淺談邊坡穩(wěn)定性的影響因素及其分析方法

摘要:本文對邊坡穩(wěn)定性的影響因素進行了總結(jié)，介紹了邊坡穩(wěn)定性分析的常用方法，并闡述了各自的原理及特點。

關(guān)鍵詞:邊坡穩(wěn)定性 影響因素 分析方法

0 引言

在道路橋梁工程、礦山建設(shè)工程、建筑工程、水利工程等眾多工程領(lǐng)域中，邊坡穩(wěn)定性問題一直是影響工程質(zhì)量的一項重要指標(biāo)。近年來，隨著我國大力發(fā)展基礎(chǔ)建設(shè)的步伐，邊坡穩(wěn)定性問題成為了巖土邊坡的一個重要研究內(nèi)容。

1 邊坡穩(wěn)定性及其重要性的概述

1.1 邊坡穩(wěn)定性的概念 邊坡穩(wěn)定性是指在各類工程結(jié)構(gòu)實體中，邊坡受到對工程可靠度、安全度以及經(jīng)濟效益能產(chǎn)生的影響因素下，其穩(wěn)定發(fā)生的相應(yīng)變化。工程結(jié)構(gòu)實體由于表面傾斜，在自身重量及其它外力共同作用下，整個實體結(jié)構(gòu)都有從上向下滑動的趨勢，如果實體結(jié)構(gòu)體內(nèi)部某一面上的滑動力超過結(jié)構(gòu)實體抵抗滑動的能力，就會發(fā)生滑坡。

1.2 邊坡穩(wěn)定性的重要性 在道路橋梁工程、礦山建設(shè)工程、建筑工程、水利工程等眾多工程領(lǐng)域中，均存在大量的邊坡，其穩(wěn)定性將對工程都有重大的影響。在三大自然災(zāi)害中，滑坡災(zāi)害同樣嚴(yán)重地危及到國家財產(chǎn)和人們生命的安全，所以對工程實體的邊坡進行穩(wěn)定性分析研究是十分重要的。通過對邊坡穩(wěn)定性進行分析評價，提出合理的防治措施，將會大大避免滑坡等自然災(zāi)害造成的損失。

2 邊坡穩(wěn)定性的影響因素

邊坡穩(wěn)定性的影響因素主要分為內(nèi)在因素和外在因素。內(nèi)在因素主要包括:邊坡自身的結(jié)構(gòu)特征以及受到水的作用;外在因素主要是自然力量和人為力量，包括人類活動、氣候季節(jié)條件的變化以及振動產(chǎn)生的力等影響因素。

2.1 內(nèi)在因素 一個或多個結(jié)構(gòu)面組合邊界的剪切滑移、張拉破裂和錯動變形是造成邊坡失穩(wěn)的主要原因。因此，若要使整個結(jié)構(gòu)的邊坡穩(wěn)定，必須做好的即是:在其自身結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響因素中，結(jié)構(gòu)面是被認(rèn)為是最重要的。由于結(jié)構(gòu)體的結(jié)構(gòu)面強度低于與其接觸的土體或巖石面的強度，所以導(dǎo)致滑坡的隱患，如若不能很好的處理，將會使得邊坡失穩(wěn)，最終導(dǎo)致工程的損害。大量的研究表明，如若能很好的處理結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)狀和抗剪強度，使得結(jié)構(gòu)面與其接觸的土體或巖石面存在潛在滑動面的可能性，這樣可以使得結(jié)構(gòu)體的邊坡穩(wěn)定。結(jié)構(gòu)面的抗剪強度同時也受著結(jié)構(gòu)面表面性質(zhì)及充填物特征等的影響。

水在巖石土體中的作用主要表現(xiàn):

2.1.1 水的物理作用。包括潤滑作用、軟化和泥化作用、結(jié)合水的強化作用;

2.1.2 水的化學(xué)作用。包括離子交換作用、溶解作用、水化作用、水解作用、溶蝕作用、氧化還原作用、沉淀作用以及滲透作用;

2.1.3 水的力學(xué)效應(yīng)。包括孔隙靜水壓力和孔隙動水壓力作用。

水的流動性及活躍性，使得其對邊坡穩(wěn)定性的影響極其重要。水通過上述三種作用的作用，在巖石土體的變形過程，加速了巖石土體的變形與破壞。如若不能很好的解決水對巖石土體的影響，其將會最終導(dǎo)致結(jié)構(gòu)實體的邊坡失穩(wěn)。

2.2 外在因素

在邊坡穩(wěn)定性的影響因素中，外在因素至關(guān)重要。對于一個工程實體，從建設(shè)完成后，主要受到的影響即是外在的因素。

人類的活動對邊坡穩(wěn)定性的影響是隨著社會的發(fā)展而越來越大，大量的工業(yè)，民用等建筑的建設(shè)，改變了結(jié)構(gòu)實體邊坡的形狀、高度和坡度等。邊坡越高、邊坡的坡度越大其容易失穩(wěn)。在公路工程中，對路塹或基坑開挖、路堤填筑或坡頂?shù)亩演d等都會影響邊坡的穩(wěn)定性。

氣候季節(jié)條件的變化也會對工程實體的邊坡穩(wěn)定性產(chǎn)生很大影響。其中邊坡穩(wěn)定性會隨著溫差變化、降雨雪及凍融等因素的強度的變化而變化。季節(jié)變化導(dǎo)致的強降雨雪、冰凍將會影起水位的上升，將會產(chǎn)生邊坡不穩(wěn)定的趨勢。

