1、底摩擦物理模型试验
底面模型是一种立体二维物理模型。将按工程地质剖面制作的边坡模型平躺在底摩擦模型试验机的胶带上，胶带运动时拖动模型，模型受档板限制，作用在档板上的力Fb等于胶带拖动时作用于模型底面的摩擦力，用此摩擦力来模拟岩体重力。[43]
在自重作用下，单元dz所受摩擦力dFb为:
dFb=μbρtdxdz (4-25)
式中:μb——模型底面与胶带间的滑动摩擦系数;
ρ——模型材料的密度;
t——模型厚度;
dxdz——模型中单元dz的面积。
假设胶带匀速运行，则z方向有:
煤矿露天井工联合开采理论与实践
模型宽为W，长为Z时，底面摩擦力为:
Fb(Z)=μbρtWZ (4-27)
图4-20 底摩擦试验系统
则模型顶部的应力分布为:
σz=μbρZ;σy=0;σx=μσz (4-28)
式中:μ——泊松比。
底摩擦模型为定性模型，要求模型与原型之间满足重力相似、几何相似和结构相似，优势结构面宜保持力学相似。
试验步骤:
① 确定模型尺寸。根据模型框架尺寸和所研究工程岩体对象，按比例建立工程岩体地质剖面模型，并绘制模型图;
② 选用模型材料;
③ 制模。把工程地质模型剖面图绘制在胶带上，然后按图所示的不同工程性质岩层和所选定的模型材料制作模型，使其处于初始状态;
按岩体赋存形态由底部至顶部逐层摆放制作。顺层方向要依次摆放，以保持岩层的连续性;切层方向按岩层结构排列;弱层、断层破碎带和采空区用相应材料摆放。
根据模型材料块体大小、摆放方法可定性地模拟具有不同力学性质、结构系统的工程岩体。
④ 涂层。在模型表面涂厚约0.2～0.8mm的涂层;
⑤ 绘制标志点和标志线;
⑥ 安装测量仪表及影像记录设备;
测量系统固定在模型表面和框架上;摄录像机、照相机安装在模型框架上方的摄影架上。
⑦ 试验和测试:
试验前，要记录模型初始状态。然后从初始位置起按设定的边坡轮廓逐步开挖边坡，分阶段运行试验。运行时要求平稳均匀加速，其胶带运行速度为20～80mm/s。
各阶段边坡轮廓的运行试验开始即进行变形测量和影像记录工作，并要求作变形过程与破坏现象的动态描述。待变形稳定后方可进行下阶段边坡轮廓的开挖运行试验工作，直至破坏为止。
根据各阶段边坡试验获得的数据整理和影像记录资料回放，给出:
① 标志点位移轨迹图;
② 不同时段标志线位置变化图;
③ 各阶段边坡剖面位移轨迹图。
通过试验分析可以得出边坡变形破坏的规律及可能的滑坡模式。
2、国土资源部新构造运动与地质灾害重点实验室
（一）实验室简介
国土资源部新构造运动与地质灾害重点实验室于2007年9月30日得到国土资源部正式批复成立，其前身为中国地质科学院地壳变形与地质灾害重点实验室。重点实验室主要从事5个领域的科学研究：新构造运动及其引发的地质灾害与地质环境过程研究，地应力监测技术与地质灾害预测评价技术方法研究，中国大陆主要活动构造带地应力测量及其构造应力场研究，国家重大工程、重大城市和重要经济区带的地壳稳定性和地质环境安全研究。
图46 退化与废弃地遥感信息提取和监控信息系统开发及其应用研究技术流程
（二）2013年度重要科研成果
1. “汶川地震地质灾害调查评价”入选地质学会十大地质科技进展
入选地质学会十大地质科技进展的“汶川地震地质灾害调查评价”项目是由中国地质科学院地质力学研究所、中国地质环境监测院等单位共同承担完成的。殷跃平、张永双研究团队紧密围绕汶川地震地质灾害等重大科学问题和关键技术，在理论、方法和技术方面取得了多项创新性成果，特别是集成创新地面测绘、综合物探和InSAR技术，修正了强震区逆冲型工程活动断裂和地震破裂带安全避让公式；首次开展了斜坡地震动特征监测和地脉动特征测试，获得了山体斜坡地震动放大规律，提出了竖向地震力对峡谷区山体稳定性的放大效应；建立了基于天空地一体化应急调查技术的汶川地震灾后快速编图与评估方法，以及地震滑坡-碎屑流的成灾机理和震后高位泥石流早期识别的特征指标，为制定行业标准提供了理论支撑。项目成果集成出版了《汶川地震工程地质与地质灾害》一书，在“5·12”汶川地震发生5周年到来之际，由科学出版社出版发行。本书对汶川8.0级地震区的地震工程地质和地质灾害进行了系统研究，涉及汶川地震区域地质构造、地震工程地质、斜坡地震动监测与试验方法、地震地质灾害等关键科学问题（图47）。
图47 《汶川地震工程地质与地质灾害》
2.《泛亚铁路云南大理至瑞丽沿线基础地质与主要工程地质问题》出版
“泛亚铁路云南大理至瑞丽沿线地质构造综合研究”项目组及时对计划项目成果进行了综合集成，编著完成了《泛亚铁路云南大理至瑞丽沿线基础地质与主要工程地质问题》专著并出版发行（图48）。
