边坡稳定分析方法综述及发展趋势研究

董晓红,梁桂兰,许忠厚

(河海大学港口海岸与近海工程学院,江苏南京 210098)

边坡稳定分析方法综述及发展趋势研究

董晓红,梁桂兰,许忠厚

(河海大学港口海岸与近海工程学院,江苏南京 210098)

边坡稳定性问题是岩土工程中的一个重要研究内容。边坡破坏具有不同的模式,相对应便产生了多种分析方法。采用列表比较方法侧重列述了各分析方法的优缺点及工程适用范围,以便于工程实践应用的参考。总体上将稳定性分析方法分为定性分析、定量分析和不确定性分析三类,并在最后对边坡稳定性分析方法的发展趋势作了展望。

边坡稳定分析;定量分析;定性分析;不确定性分析;发展趋势

滑坡是指边坡丧失其原有稳定性,一部分岩土体相对于另一部分岩土体发生活动的现象。滑坡是自然界和基本工程建设中面临的重大灾害,在国民经济建设中已造成多次重大经济损失及人员伤亡事件。因此,研究边坡稳定性问题具有重要意义。边坡稳定性问题的研究已有一百多年的历史,但由于边坡发生破坏失稳是一个包含边坡内部结构复杂性和组成边坡岩石物质不同等原因的复杂地质过程,所以尚未形成完善的理论体系。目前人们多采取半经验半理论的分析方法来攻克这一难题,先后提出了许多方法[1-4],这些方法各有其优缺点和适用条件,按分析原理主要有以下几大类。

1 定性分析法

定性分析方法主要是对场地进行现场地质勘察,由所获得的边坡的工程地质、水文地质条件等分析边坡可能发生的变形破坏方式及失稳的力学机制,并且对已发生变形的地质体的成因和演化过程进行分析,从而根据分析结果对被评价边坡体的稳定性状况和可能发展趋势做出定性的说明和解释。定性分析方法中常用的方法主要有以下几种:历史成因分析法、工程地质分析法、图解法。

历史成因分析法是指通过对滑坡发育的地质环境、发育历史中的各种变形破坏迹象及其基本规律和稳定性影响因素等的分析,推演出边坡的历史演变过程,从而对边坡稳定性的总体现状及发展趋势做出评价与预测,并对已发生滑动的滑坡体,判断其能否复活或转化。该方法主要适用于天然边坡的稳定性评价。

优点考虑边坡的历史成因,尤其是时间因素对土的影响。

工程地质类比法就是通过调查统计已有边坡的现状,包括坡高坡脚岩石组成、自然环境等主要影响因素,建立图表等评分体系来评判边坡稳定性。此方法需要对已有的边坡进行大量的研究,全面地分析待评价边坡与已有边坡在可能出现的破坏模式方面的相似性和差异性,并且兼顾工程的等级、类别等特殊要求,对评价边坡的稳定性状况做出判断。所以特别适用于地质条件复杂的矿山岩质高边坡。缺点主要为类比时主观随意性太大。

图解法是依据试验、地质学、力学和工程经验,考虑边坡的各种因素并根据相应的公式制成图表,使用时只需要查相应的图表即可。图解法可分为诺模图法和赤平投影图法。图解法优点:简单直接,能快速、直观地分辨出控制边坡稳定性的主要结构面和次要结构面,确定出边坡结构的稳定性类型,判断不稳定块体的形状、规模和滑动方向。缺点:简化过程中使用的假设导致与实际情况有误差,并且对判断为不稳定的岩质边坡需进一步用计算加以验证。

2 定量分析

2.1 基础理论—极限平衡法

极限平衡法是边坡稳定分析中最常用的方法。该方法假设滑坡体和滑面以下的土体均为不变形的刚体,发生滑坡时该刚体沿着一个潜在的滑动面发生刚性滑动或转动,滑动面为一连续面。通过对潜在滑体在临界状态下的受力分析,包括土条自重,条间法向力,条间切向力,底面法向反力和底面法向切力,并引入莫尔一库仑强度准则,根据滑坡的力或力矩的平衡,计算土体在荷载作用下的稳定安全系数,并以其大小来判断边坡的稳定性。极限平衡分析法从最古老又最简单的条分法—瑞典条分法发展到Bishop法、Janbu法、不平衡推力法等已有了多种具有实践指导意义的方法。其中瑞典条分法假设滑动面为圆弧面,不考虑条间力。这两种假设与现实中复杂的边坡变形滑动情况有很大不同,为改善瑞典条分法的不足,Bishop又在此基础上提出了简化毕肖谱条分发。该法仍假设滑动面为圆弧面,并假定切向条间力为零。通过重新定义安全系数为沿整个滑裂面的抗剪强度与实际产生剪应力的比值,使得安全系数的物理意义更加明确;Janbu普通条分法则假设滑动面为任意面,条件法向作用力的作用点在画面以上1/3土条高度处,通过调整作用点的位置已获得比较准确的安全系数;不平衡推理法假设滑动面为任意面,法向条间力和切向条间力之间为某种函数关系[5]。几种分析计算方法的总结见表1。

