边坡稳定性分析方法

1、大连理工大学边坡稳定性分析方法的现状与展望-大学 班级： 学号：摘要：介绍了国内边坡稳定性分析方法的研究现状与发展动态，将边坡稳定性分析方法分为定性分析方法和定量分析方法。分析总结了极限平衡理论、数值分析方法等确定性分析方法的发展情况。详细分析了边坡稳定性分析方法的最新进展和边坡稳定性分析中的新方法、新理论及各种方法的优缺点。指出随着计算机技术的兴起和软件的应用，多种方法的综合运用成为边坡稳定性分析的发展方向。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。关键词：边坡稳定性；定性分析；定量分析；发展趋势Present situation and prospect

2、 of slope stability analysis methodAbstract: Traditional methods of slope stability analysis were summarized and divided it into qualititave methods and quantitative methods. Analysis summarizes the limit equilibrium theory and numerical analysis method, such as the development of situation. Slope s

3、tability analysis method are analyzed in detail the latest progress and new methods and new theory in slope stability analysis and the advantages and disadvantages of various methods. Points out that with the development of computer technology and software applications, a variety of methods of the i

4、ntegrated use of become the development direction of slope stability analysis. According to the characteristics of the slope stability problem itself and its current research situation in the future was put forward the development trend of slope stability studies.Key words: Slope stability; Qualitat

5、ive analysis; Quantitative analysis; Development tendency0 引言边坡工程是一个开放系统,它既有有限变形问题又有无限变形问题,有瞬时变形问题又有长时变形问题。边坡是一种自然地质体，按组成物质可以分为土质边坡和岩质边坡，在边坡角变化、地下水、地震力、水位变化等外因作用下，边坡将沿其裂隙等一些不稳定结构面产生滑移，当土体内部某一面上的滑动力超过土体抗滑动的能力，将导致边坡的失稳。边坡稳定性分析是岩土工程的一个重要研究内容，并已经形成一个应用研究课题，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，近年来受到越来越多的关注，

6、研究方法层出不穷，其中主要以刚体极限平衡分析法和数值分析方法为主，而这些方法在设计参数的选取上都是按定值进行考虑的。然而，由于边坡受多种因素综合影响，其稳定性常表现出复杂多样性、不确定性等特征。传统的工程地质学主要着手地质对比的研究，20世纪80年代后，学科之间的相互渗透使许多与现代科学有关的理论和方法,如系统方法、模糊数学、灰色理论、信息论方法、数理化理论及现代概率统计理论等应用到边坡稳定性研究，从而使这种对比研究手段已从定性发展到定量并形成多种各具特色的边坡稳定性预测模型的阶段，边坡稳定性分析方法不断发展与完善。本文简要分析了目前常用的边坡稳定性分析方法的基本原理、特点、优缺点及其适用范围

7、,探讨了边坡稳定分析的发展趋势,为进一步研究边坡稳定性问题理清了思路。1 定性分析方法主要是通过工程地质勘察,对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等的分析,对已变形地质体的成因及其演化史进行分析,从而给出被评价边坡一个稳定性状况及其可能发展趋势的定性的说明和解释。其优点是能综合考虑影响边坡稳定性的多种因素,快速地对边坡的稳定状况及其发展趋势作出评价。常用的定性分析法见表1。表1 边坡稳定性定性分析方法名称原理发展动态自然（成因）历史分析方法分析边坡历史演变中各种变形破坏成因、规律及影响因素,依此判断和评价边坡的稳定性采用“将今论古”追溯边坡演变过程,常用于评价天然斜坡

8、的稳定性图解法诺模图法采用诺模图表示影响边坡稳定性参数间的关系,并求出边坡稳定安全系数,作为边坡稳定性评价参考依据结合相应的参数反分析其他参数(如稳定坡角、极限坡高及结构面倾角等),目前主要应用于土质或强全风化的边坡稳定性赤平极射投影法利用赤平极射投影原理,通过作图反映边坡失稳边界条件评价边坡稳定性得出可能产生的滑移面与坡面空间关系及稳定性,一般用于评价岩质边坡稳定性工程数据库工程类比法参照已有工程边坡稳定性状况及其影响因素,并结合有关设计与治理等经验,通过类比相似性与差异性评价边坡稳定一般在中小型工程中应用广泛,在复杂的大型工程中还存在缺陷,需与其他方法融合应用专家系统基于计算机储存的大量边