被誉为“钢铁丝绸之路”的云南大理-瑞丽铁路（简称“大瑞铁路”）全长约336km，是连接中国大陆与东南亚各国的泛亚铁路网中的咽喉工程。但由于铁路需要穿越水文网密度大，且山高谷深的横断山脉南段，因此，桥隧工程将占整个线路的70%左右，尤其是隧道工程的最大长度与埋深都大大超出了已有铁路工程，建设难度极大，亟须扎实可靠的高精度基础地质与工程地质资料支撑，并为铁路选线和设计提供科学决策依据。
图48 《泛亚铁路云南大理至瑞丽沿线基础地质与主要工程地质问题》
为主动配合和服务于国家重大工程建设，尽快打通我国西南地区中缅国际铁路通道。在中国地质调查局基础地质部的精心部署下，由地质力学研究所和成都地质调查中心共同组织实施的“云南大理至瑞丽基础地质综合调查”计划项目，及时完成了沿线22个图幅的1：5万基础地质调查工作和铁路优选线两侧各2k m廊带区的1：2.5万基础地质和工程综合调查任务。为更好地将基础地质工作服务于国家重大工程应用，专著综合了铁路沿线最新的1：2.5万综合地质调查资料，以及新构造和活动构造研究等成果，全面介绍了滇西横断山南段大理至瑞丽地区，包括：岩石地层与地质构造、主要岩土体与特殊岩性体、水文地质、地热活动、新构造运动与活动断层和地震活动等工程地质条件，并在此基础上，进一步梳理总结了铁路沿线各主要工程地段的工程地质环境及特征，全面剖析了在施工建设中主要面临的九大重要工程地质问题，包括：外动力地质灾害、岩溶作用导致的工程地质问题、特殊岩性体（主要包括二叠纪“破灰岩”和上新世“软岩”）的工程地质问题、顺层问题、活动断裂与强震活动、高温热害、岩爆与软岩大变形、隧道涌水突泥和弃渣环境问题等，确定了不同类型工程地质问题最易发生的地段，并提出了防范建议。另外，重点分析总结了影响该区地壳稳定性的主要区域活动断裂带的晚第四纪活动及其未来大地震危险性，并结合历史强震资料重新确定了铁路沿线的大于等于Ⅸ度的高地震烈度区。最后针对高黎贡山越岭段超长超深铁路隧道的围岩稳定性，结合岩石力学测试分析资料和原地地应力测量结果，分别开展了二维和三维数值模拟研究，对隧道工程的围岩稳定性进行了综合评价，并圈定了隧道的强岩爆区和软岩大变形区。
专著资料翔实，将基础地质工作成果与工程应用紧密结合，因此，对进一步深入认识滇西横断山地区的工程地质环境具有重要参考价值，对于相邻地区的重大工程建设也可起到重要借鉴作用，并且相关研究成果可供从事区域地质、工程地质、活断层与地震地质、地质灾害、数值模拟和岩土工程等多方面的科研技术人员参考。
3.重大工程扰动区特大滑坡灾害防治技术研究取得初步进展
2013年是“十二五”国家科技支撑课题“重大工程扰动区特大滑坡灾害防治技术研究与示范”执行的第二个年度，也是课题攻关关键的年度，在关键科技问题、技术方法和示范基地研究取得阶段性成果，主要包括下列5方面：跟踪对比分析国内外工程滑坡防治进展，初步建立灾难性工程滑坡数据库格架；初步探索研究工程滑坡防治3个关键科技问题；工程滑坡机理实验及模拟研究有所进展；工程滑坡快速防治关键技术方法研究和示范基地建设初见成效，相关研究成果以学术论文的形式在“地质通报”出版专辑（图49），相关的发明及技术专利正在申请受理过程中。
图49 《工程滑坡防治成果专辑》
4. “新型压磁应力测量与监测系统研制”取得重要成果
吴满路研究员负责的“原地应力测试技术方法试验研究”项目自2008年实施以来，一直致力于试验应用研究，在地应力测量及监测台站建设、监测仪器研制、专利及人才培养等方面取得了一系列成果。
压磁法地应力测量及监测一直是地质力学所的特色和优势科研方向。“原地应力测试技术方法试验研究”团队以压磁应力测量与监测技术方法为主要研究对象，完成了对压磁法地应力测量和监测仪器结构的全面改造升级，同时，研发的三分量压磁应力解除系统在孔深213m处成功地获得了有效应力数据，是同类技术方法中达到的世界最深的地应力测量；研制的新型四分量压磁应力监测系统已在青藏高原东南缘、龙门山断裂带、河北紫荆关等地应力测量及监测实验基地，首都圈、郯庐断裂带、东南沿海海岸带等地壳稳定性评价及活动断裂监测中得到了大量应用，在相关地区建立的地应力综合监测站成功捕捉项目执行期间强烈地震前后应力变化的信息，丰富了应力实测数据和大量应力监测数据。
新型压磁应力测量与监测系统获得的数据成果已经或即将公开发表。项目研发的“无线深井地应力绝对测量压磁传感器”和“深井地应力监测压磁传感器定向及自控加载安装系统”获得了2项国家实用新型专利授权，为中国地壳探测计划提供了必要的关键技术储备。
5.获芦山地震发震构造与次生地质灾害致灾特征研究初步成果
2013年4月20日，四川省芦山县发生了里氏7.0级地震。根据国土资源部统一部署和地质力学研究所的安排，重点实验室完成了地震地质和地质灾害应急排查，并将初步研究认识发表在《地质学报》（英文版）上。
