基于正交設計的紅粘土邊坡穩定性參數敏感性分析

魏 微

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司，湖北 武漢 430000)

基于正交設計的紅粘土邊坡穩定性參數敏感性分析

魏 微

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司，湖北 武漢 430000)

以昆明地區典型紅粘土路塹邊坡為例，在常規正交試驗設計分析的基礎上，結合極限平衡法對坡比、重度、粘聚力、內摩擦角、坡頂荷載及其距離坡頂的水平距離六種因素對邊坡穩定性的影響進行敏感性分析，結果表明，紅粘土的抗剪強度參數對邊坡穩定性影響最大。

敏感性分析，正交試驗設計，邊坡穩定性，紅粘土

0 引言

邊坡穩定性研究是土力學中的一個經典領域。準確、可靠地評價邊坡的穩定性，對道路工程、鐵道工程以及民用建筑等眾多工程的建設具有重要的意義。然而，邊坡穩定性的影響因素眾多，且各因素復雜多變、存在相互作用性及不確定性[1-3]。面對眾多不確定因素，要準確的定量分析邊坡穩定性，并用于指導邊坡工程的設計與施工是不切實際的。因此，通過對邊坡穩定性影響因素進行靈敏度分析，獲得邊坡穩定性的主要影響因素，對于邊坡工程的設計與施工不僅是必要的，而且勢在必行[2]。

近年來，邊坡穩定影響因素敏感性分析是巖土工程界的熱點問題,各國專家學者對其進行了較深入的研究。從相關文獻可以看出，邊坡穩定性影響因素的敏感性分析方法主要有單因素分析法和多因素分析法兩大類。目前，廣泛采用的單因素分析法，沒有考慮多種因素的交叉和綜合作用，所以存在著明顯的局限性。而對多因素敏感性分析的研究,目前尚處于探討階段[3,4]。

鑒于上述，本文以昆明地區典型的紅粘土均質路塹邊坡為實例，在正交試驗分析方法的基礎上，采用極限平衡法對邊坡穩定性的影響因素進行了敏感性分析，進而獲得影響邊坡穩定性的主要因素和次要因素，從而為紅粘土地區邊坡的治理和設計提供依據。

1 邊坡穩定性計算模型

極限平衡法和有限單元法是兩種主要邊坡穩定性分析法[5]。極限平衡法已有70多年的發展歷史，在長期的使用和發展中已經積累了豐富經驗，由于其概念明確、計算方法簡單是目前許多邊坡穩定分析常用方法。其基本出發點是把土體作為一個剛體，在已知滑動面上對邊坡進行靜力平衡計算，從而求出邊坡穩定系數。鑒于此，本文利用極限平衡法對昆明典型紅粘土邊坡穩定性進行分析，得到不同參數下的邊坡穩定性的安全系數。

2 試驗指標和因素的選取

本文在設計正交實驗時選用邊坡的安全系數FS作為試驗指標。結合紅粘土邊坡實際特點，綜合考慮邊坡坡比、紅粘土重度、粘聚力、內摩擦角、荷載距坡頂距離、坡頂均布荷載等6種參數變化，對5 m高均質邊坡穩定性的影響，且不考慮各個因素間的交互作用。

3 因素水平的確定和正交表的設計

分別選取每個影響因素在實際設計參數中的上限、平均值以及其下限作為該因素的三個水平。正交試驗的因素水平編碼如表1所示。可選7因素正交表安排試驗。對于3水平6因素正交試驗，最少試驗次數為18次，記為L18(37)。正交試驗設計的結構矩陣如表2所示。

表1 正交試驗因素與水平

表2 正交試驗設計計算方案及結果

4 計算結果與分析

直觀分析法(極差分析方法)和方差分析法是分析正交試驗結果的兩種常用方法。本文主要運用直觀分析法對昆明地區典型紅粘土邊坡穩定性影響參數的敏感性進行了分析[5]。

(1)

