邊坡穩(wěn)定分析方法綜述

劉琦

中鐵二十一局集團有限公司 甘肅 蘭州 730000

引言

我國是一個多山的國家，隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展，工商業(yè)及民用建筑劇增，許多工程邊坡的分析方法不斷產(chǎn)生。此外，尾礦壩、堆渣壩的壩體也會形成許多高邊坡。在建設中開挖和堆填的邊坡數(shù)量很多，高度很大。由于地質(zhì)條件復雜，邊坡工程是一個很復雜的系統(tǒng)工程，其失穩(wěn)造成的災害、事故常常發(fā)生，造成重大的生命財產(chǎn)損失。因此，如何在復雜地質(zhì)條件下分析清楚邊坡穩(wěn)定并做好防護，一直都是工程學術界極為重要的課題。本文全面而又系統(tǒng)地對邊坡穩(wěn)定性目前采用的分析法做出分類，同時分析了各自的基本原理及其優(yōu)缺點。為合理有效地在復雜地質(zhì)條件下對邊坡穩(wěn)定性分析方法選擇提供依據(jù)，同時為下一步對邊坡穩(wěn)定性研究理清思路[1]。

1 定性分析

該方法在大量收集各類邊坡所在區(qū)域的資料基礎上，綜合考慮邊坡穩(wěn)定的影響因素，通過工程地質(zhì)類比或圖解分析等方法，對邊坡穩(wěn)定情況和發(fā)展走勢作出估計及預測。目前工程用到的定性分析法主要有以下幾類。

表1 邊坡穩(wěn)定定性分析法類比表

盡管定性分析注重對建筑邊坡自然性認識，綜合考慮了影響穩(wěn)定性的各種因素且能迅速對其穩(wěn)定性和未來發(fā)展趨勢做出推測，但是不考慮邊坡內(nèi)應力和強度關系，其變形能力之間矛盾且經(jīng)驗性強無數(shù)量界限。目前此類方法使用已經(jīng)不斷減少。

2 定量分析

邊坡穩(wěn)定常采用定量分析法，包括極限剛體平衡法、數(shù)值分析法和可靠度法等，極限剛體平衡法因其物理性能和力學上較清晰的概念、計算簡便為工程界廣為采用、接受，是傳統(tǒng)且經(jīng)典的定量分析法[2]。

3 極限剛體平衡法

極限剛體平衡法主要是針對滑動型失穩(wěn)模式。崩塌破壞模式的極限平衡分析法尚不成熟，主要依據(jù)力矩平衡條件求解。當前常用的極限剛體平衡分析方法主要是針對二維、三維與楔形體穩(wěn)定求解。但是，由于三維方法往往繁復耗時，且滑面須在二維基礎上選定，尚缺乏搜索優(yōu)化功能，其推廣受到很大程度上的限制，有待發(fā)展。對于一般的邊坡工程，二維分析成果已能滿足工程應用要求，僅有對于空間效應明顯且規(guī)模較大的邊坡工程才在二維的基礎上展開三維計算分析。因此，下面進對二維剛體極限平衡法做介紹。

3.1 二維剛體極限平衡法

該方法是在工程實踐應用中較早、較經(jīng)典的定量確定性方法，是目前常用到的分析方法。盡管該方法均有力學假設并且依托一定的工程實踐經(jīng)驗，得到的結果為近似解，但是其模型簡單，公式的計算較簡捷，可以解決許多復雜剖、斷面和各種加載形式。因此，到現(xiàn)在其應用仍十分廣泛。

二維剛體極限平衡法可分為兩類：非嚴格條分法： Bishop簡化法、Sarma法、Janbu簡化法、瑞典法、不平衡推力法等；嚴格條分法：Morgenstern-Prince法、Spencer法等。其中Spencer法是Morgenstern-Prince法的特例。各種方法的比較見下表。

表2 二維剛體極限平衡法的比較

3.2 數(shù)值模擬分析法

此方法主要用于有限變形的失穩(wěn)情況。一般可分為兩類：第一類是基于連續(xù)介質(zhì)數(shù)值分析的方法；第二類主要用于非連續(xù)物質(zhì)的分析方法。其用各類數(shù)值分析耦合，比如有限元法和邊界元耦合、邊界元和離散元耦合等，此類方法目前也開始應用于計算邊坡工程。

數(shù)值模擬分析常用于考慮巖土土體自身的應變、應力間關系，對平衡極限不考慮如巖體等自身應力、應變關系，為邊坡穩(wěn)定提供了新的分析辦法。但它還是不能夠較好的求大變形與位移不連續(xù)的問題。對無限區(qū)域和集中應力區(qū)域的求解不夠準確，對巖土滑動位置不能直接計算其對應的安全系數(shù)值，且計算軟件分析所需的信息和參數(shù)較多，對技術員技術能力要求較高[3]。

3.2.1 基于連續(xù)介質(zhì)的數(shù)值分析法。目前，邊坡穩(wěn)定性分析中常用的有限元方法有圓弧搜索法和強度折減法。有限元圓弧搜索法遵循極限平衡法的思想，但假定滑動裂紋表面上的滑動力和抗滑力是通過有限元計算精確確定的。強度折減法是指在有限元計算中不斷減少土的強度參數(shù)。當計算不收斂時，將折減系數(shù)作為邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)。強度折減法的一個主要特點是不需要預先假定滑動面。從目前的應用來看，它是一種很有前途的邊坡穩(wěn)定性分析方法。