9、坡工程资料及相关学科不同专家的知识与经验,通过计算机的模拟优化技术路径分析稳定性应能提高决策水平、节约时间,但固定的推理规则动态与复杂的系统难以适应其变化,亦不能学习与改进过去处理工程实例的方法范例推理法参照已有的工程分析研究现有的新对象,将实际工程称为源范例、研究的新对象称为目标范例由于源范例增多,可能导致相互之间不相容,还有待于研究与解决2 定量分析方法定量分析方法分为确定性分析方法和不确定性分析方法,其中确定性分析方法主要包括极限平衡分析法和数值分析方法；不确定性分析方法主要包括灰色系统评价法、可靠度分析方法、模糊综合评价法等。2.1 确定性分析方法2.1.1 极限平衡分析方法极限平衡法

10、在工程中的应用非常广泛。它是根据边坡上的滑体或滑体分块的力学平衡原理(即静力平衡原理)分析边坡各种破坏模式下的受力状态,以及边坡上的抗滑力和下滑力之间的关系来评价边坡的稳定性。其基本原理是:设边坡的稳定安全系数为F,则当边坡土体材料的抗剪参数(摩擦因数tan和粘结力c)降低F倍后，边坡内某一最危险滑面上的滑体将濒于失稳的极限平衡状态。在极限平衡分析中需要假定滑裂面,如果滑裂面为任意形状,那么，为了确定沿滑裂面的应力分布，需要将滑动土体分成若干垂直土条，通过分析作用于土条上的力来建立平衡方程,此即条分法。目前,主要有:瑞典圆弧法、Bishop法(1955)、Morgenstern-Price法(

11、1965)、Spencer法(1973)、Bell法(1968)、Janbu法(1973)、Sarma法(1973,1979)、孙君实法(1983)等。各种方法最大的不同之处在于对相邻分条之间内力的假定不同，见表2。表 2 条分法比较计算方法所满足的平衡条件滑裂面形式条间内力假定整体力矩分条(块) 力矩垂直力水平力瑞典圆弧法×××圆弧合力方向Bishop法××圆弧忽略切向条间力Morgenstern-Price法任意合力方向Spencer法任意合力方向Janbu法任意合力的作用点Sarma法任意合力方向（1）瑞典条分法基本假定:边坡稳定为平面应

12、变问题;滑动面为圆弧;计算圆弧面安全系数时,将条块重量向滑面法向分解来求法向力。该方法不考虑条间力的作用,其安全系数为滑裂面上的抗滑力矩与滑裂面以上土体的滑动力矩之比,用总应力法求得给定滑裂面的安全系数,再经反复试算比较可确定出边坡最小安全系数，仅能满足滑动体的力矩平衡条件,产生的误差使安全系数偏低。（2） 简化毕肖普(Bishop)法其基本原理是假设条块间作用力的方向为水平向,即假定只有水平推力作用,而不考虑条块间的竖向剪力,建立整体力矩平衡方程,并由静力平衡条件求解安全系数。大量实际边坡稳定分析计算表明,对于圆弧滑面,该方法的计算结果与满足所有平衡条件的严格极限平衡法的计算结果相当一致,且

13、其计算过程相对简单,适用于手算和机算,已被纳入各国规范。（3）简布普遍条分法简布法假定滑体中推力线已知,利用力矩平衡条件把条间竖向剪力表示成水平推力的函数,其适用于最一般的情况。此外,利用该法不仅可求出滑裂面平均安全系数及应力分布,还可求出各分界面上的抗剪安全系数作为校核。（4）极限平衡的其它计算方法除了假定条间力合力作用点位置外,还可假定条间竖向剪力与水平推力夹角或合力方向,属于这一类的方法有斯宾塞法(Spencer)、摩根斯坦(Morgenstern)-普赖斯(Price)法、沙尔玛法(Sarma)以及目前国内工业、民用建筑及铁道部门使用的不平衡推力传递法。（5）极限平衡条分法的局限性极限

14、平衡条分法简单易用,对于简单边坡计算精度也比较高,通过一些假定也能处理比较复杂的边坡,但其终究具有自身的局限性,主要如下:极限平衡条分法需要事先假定一滑裂面,所以它最终的解一定依赖于初始假定的滑动面,寻找到的滑动面不一定是全局最优的,即存在一定的人为误差。对于均质边坡比较容易假定出可能的滑动面,而对于土层性质差异较大的非均质地层,以及存在节理裂隙的岩体边坡,其潜在滑动面并非圆弧形,很难通过假设确定。极限平衡条分法只能给出边坡的安全系数及其相应的滑动面位置、形状,无法考虑边坡内部岩土体的应力-应变关系,所以得到的安全系数只是所假定的滑动面上的平均安全系数,而不能求得滑体内部或滑动面上的真实内力或

