边坡稳定性评价方法简述

边坡稳定性评价方法简述
【摘要】本文从定性分析法，定量分析法和不确定性分析法出发，介绍了目前常用的边坡稳定性评价方法，综合评述这些方法的特点和不足，并展望了今后边坡稳定性分析的发展方向。

【关键词】边坡；稳定性研究；定性分析法；定量分析法；不确定性分析法
近年来，随着社会经济的快速发展，滑坡、崩塌、泥石流等次生地质灾害，深受关注。

尤其是滑坡，它是自然界和工程建设中面临的重大灾害。

在国民经济建设中，边坡稳定问题涉及矿山、道桥、水利、建筑工程等诸多领域，由于边坡失稳已经造成了巨大的经济损失和人员伤亡。

因此，对边坡进行稳定性研究具有十分重要的意义。

目前，关于滑坡稳定性评价的方法有很多，一般将其分为定性分析法、定量分析法与不确定性分析法等，每一种方法都有其优缺点。

１．定性分析方法
定性分析方法主要是分析影响边坡稳定性的主要因素、失稳的力学机制、变形破坏的可能方式及工程的综合功能等，对边坡的成因及演化历史进行分析，以此来评价边坡的稳定状况及其可能的发展趋势。

该方法的优点是综合考虑影响边坡稳定性的因素，及时对边坡的稳定性作出评价和预测。

常用的方法有以下几种:
1.1 地质历史分析法
地质历史分析法主要是通过边坡地质历史及自然地质环境的研究，根据边坡的地形地貌、变形破坏形迹以及影响边坡的各种因素，对边坡的演变发展趋势和稳定性做出评价和预测。

这种方法是对边坡稳定性的初步评价, 一般适用于天然斜坡的评价。

1.2 工程地质类比法
工程地质类比法的实质是把已有的自然边坡或人工边坡的研究设计经验，应用到条件相似的新的边坡的研究和人工边坡的研究设计中去。

为此，需要对已有边坡进行详细的调查研究，全面分析工程地质因素的相似性和差异性，分析影响边坡变形发展的主导因素的相似性和差异性，同时还应考虑工程的类别、等级及其对边坡的特定要求等。

它虽然是一种经验方法，但在边坡设计中，特别是在中小型工程的设计中是很常用的方法。

1.3 图解法
图解法是综合考虑了边坡各种因素的集合，根据相应的公式制成图表，这样
可以大大减小计算量，应用时只需查相应的图表即可，该方法在工程界应用比较广泛。

常用的图解法有赤平极限投影法及实体比例投影法[1]。

1.4 参数反演分析的方法
目前，传统的获取岩土各参数的方法主要有试验法( 包括室内试验和原位测试) 、类比法和专家经验法等。

但在具体工程实际中，边坡岩土体的稳定性受到多种因素的综合影响，这些传统的方法就显得力不能及。

大量研究表明，基于现场位移量测信息获取岩土体物理力学参数的反演分析法为此提供了一条新的途径，并已在边坡工程中取得了显著的成效。

所谓参数反演分析法就是通过现场监测得到的岩土体所产生的位移量或应力改变量等信息，将其作为已知条件，利用相应的数学模型及通过一定的数值计算方法来反推出岩土体的参数，之后将这些参数反馈回模型中，对岩土体的稳定性进行分析的方法。

2.定量评价方法
2.1 极限平衡法
目前，极限平衡法是工程中用于边坡稳定分析最常用的方法，它是基于摩尔- 库仑强度准则，根据边坡破坏的边界条件，通过假设潜在滑面，将假设滑坡体划分成若干条块，应用力学分析的方法，对可能发生的滑动面，在各种荷载作用下进行理论计算和抗滑强度的力学分析，建立力矩平衡，给出抗滑力(力矩) 与下滑力(力矩) 的关系式求出可能的滑动面安全系数，从而达到定量评价的目的。