初步认识之一的Seismogenic Structure of the April 20,2013,Lushan Ms7 Earthquake in Sichuan（《四川芦山2013年4月20日Ms7.0地震发震构造初步研究》），通过高分辨率遥感图像解译、主余震分布、震源机制解释等综合分析认为，芦山地震震中位于芦山县太平镇和双石镇之间，震源深度13～14km，震中最大烈度达IX级。野外调查发现，尽管震中区房屋建筑损坏较严重，但这次地震没有产生明显的地表破裂构造，仅见少量的地裂缝和喷砂冒水现象。芦山地震是龙门山断裂带西南段一次独立的破裂事件，属于逆冲型地震。科研人员从新构造和活动构造角度，通过将精确定位的主震和余震震中投影在地形图、遥感影像图上，得出了芦山地震余震的分布特征，阐述了双石-大川断裂特征型地震特点，推断芦山地震与龙门山构造带底部滑脱带（13～19km）断坡构造活动有关。同时对未来强震发展趋势进行了分析：虽然这次地震使这条断裂的应变能得到释放，但地应力监测结果指示该断裂带的应力释放尚不完全，未来地震发生的可能性尚值得进一步关注。
初步认识之二的Geohazards Inced by the Lushan Ms7.0 Earthquake in Sichuan Province,Southwest China:Typical Examples,Types and Distributional Characteristics（《四川芦山Ms7.0级地震地质灾害基本特征》），基于遥感解译和野外调查结果，简要论述了地震诱发的崩塌、滑坡、碎屑流和砂土液化等次生地质灾害的发育特征及其危害，地震地质灾害主要受控于强震触发作用、陡峻的地形地貌、地形放大效应以及软弱的岩性和强烈的风化卸荷作用；研究表明，地质灾害的发育分布规律主要体现在震中效应和地貌效应明显、活动断裂上盘效应不显著，断裂端点效应较明显，与岩性和岩体结构的关系较密切。芦山地震诱发的地质灾害以及地震对山体造成的损伤存在隐蔽性，在灾后重建中应引起重视。
6.乌江流域重大地质灾害研究新进展
“重庆地区地质灾害成灾机理与防治研究”项目负责人为李滨副研究员，参加单位有长安大学、重庆市地质矿产勘查开发局107地质队、中国地质环境监测院、重庆市地质环境监测总站。项目完成了乌江流域复杂地貌环境下三维激光扫描技术和机载激光雷达扫描技术在地质灾害调查与监测中的应用，通过覆盖研究区域DEM、SAR等多种数据，结合InSAR和GNSS监测结果，形成一套适合于乌江流域复杂地质环境下大范围识别地质灾害形变的理论方法。此外，在特大型地质灾害特征识别和地质模型分析基础上，项目组结合室内力学试验，通过数学模拟和物理模型试验，提出了岩溶、采矿等因素影响下，特大型层状滑坡的变形机理和失稳模式，并提出了稳定性评价方法和灾害发生后崩滑体的运动特征分析模型，该套分析方法及结果可在西南岩溶地区进行推广应用（图50，图51）。
图50 InSAR技术在区域地质灾害调查中的应用
图51 鸡尾山滑坡累计形变图（184天）
7.首都圈地区关键构造部位地应力监测新成果
（1）初步揭示了邢台—唐山主要发震构造带北端迁安及其外围地区现今构造活动性及其灾害效应，认为华北平原地质构造以块断结构为主要特征，构造体系走向多为NNE向，以压扭性断裂为主，现今活动性显著，5级以上地震活动通常沿NNE、NE和NWW向断裂带分布，特别是不同方向断裂带的交会部位（图52）。
（2）探讨分析了唐山—滦县—昌黎一带现今地应力环境变化特征及其地震地质研究意义。河北昌黎地应力实时监测台站地应力监测结果表明，日本9.0级大地震所诱发的华北地区产生同震位移，区域构造作用表现为近EW向拉张作用，最大水平主压应力为近南北方向。而2012年6月6日以来，华北地区表现为近EW向主要为构造挤压作用，最大水平主压应力为近EW方向，说明区域构造应力作用恢复到日本9.0级大地震之前华北地区最大水平主应力方向，并且在区域构造应力作用方向转换的过程中会导致地震的发生（如2012年5月28日和29日及6月18日在唐山及其周围地区还分别发生了4.8级、3.2级和4.0级地震）（图53）。
图52 迁安市陈官营村地应力测量与监测钻孔区域构造地质图
图53 河北昌黎地应力实时监测台站监测结果
3、管道与滑坡作用的物理模型试验
物理模拟试验的总体由滑坡模型、模型控制和模型试验过程与观测三部分组成。滑坡模型主要由滑坡试验平台（变坡），进行滑坡模型制作，模拟滑坡形成条件与运动特征；模型试验控制由试验控制仪器等组成，提供滑坡试验过程中所需的诱发条件，控制滑坡的试验过程；模型试验过程与观测由测试仪器组成，根据不同试验进程，对滑坡试验过程进行观测，获取观测数据。
5.3.1 物理模拟试验的主要步骤
