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        邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)

        2021-08-09 09:11:16李元松朱冬林閆海濤
        關(guān)鍵詞:分析法邊坡穩(wěn)定性

        李元松,王 玉,朱冬林,閆海濤,戴 哲

        1.武漢工程大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院,湖北 武漢430074;2.中交第二公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司,湖北 武漢430052

        長期以來,穩(wěn)定性評(píng)價(jià)一直是邊坡工程的重要工作內(nèi)容。邊坡失穩(wěn)破壞是一種復(fù)雜的地質(zhì)演變過程,賦存地質(zhì)環(huán)境的差異性、邊坡內(nèi)部結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和邊坡圍巖性質(zhì)的離散性,造成邊坡破壞模式千差萬別,相應(yīng)適宜的邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法迥異[1-3]。各種方法均含有其內(nèi)在的基礎(chǔ)假定、適用范圍與邊界條件,常常導(dǎo)致因方法選擇不當(dāng)或錯(cuò)誤,造成工程事故頻發(fā)。近年來,隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和測(cè)試技術(shù)的進(jìn)步,系統(tǒng)論、信息論和控制理論的發(fā)展以及人工智能的開發(fā),逐步補(bǔ)充與完善現(xiàn)代巖土力學(xué)理論,促進(jìn)了邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法的發(fā)展。評(píng)價(jià)方法的選擇與評(píng)價(jià)結(jié)論密切相關(guān),對(duì)邊坡工程的設(shè)計(jì)與施工至關(guān)重要。

        本文在分析總結(jié)近年來邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法最新研究成果的基礎(chǔ)上,從涉及到的基礎(chǔ)學(xué)科,對(duì)邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法進(jìn)行分類,旨在為合理選擇邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法提供借鑒,為進(jìn)一步的研究厘清方向。

        1 邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法分類

        邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法分類的目的是厘清學(xué)科門類,闡明基礎(chǔ)假設(shè)條件,探討變形破壞模式,篩選影響因素,分析適用范圍與條件,對(duì)邊坡工程的設(shè)計(jì)與施工恰當(dāng)?shù)剡x用評(píng)價(jià)方法具有現(xiàn)實(shí)的指導(dǎo)意義。傳統(tǒng)的邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法分為兩大類:定性評(píng)價(jià)法與定量評(píng)價(jià)法。黃昌乾等[4]根據(jù)量化程度將邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)分為定性分析法、定量分析法、非確定性分析法、物理模型法和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)分析法等5類;程?hào)|幸等[2]將邊坡的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法分為安全系數(shù)法、閾值法、相關(guān)性分析法和模擬試驗(yàn)法等4類。作者認(rèn)為從基本原理的學(xué)科門類、假設(shè)條件和分析技術(shù)的角度分類更能反映邊坡穩(wěn)定性研究方法的發(fā)展歷程和涉及到的學(xué)科門類,更有利于方法的選擇,可將邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法分為工程地質(zhì)定性分析法、工程力學(xué)理論分析法、應(yīng)用數(shù)學(xué)理論分析法、試驗(yàn)?zāi)M法和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)分析法等5類。

        1.1 工程地質(zhì)定性分析法

        工程地質(zhì)定性分析法是邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)中起源最早,主要用于工程早期確定方案時(shí)的一種定性評(píng)價(jià)方法。包括:自然地質(zhì)歷史法、工程地質(zhì)類比法、圖解法、范例推理法、專家系統(tǒng)法和巖體質(zhì)量分級(jí)法等。

        1.2 工程力學(xué)理論分析法

        工程力學(xué)理論分析法包括極限平衡法、塑性極限理論、數(shù)值分析法和反演分析法。

        1.3 應(yīng)用數(shù)學(xué)理論分析法

        應(yīng)用數(shù)學(xué)理論分析法包括相關(guān)性分析、可靠性分析、模糊、粗糙、可拓與集對(duì)分析、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法和其它非線性理論。

        1.4 試驗(yàn)?zāi)M法

        試驗(yàn)?zāi)M法包括地質(zhì)模型試驗(yàn)法、光彈性材料模型試驗(yàn)法、傾斜臺(tái)面模型試驗(yàn)法和離心機(jī)模型試驗(yàn)法。

        1.5 原位監(jiān)測(cè)分析法

        原位監(jiān)測(cè)分析法包括邊坡表面變形測(cè)量、攝影、紅外遙感和激光掃描、合成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量、TDR測(cè)量技術(shù)、微震與聲發(fā)射技術(shù)與鉆孔測(cè)斜儀、多點(diǎn)位移計(jì)、錨桿(索)測(cè)力計(jì)和地下水壓監(jiān)測(cè)儀、土壓力計(jì)等。

