董曉紅,梁桂蘭,許忠厚

(河海大學(xué)港口海岸與近海工程學(xué)院,江蘇南京 210098)

邊坡穩(wěn)定分析方法綜述及發(fā)展趨勢研究

董曉紅,梁桂蘭,許忠厚

(河海大學(xué)港口海岸與近海工程學(xué)院,江蘇南京 210098)

邊坡穩(wěn)定性問題是巖土工程中的一個重要研究內(nèi)容。邊坡破壞具有不同的模式,相對應(yīng)便產(chǎn)生了多種分析方法。采用列表比較方法側(cè)重列述了各分析方法的優(yōu)缺點及工程適用范圍,以便于工程實踐應(yīng)用的參考?？傮w上將穩(wěn)定性分析方法分為定性分析、定量分析和不確定性分析三類,并在最后對邊坡穩(wěn)定性分析方法的發(fā)展趨勢作了展望。

邊坡穩(wěn)定分析;定量分析;定性分析;不確定性分析;發(fā)展趨勢

滑坡是指邊坡喪失其原有穩(wěn)定性,一部分巖土體相對于另一部分巖土體發(fā)生活動的現(xiàn)象?；率亲匀唤绾突竟こ探ㄔO(shè)中面臨的重大災(zāi)害,在國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中已造成多次重大經(jīng)濟(jì)損失及人員傷亡事件。因此,研究邊坡穩(wěn)定性問題具有重要意義。邊坡穩(wěn)定性問題的研究已有一百多年的歷史,但由于邊坡發(fā)生破壞失穩(wěn)是一個包含邊坡內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜性和組成邊坡巖石物質(zhì)不同等原因的復(fù)雜地質(zhì)過程,所以尚未形成完善的理論體系。目前人們多采取半經(jīng)驗半理論的分析方法來攻克這一難題,先后提出了許多方法[1-4],這些方法各有其優(yōu)缺點和適用條件,按分析原理主要有以下幾大類。

1 定性分析法

定性分析方法主要是對場地進(jìn)行現(xiàn)場地質(zhì)勘察,由所獲得的邊坡的工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件等分析邊坡可能發(fā)生的變形破壞方式及失穩(wěn)的力學(xué)機(jī)制,并且對已發(fā)生變形的地質(zhì)體的成因和演化過程進(jìn)行分析,從而根據(jù)分析結(jié)果對被評價邊坡體的穩(wěn)定性狀況和可能發(fā)展趨勢做出定性的說明和解釋。定性分析方法中常用的方法主要有以下幾種:歷史成因分析法、工程地質(zhì)分析法、圖解法。

歷史成因分析法是指通過對滑坡發(fā)育的地質(zhì)環(huán)境、發(fā)育歷史中的各種變形破壞跡象及其基本規(guī)律和穩(wěn)定性影響因素等的分析,推演出邊坡的歷史演變過程,從而對邊坡穩(wěn)定性的總體現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢做出評價與預(yù)測,并對已發(fā)生滑動的滑坡體,判斷其能否復(fù)活或轉(zhuǎn)化。該方法主要適用于天然邊坡的穩(wěn)定性評價。

優(yōu)點考慮邊坡的歷史成因,尤其是時間因素對土的影響。

工程地質(zhì)類比法就是通過調(diào)查統(tǒng)計已有邊坡的現(xiàn)狀,包括坡高坡腳巖石組成、自然環(huán)境等主要影響因素,建立圖表等評分體系來評判邊坡穩(wěn)定性。此方法需要對已有的邊坡進(jìn)行大量的研究,全面地分析待評價邊坡與已有邊坡在可能出現(xiàn)的破壞模式方面的相似性和差異性,并且兼顧工程的等級、類別等特殊要求,對評價邊坡的穩(wěn)定性狀況做出判斷。所以特別適用于地質(zhì)條件復(fù)雜的礦山巖質(zhì)高邊坡。缺點主要為類比時主觀隨意性太大。

圖解法是依據(jù)試驗、地質(zhì)學(xué)、力學(xué)和工程經(jīng)驗,考慮邊坡的各種因素并根據(jù)相應(yīng)的公式制成圖表,使用時只需要查相應(yīng)的圖表即可。圖解法可分為諾模圖法和赤平投影圖法。圖解法優(yōu)點:簡單直接,能快速、直觀地分辨出控制邊坡穩(wěn)定性的主要結(jié)構(gòu)面和次要結(jié)構(gòu)面,確定出邊坡結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性類型,判斷不穩(wěn)定塊體的形狀、規(guī)模和滑動方向。缺點:簡化過程中使用的假設(shè)導(dǎo)致與實際情況有誤差,并且對判斷為不穩(wěn)定的巖質(zhì)邊坡需進(jìn)一步用計算加以驗證。