5.3.1.1 滑坡地质模型原型的确定
根据地质调查结果，选取滑坡特征明显，确定模拟试验原型。
5.3.1.2 滑坡模型设计
模型试验台及模型尺寸：
模型试验装置为槽型试验台，试验台长3.5m，高1.0m，宽0.5m，两侧为装有可调节模型体两侧摩阻力大小的钢化玻璃。
滑坡试验台为可调坡度的升降平台，变坡范围0°～40°。
限于试验条件，模型制作时，选取滑坡体轴部主滑地段0.5m宽的岩体条块作为模拟试验对象，模型不考虑两侧摩阻力。根据滑坡特征的分析，滑面前部和中部设计为直线型，后部略成弧型，受力条件为重力，即在自然状态下模拟滑坡下滑。
相似条件及物理力学参数：
1）滑坡相似比选取
根据试验条件，取几何相似常数为40，模型长3.5m，高1.0m，宽0.5m。容得相似系数Cy=1，根据相似理论，得到模型试验的相似条件为：
山区油气管道地质灾害防治研究
式中：Cσ、Cc、CE、Cy、Cε、Cφ、C1分别为下滑力相似常数、粘聚力相似常数、变形模量相似常数、容重相似常数、应变相似常数、摩擦角相似常数和几何相似常数。
2）输油气管道模拟相似比选取
根据试验条件，取几何相似常数为40，选取直径2cm模拟管道。根据相似理论，得到模型试验的相似条件为：
山区油气管道地质灾害防治研究
根据输油气管道扰度方程可知：
对于原型方程为：
山区油气管道地质灾害防治研究
对于模型方程为：
山区油气管道地质灾害防治研究
如果模型与原型相似，则需满足以下方程：
山区油气管道地质灾害防治研究
式中：
山区油气管道地质灾害防治研究
3）模型材料的选定
（1）碎石土滑坡试验相似材料。
选择石英砂、重晶石粉、粘土、碳酸钙颗粒、水、甘油、乳胶（与水配成10%的胶液）为试验材料，配制成不同成分和比例的试验材料。
通过对其力学性质的试验比较。因此，将满足模型试验要求的这组材料作为模型试验的基本材料。
（2）黄土滑坡试验相似材料。
选择石英砂、重晶石粉、粘土、水为试验材料，配制成不同成分和比例的试验材料。
通过对其力学性质的试验比较，将满足模型试验的要求这组材料作为模型试验的基本材料。
另外，当滑坡模型的容重较低，可在模型体中加一定数量的铅块，以增加模型体的下滑力。
5.3.1.3 模型制作
1）滑坡地质力学模型
试验典型滑坡作为主要的研究对象，并根据滑坡形成的岩土力学性质，滑动面形态、地形坡度、变形特点等条件建立地质力学模型，并确定滑坡参数。
2）滑坡试验模型
根据滑坡规模，按岩性相似、几何相似、动力条件相似建立滑坡试验模型。
3）模型中的模拟管道
为了研究管道在滑坡变形过程的受力状态与变形，在模型前部埋设模拟管道。根据管道的物理特性，以及管道在滑坡中的受力状态，按受力条件与方式相似、几何相似的要求，确定模型试验管道的大小及强度。
5.3.2 模型试验过程与控制
首先将模型体坡度抬升至25°，观测模型体表面和内部的变形、微裂隙的产生及发展过程。
然后将模型体坡度抬升至30°即设计坡度，观测模型体表面和内部的变形、微裂隙的产生及发展过程；
通过对模型滑面坡度的变化，控制滑坡的试验过程。同时通过埋设在模型体不同部位的位移计，记录模型体不同部位的应力、应变变化过程，直至滑动。
5.3.3 试验观测
5.3.3.1 滑坡变形观测
为有效观测模型变形特点，在模型中布设两排观测点。
上部观测点为前、中、后部。
下部观测点为前、中、后部。
5.3.3.2 试验管道受力观测
试验中管道的受力观测采用应变式位移计进行观测，以确定管道在试验中的受力情况。
4、管道与滑坡作用的数值模拟试验
通过对滑坡变形破坏现场的地质分析和相似材料模型模拟试验研究，对滑坡变形破坏及滑坡对管道的作用机理有了一定的认识。为了更深入地研究滑坡与管道相互作用的机理，验证前述认识，采用有限元计算方法对管道沿线典型滑坡进行了数值模拟研究。
5.4.1 研究方法
对于典型滑坡的滑体、滑动面、滑床、滑坡周界等可以用有限元方法进行离散，着重考虑滑坡潜在滑动面的摩擦接触情况，采用摩擦接触力学方法，对接触单元进行改进，建立接触力学模型，对滑坡进行研究分析。
在考虑可能滑坡面的法向抗张强度和切向抗剪强度下，通过多步迭代计算的方法，获得非线性接触问题的收敛解。通过接触力学计算分析，模拟滑坡的孕育；从滑动面的接触状态的改变（粘着、滑动、未接触状态），获得滑坡的滑动情况，滑坡的动态过程（启动、滑动、停止），同时还进行坡体和管道的应力、变形，以及边坡滑面接触关系分析。在这一过程中重点研究管道在滑坡发生过程中受力破坏的力学机理。
5.4.2 数值模拟
5.4.2.1 改进接触单元
数值模拟研究中，接触单元的法向与切向模量不一样的，法向模量EN可由两接触物间不可能相互挤入这一事实来确定。在三维情况下，如取N表示接触单元的法向、T1表示切向方向1、T2表示切向方向2，则可推导出：
