边坡稳定性分析方法的对比研究.pdf

李祥飞,等:边坡稳定性分析方法的对比研究地基与基础DIJIY U JIC H U 工程与建设 年第 卷第期 收稿日期:;修改日期:作者简介:李祥飞(),男,江苏连云港人,硕士研究生在读边坡稳定性分析方法的对比研究李祥飞,孔达,路伟亚(黑龙江大学 水利电力学院,黑龙江 哈尔滨 )摘要:滑坡灾害是一种常见的自然灾害,其对于国家经济稳定发展与人民平安幸福生活的破坏性不容小觑,故对滑坡采取防范措施实现减灾、防灾是非常有必要的.文章阐述了当下常用的分析边坡稳定性的各种方法,对各种方法的原理、优缺点进行了归纳分析,研究了各种方法的适用条件,总结了各种方法的特点及对相应设计的影响,以期推动边坡稳定性分析的研究进展,为各种边坡稳定工程提供参考与借鉴.关键词:滑坡;防范措施;边坡稳定性;稳定性分析方法中图分类号:U 文献标志码:A文章编号:()引言在我国的各项基础建设中,边坡稳定性 的维护与研究一直是一个前沿性的重点问题.滑坡灾害是三大自然灾害之一,当山体发生滑坡时,滑动的大块土体会堵塞河道,在库区产生大的涌浪,会破坏下游航道正常使用功能,以及危害人民生命安全与财产安全.公路的滑坡会导致交通中断,所以边坡稳定性在水利工程或者岩土工程都极其重要,边坡稳定性对工程的安全以及社会经济效益的安全影响深远,故了解并把握边坡失稳的各项特征,对边坡的稳定性进行相应的安全评估,提出有价值的措施来应对滑坡等地质灾害.边坡稳定法研究时间见表.表边坡稳定法研究时间边坡稳定研究时间研究所用的部分方法早期材料力学简单的均质弹性、弹塑性理论续表边坡稳定研究时间研究所用的部分方法半经验半理论的不合理方法早期至 年条分法有限元法数值方法 年之后随机方法模糊方法不确定性分析方法边坡稳定的影响因素本文提供合理与科学的边坡稳定分析法,边坡稳定分析方法有不确定性分析法、确定性分析法、定性分析法及双强度折减法 .故在实际工程中合理使用多元化的分析法,使工程边坡稳定性得到保障.边坡失稳原因见表.表边坡失稳原因边坡失稳原因内部因素外部因素水的物理作用水的化学作用岩土的结构性振动力的作用人类活动的影响气候条件具体分类润滑岩土体溶解错动变形施工爆破基坑的开挖降雨软化岩土体水化张拉破裂地震导致土体的液化松动路堤的填筑降雪孔隙动水、静水压力作用水解剪切滑移植被的破坏冻融边坡稳定分析方法边坡稳定分析方法见表.不确定性分析法 灰色系统评价法灰色系统分析方法是将边坡当作一灰色系统,在这种情况下,利用模糊集理论,灰色关联边坡,然后进行合理分析,对系表边坡稳定分析方法分析法种类具体分类定量分析方法不确定性分析法()灰色系统评价法;()可靠度分析方法;()模糊综合评价法;地基与基础DIJIY U JIC H U李祥飞,等:边坡稳定性分析方法的对比研究 工程与建设 年第 卷第期续表分析法种类具体分类()聚类分析方法;()人工神经网络法确定性分析法()极限平衡分析法;()数值分析法;()有限元法;()边界单元法;()离散单元法定性分析法()工程类比法;()诺模图法;()赤平极射投影法双强度折减法()折减配套机制法;()综合安全系数法统中未知量进行建模,从而控制边坡的各因素,对不确定性因素进行后关联相关程序,然后就可以分析边坡的稳定性.可靠度分析方法可靠度分析在某种程度上参考结构工程的可靠性理论,与边坡工程的实际结合,对不确定量的处理是将边坡岩体的各种性质及应力荷载等当作未知量.可靠性指标可评价边坡的安全程度.在大多数情况下,其可以解决确定性理论无法解释的问题,但这种方法仍有不足之处,需要进一步改进,也值得后续的研究和探索使其较之前更有理论与应用价值.模糊综合评价法模糊综合评价适合用于多因素的边坡稳定性分析.模糊综合评判法的优势是能得到分级指标,该指标为边坡的稳定等级,然后根据这些指标分析边坡稳定的各种参数;缺点是它在实践中,受诸多因素影响,如主观性影响,会产生错误判断,以致影响因素不能全面细致地都考虑到.