边坡稳定性方法综述

1、边坡稳定性分析方法综述摘要：综述了目前边坡稳定性分析的一些常用方法。按定性析方法、定分量分析方法和不确定分析法的分类形式分析了边坡稳定分析的研究方法。阐述了各种定性、定量分析方法的基本原理、特点及适用范围,着重描述了这些方法的研究现状及其特点，提出边坡稳定性分析方法的应用模式。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，以使边坡稳定性分析方法更加完善,指出边坡稳定性分析方法的向着更为综合、更为精确、更为合理的方向发展。关键词：边坡稳定性；分析方法；定量分析；发展趋势Summarization of Slopes Stability Analysis Metho

2、dAbstract：This paper summarizes some traditional methods of slope stability analysis. By using the quantitative analysis method,the qualitative analysis method and the uncertainty analysis method,the paper analysis methods of slope stability,And then various qualitative and quantitative analysis met

3、hods of basic principles,characteristics and scope are described, mainly describes their research status and characteristics, and puts forward its application pattern. According to the properties and research status, discussed the development trends of slope stability problem and has a reasonable ex

4、pectation of the developmental currency, so as to improve the stability analysis method of the side slope,Pointing that the direction of slope stability analysis method is more comprehensive , more precise , more rational .Key words: slope stability; analysis methods; quantitativeanalysis；developmen

5、t tendency 工程界和学术界一直非常关注边坡稳定分析的课题研究，一直把边坡稳定性分析和评价作为边坡工程的核心问题。边坡稳定性问题涉及建筑工程、道桥工程、水利工程等诸多工程领域。由于各种工程的需要,随着现代科学技术的发展,对于边坡稳定的专门研究逐步建立并日益发展。近年来,在建筑领域出现了越来越多的高陡边坡,而这些边坡又往往成为制约该工程是否经济合理乃至成败的重要因素。因此，如何经济、安全可靠地设计合理的边坡和评价分析天然边坡的稳定性就显得尤为重要。边坡稳定分析作为岩土工程中的重要研究课题，工程和学术界对于边坡稳定性分析的观点变化也随着理论方面的突破和实践经验的积累而变化。总的来说，边坡稳

6、定性分析是一个逐步由定性分析向定量、半定量分析发展的过程,并且可视化程度越来越高。边坡稳定性分析方法很多，大致可以分为两大类：定性分析方法和定量分析方法，其中定量分析方法又分为确定性分析方法和不确定性分析方法。1定性分析方法 定性分析方法主要是对工程地质进行勘察，分析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，对已变形地质体的成因和演化史进行分析，从而给出被评价边坡一个稳定性状况及其对可能发展趋势给出定性的说明和解释。其优点是能够比较全面地考虑影响边坡稳定性的因素，迅速地对边坡的稳定状况做出评估和预测。其缺点是定性分析只能用于定性的判断边坡是否处于稳定状态,无法得知边坡的稳定

7、程度。定性分析法主要有自然（成因）历史分析法，图解法和工程数据库法等几种。1.1自然（成因）历史分析法 该方法通过对边坡发育的地质环境、历史中的各种变形破坏迹象及其基本规律和稳定性影响因素等的分析，追溯边坡演变的全过程，预测边坡稳定性发展的总趋势及其破坏方式，从而对边坡的稳定性作出评价。主要用于天然斜坡的稳定性评价。自然历史分析法的优点是能根据边坡的破坏规律作出某种程度上的预测。缺点是具有较强的主观性,忽略了突发事件的可能性,并且自然历史分析法一般只适用于天然斜坡的评价,只能对边坡稳定性作出初步的评价。1.2图解法1.2.1诺模图法诺模图法是通过诺模图表示边坡稳定影响因素间的关系，由此求出边坡

8、稳定性系数或已知稳定系数及其他参数在一个未知的情况下，求出稳定坡角或极限坡高，为边坡稳定性评价提供参考依据。结合相应的参数反分析出其他参数(如极限坡高、稳定坡角及结构面倾角等),目前此法主要应用于土质或全风化的具有弧形破坏面的边坡稳定性分析。 1.2.2赤平投影分析法赤平投影分析法是利用赤平极射投影的原理，通过作图来直观地表示边坡变形破坏的边界条件，借由图形来分析软弱结构面的组合关系，以此分析滑体的形态和滑动方向，评价边坡的稳定程度，为力学计算创造条件。该法目前主要用于岩质边坡的稳定性分析。图解法的优点是能够直接、快速地确定边坡结构的稳定性程度。缺点是简化计算的过程中，做出的假设与实际情况有误

