周東升，楊鳳蕓，武帥萌

（遼寧科技大學(xué)土木工程學(xué)院，遼寧 鞍山 114051)

邊坡穩(wěn)定性分析方法研究現(xiàn)狀與展望

周東升，楊鳳蕓，武帥萌

（遼寧科技大學(xué)土木工程學(xué)院，遼寧 鞍山 114051)

綜述了邊坡穩(wěn)定性分析所采用的一些主流理論與基本原理，闡述了各分析方法的優(yōu)缺點(diǎn)及其適用范圍，并舉出近年來(lái)一些較為前沿的分析理論。將邊坡穩(wěn)定性分析方法分為定性、定量分析2大類(lèi)，并對(duì)邊坡穩(wěn)定性分析研究的發(fā)展現(xiàn)狀做了總結(jié)。

邊坡穩(wěn)定；定性分析;定量分析;發(fā)展現(xiàn)狀

0 引 言

邊坡工程的穩(wěn)定性問(wèn)題一直是工程界、學(xué)術(shù)界的一項(xiàng)重要研究課題，其分析和評(píng)判結(jié)果的正確與否關(guān)系到工程項(xiàng)目的順利進(jìn)行及人民的生命財(cái)產(chǎn)安全。因此，邊坡穩(wěn)定性的研究具有重要的意義。就一些常用邊坡穩(wěn)定性分析方法的基本原理及其適用范圍作了簡(jiǎn)要分析。

1 定性分析方法

1.1 歷史成因法

歷史成因法主要應(yīng)用于天然土坡的穩(wěn)定分析，主要通過(guò)對(duì)土坡所處的地質(zhì)環(huán)境、形成過(guò)程中的各種變形破壞現(xiàn)象以及各穩(wěn)定性影響因素進(jìn)行分析，推算出其歷史演變過(guò)程，從而對(duì)該邊坡的整體現(xiàn)狀以及未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)做出預(yù)測(cè)與評(píng)價(jià)。近年來(lái)，由于該方法需收集大量邊坡數(shù)據(jù)資料，學(xué)者們又將其與不斷發(fā)展的計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合，將資料錄入邊坡數(shù)據(jù)庫(kù)中，并用人工智能語(yǔ)言編制出程序軟件，形成專(zhuān)家系統(tǒng)這樣的新型方法，該法直觀明了，可近似地模擬人類(lèi)解決特定難題的推理過(guò)程。

1.2 工程地質(zhì)類(lèi)比法

該法是通過(guò)廣泛的工程地質(zhì)勘察，收集已有邊坡的各類(lèi)信息 (如巖石構(gòu)造、結(jié)構(gòu)面等主要影響因素)，全面分析、對(duì)比待研究邊坡與已有邊坡間可能存在的相似點(diǎn)和差別點(diǎn)，從而對(duì)邊坡的穩(wěn)定性狀況做出判斷[1]。該法特別適用于在勘察初期，工程地質(zhì)條件復(fù)雜卻又缺乏待測(cè)邊坡詳細(xì)資料時(shí)的穩(wěn)定性分析，但其在類(lèi)比時(shí)的人為主觀性太大，缺乏豐富經(jīng)驗(yàn)的工作者可能無(wú)法有效使用。

1.3 圖解法

圖解法又分為諾模圖法和赤平投影圖法[2]。諾模圖法主要應(yīng)用于具有圓弧型潛在破壞面的土質(zhì)類(lèi)邊坡穩(wěn)定分析，通過(guò)諾模圖來(lái)表達(dá)各穩(wěn)定性影響因素間的關(guān)系，繼而求出邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù);赤平投影圖法則主要適用于巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性分析，利用赤平極射投影原理作出可以直觀反映邊坡破壞邊界狀況的投影圖，確定邊坡破壞模式及可能發(fā)生的變形走向等，并為后續(xù)力學(xué)計(jì)算提供了所需信息。

