边坡工程常用稳定性分析方法

边坡工程常用稳定性分析方法

李银海

摘 要：本文对目前边坡工程中常用的一些稳定性分析方法进行了系统的总结，对它们各自的主要原理、特点及其优缺点等进行了阐述，为实际工程的边坡稳定性计算提供了指导意义。 关键词：岩土工程 边坡工程 高边坡稳定 分析方法

中图分类号：P551 文献标识码：A 文章编号：1006-7973（2007）05-0094-02

一、前言

不同的边坡工程常常赋存于不同的工程地质环境中，不同的边坡稳定性分析方法又各具特点，有一定的适用条件。因而，如何根据具体的边坡工程地质条件，合理选用与之相适应的边坡稳定性分析方法，是值得深思的问题。

边坡稳定性评价方法大致可以分为两大类，即定性分析方法和定量分析方法。此外，近年来，人们在前面两种分析方法的基础上，又引进了一些新的学科、理论等，逐渐发展起来一些新的边坡稳定性分析方法，如可靠性分析法、模糊分级评判法、系统工程地质分析法、灰色系统理论分析法等。另外，还有地质力学模型等物理模型方法和现场监测分析方法等。

二、定性分析方法

定性分析方法主要是通过工程地质勘察，对影响边坡稳定性的主要因素、可能的变形破坏方式及失稳的力学机制等的分析，对已变形地质体的成因及其演化史进行分析，从而给出被评价边坡一个稳定性状况及其可能发展趋势的定性的说明和解释。其优点是能综合考虑影响边坡稳定性的多种因素，快速地对边坡的稳定状况及其发展趋势作出评价。常用的方法主要有下面几种。

1．自然（成因）历史分析法

该方法主要根据边坡发育的地质环境、边坡发育历史中的各种变形破坏迹象及其基本规律和稳定性影响因素等的分析，追溯边坡演变的全过程，对边坡稳定性的总体状况、趋势和区域性特征作出评价和预测，对已发生滑坡的边坡，判断其能否复活或转化。它主要用于天然斜坡的稳定性评价。

2．工程类比法

该方法实质上就是利用已有的自然边坡或人工边坡的稳定性状况及其影响因素、有关设计等方面的经验，并把这些经验应用到类似的所要研究边坡的稳定性分析和设计中去的一种方法。通过这些分析，来类比分析和判断研究对象的稳定性状况、发展趋势、加固处理设计等。在工程实践中，既可以进行自然边坡间的类比，也可以进行人工边坡之间的类比，还可以在自然边坡和人工边坡之间进行类比。可以说它

是目前应用最广泛的一种边坡稳定性分析方法。

3．边坡稳定性分析数据库和专家系统

（1）边坡工程数据库是收集已有的多个自然斜坡、人工边坡实例的计算机软件。它按照一定的格式，把各个边坡实例的发育地点、地质特征（工程地质图、钻孔柱状图、岩土力学参数等）、变形破坏影响因素、形式、过程、加固设计，以及边坡的坡形、坡高、坡角等收录进来，并有机地组织在一起。

（2）边坡稳定分析设计专家系统就是进行边坡工程稳定性分析与设计的智能化计算机程序。它把某一位或多位边坡工程专家的知识、工程经验、理论分析、数值分析、物理模拟、现场监测等行之有效的知识和方法有机地组织起来，建成一个边坡工程知识库，结合相关学科不同专家的知识进行推理和决策，对所研究的对象（边坡）进行稳定性评价。

4．图解法图解法 （1）诺模图法

该法就是利用一定的诺模图或关系曲线来表征与边坡稳定有关参数间的关系，并由此求出边坡稳定安全系数，或根据要求的安全系数及一些参数来反分析其它参数（ϕ、C、结构面倾角，坡角，坡高等）的方法。

（2）投影图法

该法就是利用赤平极射投影的原理，通过作图来直观地表示出边坡变形破坏的边界条件，分析不连续面的组合关系，可能失稳岩土体形态及其滑动方向等，进而评价边坡的稳定性，并为力学计算提供信息。常用的有赤平极射投影图法、实体比例投影图法、Markland J J投影图法等

5．SMR方法

Roman M（1985，1992）在Biniawski Z T提出的RMR岩体质量评价方法的基础上，综合考虑边坡工程中不连续面产状与坡面间的组合关系，提出了边坡岩体质量计算公式。

利用SMR方法来评价边坡岩体质量的稳定性，方便快捷，且能够综合反映各种因素对边坡稳定性的影响。但该方法存在一些不足，如它没能考虑边坡坡高等因素，对大型的

收稿日期：2007-3-21

作者简介：李银海 男（1980-） 中交第二航务工程勘察设计院有限公司 助理工程师 （430000） 研究方向：工程地质方向研究

第5期 李银海：边坡工程常用稳定性分析方法 95 岩质边坡的整体稳定性的状况还不能够作出有效的分析。

三、定量分析方法

严格地讲，边坡稳定性分析还远远没有走到完全定量这一步，它只能算是一种半定量的分析方法。常用的边坡稳定性分析方法主要有下述几种。

1．极限平衡分析法

该方法是工程实践中应用最早、也是目前最普遍使用的一种定量分析方法。目前已有了多种极限平衡分析方法，如：Fellenius法、Bishop法、Janbu法、Morgenstern Prince法、余推力法、Sarma法、楔体极限平衡分析法等等。与其它方法相比，极限平衡法的缺点是在力学上作了一些简化假设。该方法抓住了问题的主要方面，且简易直观，并有多年的实用经验，若使用得当，将得到比较满意的结果。它是目前应用最多的一种分析方法。

