岩土边坡稳定性的分析方法探讨
2017-03-21 06:12 [路桥论文] 来源于：互联网 作者：互联网
导读：摘要：岩土边坡对现代的建筑、工矿、水利、道桥等工程的稳定性分析至关重要，是建筑结构稳定的重要保障。文章通过对边坡稳定性进行综合分析，对其分析方法的适用范围及优缺点进行了总结，从而得出最优的选择岩土边坡稳定性分析方法的措施。 关键词：岩土工程
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摘要：岩土边坡对现代的建筑、工矿、水利、道桥等工程的稳定性分析至关重要，是建筑结构稳定的重要保障。文章通过对边坡稳定性进行综合分析，对其分析方法的适用范围及优缺点进行了总结，从而得出最优的选择岩土边坡稳定性分析方法的措施。
关键词：岩土工程；边坡稳定性；分析方法
岩土工程的边坡稳定性分析是一项重要内容，其分析方法有很多，可大致分为两类：数值分析法以及刚体极限平衡分析法。数值分析法包括节理化岩质边坡的离散单元法、有限元法、快速拉格朗日法（FLAC法）边坡大变形的流行元法以及块体介质不连续变形分析法等。刚体极限平衡分析法包括Bishop条分法、Morgenstern-N.R，Spencer.E法、Janbu条分法、Price.V.E法、Sarma.S.K法、不平衡推力传递系数法、瑞典圆弧法以及王复来改进条分法等。随着技术的发展，边坡稳定性分析法中还吸取了许多现代的科学理论，并且发展创立了一些非确定性分析方法。
1岩土边坡稳定性的影响因素
影响岩土边坡稳定性的因素有很多，从工程学、专业地质学以及勘测学的角度分析，可将其分为：内部、外部两方面因素，只有综合考虑这两方面因素，才能选出科学、有效、合理的边坡稳定性分析方法。
1.1岩土工程的内部因素
内部因素包括岩土边坡土体的性质、类型、边坡的地质构造以及边坡的总体形态等。根据国内外岩土工程的施工经验得出，土体的性质和类型直接影响着边坡的稳定性，其土体的性质和类型不同，能够承载的内部作用力也不同，从而使得边坡的破坏形式也就有所差异；地质构造对岩土边坡的影响主要表现在构造面的形状、连通性、发育程度、规模、内部填充物成分及程度等，地质构造不同，受其倾斜度的影响边坡稳定性也不同；边坡的整体形态对边坡的稳定性有直接影响，在工程建设过程中，由于坡顶受到的应力或张力过大，比较容易出现裂缝现象，对工程的总体形态很不利，易造成严重的质量安全问题。
1.2岩土工程的外部因素
影响边坡稳定性的外部因素包括气候条件和震动作用等。气候条件主要有湿度变化、气湿、降水等，降水对边坡稳定性的影响最为明显，岩土边坡受到气候的影响会出现力学或物理反应，导致边坡土体的内部剪应力发生改变，对边坡的整体稳定性产生影响；地震是各种地质灾害中对边坡稳定性的影响最为严重的，由于受到强大的外力作用，导致边坡土体急剧下滑，从而使得边坡土体的结构遭到破坏或发生变化，造成边坡表明的裂痕增加或扩大，不利于构造物主体结构的安全性。
2常用的岩土边坡稳定性分析方法
2.1刚体极限平衡分析法
刚体极限平衡分析法的原理是：假设边坡土体破坏是由于部分坡体滑动造成的。滑动面的形状可以是圆弧面、平面、对数螺旋面或其他曲面，是人为确定的。通过静力平衡，分析出滑动时的破坏荷载，隔离体可以是若干人为分隔的竖向土条或是一个整体构成。由于实验分析，只能通过一系列的破坏荷载数据进行分析，破坏荷载最小的滑动面可能就是最危险的滑动面。
对于应用刚体极限平衡分析法来找出最危险的滑动面已经研究几十年了，其方法途径多种多样，曲线、图表、分类总结滑弧圆心位置，减少试算尽快找出最危险的滑动面。对边坡稳定性的分析主要是对高次超静定的求解过程，要尽量增加方程的个数或减少未知量。主要有Price.V.E法、Sarma.S.K法、Morgenstern-N.R、Spencer.E法以及不平衡推力传递法等通过假设Ei和Xi的条间力合力或交角的方向；Bishop条分法中通过假设Xi等于零；王复来改进条分法以及Janbu条分法通过假设条间力合力的作用点位置等。
刚体极限平衡分析法没有考虑实际工作状态以及土体本身的应力―应变关系，所以求出的内部应力在实际工作中不具有代表性，只能通过假设来求出安全系数。如果所做的假设与实际工程不符，假设的结果对于实际情况的反应 也将不明显。
