基于岩土工程边坡稳定性数值分析方法综述

基于岩土工程边坡稳定性数值分析方法综述

赵彬

（重庆交通大学，重庆  400041）

摘  要：对目前边坡稳定性分析方法继续了总结，从定性及定量角度分析各种评价边坡稳定性方法的适用条件、优缺点等。同时，对边坡稳定性分析方法的发展趋势作出简单论述，指出随着计算机技术的兴起和软件的应用，多种数值分析方法的发展方向，以期达到在实际岩土工程中采用准确、真实、高效的判别边坡稳定性的目的。

关  键  词：数值分析；边坡稳定性；极限平衡法

1引言

边坡是一种由岩石土体自然形成的地质体，按其岩石结构其岩体内部岩石组成等可分为土质边坡和岩质边坡。在随边坡角度的连续变化、地下水、地震应力、水位等自然变化等情况下与外部岩土力学因素间相互作用及影响条件下，边坡岩层将可能出现沿不稳定结构面发生滑移。边坡稳定性机理分析问题一直是国外岩土工程界研究的重大前沿研究热点，也是我国重要岩土基础技术研究前沿领域内容。边坡稳定性问题研究广泛涉及研究过石油采矿和岩土工程、水利水电工程岩土环境等和我国其它诸多国家级重点工程领域。近年来，出现了很多新的边坡稳定性分析方法，但是其主要分析方法还是极限平衡法和数值分析法。在我们研究以上这些参数分析的方法过程中，设计稳定性参数方法中的许多基本方法选择与原则是基于固定值来分析稳定性的。边坡稳定性具有复杂性、多样性、不确定性等特点。随着我国各学科互相融合工作的发展不断得到深入。许多新方法的岩土分析计算方法正在逐渐得到形成发展并成功应用于我国工程结构建设研究中，边坡稳定性数值分析等方法进一步得到了发展改进和完善。

2定性分析

2.1工程类比法

通过前期对边坡工程地质环境因素的初步调查，对现有边坡工程存在过的次生破坏的现象都进行分析。了解破坏成因过程及历史发展变迁规律，找出相关工程地质因素存在的明显异同点，结合现有拟设计研究的边坡方案进行分析对比，最终可以得出初步结论。该设计方法还可以用来综合的考虑分析影响现有边坡稳定性存在的其它各种环境因素，快速综合评价现有边坡稳定性,适用于各种地质条件相对复杂多变的复杂地区研究；但同时它却没有什么明确具体的地质数量和限制，依赖之于实际经验，因此它对实际地质工程与实践中经验结合的方法要求又较高。

2.2图解法

图解法设计主要内容可主要被归纳分为nomograph图形法和平面投影法。图解法边坡计算模型的应用技术优点是模型算法比较简单有效且简捷直接，能保证在比较快速可靠且最直观和有效的地区分解或控制能影响该边坡的基本失稳定结构性能变化的边坡各种结构主、次结构面，确定影响该主要结构边坡失稳定块面的几种基本力学类型，判断确定其主要失稳结构块体的结构大致的形状、规模特征结构和滑动及变形运动方向。缺点即是在分析计算过程与研究工作中所可能需要采用到的边坡理论基础假设均较难以简化，与当地岩层实际的受力变形情况往往还都存在显着计算误差，判断出其可能为失稳边坡类型的边坡时还需要做更进一步的计算和验证。

2.2块体单元法

块体单元法是一种非连续介质力学方法，尤其适用于被大量裂隙切割的或具有软弱结构面的岩质边坡，该法将岩土本身看作弹性体或刚体，将块体形心处的刚体位移看作基本未知量并利用虚功原理求出，在相邻两块体之间设置“缝”单元，由“缝”两侧块体的相对位移量可确定“缝”单位的变形和所受应力。

3定量分析

3.1极限平衡法

极限平衡法主要基于边坡静力均衡和力矩的平衡，其方法假认定边坡产生的部分岩土体结构破坏现象是主要由于在边坡岩体内产生了一个滑动面，部分坡体结构沿这滑动面向前滑动破坏而变形造成产生的。该技术方法是自整个20世纪八十年代以来开始被国外广泛研究使用，也是我国岩土工程实践中研究发展起来最系统完善、最早大规模出现的一种确定性岩土分析研究方法。安全系数的基本计算方式是抵抗力与抗下滑力值的比值，并用以下公式表示：

(1)

(2)

式中：c是黏聚力，ψ是坡度角，ϕ岩石材料的摩擦角，W是相关岩块的重度。

稳定性与任何变形或滑动块的大小无关。当抵抗力与下滑力相等时，表明Fs为1.0。Fs等于1时被认为是岩石坡度从稳定到不稳定的“门槛”。当Fs值小于了1.0时，下滑的力已经大于了抵抗力，导致了边坡滑动。

3.2强度折减法

极限平衡法提出了一个直接的公式来获得岩体临界滑坡面的安全系数。然而，不连续和连续模型利用一个更深入的方法来计算安全系数。Sainbury等人[6] 提出,边坡稳定性分析的安全系数的传统定义是计算与土/岩体抗剪强度有关的安全系数。剪切强度折减法的公式如下：

(3)

(4)

式中：c是黏聚力，φ是摩擦角，F是安全系数。在还原过程中，试验参数将不断变化，直到安全系数满足公式（3）和（4）。

3.3数值分析法

数值分析法也是另外一种主要考虑到边坡土体结构应变的时空不完全连续性的和具有非均质性的力学特点,通过定量分析边坡土体应力分布与结构应变时间的函数关系,来进一步确定边坡体的相对稳定性参数及边坡破坏作用机制特征的方法。数值单元分析法通常主要是指有限单元法（FEM）、边界单元法（BEM）、离散单元法（DEM）、不连续变形法（DDA）。

4 结论与展望

本文的目的旨在分析各种边坡稳定性评价方法的适用条件、优缺点。在分析岩体稳定性时，要具体问题具体分析，每种评价方法都有其用途。极限平衡法为边坡的安全系数提供了一个快速的计算方法，并确定了静态平衡状态下岩体的临界滑动面。虽然它有其局限性，但极限平衡法为计算边坡稳定性提供了稳定的帮助。为了更详细的分析，可以采用数值分析建立模型，分为不连续和连续问题进行应力—应变分析及计算。

参考文献(References)：

[1] 刘芮彤. 边坡稳定性分析方法文献综述[J]. 城市地理, 2016(14): 144.

[2] 董晓红, 梁桂兰, 许忠厚. 边坡稳定分析方法综述及发展趋势研究[J]. 水利与建筑工程学报, 2012, 10(05): 100-102+106.

[3] 文俊, 廖建忠. 岩质边坡稳定性分析方法综述[J]. 西部探矿工程, 2012, 24(06): 153–155.

[4] Ureel S, Momayez M. An Investigation of the Limit Equilibrium Method and Numerical Modeling for Rock Slope Stability Analysis[C]. Rock Mechanics and Its Applications in Civil, Mining, and Petroleum Engineering, 2014.

[5] Stead D, Eberhardt E, Coggan J S. Developments in the characterization of complex rock slope deformation and failure using numerical modelling Techniques[J]. Engineering Geology, 2006, 83(1–3): 217–235.

[6] Sainsbury, D. P., Pierce, M. E. and Lorig, L. J. Two- and three-dimensional numerical analysis of the interaction between open-pit slope stability and remnant underground voids[J].              In: the 5th Large Open Pit Conference, Kalgoorlie, Western Australia,2013, 251-257.

作者简介：赵彬，男，汉族，重庆，1996.6.15，在读硕士，职称无，研究方向，工程技术