1、 專業整理分享 邊坡穩定性分析方法及其適用條件摘要：邊坡是一種自然地質體，在外力的作用下，邊坡將沿其裂隙等一些不穩定結構面產生滑移，當土體內部某一面上的滑動力超過土體抗滑動的能力，將導致邊坡的失穩。邊坡穩定性分析是巖土工程的一個重要研究內容，并已經形成一個應用研究課題， 本文對目前邊坡穩定性分析中所采用的各種方法進行了歸納，并闡述了其適用條件。關鍵詞：邊坡穩定性 分析方法 適用條件正文：一、工程地質類比法工程地質類比法，又稱工程地質比擬法，屬于定性分析，其內容有歷史分析法、因素類比法、類型比較法和邊坡評比法等。該方法主要通過工程地質勘察，首先對工程地質條件進行分析，如對有關地層巖性、地質構造、

2、地形地貌等因素進行綜合調查和分類，對已有的邊坡破壞現象進行廣泛的調查研究，了解其成因、影響因素和發展規律等；并分析研究工程地質因素的相似性和差異性；然后結合所要研究的邊坡進行對比，得出穩定性分析和評價。其優點是綜合考慮各種影響邊坡穩定的因素，迅速地對邊坡穩定性及其發展趨勢作出估計和預測； 缺點是類比條件因地而異，經驗性強，沒有數量界限。適用條件：在地質條件復雜地區，勘測工作初期缺乏資料時，都常使用工程地質類比法，對邊坡穩定性進行分區并作出相應的定性評價，因此，需要有豐富實踐經驗的地質工作者，才能掌握好這種方法。二、極限分析法應用理想塑性體或剛塑性體處于極限狀態的極小值原理和極大值原理來求解理想

3、塑性體的極限荷載的一種分析方法。它在土坡穩定分析時，假定土體為剛塑性體，且不必了解變形的全過程，當土體應力小于屈服應力時，它不產生變形，但達到屈服應力，即使應力不變，土體將產生無限制的變形，造成土坡失穩而發生破壞。其最大優點是考慮了材料應力應變關系，以極限狀態時自重和外荷載所做的功等于滑裂面上阻力所消耗的功為條件，結合塑性極限分析的上、下限定理求得邊坡極限荷載與安全系數。三、極限平衡法該法將滑體作為剛體分析其沿滑動面的平衡狀態,計算簡單。但由于邊坡體的復雜性,計算時模型的建立與參數的選取不可避免地使計算結果與實際結果不吻合。常用的方法有如下幾種。1瑞典條分法。基本假定:A邊坡穩定為平面應變問題

4、;B滑動面為圓弧;C計算圓弧面安全系數時,將條塊重量向滑面法向分解來求法向力。該方法不考慮條間力的作用,僅能滿足滑動體的力矩平衡條件,產生的誤差使安全系數偏低。優缺點：在不能給出應力作用下的結構圖像的情況下，仍能對結構的穩定性給出較精確的結論，分析失穩邊坡反算的強度參數與室內試驗吻合度較好，使分析程序更加可信;但需要先知道滑動面的大致位置和形狀，對于均質土坡可以通過搜索迭代確定其危險滑動面，但是對于巖質邊坡，由于其結構和構造比較復雜，難以準確確定其滑動面的位置而且確定時也帶來很大隨機性，這就給巖質邊坡的穩定性分析帶來較大困難。2改進的條分法 Bishop條分法。在瑞典條分法的基礎上做了改進,假

5、定滑面形狀為滑裂圓弧面、條塊之間僅有水平作用力而無垂向作用力,即條塊在滑動過程中無垂向的相對運動趨勢。該法的安全系數比瑞典條分法的精度較高,適用于圓弧形滑裂面。Sarma法是極限平衡法的最新發展。基本理念是邊坡巖體除非沿一個理想的平面或圓弧面滑動,方可視為一個完整的剛體運動,否則必須先破裂為多塊可相對滑動的塊體才發生滑動。該方法可用于各種形狀滑動面的邊坡分析,可根據巖體實際存在的斷層、節理和層面等結構面劃分條塊,并可根據坡體內的各類結構面劃分條塊,但不要求各條塊保持垂直,計算較接近實際,但我國由于缺乏經驗而影響了推廣使用。斯賓塞法。假定條塊之間的作用力方向相同,滿足力矩與力的平衡條件,克服了其

