淺談邊坡穩定性評價方法

符 紅

淺談邊坡穩定性評價方法

符 紅

（重慶交通大學 重慶 400074）

本文對邊坡穩定性分析方法進行了歸納，分析總結了各種極限平衡法及數值分析法，并簡單介紹了各種評價方法的優缺點[1]。

邊坡穩定性；極限平衡法；數值分析法

0 引言

近年來，隨著我國社會的不斷進步，經濟的不斷發展，邊坡逐漸成為人們探討的熱點話題。邊坡分為自然邊坡和人工邊坡。在施工、運營中，邊坡的失穩現象時有發生，這將會造成巨大的經濟和人員損失，故對邊坡的穩定性進行分析是十分必要的。在本文中，采用極限平衡法和數值分析法來對邊坡的穩定性進行分析。

1 極限平衡分析法

如今，極限平衡分析法的應用是最為普遍的，它的滑動面采取圓弧形。它評價邊坡穩定是采取建立土體作用力與強度間平衡條件的方式來進行的。包括：瑞典條分法、畢肖普法、簡布法、薩爾瑪法、Spencer法、Morgenstern-Price法、楔體極限平衡法等。

1.1瑞典條分法

1916年，根據觀測，K.E.Pettersson提出了圓弧滑面分析法，此法不考慮土條間的相互作用。用此法對巖質邊坡進行分析時, 只能分析均質各向同性的巖體。

1.2畢肖普法

條分法是由Bishop在1955年提出的,它視滑動體為多個條塊，各自求出條塊的自重，將重力沿著平行于滑動面和垂直于滑動面的方向進行分解，力矩中心選取圓弧的圓心,以此來求出穩定安全系數。

1.3 薩爾瑪法

“非垂直條分法”是由Sarma在1979年提出的，它具有簡單適用的特點，可用于分析任意形狀的滑動面，對影響邊坡穩定性的影響因素采取多角度剖析解讀，采取反計算來分析巖體滑坡的穩定性，求出粘聚力、內摩察角等抗剪強度參數，計算下滑力。

1.4、Spencer法

Spencer法認為條間力傾角是常數，認為條塊間的作用力方向是一致的，條間作用力與水平線成一定的角度。按照力和力矩的平衡條件來求出角度和安全系數Fs，以此作為評判邊坡穩定性的基礎。

1.5 Morgenstern-Price法

1965年，Price和Morgenstern認為對未知函數的假定是合理的，它忽略了條間力方向的變化，同時滿足力和力矩的平衡條件，可用于分析任意形狀滑裂面的穩定性。Morgenstern-Price假定兩相鄰條塊的法向力和切向力存在一個函數關系,實則是假定條塊間力的方向會隨著水平坐標的變化而變化，再由力和力矩的平衡條件得出潛在滑移面上的法向力及安全系數。

1.6楔體極限平衡分析法

楔體極限平衡分析法主要用于分析巖質邊坡的穩定性，尤其適用于不連續面的任意形狀的楔形體。

2 數值分析法

隨著計算機技術的越加先進及數學方法的不斷改進，邊坡穩定性分析中已有了數值分析法。包括有限元（FEM）法、邊界元（BEM）法、無界元法、離散元（DEM）法、運動單元法、有限差分（FLAC）法、不連續變形分析法等。

2.1有限元（FEM）法

有限元法是同時滿足靜力平衡和應變相容條件的邊坡穩定性分析方法，是一種較為常用的數值方法。該法用來對邊坡進行二維或三維分析，可用于彈性、彈塑性、粘彈塑性、粘塑性、大變形、小變形問題以及非線性問題的求解。它不僅考慮了巖土體的非均勻性，還對巖土體的不連續性作了一定的考慮,得到應力和應變分布情況，能對土體和支護間的相互作用進行模擬，彌補了極限平衡分析法中將滑體視為剛體的缺點。但有限元法仍存在不足之處，如：對物理參數的選擇影響較大，不能完善地求解大變形和位移不連續等問題。

