邊坡失穩(wěn)和穩(wěn)定性分析方法的探討

邊坡失穩(wěn)和穩(wěn)定性分析方法的探討

邊坡失穩(wěn)和穩(wěn)定性分析方法的探討＊唐善婷１，２，江一舟１（１．桂林理工大學(xué)土木與建筑工程學(xué)院，廣西桂林５４１００４；２．淮陰工學(xué)院建筑工程學(xué)院，江蘇淮安２２３００１）摘要：邊坡穩(wěn)定性是土木工程實(shí)踐活動重點(diǎn)考慮的問題，造成邊坡失穩(wěn)的原因是多方面的，穩(wěn)定性分析方法也不同。分析了邊坡失穩(wěn)的破壞過程和原因，討論了工程地質(zhì)分析法、剛體極限平衡分析法和數(shù)值分析法等各種邊坡穩(wěn)定性分析方法的特點(diǎn)，提出采用綜合法研究邊坡穩(wěn)定性，以尋求有效的邊坡穩(wěn)定治理措施。

關(guān)鍵詞：邊坡穩(wěn)定；破壞模式；極限平衡；數(shù)值分析法；安全系數(shù)

０引言

工程施工中經(jīng)常遇到自然邊坡和人工邊坡的穩(wěn)定性問題，因受到自然因素、荷載的反復(fù)作用和工程活動等各種因素影響，邊坡可能出現(xiàn)破壞或發(fā)生變形。而邊坡的不穩(wěn)定會嚴(yán)重影響土木工程施工的安全，增加工程建設(shè)成本，縮短工程使用壽命，因此，邊坡的穩(wěn)定性研究也成為工程項(xiàng)目中一項(xiàng)重要課題。

本文總結(jié)了邊坡破壞的過程和失穩(wěn)的原因，討論了邊坡穩(wěn)定性分析研究方法的優(yōu)缺點(diǎn)，提出采用綜合法研究邊坡穩(wěn)定性，以探求邊坡穩(wěn)定治理方法。

１邊坡變形破壞的過程以及邊坡失穩(wěn)的原因１．１邊坡變形破壞邊坡從成型開始到使用，受到自然因素（如暴雨沖刷）和工程實(shí)踐活動（如人工開挖）等多種因素影響，其形態(tài)和結(jié)構(gòu)不斷地產(chǎn)生變化，應(yīng)力狀態(tài)也隨之發(fā)生改變。邊坡內(nèi)部某一部分因抗滑力矩小于下滑動力矩，產(chǎn)生微小的滑動。隨著變形的逐漸發(fā)展，坡面將出現(xiàn)拉應(yīng)力帶，坡腳逐漸形成明顯的應(yīng)力集中帶，并發(fā)展至破壞。

１．２邊坡破壞的原因分析

在邊坡發(fā)展變化過程中，其應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生了變化，為適應(yīng)這種變化，邊坡出現(xiàn)了不同形式和不同程度的變形與破壞。以下從巖層構(gòu)造、地震作用、水的作用、不適當(dāng)?shù)拈_挖和填土等４個(gè)方面分析邊坡失穩(wěn)原因。

１．２．１巖層構(gòu)造邊坡滑坡體大多數(shù)出現(xiàn)在粘性土層和軟質(zhì)巖層中，較少發(fā)生在較硬巖石層中或砂性土層中。巖石可能受風(fēng)化作用產(chǎn)生破碎，削弱邊坡穩(wěn)定，產(chǎn)生滑坡現(xiàn)象。邊坡滑坡與巖層構(gòu)造有著直接的關(guān)系，在粘性土層和軟質(zhì)巖層中，邊坡穩(wěn)定性較差。