2 定量分析

2.1 基礎(chǔ)理論—極限平衡法

極限平衡法是邊坡穩(wěn)定分析中最常用的方法。該方法假設(shè)滑坡體和滑面以下的土體均為不變形的剛體,發(fā)生滑坡時該剛體沿著一個潛在的滑動面發(fā)生剛性滑動或轉(zhuǎn)動,滑動面為一連續(xù)面。通過對潛在滑體在臨界狀態(tài)下的受力分析,包括土條自重,條間法向力,條間切向力,底面法向反力和底面法向切力,并引入莫爾一庫侖強(qiáng)度準(zhǔn)則,根據(jù)滑坡的力或力矩的平衡,計算土體在荷載作用下的穩(wěn)定安全系數(shù),并以其大小來判斷邊坡的穩(wěn)定性。極限平衡分析法從最古老又最簡單的條分法—瑞典條分法發(fā)展到Bishop法、Janbu法、不平衡推力法等已有了多種具有實踐指導(dǎo)意義的方法。其中瑞典條分法假設(shè)滑動面為圓弧面,不考慮條間力。這兩種假設(shè)與現(xiàn)實中復(fù)雜的邊坡變形滑動情況有很大不同,為改善瑞典條分法的不足,Bishop又在此基礎(chǔ)上提出了簡化畢肖譜條分發(fā)。該法仍假設(shè)滑動面為圓弧面,并假定切向條間力為零。通過重新定義安全系數(shù)為沿整個滑裂面的抗剪強(qiáng)度與實際產(chǎn)生剪應(yīng)力的比值,使得安全系數(shù)的物理意義更加明確;Janbu普通條分法則假設(shè)滑動面為任意面,條件法向作用力的作用點在畫面以上1/3土條高度處,通過調(diào)整作用點的位置已獲得比較準(zhǔn)確的安全系數(shù);不平衡推理法假設(shè)滑動面為任意面,法向條間力和切向條間力之間為某種函數(shù)關(guān)系[5]。幾種分析計算方法的總結(jié)見表1。

表1 幾種分析計算方法的總結(jié)

極限平衡法在邊坡穩(wěn)定性分析中得到了廣泛應(yīng)用,尤其是瑞典條分法,經(jīng)過多年的不斷發(fā)展及完善積累了大量的經(jīng)驗,并且我國規(guī)范中在計算邊坡穩(wěn)定性分析時便建議采用該法。但由于其對問題的簡化及假定可能與實際不符,因而具有一定的局限性:①極限平衡條分法條分土條過程中由于土條無法無限分割,并且土條間的力要遠(yuǎn)比假定的情況復(fù)雜得多,所以所得結(jié)果無法準(zhǔn)確代表真實應(yīng)力狀態(tài)。②使用了莫爾——庫倫強(qiáng)度破壞準(zhǔn)則,尚無法考慮更復(fù)雜的破壞準(zhǔn)則。③計算時得到的邊坡安全系數(shù)可能大于實際情況。④對復(fù)雜的邊坡情況如考慮土體非均質(zhì)及各向異性等是無能為力的。⑤不能反映邊坡的破壞機(jī)制及描述邊坡屈服的產(chǎn)生、發(fā)展過程,也不能提供坡體內(nèi)應(yīng)力一應(yīng)變的分布情況。

2.2 數(shù)值分析方法

數(shù)值分析方法是一種考慮邊坡土體結(jié)構(gòu)的不連續(xù)性和非均質(zhì)性的特點,通過分析土體應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系,來確定邊坡的穩(wěn)定性及破壞機(jī)制的方法。數(shù)值分析通常是指有限單元分析、邊界單元分析、離散單元方法的分析。有限單元法是數(shù)值分析方法中發(fā)展較為成熟及目前應(yīng)用最為廣泛的方法,是從結(jié)構(gòu)矩陣分析發(fā)展起來的,其特點是將結(jié)構(gòu)離散化為有限個單元求解,單元之間滿足平衡方程與形變協(xié)調(diào)相容方程。優(yōu)點是較其他方法,在邊界條件極其復(fù)雜時靈活有效。缺點是只限于標(biāo)準(zhǔn)形式的單元。邊界單元法的基本思想是應(yīng)用格林定理把區(qū)域內(nèi)的積分變?yōu)檫吔缟系姆匠倘缓笤谶吔缟想x散。優(yōu)點是計算量減少,且誤差僅來源于邊界,精度較高。缺點是不適合邊界條件復(fù)雜的模型。離散單元法是一種應(yīng)用于處理節(jié)理巖化體的分析方法,優(yōu)點是可計算塊體系統(tǒng)大變形。此外不連續(xù)變形分析方法是有限單元法的一種延伸方法,其求解的是有限單元類型的網(wǎng)格,但與有限單元法不同的是允許塊體系統(tǒng)產(chǎn)生不連續(xù)變形。優(yōu)點是既具有有限元理論基礎(chǔ)的嚴(yán)密性,又具有離散元可計算塊體系統(tǒng)大變形的特點。各種分析方法的具體比較見表2。

