关于岩土工程边坡问题的文献综述.docx

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关于岩土工程边坡问题的文献综述

关于岩土工程边坡问题的文献综述

摘要：

边坡分析理论经过近几十年的发展，基本形成了完善的体系。

现有的边坡稳定性分析评价模型大致有以下几类：

（1）基于传统静力准则的评价模型；

（2）基于数值计算方法的分析模型；（3）基于能量原理的分析模型；（4）基于系统控制论的分析模型；（5）基于智能技术的分析模型等；（6）性多模型综合评价。

目前，边坡稳定性分析的方法很多，其中较为典型的有极限平衡法，极限分析法，有限元法等。

关键词：

边坡分析理论、边坡稳定性分析模型、边坡稳定性分析方法、土质边坡的稳定性分析、岩质边坡的稳定性分析

1、背景

随着科技的进步和社会的飞速发展，全球的经济迅速崛起，因此很多重大项目如水电、露天采矿、能源及交通项目应运而生。

这就极大地促进了岩土工程边坡分析理论的发展。

边坡分析理论经过近几十年的发展，基本形成了完善的体系。

现有的边坡稳定性分析评价模型大致有以下几类：

（1）基于传统静力准则的评价模型；

（2）基于数值计算方法的分析模型；（3）基于能量原理的分析模型；（4）基于系统控制论的分析模型；（5）基于智能技术的分析模型等；（6）性多模型综合评价。

目前，边坡稳定性分析的方法很多，其中较为典型的有极限平衡法，极限分析法，有限元法等。

2、意义

边坡系统是一个开放的复杂系统，不断与周围环境进行着物质和能量交换，其稳定性除受地质因素制约外，还受到工程因素的影响，这些因素部分是确定的，更多的具有随机性、模糊性、可变性等不确定性。

它们对不同类型边坡稳定性的影响程序也不一样，这些因素之间具有复杂的非线性关系。

在实际施工过程中由于受场地的限制，某些规模宏大的重大工程的建设，经常需在复杂地质环境条件下进行，因而人为地开挖了各种各样的高陡边坡。

而这些边坡工程的稳定状态，事关工程建设的成败与安全，会对整个工程的可行性、安全性及经济性等起着重要的制约作用，并在很大程度上影响着工程建设的投资及效益。

因此，如何能够更好地了解与掌握边坡变形、发展规律，并在此基础上对边坡的变形和破坏进行防治，分析、评价边坡系统的稳定性，经济、合理地设计边坡工程直接关系到建设资金的投入和生命财产安全，其意义尤为重大。

3、现有边坡稳定性分析模型简述

3.1基于静力准则的模型

此类模型最基本常用的是极限平衡法。

利用滑面上抗滑力与下滑力之比来定义安全系数，如下式：

式中σi，τi，Ai，ci，φi分别为i滑面单元上的正应力、剪应力、面积、粘聚力和内摩擦角；N为滑面单元的总数。

评价标准是：

当K>1时为稳定状态；当K=1时处于临界状态;当K<1时为不稳定状态。

在实际应用中，对式

（1）还有一些改进的模型，如按合滑移矢量方向进行计算，将τs沿局部滑面投影等。

尽管在理论思路上，此类模型概念明确，计算可行，但是不能真实地反映边坡系统的稳定性。

在工程实际中常出现“安全稳定系数大于1的边坡破坏，而稳定系数小于1的边坡反而稳定”的矛盾现象。

由于边坡系统的复杂性，影响因素的多样性，各因素之间的非线性，虽然极限状态时系统将发挥其最大的抵抗力，但并不意味着滑面上的各点都同时达到其最大的抗力。

而且边坡的破坏一般是一个渐进的过程，其安全系数在达到极限状态过程中是一个变量。

3.2基于数值计算的模型

此类模型常用有限元法，将复杂的系统离散化后进行处理。

有限元法是解决岩土工程问题中常用的一种模型，其突出特点是适合于处理非线性、非均质和复杂边界等问题。

但是有限元法需要事先确定边坡岩土材料的本构模型及其参数，尽管本构模型一直是岩土工程研究前沿的重要领域，但真正在工程实践中得到应用的本构模型并不多，而且由于岩土材料固有的复杂性，影响岩土材料应力应变关系的因素很多，不太可能有一个普遍适用的本构模型。

