浅谈边坡稳定性的分析方法

浅谈边坡稳定性的分析方法

陈宇源

福建岩土工程勘察研究院福建福州350000

摘要：边坡稳定性问题一直是边坡工程的重要研究内容，涉及水电、铁路、公路、矿山等诸多工程领域，能否正确评价边坡稳定性关系到建设资金投入和人民的生命财产安全。本文阐述了国内现状边坡稳定性的常用分析方法。

关键词：边坡稳定性极限平衡强度折减法定性定量分析

1前言

山区道路具有地形条件差、道路线位曲折、边坡数量多、边坡工点资料匾乏、施工工期短等特点，施工阶段同时开挖揭露的边坡数量众多,如何在短时间内快速收集边坡详细的地质资料，对边坡稳定性进行快速评价并提出合适的支护措施，成为制约山区道路边坡施工的关键技术问题。

2边坡变形的破坏机制

边坡作为自然界最为常见的岩土构筑形式,在地质历史过程中具有明显的演化特点,其形成发展到失稳破坏是一个复杂的动态力学过程。而这个复杂的动态力学过程实质上是由边坡岩土体应力与其强度之间的矛盾关系所决定的。

边坡的变形破坏机制通常可以归纳为三类：①应力控制型；②强度控制型；③综合控制型。强度控制型主要表现为外部作用力对边坡稳定性的影响，应力控制型主要表现为内部参数对边坡稳定性的影响，而绝大部分时候边坡的演化发展是内外因共同作用的结果。

3边坡稳定性分析的常用法

目前边坡稳定性分析方法可以分为三类：定性分析方法、定量分析方法和非确定性分析方法。由于地质问题的复杂性，目前仍没有一种完全符合边坡实际情况的精确的评价方法。边坡稳定性评价过程中存在大量定性因素，定性分析仍是边坡稳定性分析的基础。边坡稳定性分析目前没有走到完全定量这一步，它只能算是一种半定量的分析方法。

3.1定性分析方法

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的分析,给出边坡的稳定性状况及发展趋势的定性说明和解释。

（1）地质历史分析法

该方法根据边坡发育地质环境、边坡发育历史中各种变形破坏迹象及其基本规律和稳定性影响因素的分析,追溯边坡演变的全过程,对边坡稳定性的总体状况、趋势和区域性特征做出评价和预测。

（2）工程地质类比法

该方法实质上是把已有边坡的稳定性状况及其影响因素等方面的经验应用到类似边坡的稳定性分析和设计中的一种方法。通过分析,来类比分析和判断研究对象的稳定性状况、发展趋势、加固处理设计等。

（3）图解分析法

图解分析法实际上是数理分析方法的一种简化方法,如Taylor图解、赤平极射投影图法、实体比例投影图法、MarklandJJ投影图法等。

（4）计算定性分析法

计算定性分析法，它是目前使用最普遍的分析方法。有限元(FEM)法在边坡稳定性分析中得到最早应用,是目前广泛使用的一种数值分析方法。但它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。

定性分析方法其实质是把已有的自然边坡或人工边坡的研究经验，应用到条件相似的新边坡和人工边坡的研究中，需对己有边坡进行广泛的调查研究，全面研究工程地质因素的相似性和差异性，分析研究边坡所处自然环境和影响边坡变形发展的主导因素的相似性和差异性。其优点是能综合考虑各种影响边坡稳定的因素，迅速地对边坡稳定性及其发展趋势作出估计和预测，缺点是类比条件因地而异，经验性强。

3.2定量分析方法

随着计算机的应用和发展。边坡稳定性定量分析方法得到了广泛应用。常用的边坡定量分析方法主要极限平衡法和强度折减法。

（1）极限平衡法

极限平衡法假设边坡出现滑动面且处于极限平衡状态，然后将边坡离散成有垂直边界的土条，假设土条为刚体（即不考虑土条的变形），建立土条的静力平衡方程，通过求解静力平衡方程得到边坡的安全系数。极限平衡分析法是工程中应用最早、目前最普遍使用的一种分析方法。对于土质边坡，广泛釆用的是条分法。条分法是建立在莫尔-库伦强度准则、安全系数的定义和静力平衡条件基础上的。

当采用极限平衡法时，一般假设滑移面近似于某种规则形状，而后通过经验法、解析法和计算机搜索法确定最危险滑移面位置，可以看出，极限平衡条分法的计算理论已经发展的十分完善，应用非常成熟。目前被广泛使用和讨论的方法有瑞典圆弧法、简化Bishop法、Janbu法、Morgenstern-Price法、Spencer法和Fredlund-Krahn法等。

极限平衡法的缺点是在力学上做了一些简化假定，但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。因此它仍是目前应用最多的一种分析方法。

（2）强度折减法

强度折减法全面满足了静力许可应变相容和应力-应变之间的本构关系；同时，因为是采用数值分析方法，可以不受边坡几何形状不规则和材料不均匀的限制，是分析边坡应力、变形和稳定性比较理想的方法。与极限平衡法相比，强度折减法能够对具有复杂地貌、地质的边坡进行计算；能够考虑土体的应力-应变关系，不必引入过于简化的假设条件，保持了严密的理论体系；能够模拟土坡的失稳过程及其滑动面形状：破坏“自然”地发生在土体抗剪强度不足以抵抗剪应力的地方；求解安全系数时，可以不需要假设滑动面位置和形状，也无需进行条分计算；能同时计算渗流作用，得到边坡稳定分析中很重要的参数：孔隙水压力，对于土体变形和渗流作用的耦合计算有很大的优势。

但是强度折减法中边坡失稳的判别标准也是一个被广泛关注的问题。目前主要有两类：一是以强度折减法数值计算不收敛作为边坡失稳的标志；二是以广义塑性应变或者等效塑性应变从坡脚到坡顶贯通作为边坡失稳的标志。另外，强度折减法计算一般会耗费较多的时间，对分析人员的理论水平也有较高的要求。

3.3不确定性分析法

边坡稳定性工程地质评价是一项复杂的综合评价过程,影响边坡稳定性的因素多,评价指标的类型众多、信息往往不完整。存在大量定性因素,这些因素在一定程度上具有模糊性、不确定性,加上边坡稳定性定量分析中存在大量人为的、模型的或参数的等不确定性因素,使得边坡的稳定性分析具有随机性、模糊性和不确定性。常用的不确定性分析方法包括概率分析法、模糊数学法、信息量模型法、数量化理论方法、定量表格法、灰色系统评价法、人工神经网络评价法和可靠度分析方法等。

4结论

定性分析是定量分析的基础，定量分析是定性分析的补充。在实际的边坡防护工作中，应结合不同机理的边坡破坏形式，选择恰当的边坡稳定性的分析方法，从而采用合理的边坡处治方式，实现边坡治理的最佳安全及经济效益。

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