地震引起的地震力和爆破及機器運轉(zhuǎn)等引起的振動力同樣會對結(jié)構(gòu)實體的邊坡穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。地震可以使得邊坡巖石土體結(jié)構(gòu)的松動和孔隙水壓力的增加，或使得處于臨界狀態(tài)的邊坡瞬間不穩(wěn)定。

3 邊坡穩(wěn)定性分析常用方法

邊坡穩(wěn)定性的常用方法大致可以分為兩在類:定性分析方法和定量分析方法。這兩種方法分析的角度不同，定性較為全面的考慮到邊坡的穩(wěn)定性影響因素，而定量分析方法則可以利用科學(xué)計算判斷邊坡的穩(wěn)定性。

3.1 定性分析方法 定性分析方法是一種定性的分析方法。通過工程地質(zhì)勘察，對影響邊坡穩(wěn)定性的主要因素、可能的變形破壞方式及失穩(wěn)機制進行分析，評價出所檢測邊坡穩(wěn)定性現(xiàn)狀及其可能的發(fā)展趨勢等。

自然歷史分析法是通過對所檢測區(qū)域的自然歷史狀況結(jié)合現(xiàn)在的破壞跡象作出綜合評價和預(yù)測，從而得出邊坡穩(wěn)定性的總和評價。

工程類比法是通過結(jié)合自身工程結(jié)構(gòu)實體的現(xiàn)狀以及地質(zhì)環(huán)境等，和與此具有同等或相似的地質(zhì)環(huán)境的結(jié)構(gòu)實體進行對比歸類，而得出的邊坡穩(wěn)定性綜合評價。由此方法得到的穩(wěn)定性分析結(jié)果具有較大的工程可實踐性，是現(xiàn)在利用的比較廣泛的邊坡穩(wěn)定性分析方法。

3.2 定量分析法 極限平衡法是根據(jù)邊坡上的滑體或滑體分塊的力學(xué)平衡原理(即靜力平衡原理)分析邊坡各種破壞模式下的受力狀態(tài)，以及邊坡上的抗滑力和下滑力之間的關(guān)系來評價邊坡的穩(wěn)定性。其基本原理是:設(shè)邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)為F，則當(dāng)邊坡土體材料的抗剪參數(shù)(摩擦因素tan 和粘結(jié)力c)降低F倍后，邊坡內(nèi)某一最危險滑面上的滑體將瀕于失穩(wěn)的極限平衡狀態(tài)。在極限平衡分析中需要假定滑裂面，如果滑裂面為任意形狀，則為了確定沿滑裂面的應(yīng)力分布，需要將滑動土體分成若干垂直土條，通過分析作用于土條上的力來建立平衡方程，此及條分法。

數(shù)值分析法是利用計算方法求出邊坡的應(yīng)力分布和變形情況，研究巖體中應(yīng)力和應(yīng)變的變化過程，求得各點上的局部穩(wěn)定系數(shù)，由此判斷邊坡的穩(wěn)定性。

3.2.1 有限單元法(FEM) 有限單元法(FEM)是目前應(yīng)用最廣泛的數(shù)值分析方法。該方法最早應(yīng)用在邊坡巖石土體的穩(wěn)定性分析中。也是目前最廣泛使用的一種數(shù)值分析方法。有限單元法(FEM)的基本思想是將一個連續(xù)體離散化，變換成有限數(shù)量的有限大的單元集合，這些單元之間只通過結(jié)點來連接和制約，用變換后的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)代替實際的系統(tǒng)采用標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)分析來進行處理。有限單元法(FEM)的缺點是不能很好地求解大變形和位移不連續(xù)等問題，對于無限域、應(yīng)力集中問題等的求解不甚理想。

3.2.2 邊界單元法(BEM) 邊界單元法(BEM)是70年代發(fā)展起來的一種數(shù)值方法，其只需對研究區(qū)的邊界進行離散化，具有輸入數(shù)據(jù)少的特點。計算精度較高，在處理無限域方面有明顯的優(yōu)勢。邊界單元法(BEM)的缺點是處理材料的非線性、不均勻性、模擬分步開挖等方面較弱，不能求解大變形問題。

邊坡穩(wěn)定性分析方法比較多。近年來，隨著技術(shù)的發(fā)展，又產(chǎn)生了一些新的邊坡穩(wěn)定性分析方法，如可靠性分析法、模糊分級評判法、系統(tǒng)工程地質(zhì)分析法、灰色系統(tǒng)理論分析法等。在此，作者不再一一介紹。

4 結(jié)語

邊坡穩(wěn)定性的影響因素較多，影響的方式也是多種多樣。這就要求我們要分清類別，對癥下藥。不同的邊坡穩(wěn)定性分析方法有個自的特點以及適用范圍，如何根據(jù)地質(zhì)條件環(huán)境適當(dāng)?shù)倪x取分析方法將是新的研究方向。

參考文獻:

[1]吳春秋.非線性有限單元法在土體穩(wěn)定分析中的理論及應(yīng)用研究(D).武漢大學(xué)博士學(xué)位論文，2004.

[2]王庚蓀.邊坡的漸進破壞及穩(wěn)定性分析(J).巖石力學(xué)與工程報.2000.19(1).

[3]崔政權(quán).新灘邊坡穩(wěn)定性系統(tǒng)工程地質(zhì)學(xué)分析方法初探(J).巖石力學(xué)與工程學(xué)報.1986.5(3):3.24.

[4]錢家歡，殷宗澤.土工原理與計算(M).北京:中國水利水電出版社.1996.