边坡稳定性研究方法

摘要:边坡稳定分析是岩土工程中的重要研究课题,已有一百多年的历史,边坡稳定性分析的观点变化是随着人类理论方面的突破和实践经验的积累而变化的。总的来说,边坡稳定性分析是一个逐步由定性分析向定量、半定量分析发展的过程,并且可视化程度越来越高。文章从定性分析、定量分析、不确定分析等角度介绍了几种主要的边坡稳定性分析方法。

关键词:边坡稳定分析;定性分析;定量分析;非确定性分析;物理模拟

中图分类号:U416文献标识码:A文章编号:1009-2374 (2010)10-0012-02

边坡稳定分析一直是岩土工程中的重要研究课题。边坡稳定性研究已有一百多年的历史,边坡稳定性分析的观点变化是随着人类理论方面的突破和实践经验的积累而变化的。总的来说,边坡稳定性分析是一个逐步由定性分析向定量、半定量分析发展的过程,并且可视化程度越来越高。边坡稳定性分析方法大致可以分为以下几类:定性分析方法、定量分析方法、非确定性分析方法、物理模拟方法。

一、研究进展

(一)定性分析方法

1.工程地质类比法。该方法利用已有的边坡或人工边坡的稳定性状况及其影响因素、有关设计等方面的经验,并把这些经验应用到类似的所要研究边坡的稳定性分析和设计中去的一种方法。

2.地质分析法 (历史成因分析法)。该方法通过对边坡发育的地质环境、历史中的各种变形破坏迹象及其基本规律和稳定性影响因素等的分析,追溯边坡演变的全过程,预测边坡稳定性发展的总趋势及其破坏方式,从而对边坡的稳定性作出评价。主要用于天然斜坡的稳定性评价。

3.图解法。图解法可分为两类第一类是诺模图法。即用一定的关系曲线和偌谟图来表征边坡有关参数之间的定量关系,由此求出边坡稳定性系数或已知稳定系数及其他参数在一个未知的情况下,求出稳定坡角或极限坡高。一般用于土质或全风化的具有弧形破坏面的边坡稳定性分析。

第二类是赤平投影图法。该法就是利用赤平极射投影的原理,通过作图来直观地表示边坡变形破坏的边界条件,分析软弱结构面的组合关系,分析滑体的形态、滑动方向,评价边坡的稳定程度,为力学计算创造条件。该法目前主要用于岩质边坡的稳定性分析。

4.边坡的分析数据库和专家系统。边坡工程地质数据库就是收集已有的多个自然斜坡、人工边坡实例的计算机软件。其按照一定的格式,把各个边坡工程实例的发育地点、地质特征、变形破坏影响因素、形式、过程、加固设计,以及边坡的坡形、坡高、坡角等收集起来,并有机地组织在一起。可直接根据不同设计阶段的要求和相关的类比依据,方便快捷地从中查得相似程度最高的实例进行类比,以更好地指导实践、节约费用。

专家系统是一种按学科及相关学科专家的水平进行推理和解决问题、并能说明其缘由的计算机程序。边坡稳定分析设计专家系统就是进行边坡工程稳定性分析与设计的智能化计算机程序,其把某一位或多位边坡工程专家的知识、工程经验、理论分析、数值分析、物理模拟、现场监测等行之有效的知识和方法有机地组织起来的计算机程序,来模拟并再现人脑的思维过程,吸收其合理的知识结构,寻求优化的技术路径。利用良好的边坡工程专家系统,可提高设计人员的决策水平,并最大限度地降低费用、节省时间,达到更加优化的目的和效果。在岩石和工程力学方面,李彰明开发了露天矿边坡实用的专家系统。

(二)定量分析方法

1.极限平衡法。极限平衡法由于其简单易行是目前许多边坡稳定分析常用方法。其基本出发点是把土体作为一个刚体,为方便计算做了一些假定,不考虑土体的应力应变关系,因而这种建立在刚体极限平衡理论上的稳定分析方法无法考虑边坡的变形与应力分布。国内外学者针对极限平衡法进行了大量的研究,如杨松林 (1999)针对传统数值条分法和萨尔玛法应用于岩石边坡稳定性分析的缺点,提出了使用范围更广的广义条分法,广义条分法考虑了条块间分界面的应力变形关系,采用条块间分界面的应力变形本构关系代替传统的两类条分法对条块分界面上力的大小、方向或作用点的人为假定,这一做法更加符合岩土工程的实际情况,并采用优化搜索的方法给出了相对最危险的潜在滑动面及其安全系数。

2.数值分析方法。数值分析方法是利用某种方法求出边坡的应力分布和变形情况,研究岩体中应力和应变的变化过程,求得各点上的局部稳定系数,由此判断边坡稳定性。其主要方法有:

(1)有限元法 (FEM) 。有限元法在边坡稳定性分析中最早得到应用,也是使用最广的一种数值方法。有限元法的优点是部分地考虑了边坡岩体的非均质、不连续介质特征,考虑了岩体的应力应变特征,可以避免将坡体视为刚体,过于简化边界条件的缺点,能够接近实际地从应力应变特征分析边坡的变形破坏机制,对了解边坡的应力分布及应变位移变化很有利。

