淺談邊坡穩(wěn)定性評價方法

符 紅

淺談邊坡穩(wěn)定性評價方法

符 紅

（重慶交通大學(xué) 重慶 400074）

本文對邊坡穩(wěn)定性分析方法進行了歸納，分析總結(jié)了各種極限平衡法及數(shù)值分析法，并簡單介紹了各種評價方法的優(yōu)缺點[1]。

邊坡穩(wěn)定性；極限平衡法；數(shù)值分析法

0 引言

近年來，隨著我國社會的不斷進步，經(jīng)濟的不斷發(fā)展，邊坡逐漸成為人們探討的熱點話題。邊坡分為自然邊坡和人工邊坡。在施工、運營中，邊坡的失穩(wěn)現(xiàn)象時有發(fā)生，這將會造成巨大的經(jīng)濟和人員損失，故對邊坡的穩(wěn)定性進行分析是十分必要的。在本文中，采用極限平衡法和數(shù)值分析法來對邊坡的穩(wěn)定性進行分析。

1 極限平衡分析法

如今，極限平衡分析法的應(yīng)用是最為普遍的，它的滑動面采取圓弧形。它評價邊坡穩(wěn)定是采取建立土體作用力與強度間平衡條件的方式來進行的。包括：瑞典條分法、畢肖普法、簡布法、薩爾瑪法、Spencer法、Morgenstern-Price法、楔體極限平衡法等。

1.1瑞典條分法

1916年，根據(jù)觀測，K.E.Pettersson提出了圓弧滑面分析法，此法不考慮土條間的相互作用。用此法對巖質(zhì)邊坡進行分析時, 只能分析均質(zhì)各向同性的巖體。

1.2畢肖普法

條分法是由Bishop在1955年提出的,它視滑動體為多個條塊，各自求出條塊的自重，將重力沿著平行于滑動面和垂直于滑動面的方向進行分解，力矩中心選取圓弧的圓心,以此來求出穩(wěn)定安全系數(shù)。

1.3 薩爾瑪法

“非垂直條分法”是由Sarma在1979年提出的，它具有簡單適用的特點，可用于分析任意形狀的滑動面，對影響邊坡穩(wěn)定性的影響因素采取多角度剖析解讀，采取反計算來分析巖體滑坡的穩(wěn)定性，求出粘聚力、內(nèi)摩察角等抗剪強度參數(shù)，計算下滑力。

1.4、Spencer法

Spencer法認為條間力傾角是常數(shù)，認為條塊間的作用力方向是一致的，條間作用力與水平線成一定的角度。按照力和力矩的平衡條件來求出角度和安全系數(shù)Fs，以此作為評判邊坡穩(wěn)定性的基礎(chǔ)。

1.5 Morgenstern-Price法

1965年，Price和Morgenstern認為對未知函數(shù)的假定是合理的，它忽略了條間力方向的變化，同時滿足力和力矩的平衡條件，可用于分析任意形狀滑裂面的穩(wěn)定性。Morgenstern-Price假定兩相鄰條塊的法向力和切向力存在一個函數(shù)關(guān)系,實則是假定條塊間力的方向會隨著水平坐標的變化而變化，再由力和力矩的平衡條件得出潛在滑移面上的法向力及安全系數(shù)。

1.6楔體極限平衡分析法

楔體極限平衡分析法主要用于分析巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性，尤其適用于不連續(xù)面的任意形狀的楔形體。

2 數(shù)值分析法

隨著計算機技術(shù)的越加先進及數(shù)學(xué)方法的不斷改進，邊坡穩(wěn)定性分析中已有了數(shù)值分析法。包括有限元（FEM）法、邊界元（BEM）法、無界元法、離散元（DEM）法、運動單元法、有限差分（FLAC）法、不連續(xù)變形分析法等。

2.1有限元（FEM）法

有限元法是同時滿足靜力平衡和應(yīng)變相容條件的邊坡穩(wěn)定性分析方法，是一種較為常用的數(shù)值方法。該法用來對邊坡進行二維或三維分析，可用于彈性、彈塑性、粘彈塑性、粘塑性、大變形、小變形問題以及非線性問題的求解。它不僅考慮了巖土體的非均勻性，還對巖土體的不連續(xù)性作了一定的考慮,得到應(yīng)力和應(yīng)變分布情況，能對土體和支護間的相互作用進行模擬，彌補了極限平衡分析法中將滑體視為剛體的缺點。但有限元法仍存在不足之處，如：對物理參數(shù)的選擇影響較大，不能完善地求解大變形和位移不連續(xù)等問題。