3.2.2 基于非連續(xù)介質(zhì)的數(shù)值分析法?；鶐r是一種具有復雜材料特性的不連續(xù)材料，因此有一些數(shù)值分析方法可以處理這種不連續(xù)材料?；陔x散單元的非連續(xù)變形分析方法非常適合處理非連續(xù)節(jié)理巖體。由于忽略了巖體的變形過程，無法模擬裂隙的產(chǎn)生和失穩(wěn)過程。此外，應用流形中的有限覆蓋法建立流形法，從數(shù)學上解決了連續(xù)和不連續(xù)材料計算中近似函數(shù)的統(tǒng)一結構等一系列問題，使連續(xù)變形和非連續(xù)變形的統(tǒng)一計算分析成為可能，并能分析巖體裂隙、巖土滑移等相似特征。

3.3 可靠度法

可靠度法是將邊坡巖土的穩(wěn)定問題視為一個隨機發(fā)生的過程，將影響巖土穩(wěn)定的各類因素看作隨機變量，采用概率論分析法和可靠度描述巖土邊坡穩(wěn)定情況。與傳統(tǒng)確定性理論相比，可靠度法對邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)數(shù)值的各個影響因子均根據(jù)其不確定性給以一定的考慮，才能更好反映巖體的實際狀態(tài)，合理解釋眾多用確定性理論不能很好解釋的問題。但在實際使用中仍較少的采用可靠度分析這一評價法，受制約因素體現(xiàn)在與當前規(guī)范的協(xié)調(diào)標準、配套取值，及概率與可靠度分析等需大量的試驗數(shù)據(jù)確定變量的數(shù)值、分布，時間及費用投入較多。

3.4 極限分析法

極限分析法的基礎是極限分析的極限定理，即上、下限定理。采用極限分析法在結構力學分析中采用了部分的簡化，其所得結果有可能不是真實反應，有時還會出現(xiàn)較大誤差，對于復雜的土層結構，計算上較難。隨著計算機技術的發(fā)展，數(shù)值方法求解邊坡穩(wěn)定特別是上、下限解決問題成為非?；钴S的方向。由于它不僅可以避免非線性計算，跟蹤實際加載路徑逐漸增加，而且可以直接計算極限荷載和安全系數(shù)的問題，因此在巖土結構和邊坡的穩(wěn)定性評價中得到越來越廣泛的應用。

3.5 廣義極限法

基于虛功方程的廣義極限平衡法，即在極限平衡法的基礎上，再應用屈服函數(shù)的極值條件，可以消去安全系數(shù)，使得在不必對土體的受力進行簡化的條件下，獲得安全系數(shù)。同樣可以對任意可能的滑動面進行試算，找出適用的計算方法。

與通常的極限平衡法相比，在不需要對土體的受力進行假定或簡化的情況下，適用于任意的滑動面（極限平衡法只適用于特定平面和常用螺旋面），這無疑是一個很大的進步。但是同樣，由于需要事先確定滑動面的形式，所以，廣義極限平衡法所得到的結果一般也是安全系數(shù)的近似解[4]。

4 非確定性分析

非確定性分析是種有限的數(shù)據(jù)分析，且存在著很大的不確定。就使得確定性為指導性思想的傳統(tǒng)邊坡穩(wěn)定性分析法，在實際的應用中無法取得令人滿意的效果。近年來，隨著科學的發(fā)展，技術的進步，以及邊坡穩(wěn)定性的深入研究，大家普遍知道在傳統(tǒng)的邊坡穩(wěn)定性分析中，存在了太多的不確定因素。對此，國內(nèi)外許多專家在分析邊坡穩(wěn)定性時都考慮了不確定性因素。近年來發(fā)展起來的主要分析方法有概率法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡法、模糊綜合評價分析法和灰色系統(tǒng)分析法等。

4.1 人工智能法

人工智能法采用計算機，充分利用了人類的經(jīng)驗，包括神經(jīng)網(wǎng)絡控制方法、遺傳算法等，具有廣闊前景。人工智能網(wǎng)絡是一種非線性映射處理系統(tǒng)，其程序具有通用性，可用于巖土穩(wěn)定性分析。遺傳算法不需要函數(shù)連續(xù)性以及梯度信息要求，全局處理能力強，適合于復雜問題的并行處理和優(yōu)化求解。本文還提出了一種適用于不確定情況的專家系統(tǒng)，能有效地考慮邊坡組成材料參數(shù)的不確定性和發(fā)生變化。人工智能方法不能反映巖土的內(nèi)應力，需要大量的現(xiàn)場實際測算數(shù)據(jù)。隨著理論的完善和數(shù)據(jù)的積累，它將成為未來一種相對簡單的技術方法，也可用于其他工程計算。

4.2 灰色系統(tǒng)法

灰色系統(tǒng)法認為，事物的決定因素中若有未知不確定的，又或有已知的，較為模糊的系統(tǒng)稱為灰色系統(tǒng)。把系統(tǒng)中一切信息變量看作灰色變量，用特定的方法建立起用來論述這種灰色變量的數(shù)字模型。利用灰色變量關聯(lián)度之間的分析原理，確定巖土穩(wěn)定性計算中，各個影響因素的影響度大小，進而用多種因素疊加起來分析評估巖土的穩(wěn)定情況。該方法所得的結果基本上和邊坡實際狀態(tài)一致，并且此方法較為簡單直觀，可操作性也較強。但其內(nèi)在力學理論不夠清晰、明確，缺少定量描述[5]。

5 結束語

鑒于各種分析方法均具有其自身的缺陷，因此，綜合應用多種方法解決邊坡穩(wěn)定問題，可以有效地利用其自身的優(yōu)勢而有效避免其不足，使分析結果更加接近真實也是一個研究和發(fā)展的方向。