邊坡穩(wěn)定分析方法研究進(jìn)展

彭楊旭 程詩蕓 張紫怡 郝晨曦 豐家俊 郭鴻

對邊坡失穩(wěn)的破壞形式以及引起因素進(jìn)行了闡述，對現(xiàn)有的邊坡穩(wěn)定性分析方法從定性分析法、模型模擬實驗、極限平衡法、數(shù)值計算法及不確定性分析方法5種方法進(jìn)行了總結(jié)，并對現(xiàn)有方法進(jìn)行評價。并結(jié)合目前的發(fā)展趨勢，對未來邊坡穩(wěn)定性方面的研究方向進(jìn)行了簡單總結(jié)，通過對各分析各方法優(yōu)缺點，認(rèn)為數(shù)值計算法更適合當(dāng)前發(fā)展的需要。

邊坡穩(wěn)定性； 邊坡失穩(wěn)影響因素； 邊坡穩(wěn)定分析方法

P642.22 A

［定稿日期］2022-03-16

［基金項目］陜西理工大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目（項目編號：S202110720056；X202110720139）;信息產(chǎn)業(yè)部電子綜合勘察研究院項目（項目編號：2020-DKY-W02）

［作者簡介］彭楊旭（2000—），男，本科，研究方向為巖土工程。

［通信作者］郭鴻（1984—），男，博士，副教授，研究方向為巖土工程、顆粒物質(zhì)力學(xué)、離散元數(shù)值模擬。

邊坡失穩(wěn)是指坡體承受的外部作用超過坡體自身的承受極限，進(jìn)而破壞的現(xiàn)象。坡體由于水文特征、地震及人類工程影響等因素作用，自身的穩(wěn)定性會逐漸降低［1］，邊坡失穩(wěn)后所引起的災(zāi)害通常有有崩塌、滑坡、泥石流等。

我國總面積約有74.8%為山地，存在著大量的自然邊坡［2］，且近年來工程范圍的擴大，生成了許多人造邊坡。因此坡體的穩(wěn)定性分析對滑坡防治、經(jīng)濟發(fā)展以及生態(tài)保護(hù)等方面具有重大的意義［3］。

本綜述主要對當(dāng)前邊坡失穩(wěn)的破壞形態(tài)、影響因素研究的進(jìn)展以及當(dāng)前已有的邊坡穩(wěn)定性分析方法進(jìn)行了歸納總結(jié)。

1 邊坡的破壞形式

1.1 滑坡

滑坡是常見的地質(zhì)災(zāi)害，也是當(dāng)前最具破壞力的自然災(zāi)害之一［4］?；率侵钙麦w面層的巖體在自身重力作用下，順著坡體結(jié)構(gòu)內(nèi)部比較軟弱的區(qū)域向下移動，進(jìn)而發(fā)生剪切破壞，巖體在經(jīng)過一段時間蠕動形變后，逐漸發(fā)展成滑動破壞，然后逐步穩(wěn)定，其中高土質(zhì)邊坡或泥質(zhì)邊坡的表現(xiàn)尤為明顯。

1.2 崩塌

崩塌主要發(fā)生在較陡邊坡區(qū)域，且還將進(jìn)一步導(dǎo)致裂隙發(fā)育，并沿陡裂面上產(chǎn)生落石活動，形成次生災(zāi)害，其損害程度不容忽視。同時，由于凍融、滲水、人類工程活動影響等外界因素的持續(xù)影響，會導(dǎo)致裂縫逐漸擴大，造成坡體破壞。此類災(zāi)害事故發(fā)生較突然，因此要在工程中提前考慮，防止意外。

1.3 泥石流

在突發(fā)性的強降雨、降雪天氣及一些自然災(zāi)害的情況下，泥石流有很高的發(fā)生率。泥石流中夾帶的泥沙和石塊會導(dǎo)致災(zāi)害區(qū)域的生態(tài)環(huán)境遭到破壞，對災(zāi)害區(qū)域的影響較大。