其中，Rj反映了第j列因素的水平變動時，試驗指標的最大變動幅度。Rj越大，表明該因素水平的變化對試驗指標產生的影響越顯著，即敏感度越高[3-5]。極差最大的因素也就是影響邊坡穩定性最主要的因素，極差較小的因素為影響邊坡穩定性的較次要的因素。

依照上述理論，根據表2確定正交試驗方案，結合極限平衡法，對昆明典型的紅粘土路塹邊坡進行穩定性分析，各正交試驗方案下的計算結果如表2所示，各影響因素的極差分析結果如表3所示。

表3 試驗結果分析

從表3可以看出，按極差的大小對邊坡穩定性影響因素進行了敏感性排序，其結果為：土體的粘聚力>邊坡坡比>坡頂荷載>荷載距離坡頂水平距離>土體重度>土體內摩擦角。以上分析說明，土體粘聚力的變化對邊坡安全系數的影響最大，是影響紅粘土邊坡穩定性的主要因素。而紅粘土的重度和荷載距離坡頂的距離重要性較低,其取值的偏差對邊坡穩定安全系數的影響幅度不大。

圖1為基于表3的各影響因素趨勢分析圖。從圖中可見，邊坡的安全系數隨著邊坡坡比的減小、紅粘土粘聚力和內摩擦角的增大而顯著增大，隨著坡頂荷載和土體重度的增大而減小。

5 結語

1)針對昆明典型紅粘土邊坡穩定性參數敏感性，本文僅對6個相互無交互作用的參數敏感性進行了分析。實際工程中，影響邊坡穩定的因素往往超過6個，如地下水位和地震荷載等。仍可通過此方法的推廣對邊坡穩定性影響因素進行顯著性分析。

2)正交分析法可以彌補孤立試驗方法的不具有通用性的不足，是對邊坡進行多因素敏感分析的一種有效的試驗設計方法。近年來，隨著邊坡穩定性理論的不斷發展，邊坡穩定計算模型日趨完善，借助正交分析可得出更完備的分析結論，以便指導工程實踐。

3)根據分析結果，按極差的大小，對影響邊坡穩定性的多因素進行了敏感性排序，其由大到小的次序為：粘聚力、坡比、坡頂荷載、荷載距離坡頂水平距離、重度、內摩擦角。

[1] 靳曉兵,張玉成,楊光華,等.基于正交分析法的邊坡穩定影響因素敏感性分析[J].廣東水利水電,2011(7):20-23.

[2] 何本貴,高 謙,劉 芳.公路路塹邊坡穩定性影響因素正交分析與數值模擬[J].巖土工程學報,2005,27(6):716-719.

[3] 張旭輝,龔曉南,徐日慶.邊坡穩定影響因素敏感性的正交法計算分析[J].中國公路學報,2003,16(1):36-39.

[4] 王益萍,周榮超.基于正交試驗的邊坡穩定性參數敏感性分析[J].鹽城工學院學報(自然科學版),2007,20(4):67-69.

[5] 段永勝,王 宇,余宏明.基于正交設計和數值模擬的邊坡穩定敏感性研究[J].公路交通科技,2010(9):165-168.

Sensibility analysis of cut slope stability based on orthogonal experimental design in red clay regions

Wei Wei

(ChinaRailway4thSurveyandDesignGroupCo.,Ltd,Wuhan430000,China)

Taking the typical red clay slope in Kunming area as an example, based on conventional orthogonal design analysis, combining with the limit equilibrium method made sensibility analysis on the influence of slope rate, weight, cohesion, internal friction angle, slope top load and the horizontal distance to slope top six factors to stability results, the results showed that, the anti shear strength parameters of red clay had maximum effect to slope stability.

sensibility analysis, orthogonal design, slope stability, red clay

2015-03-10

魏 微(1980- )，女，工程師

1009-6825(2015)14-0077-02

U413.62

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