劉 磊 皮 漫 屈 潔（西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司海外設(shè)計(jì)分院，陜西 西安 710065）

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常用的邊坡穩(wěn)定性分析方法

劉 磊 皮 漫 屈 潔
（西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司海外設(shè)計(jì)分院，陜西 西安 710065）

摘 要：伴隨著公路建設(shè)、橋梁建設(shè)、水利建設(shè)等現(xiàn)代常見的工程建設(shè)越來(lái)越注重工程質(zhì)量，邊坡穩(wěn)定性成為衡量其工程質(zhì)量的一個(gè)十分重要的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)其的分析方法也日益豐富，準(zhǔn)確性也不斷提高。

關(guān)鍵詞：邊坡穩(wěn)定性；不確定性方法；確定性方法

隨著現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展，各種各樣的工程建設(shè)領(lǐng)域都需要更多的考慮到其質(zhì)量以及安全性，而邊坡穩(wěn)定性就是衡量工程質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)之一。同時(shí)工程建設(shè)過(guò)程中的邊坡穩(wěn)定性還需要考慮到自然環(huán)境的影響。下文就將以不確定性方法和確定性方法的分類方法對(duì)常用的幾種邊坡穩(wěn)定性分析的方法進(jìn)行闡述。

一、不確定性方法

1 模糊分析法

模糊分析方法是運(yùn)用了模糊數(shù)學(xué)理論，通過(guò)收集、整理邊坡的實(shí)際資料，對(duì)邊坡的情況進(jìn)行綜合分析考量，建立各個(gè)參數(shù)信息之間的模糊關(guān)系，進(jìn)而運(yùn)用模糊綜合的方法來(lái)判斷、研究該邊坡的穩(wěn)定性。雖然模糊分析法充分考慮了多種環(huán)境影響因素和多種影響變量，而且沒有復(fù)雜的計(jì)算過(guò)程，但由于真實(shí)環(huán)境中的不確定因素以及環(huán)境的多變性，同時(shí)使用的是模糊數(shù)學(xué)的概念和理論，因此模糊分析法所得出的結(jié)果并不具有很高的可靠性。根據(jù)這一特點(diǎn)，模糊分析法在工程建設(shè)的實(shí)際情況中更多的應(yīng)用在對(duì)大型邊坡的整體穩(wěn)定性的判斷。

2 灰色關(guān)聯(lián)理論

灰色關(guān)聯(lián)理論的基礎(chǔ)是邊坡的已知數(shù)據(jù)和未知數(shù)據(jù)。首先，將這些已知數(shù)據(jù)和未知數(shù)據(jù)看做是灰色量，將這些灰色量做無(wú)量綱化，使得這些數(shù)據(jù)具有同序性和等效性，以便后面的計(jì)算和分析；然后，用最小二乘法對(duì)已進(jìn)行無(wú)量綱化的數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步處理，計(jì)算出數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)度，因?yàn)殛P(guān)聯(lián)度的影響因素有很多，如參考序列、序列長(zhǎng)度、分辨系數(shù)等，所以關(guān)聯(lián)度的數(shù)值并不唯一，因此需要對(duì)關(guān)聯(lián)度進(jìn)行比較分析得出最適合的關(guān)聯(lián)度數(shù)值；最后，分析已得到的數(shù)據(jù)建立邊坡模型，對(duì)邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行判斷。

3 隨機(jī)搜索耦合算法

由于在計(jì)算邊坡穩(wěn)定性的過(guò)程中常常會(huì)考慮到環(huán)境和工程建設(shè)過(guò)程中多種多樣的影響因素，因此通常會(huì)建立起來(lái)一個(gè)極其復(fù)雜的非線性的規(guī)劃問(wèn)題，求解的過(guò)程也是較為復(fù)雜繁瑣。而隨機(jī)搜索耦合算法則可以為非線性規(guī)劃問(wèn)題提供一個(gè)簡(jiǎn)化求解過(guò)程、縮短求解時(shí)間的相對(duì)有效的近似解。這種算法是將固體退火過(guò)程作為模擬對(duì)象，同時(shí)運(yùn)用冷卻進(jìn)度表的參數(shù)控制算法進(jìn)行計(jì)算，從而得出一個(gè)近似解。雖然這種方法大大簡(jiǎn)化了計(jì)算過(guò)程，但也只有在參數(shù)相對(duì)較少的情況下才有更高的信度，不適用于具有大規(guī)模的參數(shù)的計(jì)算。

