邊坡穩(wěn)定性評價

1、邊坡穩(wěn)定性評價斜坡穩(wěn)定性評價歷來是巖土工程界感興趣的傳統(tǒng)問題之一。多年的理論研究和實踐使單個斜坡、區(qū)段性到區(qū)域性斜坡等跨越不同層次的斜坡穩(wěn)定性評價方法得到了探索和發(fā)展,包括以工程地質(zhì)類比法及地質(zhì)力學分析為主的定性分析方法、力學計算和數(shù)值模擬、考慮不確定因素的綜合評判方法等。對于研究較深入的、大比例尺單個或場地性斜坡,基于工程地質(zhì)類比分析、力學計算以及數(shù)值模擬等穩(wěn)定性評價方法已相當成熟。而適宜于小比例尺規(guī)劃階段的區(qū)域性斜坡穩(wěn)定性的定量評價方法則仍處于探索階段。 邊坡穩(wěn)定性就是衡量工程質(zhì)量的標準之一。同時工程建設(shè)過程中的邊坡穩(wěn)定性還需要考慮到自然環(huán)境的影響。關(guān)于邊坡穩(wěn)定性的評價方法大體上可分為不確

2、定性分析法和確定性分析法兩大類。一、不確定性分析法1.模糊分析法：運用了模糊數(shù)學理論，通過收集、整理邊坡的實際資料，對邊坡的情況進行綜合分析考量，建立各個參數(shù)信息之間的模糊關(guān)系，進而運用模糊綜合的方法來判斷、研究該邊坡的穩(wěn)定性。雖然模糊分析法充分考慮了多種環(huán)境影響因素和多種影響變量，而且沒有復雜的計算過程，但由于真實環(huán)境中的不確定因素以及環(huán)境的多變性，同時使用的是模糊數(shù)學的概念和理論，因此模糊分析法所得出的結(jié)果并不具有很高的可靠性。根據(jù)這一特點，模糊分析法在工程建設(shè)的實際情況中更多的應用在對大型邊坡的整體穩(wěn)定性的判斷。2.灰色關(guān)聯(lián)理論：此理論的基礎(chǔ)是邊坡的已知數(shù)據(jù)和未知數(shù)據(jù)。首先，將這些已知數(shù)

3、據(jù)和未知數(shù)據(jù)看做是灰色量，將這些灰色量做無量綱化，使得這些數(shù)據(jù)具有同序性和等效性，以便后面的計算和分析；然后，用最小二乘法對已進行無量綱化的數(shù)據(jù)進行進一步處理，計算出數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)度，因為關(guān)聯(lián)度的影響因素有很多，如參考序列、序列長度、分辨系數(shù)等，所以關(guān)聯(lián)度的數(shù)值并不唯一，因此需要對關(guān)聯(lián)度進行比較分析得出最適合的關(guān)聯(lián)度數(shù)值；最后，分析已得到的數(shù)據(jù)建立邊坡模型，對邊坡的穩(wěn)定性進行判斷。3 隨機搜索耦合算法：由于在計算邊坡穩(wěn)定性的過程中常常會考慮到環(huán)境和工程建設(shè)過程中多種多樣的影響因素，因此通常會建立起來一個極其復雜的非線性的規(guī)劃問題，求解的過程也是較為復雜繁瑣。而隨機搜索耦合算法則可以為非線性規(guī)劃

4、問題提供一個簡化求解過程、縮短求解時間的相對有效的近似解。這種算法是將固體退火過程作為模擬對象，同時運用冷卻進度表的參數(shù)控制算法進行計算，從而得出一個近似解。雖然這種方法大大簡化了計算過程，但也只有在參數(shù)相對較少的情況下才有更高的信度，不適用于具有大規(guī)模的參數(shù)的計算。二、確定性分析方法1 極限平衡法：極限平衡理論的主要思想是將滑動土體進行條分,根據(jù)極限狀態(tài)下土條受力和力矩的平衡來分析邊坡的穩(wěn)定性。根據(jù)對平衡方程組增設(shè)的邊界條件不同,又分為如下幾種方法。(1)瑞典條分法。該法假定滑裂面為圓弧面,不考慮條間力,其安全系數(shù)為滑裂面上的抗滑力矩與滑裂面以上土體的滑動力矩之比,用總應力法求得給定滑裂面的