2 定量分析方法

2.1 極限平衡法的發(fā)展

極限平衡法是邊坡穩(wěn)定性分析中最早出現(xiàn)、發(fā)展最為完善的一種定量分析方法，以Mohr-Coulomb準(zhǔn)則為基礎(chǔ)，假設(shè)滑坡體及滑面以下的部分為剛體，并將滑面以上部分劃分成若干個(gè)垂直條塊，通過(guò)假定條件建立平衡方程，計(jì)算坡體在荷載作用下的穩(wěn)定性安全系數(shù)，以此進(jìn)行邊坡穩(wěn)定分析。瑞典條分法是極限平衡法中最悠久、最簡(jiǎn)化的一種分析方法，假設(shè)邊坡的滑動(dòng)面為圓弧型并忽略各條塊間的相互作用力，然而這種假設(shè)將實(shí)際工程中的邊坡土體內(nèi)部應(yīng)力關(guān)系簡(jiǎn)化過(guò)多；為彌補(bǔ)這樣的缺陷，Bishop在此基礎(chǔ)上提出Bishop條分法，相對(duì)于前者，考慮了垂直土條間的兩側(cè)作用力，計(jì)算結(jié)果較為合理。隨著實(shí)際工程中經(jīng)常會(huì)遇到非圓弧型滑動(dòng)面的邊坡穩(wěn)定分析，如果依然采用圓弧型假設(shè)滑動(dòng)面無(wú)疑是不合理的，因而工程迫切需要可以解決任意滑面的極限平衡理論。Janbu條分法中的滑動(dòng)面可以為任意面，它假定滑動(dòng)面上的切向力即為滑動(dòng)面土體所產(chǎn)生的抗剪強(qiáng)度，并假定土條法向力的作用點(diǎn)位于其地面以上1/3土條高度處，繼而通過(guò)調(diào)整作用點(diǎn)的位置來(lái)獲取較為準(zhǔn)確的安全系數(shù)，目前該法在國(guó)內(nèi)外應(yīng)用極廣[3]。不平衡推力法則是由我國(guó)工程技術(shù)專(zhuān)家自行研發(fā)的一種邊坡穩(wěn)定性分析方法，由于其計(jì)算簡(jiǎn)便并且能夠給出一個(gè)用于滑坡防護(hù)的設(shè)計(jì)推力，因此在我國(guó)得到了廣泛運(yùn)用[4]。具體幾種以上極限平衡分析方法的基本原理及使用范圍見(jiàn)表1。

表1 幾種極限平衡分析方法的總結(jié)

由于極限平衡法具有計(jì)算簡(jiǎn)便、能考慮各種形狀剖面等優(yōu)點(diǎn)，因此得到了廣泛應(yīng)用。但該方法同時(shí)也存在著相應(yīng)的局限性：①需要事先假設(shè)滑動(dòng)面，且實(shí)際中的土體間力要遠(yuǎn)比假定情況復(fù)雜的多，這就導(dǎo)致計(jì)算出的安全系數(shù)可能會(huì)大于實(shí)際值；②對(duì)于邊坡的破壞機(jī)制以及滑坡的產(chǎn)生、發(fā)展過(guò)程是無(wú)法反應(yīng)的，同時(shí)也無(wú)法給出坡體內(nèi)部應(yīng)力一應(yīng)變的關(guān)系，這也在一定程度上激發(fā)著更加精確、更加合理的分析方法的產(chǎn)生。

2.2 有限單元法

有限元法[5]是目前運(yùn)用最為廣泛的一種數(shù)值分析方法，是從結(jié)構(gòu)矩陣分析中發(fā)展而來(lái)。它考慮了巖體的不連續(xù)性及非均勻性，將結(jié)構(gòu)離散化為有限自由度的等價(jià)體系求解，并且能夠模擬土體與支護(hù)的共同作用，從而避免了極限平衡法中將滑體過(guò)于簡(jiǎn)化成剛體的缺點(diǎn)。有限元法幾乎適用于任何形狀的結(jié)構(gòu)體分析，其最大優(yōu)點(diǎn)是不僅可以進(jìn)行線性分析還能進(jìn)行非線性分析，但其對(duì)于大變形求解應(yīng)力集中等問(wèn)題的求解還有待改進(jìn)。