        2 邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法研究現(xiàn)狀

        2.1 工程地質(zhì)定性分析法

        工程地質(zhì)定性分析法以工程地質(zhì)勘察資料為基礎(chǔ),分析邊坡圍巖體的地質(zhì)成因,篩選出主要影響因素,建立邊坡工程地質(zhì)模型,推測(cè)其變形破壞模式,定性評(píng)判穩(wěn)定性狀態(tài)及其演變趨勢(shì)。工程地質(zhì)定性分析法的理論基礎(chǔ)是地質(zhì)成因,工程地質(zhì)類比、巖體結(jié)構(gòu)控制和人工智能算法。對(duì)于地質(zhì)條件相對(duì)簡(jiǎn)單的巖土質(zhì)邊坡,該法可直接得出可供工程設(shè)計(jì)和施工的結(jié)論;對(duì)于地質(zhì)條件相對(duì)復(fù)雜的情形,該法在確定滑坡模式和變形機(jī)制方面具有明顯優(yōu)勢(shì),可為進(jìn)一步定量計(jì)算邊坡穩(wěn)定性奠定基礎(chǔ)。常用的工程地質(zhì)定性分析法及其特點(diǎn)見表1。

        表1 邊坡穩(wěn)定性定性分析法及其特點(diǎn)Tab.1 Qualitative analysis methods of slope stability and their characteristics

        邊坡工程數(shù)據(jù)庫是工程地質(zhì)定性分析法的一種高級(jí)形式,它按照一定的格式,將邊坡案例的地質(zhì)環(huán)境特征、主要影響因素、破壞模式和加固處治方案等信息有機(jī)組織在一起,用于統(tǒng)計(jì)、查詢、信息交流,借助于多層次的數(shù)值運(yùn)算與邏輯推理,實(shí)現(xiàn)對(duì)研究邊坡的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)。目前,發(fā)展相對(duì)成熟的方法主要有專家系統(tǒng)與范例推理法。

        邊坡專家系統(tǒng)是一套智能化程序,以邊坡工程知識(shí)庫為基礎(chǔ),利用智能化的推理模擬人腦的思維過程,消化吸收專家?guī)熘械闹R(shí),通過對(duì)比判斷尋求解決問題的技術(shù)方案,同時(shí),專家系統(tǒng)可建立計(jì)算模型,結(jié)合不同專家的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行推理和決策,對(duì)所研究的邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性評(píng)價(jià)。目前,如何有效獲取專家知識(shí)、推理規(guī)則的不完備性與結(jié)果的多解性問題未能很好地解決。

        范例推理也是一種機(jī)器學(xué)習(xí)方法,其基本推理過程為[5]:①根據(jù)問題特征從范例庫中選擇一組與待評(píng)邊坡相似的實(shí)例,檢索其解決方案,提供給用戶;②根據(jù)問題的特點(diǎn)進(jìn)行修改以形成新問題的解決方案;③經(jīng)驗(yàn)證后的方案作為新范例存入實(shí)例庫,以備后用。范例推理與專家系統(tǒng)的共同特點(diǎn)都是采用過往經(jīng)驗(yàn)和方法,經(jīng)過對(duì)比和聯(lián)想獲得當(dāng)前問題的求解方案,其主要區(qū)別在于:專家系統(tǒng)是利用專家的知識(shí)與判斷規(guī)則,而范例推理則以范例為基礎(chǔ)。范例具有整體綜合性,規(guī)則具有嚴(yán)密的邏輯性,范例比規(guī)則更易理解與操作,從而簡(jiǎn)化了邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)過程。但隨著邊坡范例不斷增多,將會(huì)引起多解與岐義,甚至不相容,這些問題還有待進(jìn)一步研究解決。

