边坡稳定性评价

1、边坡稳定性评价斜坡稳定性评价历来是岩土工程界感兴趣的传统问题之一。多年的理论研究和实践使单个斜坡、区段性到区域性斜坡等跨越不同层次的斜坡稳定性评价方法得到了探索和发展,包括以工程地质类比法及地质力学分析为主的定性分析方法、力学计算和数值模拟、考虑不确定因素的综合评判方法等。对于研究较深入的、大比例尺单个或场地性斜坡,基于工程地质类比分析、力学计算以及数值模拟等稳定性评价方法已相当成熟。而适宜于小比例尺规划阶段的区域性斜坡稳定性的定量评价方法则仍处于探索阶段。 边坡稳定性就是衡量工程质量的标准之一。同时工程建设过程中的边坡稳定性还需要考虑到自然环境的影响。关于边坡稳定性的评价方法大体上可分为不确

2、定性分析法和确定性分析法两大类。一、不确定性分析法1.模糊分析法：运用了模糊数学理论，通过收集、整理边坡的实际资料，对边坡的情况进行综合分析考量，建立各个参数信息之间的模糊关系，进而运用模糊综合的方法来判断、研究该边坡的稳定性。虽然模糊分析法充分考虑了多种环境影响因素和多种影响变量，而且没有复杂的计算过程，但由于真实环境中的不确定因素以及环境的多变性，同时使用的是模糊数学的概念和理论，因此模糊分析法所得出的结果并不具有很高的可靠性。根据这一特点，模糊分析法在工程建设的实际情况中更多的应用在对大型边坡的整体稳定性的判断。2.灰色关联理论：此理论的基础是边坡的已知数据和未知数据。首先，将这些已知数

3、据和未知数据看做是灰色量，将这些灰色量做无量纲化，使得这些数据具有同序性和等效性，以便后面的计算和分析；然后，用最小二乘法对已进行无量纲化的数据进行进一步处理，计算出数据之间的关联度，因为关联度的影响因素有很多，如参考序列、序列长度、分辨系数等，所以关联度的数值并不唯一，因此需要对关联度进行比较分析得出最适合的关联度数值；最后，分析已得到的数据建立边坡模型，对边坡的稳定性进行判断。3 随机搜索耦合算法：由于在计算边坡稳定性的过程中常常会考虑到环境和工程建设过程中多种多样的影响因素，因此通常会建立起来一个极其复杂的非线性的规划问题，求解的过程也是较为复杂繁琐。而随机搜索耦合算法则可以为非线性规划

4、问题提供一个简化求解过程、缩短求解时间的相对有效的近似解。这种算法是将固体退火过程作为模拟对象，同时运用冷却进度表的参数控制算法进行计算，从而得出一个近似解。虽然这种方法大大简化了计算过程，但也只有在参数相对较少的情况下才有更高的信度，不适用于具有大规模的参数的计算。二、确定性分析方法1 极限平衡法：极限平衡理论的主要思想是将滑动土体进行条分,根据极限状态下土条受力和力矩的平衡来分析边坡的稳定性。根据对平衡方程组增设的边界条件不同,又分为如下几种方法。(1)瑞典条分法。该法假定滑裂面为圆弧面,不考虑条间力,其安全系数为滑裂面上的抗滑力矩与滑裂面以上土体的滑动力矩之比,用总应力法求得给定滑裂面的

5、安全系数,再经反复试算比较确定出边坡的最小安全系数。(2)简化毕肖普法。该方法假定条间力水平,即只考虑水平推力而不考虑竖向剪力,故安全系数为整个滑裂面的抗剪强度与实际剪应力之比,然后用试算-迭代法求得边坡的最小安全系数。(3)简布普遍条分法。简布法假定滑体中推力线已知,利用力矩平衡条件把条间竖向剪力表示成水平推力的函数,适用于最一般的情况。利用该法不仅可求出滑裂面平均安全系数及应力分布,还可求出各分界面上的抗剪安全系数作为校核。(4)其它极限平衡计算方法。斯宾塞法、摩根斯坦普赖斯法、沙尔玛法以及不平衡推力传递法都属于极限平衡计算法。这些方法以极限平衡理论为基础,通过力的平衡条件来分析边坡稳定性

6、,没有考虑材料应力应变关系,所得安全系数只是假定滑裂面上2 图解法：20世纪30年代提出的边坡稳定性分析图解法发展至今，已经出现了不同的分析图表，甚至经过改进得到了简化公式。该方法是综合考虑土体物理性质、地下水性质以及边坡的参数等数据，然后根据所对应的公式来绘制出表和图，根据表图更为直观、简便的得到边坡的稳定性。图解法又可以分为赤平极射投影法和偌谟图法。(1)赤平极射投影法：该法最早应用于天文学,20世纪80年代开始引入工程地质学,通过作赤平极射投影图可以直观反映出边坡破坏边界、各组结构面的空间组合关系,确定边坡规模形态以及可能变形滑动方向,从而达到评价边坡稳定程度的初步分析,该方法一般适用于

