边坡稳定分析方法研究进展

2023-06-29彭杨旭程诗芸张紫怡郝晨曦丰家俊郭鸿

四川建筑 2023年2期

彭杨旭程诗芸张紫怡郝晨曦丰家俊郭鸿

对边坡失稳的破坏形式以及引起因素进行了阐述，对现有的边坡稳定性分析方法从定性分析法、模型模拟实验、极限平衡法、数值计算法及不确定性分析方法5种方法进行了总结，并对现有方法进行评价。并结合目前的发展趋势，对未来边坡稳定性方面的研究方向进行了简单总结，通过对各分析各方法优缺点，认为数值计算法更适合当前发展的需要。

边坡稳定性；边坡失稳影响因素；边坡稳定分析方法

P642.22 A

［定稿日期］2022-03-16

［基金项目］陕西理工大学大学生创新创业训练计划项目（项目编号：S202110720056；X202110720139）;信息产业部电子综合勘察研究院项目（项目编号：2020-DKY-W02）

［作者简介］彭杨旭（2000—），男，本科，研究方向为岩土工程。

［通信作者］郭鸿（1984—），男，博士，副教授，研究方向为岩土工程、颗粒物质力学、离散元数值模拟。

边坡失稳是指坡体承受的外部作用超过坡体自身的承受极限，进而破坏的现象。坡体由于水文特征、地震及人类工程影响等因素作用，自身的稳定性会逐渐降低［1］，边坡失稳后所引起的灾害通常有有崩塌、滑坡、泥石流等。

我国总面积约有74.8%为山地，存在著大量的自然边坡［2］，且近年来工程范围的扩大，生成了许多人造边坡。因此坡体的稳定性分析对滑坡防治、经济发展以及生态保护等方面具有重大的意义［3］。

本综述主要对当前边坡失稳的破坏形态、影响因素研究的进展以及当前已有的边坡稳定性分析方法进行了归纳总结。

1 边坡的破坏形式

1.1 滑坡

滑坡是常见的地质灾害，也是当前最具破坏力的自然灾害之一［4］。滑坡是指坡体面层的岩体在自身重力作用下，顺着坡体结构内部比较软弱的区域向下移动，进而发生剪切破坏，岩体在经过一段时间蠕动形变后，逐渐发展成滑动破坏，然后逐步稳定，其中高土质边坡或泥质边坡的表现尤为明显。

1.2 崩塌

崩塌主要发生在较陡边坡区域，且还将进一步导致裂隙发育，并沿陡裂面上产生落石活动，形成次生灾害，其损害程度不容忽视。同时，由于冻融、渗水、人类工程活动影响等外界因素的持续影响，会导致裂缝逐渐扩大，造成坡体破坏。此类灾害事故发生较突然，因此要在工程中提前考虑，防止意外。

1.3 泥石流

在突发性的强降雨、降雪天气及一些自然灾害的情况下，泥石流有很高的发生率。泥石流中夹带的泥沙和石块会导致灾害区域的生态环境遭到破坏，对灾害区域的影响较大。

2 边坡失稳的影响因素

2.1 地质因素

地质因素对坡体稳定性的影响主要包括坡体自身形态与岩土本身性质所产生的影响。边坡的形态不同主要影响边坡失稳的形态，具体因素是边坡的长度、宽度以及高度，断层节理形式以及外部环境条件，通常来说坡度较缓，反倾节理的边坡较稳定。王恭先［5］认为坡体内易形成滑动带的岩层性质及其分布的位置是影响坡体失稳形态的主要因素。除此之外，岩土体本身的内摩擦角以及粘聚力的不同都会对边坡稳定性有一定的影响。

2.2 地下水

地下水导致边坡失稳的主要影响因素在于地下水的动、静水压力会造成岩体基础层软化，同时地下水的持续冲刷也会直接损害边坡的稳定性。并且如果地下水对稳定性的影响程度比较大时，还会导致土体自身的弹性模量、土体间的粘聚力以及内摩擦角等发生改变，降低坡体的稳定性。

王荣华［6］结合水位监测和FLAC3D三维建模软件分析得出：相对于潜水面高度的变化，基坑水位线高度对边坡安全系数影响更为显著；随着基坑水位线高度的增加，水体浮力作用使岩层分界面上部岩层滑移力逐渐减小，同时坡脚在临空面方向的位移逐渐增加，影响坡体的稳定性。刘新荣等［7］发现由于水对坡体内岩石的作用，岩体中的硬石膏成分遇水后易发生晶体结构的改变和化学反应，会导致岩石泊松比增大。

