邊坡穩(wěn)定性分析方法綜述

摘 要：文章簡要闡述了邊坡穩(wěn)定性分析的研究意義，介紹了邊坡穩(wěn)定性分析的幾種常用方法及其各自的原理和特點。指出了目前邊坡穩(wěn)定性分析在安全系數(shù)定義、滑裂面的確定和載荷處理三方面所存在的問題，并對邊坡穩(wěn)定性分析方法進行了展望。

關(guān)鍵詞：邊坡穩(wěn)定性；分析方法；非確定性分析

邊坡穩(wěn)定性分析一直是學(xué)術(shù)界和工程界的重要研究課題。在礦山建設(shè)工程、道路橋梁工程、建筑工程、水利工程等眾多領(lǐng)域中，邊坡穩(wěn)定性分析的合理與否，關(guān)系著工程質(zhì)量的好壞。選擇合理的邊坡穩(wěn)定性分析方法，可以確保工程安全和降低建設(shè)費用。邊坡穩(wěn)定性分析方法大致上可以分為以下幾類：定性分析方法、定量分析方法、非確定性分析方法。簡要分析了各種邊坡穩(wěn)定性分析方法的基本原理，并指出了目前邊坡穩(wěn)定性分析方法所存在的主要問題，展望了邊坡穩(wěn)定性分析方法的發(fā)展趨勢。

1 邊坡穩(wěn)定性分析的研究意義

邊坡穩(wěn)定性是指在各類工程結(jié)構(gòu)實體中，邊坡受到對工程可靠度、安全度以及經(jīng)濟效益能產(chǎn)生的影響因素下，其穩(wěn)定性發(fā)生的相應(yīng)變化。工程結(jié)構(gòu)實體由于表面傾斜，在自身重量及其他外力共同作用下，整個實體結(jié)構(gòu)都有從上向下滑動的趨勢，如果實體結(jié)構(gòu)體內(nèi)部某一面上的滑動力超過結(jié)構(gòu)實體抵抗滑動的能力，就會發(fā)生滑坡。

隨著我國經(jīng)濟的蓬勃發(fā)展，各地大量進行公路、機場、水利等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，不可避免地會面臨著許多的邊坡問題，其穩(wěn)定性將對工程質(zhì)量有著重大的影響。邊坡失穩(wěn)所造成的災(zāi)害在我國已成為僅次于地震的第二大地質(zhì)災(zāi)害，對工程實體的邊坡進行穩(wěn)定性分析研究是十分重要的。通過對邊坡穩(wěn)定性進行分析，提出合理的防治預(yù)防措施，將可以大大降低滑坡等自然災(zāi)害造成的損失，保證人民的生命財產(chǎn)安全。

2 邊坡穩(wěn)定性分析的常用方法

邊坡穩(wěn)定性分析的常用方法有：定性分析方法、定量分析方法和非確定性分析方法。

2.1 定性分析方法

定性分析評價方法是通過工程地質(zhì)勘察，對影響邊坡穩(wěn)定性的各種因素、可能的變形破壞方式及失穩(wěn)的力學(xué)機制的分析和對已變形地質(zhì)體的成因及其演化史進行分析，從而給出被評價邊坡穩(wěn)定性情況及其可能發(fā)展趨勢的定性的說明和解釋。其主要優(yōu)點是能綜合考慮影響邊坡穩(wěn)定性的多種因素，快速地對邊坡的穩(wěn)定狀況及其發(fā)展趨勢作出評價。定性分析方法主要包括：工程地質(zhì)類比法、自然（成因）歷史分析法、圖解法、邊坡穩(wěn)定性分析數(shù)據(jù)庫等。

工程地質(zhì)類比法是利用已有的邊坡或人工邊坡的穩(wěn)定性狀況及其影響因素、有關(guān)設(shè)計等方面的經(jīng)驗，并把這些經(jīng)驗應(yīng)用到類似的所要研究邊坡的穩(wěn)定性分析和設(shè)計中去的一種方法。

