶段有关。初步调查阶段只需作地质分析，取得定性评价结果;详细调查就要采用地质分析与极限平衡分析相结合;可行性研究阶段就应采用多种方法进行评价，包括应力-应变分析。

4.稳定性评价应提交的成果

1)单项评价报告及附图，如有限元法、极限平衡法、模拟试验成果等。

2)综合分析报告，包括崩塌体稳定性现状评价、崩塌体发展趋势及稳定性预测、派生灾害的预测。报告附图为:①崩塌稳定性评价图;②崩塌运移堆体分布预测图;③其他图件。

F. 边坡稳定性评价方法

1.定性分析方法

分析影响边坡稳定性的主要因素、失稳的力学机制、变形破坏的可能方式及工程的综合功能，并对边坡的成因及演化历史进行分析，以此评价边坡稳定状况及其可能的发展趋势。该方法的优点是综合考虑影响边坡稳定性的因素，快速地对边坡稳定性做出评价和预测。常用的方法有：

（1）地质分析法（历史成因分析法）

根据边坡的地貌形态、地质条件和边坡变形破坏的基本规律，追溯边坡演变的全过程，预测边坡稳定性发展的趋势及其破坏方式，从而对边坡稳定性做出评价，对已发生过滑坡的边坡，则判断其能否复活或转化。

（2）工程地质类比法

其实质是把已有的自然边坡或人工边坡的研究设计经验应用到条件相似的新边坡的研究和人工边坡的研究设计中去。需要对已有边坡进行详细的调查研究，全面分析工程地质因素和影响边坡变形发展主导因素的相似性和差异性，同时，还应考虑工程的类别、等级及其对边坡的特定要求等。它虽然是一种经验方法，但在边坡设计中，特别是在中小型工程的边坡设计中是很通用的方法。

（3）图解法

可以分为两类：(1)用一定的曲线和偌谟图来表征边坡有关参数之间的定量关系，由此求出边坡稳定性系数，或已知稳定系数及其他参数（φ、c、r、结构面倾角、坡角、坡高）仅一个未知的情况下，求出稳定坡角或极限坡高。这是力学计算的简化。(2)利用图解求边坡变形破坏的边界条件，分析软弱结构面的组合关系，分析滑体的形态、滑动方向，评价边坡的稳定程度，为力学计算创造条件。常用的为极射赤平投影分析法及实体比例投影法。

（4）边坡稳定专家系统

工程地质领域最早研制出的专家系统是用于地质勘查的专家系统Propecter，由斯坦福大学于20世纪70年代中期完成。另外，麻省理工学院在80年代中期研制的测井资料咨询专家系统也得到成功应用。在国内，许多单位正在进行研制，并取得很多成果。专家系统使得一般工程技术人员在解决工程地质问题时能像有经验的专家一样给出比较正确的判断并做出结论。因此，专家系统的应用为工程地质的发展提供了一条新思路。

2.定量评价方法

其实质仍是一种半定量方法，虽然评价结果表现为确定的数值，但最终判定仍然依赖人为的判断。目前，所有定量的计算方法都是基于定性基础之上的。

（1）极限平衡法

极限平衡法在工程中应用最为广泛。根据边坡破坏的边界条件，应用力学分析的方法，对可能发生的滑动面，在各种荷载作用下进行理论计算和抗滑强度的力学分析。通过反复计算和分析比较，对可能的滑动面给出稳定性系数。该方法比较直观、简单，对大多数边坡的评价结果比较令人满意。该方法的关键在于对滑体的范围和滑面的形态进行分析，正确地选用滑面计算参数，正确地分析滑体的各种荷载。基于该原理的方法很多，如条分法、圆弧法、Bishop法、Janbu法、不平衡传递系数法等。

极限平衡方法的最新发展之一是Sarma法。其基本概念：边坡除非是沿一个理想的平面或圆弧滑动，才可以作为一个完整的刚体运动，否则，必须先破裂成多个可以相对滑动的块体，才能发生滑动。该方法的优点是：可以用来评价各种类型滑坡的稳定性，如平面滑动、楔体滑动、圆弧及非圆弧滑动等。

