方 芳

(重慶交通大學(xué) 重慶 400074)

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關(guān)于土質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析方法的研究

方 芳

(重慶交通大學(xué) 重慶 400074)

在經(jīng)典的土力學(xué)問題中，土邊坡穩(wěn)定性分析是一個(gè)重大的課題。本文總結(jié)了土邊坡穩(wěn)定性分析主要方法的原理、異同點(diǎn)、優(yōu)缺點(diǎn)以及其假設(shè)條件。同時(shí)，總結(jié)了邊坡穩(wěn)定性分析研究中出現(xiàn)的新理論新方法，它們與傳統(tǒng)方法互補(bǔ)互益，為更好地分析邊坡穩(wěn)定性問題提供理論支持。

邊坡；穩(wěn)定性；分析方法；綜述

一、前言

土坡的穩(wěn)定性分析是巖土工程或土木工程的重要研究課題之一，其分析評價(jià)結(jié)果的好壞直接決定了工程實(shí)際的成敗，故而一直是學(xué)者們試圖解決但一直無法圓滿解決的問題。傳統(tǒng)分析法主要有：極限平衡法,極限分析法，滑移線場法等。但目前在工程實(shí)際中，得到普遍使用的還是極限平衡法，但此法需要假設(shè)或已知最危險(xiǎn)滑動(dòng)面的位置和坡面的斷面形狀。隨著研究的進(jìn)一步深入開展，許多學(xué)者將一些交叉學(xué)科也應(yīng)用到土坡穩(wěn)定性分析之中。如：模糊數(shù)學(xué)、遺傳學(xué)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、灰色理論、蟻群算法、突變理論、分形理論、混沌等。

二、土坡穩(wěn)定性分析的常用方法

1.極限平衡法

極限平衡法[1]是處理邊坡穩(wěn)定性問題時(shí)最常用、最普遍的一種方法。在邊坡處于臨近破壞狀態(tài)，通過滑動(dòng)面以上土體自身的抗滑力應(yīng)與外部的滑動(dòng)力之間相互平衡的條件，可得到土體在自重和外力作用下的邊坡穩(wěn)定程度，此時(shí)的穩(wěn)定程度即土坡的安全性系數(shù)F。

進(jìn)行極限平衡分析時(shí)，常將滑動(dòng)的土體劃分為若干個(gè)的垂直土條，這樣的分析方法被稱為條分法。條分法它假定邊坡內(nèi)存在潛在的滑動(dòng)面，在這一滑動(dòng)面上，處處達(dá)到了極限平衡狀態(tài)。在過去的近百年里，根據(jù)不同的假設(shè)條件提出了不同的極限平衡計(jì)算方法。最早是由瑞典的賀爾汀和彼得森提出的瑞典條分法，它忽略了土條兩側(cè)的作用力，假設(shè)滑動(dòng)面為圓柱面。目前常用的分條法還有簡化畢肖普法、簡化楊布法、spencer法和Morgenstern-Price法等。各自的假設(shè)條件見表1。

表1 常用分條法的簡化假設(shè)

極限平衡法具有模型與計(jì)算公式簡單、能適應(yīng)各種復(fù)雜的斷面幾何形狀和土質(zhì)以及孔隙水壓力、能考慮多種加載形式等優(yōu)點(diǎn)。但極限平衡理論假定土體為剛體，忽略了土體自身的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，也無法分析邊坡變形對邊坡穩(wěn)定造成的影響。

2.有限元法

在20世紀(jì)60年代起，隨著計(jì)算機(jī)軟件的發(fā)展，有限元單元法[2]開始應(yīng)用于邊坡穩(wěn)定性的研究分析。它通過建立邊坡各離散單元的幾何方程、物理方程和平衡方程來計(jì)算土坡彈性、彈塑性、粘彈塑性以及非線性等問題，可以得到各單元的應(yīng)力、應(yīng)變、位移以及屈服破壞時(shí)的狀況。它將土體自身的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系和土體自身變形情況考慮到了土坡穩(wěn)定性計(jì)算中去。

近些年來，有限元的強(qiáng)度折減法[3]備受重視。其基本原理是將土體的粘聚力、內(nèi)摩擦角同時(shí)除以一個(gè)折減系數(shù)Ftrial，得到一組新的粘聚力和內(nèi)摩擦角值，并將其代入有限元進(jìn)行試算。若試算正好能收斂，且Ftrial再增大一點(diǎn)(數(shù)量級一般為10-3)計(jì)算就不收斂，這時(shí)的Ftrial就被定義為坡體的最小安全系數(shù)，而此時(shí)的土體達(dá)到了臨界狀態(tài)發(fā)生剪切破壞。

基于強(qiáng)度折減法的有限元計(jì)算邊坡整體穩(wěn)定失穩(wěn)的標(biāo)志，就是在滑動(dòng)面上節(jié)點(diǎn)的塑性應(yīng)變或者位移出現(xiàn)突變時(shí)。而塑性區(qū)由坡腳貫通到坡頂并不代表邊坡就發(fā)生了整體破壞，這只是發(fā)生邊坡整體破壞的必要條件。塑性區(qū)貫通后仍需要考察塑性應(yīng)變是否具有繼續(xù)發(fā)展的邊界條件。