2 邊坡失穩(wěn)的影響因素

2.1 地質(zhì)因素

地質(zhì)因素對坡體穩(wěn)定性的影響主要包括坡體自身形態(tài)與巖土本身性質(zhì)所產(chǎn)生的影響。邊坡的形態(tài)不同主要影響邊坡失穩(wěn)的形態(tài)，具體因素是邊坡的長度、寬度以及高度，斷層節(jié)理形式以及外部環(huán)境條件，通常來說坡度較緩，反傾節(jié)理的邊坡較穩(wěn)定。王恭先［5］認(rèn)為坡體內(nèi)易形成滑動帶的巖層性質(zhì)及其分布的位置是影響坡體失穩(wěn)形態(tài)的主要因素。除此之外，巖土體本身的內(nèi)摩擦角以及粘聚力的不同都會對邊坡穩(wěn)定性有一定的影響。

2.2 地下水

地下水導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)的主要影響因素在于地下水的動、靜水壓力會造成巖體基礎(chǔ)層軟化，同時地下水的持續(xù)沖刷也會直接損害邊坡的穩(wěn)定性。并且如果地下水對穩(wěn)定性的影響程度比較大時，還會導(dǎo)致土體自身的彈性模量、土體間的粘聚力以及內(nèi)摩擦角等發(fā)生改變，降低坡體的穩(wěn)定性。

王榮華［6］結(jié)合水位監(jiān)測和FLAC3D三維建模軟件分析得出：相對于潛水面高度的變化，基坑水位線高度對邊坡安全系數(shù)影響更為顯著；隨著基坑水位線高度的增加，水體浮力作用使巖層分界面上部巖層滑移力逐漸減小，同時坡腳在臨空面方向的位移逐漸增加，影響坡體的穩(wěn)定性。劉新榮等［7］發(fā)現(xiàn)由于水對坡體內(nèi)巖石的作用，巖體中的硬石膏成分遇水后易發(fā)生晶體結(jié)構(gòu)的改變和化學(xué)反應(yīng)，會導(dǎo)致巖石泊松比增大。

2.3 水文特征

從滑坡的統(tǒng)計數(shù)據(jù)看，大多數(shù)的滑坡發(fā)生在雨季［8］。雨水滲透到滑體以及其下部的強風(fēng)化泥巖的內(nèi)部，會在坡體內(nèi)部產(chǎn)生軟弱滑動面，降低邊坡的穩(wěn)定性，使坡體更容易失穩(wěn)。

杜忠原等［9］考慮了非飽和土滲流與應(yīng)力的耦合作用，利用強度折減法結(jié)合飽和-非飽和理論進(jìn)行應(yīng)力分析發(fā)現(xiàn)：降雨強度與入滲深度之間存在非線性正比關(guān)系，入滲的深度和入滲的速度隨著降雨強度增大而增長，并且在降雨后安全穩(wěn)定系數(shù)的回復(fù)也更慢。

2.4 地震

在地震作用下，邊坡會由于慣性力的作用使得原本處于靜態(tài)的邊坡在外力作用下發(fā)生失穩(wěn)。其中巖質(zhì)邊坡相比土質(zhì)邊坡更為明顯［10］。

2.5 人類工程活動影響

隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，近年來鐵路交通等相關(guān)的工程的需求增大，越來越多的山地被開發(fā)。同時，由于人類工程活動所造成的邊坡失穩(wěn)狀況也層數(shù)不窮。廖繼彪等［11］分析得出導(dǎo)致邊坡坡腳部分的結(jié)構(gòu)出現(xiàn)破壞的主要原因是工程中對坡腳進(jìn)行過度開挖，進(jìn)而從坡腳引起了整個坡體的失穩(wěn)破壞。

3 邊坡穩(wěn)定性分析方法

3.1 定性分析法

定性分析法是結(jié)合工程實際的地質(zhì)勘查情況，對坡體進(jìn)行綜合分析的方法。該方法通過分析坡體的地形地貌、水文條件、新構(gòu)造運動、氣候及人類活動等，以此為分析依據(jù)對邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行評價，評價方法主要有圖解法、類比法以及自然歷史分析法等［12］。