（2）数值分析方法

主要是利用某种方法求出边坡的应力分布和变形情况，研究岩体中应力和应变的变化过程，求得各点上的局部稳定系数，由此判断边坡的稳定性。主要有以下几种：(1)有限单元法（FEM）：该方法是目前应用最广泛的数值分析方法。其优点是部分地考虑了边坡岩体的非均质、不连续介质特征，考虑了岩体的应力应变特征，可以避免将坡体视为刚体、过于简化边界条件的缺点，能够接近实际地从应力应变分析边坡的变形破坏机制，对了解边坡的应力分布及应变位移变化有利。其不足之处是：数据准备工作量大，原始数据易出错，不能保证整个区域内某些物理量的连续性；对解决无限性问题、应力集中问题等精度比较差。(2)边界单元法（BEM）：该方法只需对边界极限离散化，具有输入数据少的特点。计算精度较高，在处理无限域方面有明显的优势。不足之处：一般边界元法得到的线性方程组的关系矩阵是满的不对称矩阵，不便应用有限元中成熟的对稀疏对称矩阵的系列解法。另外，边界元法在处理材料的非线性和严重不均匀的边坡时，不如有限元法。(3)离散单元法（DEM）：可以直观反映岩体变化的应力场、位移场及速度场等各个参量的变化，可以模拟边坡失稳的全过程。该方法特别适合块裂介质的大变形及破坏问题的分析。缺点是计算时步需要很小，阻尼系数难以确定等。(4)块体理论（BT）该方法利用拓扑学和群论评价三维不连续岩体稳定性，建立在构造地质和简单力学平衡计算基础上。块体理论为三维分析方法，随着关键块体类型的确定，能找出具有潜在危险的关键块体的临空面位置及其分布。

3.不确定性分析方法

（1）系统分析方法

由于边坡处于复杂的岩体力学环境条件下，其稳定性涉及的面很广，且程度非常复杂，可以认为其是一个复杂系统。因此，边坡问题也是一个系统工程问题。应用系统分析方法应该遵循的途径：岩体力学环境条件的研究→变形破坏机制的研究→稳定性计算分析。目前，该方法广泛应用于边坡稳定性分析之中。

（2）可靠度分析方法

确定分析方法中经常用到安全系数的概念，实际上只是滑动面上的平均稳定系数，而没有考虑影响安全系数各个因素的变异性，可靠度分析方法则考虑了这一点。可靠度分析方法在分析边坡的稳定性时，充分考虑各个随机要素（如岩体及结构面的物理力学性质，地下水的作用包括静水压力、动水压力、裂隙水压力、软化作用、浮托力及各种荷载等）的变异性。

（3）灰色系统方法

灰色系统理论主要以信息利用与开拓为宗旨，以客观现象量化为目标，除对事物进行描述外，更侧重对事物发展过程进行动态研究。应用于滑坡研究中主要有两方面：一是用灰色预测模型进行滑坡失稳时间的预报，实践证明该预测的精度仍需进一步提高；二是用灰色聚类理论进行边坡稳定性分级、分类。该方法的局限性是聚类指标的选取、灰元的白化等带有经验性质。

（4）模糊数学评判法

模糊数学对处理经验模糊性的事物和概念具有一定的优越条件。该方法首先找出影响边坡稳定性的因素，并进行分类，分别赋予一定的权值，然后根据最大隶属度原则判断边坡单元的稳定性。实践证明，模糊评判法效果较好，为多变量、多因素影响的边坡稳定性的综合定量评价提供了一种有效的手段。其缺点是各个因素的权重选取带有主观判断的性质。

4.确定性和不确定性方法的结合

主要是概率分析方法与有限元法或边界单元法相结合而形成的随机有限元法或随机边界单元法等。由于是随机变量，故其结果更能客观地模拟边坡岩体的力学性质、边坡岩体的变形破坏发展及其性态的变化，从而成为数值模拟方法发展的新途径，是边坡稳定性研究的新手段。

