边坡工程常用的稳定性分析方法

边坡工程常用的稳定性分析方法

赵斌

辽宁省第五地质大队有限责任公司辽宁营口115100

摘要：本文简述了一些边坡稳定性常用的定性分析方法、定量分析方法和非确定性分析方法。重点介绍了常用的定量分析方法的优缺点以及应用。在实际边坡工程稳定性的问题分析中，应选择适当方法，确保结果的准确性。

关键词：边坡；稳定性；分析方法；定量分析法

边坡稳定性问题一直是岩土边坡一个重要研究内容。它涉及水电工程、铁道工程、公路工程、矿山工程等诸多工程领域，能否正确评价其稳定性直接关系到建设的资金投入和人民的生命财产安全。边坡稳定性分析方法很多，不同的方法又各具特点，有一定的适用条件，正确的选择分析方法对研究边坡稳定性分析有重要意义。边坡的稳定性分析方法由早期的定性分析方法发展到定量的分析，又向不确定性的分析方法发展。

1定性分析方法

定性分析方法主要是通过工程地质勘查，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。

自然（成因）历史分析法是通过研究边坡的形成历史和所处的自然地质环境、变形和物质组成、变形破坏行迹，以及影响边坡稳定性的各种因素特征和相互关系，从而对它的演变阶段和稳定状况作出评价和预测。实际上是针对已有多年历史的边坡进行分析，对判断边坡稳定现状和边坡稳定性演化作出预测。

工程类比法是将已有边坡同新边坡进行类比，将前者的研究设计经验用于拟建边坡的研究设计中去。因此，需要类比的两个边坡要全面分析研究其工程地质条件和影响边坡稳定的各种因素，比较其相似性和差异性。其缺点是只有相似程度较高的边坡才能进行类比，也就是说类比的原则是相似性。工程类比法虽然是一种经验方法，但是在新边坡（特别是中小型边坡）的设计中时常采用的一种方法，根据这种方法可以确定合理的边坡角、选取稳定的计算参数、预测新边坡的变形破坏形式和发展变化规律。

专家系统法是一种计算机程序分析法，以专家的知识水平和经验完成复杂的边坡稳定分析，能够将人类的解决思路和策略与边坡稳定问题所需要的知识和经验结合起来。专家系统法使工程技术人员在解决工程问题时能像有经验的专家给出比较正确的判断和结论，可以较大限度的降低费用，节省时间。

2定量分析方法

2.1极限平衡分析法

极限平衡法是工程实践中使用最为广泛的一种方法。这种方法主要是通过分析作用于不稳定土体的静力平衡，根据摩尔-库仑强度准则判断边坡的稳定性，最为常见的极限平衡法是条分法。瑞典圆弧滑动面条分法是假定滑动面以上的土体分成n个垂直土条，对于作用于各土条上的力进行平衡分析，求出极限状态下土体稳定的安全系数。

目前常用的极限平衡分析方法也有多种，如毕肖普法、萨尔玛法、斯宾塞法、楔体极限平衡分析法等。毕肖普法的安全系数比瑞典条分法的精度高，适用于圆弧形滑裂面；萨尔玛法可用于各种形状滑动面的边坡分析，该方法在计算时与实际情况较为接近，但在使用上由于缺乏经验，普及性及适用性较差；斯宾塞法克服了对称问题的缺陷，不需要已知滑动方向，可根据滑动面的特征获得各个条块的局部稳定性和潜在的滑动方向；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。与其它方法相比，极限平衡法的缺点是在力学上作了一些简化假设，但是近年来已在计算模型、滑动面确定、边坡类型等方面都得到了一定程度的完善。王兴威等[5]（2019）通过引入坡向加速度，提出了一种操作简单、物理意义明确的边坡稳定计算方法，结果表明，坡向加速度法安全系数与极限平衡法非常接近，计算结果准确。

