淺談邊坡穩定性分析方法

蔣霄　陳藝軍　張濟韜

[摘要]列舉了目前邊坡穩定性分析中所采用的方法，簡要闡述了地質地貌條件類比法、圖解法、極限平衡分析法等傳統分析方法和有限元法、離散元法、無界元法等數值分析方法的原理，分析了這些方法的優缺點，最后簡要說明了ABAQUS軟件在邊坡穩定性分析中的應用。為正確認識邊坡穩定性、合理設計和治理邊坡、降低邊坡失穩災害帶來的損失提供依據。

[關鍵詞]邊坡；穩定性；分析方法

文章編號：2095-4085（2016）05-0028-02

邊坡失穩是一種常見且危害嚴重的自然災害，會對人類的生命和財產問題產生嚴重的威脅和破壞。因此，邊坡穩定性問題一直是工程設計需要專項研究的課題，在地下工程、建筑工程、道路工程、水利工程等眾多工程中，都需要對邊坡工程進行穩定性分析。通過運用正確的邊坡穩定性分析方法對工程中的邊坡進行分析，采取正確的措施對邊坡進行加固，可以有效降低邊坡失穩對人類造成的危害。

目前邊坡穩定性分析方法主要分為兩類：一種為傳統分析方法，以極限平衡分析法最為典型，這種方法以安全系數來判別邊坡穩定性，原理簡單，應用最廣；另一種為有限元法，強度折減法的出現讓有限元法可以直接得到一個安全系數，增大了有限元法測量的準確度，應用也越來越廣。

1.邊坡穩定性分析方法

1.1傳統分析方法

1.1.1地質地貌條件類比法

地質條件類比法屬于定性分析。在地質條件復雜且難以獲得地質條件準確數據的地區或者在勘測工作初期階段缺乏資料時，都常使用工程地質類比法對邊坡穩定性進行分析，并作出相應的定性評價，該方法主要是通過工程地質勘察的方法，首先對于工程地質條件進行分析，如對容易勘察的邊坡地層巖性、地質構造、地形地貌等因素進行綜合調查、分類，對已存在的已破壞情況進行廣泛調查研究，并了解其破壞因素、過程規律等，并憑此建立典型的邊坡地質模型以供以后參考。因此，這種方法的優點在于數據來源全部為實際的邊坡或邊坡破壞，缺點是需要具備豐富的實踐經驗并且通曉典型邊坡地質模型性質的專業地質工作者，才能運用好此種方法。

1.1.2圖解法

圖解法是考慮邊坡的各種因素，并根據相應的公式和經驗制成圖表，使得邊坡設計計算和邊坡穩定性分析變得簡單、方便，其只需查相應的圖表即可。圖解法分為諾模圖法和赤平投影圖法，諾模圖法利用諾模圖來表征與邊坡有關參數之間的定量關系，從而求出邊坡穩定性系數、穩定坡角和極限坡高，主要應用于具有圓弧性破壞面的滑坡；赤平投影圖法是利用赤平投影的原理，通過作圖直觀地反映出邊坡破壞的邊界，確定失穩巖土體的規模形態及其可能變形滑動的方向等，從而對邊坡穩定程度作出初步分析，并為力學計算提供基礎，其主要用于巖質邊坡的穩定性分析。圖解法相對于類比法在實際工程中更加常用，其優點是簡單、直觀、快速；缺點是帶有一定的經驗性和概念性。

1.1.3極限平衡分析法

極限平衡分析方法是目得到最廣泛應用的一種方法，也是目前最經典、最完善的分析方法。目前高校《土力學》的教學中，主要介紹的也是極限平衡分析法中的幾種條分法。這種方法需要假設若干個滿足摩爾一庫倫準則的滑動面，分別求出它們的抗滑安全系數并從中找出最小值，以此來代表該邊坡的穩定安全系數，與此對應的滑動面就是最危險最可能滑動的滑動面。此外，在假定了滑動面之后，一般采用條分法對邊坡穩定性進行分析。常用的條分法有瑞典條分法、簡化畢肖普條分法、楊布條分法。其中瑞典條分法假設滑動面為圓弧面且不考慮條間力；簡化畢肖普條分法假設滑動面為圓弧面，切向條間力為0；楊布條分法假設滑動面為任意面，條件法向作用力的作用點在畫面以上三分之一土條高度處。條分法除以上外還有不平衡推理法，Morgen.stem-NR法及priceVE法。條分法模型簡單、計算簡捷，能基本精確分析邊坡穩定性。但是條分法需要大概知道滑動面的大概位置，因此對于不均質巖坡等難以假定滑動面的情況，條分法存在很大的隨機性。

1.2數值分析方法

1.2.1有限元法

如前文所述，極限平衡分析法不適用于不均質巖坡，其計算得不到準確結果；有限元法則很好的彌補了這一缺點，這一方法既考慮了靜力平衡條件，又考慮了巖坡的非均質性，其幾乎適用于所有的計算領域，同時在邊坡穩定性數值分析中應用廣泛。它的優點在于不需要人為對滑動面進行假設，也不需要人為的進行條分，并且充分考慮了土的應力應變關系，特別是非線性彈塑性對邊坡穩定性的影響。但是目前的實際工程應用中仍沒有極限平衡分析法多，原因在于有限元法采用的參數不是現場工程中的參數，其計算范圍和邊界條件需要人為假設，所以其計算出來的數據與實際仍存在一定差距，而且，其判斷失穩的標準未得到統一。

1.2.2離散元法

離散元法原理十分簡單。在應用時，它將所研究的邊坡區域分成許多多邊形塊體單元，單元之間的位移關系及其所受的力都是可以自行設定的，這樣可以預算出每一單元體也就是邊坡是否達到平衡狀態。離散元法雖然原理簡單，但這一方法非常適用于非均勻介質邊坡和變形比較大的邊坡，并且其單元的劃分也比較隨意，沒有特定的約束。

1.2.3無界元法

無界元法可以看做是有限元法的一種推廣，它采用了一種特殊的形函數及位移插值函數，能夠反映在無窮遠處的邊界條件。它有效解決了有限元法中計算范圍和邊界條件需要人為粗略估計確定的缺點，減少了分析計算量并提高了分析速度。目前，無界元法常常與有限元法相互配合使用。

2.ABAQuS在邊坡穩定性分析中的應用

ABAQus是國際上最強的大型通用軟件之一，這個軟件能夠很好地反映土的本構模型，且具有強大的接觸面處理功能來模擬土的脫開以及滑移現象。在邊坡穩定性分析中，ABAQus根據塑性應變的發展及塑性區的貫通情況作為評判邊坡穩定性的依據，計算結果和極限平衡法相吻合。

強度折減法是有限元法中一種重要方法，其本質就是和的逐漸降低，然后某單元的強度不足以支撐荷載，這個單元將不能承受的應力傳遞到相鄰的單元上，并導致相鄰單元超負載。以此下去，最終形成一個連續的滑動面，邊坡失穩。而在ABAQuS中，材料的參數是可以隨溫度或場變量變化的，所以ABAQus可以很容易地實現強度參數減少的過程。

3.結語

無論是傳統分析方法還是數值分析方法，只要運用得當，都可以準確分析邊坡穩定性。每種方法也有相應的特點，不同的分析目的和分析精度，也需要用相應不同的分析方法去計算。為了正確合理地對邊坡穩定性進行分析，預測邊坡穩定性的發展方向，在實際工程中選擇合理的邊坡穩定性分析方法顯得非常重要。