邊坡穩(wěn)定性評價分析方法

于勇剛

一、前言

邊坡穩(wěn)定性問題一直就是邊坡研究一個重點課題，邊坡研究發(fā)展主要是依賴于土力學(xué)和巖石力學(xué)的發(fā)展，邊坡的破壞不僅會直接摧毀工程建設(shè)本身，而且也會對工程和人類環(huán)境帶來間接的影響和經(jīng)濟損失[1]。因此，如何經(jīng)濟、安全可靠地設(shè)計合理的邊坡工程或分析評價天然邊坡的穩(wěn)定性具有重大的實際意義。不同的邊坡工程常常存在于不同的工程地質(zhì)環(huán)境中，不同的邊坡穩(wěn)定性分析方法又各具特點，并且有各自的適用條件。本文就各種邊坡穩(wěn)定性分析方法的主要特征及其優(yōu)缺點作些簡要分析。

二、定性分析法

該法是基于通過地質(zhì)勘察資料研究邊坡穩(wěn)定性的影響因素（如地質(zhì)與水文條件及人類活動等），分析邊坡體的成因、演變史等，從而獲得可能失穩(wěn)破壞方式與力學(xué)機理，是工程實踐中大多采用方法[2]。

1、自然（成因）歷史分析法

該方法主要根據(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。

2、邊坡工程類比法及分析數(shù)據(jù)庫和專家系統(tǒng)

邊坡工程類比法實質(zhì)上就是利用已有的自然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。通過這些分析，來類比分析和判斷研究對象的穩(wěn)定性狀況、發(fā)展趨勢、加固處理設(shè)計等。在工程實踐中，既可以進行自然邊坡間的類比，也可以進行人工邊坡之間的類比，還可以在自然邊坡和人工邊坡之間進行類比?？梢哉f它是目前應(yīng)用最廣泛的一種邊坡穩(wěn)定性分析方法。

邊坡工程分析數(shù)據(jù)庫和專家系統(tǒng)就是在邊坡工程類比法的基礎(chǔ)上收集已有的多個自然斜坡、人工邊坡實例的計算機軟件。它按照一定的格式，把各個邊坡實例的發(fā)育地點、地質(zhì)特征（工程地質(zhì)圖、鉆孔柱狀圖、巖土力學(xué)參數(shù)等）、變形破壞影響因素、形式、過程、加固設(shè)計，以及邊坡的坡形、坡高、坡角等收錄進來，并有機地組織在一起。

邊坡穩(wěn)定分析設(shè)計專家系統(tǒng)就是進行邊坡工程穩(wěn)定性分析與設(shè)計的智能化計算機程序。它把某一位或多位邊坡工程專家的知識、工程經(jīng)驗、理論分析、數(shù)值分析、物理模擬、現(xiàn)場監(jiān)測等行之有效的知識和方法有機地組織起來，建成一個邊坡工程知識庫，結(jié)合相關(guān)學(xué)科不同專家的知識進行推理和決策，對所研究的對象（邊坡）進行穩(wěn)定性評價。

3、圖解法

（1）投影圖法

該法就是利用赤平極射投影的原理，通過作圖來直觀地表示出邊坡變形破壞的邊界條件，分析不連續(xù)面的組合關(guān)系，可能失穩(wěn)巖土體形態(tài)及其滑動方向等，進而評價邊坡的穩(wěn)定性，并為力學(xué)計算提供信息。

（2）諾模圖法

該法就是利用一定的諾模圖或關(guān)系曲線來表征與邊坡穩(wěn)定有關(guān)參數(shù)間的關(guān)系，并由此求出邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)，或根據(jù)要求的安全系數(shù)及一些參數(shù)來反分析其它參數(shù)（φ、C、結(jié)構(gòu)面傾角、坡角、坡高等）的方法。

4、SMR法

SMR法是Roman.M在RMR巖體質(zhì)量評價方法的基礎(chǔ)上，綜合考慮邊坡工程中不連續(xù)面產(chǎn)狀與坡面間的組合關(guān)系，提出了邊坡巖體質(zhì)量計算公式。利用SMR方法來評價邊坡巖體質(zhì)量的穩(wěn)定性，方便快捷，且能夠綜合反映各種因素對邊坡穩(wěn)定性的影響。但該方法存在一些不足，如它沒能考慮邊坡坡高等因素，對大型的巖質(zhì)邊坡的整體穩(wěn)定性的狀況還不能夠作出有效的分析。

三、定量分析法

該法是采用土力學(xué)、巖體力學(xué)及理論力學(xué)的理論與方法，基于經(jīng)典的數(shù)學(xué)物理方程與計算機技術(shù)求解穩(wěn)定安全系數(shù)、計算滑坡結(jié)構(gòu)體內(nèi)的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系分析邊坡穩(wěn)定性。