（1）法向模量EN可由接触物间不可相互挤入的条件确定；
（2）而模量
、剪切模量
；
（3）在切向平面内的剪切模量
可由接触状态（粘着、滑动等）确定。于是可确定接触单元的弹性矩阵[D]，进而可获得三维接触单元的刚度矩阵为：
山区油气管道地质灾害防治研究
式中：[B]是接触单元的几何矩阵。
对包含潜在滑面的整个边坡结构进行有限元离散，可得到边坡结构的刚度矩阵：
山区油气管道地质灾害防治研究
5.4.2.2 潜在滑面的强度
对于未出现任何破坏的边坡，其潜在滑面是具有一定强度的（实际上滑面还未形成。一般情况下是具有法向强度
和切向强度τ，的，一般情况下
。及
。法向强度的数值可取为边坡潜在滑面处的材料抗张强度，而对于切向强度通常在岩土力学中是取Mohr-Coulomb模型，认为切向强度τs与法向压应力之间σN是一个线性关系：
山区油气管道地质灾害防治研究
式中：c是边坡潜在滑面处的内聚力；ψ是内摩擦角。由上式可确定边坡潜在滑面处的切向强度。而在滑坡发生后，潜在滑面已经变为真实滑面，此时真实滑面位置退化为纯摩擦接触问题。
5.4.2.3 斜坡潜在滑面的接触状态
在滑坡发生前，潜在滑面处于完好的结合状态，在斜坡自重及外部条件的作用下，接触状态会改变。
非接触状态；当接触单元的法向应力是张应力，且该张应力大于潜在滑面处材料的抗张强度，即
，此时，滑面将被拉开。接触单元的法向间隙会大于零，即Zg>0。接触单元的模量需取为一个很小的值EN=10-6～10-4Ee,Ee是接触单元的初始模量
山区油气管道地质灾害防治研究
当接触单元的法向应力是张应力，且当接触单元的切向应力τ大于潜在滑面材料的剪切强度τs时，潜在滑面将会破坏，此时Zg>0且EN=10-6～10-4Ee。
山区油气管道地质灾害防治研究
粘着状态：当接触单元的法向应力为压应力，且接触单元的剪应力小于潜在滑面处的抗剪强度时，此时Zg≤0。这意味着接触单元的法向隙Zg是一个很小的近似于零的值
山区油气管道地质灾害防治研究
当接触单元的法向应力为张应力，且接触单元的剪应力小于潜在滑面处的抗剪强度τs，此时
山区油气管道地质灾害防治研究
滑动状态：当接触单元的法向应力为压应力，且接触单元的剪应力大于潜在滑面处的抗剪强度时，此时潜在滑面将破坏，变为真实滑面，而Zg≤0。
山区油气管道地质灾害防治研究
由于剪应力的作用，潜在滑面变为真实滑面，滑坡发生了。接触单元的剪切模量
由下式决定：
山区油气管道地质灾害防治研究
5.4.2.4 非线性迭代过程的收敛计算
接触状态的最终确定，需满足以下条件：
非接触状态应满足Zg>0且EN=10-6～10-4Ee，而接触状态（粘着、滑动）应满足Zg=0（在指定精度ε下）。
每两次迭代循环计算时，接触单元模量的改变应满足
山区油气管道地质灾害防治研究
其中ΔE、ΔG是相对的模量改变量，ΔEp、ΔGp是许可的相对模量改变量，
山区油气管道地质灾害防治研究
对于滑动状态的接触单元，当下式满足时，滑动才处于稳定状态：
山区油气管道地质灾害防治研究
在以上3个条件同时满足时，该接触问题的计算才是收敛的。
5.4.2.5 滑坡过程的逐步计算
在边坡滑动过程的数值模拟中，使用了逐步计算的方法。用一系列时间步t1,t2，…，tK，…，tn来分解边坡的滑动过程。而对其中的某一个时间步tK，根据边坡下滑的加速度，对边坡的滑动部分施加相应的惯性力，所以，边坡将保持平衡状态。
在某一个时间步tK时，滑坡系统的势能改变ΔΠ可写为：
山区油气管道地质灾害防治研究
其中：
山区油气管道地质灾害防治研究
在tk时间步，上式中ΔWK是体积力bi和边界力Fs（不包含接触边界—滑面）所做的功，重力势能的改变量为ΔwE,ui为边坡系统的位移量，ΔUK是应变能改变量，σij和εij是应力和应变，Ω为边坡系统的总体积，ΔAK为滑动面上接触应力所做的功，p。和pt为接触面上的法向接触压力和切向力，r为接触面
和
分别为接触面的上、下边界，
和
分别为接触面上的上、下边界的切向位移，ΔKK为动能改变量。由于问题的复杂性，研究中未考虑材料破坏所消耗的能量。
在时间步从t1=0到tn计算完成后，可获得整个滑坡动态过程的应力、应变、接触状态改变情况、滑动距离等重要参数。
5、请问滑坡稳定性分析可以用到那些软件？用过Arcgis和SlopeCAD，听说过Flac3D，还有没其他类似的软件？
FLAC确实为应用的较多的滑坡稳定性分析软件。除此以外也有相当的滑坡模拟计算软件，软件的计算原理和适用性及学习难度也大不相同：
Geo-slope是一款相对上手较为容易的软件，其上手较快，能自动搜索滑面、设定滑面入口、出口位置；模拟地下水；自定义添加本构模型等，但无法将岩质边坡中结构面加入进来，多限于二维模型。