9、差。1.3工程数据库法1.3.1工程类比法 利用已有的边坡或人工边坡的稳定性状况、影响因素和有关设计等方面的经验，并把这些实际经验应用到类似的所要研究边坡的稳定性分析和设计中去的一种方法。工程类比法需要在参考已有边坡工程的基础上，对所需评价工程边坡作出充分调查和分析，进而判断其稳定性状态。由于影响边坡稳定性各因素的差异性被人为地忽略，导致误差累计，对工程稳定性分析极为不利。正因如此，现今工程类比法一般适用于中小型工程,在复杂的大型工程中还存在缺陷，且类比时主观随意性较大,需与其他方法联合应用。1.3.2专家系统法 专家系统是按学科及相关学科专家的水平进行推理和解决问题、并能说明其缘由的一种计算

10、机程序。边坡稳定分析设计专家系统就是进行边坡工程稳定性程度分析与设计的智能化计算机程序，此程序把某一位或多位边坡工程专家的知识、理论分析、数值分析、物理模拟、工程经验、现场监测等行之有效的知识和方法有机地组织起来，用来模拟并再现人脑的思维过程，吸收其合理的知识结构，寻求优化的技术路径。其优点是:能提高决策水平，最大限度地降低工程费用、节省评价时间，达到更加优化的目的。其缺点是:固定的推理规则难以适应边坡这一受众多因素影响的开放与复杂系统，这对边坡决策不利。1.3.3 范例推理法 范例推理是由目标范例的提示，由此得到历史记忆中的源范例，并由源范例来指导目标范例求解的一种方法策略。将实际工程称为源

11、范例，研究的新对象称为目标范例。此法参照已有的工程分析结果研究现有的新对象。范例推理是一种重要的学习方法。它是指借用旧的事例或经验来解决问题、评价解决方案、解释异常情况或理解新情况。缺点：由于源范例增多,可能导致相互之间不相容,有待于研究、解决和发展。2定量分析方法2.1确定性分析方法2.1.1极限平衡法极限平衡法由于其简单易行是目前许多边坡稳定分析常用方法。其基本出发点是把土体作为一个刚体，为方便计算做了一些假定，此法不考虑土体的应力与应变之间的关系，因而这种建立在刚体极限平衡理论上的稳定分析方法不能准确地考虑边坡的变形与应力分布。国内外学者针对极限平衡法进行了大量的案例研究，如杨松林针对传

12、统数值的条分法和萨尔玛法应用于岩石边坡稳定性分析，尚存在很多缺点这一现象，提出了使用范围更广的广义条分法，广义条分法则考虑了条块间分界面的应力和变形关系，采用条块间分界面的应力变形本构关系代替传统的两类条分法对条块分界面上力的大小、方向或作用点的做出了人为假定，这一做法更加符合岩土工程的实际情况，并采用优化搜索的方法给出了相对最危险的潜在滑动面及其安全系数。但由于实际边坡体的复杂性,计算时模型的建立与参数的选取不可避免地使计算结果与实际结果不吻合。下面介绍极限平衡计算的几种常用方法：(1)瑞典条分法。基本假定:边坡稳定为平面应变问题;滑动面为圆弧;计算圆弧面安全系数时,将条块重量向滑动面法方向

13、分解以求得法向力。该方法不考虑条间力的相互作用,仅仅能满足滑动体的力矩平衡条件,因此产生的误差使安全系数偏低。(2)Bishop条分法。此法在瑞典条分法的基础上做了改进,假定滑面的形状为滑裂圆弧面、条块之间仅有水平作用力而无垂向作用力,即条块在滑动过程中无垂向的相对运动趋势。该法的安全系数比瑞典条分法的精度较高,适用于圆弧形滑裂面。(3)萨尔玛法。萨尔玛法是极限平衡法的最新发展。基本理念是边坡岩体只有沿一个理想的平面或圆弧面滑动时,方可视为一个完整的刚体运动，否则必须先破裂为多块可相对滑动的块体才发生滑动。该方法可用于各种形状滑动面的边坡分析，可根据岩体实际存在的断层、节理和层面等结构面划分条

