关于岩土工程边坡问题的文献综述

关于岩土工程边坡问题的文献综述中国民航大学赵锋090741132摘要：边坡分析理论经过近几十年的发展，基本形成了完善的体系。现有的边坡稳定性分析评价模型大致有以下几类：（1）基于传统静力准则的评价模型；（2）基于数值计算方法的分析模型；（3）基于能量原理的分析模型；（4）基于系统控制论的分析模型；（5）基于智能技术的分析模型等；（6）性多模型综合评价。目前，边坡稳定性分析的方法很多，其中较为典型的有极限平衡法，极限分析法，有限元法等。关键词：边坡分析理论、边坡稳定性分析模型、边坡稳定性分析方法、土质边坡的稳定性分析、岩质边坡的稳定性分析1、背景随着科技的进步和社会的飞速发展，全球的经济迅速崛起，因此很多重大项目如水电、露天采矿、能源及交通项目应运而生。这就极大地促进了岩土工程边坡分析理论的发展。边坡分析理论经过近几十年的发展，基本形成了完善的体系。现有的边坡稳定性分析评价模型大致有以下几类：（1）基于传统静力准则的评价模型；（2）基于数值计算方法的分析模型；（3）基于能量原理的分析模型；（4）基于系统控制论的分析模型；（5）基于智能技术的分析模型等；（6）性多模型综合评价。目前，边坡稳定性分析的方法很多，其中较为典型的有极限平衡法，极限分析法，有限元法等。2、意义边坡系统是一个开放的复杂系统，不断与周围环境进行着物质和能量交换，其稳定性除受地质因素制约外，还受到工程因素的影响，这些因素部分是确定的，更多的具有随机性、模糊性、可变性等不确定性。它们对不同类型边坡稳定性的影响程序也不一样，这些因素之间具有复杂的非线性关系。在实际施工过程中由于受场地的限制，某些规模宏大的重大工程的建设，经常需在复杂地质环境条件下进行，因而人为地开挖了各种各样的高陡边坡。而这些边坡工程的稳定状态，事关工程建设的成败与安全，会对整个工程的可行性、安全性及经济性等起着重要的制约作用，并在很大程度上影响着工程建设的投资及效益。因此，如何能够更好地了解与掌握边坡变形、发展规律，并在此基础上对边坡的变形和破坏进行防治，分析、评价边坡系统的稳定性，经济、合理地设计边坡工程直接关系到建设资金的投入和生命财产安全，其意义尤为重大。3、现有边坡稳定性分析模型简述3.1基于静力准则的模型此类模型最基本常用的是极限平衡法。利用滑面上抗滑力与下滑力之比来定义安全系数，如下式：式中σi，τi，Ai，ci，υi分别为i滑面单元上的正应力、剪应力、面积、粘聚力和内摩擦角；N为滑面单元的总数。评价标准是：当K1时为稳定状态；当K=1时处于临界状态;当K1时为不稳定状态。在实际应用中，对式(1)还有一些改进的模型，如按合滑移矢量方向进行计算，将τs沿局部滑面投影等。尽管在理论思路上，此类模型概念明确，计算可行，但是不能真实地反映边坡系统的稳定性。在工程实际中常出现“安全稳定系数大于1的边坡破坏，而稳定系数小于1的边坡反而稳定”的矛盾现象。由于边坡系统的复杂性，影响因素的多样性，各因素之间的非线性，虽然极限状态时系统将发挥其最大的抵抗力，但并不意味着滑面上的各点都同时达到其最大的抗力。而且边坡的破坏一般是一个渐进的过程，其安全系数在达到极限状态过程中是一个变量。3.2基于数值计算的模型此类模型常用有限元法，将复杂的系统离散化后进行处理。有限元法是解决岩土工程问题中常用的一种模型，其突出特点是适合于处理非线性、非均质和复杂边界等问题。但是有限元法需要事先确定边坡岩土材料的本构模型及其参数，尽管本构模型一直是岩土工程研究前沿的重要领域，但真正在工程实践中得到应用的本构模型并不多，而且由于岩土材料固有的复杂性，影响岩土材料应力应变关系的因素很多，不太可能有一个普遍适用的本构模型。即使在本构模型确定以后，模型参数测定还是一个大问题;若考虑材料的非线性，有限元程序特别是三维有限元程序，其计算工作量非常大，并难以实现容错功能。虽然参数的确定还可以采用反分析方法，但是由于岩土材料的应力应变关系的高度非线性，应用位移反分析求岩土力学参数还是相当复杂的。