2.2邊界元（BEM）法

作為在70年代才發(fā)展起來的邊界元法,對輸入的數(shù)據(jù)要求不多。Cronch S L在1976年應(yīng)用此法來分析層狀巖體的開挖問題，不過只對研究區(qū)的邊界進行了離散化。該法比較適合用來解決無限域或半無限域的問題，不適于用來處理非線性及不均勻性的問題，也不能用于大變形的求解。因此，在對邊坡的穩(wěn)定性進行分析時,往往受到很嚴重的限制。

2.3無界元法

無界元法是由P Bettess在1977 年提出來的，并已得到廣泛應(yīng)用。被視為對有限元法進行進一步發(fā)展的它，常與有限元法聯(lián)合使用。通過采用一種具有特殊性質(zhì)的形函數(shù)及位移插值函數(shù)，它能反映無窮遠處的邊界條件。因此，它比有限元法更加有效，既減少了計算工作量，對計算精度和效率也有一定的提高。

2.4離散元（DEM）法

離散單元法是由P A Cundall在1970 年提出來的，適于巖土體穩(wěn)定性分析。它的特點是能對巖土體的非均質(zhì)、不連續(xù)和大變形等問題進行模擬計算。該法將研究區(qū)看作由許多個塊體單元組成，單元與單元之間是相互接觸的，通過建立力和位移關(guān)系，用迭代法來對每一塊體進行計算，計算時不考慮塊間的約束作用。用該法分析時的原理能用于非線性大位移和非連續(xù)介質(zhì)大變形問題的求解，特別適合用來分析巖質(zhì)邊坡的變形破壞。

2.5運動單元法

80年代，Peter Gussmann提出了以莫爾-庫侖為基本準則的數(shù)值分析法--運動單元法,它認為穩(wěn)定系數(shù)在最危險塑性區(qū)處最小。對某一特定邊坡而言,它首先假定一個塑性區(qū)，且該塑性區(qū)滿足莫爾-庫侖準則，并最終得到最不利滑動面。有有限組塑性滑移線或塑性滑移面存在于該塑性區(qū)內(nèi),它們將塑性區(qū)看作由一個個單元構(gòu)成，在約束條件和邊界條件下，通過采取自動搜索的方式來得到最小安全系數(shù)，以此得到最不利滑動面。

2.6有限差分（FLAC）法

FLAC法是以有限差分為依據(jù)，是用來分析巖土類邊坡的穩(wěn)定。它認為計算域是由許多個二維單元組成，并認為這些二維單元是由節(jié)點將其連接起來的。采取FLAC法進行邊坡的穩(wěn)定性分析時，最后得到的是各二維單元的應(yīng)力圖和應(yīng)變圖。相較于有限元法，此方法更能表征出土體的不連續(xù)性和大變形的特點，但它在邊界計算及網(wǎng)格劃分時不嚴格。馬樂[2]（2011）采用理論分析和數(shù)值模擬方法，用FLAC軟件來模擬邊坡在自然狀態(tài)下的穩(wěn)定性。馬萃林[3]等將靜力條件和滲流狀況納入考慮的范圍，通過用FLAC軟件來模擬3個典型剖面的邊坡，來獲得這三個剖面的穩(wěn)定系數(shù)。

2.7 其他數(shù)值分析方法

除以上方法外，還有其他一些分析邊坡穩(wěn)定性的方法，如：不連續(xù)變形分析法、流形元法、灰色系統(tǒng)理論、隨機理論、滲流分析等，這些新理論、新方法使得邊坡穩(wěn)定性分析方法朝著更新的方向發(fā)展。

3 結(jié)語

綜上所述,關(guān)于評價邊坡穩(wěn)定性方法的研究很多，通過對這些穩(wěn)定性評價方法進行總結(jié)后，可知在用數(shù)值分析法分析邊坡穩(wěn)定時，對模型的建立及參數(shù)的選取均作了一定簡化，以至于不能使結(jié)果滿足精度和經(jīng)濟的要求。應(yīng)注重對未失穩(wěn)邊坡的穩(wěn)定性進行研究，以達到優(yōu)化邊坡加固的目的。除此外，還應(yīng)結(jié)合多個學(xué)科來對邊坡的穩(wěn)定性進行研究，以彌補用單一學(xué)科進行分析時存在的不足。

[1]劉子振. 邊坡穩(wěn)定性極限平衡法和有限元法綜合分析[D].中南林業(yè)科技大學(xué),2007

[2]馬樂.邊坡穩(wěn)定性數(shù)值模擬及錨索加固的研究[D].遼寧工程技術(shù)大學(xué),2012

[3]馬萃林，朱明.有限差分法FLAC在邊坡穩(wěn)定性分析中的應(yīng)用[J].中國礦業(yè)工程，2008,37（5）：19-22

符 紅（1993-），女，重慶璧山人，碩士研究生，研究方向：交通運輸工程。

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