１．２．２地震作用強(qiáng)烈地震區(qū)域的邊坡，地震后土的強(qiáng)度降低，地震力可能會使土體產(chǎn)生超孔隙水壓力，降低土的有效抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，對土坡穩(wěn)定性極其不利。地震時(shí)發(fā)生的砂土液化是導(dǎo)致滑坡的主要原因。地震發(fā)生時(shí)，地面震動誘發(fā)滑坡地質(zhì)災(zāi)害，在眾多的地震中，因?yàn)榛乱鸬钠茐脑斐闪舜罅康娜藛T傷亡。

１．２．３水的作用土質(zhì)邊坡上表面的水如不及時(shí)排除，水浸濕土體，會導(dǎo)致土體強(qiáng)度降低，以致坡體不能承受自重而產(chǎn)生坍塌。地下水靜水壓力的存在，一方面降低了滑動面上的有效法向應(yīng)力以及邊坡滑動面的抗滑力，另一方面又增加了滑坡土體的下滑力，從而加劇了邊坡失穩(wěn)破壞。當(dāng)土坡中存在與滑動方向一致的滲透力時(shí)，土坡就更加不穩(wěn)定，從而加劇邊坡產(chǎn)生失穩(wěn)的可能性。

１．２．４不適當(dāng)?shù)拈_挖和填土在鐵路、公路和大型水利（水利論文）樞紐工程中，由于開挖斜坡、填土、棄土等施工，邊坡中的土體內(nèi)部應(yīng)力發(fā)生變化，土體的抗剪強(qiáng)度降低；路堤填土方量增加，也將增加邊坡滑坡體的滑動力，邊坡穩(wěn)定性遭到破壞。

２邊坡穩(wěn)定性的分析方法

邊坡發(fā)生破壞失穩(wěn)是一種復(fù)雜的地質(zhì)災(zāi)害過程［１］。由于內(nèi)部結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和組成邊坡巖石物質(zhì)的不同，邊坡破壞有不同的模式。對于不同的破壞模式有不同的滑動類型，典型的結(jié)構(gòu)面破壞類型分為平面滑坡、楔形體滑坡、傾倒滑坡。針對不同的破壞形式，需要用不同的方法進(jìn)行分析，目前常用的穩(wěn)定性分析方法有以下幾種。

２．１工程地質(zhì)分析法

該方法是早期研究邊坡穩(wěn)定性的一種主要方法，是工程技術(shù)人員在從事大量生產(chǎn)實(shí)踐活動和資料調(diào)查基礎(chǔ)上積累的經(jīng)驗(yàn)方法。針對某種邊坡，擬定邊坡穩(wěn)定的坡腳值，將影響邊坡穩(wěn)定性的因素作一些對比分析，采用類比地質(zhì)條件的穩(wěn)定邊坡值。

如礫石路塹邊坡可以采用工程地質(zhì)分析法確定邊坡坡度，參考當(dāng)?shù)刈匀簧狡禄蛉斯み吰?，以及邊坡的相關(guān)地質(zhì)構(gòu)造、水文地質(zhì)條件等情況，選擇合適的穩(wěn)定邊坡值，也可以采用巖石力學(xué)的方法進(jìn)行分析驗(yàn)算。

孫玉科等［２］總結(jié)了我國巖質(zhì)邊坡變形破壞的主要模式以及邊坡變形破壞機(jī)理，為研究邊坡穩(wěn)定性奠定了分析基礎(chǔ)。

２．２剛體極限平衡分析法

剛體極限平衡法是工程實(shí)踐中應(yīng)用最早，也是目前使用最普遍的一種分析方法，是研究邊坡穩(wěn)定性的傳統(tǒng)方法。其求解過程是以摩爾—庫侖強(qiáng)度理論為基礎(chǔ)，將可能的滑坡體的滑動面假定為圓弧形，并劃分成若干個(gè)垂直條塊（劉建華等［３］提出對于同一滑弧，一般來說條塊數(shù)量過少產(chǎn)生的誤差大，條塊數(shù)量較多時(shí)誤差相對較?。?，建立作用在垂直條塊上的平衡方程，求得作用在每個(gè)垂直條塊上的滑動力矩和抗滑力矩，然后計(jì)算出整個(gè)滑動面的面上滑動體的滑動力矩和抗滑力矩，得到邊坡的穩(wěn)定系數(shù)，與相應(yīng)的容許穩(wěn)定系數(shù)相比較。如果邊坡的穩(wěn)定系數(shù)大于相應(yīng)的容許穩(wěn)定系數(shù)，表示邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)，否則應(yīng)該放緩邊坡。繼續(xù)按剛體極限平衡分析法進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性分析，直到滿足容許穩(wěn)定系數(shù)值為止。

