岩质边坡稳定性研究分析方法综述

刘辛愉

摘要：岩质边坡稳定性分析方法众多，本文中以定性分析和定量分析为分类依据，介绍了定性分析以及定量分析的一些方法，并重点介绍了定量分析中的数值分析法，希望为边坡工程设计选取比较合理、可靠的分析方法提供参考，也为掌握边坡稳定性分析方法、了解其研究现状和发展方向提供帮助。

关键词：岩质边坡稳定性，定性分析，定量分析，数值分析

1.前言

在铁路、交通、水利水电、矿山等基本建设工程领域，存在大量的高陡岩质边坡[1]。 确保这些岩质边坡在施工和运行期内的稳定，对于保证这些基本建设工程的顺利开展和充分发挥功能，具有至关重要的作用。

岩质边坡稳定性评价应在初步分析的基础上，对边坡的失稳模式做出判别，再选用适当的计算方法，如极限平衡法、有限元分析法等进行稳定性定量计算，提出加固方案，并建立监测系统，通过信息的反馈修改该方案，具体的边坡稳定性评价流程见图 1。

图1 边坡稳定性评价流程

目前用于边坡稳定性分析的方法繁多，甚至让人眼花缭乱，而每一种分析方法又有各自的适用条件和特点，对处于不同工程地质环境的岩质边坡，采取何种分析方法才能客观、合理、有效地评价边坡的稳定性，是一个需慎重选择的问题。

2.定性分析法

定性分析法主要是对影响边坡稳定的各种因素、失稳的力学机制、可能的变形破坏方式、边坡的成因及演化历史进行分析，从而给出被评价边坡的稳定性情况及其可能发展趋势的定性说明。定性分析方法[2-3]对边坡的稳定性能快速作出评价和预测，缺点是经验性强，没有数量界限。

2.1 SMR评价方法

Romana 于 1985 年提出了 SMR 法，该方法把 SMR评分值作为边坡稳定判据，SMR 评分值可通过下式计算：

SMR=RMR-F1F2F3+ F4 （1）

式中：F1为与边坡和节理走向平行度有关的系数；F2为与节理面倾角有关的系数；F3为描述边坡角和结构面倾角间关系的系数；F4取决于开挖方法的调查因子。

SMR 方法最大的特点是充分考虑了岩体结构特征对边坡稳定的评价分类。

2.2 CSMR评价法

由于 SMR 法未考虑边坡高度以及不同的控制结构面条件对稳定性评价的影响，故我国学者提出了 CSMR评价方法。 该法计算公式为：

CSMR = ξRMR - λ F1F2F3+ F4 （2）

式中：F1为与边坡和节理走向平行度有关的系数；F2为与节理面倾角有关的系数；F3为描述边坡角和结构面倾角间关系的系数；F4取决于开挖方法的调查因子；ξ为高度修正系数，λ为结构面性质折减系数。

3.定量分析法

所谓的边坡稳定性定量分析法，其实是一种半定量的分析方法，虽然评价结果表现为确定的数值，但最终判定仍依赖人为的判断。目前，所有的定量计算方法都是基于定性分析方法之上。

3.1 有限元法

是目前最成熟的数值分析法[4-5]，可求解弹性、弹塑性、粘弹塑性、粘塑性等问题，其解题步骤已经系统化，并形成了很多通用的计算机程序。其基本原理是：将边坡离散成有限个单元体，用这些离散单元体代替原来的连续体结构，通过分析单元体的应力和变形来分析整个边坡的稳定。

在有限元数值模拟计算方法中，邊坡的稳定安全系数Fs可采用一般刚体极限平衡法中安全系数计算方法的表达式，即：

（3）

在公式中，i表示滑动面上的第i段； 为滑动面第i段上的平均法向应力； 为摩擦系数； 为粘聚力； 为平均剪应力； 代表第i段的段长；n为滑动面的分段总数； 是基于强度储备概念所定义边坡的稳定安全系数。

3.2 离散元法

是一种适用于模拟离散介质的数值方法。在计算机上可形象地反映块体受力后的应力场、位移场及速度场等随时间变化的规律，可模拟边坡失稳的全过程。

雷远见等将通用离散元UDEC与强度折减法结合，对含多结构面的岩质边坡的稳定性[6-7]进行了分析。通过对节理岩质边坡的UDEC 模型中的可变形块体和节理单元的强度参数进行折减，使模型不能再达到平衡状态，此时的折减系数就是边坡的安全系数，另外，由对应的边坡块体的速度矢量可以确定滑动面和边坡的破坏形态。通过与传统的条分法的结果比较，表明基于UDEC 的强度折减法是一种可靠、有效的方法，为复杂节理岩质边坡的滑动面确定与安全系数计算开辟了新的途径。

4.结论

随着各学科理论和计算机技术的发展，边坡稳定性研究已取得了很大进步。目前边坡稳定性分析方法众多[8-10]，但无论那一种分析方法都有其适用条件与局限性，而实际边坡工程又极其复杂，任何单一的分析评价方法都不可能较好地解决实际问题。因而在实际工程中，应根据边坡工程的具体特点及使用目的，最好能同时利用多种分析方法进行综合分析验证，力求得出一个更加客观、可靠、合理的评价结果。