定性分析法主要應(yīng)用于分析簡單情況下或大范圍的邊坡［13］。王森等［14］從定性分析角度出發(fā)，結(jié)合當(dāng)?shù)毓こ虒嵗?，對工程邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行了初步分析評價，為工程安全生產(chǎn)提供了有效的建議。

由于該方法自身的局限性，對于復(fù)雜情況下的邊坡不能準(zhǔn)確有效地進(jìn)行分析，對于涉及到可變坡度的幾何和地質(zhì)條件的復(fù)雜情況還需要選擇其他方法進(jìn)行分析。

3.2 模型模擬實驗

模型模擬實驗是通過實地考察、采樣，建立與形態(tài)、地質(zhì)結(jié)構(gòu)、實際工程狀況相近的等比例模型。由于模型比例較小，為了更好地將坡體的真實工程情況用模型還原，模型制作過程中會人為地對坡體結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化、改造。該方法的分析結(jié)果有效且符合實際工程狀況，迄今為止國內(nèi)外學(xué)者在邊坡模型試驗方面開展了諸多研究工作。

楊忠平等［15］就通過建立不同節(jié)理的邊坡模型分析了反復(fù)微震作用下邊坡破壞特征，結(jié)合數(shù)據(jù)模型分析得出了各種節(jié)理的邊坡在反復(fù)微震作用下破壞形態(tài)的不同。

模型模擬實驗作為分析方法中最為直接的方法，可以直觀地觀察到工程的實際破壞的形態(tài)與發(fā)展過程。其缺點在于不能將分析的結(jié)果具體化，得到的結(jié)果局限于現(xiàn)象并不是實際的數(shù)據(jù)，并且建立的模型有許多的自然因素以及人為因素影響，與實際的工程有較大差異，建立的模型分析結(jié)果只能作為參考。因此這種方法常與其他方法結(jié)合使用來更全面地分析邊坡穩(wěn)定性。

3.3 定量分析法

3.3.1 剛體極限平衡法

剛體平衡法把滑體視為剛性體，根據(jù)邊坡破壞的邊界條件分析滑體上的全部外力及滑體沿滑動面的受力，使用力平衡法對邊坡進(jìn)行分析。剛體極限平衡法是當(dāng)前應(yīng)用較為廣泛的分析方法之一，是比較經(jīng)典的邊坡分析方法，這種方法通過檢查邊坡處于破壞平衡極限狀態(tài)時滑動層面土體抗滑性能以及外部滑動力對抗?fàn)顟B(tài)來分析土壤在極端條件下表現(xiàn)的邊坡穩(wěn)定級別。該法將邊坡穩(wěn)定程度設(shè)置為更為直觀的安全系數(shù)，通過計算得出的安全系數(shù)來實現(xiàn)分析邊坡實際狀態(tài)的目標(biāo)。同時可借助Geostudio軟件對坡體進(jìn)行數(shù)字建模，以便分析坡體的破壞形態(tài)。常用的剛體極限平衡法包括瑞典條分法、畢肖普條分法、簡布法、摩根斯坦－普拉斯法等4種。

3.3.1.1 瑞典條分法

瑞典條分法［16］是極限平衡法中最經(jīng)典的一種，該法假定土坡在破壞過程中是沿著圓弧面進(jìn)行滑動的，且土條兩側(cè)的作用力為一對相互作用力，忽略了土條間的作用力，故自身存在一定的誤差。但此方法分析簡便，應(yīng)用范圍較廣，借助軟件分析的效率高。如郭海強等［17］通過瑞典條分法，提出了解決路基邊坡設(shè)計所存在問題的鐵路路基邊坡極限狀態(tài)設(shè)計表達(dá)通式。

3.3.1.2 畢肖普條分法

畢肖普條分法考慮了土條間相互作用力。該方法假定滑裂的土體為剛體，使其繞圓心旋轉(zhuǎn)，基于極限平衡原理，通過分條的方法計算坡體的滑動力與抗滑力，最后求出土體穩(wěn)定安全系數(shù)，以此來衡量坡體的穩(wěn)定性。如Ji J等［18］利用畢肖普條分法，通過實例對比分析，解釋了地震滑動面與靜力滑動面是否存在差異以及為何存在差異的可能原因。