1、有限差分法和有限體積法

FDM是一種傳統(tǒng)的數(shù)值分析法，其基本思想就是用差分網(wǎng)格離散求解域，用差分公式將問題的控制方程轉(zhuǎn)化為差分方程，然后結(jié)合初始及邊界條件，求解線性代數(shù)方程組。FVM是最流行數(shù)值分析法，它廣泛用于巖土問題中，如邊坡穩(wěn)定性，地下工程開挖、水-應(yīng)力耦合或者熱-水-應(yīng)力耦合，巖體特性等。它類似于有限元法，是有限差分法與有限元法的橋梁。但二者不足的地方就是大部分模型都不宜處理破碎、復(fù)雜邊界條件和材料的不均勻性的問題。因此它不宜分析邊坡穩(wěn)定性。

2、有限元法

其基本思想就是視巖體為連續(xù)力學(xué)介質(zhì)，通過離散化，建立近似函數(shù)把有界區(qū)域內(nèi)的無限問題簡化為有限問題，并通過求解聯(lián)立方程，對工程問題進行應(yīng)力與變形分析。其突出優(yōu)點是適用性強；計算滑動面上應(yīng)力較真實；可考慮邊坡巖體非線性、非均質(zhì)和復(fù)雜邊界等問題；可得出邊坡應(yīng)力應(yīng)變場和位移場；可避免將坡體視為剛體、過于簡化邊界條件的缺點；能直觀地模擬邊坡變形破壞過程；通過對大量方案的比較分析，可迅速得出計算結(jié)果，便于方案優(yōu)化。其不足之處是：數(shù)據(jù)準(zhǔn)備工作量大且計算繁復(fù)、計算效率低、計算結(jié)果不收斂，原始數(shù)據(jù)易出錯，不能保證某些物理量在整個區(qū)域內(nèi)的連續(xù)性。目前用于邊坡穩(wěn)定性分析的有限元通常用有限元圓弧搜索法和強度折減有限元法。

3、快速Lagrangian分析（FLAC）法

為了克服有限元等數(shù)值分析法不能求解巖土大變形問題的缺陷，人們根據(jù)顯式有限差分原理，提出了FLAC數(shù)值分析方法。該方法較有限元方法能更好地考慮巖土體的不連續(xù)性和大變形特征，求解速度較快。其缺點是同有限元方法一樣，計算邊界、單元網(wǎng)格的劃分帶有很大的隨意性。

4、邊界元（BEM）法

與有限元方法不同，它只對研究區(qū)的邊界進行離散，因而它要求的數(shù)據(jù)輸入量較少。該方法對處理無限域和半無限域問題較為理想。它要求事先知道求解問題的控制微分方程的基本解，在處理材料的非線性、不均勻性、模擬分步開挖等方面還遠不如有限元法，它同樣不能求解大變形問題。因而，邊界元法目前在邊坡巖體穩(wěn)定性分析中的應(yīng)用遠不如在地下洞室中應(yīng)用廣泛。

5、離散元（DEM）法

它是一種動態(tài)的數(shù)值分析方法，可以用來模擬邊坡巖體的非均質(zhì)、不連續(xù)和大變形等特點，因而，也就成為目前較為流行的一種巖土體穩(wěn)定性分析數(shù)值方法。該法對塊狀結(jié)構(gòu)、層狀破裂或一般碎裂結(jié)構(gòu)巖體比較適合。

6、塊體理論（BT）

利用拓撲學(xué)和群論的原理，以赤平投影和解析計算為基礎(chǔ)，來分析三維不連續(xù)巖體穩(wěn)定性。塊體理論的缺點是它通常只考慮不連續(xù)面的抗剪強度，不考慮其變形，不計力矩的作用，且通常假定其無限長，這些都在一定的程度上與實際情況不符。塊體理論在塊體的劃分方面，還存在一定的隨意性，也不能很好地解決大變形問題。

7、無界元法（IDEM）

主要解決有限元在計算時難以確定的計算范圍及邊界條件，可作為有限元法的推廣?；谝恍┬魏瘮?shù)和位移插值函數(shù)，能反映無窮遠處的邊界條件，廣泛應(yīng)用于求解動力及不連續(xù)問題等。

四、現(xiàn)場監(jiān)測分析法

通過現(xiàn)場監(jiān)測所獲得的信息如位移、位移速度、應(yīng)力、聲發(fā)射率、氡氣、α、脈沖頻率、地下水等有關(guān)特征，來對邊坡巖土體穩(wěn)定性作出評價和預(yù)測。由于現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果直觀可靠，因而利用監(jiān)測結(jié)果對邊坡過程的穩(wěn)定性進行分析，已成為目前邊坡工程中穩(wěn)定性評價極其重要的一種方法。

參看文獻：

[1]黃昌乾，丁恩保.邊坡工程常用穩(wěn)定性分析方法.1997.3

[2]丁參軍，張林洪，于國榮等.邊坡穩(wěn)定性分析方法研究現(xiàn)狀與趨勢.2011.8