邊坡穩定分析方法綜述及發展趨勢研究

董曉紅,梁桂蘭,許忠厚

(河海大學港口海岸與近海工程學院,江蘇南京 210098)

邊坡穩定分析方法綜述及發展趨勢研究

董曉紅,梁桂蘭,許忠厚

(河海大學港口海岸與近海工程學院,江蘇南京 210098)

邊坡穩定性問題是巖土工程中的一個重要研究內容。邊坡破壞具有不同的模式,相對應便產生了多種分析方法。采用列表比較方法側重列述了各分析方法的優缺點及工程適用范圍,以便于工程實踐應用的參考。總體上將穩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,并在最后對邊坡穩定性分析方法的發展趨勢作了展望。

邊坡穩定分析;定量分析;定性分析;不確定性分析;發展趨勢

滑坡是指邊坡喪失其原有穩定性,一部分巖土體相對于另一部分巖土體發生活動的現象。滑坡是自然界和基本工程建設中面臨的重大災害,在國民經濟建設中已造成多次重大經濟損失及人員傷亡事件。因此,研究邊坡穩定性問題具有重要意義。邊坡穩定性問題的研究已有一百多年的歷史,但由于邊坡發生破壞失穩是一個包含邊坡內部結構復雜性和組成邊坡巖石物質不同等原因的復雜地質過程,所以尚未形成完善的理論體系。目前人們多采取半經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行現場地質勘察,由所獲得的邊坡的工程地質、水文地質條件等分析邊坡可能發生的變形破壞方式及失穩的力學機制,并且對已發生變形的地質體的成因和演化過程進行分析,從而根據分析結果對被評價邊坡體的穩定性狀況和可能發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、工程地質分析法、圖解法。

歷史成因分析法是指通過對滑坡發育的地質環境、發育歷史中的各種變形破壞跡象及其基本規律和穩定性影響因素等的分析,推演出邊坡的歷史演變過程,從而對邊坡穩定性的總體現狀及發展趨勢做出評價與預測,并對已發生滑動的滑坡體,判斷其能否復活或轉化。該方法主要適用于天然邊坡的穩定性評價。

優點考慮邊坡的歷史成因,尤其是時間因素對土的影響。

工程地質類比法就是通過調查統計已有邊坡的現狀,包括坡高坡腳巖石組成、自然環境等主要影響因素,建立圖表等評分體系來評判邊坡穩定性。此方法需要對已有的邊坡進行大量的研究,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,對評價邊坡的穩定性狀況做出判斷。所以特別適用于地質條件復雜的礦山巖質高邊坡。缺點主要為類比時主觀隨意性太大。

圖解法是依據試驗、地質學、力學和工程經驗,考慮邊坡的各種因素并根據相應的公式制成圖表,使用時只需要查相應的圖表即可。圖解法可分為諾模圖法和赤平投影圖法。圖解法優點:簡單直接,能快速、直觀地分辨出控制邊坡穩定性的主要結構面和次要結構面,確定出邊坡結構的穩定性類型,判斷不穩定塊體的形狀、規模和滑動方向。缺點:簡化過程中使用的假設導致與實際情況有誤差,并且對判斷為不穩定的巖質邊坡需進一步用計算加以驗證。

2 定量分析

2.1 基礎理論—極限平衡法

極限平衡法是邊坡穩定分析中最常用的方法。該方法假設滑坡體和滑面以下的土體均為不變形的剛體,發生滑坡時該剛體沿著一個潛在的滑動面發生剛性滑動或轉動,滑動面為一連續面。通過對潛在滑體在臨界狀態下的受力分析,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度準則,根據滑坡的力或力矩的平衡,計算土體在荷載作用下的穩定安全系數,并以其大小來判斷邊坡的穩定性。極限平衡分析法從最古老又最簡單的條分法—瑞典條分法發展到Bishop法、Janbu法、不平衡推力法等已有了多種具有實踐指導意義的方法。其中瑞典條分法假設滑動面為圓弧面,不考慮條間力。這兩種假設與現實中復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又在此基礎上提出了簡化畢肖譜條分發。該法仍假設滑動面為圓弧面,并假定切向條間力為零。通過重新定義安全系數為沿整個滑裂面的抗剪強度與實際產生剪應力的比值,使得安全系數的物理意義更加明確;Janbu普通條分法則假設滑動面為任意面,條件法向作用力的作用點在畫面以上1/3土條高度處,通過調整作用點的位置已獲得比較準確的安全系數;不平衡推理法假設滑動面為任意面,法向條間力和切向條間力之間為某種函數關系[5]。幾種分析計算方法的總結見表1。

表1 幾種分析計算方法的總結

極限平衡法在邊坡穩定性分析中得到了廣泛應用,尤其是瑞典條分法,經過多年的不斷發展及完善積累了大量的經驗,并且我國規范中在計算邊坡穩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比假定的情況復雜得多,所以所得結果無法準確代表真實應力狀態。②使用了莫爾——庫倫強度破壞準則,尚無法考慮更復雜的破壞準則。③計算時得到的邊坡安全系數可能大于實際情況。④對復雜的邊坡情況如考慮土體非均質及各向異性等是無能為力的。⑤不能反映邊坡的破壞機制及描述邊坡屈服的產生、發展過程,也不能提供坡體內應力一應變的分布情況。