2.3 離散單元法

離散單元法是由Cundall于1971年首次提出的一種運(yùn)用于巖體邊坡的穩(wěn)定性分析方法。有限元、邊界元法等都是基于連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的數(shù)值方法，對(duì)巖體內(nèi)部或邊界離散化的同時(shí)仍要求保持各單元間的連續(xù)性，而離散元法則強(qiáng)調(diào)研究對(duì)象的非連續(xù)性，并不需要?jiǎng)澐值膯卧g完全接觸，在反映巖塊間接觸面的滑移、分離與傾覆等大位移的同時(shí)，又能計(jì)算巖塊內(nèi)部的變形與應(yīng)力分布。另外，還可以利用顯式時(shí)間差求解動(dòng)力平衡方程、非線性大位移與非連續(xù)介質(zhì)大變形的問(wèn)題[6]。

2.4 不連續(xù)變形法

20世紀(jì)80年代末，繼離散單元法提出之后，石根華與Goodman[7]提出了一種基于巖體介質(zhì)非連續(xù)性發(fā)展起來(lái)的全新數(shù)值分析法-不連續(xù)變形法(DDA法)，假定巖體被許多節(jié)理裂隙分割而形成各種大小不一的塊體單元，這些不同的單元形成一個(gè)不連續(xù)系統(tǒng)，依據(jù)最小勢(shì)能原理就可得到該系統(tǒng)的平衡方程。由于DDA法允許塊體系統(tǒng)產(chǎn)生不連續(xù)變形，因此特別適用于塊狀巖體的穩(wěn)定性分析以及大變形破壞模式的判斷。

2.5 不確定分析法

灰色系統(tǒng)理論[8-9]主要是利用灰色關(guān)聯(lián)度分析原理，將系統(tǒng)中的一切信息量視為灰色量，采用特定方法建立一個(gè)反應(yīng)該灰色量的數(shù)學(xué)模型，在不完整的信息中找出其關(guān)聯(lián)性，確定邊坡各影響要素的比重大小，繼而運(yùn)用多重因素疊加分析邊坡的穩(wěn)定性。該法直觀簡(jiǎn)便，可操作性很強(qiáng)。

可靠度分析法是將巖體構(gòu)造、荷載分布、動(dòng)水壓力等影響因素視作不確定量，輔之結(jié)構(gòu)工程中的可靠性理論，結(jié)合邊坡系統(tǒng)的實(shí)際狀況，用可靠度指標(biāo)來(lái)描述邊坡工程質(zhì)量的一種新型分析方法。目前實(shí)際應(yīng)用中可靠度分析常用方法有一次一階矩法、JC法、Monte Carlo 法[10]等。

模糊綜合評(píng)價(jià)法最早是由我國(guó)汪培莊教授[11]提出，其依據(jù)最大隸屬度以及模糊變換原理，綜合考慮被評(píng)物的各種影響因素，作出一個(gè)全面的評(píng)價(jià)，其關(guān)鍵就在于能否建立正確的評(píng)價(jià)模型。實(shí)踐證明，它為多種變量因素影響下的邊坡穩(wěn)定分析提供了一種有效手段。然而，此法在確定被評(píng)事物的相關(guān)因素及各因素的邊界值時(shí)較為困難，且在對(duì)于權(quán)數(shù)分配時(shí)帶有一定的主觀經(jīng)驗(yàn)性。

3 較為前沿的邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法

傳統(tǒng)的定性、定量分析方法雖然考慮了邊坡穩(wěn)定性的主要影響因素，但卻仍難以擺脫人為因素的影響。因此，建立一種能夠?qū)⑷藶橐蛩乜刂频阶畹?、能集定性與定量分析于一體的邊坡穩(wěn)定性分析方法是非常有必要的。在此背景下，反分析法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法以及突變理論等新興學(xué)科正越來(lái)越多的應(yīng)用于邊坡的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)中。