14、块,并可以根据坡体内的各类结构面划分条块,但不要求各条块保持垂直，该法的计算较接近实际,但我国由于缺乏经验，推广使用并无普及。(4)斯宾塞法。假定条块之间的作用力方向相同,满足力矩与力的平衡条件,克服了其他方法中仅适用对称问题的缺陷,不需已知滑动方向,且可根据滑面的几何特征进一步获得各条块局部的稳定性系数及其潜在的滑动方向。(5)摩根斯坦普赖斯法。分析任意曲线形状的滑面,假设潜在的滑坡体被划分为无限小宽的条块,基于构建的力和力矩平衡微分方程以确定潜在滑移面的法向应力及边坡稳定性安全系数。但收敛慢,需经多次演算方能满足极限平衡条件。(6)传递系数法。是我国自主研发的适用边坡稳定性的分析方法,可使

15、单个条块与整个滑坡体均满足平衡方程，计算简单，但精度偏低。2.1.2数值分析法数值分析方法是利用既有方法来处理非均质、非线性、复杂边界边坡的应力分布和变形情况，并用以研究岩体中的应力应变变化过程，据此求得各点上的局部稳定系数，来判断边坡稳定性程度，且能模拟边坡的开挖、支护及地下水渗流等以分析岩土体间及与支护结构间的相互作用。常用的数值分析方法有如下几种：(1)有限元法（FEM）：边坡的稳定性分析中有限元法最早得到应用，也是使用最广的一种数值方法。有限元法的优点是部分地考虑了边坡岩体的非均质、不连续介质特征，考虑了岩体的应力和应变特征，避免了将坡体视为刚体，过于简化边界条件的某些缺点，使能够更接

16、近实际地从应力应变特征来分析边坡的变形破坏机制，对了解边坡的应力分布及应变位移变化十分有利。(2)有限差分法（FDM）：对于岩土体大变形的问题，有限元等数值计算方法不能解决，为了克服这个缺陷，人们根据显式有限差分原理进行快速分析，提出了新的数值分析方法。此法将求解域划分为若干差分网格,用有限个网格节点来代替连续的求解域,再将偏微分方程的导数用差商代替,由此推导出含有离散点上有限个未知数的差分方程组。该解即为微分方程的数值近似解。该方法考虑材料的非线性和几何学上的非线性，适用于求解非线性大变形体系，求解速度较快。(3)边界元法（BEM）：边界元法是20世纪70年代发展起来的一种数值方法，该法在格

17、林定理基础上，在边界上对潜在的滑坡体进行单元划分,通过边界积分方程转换为线性方程组,利用解析公式求出模型中任意点的解。其特点是对无限域或半无限域问题有优势,适用于小变形均质连续介质。该法只对研究区的边界进行离散，对处理无限域或半无限域问题比较理想。但由于此法需要事先知道求解问题的控制微分方程的基本解，因此在处理材料的非线性、不均匀性、模拟分步开挖等方面还远不如有限元法。(4)不连续变形分析法（DDA）：此种方法在1985年，由石根华和Goodman创立,用类似离散元的块体来模拟被不连续面分割的块体，得出的一种新的离散型数值分析方法。采用变分原理建立系统平衡方程,基于最小势能原理对势能泛函取最小

18、值求得,具有有限元与离散单元法两者的部分优点。该法引入了非连续接触和惯性力,采用运动学方法同时考虑了时间因素,故而可计算静力和动力问题以及破坏前的小位移与破坏后的大位移。但在分析问题时常将研究对象完全离散,此法不太适合连续与半连续问题的分析,同时由于岩体种类繁多、岩体的性质复杂,计算的时间步长对结果影响很大，耗用了大量的计算机内存及计算时间。DDA法可以模拟出岩石块体的移动、转动、张开、闭合等全部过程。据此，可以判定出岩体的破坏程度、破坏范围，从而对岩体的整体和局部的稳定性作出正确的评价。(5)离散元法（DEM）：离散元法将所研究的区域划分成一个个分离的多边形块体单元,忽略块与块之间变形协调的

19、约束的影响，但需满足平衡方程。块体的运动不是自由的，它会遇到邻接块体的阻力。本构方程可以是线性的，也可以是非线性的。这种方法对于解决非连续介质大变形问题十分适用，在分析被结构面切割的岩质边坡的变形和破坏过程亦比较实用。(6)快速拉格朗日分析法(FLAC):该法源于流体力学,是研究某一流体质点在任一段时间内的运动轨迹、流速、加速度等特性,能较好地考虑岩土体的大变形与不连续性,求解速度快,求解非线性大变形问题比较适用,只是在计算边界与网格的划分上有随意性，有待改进。(7)无界元法(IDEM)。主要解决有限元在计算时难以确定的计算范围及边界条件,可作为有限元法的推广。基于一些形函数和位移插值函数,能