自然（成因）歷史分析法主要根據(jù)邊坡發(fā)育的地質(zhì)環(huán)境、邊坡發(fā)育歷史中的各種變形破壞跡象及其基本規(guī)律和穩(wěn)定性影響因素等的分析，追溯邊坡演變的全過程，對邊坡穩(wěn)定性的總體狀況、趨勢和區(qū)域性特征作出評價和預(yù)測，對已發(fā)生滑坡的邊坡，判斷其能否復(fù)活或轉(zhuǎn)化。它主要用于天然斜坡的穩(wěn)定性評價。

圖解法可分為兩類：諾模圖法和赤平投影圖法。諾模圖法主要用于土質(zhì)或全風(fēng)化的具有弧形破壞面的邊坡穩(wěn)定性分析；赤平投影圖法目前主要用于巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性分析。

邊坡工程數(shù)據(jù)庫是收集已有的多個自然斜坡、人工邊坡實例的計算機軟件。建立邊坡工程數(shù)據(jù)庫的目的主要是進行工程類比、信息交流。

2.2 定量分析方法

定量分析方法可分為極限平衡分析法和數(shù)值分析方法。

2.2.1 極限平衡法

極限平衡法在邊坡工程應(yīng)用中，仍是邊坡穩(wěn)定性分析應(yīng)用較廣的定量分析方法。它是基于摩爾-庫侖強度準則，通過假設(shè)潛在滑面，將假設(shè)滑坡體劃分成若干條塊，建立力矩平衡，給出抗滑力（力矩）與下滑力（力矩）的關(guān)系式求出安全系數(shù)，從而達到定量評價的目的。常用的極限平衡法有：瑞典條分法、畢肖普法、簡布法、傳遞系數(shù)法、薩爾瑪法等。由于極限平衡法具有模型簡單、計算公式簡捷、可以解決各種復(fù)雜剖面形狀、能考慮各種加載形式的優(yōu)點，因此得到了廣泛的應(yīng)用。但是，極限平衡法也存在著些局限性：一、需要事先假設(shè)邊坡中存在的滑動面；二、無法考慮土體與支護結(jié)構(gòu)之間的作用及其變形協(xié)調(diào)關(guān)系；三、不能計算邊坡及支護結(jié)構(gòu)的位移情況。

2.2.2 數(shù)值分析方法

數(shù)值分析方法是利用某種方法求出邊坡的應(yīng)力分布和變形情況，研究巖體中應(yīng)力和應(yīng)變的變化過程，求得各點上的局部穩(wěn)定系數(shù)，由此判斷邊坡穩(wěn)定性。其主要方法包括：有限元法、有限元強度折減法、FLAC法、流形元法、邊界元法、界面應(yīng)力元法等。

有限單元法是目前應(yīng)用最廣泛的數(shù)值分析方法，該方法的基本思想是將一個連續(xù)體離散化，變換成有限數(shù)量的有限大的單元集合，這些單元之間只通過結(jié)點來連接和制約，用變換后的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)代替實際的系統(tǒng)，采用標準的結(jié)構(gòu)分析來進行處理。這種方法避免了極限平衡分析中將滑體視為剛體而過于簡化的缺點，能使我們近似地從應(yīng)力應(yīng)變?nèi)シ治鲞吰碌淖冃纹茐臋C制，分析最先、最容易發(fā)生屈服破壞的部位和需要首先進行加固的部位等。但是它的缺點是還不能很好地求解大變形和位移不連續(xù)等問題，對于無限域、應(yīng)力集中問題的求解也不理想。

有限元強度折減法中，邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)可定義為使邊坡剛好達到臨界破壞狀態(tài)時，對坡體剪切強度進行折減的程度，即定義穩(wěn)定安全系數(shù)為坡體實際抗剪強度與臨界破壞時折減后的剪切強度比值。該方法除了具備有限元法的一切優(yōu)點外，還有自己的特點：（1）求解安全系數(shù)時，不需要假設(shè)滑裂面的性狀和位置，而是由程序自動求出滑裂面；（2）能夠考慮開挖過程對邊坡穩(wěn)定性的影響；（3）能夠模擬坡體和支護的共同作用。