表1 几种分析计算方法的总结

极限平衡法在边坡稳定性分析中得到了广泛应用,尤其是瑞典条分法,经过多年的不断发展及完善积累了大量的经验,并且我国规范中在计算边坡稳定性分析时便建议采用该法。但由于其对问题的简化及假定可能与实际不符,因而具有一定的局限性:①极限平衡条分法条分土条过程中由于土条无法无限分割,并且土条间的力要远比假定的情况复杂得多,所以所得结果无法准确代表真实应力状态。②使用了莫尔——库伦强度破坏准则,尚无法考虑更复杂的破坏准则。③计算时得到的边坡安全系数可能大于实际情况。④对复杂的边坡情况如考虑土体非均质及各向异性等是无能为力的。⑤不能反映边坡的破坏机制及描述边坡屈服的产生、发展过程,也不能提供坡体内应力一应变的分布情况。

2.2 数值分析方法

数值分析方法是一种考虑边坡土体结构的不连续性和非均质性的特点,通过分析土体应力与应变的关系,来确定边坡的稳定性及破坏机制的方法。数值分析通常是指有限单元分析、边界单元分析、离散单元方法的分析。有限单元法是数值分析方法中发展较为成熟及目前应用最为广泛的方法,是从结构矩阵分析发展起来的,其特点是将结构离散化为有限个单元求解,单元之间满足平衡方程与形变协调相容方程。优点是较其他方法,在边界条件极其复杂时灵活有效。缺点是只限于标准形式的单元。边界单元法的基本思想是应用格林定理把区域内的积分变为边界上的方程然后在边界上离散。优点是计算量减少,且误差仅来源于边界,精度较高。缺点是不适合边界条件复杂的模型。离散单元法是一种应用于处理节理岩化体的分析方法,优点是可计算块体系统大变形。此外不连续变形分析方法是有限单元法的一种延伸方法,其求解的是有限单元类型的网格,但与有限单元法不同的是允许块体系统产生不连续变形。优点是既具有有限元理论基础的严密性,又具有离散元可计算块体系统大变形的特点。各种分析方法的具体比较见表2。

表2 几种常用数值分析方法比较

以有限单元法为代表的数值分析方法是目前使用最广泛的一种方法,并且已经开发了多个二维及三维的有限元分析程序,在求解弹性、粘弹塑性、粘塑性等问题上以取得一定优势。总体来说数值分析法的优点是部分的考虑了边坡土体的非均质和不连续性,可以通过计算机编程模拟土体的应力、应变大小和分布,避免了极限平衡分析法中将滑体视为刚体而过于简化的缺点;在计算过程中减少了人为假设,理论上更严格,结果上更直接。其缺点是它还不能很好地求解大变形和位移不连续问题,对于无限域、应力集中等问题的求解还不理想,对大型工程不适用,并且相对于极限平衡法较复杂,在本构模型和安全系数的确定上也受到一定的制约,工程应用不如刚体极限平衡法普遍。

2.3 不确定性分析方法

2.3.1 灰色系统综合评价法

灰色系统综合评价法主要利用灰色关联度分析原理,确定边坡稳定性各影响因素的影响程度,进而利用多因素叠加分析评估边坡的稳定性该方法能够克服常规分析方法中的不足,是分析因素序列关联关系的一种系统分析方法,所以,灰色系统理论就很适合边坡稳定性这种数据有限、没有原型、复杂而又具有不确定性问题的分析和评价。优点:该方法直观简单,可操作性强。缺点:该方法在功能函数的确定时带有人为的经验性[6]。