20、反映无穷远处的边界条件,广泛应用于求解动力及不连续问题等。(8)数值流形元法(NMM)：是根据最小位能原理和现代数学分析理论为基础得出的一种新的数值分析方法,以拓扑流形和微分流形为基础,利用有限覆盖将连续与非连续的计算统一到数值流形中,采纳了有限元与不连续变形分析法的双重优点,可以用于计算发生大变形的不连续体、块体接触以及大块体运动,同时可显示应力应变关系和变形的发展过程。(9)运动单元法：它由PeterGussmann教授在20世纪80年代创立，这种塑性极限数值分析法主要针对适用莫尔-库仑理论的岩土介质。在经验的基础上首先假设一个满足莫尔-库仑准方则的塑性区，由此得到相应的最危险滑动面，在该

21、塑性区内引出有限组塑性滑移线平面问题或塑性滑移面空间问题，这些滑移线面将塑性区离散为单元，即运动单元，然后通过严格的自动搜索过程，找到满足约束方程和边界条件的最小安全系数，并确定塑性滑动区和最危险滑动面。2.2不确定性分析方法2.2.1系统可靠性分析法 对岩质边坡工程的稳定性有影响的诸多因素常常都具有一定的随机性，且多为一定概率分布的随机变量，因此可以通过现场调查获得影响边坡稳定性因素的多个样本，然后对样本进行统计分析，求出各自的概率分布及特征参数，再利用某种可靠性分析方法求解边坡岩体的破坏概率即可靠度。该法在岩土工程中有着广泛的应用，常用的几种系统可靠性方法有蒙特卡洛法、模糊可靠度分析法等。

22、2.2.2灰色系统评价法 通常把信息不完全且只有部分信息已知的系统称为灰色系统。灰色系统理论提出了一种新的系统分析边坡稳定性的方法。该法应用灰色关联度分析的原理,通过对实验数据加以处理，确定了边坡各影响因素的影响程度，利用叠加分析，找出主要特性和主要影响因素，以此评估边坡的稳定性程度。该法直观、简单、且可操作性强，但内涵力学机制不清，缺乏明确的定量描述，应用于实际工程决策中，其可靠性还有待考量。2.2.3模糊分级评判法 边坡稳定性的诸多影响因素除了具有前述的随机不确定性外，一定的模糊不确定性也不可忽视。因此，边坡稳定性可采用模糊分级评判或模糊聚类方法对其做出分级评判。该法是对边坡稳定性进行等级

23、分类，基于专家评分或构造隶属函数来分析同级或不同级因素对边坡稳定性的影响程度,构建模糊评价矩阵并按最优原则判断边坡稳定性，用于分析多变量、多因素影响的边坡工程。模糊分级评判方法对多变量、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。但由于分析中权数的取值带有经验性、主观性，使得对影响要素的考虑不全。2.2.4人工神经网络分析法（ANN）神经网络分析法近年来开始运用于岩土边坡工程问题的研究中，是人工智能的一个分支。人工神经网络分析法是根据非线性动力学系统,利用工程技术手段并结合数学方法，将系统简化并抽象，用以模拟反映人脑思维基本功能的一种并行处理连接网络和一种新型信号处理系统。该法仅是对神

24、经系统的数学抽象和粗略的逼近和模仿。适用于处理知识背景不清楚，推理规则不明确等复杂类型以及模式识别且难以建模的问题。研究表明，在岩土边坡工程系统分析领域内采用神经网络具有独特的优势。利用神经网络理论，可以根据将影响边坡稳定性的因素和边坡安全系数结合建立起来了的模型来预估和评价边坡的稳定性。利用神经网络理论,现在用得最成熟的是BP网，其缺点是易陷人局部最小、收敛速度慢。为克服这些缺点近些年不断发展起来的自适应网、复合网络等也逐渐被应用到边坡工程中来。2.2.5综合法 由于单一的边坡稳定性分析法存在自身的缺陷,而使遗传算法与Sarma法结合、极限平衡法与FLAC法结合、遗传算法与神经网络结合等综合

