蔣霄　陳藝軍　張濟(jì)韜

[摘要]列舉了目前邊坡穩(wěn)定性分析中所采用的方法，簡要闡述了地質(zhì)地貌條件類比法、圖解法、極限平衡分析法等傳統(tǒng)分析方法和有限元法、離散元法、無界元法等數(shù)值分析方法的原理，分析了這些方法的優(yōu)缺點(diǎn)，最后簡要說明了ABAQUS軟件在邊坡穩(wěn)定性分析中的應(yīng)用。為正確認(rèn)識邊坡穩(wěn)定性、合理設(shè)計(jì)和治理邊坡、降低邊坡失穩(wěn)災(zāi)害帶來的損失提供依據(jù)。

[關(guān)鍵詞]邊坡；穩(wěn)定性；分析方法

文章編號：2095-4085（2016）05-0028-02

邊坡失穩(wěn)是一種常見且危害嚴(yán)重的自然災(zāi)害，會對人類的生命和財(cái)產(chǎn)問題產(chǎn)生嚴(yán)重的威脅和破壞。因此，邊坡穩(wěn)定性問題一直是工程設(shè)計(jì)需要專項(xiàng)研究的課題，在地下工程、建筑工程、道路工程、水利工程等眾多工程中，都需要對邊坡工程進(jìn)行穩(wěn)定性分析。通過運(yùn)用正確的邊坡穩(wěn)定性分析方法對工程中的邊坡進(jìn)行分析，采取正確的措施對邊坡進(jìn)行加固，可以有效降低邊坡失穩(wěn)對人類造成的危害。

目前邊坡穩(wěn)定性分析方法主要分為兩類：一種為傳統(tǒng)分析方法，以極限平衡分析法最為典型，這種方法以安全系數(shù)來判別邊坡穩(wěn)定性，原理簡單，應(yīng)用最廣；另一種為有限元法，強(qiáng)度折減法的出現(xiàn)讓有限元法可以直接得到一個(gè)安全系數(shù)，增大了有限元法測量的準(zhǔn)確度，應(yīng)用也越來越廣。

1.邊坡穩(wěn)定性分析方法

1.1傳統(tǒng)分析方法

1.1.1地質(zhì)地貌條件類比法

地質(zhì)條件類比法屬于定性分析。在地質(zhì)條件復(fù)雜且難以獲得地質(zhì)條件準(zhǔn)確數(shù)據(jù)的地區(qū)或者在勘測工作初期階段缺乏資料時(shí)，都常使用工程地質(zhì)類比法對邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析，并作出相應(yīng)的定性評價(jià)，該方法主要是通過工程地質(zhì)勘察的方法，首先對于工程地質(zhì)條件進(jìn)行分析，如對容易勘察的邊坡地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、地形地貌等因素進(jìn)行綜合調(diào)查、分類，對已存在的已破壞情況進(jìn)行廣泛調(diào)查研究，并了解其破壞因素、過程規(guī)律等，并憑此建立典型的邊坡地質(zhì)模型以供以后參考。因此，這種方法的優(yōu)點(diǎn)在于數(shù)據(jù)來源全部為實(shí)際的邊坡或邊坡破壞，缺點(diǎn)是需要具備豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)并且通曉典型邊坡地質(zhì)模型性質(zhì)的專業(yè)地質(zhì)工作者，才能運(yùn)用好此種方法。

1.1.2圖解法

圖解法是考慮邊坡的各種因素，并根據(jù)相應(yīng)的公式和經(jīng)驗(yàn)制成圖表，使得邊坡設(shè)計(jì)計(jì)算和邊坡穩(wěn)定性分析變得簡單、方便，其只需查相應(yīng)的圖表即可。圖解法分為諾模圖法和赤平投影圖法，諾模圖法利用諾模圖來表征與邊坡有關(guān)參數(shù)之間的定量關(guān)系，從而求出邊坡穩(wěn)定性系數(shù)、穩(wěn)定坡角和極限坡高，主要應(yīng)用于具有圓弧性破壞面的滑坡；赤平投影圖法是利用赤平投影的原理，通過作圖直觀地反映出邊坡破壞的邊界，確定失穩(wěn)巖土體的規(guī)模形態(tài)及其可能變形滑動的方向等，從而對邊坡穩(wěn)定程度作出初步分析，并為力學(xué)計(jì)算提供基礎(chǔ)，其主要用于巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性分析。圖解法相對于類比法在實(shí)際工程中更加常用，其優(yōu)點(diǎn)是簡單、直觀、快速；缺點(diǎn)是帶有一定的經(jīng)驗(yàn)性和概念性。

