基于层次分析法的边坡安全稳定性评价研究

查 俊

（广西交通设计集团有限公司，广西 南宁 530012）

众所周知，边坡滑坡给我们生存的世界造成了巨大的破坏，但由于其复杂多样性，科学界至今还没有弄清边坡失稳的形成机理和触发条件。将滑坡系统环境、边坡滑坡系统行为、边坡外部扰动等作为定性评价边坡稳定的主要影响因素，分析确定影响边坡安全稳定的主要因素，控制影响边坡稳定性的主要因素，从而确保边坡在运行过程中的安全稳定。

1 边坡稳定性判定因素

1.1 自然环境因素

（1）大气环境，滑坡系统大气环境是指由太阳辐射引起空气的温度、湿度、风速、气压和降水等。滑坡系统对大气环境普遍比较敏感。（2）水环境，水环境是指滑坡系统的地表水和地下水环境。（3）生物环境，生物环境是指滑坡系统所处的植被环境、人工环境。植被破坏和人类活动有时是一些特殊滑坡的主要原因。（4）地质环境，滑坡系统所处的地质构造、地层岩性、地形地貌及已有的不良地质作用情况。

1.2 边坡裂缝因素

滑坡系统要素中的关键要素膨胀弃土在内部条件和外部作用下产生裂缝。内部条件是土体的力学性质，如抗拉抗压抗剪强度等；外界作用包括直接作用（如加载）和间接作用（如风化、胀缩、温差、渗流、沉降差）。直接作用下土体产生承载受力裂缝，主要有压拉裂缝、压剪裂缝两种形式。间接作用下土体产生风化裂缝、胀缩裂缝、温差裂缝、沉降裂缝。裂缝信息，可对其受到的应力状态进行反分析，从而确定滑坡系统的各种行为，比如拉张、剪切、胀缩、滑动等。

1.2.1 压拉裂缝

在外荷载及重力共同作用下，坡面上部土体受拉，下部受压，当弯矩大于土体内部强度，先后会在坡面土体产生多道弯拉裂缝，最大裂缝一般位于最大弯矩处；裂缝一般呈楔形，垂直主拉应力迹线，一般不贯穿截面。这与拉张裂缝J1、J2 现场调查结果一致。根据开裂弯矩公式，以现场调查出裂缝的长度、张开宽度、楔形体深度可以对滑体的开裂应力进行反分析。

1.2.2 剪切裂缝

土体产生剪切破坏，裂缝方向与荷载作用往往呈一定夹角，剪切裂缝为非表面裂缝，一般是贯通性裂缝，平直、光滑状，有擦痕。这与裂缝J3 现场调查结果一致。根据剪应力破坏公式，可以对滑坡破坏时的剪切应力值进行反分析。

1.2.3 胀缩裂缝

胀缩裂缝经过多次胀缩循环，最终形成可见胀缩裂缝，并在土体表面呈龟裂状发展，往土体内部延展深度不大。

1.2.4 温差裂缝

受热胀冷缩影响，温差裂缝与所处的土体位置、暴露时间、温度变化和气候特点等因素有关。

1.2.5 沉降裂缝

滑坡系统结构组成本身的不均匀性及所受荷载的不对称，使得滑坡系统在荷载作用下产生强迫性的不均匀位移，从而产生沉降裂缝。目前对这种复杂的沉降关系与应力状态研究较少。

1.3 边坡外部扰动因素

1.3.1 挖方施工

施工顺序一般为清表-开挖便道-从上到下逐层挖方-工程防护。清表时破坏了坡面保护层，边坡土体直接受到外部环境中的风、水流和温差作用，因此最先产生的是风化裂缝、胀缩裂缝和温差裂缝等间接裂缝。边坡最上一级剖面开挖出来后，间接裂缝加剧发展。

1.3.2 填方施工

填方边坡不断加载，裂缝在边坡上坡脚、坡顶与临空面相交处、坡面形状突变集中，这些部位受到其他的荷载作用或是力学强度降低时易产生破坏。本滑坡受坡顶填土荷载影响，对临空面土体产生挤压作用，土体在推力作用下不断产生裂缝，当水平推力大于土体抗拉强度，滑体产生整体下挫滑动。

1.3.3 其他扰动因素

边坡在服役期间，影响边坡使用性能的其他扰动因素包括：车辆撞击荷载对边坡坡脚造成的扰动，强降雨对边坡的坡表面造成的冲刷，地震荷载对边坡造成的瞬时强扰动等。

2 层次分析法的评价体系与指标权重确定

2.1 边坡稳定性评价体系制定

边坡稳定性层次分析法评价体系主要包括目标层、准则层和指标层，将边坡安全稳定性作为层次分析法评价体系的目标层，将边坡所处的自然环境、边坡现阶段存在的裂缝、边坡受到外部扰动因素等作为准则层，对准则层再进行细化指标作为边坡稳定性影响因素的指标层，具体的边坡稳定性安全评价体系如图1 所示。

