边坡稳定性的研究现状及展望

边坡稳定性的研究现状及展望一、概述边坡失稳破坏是一种复杂的地质灾害过程，边坡内部结构的复杂性和组成边坡岩石物质的不同，造成边坡破坏具有不同模式。对于不同的破坏模式就存在不同的滑动面，因此应采用不同的分析方法及计算公式来分析其稳定状态。目前用于边坡稳定性的分析方法包括工程类比法、图解法、极限平衡法、极限分析法及可靠度分析方法，其它如模糊数学分析法、分形分维理论、灰色理论分析法及神经网络分析法、信息优化处理法等，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[1]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的分析，给出边坡的稳定性状况及发展趋势的定性说明和解释。1．自然（成因）历史分析法该方法根据边坡发育地质环境、边坡发育历史中各种变形破坏迹象及其基本规律和稳定性影响因素的分析，追溯边坡演变的全过程，对边坡稳定性的总体状况、趋势和区域性特征做出评价和预测。2．工程类比法该方法实质上是把已有边坡的稳定性状况及其影响因素等方面的经验应用到类似边坡的稳定性分析和设计中去的一种方法。通过分析，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。3．图解法图解法实际上是数理分析方法的一种简化方法，如Taylor图解、赤平极射投影图法、实体比例投影图法、MarklandJJ投影图法等。三、定量分析方法1．刚体极限平衡分析法极限平衡法是根据边坡上的滑体分块的力学平衡原理（即静力平衡原理）分析边坡各种破坏模式下的受力状态以及边坡滑体上的抗滑力和下滑力之间的关系来评价边坡的稳定性。工程中常用的有Fellenius法、Bishop法、Janbu法、Morgenstern-Price法、Spencer法、传递系数法、Janbu法、契形体法、Sarma法等；此外还可采用Hovland法和Leshchinsky法等对滑坡进行三维极限平衡分析。2．数值分析法数值分析方法是目前使用最普遍的分析方法。（1）有限元法该方法在边坡稳定性分析中得到最早（1967年）应用，是目前广泛使用的一种数值分析方法。但它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）法与有限元方法不同，它只对研究区的边界进行离散，而数据输入量较少。该方法对处理无限域和半无限域问题较理想。在处理材料的非线性、不均匀性、模拟分步开挖等方面远不如有限元法，同样不能求解大变形问题。（3）流形法此方法以拓扑流形和微分流形为基础，在分析域内建立可相互重叠、相交的数学覆盖和覆盖材料全域的物理覆盖，在每一物理覆盖上建立独立的位移函数。在几个覆盖的公共区域内将其所有覆盖上的独立位移函数加权求和既可形成适应于该域的总体位移函数，以次建立岩土工程中连续与不连续介质、动力与静力、大位移与小变形等问题的求解格式，是一种通用的数值分析方法。（4）快速Lagrangian分析（FLAC）为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。（5）离散元（DEM）法离散元法是由CundallPA（1971年）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。它是一种动态数值分析方法，用来模拟边坡岩体的非均质、不连续和大变形等特点。该方法首先将边坡岩体划分为若干刚性块体（目前已可以考虑块体的弹性变形），以牛顿第二运动定律为基础，结合不同本构关系，考虑块体受力后的运动及由此导致的受力状态和块体运动随时间的变化。它允许块体间发生平动、转动，甚至脱离母体下落，结合CAD技术可以在计算机上形象地反应出边坡岩体中的应力场、位移及速度等力学参量的全程变化。该方法对块状结构、层状破裂或一般碎裂结构岩体比较适合。（6）块体理论（BT）与不连续变形分析（DDA）块体理论是由GoodmanRE等于1985年首先提出。它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。它根据岩体中实际存在的不连续面倾角及其方位，利用块体间的相互作用条件找出具有移动可能的块体及其位置，故也常被称为关键块（KB）理论。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。其在块体的划分方面存在一定的随意性，也不能很好地解决大变形问题。DDA是石根华于1988年提出的一种新的数值方法。此方法的计算网格（单元）与岩体物理网络相一致，可以反映岩体连续和不连续的具体部位。DDA通过不连续面间的相互约束建立整个系统的力学平衡条件，但与一般的连续介质法不同，它引入了非连续接触和惯性力，采用运动学方法来解决非连续的静力和动力问题，其特点是考虑了变形的不连续性和引入了时间因素，既可以计算静力问题，又可以计算动力问题。它可以计算破坏前的小位移，也可以计算破坏后的大位移。（7）无界元（IDEM）法BettessP1977年提出了无界元方法。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。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，显著地减小了解题规模，提高了求解精度和计算效率。五、边坡研究方法的展望目前除可靠度评价法和模糊分级评判法为常用的非确定性分析方法外，系统工程分析法、灰色系统理论法、突变理论法、损伤断裂力学理论、分叉与混饨理论等也在边坡稳定性方向上得到了不同程度应用，为边坡稳定性分析及预测提供了新途径。当前的新理论和新方法反映出岩土工程研究者正由传统正向思维，即牛顿时代的思维模式向不确定方向，即系统思维、反馈思维、全方位思维发展。但数值方法的局限性和新理论仍处于初期阶段，实际边坡工程又极复杂，因此实际分析中应以边坡的地质条件和地质模型为基础，将数值计算方法和系统分析原理、非线性理论等有机地结合起来，用动态历史观、机制分析观、仿真模拟观、优化设计观等科学观念，建立完整、系统的边坡稳定性分析理论和方法。根据目前的研究趋势分析，以后研究的重点将是：（1）加强实验研究。实验是边坡稳定性研究的基础，也是计算方法的依据。不进行实验研究就难以分析边坡破坏机理，加强边坡稳定分析实验研究，才能促进边坡分析的发展。（2）完善确定性分析方法，特别是复合法。目前确定性分析方法占有绝对的地位，只有不断完善才能适合不同的边坡条件。（3）大力发展边坡稳定分析的随机方法、模糊方法及人工智能方法。这些方法是边坡稳定性分析的新兴方法，在理论和应用上都有很多研究工作要做，应大量开展这些方法的理论和应用研究，使其更适合边坡稳定性分析。参考文献[1]黄昌乾，丁恩保边坡工程常用稳定分析方法[J]水电站设计，1999，15（1）：53-58[2]蔡美峰岩石力学与工程[M]北京：科学出版社，2002：379-392[3]冯文娟，李建林，杨学堂岩土体边坡稳定分析计算方法的研究进展[J]黑龙江水专学报，2005，32（2）：10-13[4]潭文辉，蔡美峰边坡工程研究中的新理论和新方法评论[J]有色金属（矿山部分），2001，14（1）：32-34[5]王勤成，邵敏有限单元法基本原理和数值方法[M]北京：清华大学出版社，2002[6]潭晓慧边坡稳定可靠度分析方法的探讨[J]重庆大学学报，2001，24（6）：40[7]刘小丽，周德培.岩土边坡系统稳定性评价初探[J]岩石力学与工程学报，2002，21（9）：1378-1382[8]谢和平分形－岩石力学导论[M]北京：科学出版社，1996[9]崔政权，李宁边坡工程：理论与实践最新发展[M]北京：中国水利水电出版社，1999[10]杨学堂，王飞边坡稳定性评价方法及发展趋势[J]岩土工程技术，2004，18（2）：103-106