基于層次分析法的邊坡安全穩定性評價研究

查 俊

（廣西交通設計集團有限公司，廣西 南寧 530012）

眾所周知，邊坡滑坡給我們生存的世界造成了巨大的破壞，但由于其復雜多樣性，科學界至今還沒有弄清邊坡失穩的形成機理和觸發條件。將滑坡系統環境、邊坡滑坡系統行為、邊坡外部擾動等作為定性評價邊坡穩定的主要影響因素，分析確定影響邊坡安全穩定的主要因素，控制影響邊坡穩定性的主要因素，從而確保邊坡在運行過程中的安全穩定。

1 邊坡穩定性判定因素

1.1 自然環境因素

（1）大氣環境，滑坡系統大氣環境是指由太陽輻射引起空氣的溫度、濕度、風速、氣壓和降水等。滑坡系統對大氣環境普遍比較敏感。（2）水環境，水環境是指滑坡系統的地表水和地下水環境。（3）生物環境，生物環境是指滑坡系統所處的植被環境、人工環境。植被破壞和人類活動有時是一些特殊滑坡的主要原因。（4）地質環境，滑坡系統所處的地質構造、地層巖性、地形地貌及已有的不良地質作用情況。

1.2 邊坡裂縫因素

滑坡系統要素中的關鍵要素膨脹棄土在內部條件和外部作用下產生裂縫。內部條件是土體的力學性質，如抗拉抗壓抗剪強度等；外界作用包括直接作用（如加載）和間接作用（如風化、脹縮、溫差、滲流、沉降差）。直接作用下土體產生承載受力裂縫，主要有壓拉裂縫、壓剪裂縫兩種形式。間接作用下土體產生風化裂縫、脹縮裂縫、溫差裂縫、沉降裂縫。裂縫信息，可對其受到的應力狀態進行反分析，從而確定滑坡系統的各種行為，比如拉張、剪切、脹縮、滑動等。

1.2.1 壓拉裂縫

在外荷載及重力共同作用下，坡面上部土體受拉，下部受壓，當彎矩大于土體內部強度，先后會在坡面土體產生多道彎拉裂縫，最大裂縫一般位于最大彎矩處；裂縫一般呈楔形，垂直主拉應力跡線，一般不貫穿截面。這與拉張裂縫J1、J2 現場調查結果一致。根據開裂彎矩公式，以現場調查出裂縫的長度、張開寬度、楔形體深度可以對滑體的開裂應力進行反分析。

1.2.2 剪切裂縫

土體產生剪切破壞，裂縫方向與荷載作用往往呈一定夾角，剪切裂縫為非表面裂縫，一般是貫通性裂縫，平直、光滑狀，有擦痕。這與裂縫J3 現場調查結果一致。根據剪應力破壞公式，可以對滑坡破壞時的剪切應力值進行反分析。

1.2.3 脹縮裂縫

脹縮裂縫經過多次脹縮循環，最終形成可見脹縮裂縫，并在土體表面呈龜裂狀發展，往土體內部延展深度不大。

1.2.4 溫差裂縫

受熱脹冷縮影響，溫差裂縫與所處的土體位置、暴露時間、溫度變化和氣候特點等因素有關。

1.2.5 沉降裂縫

滑坡系統結構組成本身的不均勻性及所受荷載的不對稱，使得滑坡系統在荷載作用下產生強迫性的不均勻位移，從而產生沉降裂縫。目前對這種復雜的沉降關系與應力狀態研究較少。

1.3 邊坡外部擾動因素

1.3.1 挖方施工

施工順序一般為清表-開挖便道-從上到下逐層挖方-工程防護。清表時破壞了坡面保護層，邊坡土體直接受到外部環境中的風、水流和溫差作用，因此最先產生的是風化裂縫、脹縮裂縫和溫差裂縫等間接裂縫。邊坡最上一級剖面開挖出來后，間接裂縫加劇發展。

1.3.2 填方施工

填方邊坡不斷加載，裂縫在邊坡上坡腳、坡頂與臨空面相交處、坡面形狀突變集中，這些部位受到其他的荷載作用或是力學強度降低時易產生破壞。本滑坡受坡頂填土荷載影響，對臨空面土體產生擠壓作用，土體在推力作用下不斷產生裂縫，當水平推力大于土體抗拉強度，滑體產生整體下挫滑動。

1.3.3 其他擾動因素

邊坡在服役期間，影響邊坡使用性能的其他擾動因素包括：車輛撞擊荷載對邊坡坡腳造成的擾動，強降雨對邊坡的坡表面造成的沖刷，地震荷載對邊坡造成的瞬時強擾動等。

2 層次分析法的評價體系與指標權重確定

2.1 邊坡穩定性評價體系制定

邊坡穩定性層次分析法評價體系主要包括目標層、準則層和指標層，將邊坡安全穩定性作為層次分析法評價體系的目標層，將邊坡所處的自然環境、邊坡現階段存在的裂縫、邊坡受到外部擾動因素等作為準則層，對準則層再進行細化指標作為邊坡穩定性影響因素的指標層，具體的邊坡穩定性安全評價體系如圖1 所示。

