边坡稳定性分析研究现状

李方中

新疆煤田地质局综合队（830000）

边坡稳定性分析研究现状

李方中

新疆煤田地质局综合队（830000）

近百年来，随着人类社会经济的发展和大规模建设工程的开展，城市建设、水电、交通、矿山、港口码头以及国防工程等各领域都涉及到边坡工程问题。边坡的变形、失稳导致大型崩滑事故在工程界常有发生，对国民经济发展和人民生命财产造成了巨大的损失。边坡失稳变形问题越来越突出，已成为同地震、火山相并列的全球性三大地质灾害之一。文章通过大量文献调研，对当前边坡稳定性分析研究方法进行了总结和归纳，可供施工和设计人员参考。

边坡稳定性；工程地质；极限平衡法；数值模拟

边坡稳定性评价是在对地质体充分认识的基础上，通过对边坡崩滑作用机理的研究，得出的定性和定量评价结果[1-3]。边坡稳定分析是岩土工程领域的重要课题之一，多年来许多学者致力于这方面的研究，内容十分丰富，就分析方法而言，主要分为五类：①定性的分析方法，主要有成因历史地质分析法、工程地质类比法和图解法；②定量分析方法（数学模型法），主要有基于极限平衡理论的极限平衡分析法、数值分析法；③非确定性分析方法，主要有基于概率统计理论为基础的可靠性分析方法；④确定性与非确定性方法的结合；⑤模型试验和监测分析的方法。

1 工程地质类比法

工程地质类比法是一种经验性的方法，它是根据某一地区边坡的研究设计，进行边坡工程稳定性的初步评价。目前，随着勘测技术的发展和各种相应规范的完善，人们对边坡工程的地质评价越来越趋向于理性和科学化，倾向于综合采用现代遥感技术、遥测技术、勘测技术，现代数学、力学的新理论和新方法如数值分析、模糊数学、灰色系统理论、断裂力学、损伤力学及概率分析等，实现地质过程及各要素的定量描述和定量解释,并与现代计算机紧密结合起来,实现定量计算模拟。

2 图解法

图解法可以分为两类：一类是用一定的曲线和偌谟图形象化地表征边坡有关参数间的定量关系，并由此求出边坡稳定性系数；或已知稳定系数及其他参数（结构面倾角、坡角、坡高）的情况下，求出稳定坡角或极限坡高,这实际上是力学计算的简化。另一类是利用图解法求边坡变形破坏的边界条件，分析软弱面的空间组合关系，分析潜在滑体的形态和滑动方向,并据此评价边坡的稳定程度，为力学计算创造条件。常用的为赤平极射投影分析法及实体比例投影法。

3 极限平衡法

极限平衡法是分析边坡稳定性的基本方法，对于给定的滑面，在一定假设条件的基础上，极限平衡法能够给出合理的边坡稳定性系数（安全系数）。该类方法具有简单、快捷的特点，计算过程清晰明了，计算结果的精确性基本能够满足工程需要，还有与之配套的并且经过长期工程经验积累的安全判定标准，所以该方法在工程中得到广泛地应用。

近年来,国内外学者致力于改善极限平衡法，使之逐步完善。T·D·Stark等认为极限平衡二维分析中隐含破坏面垂直剖面方向无穷大的假设与实际不符，建立了更能反映边坡实际情况的极限平衡三维分析法。G·Zornberg等以试验为手段分析了人工加固边坡的破坏机理，将斜坡的稳定性问题推广到人工加固边坡领域。美国的John H.Huang教授模拟生物进化步骤，提出了遗传进化算法。肖专文等采用遗传进化算法确定了边坡最危险滑动面及对应的最小安全系数。朱大勇、姜弘道[4]发明了一种新的边坡稳定性计算方法——临界滑动场法（简称CSF法）。

4 数值模拟计算

近年来，数值分析方法在边坡稳定分析领域取得了巨大的进展。通过计算模拟，可以模拟边坡加载、卸载的全过程，可以模拟并得到模拟体内部的应力应变关系,再现其变形甚至破坏过程及其机制。数值分析方法按照模型材料的假定条件可以大致分为两类。一类是基于连续介质的分析方法，包括有限元法、边界元法、快速拉格朗日差分法(FLAC法)等。这些方法具有强大的处理复杂几何边界和材料非线性的能力[5]，可以模拟有限条数的岩体结构面。这是目前理论体系比较严格也比较成熟的一类方法。另一类是基于非连续介质的分析方法，包括离散元法、界面元法、DDA方法、流形元法等。这些方法具有强大的处理非连续介质和大变形的能力，不仅能够比较真实地模拟边坡应力应变和变形发展、破坏的全过程，而且还能以动画的形式提供边坡破坏以后塌落、崩解的过程。

5 地质力学物理模拟试验

对于超大型工程，地质力学物理模型试验研究的重要性是数值模拟无法替代的。物理模型是真实的物理实体，能真实地反映地质构造和工程结构的空间、时间关系，准确地模拟施工过程和影响。模型试验的结果能给人以更直观的概念和感受，从全局上把握岩体整体工程力学特征、变形趋势、稳定性特点以及各地质体与结构物之间的相互关系，对岩体破坏机制和安全储备能力进行比较和判断。物理模型试验也能够对各种数值分析结果进行一定程度上的验证。

6 小结

在边坡工程中,边坡的开挖支护方案不同，工程的治理效果和治理费用也不同。相比较传统的极限平衡方法，有限元方法能够对边坡的开挖过程进行分步模拟，能较直观地反映边坡开挖过程中边坡各部位的位移和变形，为治理设计方案的选择提供有力支持。根据工程的不同性质，通常需要多种方法配合使用。总之，由于边坡工程是一项复杂的系统工程，涉及工程地质和水文地质、工程力学与工程结构、土力学与基础工程学等多个学科，是由若干具有独立功能的体系和部分组成的整体。边坡复合支挡体系的设计与施工，均应从这一整体的系统出发，按照信息化设计与施工的原则，寻求整个系统的最优化，才能够在保证边坡安全的同时，实现工程经济、技术的最优化。

[1]郑颖人,陈祖煜,王恭先,凌天清.边坡与滑坡工程治理[M].北京：人民交通出版社,2007,1.

[2]李海光,等.新型支挡结构设计与工程实例[M].北京：人民交通出版社,2004,1.

[3]孙玉科,牟会宠,姚宝魁.边坡岩体稳定性分析[M].北京：科学出版社,1988.

[4]朱大勇,姜弘道.边坡临界滑动场方法与应用[J].水利水电科技进展,2000,6.

[5]郑颖人,赵尚毅.有限元强度折减法在土坡与岩坡中的应用[J].岩石力学与工程学报,2004,10.