即使在本构模型确定以后，模型参数测定还是一个大问题;若考虑材料的非线性，有限元程序特别是三维有限元程序，其计算工作量非常大，并难以实现容错功能。

虽然参数的确定还可以采用反分析方法，但是由于岩土材料的应力应变关系的高度非线性，应用位移反分析求岩土力学参数还是相当复杂的。

3.3基于能量原理的模型

此类模型从能量的观点建立模型，如按下式定义安全稳定系数：

式中ΔU为增稳内能，限体系的内能增量；ΔW为失稳外能，即外力所做的功。

或以下定义：

式中D为边坡系统的内能耗散率；A为外荷载所做的功等。

以上两式的表达式都体现出这样的事实：

如体系在原平衡位置上附加任意小位移，其储存的内能大于外力所做的功时，则系统是稳定的。

这类模型表达式给出的安全稳定系数是利用系统在同一过程中的两个物理量（能量）来进行稳定性评价，没有体现出涉及到系统极限状态的变量，因此，怎样考虑系统某个状态相对于极限状态的稳定性，还有待于进一步的研究。

3.4基于控制论的模型

因而此类模型主要有两种方法，一种是基于模糊论的方法，一种是基于灰色理论的方法。

由于边坡系统的复杂性，信息不对称性，影响因素具有高度的随机性、模糊性、可变性等不确定性，导致了边坡稳定性评价的困难。

基于模糊论的模型在对边坡稳定性进行系统分析的基础上，以模糊数学为工具，提出了边坡稳定性模糊评价分析模型。

边坡稳定性分析过程中，往往涉及到若干相互制约的和复杂的影响因素，模糊评价模型对这些因素用模糊集合和隶属函数来描述，并协调矛盾，权衡利弊，进行综合考虑。

但是模糊评价模型的信息准则是依赖于经验规律，由于边坡地质条件的复杂性和不确定性，这些经验规律不一定都适用。

在不同的岩体性状下，各因素在边坡稳定性评价中所起的作用的大小或重要程度是不同的，这就涉及到权值随参数的变化规律，这在模糊评价中也是一个难点。

而且在确定因素权重集时，若考虑的因素超过人的心里承受限度，其一致性检验很难通过。

不模糊评价模型不同，灰色评价模型着重研究外延明确而内涵不明确的问题。

它以“部分信息已知，部分信息未知”的“小样本”、“贫信息”不确定性系统为研究对象，主要通过对“部分”已知信息的生成和开发，提取有价值的信息，实现对系统运行规律的正确认识和有效控制。

边坡系统在地质条件和各种环境因素的作用下，随时间逐渐演化，并受多方面因素的影响。

灰色评价模型属于连续型预测方法，适用于边坡稳定性长期分析，并通过弱化序列随机性，能够发掘边坡系统的演化规律。

但是灰色评价模型依赖的是“小样本”，“最少信息”，对于复杂的边坡系统，各因素间具有高度的非线性、关联性，这样就可能造成有用信息的丢失，导致失误的评价。

在面对多种可能的解时，还需要不断补充信息，才能确定出满意解。

3.5基于智能技术的模型

该模型采用人工神经网络技术，神经网络的特色在于信息的分布式存储和并行协同处理，并具有良好的自适应性、自学习、自组织的能力，很强的容错特性和高度非线性动态处理能力等特点。

神经网络模型对给定的边坡训练样本（包括输入和输出数据）对其进行训练，从中确定输入数据与输出数据之间的关系，网络训练完成以后，通过联想记忆和推广能力来对新边坡的输入数据进行处理，完成对边坡稳定性评价。

神经网络模型最大的优点在于其极强的非线性关系映射能力，它不需要知道变形与所求力学参数之间的关系，可以实现位移和所求力学参数之间的非线性映射，其计算过程简便。

但是神经模型并不是万能的，它也有局限性，如在应用BP网络模型分析边坡稳定性的过程中，关于隐含层数和隐层中神元数目的选择还有待于进一步的研究。

3.6多模型混合

在目前边坡稳定性评价模型中，其评价预测结果还不尽如人意，目前还没有能被推荐为广泛应用的评价模型。

现有模型的精度具有局部性，即模型往往只研究边坡系统某一个（或某几个）项目或某一段数据能够达到较高的预测水平，只研究若干侧面中某个侧面的一种映像。

这种模型往往潜藏着不稳健性，单个模型会不适应边坡系统的细微变化而使稳定性预测误差急剧增大，这在边坡系统各种因素犬牙交错、复杂多变的情况下，往往造成稳定性分析得出错误结论的后果。