3.3.1.3 簡布法

簡布法是指對任意形狀滑動面計入土體條塊間作用力的土坡滑動穩(wěn)定性分析法。此方法的滑動面不局限于條狀，更加貼合實際工程下的土層分布狀況。曹亮［19］運用簡布法，通過Geostudio軟件對某處滑坡進(jìn)行了穩(wěn)定性分析，驗證了Geostudio軟件在計算滑坡穩(wěn)定性上的準(zhǔn)確性、簡便性等優(yōu)勢。

3.3.1.4 摩根斯坦—普拉斯法

摩根斯坦－普拉斯分析法假定了各條間的作用力，對坡體土條間合力的作用位置進(jìn)行了合理假設(shè)，并且通過改變條間合力的作用方向，結(jié)合力學(xué)來求得此坡體的最佳解和滿足滑動面法向和滑動面方向力的平衡及對底滑面中點的力矩平衡。摩根斯坦－普拉斯法的運用相對其他方法較少。削丞民［20］用摩根斯坦—普賴斯方法對云南省楚雄州呂合露天煤礦邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行了分析，并為治理邊坡及推廣此方法提出一些建議。

3.3.1.5 綜合法

由于各方法假設(shè)條件的差異性，其適用的工程情況也有所不同，通常在實際工程中邊坡各段情況也有所不同，在實際應(yīng)用中會將邊坡體進(jìn)行分段，根據(jù)分段后每段邊坡體的實際情況選擇適用的方法。閆麗雯［21］利用典條分法和畢肖普條分法，在不同工況下定量分析了邊坡地質(zhì)災(zāi)害穩(wěn)定性，對地質(zhì)災(zāi)害危險區(qū)進(jìn)行了劃分，利用分析得出的數(shù)據(jù)地質(zhì)災(zāi)害治理提供了可靠數(shù)據(jù)支撐為，為抗災(zāi)工程做出了貢獻(xiàn)。

3.3.2 數(shù)值計算法

隨著近年計算機技術(shù)的發(fā)展，信息處理能力逐漸強大，數(shù)值模擬對邊坡穩(wěn)定性分析的方法有了一定的發(fā)展空間。相比起其他方法，數(shù)值計算法有著費用低、易操作、且結(jié)果直觀的優(yōu)點，是當(dāng)前邊坡穩(wěn)定性研究方面的重要方法之一。

3.3.2.1 有限差分法

有限差分法是以差分網(wǎng)格和離散求解的思路對邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析，主要使用計算軟件為FLAC2D、FLAC3D。這種計算方法的優(yōu)點在于其操作簡便并且結(jié)果較為直觀，但是其在進(jìn)行數(shù)值計算時，對象之間的連續(xù)性較高，不能很好地反映實際情況。FLAC3D軟件將強度折減技術(shù)與數(shù)值模擬相結(jié)合，可以同時得出邊坡應(yīng)力、位移、塑性區(qū)以及邊坡的危險滑面及安全系數(shù)，可以借此參數(shù)直觀地對邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行評價。目前已有許多相關(guān)研究并且取得了成果，侯波等［22］運用有限差分法FLAC3D對毛塢滑坡進(jìn)行了計算模擬，分析了天然狀態(tài)下及暴雨狀態(tài)下邊坡穩(wěn)定性以及滑坡區(qū)地質(zhì)體的塑性區(qū)、位移場。眭敏磊等［23］通過利用FLAC3D分析ANSYS模型對官莊工程區(qū)滑坡進(jìn)行了全面的分析，確保了工程的穩(wěn)定性。秦凡等［24］在弓長嶺露天礦場應(yīng)用FLAC2D對露天礦場進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行了數(shù)值計算，通過軟件的分析，得出該地區(qū)的應(yīng)力應(yīng)變圖像以及地質(zhì)勘察數(shù)據(jù)和數(shù)值計算的結(jié)果，對該礦場日常的邊坡處理提供了可靠理論依據(jù)。

