浅谈边坡稳定性分析方法

蒋霄　陈艺军　张济韬

[摘要]列举了目前边坡稳定性分析中所采用的方法，简要阐述了地质地貌条件类比法、图解法、极限平衡分析法等传统分析方法和有限元法、离散元法、无界元法等数值分析方法的原理，分析了这些方法的优缺点，最后简要说明了ABAQUS软件在边坡稳定性分析中的应用。为正确认识边坡稳定性、合理设计和治理边坡、降低边坡失稳灾害带来的损失提供依据。

[关键词]边坡；稳定性；分析方法

文章编号：2095-4085（2016）05-0028-02

边坡失稳是一种常见且危害严重的自然灾害，会对人类的生命和财产问题产生严重的威胁和破坏。因此，边坡稳定性问题一直是工程设计需要专项研究的课题，在地下工程、建筑工程、道路工程、水利工程等众多工程中，都需要对边坡工程进行稳定性分析。通过运用正确的边坡稳定性分析方法对工程中的边坡进行分析，采取正确的措施对边坡进行加固，可以有效降低边坡失稳对人类造成的危害。

目前边坡稳定性分析方法主要分为两类：一种为传统分析方法，以极限平衡分析法最为典型，这种方法以安全系数来判别边坡稳定性，原理简单，应用最广；另一种为有限元法，强度折减法的出现让有限元法可以直接得到一个安全系数，增大了有限元法测量的准确度，应用也越来越广。

1.边坡稳定性分析方法

1.1传统分析方法

1.1.1地质地貌条件类比法

地质条件类比法属于定性分析。在地质条件复杂且难以获得地质条件准确数据的地区或者在勘测工作初期阶段缺乏资料时，都常使用工程地质类比法对边坡稳定性进行分析，并作出相应的定性评价，该方法主要是通过工程地质勘察的方法，首先对于工程地质条件进行分析，如对容易勘察的边坡地层岩性、地质构造、地形地貌等因素进行综合调查、分类，对已存在的已破坏情况进行广泛调查研究，并了解其破坏因素、过程规律等，并凭此建立典型的边坡地质模型以供以后参考。因此，这种方法的优点在于数据来源全部为实际的边坡或边坡破坏，缺点是需要具备丰富的实践经验并且通晓典型边坡地质模型性质的专业地质工作者，才能运用好此种方法。

1.1.2图解法

图解法是考虑边坡的各种因素，并根据相应的公式和经验制成图表，使得边坡设计计算和边坡稳定性分析变得简单、方便，其只需查相应的图表即可。图解法分为诺模图法和赤平投影图法，诺模图法利用诺模图来表征与边坡有关参数之间的定量关系，从而求出边坡稳定性系数、稳定坡角和极限坡高，主要应用于具有圆弧性破坏面的滑坡；赤平投影图法是利用赤平投影的原理，通过作图直观地反映出边坡破坏的边界，确定失稳岩土体的规模形态及其可能变形滑动的方向等，从而对边坡稳定程度作出初步分析，并为力学计算提供基础，其主要用于岩质边坡的稳定性分析。图解法相对于类比法在实际工程中更加常用，其优点是简单、直观、快速；缺点是带有一定的经验性和概念性。

1.1.3极限平衡分析法

极限平衡分析方法是目得到最广泛应用的一种方法，也是目前最经典、最完善的分析方法。目前高校《土力学》的教学中，主要介绍的也是极限平衡分析法中的几种条分法。这种方法需要假设若干个满足摩尔一库伦准则的滑动面，分别求出它们的抗滑安全系数并从中找出最小值，以此来代表该边坡的稳定安全系数，与此对应的滑动面就是最危险最可能滑动的滑动面。此外，在假定了滑动面之后，一般采用条分法对边坡稳定性进行分析。常用的条分法有瑞典条分法、简化毕肖普条分法、杨布条分法。其中瑞典条分法假设滑动面为圆弧面且不考虑条间力；简化毕肖普条分法假设滑动面为圆弧面，切向条间力为0；杨布条分法假设滑动面为任意面，条件法向作用力的作用点在画面以上三分之一土条高度处。条分法除以上外还有不平衡推理法，Morgen.stem-NR法及priceVE法。条分法模型简单、计算简捷，能基本精确分析边坡稳定性。但是条分法需要大概知道滑动面的大概位置，因此对于不均质岩坡等难以假定滑动面的情况，条分法存在很大的随机性。

1.2数值分析方法

1.2.1有限元法

如前文所述，极限平衡分析法不适用于不均质岩坡，其计算得不到准确结果；有限元法则很好的弥补了这一缺点，这一方法既考虑了静力平衡条件，又考虑了岩坡的非均质性，其几乎适用于所有的计算领域，同时在边坡稳定性数值分析中应用广泛。它的优点在于不需要人为对滑动面进行假设，也不需要人为的进行条分，并且充分考虑了土的应力应变关系，特别是非线性弹塑性对边坡稳定性的影响。但是目前的实际工程应用中仍没有极限平衡分析法多，原因在于有限元法采用的参数不是现场工程中的参数，其计算范围和边界条件需要人为假设，所以其计算出来的数据与实际仍存在一定差距，而且，其判断失稳的标准未得到统一。

1.2.2离散元法

离散元法原理十分简单。在应用时，它将所研究的边坡区域分成许多多边形块体单元，单元之间的位移关系及其所受的力都是可以自行设定的，这样可以预算出每一单元体也就是边坡是否达到平衡状态。离散元法虽然原理简单，但这一方法非常适用于非均匀介质边坡和变形比较大的边坡，并且其单元的划分也比较随意，没有特定的约束。

1.2.3无界元法

无界元法可以看做是有限元法的一种推广，它采用了一种特殊的形函数及位移插值函数，能够反映在无穷远处的边界条件。它有效解决了有限元法中计算范围和边界条件需要人为粗略估计确定的缺点，减少了分析计算量并提高了分析速度。目前，无界元法常常与有限元法相互配合使用。

2.ABAQuS在边坡稳定性分析中的应用

ABAQus是国际上最强的大型通用软件之一，这个软件能够很好地反映土的本构模型，且具有强大的接触面处理功能来模拟土的脱开以及滑移现象。在边坡稳定性分析中，ABAQus根据塑性应变的发展及塑性区的贯通情况作为评判边坡稳定性的依据，计算结果和极限平衡法相吻合。

强度折减法是有限元法中一种重要方法，其本质就是和的逐渐降低，然后某单元的强度不足以支撑荷载，这个单元将不能承受的应力传递到相邻的单元上，并导致相邻单元超负载。以此下去，最终形成一个连续的滑动面，边坡失稳。而在ABAQuS中，材料的参数是可以随温度或场变量变化的，所以ABAQus可以很容易地实现强度参数减少的过程。

3.结语

无论是传统分析方法还是数值分析方法，只要运用得当，都可以准确分析边坡稳定性。每种方法也有相应的特点，不同的分析目的和分析精度，也需要用相应不同的分析方法去计算。为了正确合理地对边坡稳定性进行分析，预测边坡稳定性的发展方向，在实际工程中选择合理的边坡稳定性分析方法显得非常重要。