(2)有限差分法 (FLAC) 。为了克服有限元等数值分析方法不能求解岩土体大变形问题的缺陷,人们根据显式有限差分原理快速分析,提出了数值分析方法。黄润秋等将其用于边坡稳定性分析中,取得较好效果。该方法可以考虑材料的非线性和几何学上的非线性,适用于求解非线性大变形,求解速度较快。

(3)边界元法 (BEM) 。边界元法是20世纪70年代发展起来的一种数值方法,该法只对研究区的边界进行离散,对处理无限域或半无限域问题比较理想。但由于需事先知道求解问题的控制微分方程的基本解,在处理材料的非线性、不均匀性、模拟分步开挖等方面还远不如有限元法。

(4)块体系统不连续变形分析法 (DDA) 。此种方法是1985年由石根华和Goodman创立,是基于岩体介质非连续性发展起来的一种崭新的数值分析方法。DDA法可以模拟出岩石块体的移动、转动、张开、闭合等全部过程。据此,可以判定出岩体的破坏程度、破坏范围,从而对岩体的整体和局部的稳定性作出正确的评价。当然,DDA法在岩体参数的选取、计算时步的大小、边坡渗流及解决大变形问题等方面有一定的局限性。

(5)离散元法 (DEM) 。此种方法将所研究的区域划分成一个个分离的多边形块体单元,块与块之间没有变形协调的约束,但需满足平衡方程。块体的运动不是自由的,它会遇到邻接块体的阻力。本构方程可以是线性的,也可以是非线性的。这种方法适用于解决非连续介质大变形问题,在分析被结构面切割的岩质边坡的变形和破坏过程比较实用。

(6)运动单元法。它由Peter Gussmann教授在20世纪80年代创立,这种塑性极限数值分析方法主要针对莫尔-库仑类岩土介质。在经验的基础上首先假设一个满足莫尔-库仑准则的塑性区并得到相应的最危险滑动面,在该塑性区内引出有限组塑性滑移线平面问题或塑性滑移面空间问题,这些滑移线面将塑性区离散为单元,即运动单元,然后通过严格的自动搜索过程找到满足约束方程和边界条件的最小安全系数并确定塑性滑动区和最危险滑动面。

(三)不确定性分析方法

1.系统可靠性分析法。20世纪70年代中后期,加拿大能源与矿业中心和美国亚利桑那大学等开始把概率统计理论引入边坡的稳定性。由于影响岩质边坡工程的稳定性的诸多因素常常都具有一定的随机性,且多是具有一定概率分布的随机变量,因此可以通过现场调查获得影响边坡稳定性因素的多个样本,然后进行统计分析,求出其各自的概率分布及其特征参数,再利用某种可靠性分析方法来求解边坡岩体的破坏概率即可靠度。

2.灰色系统法。利用灰色关联度分析原理,通过数据处理,确定边坡各影响因素的影响程度,利用叠加分析评估边坡的稳定性。但内涵力学机制不清,缺乏明确的定量描述,在实际工程决策中是远远不够的。

3.模糊分级评判法。影响边坡稳定性的诸因素除了具有前述的随机不确定性外,还具有一定的模糊不确定性。因此,可采用模糊分级评判或模糊聚类方法对边坡稳定性做出分级评判。其具体做法是先找出影响边坡稳定性的各个因素,并赋予其不同的权值,然后根据最大隶属度原则来判定边坡的稳定性。模糊分级评判方法为多变量、多因素影响的边坡稳定性分析提供了一种行之有效的手段。

4.神经网络法。神经网络是20世纪80年代发展起来的人工智能的一个分支,近年来也开始运用于岩土边坡工程问题研究中。人工神经网络是依据人脑结构的基本特征发展起来的一种信息处理体系或计算体系。它仅是对神经系统的数学抽象和粗略的逼近和模仿。特别适宜处理知识背景不清楚,推理规则不明确等复杂类型模式识别且难以建模的问题。研究表明,在岩土边坡工程系统分析领域内采用神经网络具有独特的优势。利用神经网络理论,可以尽可能多地将各种影响因素作为输入变量,通过建立定性或定量影响因素同边坡安全系数与变形量之间的高度非线性映射模型预测和评价边坡的安全性。

综上所述,任何一种分析方法都不是万能的、唯一的、排他的方法,而把两种或多种分析方法融合起来,取长补短,这种手段目前在工程界得到了广泛的应用。

二、结论

由于边坡工程的复杂性,边坡稳定评价不能依赖于单一方法,因此,依托于计算机技术,形成集成式智能评价系统,是未来发展的一种趋势。同时由于边坡工程常依赖于经验,故利用边坡工程的失稳和稳定实例来建立系统,考虑多种因素影响,使多学科交叉融合,研究开发基于案例推理的边坡稳定的综合集成式智能评价系统,也是未来的发展方向之一。

参考文献

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作者简介:贾春玲 (1982-),女,河北故城人,供职于河北水文工程地质勘察院,研究方向:水文地质勘察。

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