李方中

新疆煤田地質(zhì)局綜合隊（830000）

邊坡穩(wěn)定性分析研究現(xiàn)狀

李方中

新疆煤田地質(zhì)局綜合隊（830000）

近百年來，隨著人類社會經(jīng)濟的發(fā)展和大規(guī)模建設(shè)工程的開展，城市建設(shè)、水電、交通、礦山、港口碼頭以及國防工程等各領(lǐng)域都涉及到邊坡工程問題。邊坡的變形、失穩(wěn)導(dǎo)致大型崩滑事故在工程界常有發(fā)生，對國民經(jīng)濟發(fā)展和人民生命財產(chǎn)造成了巨大的損失。邊坡失穩(wěn)變形問題越來越突出，已成為同地震、火山相并列的全球性三大地質(zhì)災(zāi)害之一。文章通過大量文獻調(diào)研，對當(dāng)前邊坡穩(wěn)定性分析研究方法進行了總結(jié)和歸納，可供施工和設(shè)計人員參考。

邊坡穩(wěn)定性；工程地質(zhì)；極限平衡法；數(shù)值模擬

邊坡穩(wěn)定性評價是在對地質(zhì)體充分認識的基礎(chǔ)上，通過對邊坡崩滑作用機理的研究，得出的定性和定量評價結(jié)果[1-3]。邊坡穩(wěn)定分析是巖土工程領(lǐng)域的重要課題之一，多年來許多學(xué)者致力于這方面的研究，內(nèi)容十分豐富，就分析方法而言，主要分為五類：①定性的分析方法，主要有成因歷史地質(zhì)分析法、工程地質(zhì)類比法和圖解法；②定量分析方法（數(shù)學(xué)模型法），主要有基于極限平衡理論的極限平衡分析法、數(shù)值分析法；③非確定性分析方法，主要有基于概率統(tǒng)計理論為基礎(chǔ)的可靠性分析方法；④確定性與非確定性方法的結(jié)合；⑤模型試驗和監(jiān)測分析的方法。

1 工程地質(zhì)類比法

工程地質(zhì)類比法是一種經(jīng)驗性的方法，它是根據(jù)某一地區(qū)邊坡的研究設(shè)計，進行邊坡工程穩(wěn)定性的初步評價。目前，隨著勘測技術(shù)的發(fā)展和各種相應(yīng)規(guī)范的完善，人們對邊坡工程的地質(zhì)評價越來越趨向于理性和科學(xué)化，傾向于綜合采用現(xiàn)代遙感技術(shù)、遙測技術(shù)、勘測技術(shù)，現(xiàn)代數(shù)學(xué)、力學(xué)的新理論和新方法如數(shù)值分析、模糊數(shù)學(xué)、灰色系統(tǒng)理論、斷裂力學(xué)、損傷力學(xué)及概率分析等，實現(xiàn)地質(zhì)過程及各要素的定量描述和定量解釋,并與現(xiàn)代計算機緊密結(jié)合起來,實現(xiàn)定量計算模擬。

2 圖解法

圖解法可以分為兩類：一類是用一定的曲線和偌謨圖形象化地表征邊坡有關(guān)參數(shù)間的定量關(guān)系，并由此求出邊坡穩(wěn)定性系數(shù)；或已知穩(wěn)定系數(shù)及其他參數(shù)（結(jié)構(gòu)面傾角、坡角、坡高）的情況下，求出穩(wěn)定坡角或極限坡高,這實際上是力學(xué)計算的簡化。另一類是利用圖解法求邊坡變形破壞的邊界條件，分析軟弱面的空間組合關(guān)系，分析潛在滑體的形態(tài)和滑動方向,并據(jù)此評價邊坡的穩(wěn)定程度，為力學(xué)計算創(chuàng)造條件。常用的為赤平極射投影分析法及實體比例投影法。

3 極限平衡法

極限平衡法是分析邊坡穩(wěn)定性的基本方法，對于給定的滑面，在一定假設(shè)條件的基礎(chǔ)上，極限平衡法能夠給出合理的邊坡穩(wěn)定性系數(shù)（安全系數(shù)）。該類方法具有簡單、快捷的特點，計算過程清晰明了，計算結(jié)果的精確性基本能夠滿足工程需要，還有與之配套的并且經(jīng)過長期工程經(jīng)驗積累的安全判定標(biāo)準(zhǔn)，所以該方法在工程中得到廣泛地應(yīng)用。