15、反力。极限平衡条分法本身对条间力或作用方向作了较大的人为假定,这种做法与事实的差距究竟有多大,对安全系数有多大影响,有待进一步考证。2.1.2 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。邱祥波等1采用原流变模型,给出了初应变法的有限元解析式,用自编的平面有限元程序对小浪底出口边坡进行了稳定性分析。沈凤生等2采用三维有限元法对小浪底水利枢纽工程进水口南端山体高边坡稳定性进行了研究。杨家

16、岭等3采用三维弹塑性有限元分析方法对藕塘古滑体在三峡水库形成后的稳定性进行了分析。其它数值分析方法如边界元法、离散元法、拉格朗日法也开始大量应用于边坡稳定性分析中。常春等4提出了边坡应力分析的一种新方法,即离散元计算和神经网络预测相结合的模型。该方法首先用离散元方法分析不同开采深度下的边坡岩体应力,将计算结果形成样本集,应用于神经网络学习并进行推理,预测其他开采深度的边坡岩体应力。可见数值分析方法有两种发展趋势:一是有限元法的发展,从平面有限元到三维有限元,从弹性有限元到弹塑性有限元,使有限元法分析结果更能反映实际边坡;二是大量新型数值计算方法的应用,如边界元法、离散元法、拉格朗日元法等,这些

17、数值方法的应用,必将促进边坡稳定性研究的发展。2.2 不确定分析方法2.2.1 灰色系统评价法灰色系统理论认为,在决定事物的诸因素中若既有己知的,又有未知的或不确定的,它们所在系统则称为灰色系统5。把系统中的一切信息量看作灰色量,采用特有的方法建立描述灰色量的数学模型。利用灰色关联度分析原理,确定边坡稳定性各影响因素的影响程度,进而利用多因素叠加分析评估边坡的稳定性。陈新民6等提出了一种基于经验的边坡稳定性灰色系统分析方法,该方法所得的结果与边坡实际状态相一致,并且,该方法直观、简单、可操作性强。灰色系统理论是研究信息不完全系统的有效方法。灰色系统分析和灰色模型是灰色系统理论的两大核心内容。一

18、般情况,构成现实问题的实体因素是多种多样的,因素间的实体关系也是多种形式的。因而要想知道因素和因素间的全部关系是不可能的,也是不必要的。在这种情况下,只需着眼于决策者的目的相关联的主要因素和关系。在系统分析中,常用的定量方法大都是数理统计法,如回归分析、方差分析、主成分分析,其中以回归分析用得最多。然而,回归分析有要求大样本量、要求样本有较好的分布规律、计算工作量大以及可能出现量化结果与定性分析结果不符的现象等弱点。灰色系统理论则提出了一种新的系统分析方法,称为系统的灰色关联度分析方法。该方法可不受上述局限,它可在不完全的信急中,对所要分析研究的各因素,通过一定的数据处理,在随机的因素序列间,

19、找出它们的关联性,发现主要矛盾,找到主要特性和主要影响因素。因此,特别适合于像边坡稳定性这种数据有限、没有原型、复杂而且具有不确定性问题的分析和评价。2.2.2 可靠度分析方法可靠度分析方法在进行边坡稳定性分析时,充分考虑了影响安全系数的各个随机要素(如岩体及结构面的物理力学性质,地下水的作用包括静水压力、动水压力、裂隙水压力、软化作用、浮托力,各种荷载等)的变异性。通过对各种因素不确定性的认识,结合边坡系统的具体情况,采用概率分析方法和可靠度尺度描述边坡工程系统的质量。可靠度分析方法已经广泛应用于边坡及滑坡分析中。Claes Alen(1996)应用概率方法对Gato河谷地区的边坡进行了广泛

20、而细致的分析,并拓展了该方法的内容7;张兴(1990)对多滑面边坡的破坏概率进行了计算8;郭志怀(1990)给出了边坡滑动过程中可靠度的估算方法9。这些应用推动了可靠度方法的发展。2.2.3 系统分析方法由于边坡处于非常复杂的岩土体力学环境条件下,其稳定性的涉及面很广,影响因素也很多,且稳定程度非常复杂,因此,边坡稳定性问题也是一个系统工程问题10。应用系统分析方法遵循的途径为:岩体力学环境条件的研究、变形破坏机制研究、稳定性计算分析。目前,系统分析方法广泛应用于边坡稳定性分析之中。2.2.4 人工神经网络分析法(ANN)是一种非线性动力学系统,利用工程技术手段结合数学方法将其简化并抽象以模拟