1.1.3極限平衡分析法

極限平衡分析方法是目得到最廣泛應(yīng)用的一種方法，也是目前最經(jīng)典、最完善的分析方法。目前高校《土力學(xué)》的教學(xué)中，主要介紹的也是極限平衡分析法中的幾種條分法。這種方法需要假設(shè)若干個(gè)滿足摩爾一庫倫準(zhǔn)則的滑動面，分別求出它們的抗滑安全系數(shù)并從中找出最小值，以此來代表該邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)，與此對應(yīng)的滑動面就是最危險(xiǎn)最可能滑動的滑動面。此外，在假定了滑動面之后，一般采用條分法對邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析。常用的條分法有瑞典條分法、簡化畢肖普條分法、楊布條分法。其中瑞典條分法假設(shè)滑動面為圓弧面且不考慮條間力；簡化畢肖普條分法假設(shè)滑動面為圓弧面，切向條間力為0；楊布條分法假設(shè)滑動面為任意面，條件法向作用力的作用點(diǎn)在畫面以上三分之一土條高度處。條分法除以上外還有不平衡推理法，Morgen.stem-NR法及priceVE法。條分法模型簡單、計(jì)算簡捷，能基本精確分析邊坡穩(wěn)定性。但是條分法需要大概知道滑動面的大概位置，因此對于不均質(zhì)巖坡等難以假定滑動面的情況，條分法存在很大的隨機(jī)性。

1.2數(shù)值分析方法

1.2.1有限元法

如前文所述，極限平衡分析法不適用于不均質(zhì)巖坡，其計(jì)算得不到準(zhǔn)確結(jié)果；有限元法則很好的彌補(bǔ)了這一缺點(diǎn)，這一方法既考慮了靜力平衡條件，又考慮了巖坡的非均質(zhì)性，其幾乎適用于所有的計(jì)算領(lǐng)域，同時(shí)在邊坡穩(wěn)定性數(shù)值分析中應(yīng)用廣泛。它的優(yōu)點(diǎn)在于不需要人為對滑動面進(jìn)行假設(shè)，也不需要人為的進(jìn)行條分，并且充分考慮了土的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，特別是非線性彈塑性對邊坡穩(wěn)定性的影響。但是目前的實(shí)際工程應(yīng)用中仍沒有極限平衡分析法多，原因在于有限元法采用的參數(shù)不是現(xiàn)場工程中的參數(shù)，其計(jì)算范圍和邊界條件需要人為假設(shè)，所以其計(jì)算出來的數(shù)據(jù)與實(shí)際仍存在一定差距，而且，其判斷失穩(wěn)的標(biāo)準(zhǔn)未得到統(tǒng)一。

1.2.2離散元法

離散元法原理十分簡單。在應(yīng)用時(shí)，它將所研究的邊坡區(qū)域分成許多多邊形塊體單元，單元之間的位移關(guān)系及其所受的力都是可以自行設(shè)定的，這樣可以預(yù)算出每一單元體也就是邊坡是否達(dá)到平衡狀態(tài)。離散元法雖然原理簡單，但這一方法非常適用于非均勻介質(zhì)邊坡和變形比較大的邊坡，并且其單元的劃分也比較隨意，沒有特定的約束。

1.2.3無界元法

無界元法可以看做是有限元法的一種推廣，它采用了一種特殊的形函數(shù)及位移插值函數(shù)，能夠反映在無窮遠(yuǎn)處的邊界條件。它有效解決了有限元法中計(jì)算范圍和邊界條件需要人為粗略估計(jì)確定的缺點(diǎn)，減少了分析計(jì)算量并提高了分析速度。目前，無界元法常常與有限元法相互配合使用。

2.ABAQuS在邊坡穩(wěn)定性分析中的應(yīng)用

ABAQus是國際上最強(qiáng)的大型通用軟件之一，這個(gè)軟件能夠很好地反映土的本構(gòu)模型，且具有強(qiáng)大的接觸面處理功能來模擬土的脫開以及滑移現(xiàn)象。在邊坡穩(wěn)定性分析中，ABAQus根據(jù)塑性應(yīng)變的發(fā)展及塑性區(qū)的貫通情況作為評判邊坡穩(wěn)定性的依據(jù)，計(jì)算結(jié)果和極限平衡法相吻合。

強(qiáng)度折減法是有限元法中一種重要方法，其本質(zhì)就是和的逐漸降低，然后某單元的強(qiáng)度不足以支撐荷載，這個(gè)單元將不能承受的應(yīng)力傳遞到相鄰的單元上，并導(dǎo)致相鄰單元超負(fù)載。以此下去，最終形成一個(gè)連續(xù)的滑動面，邊坡失穩(wěn)。而在ABAQuS中，材料的參數(shù)是可以隨溫度或場變量變化的，所以ABAQus可以很容易地實(shí)現(xiàn)強(qiáng)度參數(shù)減少的過程。

3.結(jié)語

無論是傳統(tǒng)分析方法還是數(shù)值分析方法，只要運(yùn)用得當(dāng)，都可以準(zhǔn)確分析邊坡穩(wěn)定性。每種方法也有相應(yīng)的特點(diǎn)，不同的分析目的和分析精度，也需要用相應(yīng)不同的分析方法去計(jì)算。為了正確合理地對邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析，預(yù)測邊坡穩(wěn)定性的發(fā)展方向，在實(shí)際工程中選擇合理的邊坡穩(wěn)定性分析方法顯得非常重要。