常見的極限平衡法有瑞典圓滑條分法、簡化畢肖普法、簡布法等。

剛體極限平衡法有以下幾個(gè)特點(diǎn)。

（１）滿足力和力矩平衡，滿足摩爾—庫侖強(qiáng)度理論和應(yīng)力邊界條件，按極限平衡法的原理進(jìn)行受力分析，建立平衡方程。

（２）力學(xué)模型簡單，將滑坡體土體作為剛體考慮，認(rèn)為滑坡體本身不產(chǎn)生變形，而且可以傳遞應(yīng)力，只考慮邊坡滑動面上的受力特征，不考慮滑動體及其內(nèi)部的應(yīng)力狀態(tài)。

（３）將滑動體的邊界條件進(jìn)行了簡化，將復(fù)雜的滑動體形態(tài)簡化為簡單的平面幾何形態(tài)，將滑動面簡化為折線、圓弧面等，這樣邊坡滑動體立體問題簡化為平面力學(xué)問題，求解更加簡單。選擇最危險(xiǎn)的滑動面是求解滑坡體穩(wěn)定系數(shù)的關(guān)鍵之處。劉建華等［３］探索了最危險(xiǎn)滑弧位置規(guī)律，搜索了滑動體范圍內(nèi)所有可能的滑弧，篩選出最危險(xiǎn)的滑弧，滑弧傾角越小，安全系數(shù)越大，基于最危險(xiǎn)的滑動面求解邊坡的穩(wěn)定計(jì)算值誤差小。

（４）將作用在滑坡體上面的均布荷載簡化為集中力，有時(shí)甚至將力的作用點(diǎn)簡化為通過滑動體重心，以簡化計(jì)算。

（５）完全不考慮土體的內(nèi)應(yīng)力分布以及分割條塊之間的相互作用，土條不受側(cè)向力作用，即使有側(cè)向力作用，但側(cè)向力的方向與滑動圓弧的切線平行。

（６）不考慮土體的應(yīng)力和應(yīng)變關(guān)系，因此不能真實(shí)地反映邊坡失穩(wěn)時(shí)候的工作狀態(tài)，存在一定的局限性。

（７）考慮了問題的主要方面，方法簡單直觀，如果使用得當(dāng)，可以得到令人滿意的結(jié)果，是目前使用最多的一種分析方法。

２．３數(shù)值分析法

數(shù)值分析方法考慮了巖土體應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系，克服了極限平衡法完全不考慮巖土體本身的應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系的不足，為邊坡穩(wěn)定性分析提供了一種新的分析方法。

２．３．１有限元法在有限元法邊坡穩(wěn)定性分析中，安全系數(shù)是一個(gè)重要控制指標(biāo)［４］，其反應(yīng)邊坡土體的強(qiáng)度儲備或承載潛力。有限元數(shù)值分析法用有限元滑面搜索法和有限元強(qiáng)度折減系數(shù)法求得安全系數(shù)。有限元滑面搜索法是將邊坡體離散為有限單元格，按照施加的荷載及其邊界條件進(jìn)行有限元計(jì)算，得到每個(gè)結(jié)點(diǎn)的應(yīng)力張量；再假定一個(gè)滑動面，用有限元數(shù)據(jù)給出滑動面上任意一點(diǎn)的正應(yīng)力和剪應(yīng)力，然后根據(jù)摩爾—庫侖強(qiáng)度理論得到該點(diǎn)的抗滑力，由此求得滑動面上每個(gè)結(jié)點(diǎn)的下滑力和抗滑力；最后對滑動面上的下滑力和抗滑力進(jìn)行積分求出每一個(gè)滑動面上的安全系數(shù)。有限元強(qiáng)度折減系數(shù)法是選取初始的折減系數(shù)Ｆ，將邊坡體的強(qiáng)度參數(shù)粘聚力ｃ和內(nèi)摩擦角φ分別按公式（１）和（２）進(jìn)行折減，將折減后的強(qiáng)度參數(shù)粘聚力ｃ′和內(nèi)摩擦角φ′進(jìn)行有限元計(jì)算。邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，有限元計(jì)算程序收斂；邊坡破壞時(shí)，有限元計(jì)算程序不收斂。恰好不收斂時(shí)的折減系數(shù)就是邊坡的安全系數(shù)（穩(wěn)定系數(shù)）。