21、反映人脑基本功能的一种并行处理连接网络,亦是一种新型信号处理系统或运算体11。其特点是并行处理、分布式储存、容错性、自学习、自组织、自适应、优化计算等。用于岩土工程中的神经网络模型主要有BP模型、Hofield模型、Blotzmann模型及自组织映射模型等。2.2.5 模糊评价法模糊综合评价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,进而进行等级或类别评价12。实践证明,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。其优点是能得到边坡稳定性等级分类指标,据此判断出边坡的稳定性情况;缺点是在实际操作过程中,评判中权数的分配带有一定的经验

22、性和主观性,并且并没有考虑到各个影响要素。2.2.6 遗传算法遗传算法(Genetic Algorithm,简称GA)是模拟自然界生物进化过程提出的一种自适应随机性优化搜索算法13。该算法首先随机产生种群,并用合理的评价函数对种群进行评估,在此基础上进行选择、交叉及变异等遗传操作,进行具有导向性的随机搜索,直至得到最优解。遗传算法14求解步骤主要包括:首先随机生成最优化问题的N个可行解,并对解进行编码,我们称这N个解为父代,每个解为一个个体,解的编码为染色体,组成编码的元素为基因。然后确定适当的评价函数,每个染色体的评价函数值的大小决定了其按照某个概率被选择产生后代的机会的大小。第三是染色体的

23、结合,根据适当的概率,选择父代进行两两配对,通过编码间的交叉产生新的个体。最后是变异,按适当的概率,使新一代的某些基因发生变化。变异操作使解具有更大的遍历性,有利于收敛到全局最优点。在岩土工程边坡稳定性分析计算中,要寻找最危险的潜在的滑动面,然后以此为依据,进行设计。寻找最危险的滑动面的位置,可以使用遗传算法。2.2.7 其它不确定性分析方法数量化理论是集定性与定量变量于一体的多变量分析方法,是把没有用数值表示出来的,经人们判断和评价的数据资料,从量上探索和处理的手段的总称,由日本的林知己夫教授于1950年提出。数量化理论方法,在解决含有定性与定量变量系统时,有一定的优越性。因而也将其引进来进

24、行边坡稳定性的分析研究。定量表格法是将定性评价转变为定量评价的有效方法。其主要思路是,设法选择好一种量化方法,合理地处理边坡稳定性的定性因素,并将量化评价的一般性结果以评分表的形式表达出来,当对同类边坡工程进行稳定性实际评价时,只需对照表格逐项评分,然后进行简单的加减运算即可做出定量的评价。这一方法,增强了边坡稳定性评价的科学性和实用性,使评价方法从定性走向定量起了较大的推动作用。3.边坡稳定性发展趋势边坡稳定性分析方法取得了很大的成就,但在以下几个方面还有待进一步完善,将是以后研究的重点。（1)进一步进行边坡稳定性分析实验研究。目前对边坡稳定性分析实验研究并不多。众所周知,实验是边坡稳定性研

25、究的基础,也是计算方法的依据。如果不进行实验研究就难以分析边坡破坏机理,就难以把握计算方法的正确性。只有加强边坡稳定分析实验研究,才能促进边坡分析的发展。（2)完善确定性分析方法,特别是复合法。目前确定性分析方法占有绝对的地位,只有不断完善才能适合不同的边坡条件。复合法是确定性分析方法的发展方向,可将不同方法的优点结合起来,应大力发展复合方法。（3)大力发展边坡稳定分析的随机方法和模糊方法。随机方法和模糊方法是边坡稳定性分析的新兴方法,在理论和应用上都有很多研究工作要做,应大量开展随机方法和模糊方法的理论和应用研究,使其更适合边坡稳定性分析。4.结语传统的分析方法由于计算简单、思路清晰且能够解决一般工程问题，因此在工程中仍得到广泛应用。极限平衡法严格的建立在岩土力学的理论之上，理论完善，推导严谨，岩体参数的确定及稳定性分析中所采用的新理论和新方法在不断完善、改进边坡稳定性分析方法。特别是复合法、可靠度法的运用更是未来发展方向。随着计算机的发展与普及，利用软件的强大处理功能进行边坡稳定性分析，可以给我们带来意想不到的收获。然而，无论使用何种方法进行边坡稳定分析，都应首先以分区