關于土質邊坡穩定性分析方法的研究

方 芳

(重慶交通大學 重慶 400074)

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關于土質邊坡穩定性分析方法的研究

方 芳

(重慶交通大學 重慶 400074)

在經典的土力學問題中，土邊坡穩定性分析是一個重大的課題。本文總結了土邊坡穩定性分析主要方法的原理、異同點、優缺點以及其假設條件。同時，總結了邊坡穩定性分析研究中出現的新理論新方法，它們與傳統方法互補互益，為更好地分析邊坡穩定性問題提供理論支持。

邊坡；穩定性；分析方法；綜述

一、前言

土坡的穩定性分析是巖土工程或土木工程的重要研究課題之一，其分析評價結果的好壞直接決定了工程實際的成敗，故而一直是學者們試圖解決但一直無法圓滿解決的問題。傳統分析法主要有：極限平衡法,極限分析法，滑移線場法等。但目前在工程實際中，得到普遍使用的還是極限平衡法，但此法需要假設或已知最危險滑動面的位置和坡面的斷面形狀。隨著研究的進一步深入開展，許多學者將一些交叉學科也應用到土坡穩定性分析之中。如：模糊數學、遺傳學、人工神經網絡、灰色理論、蟻群算法、突變理論、分形理論、混沌等。

二、土坡穩定性分析的常用方法

1.極限平衡法

極限平衡法[1]是處理邊坡穩定性問題時最常用、最普遍的一種方法。在邊坡處于臨近破壞狀態，通過滑動面以上土體自身的抗滑力應與外部的滑動力之間相互平衡的條件，可得到土體在自重和外力作用下的邊坡穩定程度，此時的穩定程度即土坡的安全性系數F。

進行極限平衡分析時，常將滑動的土體劃分為若干個的垂直土條，這樣的分析方法被稱為條分法。條分法它假定邊坡內存在潛在的滑動面，在這一滑動面上，處處達到了極限平衡狀態。在過去的近百年里，根據不同的假設條件提出了不同的極限平衡計算方法。最早是由瑞典的賀爾汀和彼得森提出的瑞典條分法，它忽略了土條兩側的作用力，假設滑動面為圓柱面。目前常用的分條法還有簡化畢肖普法、簡化楊布法、spencer法和Morgenstern-Price法等。各自的假設條件見表1。

表1 常用分條法的簡化假設

極限平衡法具有模型與計算公式簡單、能適應各種復雜的斷面幾何形狀和土質以及孔隙水壓力、能考慮多種加載形式等優點。但極限平衡理論假定土體為剛體，忽略了土體自身的應力-應變關系，也無法分析邊坡變形對邊坡穩定造成的影響。

2.有限元法

在20世紀60年代起，隨著計算機軟件的發展，有限元單元法[2]開始應用于邊坡穩定性的研究分析。它通過建立邊坡各離散單元的幾何方程、物理方程和平衡方程來計算土坡彈性、彈塑性、粘彈塑性以及非線性等問題，可以得到各單元的應力、應變、位移以及屈服破壞時的狀況。它將土體自身的應力-應變關系和土體自身變形情況考慮到了土坡穩定性計算中去。

近些年來，有限元的強度折減法[3]備受重視。其基本原理是將土體的粘聚力、內摩擦角同時除以一個折減系數Ftrial，得到一組新的粘聚力和內摩擦角值，并將其代入有限元進行試算。若試算正好能收斂，且Ftrial再增大一點(數量級一般為10-3)計算就不收斂，這時的Ftrial就被定義為坡體的最小安全系數，而此時的土體達到了臨界狀態發生剪切破壞。

基于強度折減法的有限元計算邊坡整體穩定失穩的標志，就是在滑動面上節點的塑性應變或者位移出現突變時。而塑性區由坡腳貫通到坡頂并不代表邊坡就發生了整體破壞，這只是發生邊坡整體破壞的必要條件。塑性區貫通后仍需要考察塑性應變是否具有繼續發展的邊界條件。

三、土坡穩定性分析的新思路、新方法

1.可靠度方法

傳統邊坡穩定性分析中使用的是“確定性的”方法，即是基于安全系數的一種定值分析方法[4]。但是由大量試驗和實際工程表明，在邊坡穩定性計算中的許多參數都具有一定的隨機性，如土體的力學參數、孔隙水壓力以及荷載等。當這些因素具有了較大的隨機變異性時，若依舊使用“確定性的”分析方法時就可能會給計算結果引入誤差。甚至在邊坡穩定性計算時，當安全系數小于1，邊坡依然未破壞的情況。基于概率論與數理統計的可靠度分析方法，可以考慮到影響邊坡穩定性的各種變量隨機特征及分布規律。將可靠度理論應用于工程實際還需要在兩方面進行研究：同邊坡穩定性有關的隨機統計分析；邊坡穩定的可靠性分析方法研究。目前，有許多學者研究相關的隨機性統計。

2.模糊數學法

邊坡的土體本身是客觀存在的，不具有模糊性，但由于人們沒能完全也不可能完全的掌握其規律和性質，只能用定性或半定量的描述，故而對邊坡的認識是模糊的[5]。為此，將模糊數學的理論引入了邊坡穩定性分析。模糊數學分析邊坡穩定性問題的主要方法：模糊綜合判定法、模糊聚類、模糊參數非概率穩定性分析以及與可靠度相結合的模糊隨機理論等。

3.遺傳算法

遺傳算法[6]是通過模擬達爾文的遺傳選擇和自然淘汰的生物進化過程的來建立模型，借助復制、雜交、變異等過程，不斷進行迭代，在經由多次的迭代后，群體中的最優值逐次逼近最優解，直至最終達到了全局最優。它是一類隨機算法。遺傳算法步驟為選擇、交叉和變異。用遺傳算法求解問題時，首先針對問題的模型結構及參數進行編碼，通常用字符串來表達，這就實現了將問題的符號化和離散化。

四、小結

在土坡穩定是土木工程、水利工程中常常會遇到的問題。若對土坡問題處理不當而導致失穩劃破，這不僅影響工程進展，甚至危及人的生命安全和造成工程事故。因此，土坡穩定性問題的研究具有較大的實際意義。

[1]鄭穎人，趙尚毅，時衛民，等.邊坡穩定分析的一些進展[J].地下工程，2001，21(4)：262-271.

[2]馬曉雨.基于強度折減有限元法的土坡穩定性分析研究[D].大連：大連理工大學，2008.

[3]張魯渝，趙尚毅，鄭穎人，等.有限元強度折減法計算土坡穩定安全系數的精度研究[J].水利學報，2003，21-27.

[4]馮利軍，李競生.應用蒙特卡羅-免疫遺傳算法分析土坡的穩定可靠性[J].工程地質學報，2008，16(1)：76-83.

[5]王艷霞.模糊數學在邊坡穩定分析中的應用[J].巖土力學，2010，31(9)：3000-3004.

[6]闕金聲，陳劍平，王清，等.遺傳算法在土坡整體穩定性分析中的應用[J].巖土力學，2008，29(2)：415-419.

方芳(1994-)，女，漢族，重慶市渝北區人，碩士研究生在讀，重慶交通大學港口、海岸及近海工程專業，研究方向：港口工程災害及防護。