25、分析法成为新的亮点和发展趋势,综合法可充分发挥各自的优点、相互比较、相互完善。2.2.6遗传法 遗传法是根据模拟自然界生物进化工程中的“适者生存”和“优胜劣汰”等原则，提出来的一种全局搜索的优化算法,利用合理的评价函数评估随机产生的种群,进行具有导向性的随机搜索,直至获得所需的最优解,但计算时间较长。3边坡稳定性研究发展趋势影响边坡稳定性的因素很多,有许多是已知的,也有一些是未知的。本文详细介绍了边坡稳定性的分析方法,并且简单介绍了一些方法的适用范围及优缺点。边坡稳定性分析方法虽取得了很大的成就,但在以下几个方面进一步有待完善,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。对于

26、边坡稳定性的分析实验研究目前并不多。众所周知,实验是研究的基础,也是边坡稳定性计算方法的依据。进行实验研究是分析边坡破坏机理，把握计算方法正确性的前提条件。只有加强边坡稳定分析实验研究,才能促进边坡分析方法的发展。(2)对确定分析方法体系进行完善，特别是复合法。目前确定性分析方法在各种分析方法中占有绝对的地位,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,可以将不同方法的优点结合起来，对此方法进行完善并加以发展。(3)对传统的边坡稳定性分析法与现场监测手段相结合的应用研究加大投入。现场监测为边坡系统稳定性评估提供了第一手资料,亦是边坡稳定性研究的基础，其与3S技术(全球

27、定位系统GPS、遥感RS、地理信息系统GIS)相结合,将是测试边坡稳定性的新的发展趋势。要注重交叉学科的研究，加强基于不同学科(如热力学和能量方法)分析评价边坡稳定性。(4)对边坡稳定分析的随机方法和模糊方法大力发展。边坡稳定性分析的新兴方法有随机方法和模糊方法，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和完善，使其更适合边坡稳定性分析。(5)反分析法的应用研究。传统的边坡稳定性分析是从边坡系统受力的角度来分析边坡系统是否失稳，受此启发，采用逆向角度从边坡系统变形角度来寻求边坡系统变形失稳的准则，以此评价边坡稳定。工程实践中，反分析法如位移反分析法即依据实

28、测边坡的位移值,通过数学手段处理来反演求边坡的初始应力与参数,再反演评价边坡稳定性。(6)将数学理论应用于边坡稳定性研究。把模糊数学、概率论、分形分维理论、非线性能量耗散理论、混沌理论、突变理论、灰色系统理论统计判别法、蝴蝶效应、遗传算法及模糊极值理论等引入边坡稳定性分析中，目前尚不成熟，还有待于研究。4结语工程界和学术界一直非常关注边坡稳定分析的课题研究，也一直把边坡稳定性分析和评价作为边坡工程的核心问题。边坡稳定性分析方法虽然很多，总的来说，概括为以下几点:(1)边坡稳定性分析方法可归纳为定性分析方法和定量分析方法,定量分析又包括确定性分析方法和不确定性分析方法。其中又包含不同层次的小类,

29、几类方法各有优缺,相互补充,要取其长处避其短处。 (2)现阶段,对边坡稳定性的分析方法研究主要集中在与岩土力学、数学模型和计算机技术的结合上,同时也产生和发展了一些新方法,以有限元法为代表的数值分析法以及各种不确定性分析方法发展迅速,而传统的极限平衡法主要以改进为主。 (3)结合上面的论述，认为边坡稳定性的分析研究在以后需要解决以下主要问题:继续完善和发展现有理论和方法,找到结合的方法，扬长避短，相互补充。对边坡失稳机理和稳定性建立具有普遍意义的评价方法；统一评价标准,增加各方法之间的相互对比性；建立多因素的综合评价方法；建立反映边坡各个时段稳定状态的全过程评价方法；建立符合边坡稳定分析的理论

30、体系或组合理论体系；重视人类活动动态,对人类活动与边坡稳定的相互作用的案例加强研究。参考文献1 丁参军,张林洪.边坡稳定性分析方法研究现状与趋势J.水电能源科学.2011,29(8):112-114.2 靳付成.边坡稳定性分析方法的研究现状与展望J.西部探矿工程.2007,4:5-9.3 宋丽娟.边坡稳定性分析方法综述与展望J.山西建筑.2009,35(4):116-117.4 杨志刚,刘建刚.边坡稳定性分析方法综述J.西部探矿工程.2007,2:14-18.5 杨军.边坡稳定性分析方法综述J.山西建筑.2009,35(4):144-145.6 熊翀.边坡稳定性分析方法综述J.山西建筑.2012,36(15):121-122.7 M. Noroozi ,S. E. Jalali , A. R. Yarahmad