谈边坡稳定性研究方法

谈边坡稳定性研究方法

荀巨胜

荀巨胜XUNJu-sheng

（内蒙古大学交通学院，呼和浩特010000）

（TransportationInstituteofInnerMongoliaUniversity，Hohhot010000，China）

摘要：介绍了边坡稳定性分析的常用方法，阐述了各种方法的特点和应用。并针对多样化的稳定性分析方法的发展趋向作出论述，指出随着计算机技术的发展对边坡稳定分析有重要意义。

Abstract:Thisarticledescribescommonmethodsforslopestabilityanalysis,explainsthecharacteristicsandapplicationsofvariousmethods.Itdiscussesthedevelopmenttrendandmakeforavarietyofstabilityanalysis,andpointsoutthatwiththedevelopmentofcomputertechnology,slopestabilityanalysisareimportant.

关键词：边坡稳定性；确定性分析；不确定性分析；发展趋向

Keywords:slopestability；decidedanalysis；undecidedanalysis；developmenttrend

中图分类号院P642.1文献标识码院A文章编号院1006-4311（2014）07-0075-02

引言：

边坡稳定性是岩土工程中一项用来评价安全性的重要研究内容。它关系到公路工程、水利工程、铁道工程等多个工程领域。早在19世纪初，工程领域就采用材料力学和弹塑性力学的半经验半理论的分析方法来研究边坡安全问题，但是因为假设的不合理，导致计算结果与实际偏差很大。20世纪80年代后，随着计算机技术的飞速发展，数值模拟技术被应用到边坡稳定性的研究中，随着工程规模的扩大，边坡的工程条件也越发复杂，对分析方法的计算精度要求也不断提高[1]。随着我国交通事业的发展，在基础建设的过程中不可避免进行公路的高填深挖，如果边坡稳定处理不当就会造成严重损失。工程实例表明，93.5%的滑坡发生在修建道路时的挖方填方，而且挖方填坡比填方边坡更容易失稳[2]。边坡稳定性的研究方法可分为两类：确定性分析方法和不确定性分析方法。

1确定性分析方法

1.1极限平衡理论目前学术界已经提出了多种计算

方法来研究边坡稳定，但是在实际工程中使用最多的依旧是极限平衡法。极限平衡法的特点是对土体进行分条，由于条间作用力假定的不同，最终计算精度也不同，可分为以下几种方法：

1.1.1费伦纽斯条分法此方法假定滑裂面形状为圆弧形。不考虑条件作用力，由土条竖向力平衡确定条底反力，确立力矩平衡方程，用滑裂面的抗滑力矩与该曲面以上的土体滑动力矩之比即为安全系数，经过多次试算可得出最小系数，但是计算精度较低，结果比真实值低。

1.1.2简化Bishop法Bishop法考虑了土条间水平作用力，建立整体力矩平衡方程。该方法适用于碎裂散体结构的岩质边坡和土质边坡，使用简单，尽管简化后无法绝对满足平衡条件，但是可以把破裂面近似看作圆弧状，并且误差低于1%，Bishop法容易掌握，在实际工程中实用性强，被广泛采用，被认为是处理圆弧滑动面安全系数最有效的方法。

1.1.3Janbu法Janbu法适用于圆弧滑动的边坡稳定问题，同时考虑力与力矩平衡，是一种严格的极限平衡条分法，但是求解过程较为困难，稳定系数方程复杂，需要反复迭代，在实际工程中不便使用。

1.1.4其他极限平衡法其他极限平衡法还有很多，如Morgenstem&Sarma法、美国陆军工团法、Lowe-Karafiath法以及我国工业与民用建筑、铁道部门所使用的不平衡推力法，其共同点都是根据边坡的稳定系数来评价边坡安全。极限平衡法是目前工程中最完善的边坡分析方法，该方法模型简单，可以在没有应力—应变关系的情况下进行分析，但是对于构造复杂的岩质边坡，很难准确确定滑裂面的具体位置。

1.2数值分析法

1.2.1有限单元法随着计算机技术的日益完善，有限单元法越来越多地被应用于边坡稳定研究，其基本思想是把无限自由度的研究对象转化为有限个自由度的体系，从单元体强度指标的不同分析滑坡破坏的位置。该方法避免了极限平衡理论中把滑动土体视为刚体简化边界的缺点，有效地给出了土体应力与应变的分布情况，更利于分析土体位移情况，但是这种方法的原始数据准备工作量大，出错率高。对应力集中问题，无限性问题的分析还不够理想[2]。