3.3基于能量原理的模型此类模型从能量的观点建立模型，如按下式定义安全稳定系数：式中ΔU为增稳内能，限体系的内能增量；ΔW为失稳外能，即外力所做的功。或以下定义：式中D为边坡系统的内能耗散率；A为外荷载所做的功等。以上两式的表达式都体现出这样的事实：如体系在原平衡位置上附加任意小位移，其储存的内能大于外力所做的功时，则系统是稳定的。这类模型表达式给出的安全稳定系数是利用系统在同一过程中的两个物理量(能量)来进行稳定性评价，没有体现出涉及到系统极限状态的变量，因此，怎样考虑系统某个状态相对于极限状态的稳定性，还有待于进一步的研究。3.4基于控制论的模型因而此类模型主要有两种方法，一种是基于模糊论的方法，一种是基于灰色理论的方法。由于边坡系统的复杂性，信息不对称性，影响因素具有高度的随机性、模糊性、可变性等不确定性，导致了边坡稳定性评价的困难。基于模糊论的模型在对边坡稳定性进行系统分析的基础上，以模糊数学为工具，提出了边坡稳定性模糊评价分析模型。边坡稳定性分析过程中，往往涉及到若干相互制约的和复杂的影响因素，模糊评价模型对这些因素用模糊集合和隶属函数来描述，并协调矛盾，权衡利弊，进行综合考虑。但是模糊评价模型的信息准则是依赖于经验规律，由于边坡地质条件的复杂性和不确定性，这些经验规律不一定都适用。在不同的岩体性状下，各因素在边坡稳定性评价中所起的作用的大小或重要程度是不同的，这就涉及到权值随参数的变化规律，这在模糊评价中也是一个难点。而且在确定因素权重集时，若考虑的因素超过人的心里承受限度，其一致性检验很难通过。varcpro_psid=u2572954;varcpro_pswidth=966;varcpro_psheight=120;不模糊评价模型不同，灰色评价模型着重研究外延明确而内涵不明确的问题。它以“部分信息已知，部分信息未知”的“小样本”、“贫信息”不确定性系统为研究对象，主要通过对“部分”已知信息的生成和开发，提取有价值的信息，实现对系统运行规律的正确认识和有效控制。边坡系统在地质条件和各种环境因素的作用下，随时间逐渐演化，并受多方面因素的影响。灰色评价模型属于连续型预测方法，适用于边坡稳定性长期分析，并通过弱化序列随机性，能够发掘边坡系统的演化规律。但是灰色评价模型依赖的是“小样本”，“最少信息”，对于复杂的边坡系统，各因素间具有高度的非线性、关联性，这样就可能造成有用信息的丢失，导致失误的评价。在面对多种可能的解时，还需要不断补充信息，才能确定出满意解。3.5基于智能技术的模型该模型采用人工神经网络技术，神经网络的特色在于信息的分布式存储和并行协同处理，并具有良好的自适应性、自学习、自组织的能力，很强的容错特性和高度非线性动态处理能力等特点。神经网络模型对给定的边坡训练样本(包括输入和输出数据)对其进行训练，从中确定输入数据与输出数据之间的关系，网络训练完成以后，通过联想记忆和推广能力来对新边坡的输入数据进行处理，完成对边坡稳定性评价。神经网络模型最大的优点在于其极强的非线性关系映射能力，它不需要知道变形与所求力学参数之间的关系，可以实现位移和所求力学参数之间的非线性映射，其计算过程简便。但是神经模型并不是万能的，它也有局限性，如在应用BP网络模型分析边坡稳定性的过程中，关于隐含层数和隐层中神元数目的选择还有待于进一步的研究。3.6多模型混合在目前边坡稳定性评价模型中，其评价预测结果还不尽如人意，目前还没有能被推荐为广泛应用的评价模型。现有模型的精度具有局部性，即模型往往只研究边坡系统某一个(或某几个)项目或某一段数据能够达到较高的预测水平，只研究若干侧面中某个侧面的一种映像。这种模型往往潜藏着不稳健性，单个模型会不适应边坡系统的细微变化而使稳定性预测误差急剧增大，这在边坡系统各种因素犬牙交错、复杂多变的情况下，往往造成稳定性分析得出错误结论的后果。由于边坡系统在演化过程中，受许多可知的和未知的，随机的和确定的因素的作用，仅用单一模型揭示边坡的发展变化规律难免存在局限性。