有限差分法（FLAC）克服了有限元等數(shù)值分析方法不能求解巖體大變形問題的缺陷，是人們根據(jù)顯式有限差分原理快速分析而提出的數(shù)值分析方法。該方法可以考慮材料的非線性和幾何學(xué)上的非線性，適用于求解非線性大變形，求解速度較快。

流形元法吸收了有限元法和不連續(xù)變形分析法的優(yōu)點，應(yīng)用有限覆蓋技術(shù)在每個物理覆蓋上建立獨立的位移函數(shù)，加權(quán)求和求出總位移，根據(jù)總勢能最小原理建立多種問題的求解方式，解決連續(xù)與非連續(xù)變形的力學(xué)問題，是目前最具活力的數(shù)值分析方法之一。

3 非確定性分析方法

3.1 可靠度分析法

由于影響巖質(zhì)邊坡工程的穩(wěn)定性的諸多因素常常都具有一定的隨機性，且多是具有一定概率分布的隨機變量，因此可以通過現(xiàn)場調(diào)查獲得影響邊坡穩(wěn)定性因素的多個樣本，然后進行統(tǒng)計分析，求出其各自的概率分布及其特征參數(shù)，再利用某種可靠性分析方法來求解邊坡巖體的破壞概率即可靠度。但是，可靠度分析法計算較傳統(tǒng)極限平衡法復(fù)雜，且樣本選取難度和合理性較難把握，目前在邊坡穩(wěn)定性分析還處于探索階段，一般在實際工程中只作為一種輔助手段。

3.2 灰色系統(tǒng)評價法

灰色系統(tǒng)理論認為，在決定事物的諸因素中若既有已知的，又有未知的或不確定的，它們所在的系統(tǒng)則稱為灰色系統(tǒng)?；疑到y(tǒng)評價法建立在灰色朦朧集理論上，以灰色關(guān)聯(lián)為依托，通過對灰色關(guān)聯(lián)進行分析、建模和預(yù)測等以確定其系統(tǒng)中的未知部分進而實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的管理和控制等。適合對具有復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境、力學(xué)性質(zhì)、結(jié)構(gòu)組合等不確定因素的邊坡工程進行評價，其基本思想是通過對少量已知信息加工并擴展，使整個系統(tǒng)進行處理整個灰色系統(tǒng)。但其內(nèi)涵力學(xué)機制不清，缺乏明確的定量描述，在實際工程決策中是遠遠不夠的。

3.3 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是20世紀80年代發(fā)展起來的人工智能的一個分支，近年來也開始運用于巖土邊坡工程問題研究中。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是利用物理可實現(xiàn)的器件或利用計算機模擬生物神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的某些結(jié)構(gòu)和功能，具有非線性映射能力和無模型估計的特征。它對神經(jīng)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)抽象粗略的逼近和模仿，由輸入層、隱含層和輸出層組成。利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對邊坡建立非線性網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，可有效處理邊坡工程中出現(xiàn)的一些非線性關(guān)系數(shù)據(jù)，在完全未知變量與自變量確切函數(shù)關(guān)系的情況下，較好地實現(xiàn)各參數(shù)之間復(fù)雜的非線性映射，但有些因素選取受人為主觀賦值影響，缺乏說服力。目前神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)因子選取的規(guī)范化、隱含層的個數(shù)和預(yù)測精度，是人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在邊坡研究領(lǐng)域應(yīng)用的關(guān)鍵課題。

3.4 模糊分級綜合評價法

影響邊坡穩(wěn)定性的諸因素除了具有前述的隨機不確定性外，還具有一定的模糊不確定性。因此，可采用模糊分級評判或模糊聚類方法對邊坡穩(wěn)定性做出分級評判。其具體做法是先找出影響邊坡穩(wěn)定性的各個因素，并賦予其不同的權(quán)值，然后通過建立模糊關(guān)系矩陣求解來實現(xiàn)評價工作。其優(yōu)點是能得到邊坡穩(wěn)定性等級分類指標，據(jù)此判斷出邊坡的穩(wěn)定性情況；缺點是在實際操作過程中，評判中權(quán)數(shù)的分配帶有一定的經(jīng)驗性和主觀性，并沒有考慮到各個影響要素。

