边坡稳定性分析一直是学术界和工程界的重要研究课题。在矿山建设工程、道路桥梁工程、建筑工程、水利工程等众多领域中，边坡稳定性分析的合理与否，关系着工程质量的好坏。选择合理的边坡稳定性分析方法，可以确保工程安全和降低建设费用。边坡稳定性分析方法大致上可以分为以下几类：定性分析方法、定量分析方法、非确定性分析方法。简要分析了各种边坡稳定性分析方法的基本原理，并指出了目前边坡稳定性分析方法所存在的主要问题，展望了边坡稳定性分析方法的发展趋势。

 

　　1边坡稳定性分析的研究意义

 

　　边坡稳定性是指在各类工程结构实体中，边坡受到对工程可靠度、安全度以及经济效益能产生的影响因素下，其稳定性发生的相应变化。工程结构实体由于表面倾斜，在自身重量及其他外力共同作用下，整个实体结构都有从上向下滑动的趋势，如果实体结构体内部某一面上的滑动力超过结构实体抵抗滑动的能力，就会发生滑坡。

 

　　随着我国经济的蓬勃发展，各地大量进行公路、机场、水利等基础设施建设，不可避免地会面临着许多的边坡问题，其稳定性将对工程质量有着重大的影响。边坡失稳所造成的灾害在我国已成为仅次于地震的第二大地质灾害，对工程实体的边坡进行稳定性分析研究是十分重要的。通过对边坡稳定性进行分析，提出合理的防治预防措施，将可以大大降低滑坡等自然灾害造成的损失，保证人民的生命财产安全。

 

　　2边坡稳定性分析的常用方法

 

　　边坡稳定性分析的常用方法有：定性分析方法、定量分析方法和非确定性分析方法。

 

　　2.1定性分析方法

 

　　定性分析评价方法是通过工程地质勘察，对影响边坡稳定性的各种因素、可能的变形破坏方式及失稳的力学机制的分析和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稳定性情况及其可能发展趋势的定性的说明和解释。其主要优点是能综合考虑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。定性分析方法主要包括：工程地质类比法、自然（成因）历史分析法、图解法、边坡稳定性分析数据库等。

 

　　工程地质类比法是利用已有的边坡或人工边坡的稳定性状况及其影响因素、有关设计等方面的经验，并把这些经验应用到类似的所要研究边坡的稳定性分析和设计中去的一种方法。

 

　　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。

 

　　图解法可分为两类：诺模图法和赤平投影图法。诺模图法主要用于土质或全风化的具有弧形破坏面的边坡稳定性分析；赤平投影图法目前主要用于岩质边坡的稳定性分析。

 

　　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。

 

　　2.2定量分析方法

 

　　定量分析方法可分为极限平衡分析法和数值分析方法。

 

　　2.2.1极限平衡法

 

　　极限平衡法在边坡工程应用中，仍是边坡稳定性分析应用较广的定量分析方法。它是基于摩尔-库仑强度准则，通过假设潜在滑面，将假设滑坡体划分成若干条块，建立力矩平衡，给出抗滑力（力矩）与下滑力（力矩）的关系式求出安全系数，从而达到定量评价的目的。常用的极限平衡法有：瑞典条分法、毕肖普法、简布法、传递系数法、萨尔玛法等。由于极限平衡法具有模型简单、计算公式简捷、可以解决各种复杂剖面形状、能考虑各种加载形式的优点，因此得到了广泛的应用。但是，极限平衡法也存在着些局限性：一、需要事先假设边坡中存在的滑动面；二、无法考虑土体与支护结构之间的作用及其变形协调关系；三、不能计算边坡及支护结构的位移情况。

 

　　2.2.2数值分析方法

 

　　数值分析方法是利用某种方法求出边坡的应力分布和变形情况，研究岩体中应力和应变的变化过程，求得各点上的局部稳定系数，由此判断边坡稳定性。其主要方法包括：有限元法、有限元强度折减法、FLAC法、流形元法、边界元法、界面应力元法等。