三、土坡穩(wěn)定性分析的新思路、新方法

1.可靠度方法

傳統(tǒng)邊坡穩(wěn)定性分析中使用的是“確定性的”方法，即是基于安全系數(shù)的一種定值分析方法[4]。但是由大量試驗(yàn)和實(shí)際工程表明，在邊坡穩(wěn)定性計(jì)算中的許多參數(shù)都具有一定的隨機(jī)性，如土體的力學(xué)參數(shù)、孔隙水壓力以及荷載等。當(dāng)這些因素具有了較大的隨機(jī)變異性時(shí)，若依舊使用“確定性的”分析方法時(shí)就可能會(huì)給計(jì)算結(jié)果引入誤差。甚至在邊坡穩(wěn)定性計(jì)算時(shí)，當(dāng)安全系數(shù)小于1，邊坡依然未破壞的情況?；诟怕收撆c數(shù)理統(tǒng)計(jì)的可靠度分析方法，可以考慮到影響邊坡穩(wěn)定性的各種變量隨機(jī)特征及分布規(guī)律。將可靠度理論應(yīng)用于工程實(shí)際還需要在兩方面進(jìn)行研究：同邊坡穩(wěn)定性有關(guān)的隨機(jī)統(tǒng)計(jì)分析；邊坡穩(wěn)定的可靠性分析方法研究。目前，有許多學(xué)者研究相關(guān)的隨機(jī)性統(tǒng)計(jì)。

2.模糊數(shù)學(xué)法

邊坡的土體本身是客觀存在的，不具有模糊性，但由于人們沒能完全也不可能完全的掌握其規(guī)律和性質(zhì)，只能用定性或半定量的描述，故而對邊坡的認(rèn)識(shí)是模糊的[5]。為此，將模糊數(shù)學(xué)的理論引入了邊坡穩(wěn)定性分析。模糊數(shù)學(xué)分析邊坡穩(wěn)定性問題的主要方法：模糊綜合判定法、模糊聚類、模糊參數(shù)非概率穩(wěn)定性分析以及與可靠度相結(jié)合的模糊隨機(jī)理論等。

3.遺傳算法

遺傳算法[6]是通過模擬達(dá)爾文的遺傳選擇和自然淘汰的生物進(jìn)化過程的來建立模型，借助復(fù)制、雜交、變異等過程，不斷進(jìn)行迭代，在經(jīng)由多次的迭代后，群體中的最優(yōu)值逐次逼近最優(yōu)解，直至最終達(dá)到了全局最優(yōu)。它是一類隨機(jī)算法。遺傳算法步驟為選擇、交叉和變異。用遺傳算法求解問題時(shí)，首先針對問題的模型結(jié)構(gòu)及參數(shù)進(jìn)行編碼，通常用字符串來表達(dá)，這就實(shí)現(xiàn)了將問題的符號化和離散化。

四、小結(jié)

在土坡穩(wěn)定是土木工程、水利工程中常常會(huì)遇到的問題。若對土坡問題處理不當(dāng)而導(dǎo)致失穩(wěn)劃破，這不僅影響工程進(jìn)展，甚至危及人的生命安全和造成工程事故。因此，土坡穩(wěn)定性問題的研究具有較大的實(shí)際意義。

[1]鄭穎人，趙尚毅，時(shí)衛(wèi)民，等.邊坡穩(wěn)定分析的一些進(jìn)展[J].地下工程，2001，21(4)：262-271.

[2]馬曉雨.基于強(qiáng)度折減有限元法的土坡穩(wěn)定性分析研究[D].大連：大連理工大學(xué)，2008.

[3]張魯渝，趙尚毅，鄭穎人，等.有限元強(qiáng)度折減法計(jì)算土坡穩(wěn)定安全系數(shù)的精度研究[J].水利學(xué)報(bào)，2003，21-27.

[4]馮利軍，李競生.應(yīng)用蒙特卡羅-免疫遺傳算法分析土坡的穩(wěn)定可靠性[J].工程地質(zhì)學(xué)報(bào)，2008，16(1)：76-83.

[5]王艷霞.模糊數(shù)學(xué)在邊坡穩(wěn)定分析中的應(yīng)用[J].巖土力學(xué)，2010，31(9)：3000-3004.

[6]闕金聲，陳劍平，王清，等.遺傳算法在土坡整體穩(wěn)定性分析中的應(yīng)用[J].巖土力學(xué)，2008，29(2)：415-419.

方芳(1994-)，女，漢族，重慶市渝北區(qū)人，碩士研究生在讀，重慶交通大學(xué)港口、海岸及近海工程專業(yè)，研究方向：港口工程災(zāi)害及防護(hù)。