6、他方法中僅適用對稱問題的缺陷,不需已知滑動方向,且可根據滑面的幾何特征進一步獲得各條塊局部的穩定性系數及其潛在的滑動方向。摩根斯坦普賴斯法。分析任意曲線形狀的滑面,假設潛在的滑坡體劃分為無限小寬的條塊,基于構建的力和力矩平衡微分方程以確定潛在滑移面的法向應力及邊坡穩定性安全系數。但收斂慢,需經多次演算方能滿足極限平衡條件。傳遞系數法。是我國自主研發的適用邊坡穩定性分析方法,可使單個條塊與整個滑坡體均滿足平衡方程,計算簡單,精度偏低。同時，極限平衡法也存在著一定的局限性:其一,需要事先假設邊坡中存在的滑動面(圓弧法或折線法);其二,無法考慮土體與支護結構之間的作用及其變形協調關系;其三,不能計算

7、邊坡及支護結構的位移情況。該方法模型簡單、計算公式簡捷、可以解決各種復雜剖面形狀、能考慮各種加載形式的優點,因此得到廣泛的應用。但對于復雜的地質情況則不適用！極限平衡理論邊坡穩定性分析方法基本條件的比較四、數值分析法隨著計算機技術的發展,很多數值計算方法都用到邊坡穩定分析中。該法在處理非均質、非線性、復雜邊界邊坡時,通過計算機處理獲得巖土體應力應變關系,且能模擬邊坡的開挖、支護及地下水滲流等以分析巖土體間及與支護結構間的相互作用。常用的方法有如下幾種：(1)有限元法(FEM)。該法為邊坡穩定分析中采用較多的方法,可用于求解彈性、彈塑性、粘彈塑性、粘塑性等問題。將連續系統分割為有限個分區或單元,

8、對每個單元提出一個近似解,再將所有單元按標準方法組合為一個與原有系統近似的系統,基于等價于微分方程的積分原理組建節點平衡方程組,并利用虛功原理與最小勢能原理求解。 (2)邊界元法(BEM)。基于格林定理等在邊界上對潛在滑坡體進行單元劃分,通過邊界積分方程轉換為線性方程組,由解析公式求出模型中任意點的解。其特點是對無限域或半無限域問題有優勢,適用于小變形均質連續介質。(3)離散單元法 (DEM)。該法為用于巖土體穩定性分析的一種動態數值分析方法,適合節理巖體應力、變形分析。將邊坡體離散為若干個塊體單元（離散單元法的單元,從性質上分,可以是剛性的,也可以是非剛性的;從幾何形狀上分,可以是任意多邊形

9、,也可以是圓形）,通過單元間接觸關系建立位移與力的相互作用規律,并通過迭代利用顯式時間差分法求解動力平衡方程,利用計算機的輔助功能表示邊坡體的應力應變關系、應力場及位移場等參數量的變化過程,對求解線性大位移與動力穩定問題有較大優勢,但顯式時間差分法中時步的選取影響計算結果精確度。(4)快速拉格朗日分析法(FLAC)。該法源于流體力學,是研究某一流體質點在任一段時間內的運動軌跡、流速、加速度等特性,能較好地考慮巖土體的大變形與不連續性,求解速度快,適合求解非線性大變形問題,但在計算邊界與網格的劃分上有隨意性。(5)不連續變形分析法(DDA)。是用類似離散元的塊體來模擬被不連續面分割的塊體的一種新

10、的離散型數值分析方法,采用變分原理建立系統平衡方程,基于最小勢能原理對勢能泛函取最小值求得,具有有限元與離散單元法兩者的部分優點。由于該法引入了非連續接觸和慣性力,基于運動學方法和考慮了時間因素,可計算靜力和動力問題、破壞前的小位移與破壞后的大位移。但在分析問題時常將研究對象完全離散,不太適合連續與半連續問題的分析,同時由于巖體種類繁多、性質復雜,計算的時步對結果影響很大且耗用大量的計算機內存及計算時間。(6)有限差分法(FDM)。將求解域劃分為差分網格,用有限個網格節點代替連續的求解域,再將偏微分方程的導數用差商代替,推導出含有離散點上有限個未知數的差分方程組。該解即為微分方程的數值近似解。