2.2有限单元（FEM）法

有限元法是一种十分成熟的数值方法，也是边坡稳定分析中用得较多的一种方法，其采用的本构模型较为精确，但有限元分析并不能直接得到与边坡稳定安全系数的大小，优点是考虑了边坡岩体的非均匀性和不连续性，可以分析出最早也最容易发生屈服破坏的部位。刘峰涛等[6]（2019）采用刚体有限元上限法对边坡稳定进行了分析，提出了锥规划模型。

2.3离散单元（DEM）法

离散单元法是一种动态的数值分析方法，可以模拟边坡岩体的非均质、不连续以及大变形等特点，是目前较为流行的一种岩体稳定性分析数值方法。离散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，该方法在岩质高边坡稳定分析中应用广泛。其优点是充分考虑了节理岩体的不连续性，以分离的块体为基础，可以允许块体存在较大的位移甚至脱落母体，也可以对节理岩体的破坏过程进行模拟。贺续文等[7]（2011）通过采用离散元软件对完整岩石及节理的力学性能进行研究模拟，建立了含密集节理的岩体边坡模型，讨论了节理连通率对边坡破坏形式的影响。

2.4快速拉格朗日（Lagrangian）分析（FLAC）法

快速拉格朗日（Lagrangian）分析（FLAC）法是根据显式有限差分原理，为克服有限元等数值分析方法不能够求解岩体大变形问题的缺陷而提出的。其优点是能更好地考虑岩土体的不连续性和大变形特性，求解速度较快。其缺点是计算边界、单元网格的划分带有随意性。邓琴等[8]（2018）以双台阶边坡和复杂多台阶边坡为例，基于应变软化理论，利用FLAC3D软件分析边坡的剪应变发展规律。

2.5流形元法

流形元法是由石根华在非连续变形方法创立块体理论和DDA后，并在此基础上发展的一种新的边坡稳定现代数值计算方法。该方法具有有限元法与DDA法的双重优点，以拓扑流形和微分流形为基础，应用覆盖技术分析不连续体的大变形问题和块体接触和运动，提供单元应力和应变的关系及计算结果，模拟变形发展的过程。

3非确定性分析方法

边坡稳定分析方法中非确定性分析方法常用的有模糊综合评价法、可靠度评价法等。

模糊综合评价法是一种基于模糊数学的综合评价方法，根据模糊数学的隶属度理论把定性评价转化为定量评价，即用模糊数学对受到多种因素制约的事物或对象做出一个总体的评价。它具有结果清晰，系统性强的特点，能较好地解决模糊的、难以量化的问题，适合各种非确定性问题的解决。可靠度评价法是根据已知的随机变量统计参数和概率分布模型以及给定的边坡稳定功能函数，估计边坡在规定条件下和规定时间内完成预定功能的概率方法。该法以概率统计理论为基础，充分考虑了计算参数的不确定性，概念简单，思路清晰，是一种比较成熟的不确定性分析方法，在边坡稳定分析中得到了广泛的应用。

4结语

边坡的稳定分析中所涉及到的方法较多，但任何一种方法都不是万能的，都有各自的优缺点。在实际工程当中，要根据工程的特点选择适合的分析方法，可能会有一种或多种方法适用，要综合考虑，确保边坡稳定分析的准确性。

参考文献

[1]王兴威，王正中，刘铨鸿，王羿，刘瑾程.坡向加速度法在边坡稳定中的应用[J].长江科学院院报，doi：10.11988/ckyyb.20190033.

[2]刘锋涛，张绍发，戴北冰，张澄博，林凯荣.边坡稳定分析刚体有限元上限法的锥规划模型[J].岩土力学，2019，40（10）：1-9.

[3]贺续文，刘忠，廖彪，王翠翠.基于离散元法的节理岩体边坡稳定性分析[J].岩土力学，2011，32（7）：2199-2204.

[4]邓琴，汤华，王东英，秦雨樵，吴振君.基于应变软化的多阶边坡稳定分析[J].岩土力学，2018，39（11）：4109-4116.