        2.2 工程力學(xué)理論分析法

        2.2.1 極限平衡分析法 極限平衡法假設(shè)邊坡處于極限平衡狀態(tài)時(shí)存在滑移面,并沿滑移面將邊坡劃分成若干條塊,建立條塊之間的極限平衡方程,求解方程可得穩(wěn)定性系數(shù)。極限平衡法是由彼德森提出,后來Fellenius,Taylor,Bishop,Janbu,Morgenstern-Price,Spencer和Sarma等很多學(xué)者致力于對(duì)條分法的改進(jìn)。其中,中國巖土工程相關(guān)規(guī)范推薦的剩余推力法,適用于任意形狀的滑裂面,而假定條間力的合力與上一條土條底面相平行,根據(jù)力的平衡條件,逐條向下推求,直到最后一條的推力為0。目前研究的重點(diǎn)在于對(duì)各種經(jīng)典方法的收斂性問題進(jìn)行分析,并以此為基礎(chǔ)研究通用條分法。陳祖煜[6]、朱大勇[7]、鄭宏[8]等做出了突出貢獻(xiàn)。極限平衡法力學(xué)模型簡(jiǎn)單明了,可給出定量結(jié)果,但需人為假定潛在滑移面,無法考慮邊坡體中的應(yīng)力、變形狀態(tài),對(duì)于均質(zhì)土坡計(jì)算結(jié)果較好。極限平衡法需人為假定條塊之間的作用力方向和位置,對(duì)于由復(fù)雜介質(zhì)和邊界組成的巖土質(zhì)邊坡,其計(jì)算結(jié)果誤差較大。

        2.2.2 極限分析法 與條分法不同,塑性極限分析具有嚴(yán)格的理論基礎(chǔ),它將坡體視為服從塑性流動(dòng)規(guī)則的理想材料,假定外力所做的功等于潛滑面上阻力所消耗的功,利用塑性極限分析原理,求得邊坡極限承載力與穩(wěn)定性系數(shù)。塑性極限分析由Drucker和Prager提出,潘家錚[9]、Donald[10]和陳祖煜[11]等分別做了改進(jìn)。早期的極限分析方法只能求解理想條件下邊坡穩(wěn)定問題,且只能給出邊坡穩(wěn)定性系數(shù)的范圍值。趙尚毅等[12]深入研究了強(qiáng)度折減法的計(jì)算精度、影響因素與邊坡失穩(wěn)判據(jù),提出了基于強(qiáng)度折減的極限分析有限元法,該法能夠保證得到真實(shí)穩(wěn)定系數(shù)的下限值,因而得到業(yè)界的廣泛應(yīng)用。

        2.2.3 數(shù)值分析方法 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,各類數(shù)值方法不斷涌現(xiàn):有限差分、有限單元、邊界單元、離散單元、不連續(xù)變形、無單元、快速拉格朗日、流形元等方法在邊坡穩(wěn)定性分析中得到廣泛應(yīng)用。

        在為數(shù)眾多的數(shù)值計(jì)算方法中,有限元法最早應(yīng)用于邊坡穩(wěn)定性分析,是一種較為成熟、應(yīng)用最為廣泛的數(shù)值方法。因其能考慮坡體的應(yīng)力變形,理論嚴(yán)密,能模擬巖(土)-支護(hù)結(jié)構(gòu)的共同作用,對(duì)復(fù)雜邊界條件與多場(chǎng)耦合計(jì)算具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。有限元法用于邊坡穩(wěn)定性分析主要有兩種情形:一是先假設(shè)滑移面,基于滑面應(yīng)力分析,將極限平衡與有限元計(jì)算相結(jié)合求得特定滑移面對(duì)應(yīng)的邊坡穩(wěn)定性系數(shù)。該方法以有限元應(yīng)力分析為基礎(chǔ),計(jì)算過程簡(jiǎn)單,便于應(yīng)用,缺點(diǎn)是不易搜索最容易出現(xiàn)的潛在滑移區(qū)域和破壞演變過程;二是基于強(qiáng)度折減的有限元法,其基本原理是將強(qiáng)度折減概念、極限平衡與有限元原理相結(jié)合。許多學(xué)者在這方面做了大量的工作[13-15]。

        離散單元法和FLAC3D在解決離散、非連續(xù)和大變形問題方面有其獨(dú)到之處,其不足之處是缺乏嚴(yán)密的理論基礎(chǔ)。DDA、流形元、PFC、RFPA等數(shù)值方法也廣泛應(yīng)用于邊坡穩(wěn)定性分析,促進(jìn)了人們對(duì)邊坡破壞失穩(wěn)機(jī)制的認(rèn)識(shí)。

        2.2.4 邊坡巖土體力學(xué)參數(shù)反演 邊坡失穩(wěn)機(jī)制復(fù)雜,巖土力學(xué)分析所需的參數(shù)很難準(zhǔn)確給出。基于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的反演分析為尋找計(jì)算分析所需的模型與參數(shù)提供了一種有效途徑。目前,通過有限元法和優(yōu)化方法結(jié)合,可有效確定邊坡圍巖體彈性變形參數(shù)(E、μ),而搜索邊坡圍巖體強(qiáng)度參數(shù)(c、φ)反演的目標(biāo)函數(shù)難以確定[16]。工程中通常在巖體節(jié)理統(tǒng)計(jì)和質(zhì)量分級(jí)的基礎(chǔ)上,進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)類比。比如各種質(zhì)量分級(jí)系統(tǒng),Hoek-Brown準(zhǔn)則[17]、破壞概率分析[18]和隨機(jī)模糊分析[19]等方法,其共同點(diǎn)都是對(duì)室內(nèi)試驗(yàn)強(qiáng)度指標(biāo)的適當(dāng)折減和加權(quán)平均。由于工程巖體復(fù)雜性和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的局限性,上述分析方法只能給出巖土體強(qiáng)度參數(shù)的取值范圍。