表2 幾種常用數(shù)值分析方法比較

以有限單元法為代表的數(shù)值分析方法是目前使用最廣泛的一種方法,并且已經(jīng)開發(fā)了多個二維及三維的有限元分析程序,在求解彈性、粘彈塑性、粘塑性等問題上以取得一定優(yōu)勢?？傮w來說數(shù)值分析法的優(yōu)點是部分的考慮了邊坡土體的非均質(zhì)和不連續(xù)性,可以通過計算機(jī)編程模擬土體的應(yīng)力、應(yīng)變大小和分布,避免了極限平衡分析法中將滑體視為剛體而過于簡化的缺點;在計算過程中減少了人為假設(shè),理論上更嚴(yán)格,結(jié)果上更直接。其缺點是它還不能很好地求解大變形和位移不連續(xù)問題,對于無限域、應(yīng)力集中等問題的求解還不理想,對大型工程不適用,并且相對于極限平衡法較復(fù)雜,在本構(gòu)模型和安全系數(shù)的確定上也受到一定的制約,工程應(yīng)用不如剛體極限平衡法普遍。

2.3 不確定性分析方法

2.3.1 灰色系統(tǒng)綜合評價法

灰色系統(tǒng)綜合評價法主要利用灰色關(guān)聯(lián)度分析原理,確定邊坡穩(wěn)定性各影響因素的影響程度,進(jìn)而利用多因素疊加分析評估邊坡的穩(wěn)定性該方法能夠克服常規(guī)分析方法中的不足,是分析因素序列關(guān)聯(lián)關(guān)系的一種系統(tǒng)分析方法,所以,灰色系統(tǒng)理論就很適合邊坡穩(wěn)定性這種數(shù)據(jù)有限、沒有原型、復(fù)雜而又具有不確定性問題的分析和評價。優(yōu)點:該方法直觀簡單,可操作性強(qiáng)。缺點:該方法在功能函數(shù)的確定時帶有人為的經(jīng)驗性[6]。

2.3.2 可靠度分析方法

邊坡工程可靠度分析是把邊坡巖體性質(zhì),荷載,地下水,破壞模式,計算模型等作為不確定量,借鑒結(jié)構(gòu)工程可靠性理論方法,結(jié)合邊坡工程的具體情況,用可靠指標(biāo)或破壞概率來評價邊坡安全度。目前工程結(jié)構(gòu)可靠度常用的計算方法有一次一階矩法、改進(jìn)的一次一階矩法、jc法、帕羅黑莫法、蒙特卡羅法等[7-8]?？煽啃苑治鲇捎诳紤]到邊坡穩(wěn)定性影響因素的不確定性,能更好地反映邊坡工程的實際狀態(tài)[9],但是該方法還處于研究和探索階段,計算前所需的大量統(tǒng)計資料難以獲取,各因素的概率模型及其數(shù)字特征等的合理選取問題還沒得到很好的解決,所以還有待進(jìn)一步發(fā)展完善[10-11]。

2.3.3 模糊綜合評價法

模糊綜合評價是應(yīng)用模糊變換原理和最大隸屬度原則,綜合考慮被評事物或其屬性的相關(guān)因素,進(jìn)而進(jìn)行等級或類別評價。實踐證明,模糊分級評判方法為多變量、多因素影響的邊坡穩(wěn)定性分析提供了一種行之有效的手段[12-13]。其優(yōu)點是能得到邊坡穩(wěn)定性等級分類指標(biāo),據(jù)此判斷出邊坡的穩(wěn)定性情況;缺點是在實際操作過程中,評判中權(quán)數(shù)的分配帶有一定的經(jīng)驗性和主觀性,并且并沒有考慮到各個影響要素。

3 結(jié)論及展望

邊坡穩(wěn)定性問題作為巖土工程的一個重要研究內(nèi)容,分析方法數(shù)目眾多且各有側(cè)重點,因而在實際工程中應(yīng)根據(jù)邊坡的實際地質(zhì)條件及工程的重要程度合理選取適當(dāng)?shù)姆治龇椒āＡ硗庠趯嶋H工程應(yīng)用中,隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展及邊坡穩(wěn)定性問題的復(fù)雜性與單一邊坡穩(wěn)定分析方法的局限性這一矛盾越來越尖銳,多種不同方法之間取長補(bǔ)短,綜合利用已成為一大發(fā)展趨勢[14]。

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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

國家自然科學(xué)基金項目(50909038);河海大學(xué)校級創(chuàng)新訓(xùn)練計劃項目(NJ2011054)

董曉紅(1990—),女(漢族),江蘇連云港人,本科在讀,專業(yè)為港口航道與海岸工程。

梁桂蘭(1979—),女(漢族),江蘇南京人,博士,碩導(dǎo),講師,研究方向為:工程結(jié)構(gòu)及其周圍介質(zhì)的相互作用,工程結(jié)構(gòu)建模與數(shù)值模擬,結(jié)構(gòu)及巖土工程安全檢測和監(jiān)測。

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