边坡稳定性方法浅析.doc

边坡稳定性分析方法浅析摘要本文对目前边坡工程中常用的一些稳定性分析方法进行了系统的总结，对它们各自的主要原理、特点及其优缺点进行了阐述。这些方法包括:极限平衡法，数值分析法，图解法，随机分析法，模糊分析法和现场监测分析法。 Abstract: in this paper, the current of some commonly used in slope engineering stability analysis method has carried on the system summary, the main principle, characteristics and their respective advantages and disadvantages, are expounded. These methods include: Limit equilibrium method, numerical analysis method, graphic method, stochastic analysis, fuzzy analysis and field monitoring analysis.关键词岩土工程边坡工程高边坡稳定分析方法Keywords: geotechnical slope engineering high slope stability analysis method正文边坡是自然或人工形成的斜坡，是人类工程活动中最基本的地质环境之一。也是工程建设中最常见的工程形式。作为全球性三大地质灾害（地震、洪水、崩塌滑坡泥石流）之一的边坡失稳塌滑严重危及到国家财产和人们的生命安全。随着经济的发展，在诸如水电、露天采矿、能源及交通等地质工程活动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 的重要因素。因此，如何经济、安全可靠地设计合理的边坡工程或分析评价天然边坡的稳定性就显得愈发重要边坡稳定性问题涉及矿山工程、道桥工程、水利工程、建筑工程等诸多工程领域。岩土边坡是一种自然地质体，一般被多组断层、节理、裂隙、软弱带切割，使边坡存在削弱面，在边坡角变化、地下水、地震力、水库蓄水等外因作用下，使边坡沿削弱面产生相对滑移而产生失稳。这种破坏轻者引起边坡的破坏，重者摧毁边坡下的建筑物，甚至造成人员伤亡，引起重大的经济损失。与边坡稳定性分析相比较，另一个不可分割的问题就是边坡稳定性分析方法的使用。不同的边坡工程常常赋存于不同的工程地质环境中，不同的边坡稳定性分析方法又各具特点，有一定的适用条件。 从边坡工程研究发展历程可见，边坡稳定性研究发展的过程，同时又是一个边坡稳定性分析方法不断发展的过程。新的边坡稳定性分析方法不断出现，古老的方法又不断得到改进，且逐步由定性向定量、半定量的方向发展。本文就各种边坡稳定性分析方法的主要特征及其优缺点作些简要分析。（一）极限平衡理论极限平衡理论是最经典的确定性分析方法，具体方法是将有滑动趋势范围内的边坡岩体按某种规则划分为一个个小块体，通过块体的平衡条件建立整个边坡平衡方程，以此为基础进行边坡分析。该方法是工程实践中应用最早、也是目前最普遍使用的一种定量分析方法。目前已有了多种极限平衡分析方法，如:Fellenius法、 毕肖普法、Janbu法、Morgenstern-Prince法、 Sarma法、楔体极限平衡分析法等等。其中Sarma法既可用于滑面呈圆弧形的滑体，又可用于滑面呈一般折线形滑面的滑体极限平衡分析;楔体极限平衡分析则主要用于岩质边坡中由不连续面切割的各种形状楔形体的极限平衡分析。近年来，人们都已经把这些方法程序化了，有的还把有限元方法引入到极限平衡分析法中，先通过有限元方法计算出可能滑面上各点的应力，然后再利用极限平衡原理计算滑面上的点安全系数及沿整个滑面滑动破坏的安全系数，如下图所示。 式中I为第i条可能滑动面;j、j、uj、fj、cj、lj分别为第i个滑动面上第j个单元的法向正应力、剪应力、渗透压力，以及第j个单元滑动面上的内摩擦力、粘聚力和长度。极限平衡法具有模型简单、计算公式简捷、可以解决各种复杂剖面形状、能考虑各种加载形式的优点，该方法抓住了问题的主要方面，且简易直观，并有多年的实用经验，若使用得当，将得到比较满意的结果。但是也由于在力学上作了一些简化假设，计算模型过于简化，导致危险滑动面确定困难。它是目前应用最多的一种分析方法。（二）数值分析方法随着计算机技术的发展，很多数值计算方法都用到边坡稳定分析中。有限元法是一种十分成熟的数值方法，它几乎可适用于所有的计算领域。其最大优点是可分析任何形状的几何体，不但能进行线性分析还可进行非线性分析。有限元是边坡稳定分析中用得较多的一种数值方法。（1）有限元法该方法在边坡岩土体的稳定性分析中得到最早(1967)应用，也是目前最广泛使用的一种数值分析方法。目前,已经开发了多个二维及三维有限元分析程序,可以用来求解弹性、弹塑性、粘弹塑性、粘塑性等问题。有限元法的优点是部分地考虑了边坡岩体的非均质和不连续性,可以给出岩体的应力、应变大小与分布,避免了极限平衡分析法中将滑体视为刚体而过于简化的缺点,能使我们近似地从应力应变去分析边坡的变形破坏机制,分析最先、最容易发生屈服破坏的部位和需要首先进行加固的部位等。它还不能很好地求解大变形和位移不连续等问题,对于无限域、应力集中问题等的求解还不理想。（2）离散单元法离散单元法(DEM)是一种适用于模拟离散介质的数值方法。