        近年來多位學(xué)者對(duì)反饋分析法進(jìn)行了研究和改進(jìn)。馮夏庭等[20]結(jié)合人工智能、系統(tǒng)科學(xué)、巖石力學(xué)與工程地質(zhì)學(xué)等多學(xué)科交叉,提出了巖石工程安全性的智能分析評(píng)估和巖石力學(xué)參數(shù)反分析方法。朱維申等[21]結(jié)合工程現(xiàn)場(chǎng)的開挖進(jìn)程開展反饋應(yīng)用分析等。

        2.3 應(yīng)用數(shù)學(xué)理論分析法

        2.3.1 相關(guān)性分析法 相關(guān)性評(píng)價(jià)方法以既有邊坡狀態(tài)為參考,在工程地質(zhì)環(huán)境、主要影響因素相似的條件下,計(jì)算已知邊坡與待評(píng)邊坡的關(guān)聯(lián)度,待評(píng)邊坡的穩(wěn)定狀態(tài)取與既有邊坡關(guān)聯(lián)度最大的狀態(tài)。該方法的特點(diǎn)是能夠求出影響因素之間的關(guān)聯(lián)度,進(jìn)而分離出各因素對(duì)邊坡的影響程度。其典型代表是灰色關(guān)聯(lián)度法,該方法利用灰色關(guān)聯(lián)分析,在數(shù)據(jù)有限、信息缺失的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)序列中,通過數(shù)據(jù)處理,找出各因素間的關(guān)聯(lián)性,通過關(guān)聯(lián)度排序,篩選出主要影響因素。因此該法特別適用于數(shù)據(jù)有限、無原型、復(fù)雜且具有多重不確定性的邊坡工程問題的分析與評(píng)價(jià)。陳新民[22]、劉春[23]等先后應(yīng)用基于經(jīng)驗(yàn)的邊坡穩(wěn)定性灰色系統(tǒng)分析方法,所得結(jié)果與邊坡實(shí)際狀態(tài)相一致。

        2.3.2 可靠性分析方法 可靠度理論將邊坡工程地質(zhì)環(huán)境條件、巖土體力學(xué)性質(zhì)等計(jì)算參數(shù)等視為隨機(jī)變量,采用恰當(dāng)?shù)姆植己瘮?shù)描述,用可靠度指標(biāo)和失效概率來評(píng)價(jià)邊坡安全度。應(yīng)用方法主要有一次二階矩法、統(tǒng)計(jì)矩法、蒙特卡洛法和隨機(jī)有限元法。可靠性分析應(yīng)用于邊坡穩(wěn)定性分析有許多成功案例[24-25]。但使用可靠性分析方法需要大量的樣本以獲取隨機(jī)變量的分布類型與統(tǒng)計(jì)參數(shù),而實(shí)際樣本數(shù)量有限;另外,大量的工程實(shí)踐證明,即使對(duì)于簡(jiǎn)單的邊坡穩(wěn)定性功能函數(shù),計(jì)算邊坡失效概率也比較繁瑣,而且實(shí)際邊坡穩(wěn)定性分析模型可能是非線性的或是非常復(fù)雜的。因此,可靠性理論雖然嚴(yán)密,但其推廣應(yīng)用仍有待時(shí)日。

        2.3.3 模糊、粗糙、可拓與集對(duì)分析 模糊數(shù)學(xué)、粗糙集、可拓學(xué)與集對(duì)分析與灰色系統(tǒng)理論、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論均為現(xiàn)代應(yīng)用數(shù)學(xué)的研究成果,分別在不同的學(xué)科領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用,并取得令人矚目的成果。