2.3 水文特征

从滑坡的统计数据看，大多数的滑坡发生在雨季［8］。雨水渗透到滑体以及其下部的强风化泥岩的内部，会在坡体内部产生软弱滑动面，降低边坡的稳定性，使坡体更容易失稳。

杜忠原等［9］考虑了非饱和土渗流与应力的耦合作用，利用强度折减法结合饱和-非饱和理论进行应力分析发现：降雨强度与入渗深度之间存在非线性正比关系，入渗的深度和入渗的速度随着降雨强度增大而增长，并且在降雨后安全稳定系数的回复也更慢。

2.4 地震

在地震作用下，边坡会由于惯性力的作用使得原本处于静态的边坡在外力作用下发生失稳。其中岩质边坡相比土质边坡更为明显［10］。

2.5 人类工程活动影响

随着社会经济的发展，近年来铁路交通等相关的工程的需求增大，越来越多的山地被开发。同时，由于人类工程活动所造成的边坡失稳状况也层数不穷。廖继彪等［11］分析得出导致边坡坡脚部分的结构出现破坏的主要原因是工程中对坡脚进行过度开挖，进而从坡脚引起了整个坡体的失稳破坏。

3 边坡稳定性分析方法

3.1 定性分析法

定性分析法是结合工程实际的地质勘查情况，对坡体进行综合分析的方法。该方法通过分析坡体的地形地貌、水文条件、新构造运动、气候及人类活动等，以此为分析依据对边坡稳定性进行评价，评价方法主要有图解法、类比法以及自然历史分析法等［12］。

定性分析法主要应用于分析简单情况下或大范围的边坡［13］。王森等［14］从定性分析角度出发，结合当地工程实例，对工程边坡稳定性进行了初步分析评价，为工程安全生产提供了有效的建议。

由于该方法自身的局限性，对于复杂情况下的边坡不能准确有效地进行分析，对于涉及到可变坡度的几何和地质条件的复杂情况还需要选择其他方法进行分析。

3.2 模型模拟实验

模型模拟实验是通过实地考察、采样，建立与形态、地质结构、实际工程状况相近的等比例模型。由于模型比例较小，为了更好地将坡体的真实工程情况用模型还原，模型制作过程中会人为地对坡体结构进行简化、改造。该方法的分析结果有效且符合实际工程状况，迄今为止国内外学者在边坡模型试验方面开展了诸多研究工作。

杨忠平等［15］就通过建立不同节理的边坡模型分析了反复微震作用下边坡破坏特征，结合数据模型分析得出了各种节理的边坡在反复微震作用下破坏形态的不同。

模型模拟实验作为分析方法中最为直接的方法，可以直观地观察到工程的实际破坏的形态与发展过程。其缺点在于不能将分析的结果具体化，得到的结果局限于现象并不是实际的数据，并且建立的模型有许多的自然因素以及人为因素影响，与实际的工程有较大差异，建立的模型分析结果只能作为参考。因此这种方法常与其他方法结合使用来更全面地分析边坡稳定性。

3.3 定量分析法

3.3.1 刚体极限平衡法

刚体平衡法把滑体视为刚性体，根据边坡破坏的边界条件分析滑体上的全部外力及滑体沿滑动面的受力，使用力平衡法对边坡进行分析。刚体极限平衡法是当前应用较为广泛的分析方法之一，是比较经典的边坡分析方法，这种方法通过检查边坡处于破坏平衡极限状态时滑动层面土体抗滑性能以及外部滑动力对抗状态来分析土壤在极端条件下表现的边坡稳定级别。该法将边坡稳定程度设置为更为直观的安全系数，通过计算得出的安全系数来实现分析边坡实际状态的目标。同时可借助Geostudio软件对坡体进行数字建模，以便分析坡体的破坏形态。常用的刚体极限平衡法包括瑞典条分法、毕肖普条分法、简布法、摩根斯坦－普拉斯法等4种。

3.3.1.1 瑞典条分法

瑞典条分法［16］是极限平衡法中最经典的一种，该法假定土坡在破坏过程中是沿着圆弧面进行滑动的，且土条两侧的作用力为一对相互作用力，忽略了土条间的作用力，故自身存在一定的误差。但此方法分析简便，应用范围较广，借助软件分析的效率高。如郭海强等［17］通过瑞典条分法，提出了解决路基边坡设计所存在问题的铁路路基边坡极限状态设计表达通式。

3.3.1.2 毕肖普条分法

毕肖普条分法考虑了土条间相互作用力。该方法假定滑裂的土体为刚体，使其绕圆心旋转，基于极限平衡原理，通过分条的方法计算坡体的滑动力与抗滑力，最后求出土体稳定安全系数，以此来衡量坡体的稳定性。如Ji J等［18］利用毕肖普条分法，通过实例对比分析，解释了地震滑动面与静力滑动面是否存在差异以及为何存在差异的可能原因。