圖1 邊坡穩定性安全評價體系

根據圖1 邊坡穩定性安全評價體系可知，評價體系的影響因素集合X={X1，X2，X3}，X1={x11，x12，x13，x14}，X2={x21，x22，x23，x24，x25}，X3={x31，x32，x33}，其中目標層X為邊坡；Xi為準則層，X1為邊坡所處的自然環境，X2為邊坡現階段存在的裂縫，X3為邊坡受到外部擾動因素；xij為指標層，x11~x33分別為圖1 中的邊坡穩定影響指標因素。

2.2 確定風險權重

為分析邊坡在服役過程中的安全穩定性，需確定邊坡安全穩定的各個評價指標的權重，各個評價指標的權重大小可以根據層次分析法進行確定，列出邊坡安全穩定的判斷矩陣，并計算邊坡安全穩定判斷矩陣的特征值，以及對各個評價指標影響因素的權重進行排序，分析步驟如下。

（1）邊坡安全穩定評價指標在評分過程中，需要將邊坡安全穩定的同一準則層的評價指標進行兩兩比較并進行評分賦值，評分分值見表1。

表1 邊坡安全穩定影響因素的分值賦值表

（2）根據評價指標的評分結果確定判斷矩陣，并根據計算幾何平均公式計算判斷矩陣每行元素的幾何平均值，具體的幾何平均計算公式如式（1）所示。

（3）將計算得出判斷矩陣每行元素的幾何平均值利用歸一化公式（2）進行歸一化處理，具體的公式如式（2）所示。

（4）計算判斷矩陣的最大特征值λmax，最大特征值的計算公式如式（3）所示。

式中：（Aω）i為向量nωi的第i個元素。

（5）計算一致性檢驗數CI的計算對計算結果的一致性進行檢驗，一致性檢驗公式如式（4）所示，CI與RI值（表2）進行對比相除，如式（5）所示，其值與0.1 進行對比，若小于0.1 則一致性較好，若大于0.1 則一致性較差；

表2 判斷矩陣的RI 值

式中：n為階數，CI值越大，判斷矩陣的一致性越差，反之CI值越小，判斷矩陣的一致性越好。

（6）當矩陣滿足一致性要求時，可以把ω 作為各個評價影響因素的權重。

根據邊坡安全穩定影響因素的權重和矩陣一致性的計算結果，進行判定影響邊坡安全的主要因素。

3 邊坡安全影響主次因素定性分析

根據表1 與公式（1）至公式（5）對影響邊坡安全穩定的因素進行計算、排序和評價，并確定各個生產質量影響因素的權重，見表3。

表3 以邊坡安全穩定的外部擾動因素作為判斷矩陣和權重

將矩陣的列向量進行歸一正規化，得到列正規化的判斷矩陣：

將矩陣（6）按行進行相加，計算結果作為一個向量（1.90，0.78，0.32），對該向量進行正規化處理得到特征向量（0.63，0.26，0.11），計算判斷矩陣最大特征值。

所以最大特征值：λmax=3.04。

一致性指標和一致性比例：CI=0.019。

綜上所述，邊坡在服役階段中，影響邊坡安全穩定的最大影響因素為邊坡所處的自然因素，其權重為0.63；其次為邊坡現階段含有的裂縫，其權重為0.260；影響最小的準則層為邊坡受到外界擾動，權重為0.106。

同理可得，邊坡安全穩定指標層影響因素的評價指標權重的大小。具體見表4-表6。

表4 以邊坡所處環境為指標的判斷矩陣和權重

表5 以邊坡現階段裂縫為指標的判斷矩陣和權重

表6 以邊坡受到外部擾動因素的判斷矩陣和權重

將表4-表6 評價指標的權重與表3 的準則層因素的權重相乘，從而確定各個評價指標的權重大小，評價指標綜合權重計算結果見表7。

表7 邊坡安全穩定影響因素的綜合權重

由表7可知，邊坡在服役過程中影響其安全穩定性較大的因素依次為邊坡所處的地質環境、邊坡所處的水環境、邊坡存在的拉壓裂縫、邊坡所處的生物環境，邊坡受到挖方施工處理等，所以邊坡在服役過程中，為確保邊坡安全穩定應該主要控制上述主要影響因素。

4 結論

邊坡屬于公路工程中重要的構造物，其安全穩定性嚴重影響公路工程的正常運行，尤其邊坡失穩會對生命安全和財產安全造成巨大的威脅。為此提出邊坡安全穩定性評價指標，從定性的角度分析，控制邊坡安全穩定主要因素，從而確保公路工程運行安全。