ｃ′＝

ｃＦ，（１）ｔａｎφ′＝ｔａｎφＦ，（２）式（１）和式（２）中：ｃ，φ分別為邊坡土體的初始粘聚力和內(nèi)摩擦角；ｃ′，φ′分別為折減后粘聚力和內(nèi)摩擦角；Ｆ為強(qiáng)度折減系數(shù)。

用有限元數(shù)值分析法進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性分析有以下幾個(gè)特點(diǎn)。

（１）克服了剛體極限平衡法完全不考慮巖土體本身的應(yīng)力和應(yīng)變關(guān)系的缺陷，為邊坡穩(wěn)定性分析提供了一種較為合理的研究方法。

（２）與極限平衡法相比，不需要簡化垂直條塊間的相互作用力，劃分的條塊處于平衡狀態(tài)。

（３）有限元計(jì)算的收斂性是邊坡穩(wěn)定性評價(jià)的一個(gè)重要指標(biāo)，邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，有限元計(jì)算收斂，邊坡破壞時(shí)，有限元計(jì)算不收斂。

（４）考慮了巖土體的變形特征，真實(shí)反映了邊坡的受力狀態(tài)，能考慮邊坡沿圓弧滑動，也可以考慮非圓弧滑動的破壞，適用于不同邊界條件和不規(guī)則幾何形狀的邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析。

（５）可以用來求解彈性、彈塑性、粘彈性、粘塑性、流變以及其他非線性應(yīng)力變形等問題，但不能很好地求解大變形和位移不連續(xù)等問題，對于無限域、應(yīng)力集中問題的求解也不是很理想。

２．３．２離散單元法離散單元法是將研究的巖石邊坡區(qū)域分解成多個(gè)分離的多邊形塊體單元。單元可以是剛性的，也可以是非剛性的，可以是多邊形的，也可以是圓形的。單元體之間的接觸可以看成角與角的接觸、角與邊的接觸或邊與邊的接觸，這樣不僅能反映巖質(zhì)邊坡巖塊之間接觸面的滑移、分離與傾覆等大位移，同時(shí)還可以計(jì)算巖塊內(nèi)部的變形和應(yīng)力分布。離散單元法利用顯示差分法求解動力平衡方程，如果某單元在重心處的合力和合力矩不等于零，則單元體處于不平衡狀態(tài)。用離散單元法求解非線性大位移與動力問題是比較容易的，同時(shí)可以方便分析被結(jié)構(gòu)切割巖質(zhì)邊坡的變形和破壞過程。離散單元法原理簡單，但是在程序?qū)嵤┓矫鎱s不是很容易。

２．３．３拉格朗日元法拉格朗日元法適合于求解非線性大變形問題，將研究的區(qū)域劃分成網(wǎng)格，以連續(xù)介質(zhì)為基礎(chǔ)，利用時(shí)步積分求解。它的實(shí)施由美國ＩＴＡＳＣＡ咨詢集團(tuán)公司開發(fā)的巖土工程專業(yè)軟件ＦＬＡＣ完成，利用節(jié)點(diǎn)位移連續(xù)的條件，對連續(xù)介質(zhì)非線性大變形分析和幾何形態(tài)破壞問題進(jìn)行分析，并追蹤記錄破壞過程。