2.3.2 可靠度分析方法

边坡工程可靠度分析是把边坡岩体性质,荷载,地下水,破坏模式,计算模型等作为不确定量,借鉴结构工程可靠性理论方法,结合边坡工程的具体情况,用可靠指标或破坏概率来评价边坡安全度。目前工程结构可靠度常用的计算方法有一次一阶矩法、改进的一次一阶矩法、jc法、帕罗黑莫法、蒙特卡罗法等[7-8]。可靠性分析由于考虑到边坡稳定性影响因素的不确定性,能更好地反映边坡工程的实际状态[9],但是该方法还处于研究和探索阶段,计算前所需的大量统计资料难以获取,各因素的概率模型及其数字特征等的合理选取问题还没得到很好的解决,所以还有待进一步发展完善[10-11]。

2.3.3 模糊综合评价法

模糊综合评价是应用模糊变换原理和最大隶属度原则,综合考虑被评事物或其属性的相关因素,进而进行等级或类别评价。实践证明,模糊分级评判方法为多变量、多因素影响的边坡稳定性分析提供了一种行之有效的手段[12-13]。其优点是能得到边坡稳定性等级分类指标,据此判断出边坡的稳定性情况;缺点是在实际操作过程中,评判中权数的分配带有一定的经验性和主观性,并且并没有考虑到各个影响要素。

3 结论及展望

边坡稳定性问题作为岩土工程的一个重要研究内容,分析方法数目众多且各有侧重点,因而在实际工程中应根据边坡的实际地质条件及工程的重要程度合理选取适当的分析方法。另外在实际工程应用中,随着科学技术的不断发展及边坡稳定性问题的复杂性与单一边坡稳定分析方法的局限性这一矛盾越来越尖锐,多种不同方法之间取长补短,综合利用已成为一大发展趋势[14]。

[1]杨学堂,王 飞.边坡稳定性评价方法及发展趋势[J].岩土与工程技术,2002,2(7):103-106.

[2]陈建平.边坡稳定性分析方法综述[J].浙江建筑,2010,27(9):19-28.

[3]杨泰华,张 峰.边坡稳定性分析方法综述[J].土木建筑教育改革理论与实践,2009,11(6):22-25.

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[5]卢廷浩.土力学(第 2版)[M].南京:河海大学出版社,2005:235-264.

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[7]黄志全,王思敬,李华晔.岩体力学参数取值的置信度及其可靠性[J].岩石力学与工程学报,1999,18(1):33-35.

[8]陈昌彦,王思敬,沈小克.边坡岩体稳定性的人工神经网络预测模型[J].岩土工程学报,2001,23(2):157-161.

[9]熊传治,等.岩石边坡工程[M].长沙:中南大学出版社,2010:35-165.

[10]周创兵,陈益峰,等.复杂岩体多场广义耦合分析导论[M].北京:中国水利水电出版社,2008:217-245.

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[12]梁桂兰,徐卫亚,等.突变级数法在边坡稳定综合评判中的应用[J].岩土力学,2008,29(7):1895-1899.

[13]梁桂兰,徐卫亚.模糊马尔科夫链状模型在滑坡稳定预测中的应用[J].中国地质灾害与防治工程,2006,(4):64-67.

[14]刘立平,姜德义,等.边坡稳定性分析方法的最新进展[J].重庆大学学报,2000,23(5):115-118.

Summarization for Slope Stability Analysis Methods and Research on Their Development Trend

DONG Xiao-hong,LIANG Gui-lan,XU Zhong-hou
(College of Harbor,Coast and Offshore Engineering,Hohai University,Nanjing,Jiangsu210098,China)

Slope stability analysis is of great significance in rock and soil engineering field.Slope breakage has different shapes,of which there are different sliding surfaces and various analysis methods.In this article,the analysismethods of the slope stability problems are divided into three types as qualitative method,quantitative method and uncertainty method,and the different methods are compared and analyzed with a list to make them much more convenient for engineers to learn and apply.Finally,the outlook is made for the development trend of slope stability analysis.

slope stability anlysis;quantitative analysis;qualitative analysis;uncertainty analysis;development trend

TU457

A

1672—1144(2012)05—0100—03

2012-03-05

2012-04-03

国家自然科学基金项目(50909038);河海大学校级创新训练计划项目(NJ2011054)

董晓红(1990—),女(汉族),江苏连云港人,本科在读,专业为港口航道与海岸工程。

梁桂兰(1979—),女(汉族),江苏南京人,博士,硕导,讲师,研究方向为:工程结构及其周围介质的相互作用,工程结构建模与数值模拟,结构及岩土工程安全检测和监测。

book=106,ebook=341