邊坡穩定性評價分析方法

于勇剛

一、前言

邊坡穩定性問題一直就是邊坡研究一個重點課題，邊坡研究發展主要是依賴于土力學和巖石力學的發展，邊坡的破壞不僅會直接摧毀工程建設本身，而且也會對工程和人類環境帶來間接的影響和經濟損失[1]。因此，如何經濟、安全可靠地設計合理的邊坡工程或分析評價天然邊坡的穩定性具有重大的實際意義。不同的邊坡工程常常存在于不同的工程地質環境中，不同的邊坡穩定性分析方法又各具特點，并且有各自的適用條件。本文就各種邊坡穩定性分析方法的主要特征及其優缺點作些簡要分析。

二、定性分析法

該法是基于通過地質勘察資料研究邊坡穩定性的影響因素（如地質與水文條件及人類活動等），分析邊坡體的成因、演變史等，從而獲得可能失穩破壞方式與力學機理，是工程實踐中大多采用方法[2]。

1、自然（成因）歷史分析法

該方法主要根據邊坡發育的地質環境、邊坡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，追溯邊坡演變的全過程，對邊坡穩定性的總體狀況、趨勢和區域性特征作出評價和預測，對已發生滑坡的邊坡，判斷其能否復活或轉化。它主要用于天然斜坡的穩定性評價。

2、邊坡工程類比法及分析數據庫和專家系統

邊坡工程類比法實質上就是利用已有的自然邊坡或人工邊坡的穩定性狀況及其影響因素、有關設計等方面的經驗，并把這些經驗應用到類似的所要研究邊坡的穩定性分析和設計中去的一種方法。通過這些分析，來類比分析和判斷研究對象的穩定性狀況、發展趨勢、加固處理設計等。在工程實踐中，既可以進行自然邊坡間的類比，也可以進行人工邊坡之間的類比，還可以在自然邊坡和人工邊坡之間進行類比。可以說它是目前應用最廣泛的一種邊坡穩定性分析方法。

邊坡工程分析數據庫和專家系統就是在邊坡工程類比法的基礎上收集已有的多個自然斜坡、人工邊坡實例的計算機軟件。它按照一定的格式，把各個邊坡實例的發育地點、地質特征（工程地質圖、鉆孔柱狀圖、巖土力學參數等）、變形破壞影響因素、形式、過程、加固設計，以及邊坡的坡形、坡高、坡角等收錄進來，并有機地組織在一起。

邊坡穩定分析設計專家系統就是進行邊坡工程穩定性分析與設計的智能化計算機程序。它把某一位或多位邊坡工程專家的知識、工程經驗、理論分析、數值分析、物理模擬、現場監測等行之有效的知識和方法有機地組織起來，建成一個邊坡工程知識庫，結合相關學科不同專家的知識進行推理和決策，對所研究的對象（邊坡）進行穩定性評價。

3、圖解法

（1）投影圖法

該法就是利用赤平極射投影的原理，通過作圖來直觀地表示出邊坡變形破壞的邊界條件，分析不連續面的組合關系，可能失穩巖土體形態及其滑動方向等，進而評價邊坡的穩定性，并為力學計算提供信息。

（2）諾模圖法

該法就是利用一定的諾模圖或關系曲線來表征與邊坡穩定有關參數間的關系，并由此求出邊坡穩定安全系數，或根據要求的安全系數及一些參數來反分析其它參數（φ、C、結構面傾角、坡角、坡高等）的方法。

4、SMR法

SMR法是Roman.M在RMR巖體質量評價方法的基礎上，綜合考慮邊坡工程中不連續面產狀與坡面間的組合關系，提出了邊坡巖體質量計算公式。利用SMR方法來評價邊坡巖體質量的穩定性，方便快捷，且能夠綜合反映各種因素對邊坡穩定性的影響。但該方法存在一些不足，如它沒能考慮邊坡坡高等因素，對大型的巖質邊坡的整體穩定性的狀況還不能夠作出有效的分析。

