边坡稳定性评价基本原理及其优缺点

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1、边坡稳定性评价基本原理及其优缺点张恒（北方工业大学建筑工程学院.北京100041）摘要：综述了目前边坡稳定性分析的常用方法，将边坡稳定性分析方法分为定性分析方法和定量分析方法，并对各种方法的基本原理、特点、优缺点及其适用范围进行了阐述。关键词：边坡稳定性；定性分析；定量分析边坡工程的稳定性分析历来是工程界和学术界极为关注的研究课题，而边坡稳定性分析和评价一直是边坡工程的核心问题。它涉及到水利水电工程、铁道工程、公路工程、矿山工程等诸多工程领域，能否正确评价其稳定性常常是此类工程成败的关键，也是确保工程安全和降低建设费用的重要环节，更是确

2、保人民生命财产安全的关键环节。边坡稳定性分析方法很多，大致可以分为两大类：定性分析方法和定量分析方法，其中定量分析方法又分为确定性分析方法和不确定性分析方法。本文简要分析了目前常用的边坡稳定性分析方法的基本原理、特点、优缺点及其适用范围，为同行选择适合的边坡稳定性分析方法提供一定的借鉴。1定性分析方法定性分析方法[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等的分析，对已变形地质体的成因及其演化史进行分析，从而给出被评价边坡一个稳定性状况及其可能发展趋势的定性的说明和解释。其优点是能综合考虑

3、影响边坡稳定性的多种因素，快速地对边坡的稳定状况及其发展趋势作出评价。缺点是没有在具体的数值上进行分析，对实际工程意义不大。定性分析方法主要包括：自然(成因)历史分析法、图解法、边坡稳定性分析数据库和专家系统等。自然(成因)历史分析法主要根据边坡发育的地质环境、边坡发育历史中的各种变形破坏迹象及其基本规律和稳定性影响因素等的分析，追溯边坡演变的全过程，对边坡稳定性的总体状况、趋势和区域性特征作出评价和预测，对已发生滑坡的边坡，判断其能否复活或转化。它主要用于天然斜坡的稳定性评价。图解法可以分为诺模图法和投影图法。诺模图法是用诺模图来表征

4、与滑坡有关参数间的关系，并由此求出边坡稳定安全系数，主要用于土质或全强风化的具弧形破坏面的边坡稳定性分析。投影图法就是用赤平极射投影的原理[2]来评价边坡的稳定性，并为力学计算提供信息。常用的有赤平极射投影图法、实体比例投影图法、MarklandJJ投影图法等，主要用于岩质边坡岩体的稳定性分析。边坡工程数据库是收集已有的多个自然斜坡、人工边坡实例的计算机软件。建立边坡工程数据库的目的主要是进行工程类比、信息交流。2定量分析方法定量分析方法是通过力学原理对边坡进行稳定性分析，严格地讲，边坡稳定性分析还远没有达到完全的定量这一步，目前它只能

5、算是一种半定量的分析方法。定量分析方法分为确定性分析方法和不确定性分析方法，其中确定性分析方法主要包括极限平衡分析法和数值分析方法；不确定性分析方法主要包括可靠度分析方法、人工神经网络分析法、灰色系统评价法、模糊综合评价法等。2.1确定性分析方法2.1.1极限平衡分析法极限平衡法是最常用的解析法，它是根据边坡上的滑体和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滑动力之间的关系来评价边坡的稳定性。就极限平衡方法本身而言，根据不同的假设条件，又可以细分为多种极限平衡分析方法，如Fell

6、enius法、Bishop法、Jaubu法、Morgenstern-Prince法、Spencer法、传递系数法、Jaubu法、楔形体法、Sarma法、Hovlandf法和Leshchinsky法等。在工程实践中，我们可以根据边坡破坏滑动面的形态来选择极限平衡法。其中Fellenius法是最简单的极限平衡条分法,不考虑土条之间的作用力,并定义边坡安全系数为滑裂面上全部抗滑力矩与滑动力矩之比。1955年Bishop改变了安全系数的定义,即将边坡安全系数Fs定义为沿整个滑动面的抗剪强度与实际产生的剪应力之比为:(1)该定义对极限平衡条分法的

7、发展起了重要作用,抗剪强度可通过Mohr-Coulomb准则得到:(2)式中,c′、分别为有效粘聚力和有效内摩擦角;、分别为为法向总应力和法向有效应力;为孔隙水压力。式(1)中剪应力需通过分析土条的受力(图1)得出。图中:Wi为土条自重;Qi为水平作用力;Xi、Xi+1为切向条间力;Ei、Ei+1为法向条间力;Ul、Ur和Ui分别为土条左侧、右侧和底部所受的孔隙水压力;Ti为土条底部切向力;N/i为土条底部有效法向反力。图1　条块受力分析图若把滑动土体划分为n个土条,分析土条的受力情况可得到5n－2个未知量,而根据土条的水平向、垂直向受

8、力平衡及力矩平衡仅得到3n个方程[4]。未知量远远多于方程数,故边坡的稳定性分析是个超静定问题。为求解出边坡安全系数,须作各种简化假定增加方程数,使超静定问题变为静定可解。不同的假定对应形成了基于极限平衡求