UDEC和3DEC使用的是离散元法。认为不同岩性属性的岩块（连续体）和地质结构面（非连续特征）两者构成岩体最基本组成要素，在外力作用下，岩块可以表现为连续介质力学行为，岩块之间则通过结构面（非连续特征）实现相互作用。软件强调结构面的作用，感觉对受结构面控制的边坡、硐室模拟效果还可以。
迈达斯是我最近开始使用的一款软件，其特点是网格划分、边界条件约束和模型建立相对较为简单，且能把不同模块进行耦合分析，比如将结构面发育特征与坡体稳定性进行耦合分析；但是我也只运用了一部分，感觉其功能是非常强大的。
此外还有PFC（颗粒流分析）软件，在均质边坡稳定性的模拟分析也能取得不错的效果。还有一些不怎么常用的或者很难获取的软件我就不多说了。
因为不同软件计算原理及擅长领域不一致；对坡体进行稳定性分析计算的时候，根据坡体结构特征及坡体主控因素选择适宜的软件也格外重要。
有什么可以追问我，大家相互交流学习。
6、管道与灾害模型试验的主要类型与原理
管道与地质灾害的模型试验根据试验原理和方法的不同，可分为两类：物理模拟试验和数值模拟试验。下面主要以滑坡灾害为例说明两类模拟试验的试验原理。
5.2.1 管道与滑坡作用的物理模拟试验原理
以相似原理为基础，通过采用相似材料、相似几何条件和相似力学条件，建立滑坡的物理模型，对滑坡破坏过程机理进行模型试验，并结合管道在滑坡体中所处的位置，研究滑坡的变形破坏对管道的作用及影响。特别是解决滑坡变形后，不同位移量对管道的影响，以及影响方式和作用特点，为油气管道地质灾害预测预报提供基础理论。
根据相似准则，在通过模型试验进行滑坡的物理过程或力学性质的研究时，物理量的相似主要是指一般几何相似、动力学相似以及运动学相似三类（其中一般几何相似即初等几何学相似，它的物理量量纲通常只取长度单位）。结合物理系统各类相似的特点，三者的地位和意义可以这样加以描述：即任意二系统，如果在几何学、动力学和运动学上都达到了相似，则该二系统的性能相似。其中，几何学相似较易通过人为的努力实现，而运动学相似又是随着几何学相似和动力学相似而得到表现的。因此，三类相似中动力学相似是关键。凡是在几何相似条件下由动力学相似获得的解，理应满足运动学相似。
依据相似理论和模型试验研究的目的，在滑坡模型试验中，主要采用材料的结构及力学（含动力学）特征相似为基本条件，并取滑坡轴线0.5m宽的条带为研究对象，其坡长、坡度及坡形等几何条件基本相似。
由于受试验条件的限制，模型材料与原型物质之问实现完全相似相当困难，试验要求模型所用材料具有高容重、低强度和低弹模的特性。因此，在进行滑坡模型试验研究中，针对原型物质，配制不同配比的试验材料，模拟碎石土和黄土，选出其中物理力学性质参数基本满足相似准则的模型材料。
滑坡体具有不同的结构面组成，在不同的岩体结构类型和不同的应力状态下，滑坡体结构力学效应各不相同，滑坡表现特点也有显著的不同。因此，结构的相似是滑坡模型试验的重要条件。在滑坡模型制作过程中，根据碎石土和黄土滑坡的结构特征，必须按照滑坡原型的岩体结构特点，以达到模型结构与破坏的相似。
试验中相似材料的选配严格遵循相似原则，满足以下5个相似条件：
（1）（Rc）m=Kp.K1·（Rc）p;
（2）（Rt）m=Kw·K1·（Rt）p;
（3）Cm=Kγ·K1·Cp;
（4）ym=Kγ·γp;
（5）φm＝φp。
式中：Rc、Rt、C、φ、γ分别表示材料的抗压强度、抗拉强度、内聚力、内摩擦力和容重；Kr、K1分别表示容重的几何相似比例；脚标P、m表示原型与模型。
5.2.2 管道与滑坡作用的数值模拟试验原理
典型滑坡数值模拟是管道滑坡预测及防治技术研究的基础理论。利用过去的研究成果，结合滑坡灾害对输油气管道作用的特点，选取管道沿线两类典型滑坡—碎石土滑坡和黄土滑坡进行数值模拟研究，建立典型滑坡变形及失稳的地质—力学机理模型，阐明典型滑坡的变形和失稳机理，在此基础上重点分析滑坡在不同变形演化阶段对管道的影响。
通过对典型滑坡进行现场调研，查明典型滑坡的工程地质环境条件、滑坡体范围、规模、特征、坡体内部结构、变形破坏迹象、地下水特征以及管道与滑坡的相互位置关系等的基础上，建立典型滑坡与管道的地质结构模型和变形破坏的概念模型。通过对“概念模型”进行合理地抽象，建立可以作为数值模拟基础的滑坡变形破坏的地质力学模型。根据所建的地质力学模型，采用有限元数值模拟手段，计算典型滑坡现今的应力场和变形场，初步判定滑坡在现今条件下的稳定性状况。同时，根据现场监测资料或地质力学模拟的位移和应力监测资料，进行有限元的反演分析，修正和检验数值模型的有效性。利用修正后的数值模型，分析典型滑坡在不同变形阶段的应力和变形状况，重点分析和评价滑坡在不同变形演化阶段对管道的作用和影响。