5.物理模拟方法

早在1971年，英国帝国学院最早把倾斜台面模型技术用于研究边坡倾倒破坏机理及过程。随后，又试制成了基底摩擦试验模型，广泛应用于边坡块状倾倒及弯折倾倒。然而，由于受模型尺寸的限制，这些模型技术不能模拟大型复杂的工程及二维、三维的模型。针对这种工程要求，离心模型试验技术快速发展起来。国外早在20世纪30年代就已起步，特别是近20年来，这一技术有了快速发展，并得到广泛应用。离心模型试验主要模拟以自重为主荷载的岩土结构，在模型试验过程中模型出现了与原型相同的应力状态，从而避免了使用相似材料，而直接使用原型材料。因此，这项技术已被广泛地在各个方面得到应用。由于离心模型技术能使模型达到原型的压力水平，近年来已被广泛地应用于滑坡研究之中，为复杂的岩石工程的研究提供了有力手段。边坡工程中的离心模型试验也存在一些尚未解决的问题，主要是一些模拟理论问题。由于用原型材料进行试验，在相似规律条件下，并不能使模型满足所有的条件，从而引起固有误差。此外，如何确定参数有待进一步研究。

G. 地基稳定性评价

地基稳定性的评价，我觉得这个可能在设计方面吧，刚开始那个地基要牢固，要打的比较深一些

H. 工程地质稳定性评价方法——以丽江-香格里拉段为例

一、概述

随着滇藏铁路工程的分段实施，丽江-香格里拉段的规划设计已纳入日程。但是，由于该段地形地貌和地质条件非常复杂，虽然经过多轮论证，线路仍难最后确定。按照初期规划（图13-1），滇藏铁路丽江-香格里拉段共有3个走向方案可以比选：①丽江-长松坪-虎跳峡上峡口-香格里拉方案（西线方案）；②丽江-大具-白水台-小中甸-香格里拉方案（组合方案）；③丽江-大具-白水台-天生桥-香格里拉方案（东线方案）。初步分析认为，西线方案工程地质条件相对较好，可以作为推荐方案，该方案需要新建铁路隧道34座，总长87130 m，占该段线路总长的54.4%，最长的隧道是位于丽江西北的玉峰寺隧道，全长10970 m；需要新建铁路大桥39座（10253 m），涵洞182座（4547 m），桥涵占线路总长的9.2%。复杂的工程地质条件使得该方案仍存在许多问题，且工程建设难度大。

为了更好地指导该段铁路选线，我们在区域地壳稳定性评价的基础上，将基于GIS技术的层次分析法引入到丽江-香格里拉段铁路规划区的工程地质稳定性评价（工程地质条件评价）。在评价过程中，综合考虑地形坡度、工程地质岩组、斜坡结构、地质灾害发育现状、地壳稳定性、微地貌类型（地形与铁路设计高程高差）、人类工程活动、降水量、距离沟谷距离等因素，充分利用GIS技术处理海量数据信息的优势，采用层次分析法模型，进行丽江-香格里拉段铁路规划区的工程地质稳定性评价。基于评价结果，可以很好的指导该段线路比选和优化。

二、基于GIS的层次分析法原理

层次分析法（Analytical Hierarchy Process，简称AHP）是美国数学家SattyT.L.在20世纪70年代提出的一种将定性分析和定量分析相结合的系统分析方法。它适用于多准则、多目标的复杂问题的决策分析，可以将决策者对复杂系统的决策思维过程实行数量化，为选出最优决策提供依据（图13-2）。经过多年的应用实践，不少研究者开始将GIS技术与AHP方法相结合，大大提高了传统的AHP方法在地学研究中的应用效果（Harris et al.，2000；刘振军，2001；彭省临等，2005）。基于GIS的层次分析法充分利用GIS技术的空间分类和空间分析功能，在评价指标数据采集、处理和自动成图方面具有明显的优势，不仅可以对工程地质稳定性的相关影响因素进行更细致的逐次分析，而且在计算过程中不受计算单元数量的限制，因而评价结果更直观、更便于应用。

