边坡稳定性分析方法综述

边坡稳定性分析方法综述摘要：综述了目前边坡稳定性分析的一些常用方法。按定性析方法、定分量分析方法和不确定分析法的分类形式分析了边坡稳定分析的研究方法。阐述了各种定性、定量分析方法的基本原理、特点及适用范围,着重描述了这些方法的研究现状及其特点，提出边坡稳定性分析方法的应用模式。针对边坡稳定性问题自身的特点及其研究现状提出了今后边坡稳定问题研究的发展趋势，以使边坡稳定性分析方法更加完善,指出边坡稳定性分析方法的向着更为综合、更为精确、更为合理的方向发展。关键词：边坡稳定性；分析方法；定量分析；发展趋势SummarizationofSlopesStabilityAnalysisMethodAbstract：Thispapersummarizessometraditionalmethodsofslopestabilityanalysis.Byusingthequantitativeanalysismethod,thequalitativeanalysismethodandtheuncertaintyanalysismethod,thepaperanalysismethodsofslopestability,Andthenvariousqualitativeandquantitativeanalysismethodsofbasicprinciples,characteristicsandscopearedescribed,mainlydescribestheirresearchstatusandcharacteristics,andputsforwarditsapplicationpattern.Accordingtothepropertiesandresearchstatus,discussedthedevelopmenttrendsofslopestabilityproblemandhasareasonableexpectationofthedevelopmentalcurrency,soastoimprovethestabilityanalysismethodofthesideslope,Pointingthatthedirectionofslopestabilityanalysismethodismorecomprehensive,moreprecise,morerational.Keywords:slopestability;analysismethods;quantitativeanalysis；developmenttendency工程界和学术界一直非常关注边坡稳定分析的课题研究，一直把边坡稳定性分析和评价作为边坡工程的核心问题。边坡稳定性问题涉及建筑工程、道桥工程、水利工程等诸多工程领域。由于各种工程的需要,随着现代科学技术的发展,对于边坡稳定的专门研究逐步建立并日益发展。近年来,在建筑领域出现了越来越多的高陡边坡,而这些边坡又往往成为制约该工程是否经济合理乃至成败的重要因素。因此，如何经济、安全可靠地设计合理的边坡和评价分析天然边坡的稳定性就显得尤为重要。边坡稳定分析作为岩土工程中的重要研究课题，工程和学术界对于边坡稳定性分析的观点变化也随着理论方面的突破和实践经验的积累而变化。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很多，大致可以分为两大类：定性分析方法和定量分析方法，其中定量分析方法又分为确定性分析方法和不确定性分析方法。1定性分析方法定性分析方法主要是对工程地质进行勘察，分析影响边坡稳定性的主要因素、可能的变形破坏方式及失稳的力学机制，对已变形地质体的成因和演化史进行分析，从而给出被评价边坡一个稳定性状况及其对可能发展趋势给出定性的说明和解释。其优点是能够比较全面地考虑影响边坡稳定性的因素，迅速地对边坡的稳定状况做出评估和预测。其缺点是定性分析只能用于定性的判断边坡是否处于稳定状态,无法得知边坡的稳定程度。定性分析法主要有自然（成因）历史分析法，图解法和工程数据库法等几种。1.1自然（成因）历史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。自然历史分析法的优点是能根据边坡的破坏规律作出某种程度上的预测。缺点是具有较强的主观性,忽略了突发事件的可能性,并且自然历史分析法一般只适用于天然斜坡的评价,只能对边坡稳定性作出初步的评价。1.2图解法1.2.1诺模图法诺模图法是通过诺模图表示边坡稳定影响因素间的关系，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，为边坡稳定性评价提供参考依据。结合相应的参数反分析出其他参数(如极限坡高、稳定坡角及结构面倾角等),目前此法主要应用于土质或全风化的具有弧形破坏面的边坡稳定性分析。1.2.2赤平投影分析法赤平投影分析法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，借由图形来分析软弱结构面的组合关系，以此分析滑体的形态和滑动方向，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。图解法的优点是能够直接、快速地确定边坡结构的稳定性程度。缺点是简化计算的过程中，做出的假设与实际情况有误差。1.3工程数据库法1.3.1工程类比法利用已有的边坡或人工边坡的稳定性状况、影响因素和有关设计等方面的经验，并把这些实际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。工程类比法需要在参考已有边坡工程的基础上，对所需评价工程边坡作出充分调查和分析，进而判断其稳定性状态。由于影响边坡稳定性各因素的差异性被人为地忽略，导致误差累计，对工程稳定性分析极为不利。正因如此，现今工程类比法一般适用于中小型工程,在复杂的大型工程中还存在缺陷，且类比时主观随意性较大,需与其他方法联合应用。1.3.2专家系统法专家系统是按学科及相关学科专家的水平进行推理和解决问题、并能说明其缘由的一种计算机程序。