7、滑坡的预测和监测方法
滑坡作用的预报像其他外部地质作用那样，预报发展过程（阶段）和时空分布特征，并对单个滑坡（或滑坡群）稳定性进行评价，为防治工作提供依据。
滑坡发生时间的预报通常分为超长期（达100 a）、长期（10～15 a）、中期（1～10 a）和短期（几小时、几天～1 a）。因此，危险地区设主观测站（台），长期连续取得观测数据。
近年来，地球物理方在滑坡动态观测中，开展了滑移特点与地球物理参数间相关关系的研究，使时间预报研究进一步深化。大量实践（实验室内的物理模拟和野外实际的稳定性已破坏的斜坡上测量）证明利用地球物理方法预报滑坡过程是可行的、有效的。
12.1.4.1 用地震方法研究滑坡动力学特征预报滑坡
图12.1.6是用地震方法研究滑坡动力学特征的实例。实验室内模型实验选用与粘土相当的材料并考虑相似性准则制作物理模型，模拟塑性滑坡形成过程。实验结果表明，介质弹性特征的改变总是发生在滑动之前，即介质由稳定状态变为破坏状态，地震波速明显降低（见图12.1.6，a曲线）。这个结果已被野外大量滑坡上测试结果所证实。从图12.1.6地震纵波速度曲线（a曲线）、大地测量水准点的水平位移曲线（b、c曲线）和应力变化曲线（d曲线）变化可以看出滑坡开始滑动时刻（图12.1.6中的A点）和剧烈滑动的时刻（图12.1.6中的B点），这样就可以提前预报滑坡。
图12.1.6 用地震方法研究滑坡动力学特征图示（A图）及其结果（B图）
12.1.4.2 利用电阻率法和大地水准测量研究滑动面形成的时间和地点
НечаевЮВ研究（见图12.1.7）。南乌克兰一个露天开采的铁矿深部斜坡滑动的情况。该斜坡的岩性为泥灰质层状粘土，由于发生人工滑坡的体积已达（8～10）×103 m3，所以，滑坡的稳定性已被破坏。
图12.1.7 倾斜露天矿场滑坡上的动态观测
测量视电阻率ρS参数是采用不同供电极距的对称四极装置，同时，对位于滑坡体上的水准点进行了矿山测量观测。把不同极距的ρS值表示成与时间的函数关系ρS=f（t）。由图12.1.7可见，供电极距不同，反映地电断面的深度不同。三种极距的、分别为某种供电极距初始视电阻率值和定期观测某一时刻的视电阻率值）与观测时间t都有类似的函数关系。由于，所以，～t曲线图对地电断面状态变化反映相当灵敏。由图12.1.7可见，在t1、t2、t3 时刻均出现了视电阻率异常。由该矿山测量部门查明，在t1 时刻斜坡岩石形成微小裂隙；在t3 时刻岩石产生滑落，即在岩石产生滑落之前的几昼夜内，可以由～t曲线图看出地电断面状态发生明显变化情况。根据勘查结果，滑坡形成速度在0.2～2.2 m/h范围内变化。因此，有计划地沿着整个斜面布置测点进行监测，能够获得滑动面形成时间和地点的信息。
12.1.4.3 用测自然电位值变化对崩塌性滑坡的短期预测
实践证明，对滑坡的预报是困难的，日本在这方面也做了大量研究工作。研究者认为，正在缓慢移动的滑坡区，实测的自然电位是连续的，若电位发生变化则是发生岩石急剧移动或发生崩塌之前兆。实验结果表明，以0.8 m/s速度缓慢移动的滑坡，在1.5 h内连续观测，自然电位如有100 mV的变化，则在约3 h后将发生15 m×30 m×5 m的土块崩塌。所以，用测自然电位值变化对崩塌性滑坡的短期预测是可能的。
12.1.4.4 对地下水状态监测
地下水对滑坡稳定性影响很大，甚至影响滑坡作用的全过程。地下水的每次流动，都改变着滑坡的水文地质条件，地下水的深度位置决定滑坡规模，并且反映静水压力。地球物理工作者面临的问题就是确定地下水的深度及其变化。
中国地质大学（武汉）利用地面核磁共振方法，对我国三峡坝区滑坡进行监测。利用核磁共振感应系统，在一年四季的不同季节，含丰水期和枯水期，特别是降雨量最大季节，增加观测次数。应用相同测量装置、选用相同的技术参数，在同一工区的同一测点上重复观测，获得了不同季节之间潜水面乃至地下各个含水层的深度变化信息。
在含水和不含水岩石中纵波传播速度取决于岩石成分、密度、孔隙率和层理深度。地震勘探系统应用相同技术、装置，沿一个和一些地形标定的剖面上重复测量，特别重要的是应当捕捉最干旱和降雨量最大季节之间潜水面的变化信息。把各个时期获得的水文测量图进行对比，以评价地下水动力学特征，这些特征与滑坡发育有密切的关系。
12.1.4.5 温度测量是自然电场的补充方法
地下水的渗透特征在电阻率法的曲线上和自然电位图上均有反映。温度测量是自然电场的补充方法，它反映地下水运动和滑坡体的水饱和系数。一般情况下，在滑坡体上方呈现明显的自然电位负异常，且电位等值线拉长方向即为滑坡走向。电位最小梯度方向与地下水流方向一致。滑体上呈现负异常与其中水的渗透作用有关，是这些水沿滑坡壁的裂隙渗透的结果，使自然电位测量结果与测温资料一致。盛夏季节测温，上部土壤层升温（地下水很深时），以较高温度值（29～31℃）圈定了滑坡体的边界。在滑坡以外地区，温度明显降低（23～25℃）。