3.1 反分析法的應(yīng)用

反分析法[12]由原始的地應(yīng)力研究產(chǎn)生而逐漸發(fā)展成求解各類(lèi)土體參數(shù)的數(shù)值方法，其基本原理是將滑坡將要滑動(dòng)但仍未滑動(dòng)的瞬間視為極限平衡狀態(tài)，令其安全系數(shù)為1，從而列出平衡方程求得結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度，其各種優(yōu)化方法可以不斷提高計(jì)算效率，使結(jié)果更加明了、精確。

3.2 突變理論的應(yīng)用

所謂突變指從某一種穩(wěn)定狀態(tài)突然跳躍式轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N穩(wěn)定狀態(tài)[13]，突變理論的最大優(yōu)點(diǎn)是即使在不知道系統(tǒng)的微分方程和平衡條件下，依然可以憑借少數(shù)的幾個(gè)假設(shè)，用極少數(shù)可控制變量預(yù)測(cè)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，其應(yīng)用比較廣泛的是尖點(diǎn)突變模型。

3.3 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的應(yīng)用

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[14]是基于人類(lèi)大腦特征，粗略地模仿人腦神經(jīng)系統(tǒng)的運(yùn)作而發(fā)展起來(lái)的一套信息處理流程。利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論，可以將盡可能多的邊坡穩(wěn)定影響因素視作輸入變量，建立這些影響因素同邊坡穩(wěn)定性系數(shù)與坡體變形量之間的非線性映射模型，進(jìn)而預(yù)測(cè)分析邊坡的穩(wěn)定性。

4 結(jié) 論

極限平衡分析以其簡(jiǎn)捷高效、能考慮各種形狀剖面等特點(diǎn)在目前的實(shí)際工程中得到了廣泛應(yīng)用；有限單元法等數(shù)值模擬手段由于能夠在很少的假設(shè)條件下便可以求得潛在滑動(dòng)面以及可以直觀反映出邊坡失穩(wěn)及塑性區(qū)的發(fā)展過(guò)程，在如今日益發(fā)展的計(jì)算機(jī)技術(shù)背景下也日趨成熟，逐漸成為解決實(shí)際邊坡穩(wěn)定性問(wèn)題的最可靠手段之一；再加之灰色系統(tǒng)理論、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法等各種不確定分析方法的蓬勃發(fā)展，邊坡穩(wěn)定性分析理論的研究發(fā)展呈現(xiàn)出一片欣欣向榮之景。

然而，由于邊坡內(nèi)部巖土體結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性、人工操作誤差以及各分析方法的相對(duì)局限性，單一的分析理論通常很難精確解決問(wèn)題。倘若能夠考慮所涉及各分析方法特點(diǎn)，使多理論、多學(xué)科交叉融合，輔以迅猛發(fā)展的計(jì)算機(jī)技術(shù)，進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)分析，這必將可以更有效的解決邊坡穩(wěn)定性難題。

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【責(zé)任編輯：解連江】

Methods research status and expectation of slope stability analysis

ZHOU Dongsheng,YANG Fengyun,WU Shuaimeng
(College of Civil Engineering,Liaoning Science and Technology University,Anshan 114051,China)

The article summarizes some main theories and the basic principles of slope stability analysis,and elaborates the merits and relevant scope of each analysis method,and lists several frontier methods which are popular in recent years.The author divides slope stability analysis methods into two categories,such as qualitative analysis and quantitative analysis,and concludes the development status of slope stability analysis.

slope stability;qualitative analysis;quantitative analysis;development status

TD824.7

B

1671－9816（2017）07－0028－04

10.13235/j.cnki.ltcm.2017.07.008

周東升，楊鳳蕓，武帥萌.邊坡穩(wěn)定性分析方法研究現(xiàn)狀與展望［J］.露天采礦技術(shù)，2017，32（7）：28-30.

2017-03-12

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目資助（2016YFC0801602）

周東升（1993—），男，江蘇鹽城人，遼寧科技大學(xué)碩士研究生在讀，主要研究方向邊坡穩(wěn)定性分析。