邊坡穩(wěn)定分析方法綜述

劉琦

中鐵二十一局集團(tuán)有限公司 甘肅 蘭州 730000

引言

我國是一個多山的國家，隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，工商業(yè)及民用建筑劇增，許多工程邊坡的分析方法不斷產(chǎn)生。此外，尾礦壩、堆渣壩的壩體也會形成許多高邊坡。在建設(shè)中開挖和堆填的邊坡數(shù)量很多，高度很大。由于地質(zhì)條件復(fù)雜，邊坡工程是一個很復(fù)雜的系統(tǒng)工程，其失穩(wěn)造成的災(zāi)害、事故常常發(fā)生，造成重大的生命財(cái)產(chǎn)損失。因此，如何在復(fù)雜地質(zhì)條件下分析清楚邊坡穩(wěn)定并做好防護(hù)，一直都是工程學(xué)術(shù)界極為重要的課題。本文全面而又系統(tǒng)地對邊坡穩(wěn)定性目前采用的分析法做出分類，同時分析了各自的基本原理及其優(yōu)缺點(diǎn)。為合理有效地在復(fù)雜地質(zhì)條件下對邊坡穩(wěn)定性分析方法選擇提供依據(jù)，同時為下一步對邊坡穩(wěn)定性研究理清思路[1]。

1 定性分析

該方法在大量收集各類邊坡所在區(qū)域的資料基礎(chǔ)上，綜合考慮邊坡穩(wěn)定的影響因素，通過工程地質(zhì)類比或圖解分析等方法，對邊坡穩(wěn)定情況和發(fā)展走勢作出估計(jì)及預(yù)測。目前工程用到的定性分析法主要有以下幾類。

表1 邊坡穩(wěn)定定性分析法類比表

盡管定性分析注重對建筑邊坡自然性認(rèn)識，綜合考慮了影響穩(wěn)定性的各種因素且能迅速對其穩(wěn)定性和未來發(fā)展趨勢做出推測，但是不考慮邊坡內(nèi)應(yīng)力和強(qiáng)度關(guān)系，其變形能力之間矛盾且經(jīng)驗(yàn)性強(qiáng)無數(shù)量界限。目前此類方法使用已經(jīng)不斷減少。

2 定量分析

邊坡穩(wěn)定常采用定量分析法，包括極限剛體平衡法、數(shù)值分析法和可靠度法等，極限剛體平衡法因其物理性能和力學(xué)上較清晰的概念、計(jì)算簡便為工程界廣為采用、接受，是傳統(tǒng)且經(jīng)典的定量分析法[2]。

3 極限剛體平衡法

極限剛體平衡法主要是針對滑動型失穩(wěn)模式。崩塌破壞模式的極限平衡分析法尚不成熟，主要依據(jù)力矩平衡條件求解。當(dāng)前常用的極限剛體平衡分析方法主要是針對二維、三維與楔形體穩(wěn)定求解。但是，由于三維方法往往繁復(fù)耗時，且滑面須在二維基礎(chǔ)上選定，尚缺乏搜索優(yōu)化功能，其推廣受到很大程度上的限制，有待發(fā)展。對于一般的邊坡工程，二維分析成果已能滿足工程應(yīng)用要求，僅有對于空間效應(yīng)明顯且規(guī)模較大的邊坡工程才在二維的基礎(chǔ)上展開三維計(jì)算分析。因此，下面進(jìn)對二維剛體極限平衡法做介紹。

3.1 二維剛體極限平衡法

該方法是在工程實(shí)踐應(yīng)用中較早、較經(jīng)典的定量確定性方法，是目前常用到的分析方法。盡管該方法均有力學(xué)假設(shè)并且依托一定的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，得到的結(jié)果為近似解，但是其模型簡單，公式的計(jì)算較簡捷，可以解決許多復(fù)雜剖、斷面和各種加載形式。因此，到現(xiàn)在其應(yīng)用仍十分廣泛。

二維剛體極限平衡法可分為兩類：非嚴(yán)格條分法： Bishop簡化法、Sarma法、Janbu簡化法、瑞典法、不平衡推力法等；嚴(yán)格條分法：Morgenstern-Prince法、Spencer法等。其中Spencer法是Morgenstern-Prince法的特例。各種方法的比較見下表。