当地下水埋深很大、流速又小，工作区游散电流明显时，自然电场法观测效果不佳。测温法也受到限制。
滑坡上钻井资料是获取真速度和潜水流渗透速度的定量数据的来源。这些数据与地震、地面核磁共振方法资料配合，可以确定滑坡土体中的渗透系数。
12.1.4.6 声辐射技术、微动观测用于监测滑坡的发展过程
滑坡在孕育和发展过程中，往往会导致岩体位移、应力集中而引发岩体产生微破裂，从而导致声辐射。除了常规的监测技术（如钻孔倾斜仪、地面倾斜仪、裂缝计等）外，声辐射技术、微动观测也能用于监测滑坡的发展过程。
A.声辐射技术是在被监测的地质体中（或钻孔内）埋设检波器，检测声辐射信号，记录声辐射脉冲的强度和频度。声波脉冲的强度和能量能够比较准确地反映岩石破裂的过程，以此来预测滑坡。有许多国家利用这一方法有效地监测滑坡的发展过程并做出成功的预测。捷克在一露天采矿场用钻孔声辐射结果划分出了稳定性不同的四个岩体，确定了岩体的扰动情况及天然应力分布的变化。这些结果得到钻孔倾斜仪测量结果的印证。智利也根据声辐射测量成功地预测了滑坡。
B.微动观测。日本中部被第三纪沉积物覆盖的许多地区滑坡频繁发生，已采用了各种方法来查明滑坡产生的机制。其中方法之一是微动观测法，该方法通过微动观测，求出质点运动的频谱及轨迹，以此确定地下地质结构的颤振特性和变化过程，从而预测滑坡的移动。在日本长野以西约20 km的奈良尾和阿吉美木两个滑坡区进行了微动观测。在奈良尾地区由轨迹确定的地面颤振的方向性可用来识别主要和次级的滑动，而在阿吉美木地区则划分了稳定带和非稳定带。据认为，微振特性与应力分布状况有关，这或许是用该方法预测滑坡的基础。
12.1.4.7 用充电法和基准点法直接观测滑坡物质的移动方向和速度
直接观测滑坡物质的移动方向和速度可以评价斜坡的稳定性和监测滑坡的发展。
众所周知，传统的充电法可以用于对滑坡稳定性进行监测，通常把几个金属球放在滑坡体内的钻孔中的不同深度处，观测钻孔上方充电法电位异常极大值及其位置变化，推断滑坡物质的移动方向和速度。
此外，可采用基准点法，即系统地监测人工和天然基准点上物探异常的变化规律。例如，采用人工磁性基准点，即把永久磁铁放在滑坡体内的钻孔中，它所引起的磁异常最大值应超过测量精度的5～10倍，钻孔的排列线应垂直滑坡方向，井口的平面位置与高程同滑坡体外基岩上的固定大地测量基准点联测。磁铁在地面投影位置的测量精度为0.1～0.15 m，对磁铁位置进行重复测量，周期长短要考虑使移动的距离为测量位置精度的2～3倍。把不同时期所测的磁场图加以对照，就可以确定滑坡移动的方向和距离，进一步可求出移动的速度。
利用天然基准点，也可以进行上述工作。所谓天然基准点是利用滑坡体内长期存在的天然不均匀体，其物性与围岩有明显差别，并存在视电阻率和自然电位局部异常（岩相的变化、水分的增多等）以及局部磁异常（如磁性滚石、粘土透镜体）的点位。
12.1.4.8 引入地球物理综合指标（多参数综合研究）对滑坡发育阶段进行定量评价
由于滑坡作用是一复杂的地质过程，又由于地球物理方法求解反问题的多解性，所以，要利用多参数进行综合研究，研究各参数的统计规律，提高定量预测的准确性。
为了对滑坡发育阶段进行定量评价，АбдулаевШХ引入浸湿度（α）、破碎程度（r）和压缩程度（K）的地球物理综合指标，这些指标的计算公式是
环境地球物理学概论
式中：P是引用的参数，P为初始电阻率ρ0与某一时刻电阻率ρt的比值；H为基岩顶板埋深；τ是一定的供电极距范围内的视各向异性系数；n为极距数；v0为地震波传播的初速度；vt是在某一时刻测定的速度。利用上述公式计算了这些量纲为1的对比性指标。
在有条件的情况下，滑体可以划分为上、中、下三个部分。上部包括沉陷区和脱离区，中部包括中心地段，下部包括滑面出露区。对其中每一部分都取平均值进行计算，计算结果均高于工程地球物理指标。
野外进行斜坡浸水试验和上述参数计算结果可得出结论：在未变形斜坡人工浸湿的初期，斜坡湿度变大，用P＜0.7圈定浸湿范围大于变形区面积。然后，根据剪切模量的低值和一般的变形以及高的电各向异性系数进一步划分变形区范围。在滑坡体浸湿1/6～1/5时，在岩体中开始观测到垂向形变。滑动带（面）在8～10 m深处生成，而参数P和τ的明显变化也可以显示上述变化。当浸湿范围开始超过滑坡面积的1/5时，垂向形变转为水平位移，在这种情况下，岩石形变范围已大于浸湿岩石范围。
上述参数的统计计算，有助于研究滑坡作用的形成过程，以便预报和监测滑坡。