因此，本文不过分追求模型的高精度，用贝叶斯方法实现多模型的自动混合、自动选择，以取得模型的稳健性、实用性和可靠性。其中要解决的关键问题是构造模型的自动混合与自动选择机制和先验信念的形式化表达结构。贝叶斯分析的优点是其主观先验，难点也是主观先验，本文采用一种独特的全贝叶斯与部分贝叶斯分析相结合的方案。4、常用的典型边坡稳定性分析方法4.1极限平衡法极限平衡法，是基于静力准则的模型，是目前工程上主要采用的方法。它是根据斜坡上的滑体或滑体分块的力学平衡原理即静力平衡原理分析斜坡各种破坏模式下的受力状态，以及斜坡体上的抗滑力和下滑力之间的关系来评价斜坡的稳定性。其基本原理是设结构的稳定安全系数为k，则当结构材料的抗剪参数(摩擦因数tan¢和粘结力c)降低k倍后，结构内某一最危险滑面上的滑体将濒于失稳的极限平衡状态。由于极限平衡法对滑坡的边界条件大大地进行了简化，而计算中选用的各种参数往往是确定的或线性变化的，因而需要对复杂现象进行简化处理。各种极限平衡方法所做的假设不同，对计算结果及精度亦有显著的影响。4.1.1瑞典圆弧滑动法孔隙水压力是边坡稳定性分析中需要考虑的一个重要因素。Miler和Hamilton把孔隙水压力当作内力处理，研究了剪切变形的破坏模式下的边坡稳定性。尽管他们所采用的方法获得了正确的数值解，但是孔隙水压力导致系统内能耗散减少的物理意义值得商酌。Michalowski则将孔隙水压力作为外力做功出现在能量平衡方程中，求解边坡稳定的上限解。众所周知，土的抗剪强度与土体内的孔隙水压力密切相关。而确定孔隙水压力又是一个十分困难的问题。当水平面确定，边坡孔隙水压力就能根据所划的流线确定下来。Achilleos提出一种常用的近似方法如图1。图1所示A-B为一个已经确定的水平面，压力头点O通过等势线于AB交E(E-O)。在Achilleos近似方法中，压力头点O的值由两个近似压力头作为判断的依据。即垂直向上的压力头和垂直AB的压力头。垂直向上的压力头hpv是地下水压计算基础，点O垂直向上于AB交V。垂直AB压力头hpp垂直交AB于P。点O由hpp判断所得一个保守值(较高于真实值)，而hpv是一个不保守的判断值(较低于真实值)。保守程度由hpp和hpv平均值所控制，这平均值仍是保守的。5.1.4安全系数边坡稳定性分析问题实质上应该是极限分析问题。边坡在外载和重力的作用下，其某些部位的破坏并不意味着边坡的总体破坏。这时它仍然具有承载能力。只有当这些破坏部位进一步扩展使得边坡变成一个机构，这时边坡才完全丧失了承载能力，发生整体破坏。这个状态可以用弹塑性分析或极限分析的方法求得。从极限分析的观点来看，如果求得的土体内各点的应力状态不破坏屈服条件的话。上述各种方法相当于寻找一个静力容许解。由极限分析的下限定理知。与静力容许应力场Ro，对应的安全系数Fs大于实际的安全系数Fs’因此对于某一给定滑动面，应该调整静力容许应力场，使得安全系数取极大值。而在不同的滑动面中，真实的滑动面应该是使安全系数取最小值的滑动面。这也就是潘家铮提出的极大极小值原理。从极限分析的观点来看，如果求得的土体内各点的应力状态不破坏屈服条件的话。上述各种方法相当于寻找一个静力容许解。由极限分析的下限定理知。与静力容许应力场Ro，对应的安全系数Fs大于实际的安全系数Fs’因此对于某一给定滑动面，应该调整静力容许应力场，使得安全系数取极大值。而在不同的滑动面中，真实的滑动面应该是使安全系数取最小值的滑动面。这也就是潘家铮提出的极大极小值原理。在极限分析理论上、下定理中，土质边坡涉及参数(每种土质的γ，C′和∀′)、地下水条件、几何形状都应该成为安全系数考虑因素。对于边坡内部土层的容重经反复计算所得容重仍然大于实际的容重，可通过剪力减小(增加)来增加(减小)安全系数，经过多次反复计算直至计算所得容重等于实际的容重为止，这个过程还影响在用上、下限定理所得的安全系数，并且是用极限分析所得安全系数的基础，可以直接