表2 二維剛體極限平衡法的比較

3.2 數(shù)值模擬分析法

此方法主要用于有限變形的失穩(wěn)情況。一般可分為兩類：第一類是基于連續(xù)介質(zhì)數(shù)值分析的方法；第二類主要用于非連續(xù)物質(zhì)的分析方法。其用各類數(shù)值分析耦合，比如有限元法和邊界元耦合、邊界元和離散元耦合等，此類方法目前也開始應(yīng)用于計(jì)算邊坡工程。

數(shù)值模擬分析常用于考慮巖土土體自身的應(yīng)變、應(yīng)力間關(guān)系，對平衡極限不考慮如巖體等自身應(yīng)力、應(yīng)變關(guān)系，為邊坡穩(wěn)定提供了新的分析辦法。但它還是不能夠較好的求大變形與位移不連續(xù)的問題。對無限區(qū)域和集中應(yīng)力區(qū)域的求解不夠準(zhǔn)確，對巖土滑動位置不能直接計(jì)算其對應(yīng)的安全系數(shù)值，且計(jì)算軟件分析所需的信息和參數(shù)較多，對技術(shù)員技術(shù)能力要求較高[3]。

3.2.1 基于連續(xù)介質(zhì)的數(shù)值分析法。目前，邊坡穩(wěn)定性分析中常用的有限元方法有圓弧搜索法和強(qiáng)度折減法。有限元圓弧搜索法遵循極限平衡法的思想，但假定滑動裂紋表面上的滑動力和抗滑力是通過有限元計(jì)算精確確定的。強(qiáng)度折減法是指在有限元計(jì)算中不斷減少土的強(qiáng)度參數(shù)。當(dāng)計(jì)算不收斂時，將折減系數(shù)作為邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)。強(qiáng)度折減法的一個主要特點(diǎn)是不需要預(yù)先假定滑動面。從目前的應(yīng)用來看，它是一種很有前途的邊坡穩(wěn)定性分析方法。

3.2.2 基于非連續(xù)介質(zhì)的數(shù)值分析法。基巖是一種具有復(fù)雜材料特性的不連續(xù)材料，因此有一些數(shù)值分析方法可以處理這種不連續(xù)材料?；陔x散單元的非連續(xù)變形分析方法非常適合處理非連續(xù)節(jié)理巖體。由于忽略了巖體的變形過程，無法模擬裂隙的產(chǎn)生和失穩(wěn)過程。此外，應(yīng)用流形中的有限覆蓋法建立流形法，從數(shù)學(xué)上解決了連續(xù)和不連續(xù)材料計(jì)算中近似函數(shù)的統(tǒng)一結(jié)構(gòu)等一系列問題，使連續(xù)變形和非連續(xù)變形的統(tǒng)一計(jì)算分析成為可能，并能分析巖體裂隙、巖土滑移等相似特征。

3.3 可靠度法

可靠度法是將邊坡巖土的穩(wěn)定問題視為一個隨機(jī)發(fā)生的過程，將影響巖土穩(wěn)定的各類因素看作隨機(jī)變量，采用概率論分析法和可靠度描述巖土邊坡穩(wěn)定情況。與傳統(tǒng)確定性理論相比，可靠度法對邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)數(shù)值的各個影響因子均根據(jù)其不確定性給以一定的考慮，才能更好反映巖體的實(shí)際狀態(tài)，合理解釋眾多用確定性理論不能很好解釋的問題。但在實(shí)際使用中仍較少的采用可靠度分析這一評價法，受制約因素體現(xiàn)在與當(dāng)前規(guī)范的協(xié)調(diào)標(biāo)準(zhǔn)、配套取值，及概率與可靠度分析等需大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)確定變量的數(shù)值、分布，時間及費(fèi)用投入較多。

3.4 極限分析法

極限分析法的基礎(chǔ)是極限分析的極限定理，即上、下限定理。采用極限分析法在結(jié)構(gòu)力學(xué)分析中采用了部分的簡化，其所得結(jié)果有可能不是真實(shí)反應(yīng)，有時還會出現(xiàn)較大誤差，對于復(fù)雜的土層結(jié)構(gòu)，計(jì)算上較難。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值方法求解邊坡穩(wěn)定特別是上、下限解決問題成為非?；钴S的方向。由于它不僅可以避免非線性計(jì)算，跟蹤實(shí)際加載路徑逐漸增加，而且可以直接計(jì)算極限荷載和安全系數(shù)的問題，因此在巖土結(jié)構(gòu)和邊坡的穩(wěn)定性評價中得到越來越廣泛的應(yīng)用。