1.2.2离散单元法离散单元法是Cundall在1970年首次提出的。该方法使用中心差分法解析动态松弛求解，不需要求解大型矩阵，计算简便，弥补了有限元法介质连续和小变形的限制，使用CAD在计算机上可以得出受力和位移随时间变化的规律，所以该方法适合块裂介质的大变形和破坏问题以及一般破碎结构岩体的分析。

1.2.3DDA法DDA法又称不连续变形分析法，是石根华博士提出的研究块状系统运动和变形的数值方法[3]。DDA法能够从整体出发，通过运动方法处理非连续性因素，把边坡划分成连接在一起的有限个块体单元，解决土体的变形大和位移大等问题，分析边坡安全系数。当研究对象变形足够大时，破坏机制可以表现出来，适用于岩体结构变形破坏模式的评估，比只能计算局部安全度的有限元更能体现边坡的稳定性，但是该方法的数值计算速度不高，依旧需要改进。

2不确定性分析方法

2.1灰色系统理论边坡的评价参数中，测量值与统计值都有不确定性，其中不确定的都是灰数，根据灰色系统理论的思想，在决定事物的诸多因素中，既有已知的又有未知的。灰色系统选择各个影响边坡稳定的因素作为研究对象，从中找出主要影响因素，特别适合边坡稳定这种数据有限，复杂并具有不确定性的问题。在不完全信息中，根据各因素发展状态的相似来确定影响因素的关联度，最后由最大关联度识别原则来评估边坡的稳定情况[4]。

2.2可靠度分析法在用可靠度分析法研究边坡稳定时，把岩体土体性质、孔隙水压力、软化作用、荷载等因素作为随机要素，使用工程可靠性理论方法，结合边坡稳定工程的具体情况，使用概率分析方法评价边坡安全质量，这对边坡的经济风险和现实决策具有重要意义。与其他确定性理论比较而言，可靠度分析法可以更好地反映边坡工程实际状态，合理解释大量无法用确定性理论求解的工程实际问题，但是该方法缺乏统一的可接受的风险水平阈值，所以还有待于进一步发展[5]。

2.3模糊数学评价法模糊数学评价法应用模糊变换原理和最大隶属原则，综合考虑被评事物或其属性的相关因素，进而进行等级或类别评价。实践表明模糊数学评价法能有效地得到边坡稳定等级分类指标，判断出边坡的稳定情况，但是各个因素的权重分配多由经验来确定，主观判断性非常大[6]。李彰明通过对露天地质煤矿边坡地质条件的调查与力学性质的测试，对模糊评价法在边坡稳定问题上做出了研究。大量工程实践表明，模糊评价法比随机不确定法更精确，而且原理简单，可以得出边坡稳定等级指标。

3结语

由于受工程地质环境复杂性的影响，影响边坡稳定的因素依旧具有不确定性，在分析稳定性的过程中还不能完全依据理论计算，很多情况下需要实际工程经验。淤为了更准确研究边坡破坏的机理，要加强边坡稳定分析的实验研究，才能促进研究方法的发展。于灰色系统理论，可靠度分析法和模糊数学评价法等学科理论，综合研究岩土工程系统的不确定性以及工程经验，发展出一套可行性高的力学方法是一条有效途径。盂不断改进和完善数值分析方法，如有限元，离散元，块体元的互相耦合，数值与解析解的结合，这些耦合可以发挥各自的优点，以解决较为复杂的边坡失稳问题。榆从不可逆热力学角度来分析，边坡是一个开放的系统，边坡一直与周边环境交换能量和物质，在这个热力学过程中，总熵会发生变化，势能以及应力分布就会发生变化，因此可以用熵变来衡量整体变量。虞随着计算机技术的日新月异，ABAQUS有限元分析软件对复杂荷载及不同材料的非线性组合问题上具有很强大的处理能力。

参考文献：

[1]胡柳青，李夕兵，温世游.边坡稳定性研究及其发展趋势[J].矿业研究与开发，2000（1）：55-57.

[2]朱斌，候克鹏.边坡稳定性研究综述[J].矿业快报，2007（5）：43-48.

[3]石根华.数值流形方法与非连续变形分析[M].裴觉民译.北京：清华大学出版社，1997：（3）：1-6.

[4]陈新民，罗国煜.基于经验的边坡稳定性灰色系统分析与评价[J].岩土工程学报，1999，21（5）：638-641.

[5]张玉浩，张宏利.边坡稳定性分析方法及其研究进展[J].广西水利水电，2005（2）：13-16.

[6]沈良峰，卢建峰，刘学军.岩土边坡稳定性分析的模糊综合评价实用方法[J].湘潭矿业学院学报，1999,18（2）：170-175.