该法是最经典的定量分析方法，因其模型简单、计算公式简练、可研究复杂剖面和考虑各种载荷形式而得到广泛应用。

常用的极限平衡法有以下几种：
2.1.1 瑞典条分法
该法是假定滑动面为圆弧面，不考虑条间力，其安全系数为滑动面上的抗滑力矩与滑动面以上土体的滑动力矩之比，用总应力法求得给定滑动面的安全系数，再经反复试算比较确定出边坡的最小安全系数。

2.1.2 毕肖普法
该法是在瑞典条分法的基础上做了改进，假定条间力水平，即只考虑水平推力而不考虑竖向剪切力，故安全系数为整个滑动面的抗剪强度与剪应力之比，然后用试算-迭代法求得边坡的最小安全系数。

2.1.3 简布法
又称普遍条分法，它不仅考虑了条件法向力的作用，还考虑了条间切向力作用。

其特点是假定条块间法向作用力的位置（通常取为条块高的下三分点处），在这个前提下，每个条块都满足全部的静力平衡条件和极限平衡条件，滑动土体的整体力矩平衡条件也自然得到满足。

它适用于任何滑动面，假设条件更为符合
实际，通常可以得到更合理的结果，但须注意，在某些情况下，其计算结果有可能不收敛。

2.1.4 摩根斯坦- 普莱斯法
该方法适用于任意形状滑动面，它将整个假设的潜在滑坡体划分成无限小宽度的条块，通过建立力和力矩平衡微分方程式求得边坡的最小安全系数。

2.1.5 传递系数法
该法是我国自主研发的边坡稳定性分析方法，适用于任何形状的滑裂面，在建立滑块模型时所采用的简化假定是土条间的条间力的合力与上一土条底面平行。

此法可使单个条块和整个滑坡体满足力的平衡，但不要求力矩平衡，然后通过迭代法求得边坡的安全系数。

2.1.6 萨尔玛法
该法的基本概念为：一条边坡除非是沿一个理想的平面或圆弧滑动，才可以作为一个完整的刚体运动；否则，必须先破裂成多个可以相对滑动的块体，才能发生滑动。

此法是非垂直分块的极限平衡分析法，它将假设滑坡体划分为具有倾斜边界的条块，在假定条块处于静力平衡条件下建立微分方程求出安全系数。

2.2数值分析方法
数值分析方法是目前岩土力学中最普遍使用的方法，主要有以下几种方法：
2.2.1有限单元法（FEM）
该方法是目前应用最广泛的数值分析方法。

其优点是部分地考虑了边坡岩体的非均质、不连续介质特征，考虑了岩体的应力应变特征，可以避免将坡体视为刚体、过于简化边界条件的缺点，能接近实际地从应力应变特征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很有利。

其缺点是：数据准备工作量大，原始数据易出错，不能保证整个区域内某些物理量的连续性；对解决无限性问题和应力集中问题等其精度比较差。

2.2.2 边界单元法（BEM）
该方法是通过建立由边界积分方程转化成的线性方程组，求出边界单元的应力或位移解，从而通过解析公式求出模型中任意点的解。

在实际运用的过程中，只需将研究区的边界进行离散化，输入数据少，计算精度较高，在处理无限域方面比有限元法有明显的优势。

但该法远不如有限元法成熟，在处理非线性、非均质边坡稳定性分析方面效果不理想。

2.2.3 无界元法（IDEM）
无界元法是有限元法的一种推广，近年来已得到广泛的应用。

该法采用滑动最小二乘法所产生的光滑函数近似场函数。

它保留了有限元法的一些特点，但摆脱了单元限制，克服了有限元法的不足[2]。

无界元法只需要处理节点信息而无需划分单元进行处理，计算精度高，是一种有广泛发展前景的数值分析法。

2.2.4 离散元法（DEM）
该方法是由Cundall（1971）首先提出的。

它可以直观的反映岩体变化的应力场、位移场及速度场等的变化，可以模拟边坡失稳的全过程。

其基本原理是将由任何材料组成的边坡体划分为若干块体，利用时间差分法解决动力平衡方程，对解决节理裂隙发育的块状结构边坡稳定性分析评价有明显优势，缺点是计算时步需要很小，阻尼系数难以确定等。

