鐘學(xué)梅，付成華*，何 歡，趙 川

(西華大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院，成都 610039)

邊坡穩(wěn)定性是巖土工程領(lǐng)域里一個重要的研究課題［1］。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，邊坡穩(wěn)定性分析方法已經(jīng)從定性分析法(經(jīng)驗類比法、工程地質(zhì)法、結(jié)構(gòu)分析法)發(fā)展到現(xiàn)在的定量分析方法(極限平衡法、數(shù)值計算方法)。但由于邊坡穩(wěn)定性受地形、地貌、地質(zhì)構(gòu)造、邊坡坡度、地下水、坡頂作用荷載、降雨入滲、軟弱夾層等因素的影響，其中有些因素又具有隨機性、可變性等特點，使得邊坡的穩(wěn)定性具有不確定性［2-5］，所以在采用極限平衡法和數(shù)值計算方法對邊坡進行定量分析的基礎(chǔ)上，還應(yīng)用不確定分析法(敏感性分析、可靠性分析、灰色系統(tǒng)預(yù)測法、人工智能等)對不同的影響因素進行分析，從而更準(zhǔn)確地分析邊坡的穩(wěn)定性，預(yù)防滑坡等問題。

目前許多學(xué)者對邊坡穩(wěn)定性的影響因素進行敏感性分析［4］。倪恒等［5］認(rèn)為敏感性分析的一般方法具有局限性，于是采用正交設(shè)計方法，對地震力加速度、內(nèi)摩擦角、粘聚力、巖體密度和水位變化進行敏感性分析，利用SARMA法計算穩(wěn)定性系數(shù)，并利用方差分析法對試驗結(jié)果進行處理，從而得出水位變化為最敏感因素;曹軍義等［6］以非飽和土含水率為影響因素計算了不同含水率下邊坡的安全系數(shù)，從而確定了含水率是影響邊坡穩(wěn)定的一個重要參數(shù);呂曉光等［7］采用正交試驗法分析土的不飽和重度、滲透系數(shù)、彈性模量、泊松比、粘聚力和內(nèi)摩擦角對邊坡穩(wěn)定性的影響，運用極差分析法處理試驗結(jié)果，從而得出內(nèi)摩擦角對邊坡穩(wěn)定的影響性最大。本文在此基礎(chǔ)上，考慮邊坡土容重、粘聚力、內(nèi)摩擦角、地下水位以及坡比等5個影響因素，分別采用單因素分析法和正交試驗法進行敏感性分析，利用極限平衡法中的Morgenstern-price法計算不同因素條件下的邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)，并以此作為試驗指標(biāo)，利用極差分析法［7］分析其變化規(guī)律，根據(jù)安全系數(shù)的變化幅度，確定各因素影響程度、敏感性大小。同時，通過對比單因素分析法和正交試驗法的分析，進一步探討2種分析方法的優(yōu)缺點。

1 單因素法進行敏感性分析

單因素分析法是一種比較簡單的、用于分析影響因素敏感性大小的方法［4］。邊坡穩(wěn)定性影響因素的敏感性分析常將穩(wěn)定安全系數(shù)K作為試驗指標(biāo)，K與影響因素Xi之間的函數(shù)關(guān)系可表示為:K=f(X1，X2，…，Xn)。

圖1 均質(zhì)邊坡剖面

以圖1所示的均質(zhì)土質(zhì)邊坡為例，單因素敏感性的分析步驟為:

1)選定基準(zhǔn)值坡高10 m，坡頂距左邊界20 m，坡腳距右邊界10 m，坡比為1∶2，粘聚力14 kPa，土容重18 kN·m-3，內(nèi)摩擦角 20°，不考慮地下水，計算出K。

2)分別改變土容重、粘聚力、內(nèi)摩擦角、地下水位及坡比，利用geo-slope軟件，采用極限平衡法中的Morgenstern-price法［1］計算不同因素條件下的K。