2.2 數值分析方法

數值分析方法是一種考慮邊坡土體結構的不連續性和非均質性的特點,通過分析土體應力與應變的關系,來確定邊坡的穩定性及破壞機制的方法。數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。有限單元法是數值分析方法中發展較為成熟及目前應用最為廣泛的方法,是從結構矩陣分析發展起來的,其特點是將結構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調相容方程。優點是較其他方法,在邊界條件極其復雜時靈活有效。缺點是只限于標準形式的單元。邊界單元法的基本思想是應用格林定理把區域內的積分變為邊界上的方程然后在邊界上離散。優點是計算量減少,且誤差僅來源于邊界,精度較高。缺點是不適合邊界條件復雜的模型。離散單元法是一種應用于處理節理巖化體的分析方法,優點是可計算塊體系統大變形。此外不連續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格,但與有限單元法不同的是允許塊體系統產生不連續變形。優點是既具有有限元理論基礎的嚴密性,又具有離散元可計算塊體系統大變形的特點。各種分析方法的具體比較見表2。

表2 幾種常用數值分析方法比較

以有限單元法為代表的數值分析方法是目前使用最廣泛的一種方法,并且已經開發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勢。總體來說數值分析法的優點是部分的考慮了邊坡土體的非均質和不連續性,可以通過計算機編程模擬土體的應力、應變大小和分布,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,理論上更嚴格,結果上更直接。其缺點是它還不能很好地求解大變形和位移不連續問題,對于無限域、應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雜,在本構模型和安全系數的確定上也受到一定的制約,工程應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 灰色系統綜合評價法

灰色系統綜合評價法主要利用灰色關聯度分析原理,確定邊坡穩定性各影響因素的影響程度,進而利用多因素疊加分析評估邊坡的穩定性該方法能夠克服常規分析方法中的不足,是分析因素序列關聯關系的一種系統分析方法,所以,灰色系統理論就很適合邊坡穩定性這種數據有限、沒有原型、復雜而又具有不確定性問題的分析和評價。優點:該方法直觀簡單,可操作性強。缺點:該方法在功能函數的確定時帶有人為的經驗性[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,荷載,地下水,破壞模式,計算模型等作為不確定量,借鑒結構工程可靠性理論方法,結合邊坡工程的具體情況,用可靠指標或破壞概率來評價邊坡安全度。目前工程結構可靠度常用的計算方法有一次一階矩法、改進的一次一階矩法、jc法、帕羅黑莫法、蒙特卡羅法等[7-8]。可靠性分析由于考慮到邊坡穩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[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計資料難以獲取,各因素的概率模型及其數字特征等的合理選取問題還沒得到很好的解決,所以還有待進一步發展完善[10-11]。

2.3.3 模糊綜合評價法

模糊綜合評價是應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因素,進而進行等級或類別評價。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定性分析提供了一種行之有效的手段[12-13]。其優點是能得到邊坡穩定性等級分類指標,據此判斷出邊坡的穩定性情況;缺點是在實際操作過程中,評判中權數的分配帶有一定的經驗性和主觀性,并且并沒有考慮到各個影響要素。

3 結論及展望

邊坡穩定性問題作為巖土工程的一個重要研究內容,分析方法數目眾多且各有側重點,因而在實際工程中應根據邊坡的實際地質條件及工程的重要程度合理選取適當的分析方法。另外在實際工程應用中,隨著科學技術的不斷發展及邊坡穩定性問題的復雜性與單一邊坡穩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短,綜合利用已成為一大發展趨勢[14]。

[1]楊學堂,王 飛.邊坡穩定性評價方法及發展趨勢[J].巖土與工程技術,2002,2(7):103-106.

[2]陳建平.邊坡穩定性分析方法綜述[J].浙江建筑,2010,27(9):19-28.

[3]楊泰華,張 峰.邊坡穩定性分析方法綜述[J].土木建筑教育改革理論與實踐,2009,11(6):22-25.

[4]靳付成.邊坡穩定性分析方法的研究現狀與展望[J].西部探礦工程,2007,(4):5-9.

[5]盧廷浩.土力學(第 2版)[M].南京:河海大學出版社,2005:235-264.

[6]陳新民;羅國煜.基于經驗的邊坡穩定性灰色系統分析與評價[J].巖土工程學報,1999,21(5):638-641.

[7]黃志全,王思敬,李華曄.巖體力學參數取值的置信度及其可靠性[J].巖石力學與工程學報,1999,18(1):33-35.

[8]陳昌彥,王思敬,沈小克.邊坡巖體穩定性的人工神經網絡預測模型[J].巖土工程學報,2001,23(2):157-161.

[9]熊傳治,等.巖石邊坡工程[M].長沙:中南大學出版社,2010:35-165.

[10]周創兵,陳益峰,等.復雜巖體多場廣義耦合分析導論[M].北京:中國水利水電出版社,2008:217-245.

[11]黃春娥,龔曉南.條分法與有限元法相結合分析滲流作用下的基坑邊坡穩定性[J].水利學報,2001,32(3):6-10.

[12]梁桂蘭,徐衛亞,等.突變級數法在邊坡穩定綜合評判中的應用[J].巖土力學,2008,29(7):1895-1899.

[13]梁桂蘭,徐衛亞.模糊馬爾科夫鏈狀模型在滑坡穩定預測中的應用[J].中國地質災害與防治工程,2006,(4):64-67.

[14]劉立平,姜德義,等.邊坡穩定性分析方法的最新進展[J].重慶大學學報,2000,23(5):115-118.

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

國家自然科學基金項目(50909038);河海大學校級創新訓練計劃項目(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,講師,研究方向為:工程結構及其周圍介質的相互作用,工程結構建模與數值模擬,結構及巖土工程安全檢測和監測。

book=106,ebook=341