评价的过程中,将模糊理论引入到边坡稳定性分析中,通过函数公式法计算得出影响边坡稳定性的所有因素.这种评价方法经常用于影响因素边界不确定或多变量的情况,缺点是主观影响或分配问题影响较大,所以应用较少,故需要根据实际选择使用这种评价方法.聚类分析方法边坡稳定性评价的聚类分析本质是将相似样本分为一类.在大多数情况下,可将两个样本合成一个类别,然后计算该类与其他类之间的距离,按照距离最近合并类别,进一步减少类别的数量,这个过程将一直持续,直到所有样本归为一个类别后终止.在工程实践中,聚类分析用于查找和关联数据库中的各个有效数据,通过这些关联,可以预测项目中类似情况的边坡稳定性情况.人工神经网络法人工神经网络是非线性动力学系统中的一个类别,能够很好地映射非线性关系.在系统中,数据之间的存在形式和控制关系未知时,在这种未知量多的情况下,它仍然可以非线性映射.在大多数情况下,人工神经网络可学习目前的工程数据内容,然后得出相关信息汇总,汇总后放入智能神经元网络中.在系统中增加新的工程实例,可快速得到由系统反馈的信息,其由非线性映射得到.人工神经网络分析法是根据神经网络学习与联想记忆汇总相关的边坡稳定分析与维护情况,是通过信息化技术形成的一种网络数据库.此分析法需要完善,故在实践中应用性不强,不过在大多数情况下,其非线性自我学习能力较为出众,放眼未来,人工神经网络法在边坡稳定性分析和研究中应会有不俗的潜力.确定性分析方法 极限平衡分析法极限平衡法是根据静态平衡进行分析的方法,这种方法计算方便,在一定程度上能够将边坡中的土质剖面和外荷载问题简化处理,也可以定量分析边坡的稳定性.目前,极限平衡法在工程行业中的运用实例非常多.若只是考虑滑动面所处位置或土体瞬时破坏的变形情况,就不能全面得出边坡破坏的相关数据.目前在工程实践中,三维极限平衡法已成为一种趋势.这种方法的理论模型主要有三类,即三维简化简布法、三维普通条分法和三维斯宾塞法.极限平衡理论方法计算方便,适用于各种不同的截面和荷载,应用较广泛.这种方法的缺陷是不能准确表达边坡中岩土的应力与应变关系,仍然有可以完善的空间.极限平衡分析法对比见表.表极限平衡分析法对比计算方法滑裂面假定内力方向平衡条件垂直力水平力瑞典圆弧法圆弧合力方向B i s h o p法圆弧忽略切向力M o r g e n s t e m p r i c e法任意合力方向S p e n c e r法任意合力方向J a n b u法任意合力方向S a r m a法任意合力方向注:为必需条件,为不必需条件.数值分析法数值分析法在时代的发展过程中扮演了非常重要的角色.由于在分析边坡稳定时会遇到诸多复杂的问题,在实际工程中,非均质、非线性的工程材料以及边坡加荷和边界的各种条件,致使通过传统的工程计算难以得出精确解,故需要计算机的数值分析使边坡稳定分析的结果经济且有效.目前,随着硬件与软件技术的发展进步,数值分析方法使边坡分析结果较之前准确性更高.数值分析方法不同分类见表.表数值分析方法分类数值分析法种类具体分类有限元法()常规有限元法;()强度折减法;()刚体有限元法;()自适应有限元法李祥飞,等:边坡稳定性分析方法的对比研究地基与基础DIJIY U JIC H U 工程与建设 年第 卷第期 续表数值分析法种类具体分类其他方法()边界单元法;()离散单元法;()块体理论法;()D D A方法 有限元法目前,数值方法应用较宽泛的方法之一是有限元法.通过有限元计算,能得出岩体的应力和应变的各属性,在有限元的计算过程中,仍存在一些问题不能很好地解决,即位移不连续与大变形问题.有限元法是通过构建近似岩体性质的函数,在一定程度上利用离散与有界区域的转化方法,在较为理想的状态下通过对边坡的信息化编辑来计算,计算结果可较准确地反映出真实的应力和变形情况.在绝大多数情况下,有限元法可模拟真实的边坡破坏情况,分析边坡变形破坏的规律,在这个前提下,可得到边坡滑动面应力的具体情况.目前有限元强度折减法、有限元增重法和有限元圆弧搜索法应用普及水平较高.