        模糊數(shù)學(xué)的典型應(yīng)用就是模糊綜合評(píng)價(jià),其目標(biāo)是對(duì)邊坡穩(wěn)定性分級(jí),利用層次分析法[26]等方法確定影響因素的權(quán)重,通過構(gòu)造隸屬函數(shù),建立模糊評(píng)價(jià)矩陣并按隸屬度最大原則判斷邊坡穩(wěn)定性。實(shí)踐證明[26-27],模糊綜合評(píng)判為多層次、多因素影響的邊坡穩(wěn)定性快速評(píng)價(jià)提供了行之有效的方法,但因分析中權(quán)重的取值帶有經(jīng)驗(yàn)性和主觀性等問題,該方法主要應(yīng)用于工程建設(shè)初期對(duì)邊坡的整體穩(wěn)定性做出定性評(píng)價(jià)。

        粗糙集是一種處理不確定和不完整知識(shí)的數(shù)學(xué)工具,其核心思想是利用知識(shí)庫,將不精確或不確定的信息用集合近似描述。粗糙集與模糊集的主要區(qū)別在于,模糊集在確定隸屬函數(shù)時(shí),具有一定的主觀先驗(yàn)性,而粗糙集的邊界近似是通過數(shù)據(jù)計(jì)算所得,具有客觀性。因此兩者在處理不確定性信息方面具有很強(qiáng)的互補(bǔ)性。于懷昌等[28]將粗糙集理論用于邊坡穩(wěn)定性影響因素敏感性分析,喬建剛等[29]將粗糙集理論用于邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)中因素權(quán)重確定,都取得滿意的效果。

        可拓學(xué)理論最初由蔡文等于1983年創(chuàng)立,可解決多種參數(shù)混合但是未相容的矛盾系統(tǒng)問題??赏貙W(xué)理論的基礎(chǔ)是物元,物元具有共軛性、發(fā)散性、相關(guān)性和可擴(kuò)性等基本特性。這些特性可通過事物內(nèi)外、平行變通、組合和分解等多種方式提供拓展的可能性,從而構(gòu)成物元的可拓性。邊坡安全可拓評(píng)價(jià)有兩部分組成:描述層可拓評(píng)價(jià)和目標(biāo)層可拓評(píng)價(jià),前者是后者的前提和基礎(chǔ)。談小龍等[30]和黃奇等[31]將可拓方法分別用于水電站高陡巖質(zhì)邊坡與公路土石邊坡安全綜合評(píng)價(jià),其結(jié)果與工程實(shí)際情況高度吻合。

        集對(duì)分析的核心概念是集對(duì)和聯(lián)系度。集對(duì)分析將研究邊坡視為一個(gè)確定或不確定系統(tǒng),進(jìn)行同異反分析,將系統(tǒng)的不確定性用聯(lián)系度描述,從而將邊坡穩(wěn)定性的不確定性轉(zhuǎn)化成定量分析。即據(jù)待評(píng)邊坡的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與同異反判斷標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較,計(jì)算出待評(píng)邊坡實(shí)測(cè)值與邊坡穩(wěn)定性等級(jí)的聯(lián)系度,進(jìn)而定量評(píng)價(jià)邊坡的穩(wěn)定性。集對(duì)分析法與灰色關(guān)聯(lián)度分析類似,因其重視信息處理的相對(duì)性和模糊性,且評(píng)價(jià)原理和結(jié)果直觀、準(zhǔn)確,能提高信息的利用率,從而保證評(píng)價(jià)結(jié)果的可信性[32]。

        2.3.4 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種模仿動(dòng)物神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)行為特征,進(jìn)行分布式并行信息處理的算法數(shù)學(xué)模型,其特點(diǎn)是并行處理、分布式儲(chǔ)存、容錯(cuò)性、自學(xué)習(xí)、自組織、自適應(yīng)和優(yōu)化計(jì)算等。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)將各種影響因素作為輸入變量,將邊坡安全系數(shù)作為輸出變量,建立它們之間的非線性映射模型,然后用模型評(píng)價(jià)邊坡的安全性[33]。用于巖土工程中的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型主要有Hofield模型、BP模型及自組織映射模型等。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法解決問題依賴于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的確定(目前還無有效的方法),而訓(xùn)練樣本數(shù)、收斂速度難以控制等都可能影響模擬效果;難以用訓(xùn)練好的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸入輸出映射關(guān)系解釋實(shí)際意義的預(yù)測(cè)判據(jù)與規(guī)則[34]。

        2.3.5 其它不確定性分析方法 目前,除了以上介紹常用的不確定性分析方法外,分形理論、系統(tǒng)工程分析法、多源信息融合理論、非線性能量耗散理論,突變、分叉與混沌理論、損傷斷裂力學(xué)與漸進(jìn)破壞理論等也不同程度應(yīng)用于邊坡穩(wěn)定性分析中,為邊坡穩(wěn)定性分析及預(yù)測(cè)提供了新的途徑。