3.5 廣義極限法

基于虛功方程的廣義極限平衡法，即在極限平衡法的基礎(chǔ)上，再應(yīng)用屈服函數(shù)的極值條件，可以消去安全系數(shù)，使得在不必對土體的受力進(jìn)行簡化的條件下，獲得安全系數(shù)。同樣可以對任意可能的滑動面進(jìn)行試算，找出適用的計(jì)算方法。

與通常的極限平衡法相比，在不需要對土體的受力進(jìn)行假定或簡化的情況下，適用于任意的滑動面（極限平衡法只適用于特定平面和常用螺旋面），這無疑是一個很大的進(jìn)步。但是同樣，由于需要事先確定滑動面的形式，所以，廣義極限平衡法所得到的結(jié)果一般也是安全系數(shù)的近似解[4]。

4 非確定性分析

非確定性分析是種有限的數(shù)據(jù)分析，且存在著很大的不確定。就使得確定性為指導(dǎo)性思想的傳統(tǒng)邊坡穩(wěn)定性分析法，在實(shí)際的應(yīng)用中無法取得令人滿意的效果。近年來，隨著科學(xué)的發(fā)展，技術(shù)的進(jìn)步，以及邊坡穩(wěn)定性的深入研究，大家普遍知道在傳統(tǒng)的邊坡穩(wěn)定性分析中，存在了太多的不確定因素。對此，國內(nèi)外許多專家在分析邊坡穩(wěn)定性時都考慮了不確定性因素。近年來發(fā)展起來的主要分析方法有概率法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、模糊綜合評價分析法和灰色系統(tǒng)分析法等。

4.1 人工智能法

人工智能法采用計(jì)算機(jī)，充分利用了人類的經(jīng)驗(yàn)，包括神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制方法、遺傳算法等，具有廣闊前景。人工智能網(wǎng)絡(luò)是一種非線性映射處理系統(tǒng)，其程序具有通用性，可用于巖土穩(wěn)定性分析。遺傳算法不需要函數(shù)連續(xù)性以及梯度信息要求，全局處理能力強(qiáng)，適合于復(fù)雜問題的并行處理和優(yōu)化求解。本文還提出了一種適用于不確定情況的專家系統(tǒng)，能有效地考慮邊坡組成材料參數(shù)的不確定性和發(fā)生變化。人工智能方法不能反映巖土的內(nèi)應(yīng)力，需要大量的現(xiàn)場實(shí)際測算數(shù)據(jù)。隨著理論的完善和數(shù)據(jù)的積累，它將成為未來一種相對簡單的技術(shù)方法，也可用于其他工程計(jì)算。

4.2 灰色系統(tǒng)法

灰色系統(tǒng)法認(rèn)為，事物的決定因素中若有未知不確定的，又或有已知的，較為模糊的系統(tǒng)稱為灰色系統(tǒng)。把系統(tǒng)中一切信息變量看作灰色變量，用特定的方法建立起用來論述這種灰色變量的數(shù)字模型。利用灰色變量關(guān)聯(lián)度之間的分析原理，確定巖土穩(wěn)定性計(jì)算中，各個影響因素的影響度大小，進(jìn)而用多種因素疊加起來分析評估巖土的穩(wěn)定情況。該方法所得的結(jié)果基本上和邊坡實(shí)際狀態(tài)一致，并且此方法較為簡單直觀，可操作性也較強(qiáng)。但其內(nèi)在力學(xué)理論不夠清晰、明確，缺少定量描述[5]。

5 結(jié)束語

鑒于各種分析方法均具有其自身的缺陷，因此，綜合應(yīng)用多種方法解決邊坡穩(wěn)定問題，可以有效地利用其自身的優(yōu)勢而有效避免其不足，使分析結(jié)果更加接近真實(shí)也是一個研究和發(fā)展的方向。