 

　　有限单元法是目前应用最广泛的数值分析方法，该方法的基本思想是将一个连续体离散化，变换成有限数量的有限大的单元集合，这些单元之间只通过结点来连接和制约，用变换后的结构系统代替实际的系统，采用标准的结构分析来进行处理。这种方法避免了极限平衡分析中将滑体视为刚体而过于简化的缺点，能使我们近似地从应力应变去分析边坡的变形破坏机制，分析最先、最容易发生屈服破坏的部位和需要首先进行加固的部位等。但是它的缺点是还不能很好地求解大变形和位移不连续等问题，对于无限域、应力集中问题的求解也不理想。

 

　　有限元强度折减法中，边坡稳定安全系数可定义为使边坡刚好达到临界破坏状态时，对坡体剪切强度进行折减的程度，即定义稳定安全系数为坡体实际抗剪强度与临界破坏时折减后的剪切强度比值。该方法除了具备有限元法的一切优点外，还有自己的特点：（1）求解安全系数时，不需要假设滑裂面的性状和位置，而是由程序自动求出滑裂面；（2）能够考虑开挖过程对边坡稳定性的影响；（3）能够模拟坡体和支护的共同作用。

 

　　有限差分法（FLAC）克服了有限元等数值分析方法不能求解岩体大变形问题的缺陷，是人们根据显式有限差分原理快速分析而提出的数值分析方法。该方法可以考虑材料的非线性和几何学上的非线性，适用于求解非线性大变形，求解速度较快。

 

　　流形元法吸收了有限元法和不连续变形分析法的优点，应用有限覆盖技术在每个物理覆盖上建立独立的位移函数，加权求和求出总位移，根据总势能最小原理建立多种问题的求解方式，解决连续与非连续变形的力学问题，是目前最具活力的数值分析方法之一。

 

　　3非确定性分析方法

 

　　3.1可靠度分析法

 

　　由于影响岩质边坡工程的稳定性的诸多因素常常都具有一定的随机性，且多是具有一定概率分布的随机变量，因此可以通过现场调查获得影响边坡稳定性因素的多个样本，然后进行统计分析，求出其各自的概率分布及其特征参数，再利用某种可靠性分析方法来求解边坡岩体的破坏概率即可靠度。但是，可靠度分析法计算较传统极限平衡法复杂，且样本选取难度和合理性较难把握，目前在边坡稳定性分析还处于探索阶段，一般在实际工程中只作为一种辅助手段。

 

　　3.2灰色系统评价法

 

　　灰色系统理论认为，在决定事物的诸因素中若既有已知的，又有未知的或不确定的，它们所在的系统则称为灰色系统。灰色系统评价法建立在灰色朦胧集理论上，以灰色关联为依托，通过对灰色关联进行分析、建模和预测等以确定其系统中的未知部分进而实现对数据的管理和控制等。适合对具有复杂地质环境、力学性质、结构组合等不确定因素的边坡工程进行评价，其基本思想是通过对少量已知信息加工并扩展，使整个系统进行处理整个灰色系统。但其内涵力学机制不清，缺乏明确的定量描述，在实际工程决策中是远远不够的。

 

　　3.3人工神经网络方法

 

　　神经网络是20世纪80年代发展起来的人工智能的一个分支，近年来也开始运用于岩土边坡工程问题研究中。人工神经网络是利用物理可实现的器件或利用计算机模拟生物神经网络的某些结构和功能，具有非线性映射能力和无模型估计的特征。它对神经系统的数学抽象粗略的逼近和模仿，由输入层、隐含层和输出层组成。利用人工神经网络对边坡建立非线性网络结构，可有效处理边坡工程中出现的一些非线性关系数据，在完全未知变量与自变量确切函数关系的情况下，较好地实现各参数之间复杂的非线性映射，但有些因素选取受人为主观赋值影响，缺乏说服力。目前神经网络因子选取的规范化、隐含层的个数和预测精度，是人工神经网络在边坡研究领域应用的关键课题。