3.3.2.2 有限元法

有限元法能夠借助離散單元幾何方程來對邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析，將土坡實際彈性、粘彈塑性等關(guān)鍵參數(shù)利用平衡方程及物理方程進(jìn)行分析計算，對坡體穩(wěn)定性進(jìn)行分析，是將模型離散化為有限數(shù)目單元，以此進(jìn)行數(shù)據(jù)模擬計算的方法。該方法可以處理微小變形的非線性問題，也能靈活性處理復(fù)雜邊界。劉彥等［25］發(fā)現(xiàn)通過有限元強度折減法計算得出的邊坡安全系數(shù)與剛體極限平衡法的計算結(jié)果基本相近。而且相比起極限平衡法，該法確定的邊坡從坡腳剪出的圓弧形滑動機制更加準(zhǔn)確。王麗俊［26］將有限法與極限平衡法相結(jié)合進(jìn)行分析，最后確定了更為準(zhǔn)確全面的坡體安全系數(shù)，提供了一種新的研究邊坡穩(wěn)定性的分析思路。

3.3.2.3 邊界元法

邊界元法是在強度折減法的基礎(chǔ)上提出的一種用于分析邊坡穩(wěn)定性的可靠方法。張麗美等［27］運用邊界元法通過經(jīng)典算例分析并與Spencer法等前人的研究結(jié)果比較表明該方法是合理有效的。其優(yōu)點在于相對于有限元法其方程維度較低，計算相對簡單，計算效率高。但是其計算結(jié)果的表達(dá)相對復(fù)雜、不直觀，且計算式中的系數(shù)可變，非線性適用性較差。林思田［28］基于滑面邊界法，以新型條分法編制出了一種用于分析穩(wěn)定性的程序，并且證明了新方法對于有限元分析同樣有效，且針對有限元法，該法解決了不收斂問題。

3.3.2.4 離散元法

離散元法基于塊狀理論建立，這種方法適用于破碎松散巖體非連續(xù)變形，且結(jié)果更加直觀，可以直觀地觀察到邊坡破壞的特征形態(tài)，但其不適用于高應(yīng)力巖體變形。與極限平衡法相比，離散元法無需滑裂面各部位同時屈服等假定，反映出的巖體間相互作用更真實，同時也可反映邊坡的漸進(jìn)破壞過程并獲取速度場和位移路徑等信息。由于這種方法的適用范圍涵蓋目前大多數(shù)工程情況，在實際工程中應(yīng)用廣泛。離散元計算法分析軟件有PFC2D、PFC3D以及3DEC。

PFC研究方面，鄭成成等［29］通過建立抽水蓄能電站工程高陡堆石邊坡離散元數(shù)據(jù)模型，明確了邊坡失穩(wěn)過程、影響范圍，并提出了混凝土擋墻的建議高度。蔣明鏡等［30］利用PFC2D軟件，采用離散元法對坡體建立數(shù)據(jù)模型，分別分析坡體被破壞后坡體不同位置在不同時間下的位移以及速度的變化。在相同條件下，順層節(jié)理邊坡較反傾節(jié)理邊坡，更易產(chǎn)生破壞。

在3DEC研究方面，劉子金等［31］通過3DEC離散元數(shù)值模擬軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)模擬，對邊坡位移、應(yīng)力應(yīng)變與邊坡巖體安全系數(shù)等數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析計算，認(rèn)為對邊坡巖體現(xiàn)場位移影響較明顯的因素為開挖擾動及壩體填筑過程中的碾壓振動，為安全系數(shù)較小的斜坡工程提供了合理建議以及數(shù)據(jù)支撐。