3)分別計算出K的相對變化率和各因素的相對變化率，其比值即為各因素的敏感度，其中:為K的相對變化率;為各因素的相對變化率。

單因素敏感性分析結(jié)果如表1—6所示。

表1 重度敏感性分析

由表1可知:隨著土容重的增加，K呈減小趨勢。

表2 粘聚力敏感性分析

由表2可知:粘聚力越大，K越大。

表3 內(nèi)摩擦角敏感性分析

由表3可知:K隨著內(nèi)摩擦角的增大而增大。

表4 地下水敏感性分析

由表4可知:地下水位越低越有利于邊坡穩(wěn)定。

表5 坡比敏感性分析

由表5可知:隨著坡比的增大，K越來越大，越有利于邊坡的穩(wěn)定。

綜合計算出這5個因素的敏感度如表6所示，可見:邊坡坡比的敏感度最大，其次是土體的內(nèi)摩擦角、粘聚力、土容重，最不敏感的因素是地下水位。

表6 敏感度計算結(jié)果

2 多因素正交試驗法進行敏感性分析

表7 因素水平表

2)根據(jù)正交試驗原則和特點，選擇合適的正交

多因素分析法考慮了各因素變化之間的相關(guān)性，能反應(yīng)出各因素同時變化對邊坡穩(wěn)定性的影響。這里采用多因素分析法中的正交試驗設(shè)計方法［7］來考慮多因素同時變化的相關(guān)性。

以圖1所示的均質(zhì)邊坡為例，具體步驟為:

1)考慮土容重、粘聚力、內(nèi)摩擦角、地下水位、坡比5個因素對邊坡穩(wěn)定性的影響，采用5因素3水平進行正交試驗，因素水平如表7所示。表Lm(ar)，其中:L為正交表符號;m為試驗次數(shù);a為因素的水平數(shù);r為正交表列數(shù)。這里有5因素3水平，故選用L18(35)，確定正交試驗方案。

3)利用geo-slope軟件，采用極限平衡法中的Morgenstern-price法計算不同試驗方案下的邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)。

4)以穩(wěn)定安全系數(shù)作為考察指標(biāo)，對試驗結(jié)果進行極差分析［7］，確定這些影響因素的敏感度。

正交試驗方案及穩(wěn)定安全系數(shù)計算結(jié)果如表8所示。

表8 正交試驗方案及計算結(jié)果

由正交試驗設(shè)計方案計算得到的邊坡最大安全系數(shù)為2.386，對應(yīng)方案3:土容重取最小值，粘聚力和內(nèi)摩擦角取最大值，地下水位取最低水位，坡比取最大值，即邊坡坡度越緩、土體的粘聚力和內(nèi)摩擦角越大、地下水位越低、土容重越小，越有利于邊坡的穩(wěn)定。

根據(jù)表8的計算結(jié)果，求出各個因素相同水平下的平均值，用最大值減去最小值得到極差，極差分析結(jié)果如表9所示。由極差分析結(jié)果可知，邊坡穩(wěn)定的這5個影響因素中敏感性由強到弱分別為坡比、內(nèi)摩擦角、粘聚力、土容重和地下水位。

表9 極差分析表

3 結(jié)語

采用極限平衡法對土容重、粘聚力、內(nèi)摩擦角、地下水位以及邊坡的坡比進行了單因素和多因素敏感性分析表明:單因素分析法單獨考慮各個影響因素的變化，沒有考慮因素間的相關(guān)性，試驗結(jié)果具有局限性，不過單因素分析法能直觀地反映單一因素對邊坡穩(wěn)定性的影響。正交試驗法考慮了多因素間的相關(guān)性，試驗結(jié)果更加準(zhǔn)確，采用多因素正交試驗法進行敏感性分析更合理。同時由敏感性分析確定出了影響邊坡穩(wěn)定性的主要因素和次要因素，即坡比的敏感性最強為主要影響因素，其次分別為土體的物理力學(xué)參數(shù):內(nèi)摩擦角、粘聚力、土容重，敏感性最小的是地下水位，這對土質(zhì)邊坡穩(wěn)定和災(zāi)害防治有一定的參考價值。通常實際工程邊坡的穩(wěn)定性還受降雨、地震等因素的影響。影響因素越多，且這些因素之間相互影響、相互作用，實際情況將越復(fù)雜，因此，進一步深入研究邊坡穩(wěn)定影響因素的敏感性對實際工程邊坡治理和災(zāi)害防治具有重要意義。

［1］陳祖煜.土質(zhì)邊坡穩(wěn)定分析:原理·方法·程序［M］.北京:中國水利水電出版社，2005.

［2］曾亞武，田偉明.邊坡穩(wěn)定性分析的有限元法與極限平衡法的結(jié)合［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報.2005，24(S2):5355-5359.

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［6］曹軍義，展辰輝，王改山.土質(zhì)高邊坡穩(wěn)定因素的敏感性分析［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2005，24(S2):5350-5354.

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