        2.4 試驗(yàn)?zāi)M法

        物理模型試驗(yàn)是一種出現(xiàn)較早、直觀形象、理論成熟的邊坡穩(wěn)定性分析方法,它主要包括地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)、光彈性材料模擬試驗(yàn)、傾斜臺(tái)面的模型試驗(yàn)和離心機(jī)模型試驗(yàn)等。研究人員很早開始利用各種模型試驗(yàn)方法探索邊坡失穩(wěn)破壞機(jī)制[35-37]。

        其中,離心模型試驗(yàn)可調(diào)整離心力與重力等效,保證模型與原型應(yīng)力相等、變形相似、破壞機(jī)制相同,可再現(xiàn)原型的工程特性,同一模型可以完成彈性、彈塑性以至破壞失穩(wěn)各個(gè)階段的模擬,充分展示邊坡破壞機(jī)制與變形演變過程,且可全程測(cè)量應(yīng)力和變形,還可求得超載安全系數(shù)等,是一種理論嚴(yán)格、結(jié)果可直接用于工程設(shè)計(jì)的方法[38]。但是,離心機(jī)模擬試驗(yàn)與其它模擬方法相比,要求模型材料具有彈性模量、容重多樣,模型與原型材料的本構(gòu)關(guān)系完全相似,對(duì)模型尺寸、精度、測(cè)量方法和技術(shù)要求嚴(yán)格,費(fèi)用較高等,在某種程度上限制了其發(fā)展[39]。

        2.5 原位監(jiān)測(cè)分析法

        因地質(zhì)條件復(fù)雜和影響因素眾多,邊坡穩(wěn)定性分析離不開原位監(jiān)測(cè)進(jìn)行控制和驗(yàn)證。目前,國內(nèi)外常用的監(jiān)測(cè)儀器和方法有:①邊坡表面變形測(cè)量,包括:經(jīng)緯儀、水準(zhǔn)儀、光電測(cè)距儀、全站儀、GPS監(jiān)測(cè)、攝影、紅外遙感和激光掃描;②合成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量;③時(shí)間域反射(time domain reflectometry,TDR)測(cè)試技術(shù);④坡體內(nèi)部的鉆孔傾斜儀、多點(diǎn)位移計(jì),錨桿(索)測(cè)力計(jì)和地下水壓計(jì)、土壓力計(jì)等;⑤微震與聲發(fā)射監(jiān)測(cè)技術(shù)。其中,方法①~方法②主要監(jiān)測(cè)邊坡表面變形,方法③~方法⑤主要監(jiān)測(cè)邊坡體內(nèi)部的應(yīng)力和變形。TDR技術(shù)通過監(jiān)測(cè)埋入邊坡體監(jiān)測(cè)鉆孔內(nèi)同軸電纜的變形狀態(tài),獲取坡體地表以下的變形信息,具有定位準(zhǔn)確和全孔連續(xù)觀測(cè)等優(yōu)點(diǎn)[40]。近年來微震與聲發(fā)射技術(shù)能及時(shí)發(fā)現(xiàn)巖體內(nèi)部破裂區(qū)域、強(qiáng)度及其演變過程,具有實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)等功能,從而在邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方面得到了廣泛的應(yīng)用[41-42]。

        原位監(jiān)測(cè)通過各種傳感器捕捉邊坡體內(nèi)外變形、應(yīng)力以及能量耗散等信息,借助上述不同的分析模型,評(píng)估邊坡的穩(wěn)定性狀態(tài),預(yù)測(cè)其變形發(fā)展趨勢(shì)。常用的預(yù)報(bào)模型包括統(tǒng)計(jì)歸納法、時(shí)序分析法、灰色理論、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、Green-Ampt模型、突變理論和混沌理論等非線性預(yù)測(cè)模型。目前,預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)的“瓶頸”仍然是判據(jù)的確定[43-44]。

        3 存在的問題與發(fā)展趨勢(shì)

        3.1 邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)存在的問題

        1)對(duì)邊坡工程地質(zhì)模型認(rèn)識(shí)不足,對(duì)基礎(chǔ)工程地質(zhì)工作不夠重視。很多人熱衷于應(yīng)用數(shù)學(xué)、工程力學(xué)、不確定性理論或人工智能理論的研究,力求給出量化結(jié)論的評(píng)價(jià)方法,而輕視工程地質(zhì)勘察、地質(zhì)模型的概化和變形破壞機(jī)制的理解等影響邊坡穩(wěn)定的內(nèi)在因素。在邊坡穩(wěn)定性分析中,最關(guān)鍵的是查明邊坡災(zāi)害形成的地質(zhì)環(huán)境條件。對(duì)邊坡工程地質(zhì)模型認(rèn)識(shí)不清,將會(huì)導(dǎo)致力學(xué)、數(shù)學(xué)模型概化出現(xiàn)較大偏差,進(jìn)而導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果偏差,甚或錯(cuò)誤。

