邊坡穩(wěn)定性分析研究現(xiàn)狀

李方中

新疆煤田地質局綜合隊（830000）

邊坡穩(wěn)定性分析研究現(xiàn)狀

李方中

新疆煤田地質局綜合隊（830000）

近百年來，隨著人類社會經濟的發(fā)展和大規(guī)模建設工程的開展，城市建設、水電、交通、礦山、港口碼頭以及國防工程等各領域都涉及到邊坡工程問題。邊坡的變形、失穩(wěn)導致大型崩滑事故在工程界常有發(fā)生，對國民經濟發(fā)展和人民生命財產造成了巨大的損失。邊坡失穩(wěn)變形問題越來越突出，已成為同地震、火山相并列的全球性三大地質災害之一。文章通過大量文獻調研，對當前邊坡穩(wěn)定性分析研究方法進行了總結和歸納，可供施工和設計人員參考。

邊坡穩(wěn)定性；工程地質；極限平衡法；數(shù)值模擬

邊坡穩(wěn)定性評價是在對地質體充分認識的基礎上，通過對邊坡崩滑作用機理的研究，得出的定性和定量評價結果[1-3]。邊坡穩(wěn)定分析是巖土工程領域的重要課題之一，多年來許多學者致力于這方面的研究，內容十分豐富，就分析方法而言，主要分為五類：①定性的分析方法，主要有成因歷史地質分析法、工程地質類比法和圖解法；②定量分析方法（數(shù)學模型法），主要有基于極限平衡理論的極限平衡分析法、數(shù)值分析法；③非確定性分析方法，主要有基于概率統(tǒng)計理論為基礎的可靠性分析方法；④確定性與非確定性方法的結合；⑤模型試驗和監(jiān)測分析的方法。

1 工程地質類比法

工程地質類比法是一種經驗性的方法，它是根據(jù)某一地區(qū)邊坡的研究設計，進行邊坡工程穩(wěn)定性的初步評價。目前，隨著勘測技術的發(fā)展和各種相應規(guī)范的完善，人們對邊坡工程的地質評價越來越趨向于理性和科學化，傾向于綜合采用現(xiàn)代遙感技術、遙測技術、勘測技術，現(xiàn)代數(shù)學、力學的新理論和新方法如數(shù)值分析、模糊數(shù)學、灰色系統(tǒng)理論、斷裂力學、損傷力學及概率分析等，實現(xiàn)地質過程及各要素的定量描述和定量解釋,并與現(xiàn)代計算機緊密結合起來,實現(xiàn)定量計算模擬。

2 圖解法

圖解法可以分為兩類：一類是用一定的曲線和偌謨圖形象化地表征邊坡有關參數(shù)間的定量關系，并由此求出邊坡穩(wěn)定性系數(shù)；或已知穩(wěn)定系數(shù)及其他參數(shù)（結構面傾角、坡角、坡高）的情況下，求出穩(wěn)定坡角或極限坡高,這實際上是力學計算的簡化。另一類是利用圖解法求邊坡變形破壞的邊界條件，分析軟弱面的空間組合關系，分析潛在滑體的形態(tài)和滑動方向,并據(jù)此評價邊坡的穩(wěn)定程度，為力學計算創(chuàng)造條件。常用的為赤平極射投影分析法及實體比例投影法。

3 極限平衡法

極限平衡法是分析邊坡穩(wěn)定性的基本方法，對于給定的滑面，在一定假設條件的基礎上，極限平衡法能夠給出合理的邊坡穩(wěn)定性系數(shù)（安全系數(shù)）。該類方法具有簡單、快捷的特點，計算過程清晰明了，計算結果的精確性基本能夠滿足工程需要，還有與之配套的并且經過長期工程經驗積累的安全判定標準，所以該方法在工程中得到廣泛地應用。

