巖土體邊坡穩(wěn)定分析計(jì)算方法的研究進(jìn)展

關(guān)志偉

【摘要】巖土的土體邊坡穩(wěn)定性研究，始終是開展巖石工程中所關(guān)注的重要課題。通過綜述巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性，針對(duì)當(dāng)前穩(wěn)定分析計(jì)算方法以及吸納應(yīng)的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述，介紹所主要采用的穩(wěn)定分析計(jì)算方法，包括極限平衡法以及有限元法兩種，同時(shí)聯(lián)合兩者能夠分析巖土體邊坡的工程穩(wěn)定性。發(fā)現(xiàn)通過將多種計(jì)算方法共同相互校驗(yàn)，能夠更好的確保巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性計(jì)算準(zhǔn)確度，同時(shí)這也是今后的主要研究方向。

【關(guān)鍵詞】巖土體；邊坡穩(wěn)定；計(jì)算方法

引言：

巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性分析，占據(jù)了巖土工程工作開展中的而重要組成。在我國(guó)現(xiàn)如今社會(huì)發(fā)展進(jìn)程的不斷加快，國(guó)民經(jīng)濟(jì)水平的不斷提高，水利工程、城市建筑、公路鐵路等多方面的基礎(chǔ)設(shè)施假設(shè)都方興未艾。在建設(shè)多種工程的過程中，也同時(shí)出現(xiàn)了諸多巖石類邊坡工程，比如三峽高邊坡。而實(shí)際的工程建設(shè)中，巖土體的邊坡穩(wěn)定性直接影響建筑質(zhì)量。通過為了能夠?qū)崿F(xiàn)沿途邊坡的穩(wěn)定性準(zhǔn)確分析，借助多項(xiàng)開挖及支護(hù)舉措，從而行之有效的促進(jìn)巖土體邊坡的穩(wěn)定性計(jì)算方法進(jìn)一步發(fā)展。

1、定性分析法

在對(duì)巖土體邊坡的穩(wěn)定性加以計(jì)算分析的過程中，定性分析法主要是借助工程地質(zhì)類勘察，對(duì)邊坡穩(wěn)定性造成較大影響的主要因素，基于失穩(wěn)力學(xué)機(jī)制以及變性破壞等多種方式展開分析，通過對(duì)已經(jīng)變形的地質(zhì)體成因及其具體的演變進(jìn)化史加以分析，從而更好的對(duì)邊坡穩(wěn)定性及其進(jìn)一步的發(fā)展趨勢(shì)予以評(píng)價(jià)，并且給予針對(duì)性的定性解釋說明。在應(yīng)用定性分析法的過程中，能夠?qū)τ绊憥r質(zhì)邊坡穩(wěn)定性的多種因素進(jìn)行綜合考慮。

1.1自然成因歷史分析法

此種方法主要根據(jù)巖土體邊坡所在的地形地貌，地域歷史發(fā)展中的諸多破壞現(xiàn)象，具體的發(fā)展穩(wěn)定性及規(guī)律等因素展開分析，總結(jié)對(duì)邊坡穩(wěn)定性所造成主要影響的有關(guān)狀況，區(qū)域性發(fā)展特征及區(qū)域性發(fā)展優(yōu)勢(shì)做出綜合性評(píng)測(cè)。

1.2工程類比法

此種方法在應(yīng)用實(shí)質(zhì)上，就是通過借助現(xiàn)有的自然邊坡及人工邊坡穩(wěn)定性具體情況，通過將此種經(jīng)驗(yàn)逐步應(yīng)用至所需要展開研究的邊坡穩(wěn)定性設(shè)計(jì)分析中。它能夠針對(duì)現(xiàn)存邊坡及相應(yīng)的研究對(duì)象，展開更加廣泛的調(diào)查分析，從而更加全面的針對(duì)工程地質(zhì)類因素展開研究。發(fā)現(xiàn)對(duì)巖土體邊坡穩(wěn)定性造成影響的主導(dǎo)性因素及具體的發(fā)展相似差異性。通過多方面分析從而更好的對(duì)研究對(duì)象的具體穩(wěn)定狀況加以分析判斷。

1.3圖解法

在應(yīng)用圖解法的過程中，通常主要包括了兩種方法，諾模方法及赤平投影圖法。諾模方法在應(yīng)用中主要是借助諾模圖或者關(guān)系曲線，對(duì)巖土體邊坡穩(wěn)定性參數(shù)關(guān)系，從而求解得出相應(yīng)的安全系數(shù)，而實(shí)際情況上則是數(shù)理化分析方法的簡(jiǎn)化。投影圖法則是在計(jì)算過程中，基于赤平極射的投影原理，利用作圖能夠?qū)⑦吰碌淖冃纹茐臈l件更加直觀的表達(dá)，提供有關(guān)力學(xué)信息。