        2)對(duì)影響邊坡穩(wěn)定性的因素研究不足。邊坡穩(wěn)定的影響因素是多方面的,如邊坡圍巖性質(zhì)、地質(zhì)構(gòu)造、地表降雨、地下水和人工開挖等。在工程實(shí)踐中,往往因未弄清邊坡變形失穩(wěn)的主要因素,對(duì)穩(wěn)定性狀態(tài)做出誤斷,導(dǎo)致治理方案針對(duì)性不強(qiáng),造成工程的巨大浪費(fèi),或出現(xiàn)防治工程的失效。

        3)評(píng)價(jià)方法不完善。如定量評(píng)價(jià)中總體安全系數(shù)與可靠性分析法中的可靠度指標(biāo)或失效概率之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系難以統(tǒng)一;現(xiàn)有的定量評(píng)價(jià)法,無論極限平衡法和塑性極限分析法,還是有限元強(qiáng)度折減法,起決定作用的參數(shù)是c、φ值,而對(duì)于邊坡工程而言,如何獲取能反映邊坡巖土體真實(shí)特性的c、φ值,目前尚缺少有效的方法?,F(xiàn)有的應(yīng)用數(shù)學(xué)方法考慮因素過于單一,不能真實(shí)反映邊坡巖體的內(nèi)在特性,又或者過于復(fù)雜而不便應(yīng)用。尋求既能綜合概述邊坡巖土體變形、演化以致破壞的主要特性,又能包含參數(shù)簡(jiǎn)單、便于獲取的評(píng)價(jià)方法,仍然是邊坡穩(wěn)定性研究人員面臨的困境。

        3.2 邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)發(fā)展趨勢(shì)

        1)邊坡失穩(wěn)機(jī)制與變形破壞模式仍然是邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法研究的根本問題。邊坡巖土體既非傳統(tǒng)意義上的連續(xù)介質(zhì),也不完全是分布均勻的散狀顆粒;單純的工程地質(zhì)方法與連續(xù)介質(zhì)力學(xué)方法均很難模擬邊坡的變形破壞演變過程。邊坡失穩(wěn)的發(fā)展是一個(gè)漸變的過程,引起滑坡漸進(jìn)性破壞的原因十分復(fù)雜,包括應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)的不均勻分布、巖土材料的應(yīng)變軟化、巖土介質(zhì)的空間變異性以及軟弱夾層、裂隙結(jié)構(gòu)的存在。因此,針對(duì)邊坡的工程地質(zhì)環(huán)境特征和地質(zhì)演變的歷史階段,研究如何分區(qū)、分階段選擇不同的變形模式與力學(xué)參數(shù),建立對(duì)應(yīng)的邊坡穩(wěn)定性判斷準(zhǔn)則,進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià),仍然是巖土工程研究的核心課題。

        2)多種分析方法聯(lián)合并用仍然是巖土工程現(xiàn)階段通用做法。由于構(gòu)成邊坡地質(zhì)環(huán)境的復(fù)雜性與人們認(rèn)識(shí)的局限性,基于工程經(jīng)驗(yàn)的范例推理和剛體極限平衡以及連續(xù)變形體理論,只能反映問題的某一側(cè)面。利用統(tǒng)一原理、單一判據(jù)與簡(jiǎn)化模型的方法具有一定的局限性。將兩種或多種方法融合起來,取長補(bǔ)短,相互佐證是未來發(fā)展的一種趨勢(shì)。

        3)多學(xué)科的交叉協(xié)作。巖土工程是在地質(zhì)工程、結(jié)構(gòu)工程基礎(chǔ)之上發(fā)展起來的一門新興的應(yīng)用性邊緣學(xué)科。邊坡穩(wěn)定性分析在應(yīng)用基礎(chǔ)學(xué)科(如固體力學(xué)、地質(zhì)力學(xué)、斷裂力學(xué)、計(jì)算力學(xué))中的理論、技術(shù)和方法的同時(shí),也需引進(jìn)、吸收新興的信息技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、智能控制理論等多學(xué)科的理論、技術(shù)與方法。不僅要沿用傳統(tǒng)的正向思維,根據(jù)試驗(yàn)建立模型,在特定條件下求解,也要進(jìn)行逆向思維,如位移反演,先以實(shí)測(cè)的位移值為依據(jù)經(jīng)非線性反常分析求出初始地應(yīng)力與巖土體計(jì)算參數(shù),再反過來應(yīng)用于工程穩(wěn)定性分析;重視非線性理論的研究與應(yīng)用,可靠性理論、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊理論、粗糙集、灰色關(guān)聯(lián)度理論等應(yīng)用數(shù)學(xué)的最新成果必將為邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)的“瓶頸”突破開辟新的途徑;綜合采用理論分析、數(shù)值模擬、物理模擬和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試等多種分析手段,在引用、借鑒其他學(xué)科成果時(shí),更應(yīng)關(guān)注巖土材料、結(jié)構(gòu)和邊坡工程的特殊屬性。

