边坡稳定性模拟方法综述

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1、边坡稳定性模拟方法综述随着经济的日益发展，在诸如水电、露天采矿、能源及交通等地质工程活动领域出现了越来越多的高陡边坡，如何经济、安全可靠地设计合理的边坡工程或分析评价天然边坡的稳定性有着重大的意义。与之不可分割的一个方面就是边坡稳定性分析方法的使用。不同的边坡工程常常赋存于不同的工程地质环境中，所以边坡稳定性分析方法各具特点，有一定的适用条件。因而，如何根据具体的边坡工程地质条件，合理有效地选用与之相适应的分析方法，是值得深思的问题。边坡稳定分析方法有很多，分类方法也不尽相同。目前边坡稳定分析方法大致可总结为：定性分析方法和

2、定量分析方法，在前面两种分析方法的基础上，又引进了一些新的学科、理论等，逐渐发展起来一些新的分析方法，如可靠性分析法、模糊分级评判法、系统工程地质分析法、灰色系统理论分析法等，暂且可称之为非确定性分析方法。从内容上讲，定量分析方法与确定性分析方法又是大致一样的。本文就对定量分析方法（确定性分析方法）和不确定性分析方法、定性分析方法进行简单阐述。一、确定性分析方法（定量分析方法）确定性分析方法（定量分析方法）有极限平衡法、数值分析法。1、极限平衡法。极限平衡分析法的基本特点是只考虑静力平衡条件和摩尔一库仑破坏准则，即通过分析岩

3、、土体在破坏一刹那力的平衡来求解。极限平衡分析法种类繁多，常为工程界采用的有Felle-nius，Bishop，Janbu，Morgemtem&Sarma法和美国陆军工程师团法等。各种方法最大的区别在于对条块间作用力的假设与所需满足的平衡条件不同，但一个共同特点都是基于边坡稳定系数Fs(即总抗滑力矩与总致滑力矩的比值)这个指标来评价边坡的稳定性。2、数值分析法1）有限元（FEM）法。该方法是目前应用最广泛的数值分析方法。其解题步骤已经系统化，并形成了很多通用的计算机程序。当我们对边坡进行支挡处理后，比如锚杆加固后，要对它的安

4、全性作出评估，这就需要考虑土体与锚杆的共同作用及其变形协调问题。传统的以极限平衡理论为基础的分析方法是不能解决此问题的。而有限单元法能考虑土的应力应变关系，因而可以避免将坡体视为刚体、过于简化边界条件的缺点，能够接近实际地从应力应变分析边坡的变形破坏机制，对了解边坡的应力分布及应变位移变化很有利，比极限平衡法更为精确合理，而且能够考虑土体与锚杆的共同作用及其变形协调，其优点如下：（1）考虑了土体的非线性弹塑性本构关系；（2）能够模拟土体与其支挡结构的共同作用，从而能对支挡前后的土坡进行稳定性分析；（3）能够动态模拟土坡的失稳

5、过程及其滑移面形状；（4）能够对各种复杂结构的土坡进行分析(比如，分级支挡的非垂直边坡等)；（5）求解安全系数时，可以不需要假定滑移面的形状，不需要假定土条之间的相互作用力。2）无界元（IDEM）法。为了克服有限元法在计算时其计算范围和边界条件不易确定的这一缺点，BettessP于1977年提出了无界元方法，它可以看作是有限元方法的推广，它采用了一种特殊的形函数及位移插值函数，能够反映在无穷远处的边界条件，近年来已比较广泛地应用于非线性问题、动力问题和不连续问题等的求解。其优点是：有效地解决了有限元方法的“边界效应”及人为确

6、定边界的缺点，在动力问题中尤为突出；显著地减小了解题规模，提高了求解精度和计算效率，这一点对三维问题尤为显著。它目前常常与有限元法联告使用，互取所长。3）离散元（DEM）法。离散单元法是1970年Cundall首次提出的，其基本原理是：将所研究的区域划分为一个个多边块体单元，单元之间通过接触关系，建立位移和力的相互作用规律，相当于有限元中的物理关系。通过迭代使得每一个块体都达到平衡状态。在稳定分析中，它的功能在于反映岩块之间接触的滑移、分离和倾翻等大位移的同时，又能计算岩块内部的变形与应力，该法的另一个优点是利用显式时间差分

7、解求解动力平衡方程，可方便地求解非线性大位移和动力稳定幅。该方法对块状结构、层状破裂或一般碎裂结构岩体比较适台。4）快速拉格朗日分析（FLAC）法。为了克服有限元等方法在求解大变形问题时的缺陷，人们根据有限差分法的原理，提出了FLCA数值分析方法，是显式时间差分解析法。该方法基于牛顿运动定理，考虑到材料的非线性和几何学的非线性，使用了离散模型方法、动态松弛方法和有限差分方法三种技术，将连续介质的动态演化过程转化为离散节点的运动过程和离散单元的本构方程求解该方法，较有限元能更好地考虑岩土体的不连续性和大变形特性，求解速度较快。

8、其缺点是计算边界、单元网格的划分带有很大的随意性。5）不连续变形分析（DDA）法。不连续变形分析方法（DDA）是石根华博士提出的分析块体系统运动和变形的一种数值方法。它以自然存在的节理面或断层切割岩体形成不同的块体单元，以各块体的位移作为未知量，通过块体间的接触和几何约束形成一个块体系统。