2．数值分析方法

（1）有限元（ＦＥＭ）法

该方法在边坡岩土体的稳定性分析中得到最早（1967）应用，也是目前最广泛使用的一种数值分析方法。目限元分析程序，可以用来求解弹性、弹塑性、粘弹塑性、粘塑性等问题。有限元法的优点是部分地考虑了边前，已经开发了多个二维及三维有坡岩体的非均质和不连续性，可以给出岩体的应力、应变大小与分布，避免了极限平衡分析法中将滑体视为刚体而过于简化的缺点，能使我们近似地从应力应变去分析边坡的变形破坏机制，分析最先、最容易发生屈服破坏的部位和需要首先进行加固的部位等。它还不能很好地求解大变形和位移不连续等问题，对于无限域、应力集中问题等的求解还不理想。

（2）边界元（ＢＥＭ）法

边界元法是70年代发展起来的一种数值方法，Cronch S L于1976年首先将其应用于分析层状岩体的开挖稳定问题。与有限元方法不同，它只对研究区的边界进行离散，因而它要求的数据输入量较少。该方法对处理无限域和半无限域问题较为理想。它要求事先知道求解问题的控制微分方程的基本解，在处理材料的非线性、不均匀性、模拟分步开挖等方面还远不如有限元法，它同样不能求解大变形问题。因而，边界元法目前在边坡岩体稳定性分析中的应用远不如在地下洞室中应用广泛。

（3）快速Lagrangian分析（FLAC）法

为了克服有限元等数值分析法不能求解岩土大变形问题的缺陷，人们根据显式有限差分原理，提出了FLAC数值分析方法。该方法较有限元方法能更好地考虑岩土体的不连续性和大变形特征，求解速度较快。其缺点是同有限元方法一样，计算边界、单元网格的划分带有很大的随意性。

（4）离散元（DEM）法

离散元法是由Cundall Ｐ Ａ（1971）首先提出并应用于岩土体稳定性分析的一种数值分析方法。它是一种动态的数值分析方法，可以用来模拟边坡岩体的非均质、不连续和大变形等特点，因而，也就成为目前较为流行的一种岩土体稳定性分析数值方法。该法对块状结构、层状破裂或一般碎

裂结构岩体比较适合。

（5）块体理论（ＢＴ）

利用拓扑学和群论的原理，以赤平投影和解析计算为基础，来分析三维不连续岩体稳定性。块体理论的缺点是它通常只考虑不连续面的抗剪强度，不考虑其变形，不计力矩的作用，且通常假定其无限长，这些都在一定的程度上与实际情况不符。块体理论在块体的划分方面，还存在一定的随意性，也不能很好地解决大变形问题。

（6）无界元（ＩＤＥＭ）法

为了克服有限元法在计算时其计算范围和边界条件不易确定的这一缺点，Bettess Ｐ于1977年提出了无界元方法。它可以看作是有限元方法的推广，它采用了一种特殊的形函数及位移插值函数，能够反映在无穷远处的边界条件，近年来已比较广泛地应用于非线性问题、动力问题和不连续问题等的求解。其优点是：有效地解决了有限元方法的“边界效应”及人为确定边界的缺点，在动力问题中尤为突出；显著地减小了解题规模，提高了求解精度和计算效率，这一点对三维问题尤为显著。

四、非确定性分析方法 1．可靠性分析法

该方法的原理是首先通过现场调查，以获得影响边坡稳性影响因素的多个样本，然后进行统计分析，求出它们各自的概率分布及其特征参数，再利用某种可靠性分析方法，如Monte Carlo法、可靠指标法、统计矩法、随机有限元法等来求解边坡岩体的破坏概率即可靠度。

但该方法的缺点是：计算前所需的大量统计资料难于获取，各因素的概率模型及其数字特征等的合理选取问题还没有得到很好的解决。另外，其计算通常也较一般的极限平衡方法显得困难和复杂。

2．模糊分级评判方法

采用模糊分级评判或模糊聚类方法对边坡的稳定性作出分级评判，其具体做法通常是先找出影响边坡稳定性的各个因素，并赋予它们不同的权值，然后根据最大隶属度原则来判定边坡的稳定性。这一方法主要应用于大型边坡的整体稳定性评价。目前，除了以上两种常用的非确定性分析方法外，系统工程分析方法、灰色系统理论方法、突变理论方法、神经元方法、损伤断裂力学理论、分叉与混沌理论等也在边坡稳定性上得到了不同程度的应用。

五、现场监测分析法

通过现场监测所获得的信息如位移、位移速度、应力、声发射率、氡气、α、脉冲频率、地下水等有关特征，来对边坡岩土体稳定性作出评价和预测。由于现场监测结果直观可靠，因而利用监测结果对边坡过程的稳定性进行分析，已成为目前边坡工程中稳定性评价极其重要的一种方法。

参考文献

[1] 张倬元，王士天，王兰生.工程地质分析原理（第二版）.

北京：地质出版社.1994.3.

[2] 张天保.土坡稳定分析和土工建筑物的边坡设计.成都：成

都科技大学出版社.1987