2.2.5 块体理论（BT）
该方法是由Goodman和Shi（1985）提出的，利用拓扑学和群论评价三维不连续岩体稳定性[3]。

其理论基础是建立在构造地质和力学平衡计算的基础上，假设边坡体为节理裂隙发育的不连续系统，利用条块之间相互作用找出可能发生滑动的块体和位置。

其缺点是只考虑受力面的抗剪强度，而不考虑其变形和力矩作用，因此精度相应受到限制。

2.2.6 快速拉格朗日法（FLAC）
该方法最早由Cundall P A提出的FLAC数值分析方法，是显式时间差分解析法，它克服了有限元等数值分析方法不能求解岩土大变形问题的缺陷。

该方法能较好地考虑岩土体的不连续性和大变形特性，求解速度较快。

其缺点是计算边界、单元网格的划分带有很大的随意性。

2.2.7 不连续变形分析法（DDA）
DDA是石根华教授于20世纪80年代提出的一种新的数值方法。

该方法能够解决岩体的大变形和大位移问题，主要适用于不连续块体系统。

DDA程序能够考虑整个块体系统整体的相互作用，能够从整体作用出发，计算边坡整体的安全度，这比有限元只能计算各个单元或节点局部的安全度来说，更能体现出边坡的整体性。

其缺点是DDA在三维问题的应用和数值计算速度不是很高[4]。

此外，随着数值计算方法的发展，由于工程实践的需要，出现了各种数值方法的耦合算法。

如有限元、边界元、离散元、块体理论等的相互耦合。

以及数值解和解析解的结合，数理统计与数值解的结合等。

这些结合充分发挥了各种方法的优点，使得岩体结构离散合理化，复杂岩体结构进一步简化。

3.不确定性分析方法
确定性分析方法在确定安全系数时只考虑了滑动面上平均稳定系数，而没有考虑影响安全系数的各个因素的变异性。

3.1 可靠度分析方法
20世纪70 年代后期，边坡工程界开始接受不确定性的概念，构造随机模型，采用可靠度指标和破坏概率来评价边坡的安全度。

可靠度分析方法在进行边坡稳定性分析时充分考虑各个随机要素（如岩体及结构面的物理力学性质，地下水的作用，各种荷载等）的变异性。

通过对各种因素不确定性的认识，结合边坡系统的具体情况，采用概率分析方法和可靠尺度描述边坡工程系统的质量[5]。

可靠度方法目前已经广泛应用于边坡分析中。

3.2 系统分析方法
由于边坡处于复杂的岩土体力学环境条件下，影响其稳定性的因素多，涉及面广，且稳定程度非常复杂，因此，边坡问题也是一个系统工程问题。

应用系统分析方法应遵守的基本思想为：岩体力学环境条件的研究，变形破坏机制的研究，稳定性计算分析。

3.3 灰色系统方法
灰色系统理论提出了一种新的系统分析方法。

该方法可在不完全的信息中，对所要分析研究的各因素，通过一定的数据处理，在随机的因素序列间，找出它们的关联性，发现主要矛盾，找到主要特性和主要影响因素[6-7]。

其应用于滑坡研究中主要有另方面：一是用灰色预测模型进行滑坡失稳时间的预报；二是用灰色聚类理论进行边坡稳定性分级、分类。

其缺点是聚类指标的选取、灰元的白化等带有经验性质。

3.4 模糊综合评判法
该方法是首先找出影响边坡稳定性的因素，并进行分类，分别赋予一定的权值，然后根据最大隶属度原则判断边坡的稳定性。

实践证明，模糊综合评判法效果较好，为多变量、多因素影响的边坡稳定性综合定量评价提供了一种有效的手段，适用于大型边坡整体稳定性评价。

其缺点是各个因素的权重选取带有主观性。

4.展望
综上所述，目前边坡稳定性的研究已有了相当的水平和规模，鉴于各种分析方法还存在一定的局限性，未来应加强边坡稳定性的实验分析、完善定量分析方法、发展边坡稳定分析评价的模糊方法和人工智能专家系统及预测预报方法。

相信随着各种新技术、新方法、新理论的引入，边坡稳定性评价方法将会不断的完善。