有限元强度折减法的优点很多,比如不需要知晓滑裂面的形状和位置便能计算得到滑裂面;有限元法的优缺点见表.表有限元法的优缺点优缺点特点优点()考虑了边坡岩体的非均质性和不连续性;()避免了极限平衡分析法中将滑体视为刚体而简化;()近似地得出应力应变的数值;()分析出最容易发生屈服破坏的部位及需要加固的部位;()方法成熟,计算结果较精确缺点()整个计算效率偏低;()数据准备工作量大;()定义参数有偏差会较大地影响最终数据;()对于无限域问题等的求解尚不理想;()对于应力集中问题求解尚不理想 边界单元法边界单元法是对区域边界进行离散化的方法,这种方法有其独特的优点,比如输入数据量简化及计算准确性高,能很好地解决无限域方面的问题.这种方法的局限性是得出的线性方程组矩阵与有限元中的对稀疏对称矩阵解法不能结合在一起分析.在绝大多数情况下,解决非线性材料与边坡均匀程度问题的效果弱于有限元方法.边界单元法与有限单元法有着巨大的区别,边界单元法划分滑坡体,得到其边界区域,当边界单元划分好以后,可用线性方程求解得出边界处应力与位移情况,线性方程计算主要是计算边坡稳定安全系数.边界单元法的局限性是不能很好地开展对非均质和非线性边坡问题的研究.离散单元法离散单元法能反映岩体在应力场和位移场中的具体变化趋势,在条件满足的情况下,可以全面细致地模拟边坡失稳.在离散单元法中,单元结点是自由的,可以分离,任意一单元与相近单元的接触面可以接触或分开.当得知力与位移的关系时,可得出单元间的相互作用.在大多数情况下,这个方法适用于解决块状裂纹介质的大变形与破坏难题.离散化是将边坡离散为多个块状单元,在这个前提下,可得出力和位移的关系,后可用迭代动力平衡方程求解出离散化的结果.根据这些结果,可以准确得到岩体间接触面滑移的情况,解决岩体关于复杂倾覆位移与应力分布上的难题.这种方法也有缺点,就是在模拟岩块裂缝的产生上不尽如人意.D D A方法D D A方法是一种假设方法,在这个假设理论中,岩体由块体组成,块体之间不连续,块体由切割岩体的节理和裂隙而来.不连续系统的平衡方程求解可以通过最小势能原理计算出来.当计算的位移和变形较大时,可分析岩体的破坏情况,D D A方法可以很好地用于分析岩体结构的稳定性.定性分析法 工程类比法工程类比法在工程上应用广泛,由于它的概念性强且没有严格的逻辑推理方式,所以在各种边坡稳定分析中,应用各不相同,进行类比的因素也是根据工程的实际情况有所调整与改变.工程类比法对解决相近工程的难题有很大的辅助作用,也适合分析缺乏地质资料或构造复杂的边坡工程,该方法对比目前边坡与已有边坡间的异同点,把边坡的稳定性分析应用已有边坡的影响因素,故工程类比法对边坡稳定性可起到很好的维护作用.图解法图解法有诺模图法和赤平极射投影法.第一种方法可分析特殊土质边坡的稳定性,该边坡必须有圆弧形的潜在破坏面.利用诺模图法可得出边坡稳定参数与安全系数二者之间的联系,继而可以分析边坡稳定性的具体情况.第二种方法是对岩质边坡稳定性进行分析.根据赤平极射投影,得出边坡破坏的空间图,该图体现破坏的边界与结构之间的关系.两种方法都可以准确得到结果,为边坡稳定性分析提供参考数据.双强度折减法双强度折减法的研究已经有一个成熟的框架与体系,有学术文献与工程实例可以当作参考,如果让它在边坡稳定性分析中发挥更大的作用,则需为黏聚力与内摩擦角选择合适的参数,进一步优化可选择它的不同折减系数,以确保结果的可靠性.结束语本文阐述了目前常用的边坡稳定性分析方法,通过对不同分析方法的对比分析,找出各方法的异同及优缺点,提供对边坡稳定性研究有价值的参考建议.对目前存在的各类分析法进行分析,也可探索未来边坡稳定分析方法的发展趋势所在.地基与基础DIJIY U JIC H U李祥飞,等:边坡稳定性分析方法的对比研究 工程与建设 年第 卷第期随着现代生产与生活的进步,边坡稳定性分析方法种类会更加完善,对复杂边坡稳定性问题的解决也将更加简单与方便.参考文献魏小涛,林坚,罗财