边坡稳定分析设计专家系统就是进行边坡工程稳定性程度分析与设计的智能化计算机程序，此程序把某一位或多位边坡工程专家的知识、理论分析、数值分析、物理模拟、工程经验、现场监测等行之有效的知识和方法有机地组织起来，用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。其优点是:能提高决策水平，最大限度地降低工程费用、节省评价时间，达到更加优化的目的。其缺点是:固定的推理规则难以适应边坡这一受众多因素影响的开放与复杂系统，这对边坡决策不利。1.3.3范例推理法范例推理是由目标范例的提示，由此得到历史记忆中的源范例，并由源范例来指导目标范例求解的一种方法策略。将实际工程称为源范例，研究的新对象称为目标范例。此法参照已有的工程分析结果研究现有的新对象。范例推理是一种重要的学习方法。它是指借用旧的事例或经验来解决问题、评价解决方案、解释异常情况或理解新情况。缺点：由于源范例增多,可能导致相互之间不相容,有待于研究、解决和发展。2定量分析方法2.1确定性分析方法2.1.1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，此法不考虑土体的应力与应变之间的关系，因而这种建立在刚体极限平衡理论上的稳定分析方法不能准确地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案例研究，如杨松林针对传统数值的条分法和萨尔玛法应用于岩石边坡稳定性分析，尚存在很多缺点这一现象，提出了使用范围更广的广义条分法，广义条分法则考虑了条块间分界面的应力和变形关系，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、方向或作用点的做出了人为假定，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。但由于实际边坡体的复杂性,计算时模型的建立与参数的选取不可避免地使计算结果与实际结果不吻合。下面介绍极限平衡计算的几种常用方法：(1)瑞典条分法。基本假定:①边坡稳定为平面应变问题;②滑动面为圆弧;③计算圆弧面安全系数时,将条块重量向滑动面法方向分解以求得法向力。该方法不考虑条间力的相互作用,仅仅能满足滑动体的力矩平衡条件,因此产生的误差使安全系数偏低。(2)Bishop条分法。此法在瑞典条分法的基础上做了改进,假定滑面的形状为滑裂圆弧面、条块之间仅有水平作用力而无垂向作用力,即条块在滑动过程中无垂向的相对运动趋势。该法的安全系数比瑞典条分法的精度较高,适用于圆弧形滑裂面。(3)萨尔玛法。萨尔玛法是极限平衡法的最新发展。基本理念是边坡岩体只有沿一个理想的平面或圆弧面滑动时,方可视为一个完整的刚体运动，否则必须先破裂为多块可相对滑动的块体才发生滑动。该方法可用于各种形状滑动面的边坡分析，可根据岩体实际存在的断层、节理和层面等结构面划分条块,并可以根据坡体内的各类结构面划分条块,但不要求各条块保持垂直，该法的计算较接近实际,但我国由于缺乏经验，推广使用并无普及。(4)斯宾塞法。假定条块之间的作用力方向相同,满足力矩与力的平衡条件,克服了其他方法中仅适用对称问题的缺陷,不需已知滑动方向,且可根据滑面的几何特征进一步获得各条块局部的稳定性系数及其潜在的滑动方向。(5)摩根斯坦普赖斯法。分析任意曲线形状的滑面,假设潜在的滑坡体被划分为无限小宽的条块,基于构建的力和力矩平衡微分方程以确定潜在滑移面的法向应力及边坡稳定性安全系数。但收敛慢,需经多次演算方能满足极限平衡条件。(6)传递系数法。是我国自主研发的适用边坡稳定性的分析方法,可使单个条块与整个滑坡体均满足平衡方程，计算简单，但精度偏低。2.1.2数值分析法数值分析方法是利用既有方法来处理非均质、非线性、复杂边界边坡的应力分布和变形情况，并用以研究岩体中的应力应变变化过程，据此求得各点上的局部稳定系数，来判断边坡稳定性程度，且能模拟边坡的开挖、支护及地下水渗流等以分析岩土体间及与支护结构间的相互作用。常用的数值分析方法有如下几种：(1)有限元法（FEM）：边坡的稳定性分析中有限元法最早得到应用，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，考虑了岩体的应力和应变特征，避免了将坡体视为刚体，过于简化边界条件的某些缺点，使能够更接近实际地从应力应变特征来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十分有利。(2)有限差分法（FDM）：对于岩土体大变形的问题，有限元等数值计算方法不能解决，为了克服这个缺陷，人们根据显式有限差分原理进行快速分析，提出了新的数值分析方法。此法将求解域划分为若干差分网格,用有限个网格节点来代替连续的求解域,再将偏微分方程的导数用差商代替,由此推导出含有离散点上有限个未知数的差分方程组。该解即为微分方程的数值近似解。该方法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体系，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，该法在格林定理基础上，在边界上对潜在的滑坡体进行单元划分,通过边界积分方程转换为线性方程组,利用解析公式求出模型中任意点的解。其特点是对无限域或半无限域问题有优势,适用于小变形均质连续介质。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。但由于此法需要事先知道求解问题的控制微分方程的基本解，因此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)不连续变形分析法（DDA）：此种方法在1985年，由石根华和Goodman创立,用类似离散元的块体来模拟被不连续面分割的块体，得出的一种新的离散型数值分析方法。采用变分原理建立系统平衡方程,基于最小势能原理对势能泛函取最小值求得,具有有限元与离散单元法两者的部分优点。该法引入