三、定量分析法

該法是采用土力學、巖體力學及理論力學的理論與方法，基于經典的數學物理方程與計算機技術求解穩定安全系數、計算滑坡結構體內的應力應變關系分析邊坡穩定性。

1、有限差分法和有限體積法

FDM是一種傳統的數值分析法，其基本思想就是用差分網格離散求解域，用差分公式將問題的控制方程轉化為差分方程，然后結合初始及邊界條件，求解線性代數方程組。FVM是最流行數值分析法，它廣泛用于巖土問題中，如邊坡穩定性，地下工程開挖、水-應力耦合或者熱-水-應力耦合，巖體特性等。它類似于有限元法，是有限差分法與有限元法的橋梁。但二者不足的地方就是大部分模型都不宜處理破碎、復雜邊界條件和材料的不均勻性的問題。因此它不宜分析邊坡穩定性。

2、有限元法

其基本思想就是視巖體為連續力學介質，通過離散化，建立近似函數把有界區域內的無限問題簡化為有限問題，并通過求解聯立方程，對工程問題進行應力與變形分析。其突出優點是適用性強；計算滑動面上應力較真實；可考慮邊坡巖體非線性、非均質和復雜邊界等問題；可得出邊坡應力應變場和位移場；可避免將坡體視為剛體、過于簡化邊界條件的缺點；能直觀地模擬邊坡變形破壞過程；通過對大量方案的比較分析，可迅速得出計算結果，便于方案優化。其不足之處是：數據準備工作量大且計算繁復、計算效率低、計算結果不收斂，原始數據易出錯，不能保證某些物理量在整個區域內的連續性。目前用于邊坡穩定性分析的有限元通常用有限元圓弧搜索法和強度折減有限元法。

3、快速Lagrangian分析（FLAC）法

為了克服有限元等數值分析法不能求解巖土大變形問題的缺陷，人們根據顯式有限差分原理，提出了FLAC數值分析方法。該方法較有限元方法能更好地考慮巖土體的不連續性和大變形特征，求解速度較快。其缺點是同有限元方法一樣，計算邊界、單元網格的劃分帶有很大的隨意性。

4、邊界元（BEM）法

與有限元方法不同，它只對研究區的邊界進行離散，因而它要求的數據輸入量較少。該方法對處理無限域和半無限域問題較為理想。它要求事先知道求解問題的控制微分方程的基本解，在處理材料的非線性、不均勻性、模擬分步開挖等方面還遠不如有限元法，它同樣不能求解大變形問題。因而，邊界元法目前在邊坡巖體穩定性分析中的應用遠不如在地下洞室中應用廣泛。

5、離散元（DEM）法

它是一種動態的數值分析方法，可以用來模擬邊坡巖體的非均質、不連續和大變形等特點，因而，也就成為目前較為流行的一種巖土體穩定性分析數值方法。該法對塊狀結構、層狀破裂或一般碎裂結構巖體比較適合。

6、塊體理論（BT）

利用拓撲學和群論的原理，以赤平投影和解析計算為基礎，來分析三維不連續巖體穩定性。塊體理論的缺點是它通常只考慮不連續面的抗剪強度，不考慮其變形，不計力矩的作用，且通常假定其無限長，這些都在一定的程度上與實際情況不符。塊體理論在塊體的劃分方面，還存在一定的隨意性，也不能很好地解決大變形問題。

7、無界元法（IDEM）

主要解決有限元在計算時難以確定的計算范圍及邊界條件，可作為有限元法的推廣。基于一些形函數和位移插值函數，能反映無窮遠處的邊界條件，廣泛應用于求解動力及不連續問題等。

四、現場監測分析法

通過現場監測所獲得的信息如位移、位移速度、應力、聲發射率、氡氣、α、脈沖頻率、地下水等有關特征，來對邊坡巖土體穩定性作出評價和預測。由于現場監測結果直觀可靠，因而利用監測結果對邊坡過程的穩定性進行分析，已成為目前邊坡工程中穩定性評價極其重要的一種方法。

參看文獻：

[1]黃昌乾，丁恩保.邊坡工程常用穩定性分析方法.1997.3

[2]丁參軍，張林洪，于國榮等.邊坡穩定性分析方法研究現狀與趨勢.2011.8