3.3.1.3 简布法

简布法是指对任意形状滑动面计入土体条块间作用力的土坡滑动稳定性分析法。此方法的滑动面不局限于条状，更加贴合实际工程下的土层分布状况。曹亮［19］运用简布法，通过Geostudio软件对某处滑坡进行了稳定性分析，验证了Geostudio软件在计算滑坡稳定性上的准确性、简便性等优势。

3.3.1.4 摩根斯坦—普拉斯法

摩根斯坦－普拉斯分析法假定了各条间的作用力，对坡体土条间合力的作用位置进行了合理假设，并且通过改变条间合力的作用方向，结合力学来求得此坡体的最佳解和满足滑动面法向和滑动面方向力的平衡及对底滑面中点的力矩平衡。摩根斯坦－普拉斯法的运用相对其他方法较少。削丞民［20］用摩根斯坦—普赖斯方法对云南省楚雄州吕合露天煤矿边坡的稳定性进行了分析，并为治理边坡及推广此方法提出一些建议。

3.3.1.5 综合法

由于各方法假设条件的差异性，其适用的工程情况也有所不同，通常在实际工程中边坡各段情况也有所不同，在实际应用中会将边坡体进行分段，根据分段后每段边坡体的实际情况选择适用的方法。闫丽雯［21］利用典条分法和毕肖普条分法，在不同工况下定量分析了边坡地质灾害稳定性，对地质灾害危险区进行了划分，利用分析得出的数据地质灾害治理提供了可靠数据支撑为，为抗灾工程做出了贡献。

3.3.2 数值计算法

随着近年计算机技术的发展，信息处理能力逐渐强大，数值模拟对边坡稳定性分析的方法有了一定的发展空间。相比起其他方法，数值计算法有着费用低、易操作、且结果直观的优点，是当前边坡稳定性研究方面的重要方法之一。

3.3.2.1 有限差分法

有限差分法是以差分网格和离散求解的思路对边坡稳定性进行分析，主要使用计算软件为FLAC2D、FLAC3D。这种计算方法的优点在于其操作简便并且结果较为直观，但是其在进行数值计算时，对象之间的连续性较高，不能很好地反映实际情况。FLAC3D软件将强度折减技术与数值模拟相结合，可以同时得出边坡应力、位移、塑性区以及边坡的危险滑面及安全系数，可以借此参数直观地对边坡稳定性进行评价。目前已有许多相关研究并且取得了成果，侯波等［22］运用有限差分法FLAC3D对毛坞滑坡进行了计算模拟，分析了天然状态下及暴雨状态下边坡稳定性以及滑坡区地质体的塑性区、位移场。眭敏磊等［23］通过利用FLAC3D分析ANSYS模型对官庄工程区滑坡进行了全面的分析，确保了工程的稳定性。秦凡等［24］在弓长岭露天矿场应用FLAC2D对露天矿场进行边坡稳定性进行了数值计算，通过软件的分析，得出该地区的应力应变图像以及地質勘察数据和数值计算的结果，对该矿场日常的边坡处理提供了可靠理论依据。

3.3.2.2 有限元法

有限元法能够借助离散单元几何方程来对边坡稳定性进行分析，将土坡实际弹性、粘弹塑性等关键参数利用平衡方程及物理方程进行分析计算，对坡体稳定性进行分析，是将模型离散化为有限数目单元，以此进行数据模拟计算的方法。该方法可以处理微小变形的非线性问题，也能灵活性处理复杂边界。刘彦等［25］发现通过有限元强度折减法计算得出的边坡安全系数与刚体极限平衡法的计算结果基本相近。而且相比起极限平衡法，该法确定的边坡从坡脚剪出的圆弧形滑动机制更加准确。王丽俊［26］将有限法与极限平衡法相结合进行分析，最后确定了更为准确全面的坡体安全系数，提供了一种新的研究边坡稳定性的分析思路。

3.3.2.3 边界元法

边界元法是在强度折减法的基础上提出的一种用于分析边坡稳定性的可靠方法。张丽美等［27］运用边界元法通过经典算例分析并与Spencer法等前人的研究结果比较表明该方法是合理有效的。其优点在于相对于有限元法其方程维度较低，计算相对简单，计算效率高。但是其计算结果的表达相对复杂、不直观，且计算式中的系数可变，非线性适用性较差。林思田［28］基于滑面边界法，以新型条分法编制出了一种用于分析稳定性的程序，并且证明了新方法对于有限元分析同样有效，且针对有限元法，该法解决了不收敛问题。