近年來,國內(nèi)外學(xué)者致力于改善極限平衡法，使之逐步完善。T·D·Stark等認為極限平衡二維分析中隱含破壞面垂直剖面方向無窮大的假設(shè)與實際不符，建立了更能反映邊坡實際情況的極限平衡三維分析法。G·Zornberg等以試驗為手段分析了人工加固邊坡的破壞機理，將斜坡的穩(wěn)定性問題推廣到人工加固邊坡領(lǐng)域。美國的John H.Huang教授模擬生物進化步驟，提出了遺傳進化算法。肖專文等采用遺傳進化算法確定了邊坡最危險滑動面及對應(yīng)的最小安全系數(shù)。朱大勇、姜弘道[4]發(fā)明了一種新的邊坡穩(wěn)定性計算方法——臨界滑動場法（簡稱CSF法）。

4 數(shù)值模擬計算

近年來，數(shù)值分析方法在邊坡穩(wěn)定分析領(lǐng)域取得了巨大的進展。通過計算模擬，可以模擬邊坡加載、卸載的全過程，可以模擬并得到模擬體內(nèi)部的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系,再現(xiàn)其變形甚至破壞過程及其機制。數(shù)值分析方法按照模型材料的假定條件可以大致分為兩類。一類是基于連續(xù)介質(zhì)的分析方法，包括有限元法、邊界元法、快速拉格朗日差分法(FLAC法)等。這些方法具有強大的處理復(fù)雜幾何邊界和材料非線性的能力[5]，可以模擬有限條數(shù)的巖體結(jié)構(gòu)面。這是目前理論體系比較嚴格也比較成熟的一類方法。另一類是基于非連續(xù)介質(zhì)的分析方法，包括離散元法、界面元法、DDA方法、流形元法等。這些方法具有強大的處理非連續(xù)介質(zhì)和大變形的能力，不僅能夠比較真實地模擬邊坡應(yīng)力應(yīng)變和變形發(fā)展、破壞的全過程，而且還能以動畫的形式提供邊坡破壞以后塌落、崩解的過程。

5 地質(zhì)力學(xué)物理模擬試驗

對于超大型工程，地質(zhì)力學(xué)物理模型試驗研究的重要性是數(shù)值模擬無法替代的。物理模型是真實的物理實體，能真實地反映地質(zhì)構(gòu)造和工程結(jié)構(gòu)的空間、時間關(guān)系，準(zhǔn)確地模擬施工過程和影響。模型試驗的結(jié)果能給人以更直觀的概念和感受，從全局上把握巖體整體工程力學(xué)特征、變形趨勢、穩(wěn)定性特點以及各地質(zhì)體與結(jié)構(gòu)物之間的相互關(guān)系，對巖體破壞機制和安全儲備能力進行比較和判斷。物理模型試驗也能夠?qū)Ω鞣N數(shù)值分析結(jié)果進行一定程度上的驗證。

6 小結(jié)

在邊坡工程中,邊坡的開挖支護方案不同，工程的治理效果和治理費用也不同。相比較傳統(tǒng)的極限平衡方法，有限元方法能夠?qū)吰碌拈_挖過程進行分步模擬，能較直觀地反映邊坡開挖過程中邊坡各部位的位移和變形，為治理設(shè)計方案的選擇提供有力支持。根據(jù)工程的不同性質(zhì)，通常需要多種方法配合使用。總之，由于邊坡工程是一項復(fù)雜的系統(tǒng)工程，涉及工程地質(zhì)和水文地質(zhì)、工程力學(xué)與工程結(jié)構(gòu)、土力學(xué)與基礎(chǔ)工程學(xué)等多個學(xué)科，是由若干具有獨立功能的體系和部分組成的整體。邊坡復(fù)合支擋體系的設(shè)計與施工，均應(yīng)從這一整體的系統(tǒng)出發(fā)，按照信息化設(shè)計與施工的原則，尋求整個系統(tǒng)的最優(yōu)化，才能夠在保證邊坡安全的同時，實現(xiàn)工程經(jīng)濟、技術(shù)的最優(yōu)化。

[1]鄭穎人,陳祖煜,王恭先,凌天清.邊坡與滑坡工程治理[M].北京：人民交通出版社,2007,1.

[2]李海光,等.新型支擋結(jié)構(gòu)設(shè)計與工程實例[M].北京：人民交通出版社,2004,1.

[3]孫玉科,牟會寵,姚寶魁.邊坡巖體穩(wěn)定性分析[M].北京：科學(xué)出版社,1988.

[4]朱大勇,姜弘道.邊坡臨界滑動場方法與應(yīng)用[J].水利水電科技進展,2000,6.

[5]鄭穎人,趙尚毅.有限元強度折減法在土坡與巖坡中的應(yīng)用[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報,2004,10.