4 目前邊坡穩(wěn)定性分析所存在的問題

邊坡穩(wěn)定性分析中存在的問題主要有：安全系數(shù)的定義、滑裂面的確定和載荷的處理。

4.1 安全系數(shù)的定義

目前，關(guān)于安全系數(shù)的定義有很多種。包括：傳統(tǒng)的邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)定義為可能滑動面上抗滑力與滑動力的比；將強度指標的儲備作為安全系數(shù)；從強度儲備概念的強度折減法出發(fā)定義的安全系數(shù)。這些定義分別從宏觀分析的角度、微觀分析的角度以及經(jīng)驗總結(jié)的角度，并結(jié)合多種理論，說明了目前在邊坡穩(wěn)定性分析中的多種手段，為今后邊坡穩(wěn)定性分析提高了效率。這些邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)求解方法雖然合理，但某些方面還需要驗證對比，并進一步地完善。

4.2 滑裂面的確定

在邊坡穩(wěn)定分析中，尋找最危險滑面一直是一個被廣泛研究的課題。確定滑動面的方法很多，主要有數(shù)值規(guī)劃法、變分法、模式搜索法、基于廣角度分析的等值面法等。數(shù)值規(guī)劃法是一種基于變分原理，通過建立滑裂面的目標函數(shù)進行搜索滑裂面的方法。

變分法是把滑裂面、正應(yīng)力分布、條間力的分布都看成變量，邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)看成這些變量的泛函，再利用變分法求得安全系數(shù)函數(shù)達到極小時對應(yīng)的臨界滑動面及應(yīng)力分布。該方法存在的一個缺陷是其在數(shù)學(xué)上不夠嚴密，即求極小值時給出的只是極值的必要條件。

模式搜索方法主要包括單形法、Powell法、牛頓法、隨機模式搜索法、非數(shù)值分析方法等。在搜尋滑裂面的各種優(yōu)化方法中，每一種方法都有一定的局限性：如單形法、Powell法、阻尼最小二乘法、變分尺度法、模式搜索方法和變量替換法等都不可避免局部極小、初值敏感性等。隨著計算機硬件和并行計算技術(shù)的發(fā)展，提高計算速度已經(jīng)不成問題，尋找新的計算方法或者不同方法的耦合成為今后發(fā)展的重點。

4.3 載荷的處理

影響邊坡穩(wěn)定的因素主要有：（1）邊坡材料性能。由彈性模量、泊松比、摩擦角、粘結(jié)力、容重、抗剪強度等參數(shù)反映。要根據(jù)不同的要求選用恰當?shù)那姸葴蕜t。（2）邊坡幾何尺寸。包括邊坡高度、坡面角和邊坡邊界尺寸以及內(nèi)部結(jié)構(gòu)面等。（3）邊坡外部荷載。包括地震力、重力場、滲流場、地質(zhì)構(gòu)造地應(yīng)力等。地震力一般采用擬靜力法進行分析，對于位于強地震區(qū)的重要高邊坡，有必要進行動態(tài)有限元穩(wěn)定分析。滲流場是邊坡工程中常見的問題，一般對滲流場和應(yīng)力場進行耦合模擬，同時要考慮邊坡的結(jié)構(gòu)特征進行加固措施的數(shù)值模擬分析。

5 邊坡穩(wěn)定性分析方法展望

隨著數(shù)值分析方法以及計算機技術(shù)的不斷發(fā)展，以及人們對邊坡破壞變形力學(xué)機制、力學(xué)參數(shù)合理選取以及評價方法理論等研究的不斷深入，相信邊坡穩(wěn)定分析評價方法會不斷完善，實現(xiàn)準確、高效、經(jīng)濟地服務(wù)于邊坡工程的目的，為國家財產(chǎn)和個人的生命財產(chǎn)安全提供強有力的保證。

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作者簡介：林曉烽（1989- ），男，福建泉州人，結(jié)構(gòu)工程碩士，助理工程師。