3.3.2.4 离散元法

离散元法基于块状理论建立，这种方法适用于破碎松散岩体非连续变形，且结果更加直观，可以直观地观察到边坡破坏的特征形态，但其不适用于高应力岩体变形。与极限平衡法相比，离散元法无需滑裂面各部位同时屈服等假定，反映出的岩体间相互作用更真实，同时也可反映边坡的渐进破坏过程并获取速度场和位移路径等信息。由于这种方法的适用范围涵盖目前大多数工程情况，在实际工程中应用广泛。离散元计算法分析软件有PFC2D、PFC3D以及3DEC。

PFC研究方面，郑成成等［29］通过建立抽水蓄能电站工程高陡堆石边坡离散元数据模型，明确了边坡失稳过程、影响范围，并提出了混凝土挡墙的建议高度。蒋明镜等［30］利用PFC2D软件，采用离散元法对坡体建立数据模型，分别分析坡体被破坏后坡体不同位置在不同时间下的位移以及速度的变化。在相同条件下，顺层节理边坡较反倾节理边坡，更易产生破坏。

在3DEC研究方面，刘子金等［31］通过3DEC离散元数值模拟软件进行数据模拟，对边坡位移、应力应变与边坡岩体安全系数等数据进行了分析计算，认为对边坡岩体现场位移影响较明显的因素为开挖扰动及坝体填筑过程中的碾压振动，为安全系数较小的斜坡工程提供了合理建议以及数据支撑。

3.3.2.5 联合分析法

当前分析边坡稳定性的方法由于其理论基础的差异以及假设的不同，各自都有不足，且由于不同工程的主要影响因素不同，不同方法对各种工程情况的分析适用性也不同。为了克服单一数值计算方法的弊端，发挥各自优势，将不同方法综合引用、合理耦合也是发展趋势，可以将边坡分段进行计算，通过分段边坡的实际工程情况合理采用方法进行计算，发挥各方法的优点，尽量减少各方法的弊端对边坡计算所造成的影响，达到扬长避短的目的。如刘蕾等［32］运用FLAC和PFC2D 2种方法相结合，对逆层岩质边坡地震动力作用下的破坏情况进行了分析，将连续和非连续区域组成一个整体，缩短了计算时间。

3.4 不确定性分析方法

不确定性分析法主要考虑边坡计算中的不确定性因素，并结合极限平衡法理论与其他有关学科对边坡进行综合性分析，该方法与其他方法的主要区别在于该方法系统地考虑了不确定性参数的作用，并以概率值定义边坡的稳定性条件［33］。主要的分析方法有模糊综合评价法、概率分析方法和灰色系统评价法等。

3.4.1 概率分析方法

概率分析法收集分布在斜坡上的详细参数数据并采用合适的取值。以此对边坡进行稳定性分析。由于该方法需要收集大量不确定性参数，因此该方法有一定的限制性，但由于有大量的实际数据支撑，该方法适用性以及可靠度较高。

刘辉等［34］通过分析不同滑动面失效模式之间的相关性，在基于随机场局部平均后的等效参数和一次可靠度方法，提出了可靠度分析方法用于分析考虑不排水强度空间变异性情况下的黏土边坡系统。

3.4.2 模糊综合评价法

模糊综合评价法是考虑到边坡的类型不同，影响其稳定性的因素也不同。模糊综合分析法给每一个因素赋予不同的权值，区分各因素在总的评判中的影响和作用，再根据隶属函数，对边坡进行综合评判，确定其稳定状况。但该方法在实际分析时，其权值的分配过程中存在一定的经验性和主观性，因此分析结果有一定的不确定性［35］。

王瑞等［36］应用层次分析法与模糊综合评价法确定了各级指标的权重值和隶属度，构建了模糊综合评价模型，结合模型与计算来分析岩质边坡稳定性，为实际的工程问题研究提供了合理的技术支撑。并指出该方法会由于环境中的不确定因素的变化频繁导致结果与实际产生偏差，可靠度还有待提高。

3.4.3 灰色系统理论

灰色关联指事物之间的关联，灰色系统理论［37］主要是利用灰色关联度分析原理，通过比较不同因素的发展趋势，来判断因素之间的关联性。该方法同时考虑了影响边稳定性的确定因素和不确定因素，通过建立灰色量数学模型，比较各影响边坡稳定性的影响要素，将确定各因素对边坡的影响比重大小作为分析边坡稳定性的主要依据。由于该方法评价边坡的基础是各因素的发展趋势，对实际样本量并没有太多要求，分析过程简单简便，且结果一般与定性分析没有太大差异，在实际工程中应用较广。

4 结论

结合当前已有的数据分析方法以及研究成果，通过对各方法分析比较，在未来的边坡稳定性分析与计算中，可能会在更先进的计算理论、更智能的计算方法、更精密的实验设备以及更精準的数值模拟等方向发展。

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