7、岩质边坡的。(2)偌谟图法：偌谟图法是用关系曲线和偌谟图表征边坡有关参数之间的定量关系。通过偌谟图法可求出边坡稳定性系数,根据相关参数也可求出极限坡高和稳定坡角。该方法一般适用于土质边坡或全风化的具有弧形破坏面的边坡稳定性评价分析。3 快速拉格朗日法：该法是目前最流行的有限差分法,拉格朗日法源于流体力学,其基本原理是综合流体中所有质点流体中各点的位移、速度、加速度等参数随时间变化的规律,得到流体变化规律。在边坡稳定性评价分析中,快速拉格朗日法划分的各节点就相当于流体中的各质点,人们在拉格朗日法基础上开发FLAC二维、三维软件,适合解决非线性大位移问题。FLAC软件通过本构关系和材料特性,确立边

8、界和初始条件的基础上,建立有限差分网络求解快速拉格朗日法在工程应用中对解析塑性变化更具优势,计算时间迅速,但缺点是边界和网格更具随意性。3 有限元方法：由于边坡稳定性分析的极限平衡法对土体的应力以及应力的应变关系考虑有所欠缺，导致计算和分析时也会出现一定的误差和不准确性。而有限元法则可以很好的解决这个问题，应用范围将会扩大到地质情况复杂的条件下，同时计算结果也会更加精确。有限元方法是建立起了理想弹塑性模型，同时遵循强度屈服原则，参考安全系数，更加形象具体的模拟出当边坡发生滑动时的应力改变、应变规律和形变机制。这些就是进一步判断边坡稳定性的关键参考数据，但仍需要注意到有限元方法在发生大滑动、大变

9、形等问题时局限性。4 塑性极限分析和模糊极值理论:1952年,杜拉克和普拉格提出塑性极限分析法,其最大优点是考虑了材料应力应变关系,并利用极限状态时自重和外荷载所做的功等于滑裂面上阻力所消耗的功为条件,结合塑性极限分析的上、下限定理求得边坡极限荷载与安全系数。由于塑性极限分析所得的解为浮动于某一范围的模糊极值解,所以孙君实提出了滑动机构的概念,并证明了给定滑动机构的耗散功能定理,即滑坡极限分析的极大值定理。将该定理“模糊化”得到给定滑裂面安全系数的模糊极大值定理,再把极大的概念模糊化为滑体内力状态的模糊状态条件,并构造模糊函数和模糊约束条件,提出安全系数的模糊解集和最小模糊解集的概念,从而建立

10、土坡稳定分析“极大中极小”问题的模糊极值理论。这一理论使长期以来条分法研究在假定多余未知函数方面存在的随意性问题得到了较好的解决。5蒙特卡洛法：蒙特卡洛法亦称为随机抽样技术或统计试验方法,是采用统计抽样理论近似求解数学、物理和工程技术问题的数值方法。蒙特卡洛法根据随机变量i的分布函数选取随机数输入到分析中,由此得到一个安全系数。由于输入的参数是随机变量,因此得到的安全系数也是一个随机变量。通过重复运算,就可以得到能够代表安全系数的随机样本。由此样本,可以进行统计特征计算和分布拟合检验,最后求解安全指标可靠度和失效概率。根据蒙特卡洛法的基本原理及方法可以编制边坡的稳定性可靠度分析程序,程序中可考

11、虑自重、地下水、外荷载、卸荷裂隙及地震作用等荷载的各种组合情况。在数据文件中输入各随机变量的均值与变异系数,程序的最终输出为边坡的失效概率值。在具体计算时,每抽样一次求得边坡的安全系数,且对进行安全判别,每抽样结束后累计小于1的次数,根据贝努利定理,其值与总抽样次数的比值作为失效概率的近似值。此程序可考虑粘聚力、内摩擦角、地震荷载、卸荷裂隙、地下水深等随机变量。我相信，如果有更多的边坡稳定性分析实验与理论相结合。一方面能使理论得到验证，来另一方面也可以继续完善确定性分析方法。由于地质环境的复杂性和多变性，应该大力发展边坡稳定分析的模糊方法和积极发展人工智能专家系统及预测预报方法。从而运用到实际工程中减少斜坡对工程的影响，造福人类。参考文献：边坡稳定性分析评价方法研究及趋向 沈良峰,廖继原,张月龙边坡稳定性分析评价方法综述 邓钟敏，徐世光，郭婷婷边坡稳定性分