近年來,國內外學者致力于改善極限平衡法，使之逐步完善。T·D·Stark等認為極限平衡二維分析中隱含破壞面垂直剖面方向無窮大的假設與實際不符，建立了更能反映邊坡實際情況的極限平衡三維分析法。G·Zornberg等以試驗為手段分析了人工加固邊坡的破壞機理，將斜坡的穩(wěn)定性問題推廣到人工加固邊坡領域。美國的John H.Huang教授模擬生物進化步驟，提出了遺傳進化算法。肖專文等采用遺傳進化算法確定了邊坡最危險滑動面及對應的最小安全系數(shù)。朱大勇、姜弘道[4]發(fā)明了一種新的邊坡穩(wěn)定性計算方法——臨界滑動場法（簡稱CSF法）。

4 數(shù)值模擬計算

近年來，數(shù)值分析方法在邊坡穩(wěn)定分析領域取得了巨大的進展。通過計算模擬，可以模擬邊坡加載、卸載的全過程，可以模擬并得到模擬體內部的應力應變關系,再現(xiàn)其變形甚至破壞過程及其機制。數(shù)值分析方法按照模型材料的假定條件可以大致分為兩類。一類是基于連續(xù)介質的分析方法，包括有限元法、邊界元法、快速拉格朗日差分法(FLAC法)等。這些方法具有強大的處理復雜幾何邊界和材料非線性的能力[5]，可以模擬有限條數(shù)的巖體結構面。這是目前理論體系比較嚴格也比較成熟的一類方法。另一類是基于非連續(xù)介質的分析方法，包括離散元法、界面元法、DDA方法、流形元法等。這些方法具有強大的處理非連續(xù)介質和大變形的能力，不僅能夠比較真實地模擬邊坡應力應變和變形發(fā)展、破壞的全過程，而且還能以動畫的形式提供邊坡破壞以后塌落、崩解的過程。

5 地質力學物理模擬試驗

對于超大型工程，地質力學物理模型試驗研究的重要性是數(shù)值模擬無法替代的。物理模型是真實的物理實體，能真實地反映地質構造和工程結構的空間、時間關系，準確地模擬施工過程和影響。模型試驗的結果能給人以更直觀的概念和感受，從全局上把握巖體整體工程力學特征、變形趨勢、穩(wěn)定性特點以及各地質體與結構物之間的相互關系，對巖體破壞機制和安全儲備能力進行比較和判斷。物理模型試驗也能夠對各種數(shù)值分析結果進行一定程度上的驗證。

6 小結

在邊坡工程中,邊坡的開挖支護方案不同，工程的治理效果和治理費用也不同。相比較傳統(tǒng)的極限平衡方法，有限元方法能夠對邊坡的開挖過程進行分步模擬，能較直觀地反映邊坡開挖過程中邊坡各部位的位移和變形，為治理設計方案的選擇提供有力支持。根據(jù)工程的不同性質，通常需要多種方法配合使用?？傊?，由于邊坡工程是一項復雜的系統(tǒng)工程，涉及工程地質和水文地質、工程力學與工程結構、土力學與基礎工程學等多個學科，是由若干具有獨立功能的體系和部分組成的整體。邊坡復合支擋體系的設計與施工，均應從這一整體的系統(tǒng)出發(fā)，按照信息化設計與施工的原則，尋求整個系統(tǒng)的最優(yōu)化，才能夠在保證邊坡安全的同時，實現(xiàn)工程經濟、技術的最優(yōu)化。

[1]鄭穎人,陳祖煜,王恭先,凌天清.邊坡與滑坡工程治理[M].北京：人民交通出版社,2007,1.

[2]李海光,等.新型支擋結構設計與工程實例[M].北京：人民交通出版社,2004,1.

[3]孫玉科,牟會寵,姚寶魁.邊坡巖體穩(wěn)定性分析[M].北京：科學出版社,1988.

[4]朱大勇,姜弘道.邊坡臨界滑動場方法與應用[J].水利水電科技進展,2000,6.

[5]鄭穎人,趙尚毅.有限元強度折減法在土坡與巖坡中的應用[J].巖石力學與工程學報,2004,10.