浅谈边坡稳定的分析计算

边坡稳定性分析一直是土木工程中的重要研究课题,在岩土工程或土木工程领域占据相当重要的地位。多年来,许多学者致力于这方面的工作,边坡稳定分析理论具有十分丰富的内容。

1 边坡稳定计算的方法概述

目前,工程中常用的方法有条分法。随着数值分析方法在工程领域应用技术的成熟,人们常用有限元法进行坡体稳定分析,另外,还有些学者尝试采用其他数学方法进行坡体稳定分析。目前边坡稳定性评价方法多种多样,但由于边坡稳定受多方面因素影响,而各因素具有不确定性(模糊性、随机性、信息不完全性和未确定性)和复杂性,故传统的确定性分析方法如极限平衡理论用于边坡分析,结果不十分理想。但不论是确定性分析如蒙特-卡洛模拟法、一次二阶矩法,还是不确定性方法如模糊数学、灰色理论、数量化理论、信息模型法等,其用于边坡稳定性评价的准确性与实际情况仍有差距。

条分法是边坡稳定分析理论中重要的内容。力学模型简单,可以对边坡进行定量的稳定性评价,已被工程人员广泛地采用。1916年瑞典人彼德森最早提出了条分法。假定土坡稳定问题是平面应变问题,并对圆柱形滑裂面以上的土体划分垂直条块,计算中不考虑土条间的作用力,定义安全系数为滑裂面上全部抗滑力矩与滑动力矩之比。之后,Fellenius(1936年)、Bishop(1955年)Morgenstem和Price(1965年)Jambu(1973年)等许多学者对条分法进行了进。其中,Bishop(1955年)重新定义安全系数为沿整个滑裂面的抗剪强度与实际产生剪应的比值,使得物理意义更明确。为了将坡体稳定分析中的超静定问题转化为静定问题,一些学者尝试将条块间的作用力做了人为假定。例如Bishop(1955年)假定土条左右面上的剪力相互抵消;Morgenstem和Price(1965年)假定了条分面上剪力和水平推力比值的函数关系f(x),并认为在垂直面上的应力分布不应破坏屈服条件并且保证土条接触面上不产生拉应力;Janbu(1973年)假定了推力线的位置。

经过长期工程实践,条分法已成为边坡稳定分析的主要方法之一。同时,也是一个非常活跃的研究对象,不断有学者对其进行完善和补充。

条分法也存在一些问题,所作的人为假定的合理性直接影响到稳定分析的准确性。针对这种情况,有学者针对条块间内力作任何假定。利用极限分析的方法,使用最优化技术直接调节条块间及滑裂面间的内力,使得对给定的滑裂面安全系数取最大值,对多个不同的滑裂面寻求使安全系数为最小的临界裂面,使采用的条分法模型更加合理。

由于条分法不能考虑坡体中的应力应变状态,目前,已有许多学者采用有限元法来分析坡体稳定问题。有限单元法是数值模拟方法在边坡稳定评价中应用得最早的方法,也是目前最广泛使用的一种数值方法,可以用来求解弹性、弹塑性、粘弹塑性、粘塑性等问题。其优点是部分地考虑了边坡岩体的非均质和不连续性,可以给出岩体的应力、应变大小和分布,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,可近似地根据应力、应变规律去分析边坡的变形破坏机制;但它还不能很好地求解大变形和位移不连续问题,对于无限域、应力集中等问题的求解还不理想。

纵观边坡稳定分析方法的发展,各种方法均没有达到真正完满解决工程实际问题,对理论模型的辨识、本构关系、计算参数、仿真方法都需作进一步深入具体研究。同时,由于各种技术革新、数学、力学及计算机技术的快速发展等均向理论分析不断提出新挑战。针对岩土工程的如此多的不确定性,我们不能只沿用传统的思维方式处理,而应转换思维,不仅要正向思维,即从事物的必要性出发,根据试验建立模型,在特定条件下求解;也要逆向思维,

由于边坡工程的复杂性,边坡稳定评价不能依赖于单一方法,因此,依托于计算机技术,形成集成式智能评价系统,是未来发展的一种趋势。同时由于边坡工程常依赖于经验,故利用边坡工程的失稳和稳定实例来建立系统,考虑多种因素影响,使多学科交叉融合,研究开发基于案例推理的边坡稳定的综合集成式智能评价系统,也将是未来的发展方向之一。

2 工程上边坡稳定计算的常用方法

按工程经验,一般情况下,粘性土的中的形状与圆弧相似,砂性土破裂面一般为直线,而我们在珠三角地区,多为粘性土质,甚至是淤泥或淤泥质土,其破裂面一般近似为圆弧形,因此一般我们计算时推荐采用圆弧滑动法,这方法计算方便,容易被一般的工程技术人员接受,而且国内在确定强度指标和选取合适的安全系数方面积累了很多的经验。

在运用圆弧滑动法计算时,我们常用以下几种方法进行计算:

瑞典条分法。瑞典条分法不考虑土条的条间力;

简化Bishop法。此方法考虑土条的水平条间力,但计算比较复杂;

Janbu法。此法考虑土条的条间力,计算也比较复杂。

我们在工程中比较推荐瑞典条分法的计算成果,只是用简化Bishop法和Janbu法的计算结果作比较。

3 边坡稳定计算中常遇到的问题

在边坡的计算中,我们通常需要确定土的强度参数,如粘聚力c和内摩擦角φ。一般的确定方法是我们根据结果取值,土工试验是取样进行室内试验,然后统计得到,但有时由于土的结构性或取样的扰动影响,使得室内土工试验的结果离散性较大或与实际情况误差较大。当我们根据工程的岩土工程勘察报告中提供的数据取值时,常常发现淤泥或淤泥质土较深时,计算的边坡稳定很难满足要求。笔者认为,遇到这种情况,除了结合自身积累的工程经验来判断分析外,有条件时,还可以对工程所在地的现有边坡进行粘聚力c和内摩擦角φ的反算,即假设边坡稳定安全系数为1时反算现有边坡的粘聚力c和内摩擦角φ,与岩土工程勘察报告中的资料作对比分析,通常能把粘聚力c和内摩擦角φ的计算参数适度提高,达到节省工程费用的目的。笔者利用此方法已在罗村一河两岸景观挡土墙工程和漖表水闸等工程中应用,大大节省了工程的投资。

4 结语

作为工程人员,在实际的分析计算中,利用圆弧滑动法中的瑞典条分法已基本能满足一般工程的设计要求,这种方法已通过国内的实践证明。为了贯彻“多种方法、综合分析、合理选定”方针,同时可采用其他的方法计算,并对结果进行比较。而在边坡的稳定分析计算中,常通过对现状的自然边坡反算粘聚力c和内摩擦角φ,往往能将稳定计算时的c值和φ值适度提高,达到节省工程投资的目的。但应用这种方法时需结合当地的工程经验和岩土的特性,否则容易造成工程事故。

摘要：边坡稳定的分析计算是工程人员常常需做的工作,笔者结合工作的经验积累,结合国内现在边坡稳定计算的现状和发展,对边坡稳定的分析计算方法作了概述,并结合工程的经验,指出了工程人员较为适用的计算方法,同时对在实际工程中进行边坡的稳定分析计算时遇到的工程问题作了简述。

关键词：边坡,稳定,计算