图1 边坡稳定性安全评价体系

根据图1 边坡稳定性安全评价体系可知，评价体系的影响因素集合X={X1，X2，X3}，X1={x11，x12，x13，x14}，X2={x21，x22，x23，x24，x25}，X3={x31，x32，x33}，其中目标层X为边坡；Xi为准则层，X1为边坡所处的自然环境，X2为边坡现阶段存在的裂缝，X3为边坡受到外部扰动因素；xij为指标层，x11~x33分别为图1 中的边坡稳定影响指标因素。

2.2 确定风险权重

为分析边坡在服役过程中的安全稳定性，需确定边坡安全稳定的各个评价指标的权重，各个评价指标的权重大小可以根据层次分析法进行确定，列出边坡安全稳定的判断矩阵，并计算边坡安全稳定判断矩阵的特征值，以及对各个评价指标影响因素的权重进行排序，分析步骤如下。

（1）边坡安全稳定评价指标在评分过程中，需要将边坡安全稳定的同一准则层的评价指标进行两两比较并进行评分赋值，评分分值见表1。

表1 边坡安全稳定影响因素的分值赋值表

（2）根据评价指标的评分结果确定判断矩阵，并根据计算几何平均公式计算判断矩阵每行元素的几何平均值，具体的几何平均计算公式如式（1）所示。

（3）将计算得出判断矩阵每行元素的几何平均值利用归一化公式（2）进行归一化处理，具体的公式如式（2）所示。

（4）计算判断矩阵的最大特征值λmax，最大特征值的计算公式如式（3）所示。

式中：（Aω）i为向量nωi的第i个元素。

（5）计算一致性检验数CI的计算对计算结果的一致性进行检验，一致性检验公式如式（4）所示，CI与RI值（表2）进行对比相除，如式（5）所示，其值与0.1 进行对比，若小于0.1 则一致性较好，若大于0.1 则一致性较差；

表2 判断矩阵的RI 值

式中：n为阶数，CI值越大，判断矩阵的一致性越差，反之CI值越小，判断矩阵的一致性越好。

（6）当矩阵满足一致性要求时，可以把ω 作为各个评价影响因素的权重。

根据边坡安全稳定影响因素的权重和矩阵一致性的计算结果，进行判定影响边坡安全的主要因素。

3 边坡安全影响主次因素定性分析

根据表1 与公式（1）至公式（5）对影响边坡安全稳定的因素进行计算、排序和评价，并确定各个生产质量影响因素的权重，见表3。

表3 以边坡安全稳定的外部扰动因素作为判断矩阵和权重

将矩阵的列向量进行归一正规化，得到列正规化的判断矩阵：

将矩阵（6）按行进行相加，计算结果作为一个向量（1.90，0.78，0.32），对该向量进行正规化处理得到特征向量（0.63，0.26，0.11），计算判断矩阵最大特征值。

所以最大特征值：λmax=3.04。

一致性指标和一致性比例：CI=0.019。

综上所述，边坡在服役阶段中，影响边坡安全稳定的最大影响因素为边坡所处的自然因素，其权重为0.63；其次为边坡现阶段含有的裂缝，其权重为0.260；影响最小的准则层为边坡受到外界扰动，权重为0.106。

同理可得，边坡安全稳定指标层影响因素的评价指标权重的大小。具体见表4-表6。

表4 以边坡所处环境为指标的判断矩阵和权重

表5 以边坡现阶段裂缝为指标的判断矩阵和权重

表6 以边坡受到外部扰动因素的判断矩阵和权重

将表4-表6 评价指标的权重与表3 的准则层因素的权重相乘，从而确定各个评价指标的权重大小，评价指标综合权重计算结果见表7。

表7 边坡安全稳定影响因素的综合权重

由表7可知，边坡在服役过程中影响其安全稳定性较大的因素依次为边坡所处的地质环境、边坡所处的水环境、边坡存在的拉压裂缝、边坡所处的生物环境，边坡受到挖方施工处理等，所以边坡在服役过程中，为确保边坡安全稳定应该主要控制上述主要影响因素。

4 结论

边坡属于公路工程中重要的构造物，其安全稳定性严重影响公路工程的正常运行，尤其边坡失稳会对生命安全和财产安全造成巨大的威胁。为此提出边坡安全稳定性评价指标，从定性的角度分析，控制边坡安全稳定主要因素，从而确保公路工程运行安全。