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)。