2、定量分析法

2.1剛極體現(xiàn)平衡分析法

極限平衡分析法在應(yīng)用過程中實(shí)際就是通過依據(jù)邊坡上的有關(guān)滑體分塊類力學(xué)平衡原理，對(duì)邊坡中所存在諸多破壞的受力狀態(tài)加以分析。此種方法也是作為一種主要方法，被廣泛的應(yīng)用于巖土體邊坡穩(wěn)定性的工程研究中。對(duì)于不同形狀的巖土體可以采用不同的方法，比如可以利用Fellenius以及Bishop法對(duì)圓弧形破壞滑坡計(jì)算；借助平面破壞計(jì)算法計(jì)算平面破壞滑坡；借助Morgenstern-Price法以及Spencer等方法完成復(fù)合型邊坡滑動(dòng)面。

2.2數(shù)值分析法

數(shù)值分析法在現(xiàn)如今的巖土體邊坡穩(wěn)定性計(jì)算過程中應(yīng)用極為廣泛，包括了多種方法：

2.2.1 FEM（有限元法）

FEM方法在巖土體邊坡的穩(wěn)定性分析中較早應(yīng)用，且此種方法是現(xiàn)階段應(yīng)用及其廣泛的方法，當(dāng)前已經(jīng)根據(jù)此方法開發(fā)了二維及三維的有限元分析模型，從而更好的對(duì)彈塑性、彈性以及粘塑性等問題進(jìn)行解決。有限元方法可以在應(yīng)用中，考慮巖土體邊坡的不連續(xù)性及非均性，從而給出相應(yīng)的應(yīng)力分布點(diǎn)及應(yīng)變大小，可以基于根源讓我們近似性，對(duì)巖土體邊坡變性破壞機(jī)制加以分析。

2.2.2 BEM（邊界元法）

此種方法最初源自于上世紀(jì)70年代，Cronch.L學(xué)者首次將其應(yīng)用于對(duì)層狀巖體的穩(wěn)定計(jì)算中，該方法不同于FEM，在應(yīng)用中只是離散了研究區(qū)邊界，由此只需輸入較少的數(shù)據(jù)量。此種方法在巖土體邊坡的穩(wěn)定性計(jì)算分析中，對(duì)無限域及半無限域的處理應(yīng)用效果比較理想。那么在對(duì)材料的非線性、不均勻性以及模擬分布開挖的過程中，整體應(yīng)用效果還不同于有限元法。由此邊界元方法現(xiàn)階段在邊坡的巖體穩(wěn)定性分析中應(yīng)用，遠(yuǎn)不及應(yīng)用于地下洞室。

2.2.3 FLAC（快速Largangian法）

為了能夠?qū)τ邢拊獢?shù)值分析法應(yīng)用中，無法對(duì)巖土出現(xiàn)大變形情況加以計(jì)算分析的不足，從而提出了FLAC計(jì)算分析法，此種方法可以在FEM法的基礎(chǔ)之上，更加全面的將巖土體本身的大變形特征及不連續(xù)性特征全面考慮，從而獲得更快的求解速度。但是該方法在應(yīng)用中也同樣存在不足之處，與FEM法應(yīng)用一樣，無法較為精確的計(jì)算巖土體邊緣及單元網(wǎng)格劃分。

2.2.4 DEM（離散元法）

此種方法最初是Cundall P.A于上世紀(jì)70年代首次提出，該方法屬于動(dòng)態(tài)性數(shù)值分析法，可以將其運(yùn)用至對(duì)邊坡巖體的非均質(zhì)、大變形以及不連續(xù)性等諸多特點(diǎn)加以模擬分析。由此成為現(xiàn)階段較為流行的巖土體穩(wěn)定性分析法。通過在應(yīng)用該方法中，對(duì)巖土體邊坡塊體的彈性變形，劃分成為若干塊剛性塊體，從而結(jié)合不同本構(gòu)之間的關(guān)系，對(duì)塊體的受力狀態(tài)及具體時(shí)間變化加以分析。

2.2.5 IDEM（無界元法）

為了對(duì)有限元法在計(jì)算過程中，具體的計(jì)算范圍及其邊界條件不確定這一缺點(diǎn)加以克服，通過于上司機(jī)80年代初提出無IDEM法，在應(yīng)用中基于特殊的形函數(shù)以及位移插值函數(shù)，能夠?qū)⑦吔鐥l件加以反映，由此被較為廣泛的應(yīng)用至非線性問題、不連續(xù)問題及動(dòng)力問題中，解決了有限元方法的邊界效應(yīng)，提升了整體求解精度及計(jì)算效率。

3、結(jié)語

隨著數(shù)值分析法的不斷創(chuàng)新和研發(fā)，不同數(shù)值之間方法的耦合化，已經(jīng)成為下一階段巖土體邊坡穩(wěn)定性計(jì)算法的應(yīng)用趨勢(shì)。比如FEM、DEM等多種方法之間的耦合，可以對(duì)愈來愈復(fù)雜的巖土體邊坡問題穩(wěn)定性加以計(jì)算，并且多種計(jì)算方法之間能夠有效解決單個(gè)計(jì)算方法之間的弊端，從而確保計(jì)算的更加合理、精準(zhǔn)、高效、經(jīng)濟(jì)。

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