 

　　3.4模糊分级综合评价法

 

　　影响边坡稳定性的诸因素除了具有前述的随机不确定性外，还具有一定的模糊不确定性。因此，可采用模糊分级评判或模糊聚类方法对边坡稳定性做出分级评判。其具体做法是先找出影响边坡稳定性的各个因素，并赋予其不同的权值，然后通过建立模糊关系矩阵求解来实现评价工作。其优点是能得到边坡稳定性等级分类指标，据此判断出边坡的稳定性情况；缺点是在实际操作过程中，评判中权数的分配带有一定的经验性和主观性，并没有考虑到各个影响要素。

 

　　4目前边坡稳定性分析所存在的问题

 

　　边坡稳定性分析中存在的问题主要有：安全系数的定义、滑裂面的确定和载荷的处理。

 

　　4.1安全系数的定义

 

　　目前，关于安全系数的定义有很多种。包括：传统的边坡稳定安全系数定义为可能滑动面上抗滑力与滑动力的比；将强度指标的储备作为安全系数；从强度储备概念的强度折减法出发定义的安全系数。这些定义分别从宏观分析的角度、微观分析的角度以及经验总结的角度，并结合多种理论，说明了目前在边坡稳定性分析中的多种手段，为今后边坡稳定性分析提高了效率。这些边坡稳定安全系数求解方法虽然合理，但某些方面还需要验证对比，并进一步地完善。

 

　　4.2滑裂面的确定

 

　　在边坡稳定分析中，寻找最危险滑面一直是一个被广泛研究的课题。确定滑动面的方法很多，主要有数值规划法、变分法、模式搜索法、基于广角度分析的等值面法等。数值规划法是一种基于变分原理，通过建立滑裂面的目标函数进行搜索滑裂面的方法。

 

　　变分法是把滑裂面、正应力分布、条间力的分布都看成变量，边坡稳定安全系数看成这些变量的泛函，再利用变分法求得安全系数函数达到极小时对应的临界滑动面及应力分布。该方法存在的一个缺陷是其在数学上不够严密，即求极小值时给出的只是极值的必要条件。

 

　　模式搜索方法主要包括单形法、Powell法、牛顿法、随机模式搜索法、非数值分析方法等。在搜寻滑裂面的各种优化方法中，每一种方法都有一定的局限性：如单形法、Powell法、阻尼最小二乘法、变分尺度法、模式搜索方法和变量替换法等都不可避免局部极小、初值敏感性等。随着计算机硬件和并行计算技术的发展，提高计算速度已经不成问题，寻找新的计算方法或者不同方法的耦合成为今后发展的重点。

 

　　4.3载荷的处理

 

　　影响边坡稳定的因素主要有：（1）边坡材料性能。由弹性模量、泊松比、摩擦角、粘结力、容重、抗剪强度等参数反映。要根据不同的要求选用恰当的屈服强度准则。（2）边坡几何尺寸。包括边坡高度、坡面角和边坡边界尺寸以及内部结构面等。（3）边坡外部荷载。包括地震力、重力场、渗流场、地质构造地应力等。地震力一般采用拟静力法进行分析，对于位于强地震区的重要高边坡，有必要进行动态有限元稳定分析。渗流场是边坡工程中常见的问题，一般对渗流场和应力场进行耦合模拟，同时要考虑边坡的结构特征进行加固措施的数值模拟分析。

 

　　5边坡稳定性分析方法展望

 

　　随着数值分析方法以及计算机技术的不断发展，以及人们对边坡破坏变形力学机制、力学参数合理选取以及评价方法理论等研究的不断深入，相信边坡稳定分析评价方法会不断完善，实现准确、高效、经济地服务于边坡工程的目的，为国家财产和个人的生命财产安全提供强有力的保证。

 

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　　作者简介：林晓烽（1989-），男，福建泉州人，结构工程硕士，助理工程师。