关于岩土工程边坡问题的文献综述

关于岩土工程边坡问题的文献综述

中国民航大学赵锋090741132

摘要：边坡分析理论经过近几十年的发展，基本形成了完善的体系。现有的边坡稳定性分析评价模型大致有以下几类：（1）基于传统静力准则的评价模型；（2）基于数值计算方法的分析模型；（3）基于能量原理的分析模型；（4）基于系统控制论的分析模型；（5）基于智能技术的分析模型等；（6）性多模型综合评价。目前，边坡稳定性分析的方法很多，其中较为典型的有极限平衡法，极限分析法，有限元法等。

关键词：边坡分析理论、边坡稳定性分析模型、边坡稳定性分析方法、土质边坡的稳定性分析、岩质边坡的稳定性分析

1、背景

随着科技的进步和社会的飞速发展，全球的经济迅速崛起，因此很多重大项目如水电、露天采矿、能源及交通项目应运而生。这就极大地促进了岩土工程边坡分析理论的发展。边坡分析理论经过近几十年的发展，基本形成了完善的体系。现有的边坡稳定性分析评价模型大致有以下几类：（1）基于传统静力准则的评价模型；（2）基于数值计算方法的分析模型；（3）基于能量原理的分析模型；（4）基于系统控制论的分析模型；（5）基于智能技术的分析模型等；（6）性多模型综合评价。

目前，边坡稳定性分析的方法很多，其中较为典型的有极限平衡法，极限分析法，有限元法等。

2、意义

边坡系统是一个开放的复杂系统，不断与周围环境进行着物质和能量交换，其稳定性除受地质因素制约外，还受到工程因素的影响，这些因素部分是确定的，更多的具有随机性、模糊性、可变性等不确定性。它们对不同类型边坡稳定性的影响程序也不一样，这些因素之间具有复杂的非线性关系。

在实际施工过程中由于受场地的限制，某些规模宏大的重大工程的建设，经常需在复杂地质环境条件下进行，因而人为地开挖了各种各样的高陡边坡。而这些边坡工程的稳定状态，事关工程建设的成败与安全，会对整个工程的可行性、安全性及经济性等起着重要的制约作用，并在很大程度上影响着工程建设的投资及效益。

因此，如何能够更好地了解与掌握边坡变形、发展规律，并在此基础上对边坡的变形和破坏进行防治，分析、评价边坡系统的稳定性，经济、合理地设计边坡工程直接关系到建设资金的投入和生命财产安全，其意义尤为重大。

3、现有边坡稳定性分析模型简述

3.1基于静力准则的模型

此类模型最基本常用的是极限平衡法。利用滑面上抗滑力与下滑力之比来定义安全系数，如下式：

式中σi，τi，Ai，ci，υi分别为i滑面单元上的正应力、剪应力、面积、粘聚力和内摩擦角；N为滑面单元的总数。评价标准是：当K>1时为稳定状态；当K=1时处于临界状态;当K<1时为不稳定状态。在实际应用中，对式(1)还有一些改进的模型，如按合滑移矢量方向进行计算，将τs沿局部滑面投影等。

尽管在理论思路上，此类模型概念明确，计算可行，但是不能真实地反映边坡系统的稳定性。在工程实际中常出现“安全稳定系数大于1的边坡破坏，而稳定系数小于1的边坡反而稳定”的矛盾现象。由于边坡系统的复杂性，影响因素的多样性，各因素之间的非线性，虽然极限状态时系统将发挥其最大的抵抗力，但并不意味着滑面上的各点都同时达到其最大的抗力。而且边坡的破坏一般是一个渐进的过程，其安全系数在达到极限状态过程中是一个变量。

3.2基于数值计算的模型

此类模型常用有限元法，将复杂的系统离散化后进行处理。有限元法是解决岩土工程问题中常用的一种模型，其突出特点是适合于处理非线性、非均质和复杂边界等问题。但是有限元法需要事先确定边坡岩土材料的本构模型及其参数，尽管本构模型一直是岩土工程研究前沿的重要领域，但真正在工程实践中得到应用的本构模型并不多，而且由于岩土材料固有的复杂性，影响岩土材料应力应变关系的因素很多，不太可能有一个普遍适用的本构模型。即使在本构模型确定以后，模型参数测定还是一个大问题;若考虑材料的非线性，有限元程序特别是三维有限元程序，其计算工作量非常大，并难以实现容错功能。虽然参数的确定还可以采用反分析方法，但是由于岩土材料的应力应变关系的高度非线性，应用位移反分析求岩土力学参数还是相当复杂的。

3.3基于能量原理的模型

此类模型从能量的观点建立模型，如按下式定义安全稳定系数：

式中ΔU为增稳内能，限体系的内能增量；ΔW为失稳外能，即外力所做的功。或以下定义：式中D为边坡系统的内能耗散率；A为外荷载所做的功等。以上两式的表达式都体现出这样的事实：如体系在原平衡位置上附加任意小位移，其储存的内能大于外力所做的功时，则系统是稳定的。这类模型表达式给出的安全稳定系数是利用系统在同一过程中的两个物理量(能量)来进行稳定性评价，没有体现出涉及到系统极限状态的变量，因此，怎样考虑系统某个状态相对于极限状态的稳定性，还有待于进一步的研究。

3.4基于控制论的模型

因而此类模型主要有两种方法，一种是基于模糊论的方法，一种是基于灰色理论的方法。由于边坡系统的复杂性，信息不对称性，影响因素具有高度的随机性、模糊性、可变性等不确定性，导致了边坡稳定性评价的困难。基于模糊论的模型在对边坡稳定性进行系统分析的基础上，以模糊数学为工具，提出了边坡稳定性模糊评价分析模型。

边坡稳定性分析过程中，往往涉及到若干相互制约的和复杂的影响因素，模糊评价模型对这些因素用模糊集合和隶属函数来描述，并协调矛盾，权衡利弊，进行综合考虑。但是模糊评价模型的信息准则是依赖于经验规律，由于边坡地质条件的复杂性和不确定性，这些经验规律不一定都适用。在不同的岩体性状下，各因素在边坡稳定性评价中所起的作用的大小或重要程度是不同的，这就涉及到权值随参数的变化规律，这在模糊评价中也是一个难点。而且在确定因素权重集时，若考虑的因素超过人的心里承受限度，其一致性检验很难通过。

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不模糊评价模型不同，灰色评价模型着重研究外延明确而内涵不明确的问题。它以“部分信息已知，部分信息未知”的“小样本”、“贫信息”不确定性系统为研究对象，主要通过对