图13-1 滇藏铁路丽江-香格里拉段线路方案示意图

图13-2 基于GIS的层次分析法技术路线图

基于GIS层次分析法的工程地质稳定性分区评价过程大致可分为以下步骤：

（1）确定研究区、研究对象及研究目标，并进行数据分析，确定进行工程地质稳定性分区所需要的数据，包括数据来源、数据质量指标等。

（2）将收集的各种资料进行数据处理，包括在MapGIS 6.7软件平台上进行数字化、格式转换、投影转换、分层及属性编码等，建立研究区、研究对象的空间数据库。

（3）根据研究目标的特征，分析影响目标的因素，建立目标的层次指标模型和层次结构，构造判断矩阵，由专家对影响因素进行综合评分，并进行层次单排序、求解权向量和一致性检验，从而获得各指标因素值，并运用GIS空间分析功能提取分析因子。

（4）采用ArcGIS 9.2软件平台，对评价区域进行栅格化，每一个栅格作为模型评价的一个运算单元，并将数据库中的数据按照规则进行栅格化处理。再采用图形叠加的模型评价方式，将参与评价的各个因素权值分配到不同的栅格上。将各个因素进行图形叠加，对属性值进行代数运算，再将叠加后的栅格数据化，生成新的图形，并形成最终评价结果。

（5）工程地质稳定性分区评价的数学模型：

滇藏铁路沿线地壳稳定性及重大工程地质问题

式中：B——工程地质稳定性指数，a_j——权重，N_j——指数。

（6）通过分析计算获得的工程地质稳定性指数值的分布范围，结合野外实际调查结果验证，对不同区域的铁路工程建设适宜性进行综合分区评价。

I. 斜坡的稳定性评价

斜坡的稳定性分析的目的一方面是为了对与人类工程-经济活动有关的斜坡稳定性及其发展变化做出科学评价和预测；另一方面是为了斜坡整治或边坡设计提供科学依据。目前斜坡工程研究中，其稳定性评价方法主要有以下三种。

7.6.1 过程机制分析法

亦称演变历史分析法。这种方法的实质就是应用前述斜坡变形、破坏的基本规律，通过追溯斜坡变形发展演化的全过程，对斜坡稳定性现状和发展总趋势做出评价和预测。并通过对典型事例的深入剖析和其区域性发育分布规律的研究，对斜坡变形和破坏的区域性特征进行预测。主要包括以下几个方面。

7.6.1.1 根据阶段性规律预测斜坡所处演变阶段的发展趋势

这方面的预测大致有以下一些内容。

7.6.1.1.1 确定斜坡可能的变形形式和破坏方式

如前所述，斜坡可能具有的变形形式和破坏方式与斜坡外形特征、地质结构以及所处环境之间是密切相关的。对于一个具一定外形和结构特征的斜坡，可以应用赤平投影方法综合分析坡体中起控制作用的结构面或软弱带的空间组合状况，即可大致确定斜坡的类型和可能发生的变形机制和破坏方式。

7.6.1.1.2 根据斜坡变形迹象判定斜坡演变阶段

通过现场调研，查明某一具体斜坡已有的变形迹象，阐明其形成演变机制，即可参照前述各类斜坡变形模式的演变图式和阶段划分的地质依据，确定斜坡所处演变阶段。

分析中应特别注意变形模式的转化标志。若弯曲-拉裂转化为蠕滑-拉裂，必然引起后缘拉裂面闭合和错动方式的改变，这是转化标志，也是这类变形体即将产生深层大规模破坏的预兆。

7.6.1.1.3 演化全过程再现模拟分析

对于一些重要的斜坡和边坡，通过现场调研，查明斜坡类型和变形机制模式，建立相应的力学和数学模型，采用物理和数值模拟再现。将模拟成果与实际调查情况进行对照，则可对斜坡目前的演变阶段和发展趋势做出评价和预测。

7.6.1.2 根据周期性规律判定促进斜坡演变的主导因素

促进斜坡变形破坏的各种因素，在地质历史进程中都有其各自的周期性变化规律。例如：河流由侵蚀变为淤积、由淤积再转为侵蚀；地震的周期性出现以及气象、水文动态的季节性变化和多年变化等。因而斜坡演变也会受具有周期性变化规律所制约。这样，追溯斜坡演变过程中的周期性规律，也就可以判定不同时期促进斜坡演变的主导因素。