自从康德首次提出离散单元 DEM(distinct element method)模型以来，这一方法已在岩土工程和边坡问题中得到日益增长的应用。离散单元法的一个突出功能是它在反映岩块之间接触面的滑移，分离与倾翻等大位移的同时，又能计算岩块内部的变形与应力分布。因此，任何一种岩体材料都可引入到模型中，例如弹性、粘弹性、弹塑性或断裂等均可考虑，故该法对块状结构、层状破裂或一般破裂结构岩体边坡比较合适。并且，它利用显式时间差分法(动态松弛法)求解动力平衡方程，求解非线性大位移与动力稳定问题较为容易。此法在岩质高边坡稳定分析中有较广泛的应用。(3)DDA方法由石根华与 Goodman 提出的块体系统不连续变形分析(discontinuous deformation analysis)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节理面切割岩体形成不同的块体单元，单个块体内部满足连续介质的变形协调方程和本构关系，但块体间不满足变形协调关系，块体间的本构关系是通过假定刚度来实现，DDA 中的本构关系为块体所受的合外力与块体位移之间的关系。此法的计算网格与岩体物理网格一致，可以反映岩体连续和不连续的具体部位。它考虑了变形的不连续性和时间因素，既可以计算静力问题，又可以计算动力问题。它还可以计算破坏前的小位移，也可以计算破坏后的大位移，如滑动、崩塌、爆破及贯入等，特别适合于边坡极限状态的设计计算。 DDA 法是兼具有限元与离散元法二者之部分优点的一种数值方法，其一个时步内的求解过程更像有限元法，而在块体运动学求解方面更类似于离散元法。但是，岩体种类繁多，性质极为复杂，计算时步的大小对结果影响很大，且需耗用大量的计算机内存及计算时间，计算方法的优化和改良还有待进一步研究。（4）数值流形方法与无单元法 石根华通过研究 DDA 与有限元的数学基础，于 1995 年提出了 DDA 与有限元法的统一形式数值流形方法 NMM(numerical manifold method)。NMM 以流形分析中的有限覆盖技术为基础，使得连续体、非连续体的整体平衡方程都可以用统一的形式来表达。文8用改进后的程序分析了三峡船闸高边坡的稳定，分析了船闸边坡的变形规律和稳定性。无单元法可看作是有限元法的推广，它采用了一种特殊的形函数及位移插值函数，能够反映在无穷远处的边界条件，近年来已比较广泛地应用于非线性问题、动力问题和不连续问题的求解。其优点是有效地解决了有限元方法的“边界效应”及人为确定边界的缺点，在动力问题中尤为突出，显著减小了求解规模，提高了求解精度和计算效率，这一点对三维问题尤为显著。（5）拉格朗日元法 有限变形问题是针对塑性变化历程及延性破坏机制等问题提出的。在处理有限变形问题时，对材料的非线性给予考虑，使由变形造成的对内外力平衡的影响在计算中得以体现，所以需要一种兼顾材料非线性和几何学上的非线性的一般非线性解析方法。为了克服有限元等方法不能求解大变形问题的缺陷，人们根据有限差分法的原理，提出了 FLAC(fast Lagrangion analysis of continue)数值分析方法。该方法较有限元法能更好地考虑岩土体的不连续和大变形特性，求解速度较快。其缺点是计算边界、单元网格的划分带有很大的随意性。（三）图解法 图解法是考虑边坡的各种因素如岩性、地下水、边坡角等的变化，根据相应的公式制成图表，这样使得边坡设计计算变得简单、方便，只需查相应的图表即可。自1937年Taylor首次提出毕肖普法、Morgenstern(1963)及Spencer(1967)陆续设计出了各种图表。因图解法简单、直接，工程界常常使用，但其是简化基础上进行归并而得，使用时一定要注意其适用条件和适用范围。（四）随机分析方法随机分析方法不同于确定性分析方法，其认为影响边坡稳定性的各种因素是随机变量，运用概率论和数理统计知识来研究边坡稳定性。随机分析中常将边坡岩体材料性能，如弹性模量、泊松比等;边坡几何尺寸，如内部结构面、边坡边界尺寸;边坡外部荷载，如地震力、重力场、渗流场等视为随机变量。（五）模糊分析方法该方法认为边坡性质及稳定性的界限是不清楚的，具有相当的模糊性，采用模糊理论对边坡稳定性进行研究。模糊理论是应用模糊变换原理和最大隶属度原则，综合考虑被评事物或其属性的相关因素，进而进行等级或级别评价。该方法难点在于相关因素及各因素的边界值的确定。 （六）现场监测分析法岩石流变力学认为岩体的变形破坏是一个过程。岩质边坡工程由稳定状态向不稳定状态的突变也必然具有某种前兆。捕捉这些前兆信息并对其进行分析和解释,将可更好地认识边坡岩土体变形的发展过程和失稳的征兆及其判据。人们在生产实践的过程中早已认识到这个问题,并对之越来越重视。在发展其它边坡稳定性分析理论与方法的同时,又开展了现场监测技术方法、监测结果分析方法等的研究,力图通过现场监测所获得的信息如位移、位移速度、应力、声发射率、氡气-、脉冲频率、地下水等有关特征,来对边坡岩土体稳定性作出评价和预测,为加固处理设计提供服务,同时,又能对加固措施的加固效果进行检验,为施工的安全保护等提供信息。由于现场监测结果直观可靠,因而利用监测结果对边坡过程的稳定性进行分析,已成为目前边坡工程中稳定性评价极其重要的一种方法。结束语 本文简要介绍了目前主要的边坡稳定性分析法。从中可以看到,各种方法的原理不同,作出的分析结果表示方式不一,各有其优缺点。建立于复杂地