2.2邊界元（BEM）法

作為在70年代才發展起來的邊界元法,對輸入的數據要求不多。Cronch S L在1976年應用此法來分析層狀巖體的開挖問題，不過只對研究區的邊界進行了離散化。該法比較適合用來解決無限域或半無限域的問題，不適于用來處理非線性及不均勻性的問題，也不能用于大變形的求解。因此，在對邊坡的穩定性進行分析時,往往受到很嚴重的限制。

2.3無界元法

無界元法是由P Bettess在1977 年提出來的，并已得到廣泛應用。被視為對有限元法進行進一步發展的它，常與有限元法聯合使用。通過采用一種具有特殊性質的形函數及位移插值函數，它能反映無窮遠處的邊界條件。因此，它比有限元法更加有效，既減少了計算工作量，對計算精度和效率也有一定的提高。

2.4離散元（DEM）法

離散單元法是由P A Cundall在1970 年提出來的，適于巖土體穩定性分析。它的特點是能對巖土體的非均質、不連續和大變形等問題進行模擬計算。該法將研究區看作由許多個塊體單元組成，單元與單元之間是相互接觸的，通過建立力和位移關系，用迭代法來對每一塊體進行計算，計算時不考慮塊間的約束作用。用該法分析時的原理能用于非線性大位移和非連續介質大變形問題的求解，特別適合用來分析巖質邊坡的變形破壞。

2.5運動單元法

80年代，Peter Gussmann提出了以莫爾-庫侖為基本準則的數值分析法--運動單元法,它認為穩定系數在最危險塑性區處最小。對某一特定邊坡而言,它首先假定一個塑性區，且該塑性區滿足莫爾-庫侖準則，并最終得到最不利滑動面。有有限組塑性滑移線或塑性滑移面存在于該塑性區內,它們將塑性區看作由一個個單元構成，在約束條件和邊界條件下，通過采取自動搜索的方式來得到最小安全系數，以此得到最不利滑動面。

2.6有限差分（FLAC）法

FLAC法是以有限差分為依據，是用來分析巖土類邊坡的穩定。它認為計算域是由許多個二維單元組成，并認為這些二維單元是由節點將其連接起來的。采取FLAC法進行邊坡的穩定性分析時，最后得到的是各二維單元的應力圖和應變圖。相較于有限元法，此方法更能表征出土體的不連續性和大變形的特點，但它在邊界計算及網格劃分時不嚴格。馬樂[2]（2011）采用理論分析和數值模擬方法，用FLAC軟件來模擬邊坡在自然狀態下的穩定性。馬萃林[3]等將靜力條件和滲流狀況納入考慮的范圍，通過用FLAC軟件來模擬3個典型剖面的邊坡，來獲得這三個剖面的穩定系數。

2.7 其他數值分析方法

除以上方法外，還有其他一些分析邊坡穩定性的方法，如：不連續變形分析法、流形元法、灰色系統理論、隨機理論、滲流分析等，這些新理論、新方法使得邊坡穩定性分析方法朝著更新的方向發展。

3 結語

綜上所述,關于評價邊坡穩定性方法的研究很多，通過對這些穩定性評價方法進行總結后，可知在用數值分析法分析邊坡穩定時，對模型的建立及參數的選取均作了一定簡化，以至于不能使結果滿足精度和經濟的要求。應注重對未失穩邊坡的穩定性進行研究，以達到優化邊坡加固的目的。除此外，還應結合多個學科來對邊坡的穩定性進行研究，以彌補用單一學科進行分析時存在的不足。

[1]劉子振. 邊坡穩定性極限平衡法和有限元法綜合分析[D].中南林業科技大學,2007

[2]馬樂.邊坡穩定性數值模擬及錨索加固的研究[D].遼寧工程技術大學,2012

[3]馬萃林，朱明.有限差分法FLAC在邊坡穩定性分析中的應用[J].中國礦業工程，2008,37（5）：19-22

符 紅（1993-），女，重慶璧山人，碩士研究生，研究方向：交通運輸工程。

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