某些重要斜坡和滑坡，也可采用再现模拟来定量评价斜坡失稳和滑坡复活的主导因素。7.6.1.3 根据区域性规律阐明斜坡稳定性分区特征

在地质条件、地貌条件以及气候条件相似地区，斜坡演变规律也会具有相似性。因而研究斜坡演变的区域性规律，进行合理区划工作，具有十分重要的理论和实践意义。斜坡演变的区域性规律，实际上决定于动力环境的形成和演变特征。为论证这一规律，应在查明斜坡变形破坏的时空发育分布状况的基础上，系统分析各内外动力因素与斜坡演变的相关性。

根据上述分析进行区域性评价，尤应注意环境动力因素的演化对斜坡演变的影响。以近期地质构造活动为例，可表现为以下几方面。

7.6.1.3.1 地区近期的升降特征

地区近期的升降状况，决定了区域斜坡稳定状况的演化趋势。

在评价河谷斜坡稳定性时，应注意河谷发育史中曾出现过的强烈下切期。这些时期也就是斜坡变形破坏的活跃期，常常可能保存着相应时期造成的古滑坡、崩塌残体。这种现象在我国西南山区河谷中十分普遍，往往是水库岸坡稳定性研究的重点地段。

图7.15 大渡河泸定下游一带斜坡稳定性区域性状况示意图

7.6.1.3.2 地区构造最大主压力方向及其变化

构造应力场在河谷发育过程中曾有过变动的地区，分析不同地质历史时期最大主应力方向与河谷之间的关系，也是评价河谷斜坡稳定性的主要依据。河谷方向与历次最大主应力方位近于正交的部位，往往是斜坡变形与破坏较强的部位。

7.6.1.3.3 活断层面特征及活动方式

在活断层附近，应注意根据断层面特征及错动方式判定断层附近岩体的完整性。例如在平移断层的两侧，断面转折带和不同断面的交汇部位必然是压碎扩容带，岩体完整性差，也是斜坡容易发生变形破坏的部位；而平直段则相对要完整得多，斜坡通常也比较稳定。大渡河上游石棉至泸定段有一很好的实例，如图7.15所示，近期有明显反扭平移的金坪断层在午尼附近由北西向急转成南北向，这种形式与斜坡剖面上的滑移-压致拉裂图式相似，转折部位相当于压碎扩容带，花岗岩体极为破碎松散，河谷两岸发育一系列滑坡或滑塌，午尼附近的滑塌残体超过1×10⁸m³。在断层平直段，这种现象就比较少见。此外，活断层的端部，往往也是斜坡变形破坏较活跃的部位。

7.6.2 极限平衡理论计算

目前的斜坡理论性分析方法较多，归纳起来主要有极限平衡理论计算，数值分析和概率统计分析等几类。在工程实践中，极限平衡理论发展最早，使用也最广泛。

7.6.2.1 均质土坡稳定性计算

以极限平衡理论为基础计算土坡的稳定性，如瑞典条分法、毕肖普法等。用这些方法计算土坡稳定性，假设边坡破坏时的滑面形状为圆弧面，通过试算或根据经验找出最危险滑动圆弧的中心。土坡的稳定系数K为沿圆弧滑面的抗滑力矩和滑动力矩对滑动中心的力矩之比：

环境地质与工程

实践表明，均质土坡的滑面多接近于圆弧形。故用圆弧法来计算均质土坡稳定时，比较接近实际。但由于计算时作了一些简化，如把滑体看成均质刚体，滑面简化为圆弧面，空间问题简化为平面问题处理等。因此，在这种简化条件下计算得到的稳定系数实际上仍属于定性或半定量评价，必须根据边坡的工程地质条件做出综合的分析。对于非均质土坡的滑面形状则取决于土的性质和土的结构，分析更为复杂。这种情况下，条分法较为实用。