由于边坡系统在演化过程中，受许多可知的和未知的，随机的和确定的因素的作用，仅用单一模型揭示边坡的发展变化规律难免存在局限性。

因此，本文不过分追求模型的高精度，用贝叶斯方法实现多模型的自动混合、自动选择，以取得模型的稳健性、实用性和可靠性。

其中要解决的关键问题是构造模型的自动混合与自动选择机制和先验信念的形式化表达结构。

贝叶斯分析的优点是其主观先验，难点也是主观先验，本文采用一种独特的全贝叶斯与部分贝叶斯分析相结合的方案。

4、常用的典型边坡稳定性分析方法

4.1极限平衡法

极限平衡法，是基于静力准则的模型，是目前工程上主要采用的方法。

它是根据斜坡上的滑体或滑体分块的力学平衡原理即静力平衡原理分析斜坡各种破坏模式下的受力状态，以及斜坡体上的抗滑力和下滑力之间的关系来评价斜坡的稳定性。

其基本原理是设结构的稳定安全系数为k，则当结构材料的抗剪参数（摩擦因数tan¢和粘结力c）降低k倍后，结构内某一最危险滑面上的滑体将濒于失稳的极限平衡状态。

由于极限平衡法对滑坡的边界条件大大地进行了简化，而计算中选用的各种参数往往是确定的或线性变化的，因而需要对复杂现象进行简化处理。

各种极限平衡方法所做的假设不同，对计算结果及精度亦有显著的影响。

4.1.1瑞典圆弧滑动法

瑞典圆弧滑动法，一种非严格条分法，是条分法中最古老而又简单的方法除厂假定滑裂面是个圆弧面，还假定不考虑土条两侧的作用力，安全系数定义为每一土条在滑裂面所能提供的抗滑力矩之和与外荷载及滑动土体在滑裂面上所产生的滑动力矩和之比由于不考虑条间力的作用，严格地说，对每一土条，力的平衡条件是不满足的，对土条本身的力矩平衡也不满足，仅能满足整个滑动上体的整体力矩平衡条件，由此产生的误差一般使求出的安全系数偏低10%~20%，这种误差随着滑裂面圆心角和孔隙压力的增大而增大。

4.1.2简化Bishop法

简化Bishop法，也是一种非严格条分法，其基本原理是假设条块间作用力的方向为水平向，即假定只有水平推力作用，而不考虑条块间的竖向剪力，于是可建立整体力矩平衡方程，并由静力平衡条件求解安全系数简化Bishop法忽略了条块间剪力差，使求解安全系数变得更方便，用简化Bishop法求解安全系数，对每一条块来说，在求解过程中满足垂直和水平方向力的平衡，不足之处在于它不满足德个分条的力矩平衡以及没有考虑竖向剪力作用。

但与古典的瑞典条分法相比，由于考虑条块间水平力的作用，得到的安全系数较瑞典条分法精度要高一些大量实际边坡稳定分析计算表明，对于圆弧滑面，简化Bishop法计算结果与满足所有平衡条件的严格极限平衡法的计算结果相当一致，但其计算过程要比普遍极限平衡法简单得多，适于手算和机算。

因此仍为国内外各高校土力学教程为土坡稳定分析的主要方法，也是目前工程中最常用的方法之一。

4.1.3Janbu的严格条分法

Janbu法，是一种严格条分法，适用坡面是任意形状，坡面作用着各种荷载，滑裂面是任意形状的边坡为了求出最一般情况下边坡稳定的安全系数及滑裂面上的应力分布，在平面应变条件下，Janbu做如下假定：

（1）整个滑裂面上的稳定安全系数是一样的；

（2）土条上所有垂直荷载的合力作用线和滑裂面的作用点为同一点；（3）推力线的位置假定已知。

Janbu法中推力线的位置变化主要影响着土条侧向力的分布，对安全系数的影响却很小，但是该法计算极为复杂。

对于任意形状的滑动面假定条间力的作用点位置即推力线，同时考虑力和力矩的平衡，得到复杂的安全系数方程式，求解需要反复迭代且常出现数值困难。

4.1.4Morgenstern一Prince法

Morgenstern一Prince法，也是严格条分法。

该方法首先对任意曲线形状的滑裂面进行了分析，导出了满足力的平衡及力矩平衡条件的微分方程式，然后条间力方向取为水平方向坐标的函数，根据整个滑动土体的平衡条件求出问题的解答。

Morgenstern一Prince法对于任意形状的滑动面假定条间力方间的斜率为各种可能的函数，建