        4)邊坡監(jiān)測(cè)與多源信息融合的應(yīng)用研究。邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)仍離不開現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè),監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)既是邊坡穩(wěn)定性研究的基礎(chǔ),同時(shí)也是治理效果的驗(yàn)證與評(píng)價(jià)依據(jù)。將傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)方法與3S技術(shù)、TDR技術(shù)、聲發(fā)射技術(shù)、數(shù)字?jǐn)z影和無人機(jī)技術(shù)相結(jié)合,從邊坡表面變形監(jiān)測(cè)到坡體內(nèi)部空間非接觸、全遙控、高精度和實(shí)時(shí)的綜合監(jiān)測(cè)技術(shù)開發(fā)與應(yīng)用是未來邊坡監(jiān)測(cè)的發(fā)展趨勢(shì)[45-46]。

        5)基于BIM與數(shù)據(jù)庫技術(shù)的集成智能評(píng)價(jià)系統(tǒng)的開發(fā)與研制。隨著智能時(shí)代的到來,以BIM為核心理念的三維數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)和三維協(xié)同理念的出現(xiàn),給邊坡工程設(shè)計(jì)效率和質(zhì)量提供了新的驅(qū)動(dòng)力[47-49]。建立典型邊坡工程案例數(shù)據(jù)庫,根據(jù)特定邊坡的地質(zhì)環(huán)境特征,采用定性方法(如案例推理法)對(duì)邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行初步評(píng)估;以BIM為平臺(tái)建立三維地質(zhì)模型,將邊坡的勘察、試驗(yàn)數(shù)據(jù)賦予3D模型,根據(jù)特定邊坡的變形破壞模式、主要影響因素,針對(duì)性地選擇一種或多種適宜的評(píng)價(jià)方法(如極限平衡法或數(shù)值分析法)進(jìn)行精細(xì)化分析;最后根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證與預(yù)測(cè)邊坡穩(wěn)定性,評(píng)估不穩(wěn)定邊坡加固效果。開發(fā)與研制集傳統(tǒng)的定性、定量和不確定性評(píng)價(jià)方法為一體的綜合智能評(píng)價(jià)系統(tǒng),為邊坡工程的勘察、設(shè)計(jì)、施工以及后期的運(yùn)營管理提供全面準(zhǔn)確信息,將成為邊坡穩(wěn)定性研究未來的發(fā)展方向。

        4 結(jié) 論

        邊坡巖(土)體是由地質(zhì)作用形成,受多因素影響、隨時(shí)空變異的復(fù)雜系統(tǒng),該系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)有限、無原型、隨機(jī)可變性和模糊不確定性等特點(diǎn),而且隨著大數(shù)據(jù)和信息化技術(shù)的發(fā)展,社會(huì)對(duì)工程建設(shè)要求的不斷提高,各種復(fù)雜工程邊坡相繼出現(xiàn),傳統(tǒng)的定性分析或定量計(jì)算都難以真正解決邊坡穩(wěn)定評(píng)價(jià)問題。將定性方法、定量方法與不確定性方法有機(jī)結(jié)合,充分利用相關(guān)學(xué)科(現(xiàn)代應(yīng)用數(shù)學(xué)、現(xiàn)代應(yīng)用力學(xué)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),信息技術(shù)、BIM與數(shù)據(jù)庫技術(shù)等)的發(fā)展成果,建立工程地質(zhì)、巖土體參數(shù)和典型邊坡工程案例數(shù)據(jù)庫,開發(fā)融人工智能、大數(shù)據(jù)分析、深度學(xué)習(xí)于一體,具有監(jiān)控量測(cè)、室內(nèi)外試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析、工程地質(zhì)模型建立、破壞模式和參數(shù)識(shí)別等功能的綜合集成智能分析評(píng)價(jià)系統(tǒng)是未來邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法的發(fā)展趨勢(shì)。

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