5、安全系數(shù),再經(jīng)反復試算比較確定出邊坡的最小安全系數(shù)。(2)簡化畢肖普法。該方法假定條間力水平,即只考慮水平推力而不考慮豎向剪力,故安全系數(shù)為整個滑裂面的抗剪強度與實際剪應力之比,然后用試算-迭代法求得邊坡的最小安全系數(shù)。(3)簡布普遍條分法。簡布法假定滑體中推力線已知,利用力矩平衡條件把條間豎向剪力表示成水平推力的函數(shù),適用于最一般的情況。利用該法不僅可求出滑裂面平均安全系數(shù)及應力分布,還可求出各分界面上的抗剪安全系數(shù)作為校核。(4)其它極限平衡計算方法。斯賓塞法、摩根斯坦普賴斯法、沙爾瑪法以及不平衡推力傳遞法都屬于極限平衡計算法。這些方法以極限平衡理論為基礎(chǔ),通過力的平衡條件來分析邊坡穩(wěn)定性

6、,沒有考慮材料應力應變關(guān)系,所得安全系數(shù)只是假定滑裂面上2 圖解法：20世紀30年代提出的邊坡穩(wěn)定性分析圖解法發(fā)展至今，已經(jīng)出現(xiàn)了不同的分析圖表，甚至經(jīng)過改進得到了簡化公式。該方法是綜合考慮土體物理性質(zhì)、地下水性質(zhì)以及邊坡的參數(shù)等數(shù)據(jù)，然后根據(jù)所對應的公式來繪制出表和圖，根據(jù)表圖更為直觀、簡便的得到邊坡的穩(wěn)定性。圖解法又可以分為赤平極射投影法和偌謨圖法。(1)赤平極射投影法：該法最早應用于天文學,20世紀80年代開始引入工程地質(zhì)學,通過作赤平極射投影圖可以直觀反映出邊坡破壞邊界、各組結(jié)構(gòu)面的空間組合關(guān)系,確定邊坡規(guī)模形態(tài)以及可能變形滑動方向,從而達到評價邊坡穩(wěn)定程度的初步分析,該方法一般適用于

7、巖質(zhì)邊坡的。(2)偌謨圖法：偌謨圖法是用關(guān)系曲線和偌謨圖表征邊坡有關(guān)參數(shù)之間的定量關(guān)系。通過偌謨圖法可求出邊坡穩(wěn)定性系數(shù),根據(jù)相關(guān)參數(shù)也可求出極限坡高和穩(wěn)定坡角。該方法一般適用于土質(zhì)邊坡或全風化的具有弧形破壞面的邊坡穩(wěn)定性評價分析。3 快速拉格朗日法：該法是目前最流行的有限差分法,拉格朗日法源于流體力學,其基本原理是綜合流體中所有質(zhì)點流體中各點的位移、速度、加速度等參數(shù)隨時間變化的規(guī)律,得到流體變化規(guī)律。在邊坡穩(wěn)定性評價分析中,快速拉格朗日法劃分的各節(jié)點就相當于流體中的各質(zhì)點,人們在拉格朗日法基礎(chǔ)上開發(fā)FLAC二維、三維軟件,適合解決非線性大位移問題。FLAC軟件通過本構(gòu)關(guān)系和材料特性,確立邊

