土木工程新进展

边坡稳定性研究方法与进展

边坡是人类生存的重要环境，甚至是工程建筑的重要组成部分。边坡的稳定问题事关人类生命财产安全以及工程本身的安全和效益，对其稳定性进行综合评价具有重要的理论和实践意义。边坡工程的稳定分析，一直是岩土工程领域中的一项重要研究内容。目前分析的方法层出不穷，然而不同的研究方法，只能适用于不同的工程地质环境，稳定分析的合理与否直接影响对工程建设的指导作用，因此如何有效地选用合适的分析方法尤为重要。本文试图较为系统地对边坡稳定分析的理论和方法进行归类和阐述，并对国内外一些主要研究方法的特征及优缺点进行分析探讨,旨在帮助从事边坡研究的读者有一个更好的感性认识,并希望借以促进边坡研究新方法的出现和传统方法的改进与发展。

2边坡稳定分析方法评述

人们对边坡稳定性的认识最早是从滑坡现象开始的,早期对边坡的研究多以长期观测的资料为基础,采用地质历史分析方法进行定性描述。20世纪60年代初,人们认识到边坡稳定性的研究必须将地质分析与力学机制分析结合起来,这期间,主要采用的是刚体极限平衡法。进入80年代以来,由于计算技术的发展,使一系列数值分析方法发展起来。近年来一些新理论也被引入到边坡的研究中,它们从不同的角度,对边坡体的结构及稳定性影响因素等进行分析,从而极大地推动了边坡稳定性的研究

2.1基于极限平衡理论的分析方法

2.1.1极限平衡方法

极限平衡方法,是将有滑动趋势范围内的边坡土体沿某一滑动面切成若干竖条或斜条,在分析条块受力的基础上建立整个滑动土体的力或力矩平衡方程,并以此为基础确定边坡的稳定安全系数[1～4]。这些方法均假设土体沿着一个潜在的滑动面发生刚性滑动或转动,滑动土体是理想的刚塑性体,完全不考虑土的应力-应变关系,并认为沿滑动面上各点的强度发挥程度及抗剪强度折减安全系数相同,其安全系数的表述与滑坡体所在区域的变形特点和滑坡体外区域的地质情况、受力条件等完全不发生关系[5]。各方法不同的地方仅在于为消除超静定性而对条间力或滑动面上相互作用力所做的假设以及推求安全系数所用的方法各不相同而已。由于各种极限平衡方法具有模型简单、公式简捷、便于理解等优点,因此在一些仅需简单

分析的工程中得到了较为广泛的应用。

在极限平衡方法理论体系的形成过程中,出现过一系列简化的方法,常见的有瑞典法、Bishop法,Janbu法,Spencer法,Morgenstern-Price法,Sarma法等等。在这以后,又出现了一些改进方法,如改进的Morgenstern-Price法等。另外,Enoki和Yagi(1990)考虑在滑楔间的界面上引入局部强度发挥度,运用滑块离散格式提出了广义极限平衡法。栾茂田(1995)提出了改进的滑楔模型。朱大勇(1997)提出了边坡全局临界滑动场理论。近年来发展起来的基于极限平衡理论的有限元法,是在求解复杂条件下岩土边坡应力和位移分布的基础上,采用各类搜索技术获得临界滑裂面及相应的安全系数,从而评价边坡的稳定性。近年来,仍有一些学者致力

于极限平衡方法的研究工作,但从目前看还没有完善的已为公认的评价方法,其安全系数的各种表述时常不具有明确的物理意义。因此,鉴于极限平衡方法在计算中所作的种种假定,而且在最危险滑裂面的搜索以及最小安全系数的确定上均存在许多的困难,随着理论体系更为严格的数值分析在岩土工程中的大量应用,一定程度上减小了极限平衡方法的应用范围。

2.1.2极限分析法

由于极限平衡法在力学上采用一定的简化假定,因此所得结果并不是体系的真实解答,甚至有时会出现明显的误差,同时对复杂土层及土工结构,计算较为困难。为此,Lysmer(1970)[9],Chen (1975)将力学上的极限分析方法引入到土力学中,从而弥补了极限平衡方法的不足。这期间,有Sloan(1988)等人引入变分原理,通过求极值的方法求问题的上限解,也有Sloan (1988)、李国英与沈珠江(1997)等人从极限分析下限的角度,引入数学规划法寻求问题的下限解。近20年来,随着计算技术的飞速发展,应用数值方法来求

解边坡稳定上、下限解的问题成为一个十分活跃的领域。由Sloan等人提出的有限单元法上、下限解以及Chen等人提出的斜条分法上限解是两个较为成熟并具有实用意义的方法。

2.2数值分析方法

进入20世纪80年代以来,随着计算应用技术的发展,边坡稳定的数值计算方法取得了长足的进步。在边坡的数值计算方法中,主要有以下几类:

2.2.1有限单元法

有限元的基本原理及其在边坡稳定分析中的应用,已有很多的文献介绍。有限单元法是以连续介质力学为基础的数值分析方法。它是将分析域离散成有限个只在结点处相联结的子域,即有限元,然后在单元中采用低阶多项式插值,建立单元刚度矩阵,再利用能量变分原理集合形成总刚度矩阵,最后结合初始条件及边界条件进行求解。有限元方法满足了静力许可、应变相容和应力、应变之间的本构关系,并且可以不受边坡几何形状不规则和材料不均匀性的限制,同时有限元解还提供了应力、变形的全部信息,这些都是极限平衡理论方法无法做到的,因此有限元法是一种比较理想的分析边坡稳定性的方法。其主要局限性在于确定边坡初始应力状态、弹塑性本构关系等方面存在一定的困难,也不能很好地求解大变形和位移不连续等问题,对无限域及应力集中问题的求解也不太理想。另外,如何将有限元的计算结果与传统上边坡的安全系数判据接轨,也有待于进一步的研究。目前有限元在边坡稳定分析中常用的方法有圆弧搜索法和强度折减法等。有限元圆弧搜索法沿用了极限平衡法的思想,只是在假定滑裂面上的下滑力和抗滑力是由有限元计算较为精确地确定。而强度折减法是在有限元计算中,通过不断折减土体强度参数,当计算不收敛时的折减系数即认地下空间与工程学报第3卷为是边坡稳定安全系数。强度折减法一个主要的特征是不需要事先假定滑裂面,从目前应用情况看,是一种比较有发展前途的边坡稳定分析方法。

考虑介质非连续的分析方法

由于岩土是一种材料特性异常复杂的非连续体,因此也相应产生了一些能处理这种离散非连续体的数值分析方法。如Cundall(1979)提出了分

析颗粒状材料性质的DEM方法(离散单元法)。近年来得到很大发展的FLAC法(快速拉格朗日法)就是在此基础上发展起来的,它是一种处理非连续、非均匀、各向异性和非线性的新型数值方法。在离散元的基础上,石根华(1988)提出了分析边坡稳定的DDA方法(非连续变形分析方法),非常适合处理非连续的节理化岩体,