２．３．４界面元法界面元法是在Ｋａｗａｉ提出的剛體—彈簧元模型［５］理論基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。界面元法將邊坡視為由有限多塊體元和界面元組合而成的離散體。假定塊體單元的變形累積于界面，單元本身只有剛體位移，基于累積單元變形于界面的界面６０淮海工學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）２０１１年９月應(yīng)力元法模型，建立適用于分析邊坡破壞形式不連續(xù)、非均勻、各項(xiàng)異性和各類非線性問題、場問題，還可以看完全模擬各類錨桿復(fù)雜空間布局和開挖擾動的方法。

２．３．５綜合方法目前關(guān)于邊坡穩(wěn)定性分析的方法比較多，這些方法在分析邊坡穩(wěn)定性過程中各有優(yōu)缺點(diǎn)。一些新的理論和方法不斷地運(yùn)用到邊坡穩(wěn)定性分析中，但這些新方法也需要進(jìn)一步完善，進(jìn)一步與邊坡失穩(wěn)時(shí)的工作狀態(tài)相一致。

２．４各種方法優(yōu)缺點(diǎn)分析

極限平衡法作為傳統(tǒng)方法，在邊坡穩(wěn)定性分析中是一種重要的方法。在長期工程實(shí)踐過程中，積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，一直以來被工程界廣泛采用。一方面極限平衡法概念清晰，很容易被工程人員理解和掌握。另一方面極限平衡法有相應(yīng)的穩(wěn)定評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，可以求出邊坡穩(wěn)定的安全系數(shù)。但是極限平衡法在求解安全系數(shù)時(shí)除了瑞典法外還不能夠直接寫出安全系數(shù)的表達(dá)式。換句話說，在求解安全系數(shù)時(shí)需要試算。在計(jì)算安全系數(shù)時(shí)，事先要知道滑動面的位置和形狀，計(jì)算沿著滑動面發(fā)生滑動破壞的安全系數(shù)。同時(shí)對于均質(zhì)邊坡，邊坡穩(wěn)定性分析時(shí)不能確定滑動面的位置，計(jì)算安全系數(shù)時(shí)，需要多次假定不同的滑動面計(jì)算對應(yīng)的安全系數(shù)值，計(jì)算工作量大。針對這些問題，很多專家和工程人員進(jìn)行了多方面的研究，如楊天林等［６］和陳祖煌［７］在如何尋找最危險(xiǎn)滑動面方面做了很多的研究，也取得了一定的成果，但并沒有解決以上不足的問題。

有限元法應(yīng)用到邊坡穩(wěn)定性分析中，充分考慮了巖土體的應(yīng)力與應(yīng)變之間的關(guān)系，可以了解土坡的破壞機(jī)理。了解土坡塑性區(qū)的發(fā)展情況，可以用來求解彈性、彈塑性、粘彈性、粘塑性、流變問題以及其他非線性應(yīng)力變形問題等等。但是有限元法在分析邊坡穩(wěn)定時(shí)也存在一些不足：有限元法無法直接給出邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)值的大小，而在邊坡穩(wěn)定性分析中常用安全系數(shù)值的大小來衡量邊坡的穩(wěn)定情況。用有限元計(jì)算邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)時(shí)，仍然面臨著假定滑動面問題，根據(jù)假定的滑動面的應(yīng)力分布情況計(jì)算安全系數(shù)值，但計(jì)算的安全系數(shù)值缺乏相應(yīng)的評判標(biāo)準(zhǔn)，使用不方便。

