方 芳

(重庆交通大学 重庆 400074)



关于土质边坡稳定性分析方法的研究

方 芳

(重庆交通大学 重庆 400074)

在经典的土力学问题中，土边坡稳定性分析是一个重大的课题。本文总结了土边坡稳定性分析主要方法的原理、异同点、优缺点以及其假设条件。同时，总结了边坡稳定性分析研究中出现的新理论新方法，它们与传统方法互补互益，为更好地分析边坡稳定性问题提供理论支持。

边坡；稳定性；分析方法；综述

一、前言

土坡的稳定性分析是岩土工程或土木工程的重要研究课题之一，其分析评价结果的好坏直接决定了工程实际的成败，故而一直是学者们试图解决但一直无法圆满解决的问题。传统分析法主要有：极限平衡法,极限分析法，滑移线场法等。但目前在工程实际中，得到普遍使用的还是极限平衡法，但此法需要假设或已知最危险滑动面的位置和坡面的断面形状。随着研究的进一步深入开展，许多学者将一些交叉学科也应用到土坡稳定性分析之中。如：模糊数学、遗传学、人工神经网络、灰色理论、蚁群算法、突变理论、分形理论、混沌等。

二、土坡稳定性分析的常用方法

1.极限平衡法

极限平衡法[1]是处理边坡稳定性问题时最常用、最普遍的一种方法。在边坡处于临近破坏状态，通过滑动面以上土体自身的抗滑力应与外部的滑动力之间相互平衡的条件，可得到土体在自重和外力作用下的边坡稳定程度，此时的稳定程度即土坡的安全性系数F。

进行极限平衡分析时，常将滑动的土体划分为若干个的垂直土条，这样的分析方法被称为条分法。条分法它假定边坡内存在潜在的滑动面，在这一滑动面上，处处达到了极限平衡状态。在过去的近百年里，根据不同的假设条件提出了不同的极限平衡计算方法。最早是由瑞典的贺尔汀和彼得森提出的瑞典条分法，它忽略了土条两侧的作用力，假设滑动面为圆柱面。目前常用的分条法还有简化毕肖普法、简化杨布法、spencer法和Morgenstern-Price法等。各自的假设条件见表1。

表1 常用分条法的简化假设

极限平衡法具有模型与计算公式简单、能适应各种复杂的断面几何形状和土质以及孔隙水压力、能考虑多种加载形式等优点。但极限平衡理论假定土体为刚体，忽略了土体自身的应力-应变关系，也无法分析边坡变形对边坡稳定造成的影响。

2.有限元法

在20世纪60年代起，随着计算机软件的发展，有限元单元法[2]开始应用于边坡稳定性的研究分析。它通过建立边坡各离散单元的几何方程、物理方程和平衡方程来计算土坡弹性、弹塑性、粘弹塑性以及非线性等问题，可以得到各单元的应力、应变、位移以及屈服破坏时的状况。它将土体自身的应力-应变关系和土体自身变形情况考虑到了土坡稳定性计算中去。

近些年来，有限元的强度折减法[3]备受重视。其基本原理是将土体的粘聚力、内摩擦角同时除以一个折减系数Ftrial，得到一组新的粘聚力和内摩擦角值，并将其代入有限元进行试算。若试算正好能收敛，且Ftrial再增大一点(数量级一般为10-3)计算就不收敛，这时的Ftrial就被定义为坡体的最小安全系数，而此时的土体达到了临界状态发生剪切破坏。

基于强度折减法的有限元计算边坡整体稳定失稳的标志，就是在滑动面上节点的塑性应变或者位移出现突变时。而塑性区由坡脚贯通到坡顶并不代表边坡就发生了整体破坏，这只是发生边坡整体破坏的必要条件。塑性区贯通后仍需要考察塑性应变是否具有继续发展的边界条件。

三、土坡稳定性分析的新思路、新方法

1.可靠度方法

传统边坡稳定性分析中使用的是“确定性的”方法，即是基于安全系数的一种定值分析方法[4]。但是由大量试验和实际工程表明，在边坡稳定性计算中的许多参数都具有一定的随机性，如土体的力学参数、孔隙水压力以及荷载等。当这些因素具有了较大的随机变异性时，若依旧使用“确定性的”分析方法时就可能会给计算结果引入误差。甚至在边坡稳定性计算时，当安全系数小于1，边坡依然未破坏的情况。基于概率论与数理统计的可靠度分析方法，可以考虑到影响边坡稳定性的各种变量随机特征及分布规律。将可靠度理论应用于工程实际还需要在两方面进行研究：同边坡稳定性有关的随机统计分析；边坡稳定的可靠性分析方法研究。目前，有许多学者研究相关的随机性统计。

2.模糊数学法

边坡的土体本身是客观存在的，不具有模糊性，但由于人们没能完全也不可能完全的掌握其规律和性质，只能用定性或半定量的描述，故而对边坡的认识是模糊的[5]。为此，将模糊数学的理论引入了边坡稳定性分析。模糊数学分析边坡稳定性问题的主要方法：模糊综合判定法、模糊聚类、模糊参数非概率稳定性分析以及与可靠度相结合的模糊随机理论等。

3.遗传算法

遗传算法[6]是通过模拟达尔文的遗传选择和自然淘汰的生物进化过程的来建立模型，借助复制、杂交、变异等过程，不断进行迭代，在经由多次的迭代后，群体中的最优值逐次逼近最优解，直至最终达到了全局最优。它是一类随机算法。遗传算法步骤为选择、交叉和变异。用遗传算法求解问题时，首先针对问题的模型结构及参数进行编码，通常用字符串来表达，这就实现了将问题的符号化和离散化。

四、小结

在土坡稳定是土木工程、水利工程中常常会遇到的问题。若对土坡问题处理不当而导致失稳划破，这不仅影响工程进展，甚至危及人的生命安全和造成工程事故。因此，土坡稳定性问题的研究具有较大的实际意义。

[1]郑颖人，赵尚毅，时卫民，等.边坡稳定分析的一些进展[J].地下工程，2001，21(4)：262-271.

[2]马晓雨.基于强度折减有限元法的土坡稳定性分析研究[D].大连：大连理工大学，2008.

[3]张鲁渝，赵尚毅，郑颖人，等.有限元强度折减法计算土坡稳定安全系数的精度研究[J].水利学报，2003，21-27.

[4]冯利军，李竞生.应用蒙特卡罗-免疫遗传算法分析土坡的稳定可靠性[J].工程地质学报，2008，16(1)：76-83.

[5]王艳霞.模糊数学在边坡稳定分析中的应用[J].岩土力学，2010，31(9)：3000-3004.

[6]阙金声，陈剑平，王清，等.遗传算法在土坡整体稳定性分析中的应用[J].岩土力学，2008，29(2)：415-419.

方芳(1994-)，女，汉族，重庆市渝北区人，硕士研究生在读，重庆交通大学港口、海岸及近海工程专业，研究方向：港口工程灾害及防护。