7.6.2.2 岩质边坡稳定性计算

岩质边坡稳定性计算必须密切结合岩体的工程地质条件分析。首先要弄清边坡滑动体的边界条件，以便确定滑动体的形态。分析边坡变形破坏时的滑动面、分割面和临空面的产状、形状及受力条件。这些面在边坡变形破坏时构成了边界条件，受边坡岩体的地质构造、岩体结构、边坡形态及地貌、地下水、地表水等因素的控制。岩质边坡在复杂条件下，往往有多组不同产状的结构面，因而滑坡岩体的边界条件是很复杂的。其中滑动面的性质、产状、组合形态对岩质边坡稳定性起决定性作用。根据结构面的产状及组合情况，把岩质边坡的破坏型式分为：同倾向单滑面型、同倾向多滑面型、不同倾向双滑面型和多滑面型。对于同倾向单滑面和同倾向多滑面两种情况的边坡稳定性计算如下。

7.6.2.2.1 同倾向单滑面

同倾向单滑面是常见的边坡型式，特别是滑动面走向与坡面走向接近一致，侧向切割条件较好，有一定的临空面且滑动面倾角α大于滑面摩擦角φ时，最易产生滑动。图7.16所示，边坡岩体在自重作用下发生沿AB面滑动，滑体自重为W，滑面长为L，根据极限平衡理论，则坡体稳定系数K的基本公式为：

环境地质与工程

图7.16 同倾向单滑面边坡稳定性计算图示

式中α——潜在滑动面的倾角（°）；β——斜坡坡角（度）；φ、c——滑面的摩擦角和内聚力（度，kPa）；H、h——坡高、滑体厚度（m）；γ——坡体的天然重度（kN/m³）。

根据工程的等级和性质要求，一般K=1.1～1.5。特殊应力组合情况下稳定性系数K值可适当降低。从上式看出：单滑面平面滑动稳定系数与滑面长和坡角β无关，而与滑体厚度h成反比。这说明削坡减荷措施能削减滑体厚度，从而有效提高边坡的稳定性。

当K=1时，即抗滑力等于下滑力，坡体处于极限平衡状态，得出极限平衡时最大坡高H_max为：

环境地质与工程

当滑坡区地下水位较高，滑动体为相对隔水层时，在边坡稳定性计算中要计入滑面上地下水的静水压力P_w，由此可得边坡稳定系数为：

环境地质与工程

7.6.2.2.2 同倾向折线形滑动面

图7.17 折线形滑动面滑坡计算图

计算这类边坡稳定性时，一般根据所查明的滑动面起伏情况，划分为折线形的块段，每一块段底部滑面为平直的斜面，并确定各段参数（图7.17）。根据我国铁道部采用的滑坡推力计算法来计算斜坡的稳定性，不考虑块段两侧力的作用。

对第一块段ABB′仅考虑其重力，则作用于滑面AB上的下滑力和抗滑力为：

环境地质与工程

第一块的剩余下滑力E₁为：

环境地质与工程

令λ₁=cos（α₁-α₂）-sin（α₁-α₂），第二块的剩余下滑力E₂为：

环境地质与工程

以此类推，计算出最后一个块段的剩余下滑力E_n为：

环境地质与工程

若E_n＞0，边坡将会失稳，若E_n＜0，则说明无剩余下滑力，边坡稳定。当E_n=0时，边坡处于极限平衡状态。为了安全起见，将抗滑力除以一个安全系数K_s，一般取K_s值为1.05～1.25。

此法在国内应用较广，为支挡工程设计提供了方便，但计算较繁琐。为了简化计算，也可采用水平投影法来求安全系数。首先分块段计算出下滑力和抗滑力，然后投影到水平面上，求得K值，即：

环境地质与工程

7.6.3 工程地质类比法

工程地质类比法是目前工程实践中很实用的一种简易评价方法。其实质是把已有的天然斜坡和边坡的研究或设计经验应用到条件相似的斜坡评价或边坡设计中去。这些经验所考虑的因素包括斜坡剖面形态，斜坡变形破坏形式及其发展变化规律，斜坡的整治经验等。在进行类比时，不但要考虑斜坡结构特征的相似性，还要考虑斜坡所处的地质条件和自然环境的相似性以及促使斜坡演变的主导因素和斜坡变形破坏发展阶段的相似性。在相似条件下才能进行类比。

我国在同自然地质现象的斗争中积累了丰富的经验，这是我们的宝贵财富，需要充分利用。在斜坡稳定性评价中，往往需要多种方法共同运用，相互补充，综合论证，方能取得良好的效果。