離散單元法在模擬邊坡穩(wěn)定過程中考慮了邊坡失穩(wěn)的動態(tài)過程。在模擬中允許巖土體存在滑動、轉(zhuǎn)動、平移和斷裂、松散等情況，離散單元具有不連續(xù)性和單個(gè)單元體運(yùn)動的隨機(jī)性，可以比較真實(shí)地反映邊坡在形成或開挖過程中應(yīng)力和位移的變化，從而預(yù)測邊坡的穩(wěn)定性。該方法原理簡單，突出的用途在于不僅可以反映巖塊之間接觸面的滑移、分離與傾覆等大位移，還可以計(jì)算巖塊內(nèi)部的變形與應(yīng)力分布，但是在程序?qū)嵤┓矫鎱s不容易。

拉格朗日元法克服了有限元和其他的數(shù)值分析法不可以求解巖土大變形的問題。可以根據(jù)有限差分原理，利用ＦＬＡＣ數(shù)值分析方法，更好地考慮巖土體的不連續(xù)和大變形特征，求解速度快，但計(jì)算邊界、單元網(wǎng)格的劃分存在隨意性。

界面元法能夠自然表達(dá)邊坡滑移、開裂等不連續(xù)變形特征。在建立模型時(shí)，對于離散的塊體單元可以為任意形狀，在不同材料的交界面上不需要布置其他的接觸單元，避免了復(fù)雜的網(wǎng)格剖分問題。

更重要的是邊坡穩(wěn)定性分析中多采用安全系數(shù)來評判邊坡的穩(wěn)定性問題，一般需要求出滑動面上的抗滑阻力與滑動力。在這方面，界面元法可以直接得到界面上的法向正應(yīng)力和切向剪應(yīng)力，可以方便地求出抗滑阻力與滑動力，避免了有限元法中為求安全系數(shù)進(jìn)行轉(zhuǎn)化和應(yīng)力精度減小的問題。

針對上述分析，為了克服極限平衡法在邊坡穩(wěn)定性分析過程中做出的不符合實(shí)際的假設(shè)，在邊坡穩(wěn)定性分析過程中，可以用兩種或兩種以上的研究方法相互結(jié)合形成綜合研究方法。如文獻(xiàn)［８］具體分析了有限元與條分法相結(jié)合的實(shí)現(xiàn)過程，并以岳城水庫主壩穩(wěn)定性分析為例，對淺層滑坡壩段進(jìn)行了穩(wěn)定性分析。在分析過程中充分考慮了滲流力和非滲流期滲流力對土壩穩(wěn)定的影響，結(jié)果顯示用有限元與條分法相結(jié)合的方式研究岳城水庫主壩穩(wěn)定性更加符合土壩工作的實(shí)際情況，準(zhǔn)確性高。而極限平衡法僅僅采用簡化法忽略或粗略考慮了滲流力的作用。文獻(xiàn)［９］提出將不同的數(shù)值分析方法相互結(jié)合使用，如有限元、邊界元、離散元與塊體元等的相互結(jié)合使用。這些相互結(jié)合使用的研究方法能充分發(fā)揮各方法的特性，能更有效地分析復(fù)雜的邊坡穩(wěn)定性問題。

３保持邊坡穩(wěn)定的措施

邊坡的治理需要工程實(shí)踐人員充分認(rèn)識邊坡的地質(zhì)條件和水文條件，客觀分析邊坡失穩(wěn)的原因，采用合適的治理措施，保證邊坡的穩(wěn)定性。增加邊坡穩(wěn)定性的措施有以下幾種。

（１）改變邊坡幾何形態(tài)。巖質(zhì)邊坡大多在邊坡的上部放緩邊坡，或自上而下逐漸放緩邊坡坡度。

第３期唐善婷等：邊坡失穩(wěn)和穩(wěn)定性分析方法的探討６１削減推動滑坡區(qū)的物質(zhì)，減緩邊坡的總體坡度，但邊坡變化點(diǎn)也不宜太多，以方便施工，減少邊坡受雨水沖刷的作用，從而保持邊坡穩(wěn)定性。這種方式在高等級公路高路基設(shè)計(jì)中常常需要設(shè)計(jì)合理的邊坡坡度以保證路基處于穩(wěn)定狀