11、(7)無界元法(IDEM)。主要解決有限元在計算時難以確定的計算范圍及邊界條件,可作為有限元法的推廣。基于一些形函數和位移插值函數,能反映無窮遠處的邊界條件,廣泛應用于求解動力及不連續問題等。(8)數值流形元法(NMM)。基于最小位能原理與現代數學分析理論為基礎的一種新的數值分析方法,以拓撲流形和微分流形為基礎,利用有限覆蓋將連續與非連續的計算統一到數值流形中,吸收了有限元與不連續變形分析法的優點,可計算不連續體的大變形、塊體接觸、大塊體運動,同時可顯示應力應變關系及變形的發展過程。五、其他方法1、模糊數學方法模糊理論是應用模糊變換原理和最大隸屬度原則,綜合考慮被評事物或其屬性的相關因素,進而

12、進行等級或級別評價。邊坡性質及穩定性的界限是不清楚的,具有相當的模糊性,故可采用此理論進行研究。此法的難點在于相關因素及各因素的邊界值的確定。模糊數學法是將模糊理論應用于邊坡穩定性分析中,用隸屬函數代替確定性分析法中非此即彼的量,對那些邊界不清的過渡問題進行描述,應用模糊模式識別和模糊聚類分析方法對影響邊坡穩定的因素進行分析,最后用綜合評判理論對邊坡穩定性進行總的評價。缺點是備擇集一般取穩定、基本穩定、不穩定3種狀態,因而對邊坡的評判較籠統,同時,由于隸屬函數是依據一些基本原則確定,權重的分配多由經驗確定,因而主觀性較大。模糊數學方法一般適應于外延不明確,內涵明確的對象。2、遺傳算法最早由 M

13、ichigan大學的 Holland等教授創立，是基于自然選擇和基因遺傳學原理，模擬自然界生物進化過程提出的一種自適應隨機性優化搜索算法，在巖土工程邊坡穩定性分析計算中，尋找最危險的滑動面位置進行設計時，可以使用遺傳算法。該方法需要較高的理論基礎，它克服了傳統分析方法容易進入局部極小化的缺點，是一種全局優化算法。3、人工神經網絡方法人工神經網絡技術方法具有自學習、自組織聯想記憶功能和強容錯性，運用網絡存儲的知識對邊坡進行穩定性分析，為邊坡穩定性智能化研究奠定了基礎，人工神經網絡是一種非線性動力學系統，具有較強的非線性映射能力#它可以對現有的工程經驗進行自我學習，并將學習的結果存儲在神經元的閾值

14、和神經元間的連接權值中，給出啟發式的推斷結果。由于邊坡穩定性問題是高度非線性的，因此在邊坡巖體穩定性分析過程中，應根據實際情況選擇參評因素，一方面要具有足夠大的容量來學習記憶現有的工程經驗； 另一方面，神經網絡也應該有足夠強的泛化能力，能得出正確的結果,這就要求它具有能夠同時處理確定性和非確定性信息的動態線性的功能，能識別出邊坡的穩定狀態,利用人工神經網絡方法對邊坡建立非線性網絡結構，可以有效處理邊坡工程中出現的一些非線性關系問題，較好地描述各參評因素之間復雜的非線性映射關系。4、復合法隨著科學技術的發展，學科之間相互滲透，采用2種或2種以上的方法對邊坡進行研究成為一種需要，任何一種分析方法都有其局限性，將多種方法結合起來，取長補短，是一種合理的發展趨勢。例如，利用有限元數值分析和極限平衡理論分析均質和非均質簡單邊坡; 將邊坡穩定性的條分法與有限元耦合分析方法結合起來建立評價邊坡穩定性系統質量指標的求解體系。參考文獻：1丁參軍,張林洪,于國榮,張永祥.邊坡穩定性分析方法研究現狀與趨勢J.水電能源科學，2011,29(8):112-1142王玉平，曾志強，潘樹林.邊坡穩定性分析方法綜述J.西華大學學報(自然科學版).2012.31(2):101-1053靳付成.邊坡穩定性分析方法的研究現狀與展望J.西部探礦工程. 2007,4:5-94楊志剛,劉建剛,杜明亮.邊坡穩