于勇剛

一、前言

邊坡穩(wěn)定性問(wèn)題一直就是邊坡研究一個(gè)重點(diǎn)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(huì)直接摧毀工程建設(shè)本身，而且也會(huì)對(duì)工程和人類環(huán)境帶來(lái)間接的影響和經(jīng)濟(jì)損失[1]。因此，如何經(jīng)濟(jì)、安全可靠地設(shè)計(jì)合理的邊坡工程或分析評(píng)價(jià)天然邊坡的穩(wěn)定性具有重大的實(shí)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(diǎn)，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(diǎn)作些簡(jiǎn)要分析。

二、定性分析法

該法是基于通過(guò)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(dòng)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(jī)理，是工程實(shí)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(guò)程，對(duì)邊坡穩(wěn)定性的總體狀況、趨勢(shì)和區(qū)域性特征作出評(píng)價(jià)和預(yù)測(cè)，對(duì)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(píng)價(jià)。

2、邊坡工程類比法及分析數(shù)據(jù)庫(kù)和專家系統(tǒng)

邊坡工程類比法實(shí)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(jì)等方面的經(jīng)驗(yàn)，并把這些經(jīng)驗(yàn)應(yīng)用到類似的所要研究邊坡的穩(wěn)定性分析和設(shè)計(jì)中去的一種方法。通過(guò)這些分析，來(lái)類比分析和判斷研究對(duì)象的穩(wěn)定性狀況、發(fā)展趨勢(shì)、加固處理設(shè)計(jì)等。在工程實(shí)踐中，既可以進(jìn)行自然邊坡間的類比，也可以進(jìn)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(jìn)行類比?？梢哉f(shuō)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(kù)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(gè)自然斜坡、人工邊坡實(shí)例的計(jì)算機(jī)軟件。它按照一定的格式，把各個(gè)邊坡實(shí)例的發(fā)育地點(diǎn)、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(guò)程、加固設(shè)計(jì)，以及邊坡的坡形、坡高、坡角等收錄進(jìn)來(lái)，并有機(jī)地組織在一起。

邊坡穩(wěn)定分析設(shè)計(jì)專家系統(tǒng)就是進(jìn)行邊坡工程穩(wěn)定性分析與設(shè)計(jì)的智能化計(jì)算機(jī)程序。它把某一位或多位邊坡工程專家的知識(shí)、工程經(jīng)驗(yàn)、理論分析、數(shù)值分析、物理模擬、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)等行之有效的知識(shí)和方法有機(jī)地組織起來(lái)，建成一個(gè)邊坡工程知識(shí)庫(kù)，結(jié)合相關(guān)學(xué)科不同專家的知識(shí)進(jìn)行推理和決策，對(duì)所研究的對(duì)象（邊坡）進(jìn)行穩(wěn)定性評(píng)價(jià)。

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(guò)作圖來(lái)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(dòng)方向等，進(jìn)而評(píng)價(jià)邊坡的穩(wěn)定性，并為力學(xué)計(jì)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(lái)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(lái)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(píng)價(jià)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(jì)算公式。利用SMR方法來(lái)評(píng)價(jià)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(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響。但該方法存在一些不足，如它沒(méi)能考慮邊坡坡高等因素，對(duì)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(jì)算機(jī)技術(shù)求解穩(wěn)定安全系數(shù)、計(jì)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(wèn)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(wèn)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(wèn)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(guò)離散化，建立近似函數(shù)把有界區(qū)域內(nèi)的無(wú)限問(wèn)題簡(jiǎn)化為有限問(wèn)題，并通過(guò)求解聯(lián)立方程，對(duì)工程問(wèn)題進(jìn)行應(yīng)力與變形分析。其突出優(yōu)點(diǎn)是適用性強(qiáng)；計(jì)算滑動(dòng)面上應(yīng)力較真實(shí)；可考慮邊坡巖體非線性、非均質(zhì)和復(fù)雜邊界等問(wèn)題；可得出邊坡應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)和位移場(chǎng)；可避免將坡體視為剛體、過(guò)于簡(jiǎn)化邊界條件的缺點(diǎn)；能直觀地模擬邊坡變形破壞過(guò)程；通過(guò)對(duì)大量方案的比較分析，可迅速得出計(jì)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(jì)算繁復(fù)、計(jì)算效率低、計(jì)算結(jié)果不收斂，原始數(shù)據(jù)易出錯(cuò)，不能保證某些物理量在整個(gè)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(qiáng)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(wèn)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(diǎn)是同有限元方法一樣，計(jì)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(duì)研究區(qū)的邊界進(jìn)行離散，因而它要求的數(shù)據(jù)輸入量較少。該方法對(duì)處理無(wú)限域和半無(wú)限域問(wèn)題較為理想。它要求事先知道求解問(wèn)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(yuǎn)不如有限元法，它同樣不能求解大變形問(wèn)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(yuǎn)不如在地下洞室中應(yīng)用廣泛。

5、離散元（DEM）法

它是一種動(dòng)態(tài)的數(shù)值分析方法，可以用來(lái)模擬邊坡巖體的非均質(zhì)、不連續(xù)和大變形等特點(diǎn)，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(duì)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?fù)鋵W(xué)和群論的原理，以赤平投影和解析計(jì)算為基礎(chǔ)，來(lái)分析三維不連續(xù)巖體穩(wěn)定性。塊體理論的缺點(diǎn)是它通常只考慮不連續(xù)面的抗剪強(qiáng)度，不考慮其變形，不計(jì)力矩的作用，且通常假定其無(wú)限長(zhǎng)，這些都在一定的程度上與實(shí)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(wèn)題。

7、無(wú)界元法（IDEM）

主要解決有限元在計(jì)算時(shí)難以確定的計(jì)算范圍及邊界條件，可作為有限元法的推廣。基于一些形函數(shù)和位移插值函數(shù)，能反映無(wú)窮遠(yuǎn)處的邊界條件，廣泛應(yīng)用于求解動(dòng)力及不連續(xù)問(wèn)題等。

四、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)分析法

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)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(lái)對(duì)邊坡巖土體穩(wěn)定性作出評(píng)價(jià)和預(yù)測(cè)。由于現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果直觀可靠，因而利用監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)邊坡過(guò)程的穩(wěn)定性進(jìn)行分析，已成為目前邊坡工程中穩(wěn)定性評(píng)價(jià)極其重要的一種方法。

參看文獻(xiàn)：

[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(guó)榮等.邊坡穩(wěn)定性分析方法研究現(xiàn)狀與趨勢(shì).2011.8