3.3.2.5 聯(lián)合分析法

當(dāng)前分析邊坡穩(wěn)定性的方法由于其理論基礎(chǔ)的差異以及假設(shè)的不同，各自都有不足，且由于不同工程的主要影響因素不同，不同方法對各種工程情況的分析適用性也不同。為了克服單一數(shù)值計算方法的弊端，發(fā)揮各自優(yōu)勢，將不同方法綜合引用、合理耦合也是發(fā)展趨勢，可以將邊坡分段進(jìn)行計算，通過分段邊坡的實際工程情況合理采用方法進(jìn)行計算，發(fā)揮各方法的優(yōu)點，盡量減少各方法的弊端對邊坡計算所造成的影響，達(dá)到揚長避短的目的。如劉蕾等［32］運用FLAC和PFC2D 2種方法相結(jié)合，對逆層巖質(zhì)邊坡地震動力作用下的破壞情況進(jìn)行了分析，將連續(xù)和非連續(xù)區(qū)域組成一個整體，縮短了計算時間。

3.4 不確定性分析方法

不確定性分析法主要考慮邊坡計算中的不確定性因素，并結(jié)合極限平衡法理論與其他有關(guān)學(xué)科對邊坡進(jìn)行綜合性分析，該方法與其他方法的主要區(qū)別在于該方法系統(tǒng)地考慮了不確定性參數(shù)的作用，并以概率值定義邊坡的穩(wěn)定性條件［33］。主要的分析方法有模糊綜合評價法、概率分析方法和灰色系統(tǒng)評價法等。

3.4.1 概率分析方法

概率分析法收集分布在斜坡上的詳細(xì)參數(shù)數(shù)據(jù)并采用合適的取值。以此對邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析。由于該方法需要收集大量不確定性參數(shù)，因此該方法有一定的限制性，但由于有大量的實際數(shù)據(jù)支撐，該方法適用性以及可靠度較高。

劉輝等［34］通過分析不同滑動面失效模式之間的相關(guān)性，在基于隨機場局部平均后的等效參數(shù)和一次可靠度方法，提出了可靠度分析方法用于分析考慮不排水強度空間變異性情況下的黏土邊坡系統(tǒng)。

3.4.2 模糊綜合評價法

模糊綜合評價法是考慮到邊坡的類型不同，影響其穩(wěn)定性的因素也不同。模糊綜合分析法給每一個因素賦予不同的權(quán)值，區(qū)分各因素在總的評判中的影響和作用，再根據(jù)隸屬函數(shù)，對邊坡進(jìn)行綜合評判，確定其穩(wěn)定狀況。但該方法在實際分析時，其權(quán)值的分配過程中存在一定的經(jīng)驗性和主觀性，因此分析結(jié)果有一定的不確定性［35］。

王瑞等［36］應(yīng)用層次分析法與模糊綜合評價法確定了各級指標(biāo)的權(quán)重值和隸屬度，構(gòu)建了模糊綜合評價模型，結(jié)合模型與計算來分析巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性，為實際的工程問題研究提供了合理的技術(shù)支撐。并指出該方法會由于環(huán)境中的不確定因素的變化頻繁導(dǎo)致結(jié)果與實際產(chǎn)生偏差，可靠度還有待提高。

3.4.3 灰色系統(tǒng)理論

灰色關(guān)聯(lián)指事物之間的關(guān)聯(lián)，灰色系統(tǒng)理論［37］主要是利用灰色關(guān)聯(lián)度分析原理，通過比較不同因素的發(fā)展趨勢，來判斷因素之間的關(guān)聯(lián)性。該方法同時考慮了影響邊穩(wěn)定性的確定因素和不確定因素，通過建立灰色量數(shù)學(xué)模型，比較各影響邊坡穩(wěn)定性的影響要素，將確定各因素對邊坡的影響比重大小作為分析邊坡穩(wěn)定性的主要依據(jù)。由于該方法評價邊坡的基礎(chǔ)是各因素的發(fā)展趨勢，對實際樣本量并沒有太多要求，分析過程簡單簡便，且結(jié)果一般與定性分析沒有太大差異，在實際工程中應(yīng)用較廣。

4 結(jié)論

結(jié)合當(dāng)前已有的數(shù)據(jù)分析方法以及研究成果，通過對各方法分析比較，在未來的邊坡穩(wěn)定性分析與計算中，可能會在更先進(jìn)的計算理論、更智能的計算方法、更精密的實驗設(shè)備以及更精準(zhǔn)的數(shù)值模擬等方向發(fā)展。

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