8、界和初始條件的基礎(chǔ)上,建立有限差分網(wǎng)絡(luò)求解快速拉格朗日法在工程應用中對解析塑性變化更具優(yōu)勢,計算時間迅速,但缺點是邊界和網(wǎng)格更具隨意性。3 有限元方法：由于邊坡穩(wěn)定性分析的極限平衡法對土體的應力以及應力的應變關(guān)系考慮有所欠缺，導致計算和分析時也會出現(xiàn)一定的誤差和不準確性。而有限元法則可以很好的解決這個問題，應用范圍將會擴大到地質(zhì)情況復雜的條件下，同時計算結(jié)果也會更加精確。有限元方法是建立起了理想彈塑性模型，同時遵循強度屈服原則，參考安全系數(shù)，更加形象具體的模擬出當邊坡發(fā)生滑動時的應力改變、應變規(guī)律和形變機制。這些就是進一步判斷邊坡穩(wěn)定性的關(guān)鍵參考數(shù)據(jù)，但仍需要注意到有限元方法在發(fā)生大滑動、大變

9、形等問題時局限性。4 塑性極限分析和模糊極值理論:1952年,杜拉克和普拉格提出塑性極限分析法,其最大優(yōu)點是考慮了材料應力應變關(guān)系,并利用極限狀態(tài)時自重和外荷載所做的功等于滑裂面上阻力所消耗的功為條件,結(jié)合塑性極限分析的上、下限定理求得邊坡極限荷載與安全系數(shù)。由于塑性極限分析所得的解為浮動于某一范圍的模糊極值解,所以孫君實提出了滑動機構(gòu)的概念,并證明了給定滑動機構(gòu)的耗散功能定理,即滑坡極限分析的極大值定理。將該定理“模糊化”得到給定滑裂面安全系數(shù)的模糊極大值定理,再把極大的概念模糊化為滑體內(nèi)力狀態(tài)的模糊狀態(tài)條件,并構(gòu)造模糊函數(shù)和模糊約束條件,提出安全系數(shù)的模糊解集和最小模糊解集的概念,從而建立

10、土坡穩(wěn)定分析“極大中極小”問題的模糊極值理論。這一理論使長期以來條分法研究在假定多余未知函數(shù)方面存在的隨意性問題得到了較好的解決。5蒙特卡洛法：蒙特卡洛法亦稱為隨機抽樣技術(shù)或統(tǒng)計試驗方法,是采用統(tǒng)計抽樣理論近似求解數(shù)學、物理和工程技術(shù)問題的數(shù)值方法。蒙特卡洛法根據(jù)隨機變量i的分布函數(shù)選取隨機數(shù)輸入到分析中,由此得到一個安全系數(shù)。由于輸入的參數(shù)是隨機變量,因此得到的安全系數(shù)也是一個隨機變量。通過重復運算,就可以得到能夠代表安全系數(shù)的隨機樣本。由此樣本,可以進行統(tǒng)計特征計算和分布擬合檢驗,最后求解安全指標可靠度和失效概率。根據(jù)蒙特卡洛法的基本原理及方法可以編制邊坡的穩(wěn)定性可靠度分析程序,程序中可考

11、慮自重、地下水、外荷載、卸荷裂隙及地震作用等荷載的各種組合情況。在數(shù)據(jù)文件中輸入各隨機變量的均值與變異系數(shù),程序的最終輸出為邊坡的失效概率值。在具體計算時,每抽樣一次求得邊坡的安全系數(shù),且對進行安全判別,每抽樣結(jié)束后累計小于1的次數(shù),根據(jù)貝努利定理,其值與總抽樣次數(shù)的比值作為失效概率的近似值。此程序可考慮粘聚力、內(nèi)摩擦角、地震荷載、卸荷裂隙、地下水深等隨機變量。我相信，如果有更多的邊坡穩(wěn)定性分析實驗與理論相結(jié)合。一方面能使理論得到驗證，來另一方面也可以繼續(xù)完善確定性分析方法。由于地質(zhì)環(huán)境的復雜性和多變性，應該大力發(fā)展邊坡穩(wěn)定分析的模糊方法和積極發(fā)展人工智能專家系統(tǒng)及預測預報方法。從而運用到實際工程中減少斜坡對工程的影響，造福人類。參考文獻：邊坡穩(wěn)定性分析評價方法研究及趨向 沈良峰,廖繼原,張月龍邊坡穩(wěn)定性分析評價方法綜述 鄧鐘敏，徐世光，郭婷婷邊坡穩(wěn)定性分