二、確定性分析方法

1 極限平衡法

在邊坡穩(wěn)定性分析的目前情況看來(lái)，極限平衡法是最為經(jīng)典的確定性分析方法，不僅運(yùn)用普遍廣泛，同時(shí)還可以得出相對(duì)可靠的分析結(jié)果。這種分析方法的思路是：發(fā)生邊坡的不穩(wěn)定情況是因?yàn)檫吰碌耐馏w相互之間發(fā)生了相對(duì)滑動(dòng)，所以可以假定發(fā)生滑動(dòng)的接觸面已知，同時(shí)對(duì)邊坡的土體進(jìn)行靜力平衡等數(shù)據(jù)的分析，從而分析得出發(fā)生滑動(dòng)的土體的破壞載荷，進(jìn)一步就可以對(duì)該邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行分析。

2 圖解法

20世紀(jì)30年代提出的邊坡穩(wěn)定性分析圖解法發(fā)展至今，已經(jīng)出現(xiàn)了不同的分析圖表，甚至經(jīng)過(guò)改進(jìn)得到了簡(jiǎn)化公式。由此可以看出，圖解法具有方法簡(jiǎn)便、直觀明了、形象定量的特點(diǎn)，正因如此直到現(xiàn)在也被廣泛應(yīng)用于工程建設(shè)當(dāng)中。該方法是綜合考慮土體物理性質(zhì)、地下水性質(zhì)以及邊坡的參數(shù)等數(shù)據(jù)，然后根據(jù)所對(duì)應(yīng)的公式來(lái)繪制出表和圖，根據(jù)表圖更為直觀、簡(jiǎn)便的得到邊坡的穩(wěn)定性。但在運(yùn)用圖解法的過(guò)程當(dāng)中需要注意圖解法所適用的前提條件和范圍，以提高結(jié)論的準(zhǔn)確度和可靠度。

3 有限元方法

由于邊坡穩(wěn)定性分析的極限平衡法對(duì)土體的應(yīng)力以及應(yīng)力的應(yīng)變關(guān)系考慮有所欠缺，導(dǎo)致計(jì)算和分析時(shí)也會(huì)出現(xiàn)一定的誤差和不準(zhǔn)確性。而有限元法則可以很好的解決這個(gè)問(wèn)題，應(yīng)用范圍將會(huì)擴(kuò)大到地質(zhì)情況復(fù)雜的條件下，同時(shí)計(jì)算結(jié)果也會(huì)更加精確。有限元方法是建立起了理想彈塑性模型，同時(shí)遵循強(qiáng)度屈服原則，參考安全系數(shù)，更加形象具體的模擬出當(dāng)邊坡發(fā)生滑動(dòng)時(shí)的應(yīng)力改變、應(yīng)變規(guī)律和形變機(jī)制。這些就是進(jìn)一步判斷邊坡穩(wěn)定性的關(guān)鍵參考數(shù)據(jù)，但仍需要注意到有限元方法在發(fā)生大滑動(dòng)、大變形等問(wèn)題時(shí)局限性。

三、計(jì)算舉例

某水庫(kù)的控制面積為5800km2，年徑流量為440億m3，平均流量為140方每秒，庫(kù)容為5.72億m3，防洪庫(kù)容為8614 萬(wàn)m3，興利庫(kù)容為35289萬(wàn)m3，電站裝機(jī)150MW，圍堰上游坡高為18.25m，坡度為1∶1.6，下游坡高為18.32m，坡度為1∶5.0。計(jì)算施工工況下該水庫(kù)的邊坡穩(wěn)定性。根據(jù)題意建立的模型如圖1所示。通過(guò)兩種方法分析計(jì)算可知，極限平衡法計(jì)算的最小安全系數(shù)為1.436，有限元方法計(jì)算的最小安全系數(shù)為1.35，兩種情況下最危險(xiǎn)滑動(dòng)面的示意圖如圖2、圖3所示。結(jié)果分析：根據(jù)比較極限平衡法和有限元方法計(jì)算的結(jié)果比較可知，兩種計(jì)算結(jié)果相差不大，因此可以推斷出兩種方法的可信度，同時(shí)可以看出在施工工況下該水庫(kù)邊坡穩(wěn)定性差。

結(jié)語(yǔ)

邊坡穩(wěn)定性分析在許多建設(shè)領(lǐng)域當(dāng)中都已經(jīng)成為了十分重要的課題，雖然邊坡穩(wěn)定性分析的方法時(shí)至今日已多種多樣，但考慮到自然環(huán)境和各個(gè)分析方法所具有的局限性，因此在面對(duì)邊坡穩(wěn)定性分析時(shí)應(yīng)該結(jié)合多種方法對(duì)其進(jìn)行分析，這樣才能保證結(jié)論的正確性。

參考文獻(xiàn)

[1]夏元友，李梅.邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法研究及發(fā)展趨勢(shì)[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2002（07）.

中圖分類號(hào)：TU413

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A