2.2数值分析法
数值分析法的提出解决了刚体极限平衡分析法的不足。数值分析是基于弹塑性理论的，需要知道土体的应力―应变关系。要考虑到单元体的变形协调一集土体的批号准则，求出单元体的力的平衡，使计算结果更准确。数值分析法包括节理化岩质边坡的离散单元法、有限元法、快速拉格朗日法（FLAC法）边坡大变形的流行元法以及块体介质不连续变形分析法等。下面将分别对每种方法进行详细的介绍。
离散单元法是指，将岩土研究区域划分成多个分离的块体单元，各块相互之间满足平衡方程，但没有变形协调约束。块体运动会受到邻接块体的阻力，运动不自由。本构方程线性或非线性均可。离散单元法主要适用于非连续介质大变形问题的分析，非常实用于被结构面切割的边坡的破坏或变形过程。
有限元法即将原来的连续体结构用有限个单元体构成的离散化结构替换，然后对土体的形变和应力进行分析的方法。各单元体之间只有结点处存在力的连续，应力―应变表达式为：
{δ}=[D]{ε}
采用有限元法的标准是：当有限元的计算结果不收敛时，表示土体受到破坏；当滑移面塑性出现贯通时证明该面上的所有点均达到极限平衡；滑动土体出现无限移动的情况时，该面的位移和应变发生巨大变化，并且呈无限发展的趋势。有限元法适用于处理非均质、非线性以及复杂边界问题，很好的解决了土体应力变形的困难。
快速拉格朗日法（FLAC法），是通过速率结合各向同性材料的本体结构以及胡克定律求出平均应变增量，公式如下：
ui（t+△t）=u（t）+ui（t+△t/2）t
FLAC法能够实现网络随单元的变形而更像，对于大型问题的处理更加方便，适应任意的网格形状，类似与动态松弛法。与离散元法的基本原理相同，但却具有有限元法的功能，能够解决边界条件以及多种材料模式的非规则区域连续问题。能够很好的模拟土体趋于极限或是达到极限时的塑性流动或破坏情况，适用于失稳、渐进破坏以及模拟大变形等。FLAC法能够针对不同的土体材料采用相应的本体结构，更加真实的反应材料的实际动态行为。
块体介质不连续变形分析法（DDA）也是由石根华提出的。根据断层切割或自然的节理面形成的块体，用块体位移为未知量，通过块体之间的几何约束以及接触形成块体系统。将系统最小势能就得的总体平衡方程中结合接触以及边界条件。即可求出块体的当前应力场、位移场以及相互之间的作用力。DDA方法适用于不连续块体系统，能够解决岩体大位移和大变形等问题。能够从整体作用出发，考虑其相互作用，从而计算出更加合理的边坡安全度，比有限元法更具代表性和整体性。DDA方法可以通过对岩土的转动、闭合、张开、位移等的模拟，判断岩体的破坏范围和程度，从而得出全面的局部或整体的评价结果，因此，在现代岩土工程中应用较为广泛。
边坡大变形流行元法是上世纪90年代产生的，由林德彰、石根华等人提出，应用基于拓扑流程学的有限覆盖技术，以加权求和并建立通用的覆盖函数来形成总体的位移函数的过程。该边坡稳定性分析法融合了DDA以及有限元法的优点，解决了连续、非连续介质耦合以及动、静交叉的问题，是具有通用性的新的数值分析法。
3总结
现代的岩土工程边坡稳定性的分析方法有很多种，大部分应用的是刚体极限平衡分析法。由于岩土工程自身的复杂性、岩土单元间应力的不连续性、多种影响岩土边坡稳定性的因素以及岩体本构关系确定的人为性等，使得岩土边坡的分析工作量非常大。对于每一种方法都有各自的优缺点，并且能够实现各种方法之间的互补。因此，在实际的工程中，要根据工程的具体情况选择合适的分析方法，必要的时候可以选择两种或两种以上的方法进行互补分析。
参考文献：
[1] 丁文军.岩土边坡稳定性的各种分析方法[J].建材技术与应用，2010，04：25-26.
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[3] 季景山，刘晓光，李静雅.基于FLAC3D强度折减及理正Janbu计算边坡的安全系数[J].广东建材，2011，（5）：43-44.
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稳定天然气水合物或引