边坡动力稳定性分析方法研究现状

【摘要】稳定性分析方法目前有拟静力法、滑块位移法和数值分析法，这三种方法各有优缺点，对于实际工程，此三种方法除拟静力法在规范中有提出外其他两种方法都没有工程实践中进行应用，因此缺乏实际工程数据及相关经验，因此，应根据现实工程条件对此三种方法实时选用，并做比较，从工程实践中对这三种方法进行优化。

【关键词】边坡工程；研究现状；稳定性；动力；边坡

1 引言

目前滑坡动力稳定性分析常用的方法有拟静力法、滑块分析方法和数值模拟法，国内外对这三种方法做了大量的的研究。本文针对边坡动力稳定性分析方法的研究概况，从拟静力法、滑块分析方法以及数值模拟方法三方面进行介绍。

2 拟静力法

拟静力法将爆破荷载通过地震系数简化直接作用与滑体，进而得到滑坡的稳定性系数，与静力法无异，不能说明边坡的动荷载效应，但在动力学分析初始阶段，拟静力法应用较多。如Ling等[1]采用拟静力法研究了水平和垂直加速度共同作用下边坡的稳定性和位移，发现若水平加速度很大时垂直加速度对稳定性和位移有重大影响；P.K.Singh[2]通过对采集信号进行FFT变换、小波分析等多种信号处理手段从空间和时间两个方面来探讨地震波的能量分布变化规律，及在同一时刻的能量和频率的关系，改变了以往仅考虑单因素如爆破振动速度所带来的不足，为充分考虑对边坡稳定性影响的多种因素打下了基础；Said[3]结合极限设计理论的运动学方法和拟静力法，推导了以平移失稳上限系数的公式，该公式可以考虑坡角、材料强度和地震系数的影响，并以稳定性系数图表的形式给出了不同破裂面摩擦角的稳定性系数上限曲线；同时Seed总结了常用的三种确定地震系数的方法：1）经验值法；2）刚体反应分析法；3）采用粘弹性反应分析法。在国内，一些学者经过对动荷载作用过程和动荷载处理同时也取得了一定的成果，其中徐红涛等基于爆破振动峰值速度衰减规律和爆破振动速度或加速度时程曲线，计算出特定时刻作用在各条块上的爆破振动惯性力，并施加到各个条块上采用刚体极限平衡分析方法中的Sarma方法得到了稳定性时程曲线。卢文波等提出了一种计算高边坡爆破震动动力稳定影响的联合方法，该法利用时程法和拟静力法的特点，综合考虑了爆破地震波传播过程中的衰减频谱、结构特性及相位差等因素对边坡稳定性的影响；刘建军等针对以地震波作用中最后时刻或加速度值最大时刻的安全系数作为评价标准的问题，通过强度折减法，借助数值计算获得了地震载荷作用下安全系数时程曲线。

3 滑块位移法

滑块分析方法来源于Newmark研究堤坝稳定性时提出的有限动位移法，Newmark认为堤坝的稳定性与否取决于振动时引起的变形，而不是最小稳定性系数，后Kramer对Newmark滑块位移进行了修正，同时考虑了永久位移和岩土体结构面的动力响应，发展了Newmark滑块位移法；M K Yegian较早地将概率的方法引入坝坡的动力分析，提出了用概率的方法分析坝坡的风险性和估算边坡在地震作用下的永久位移；同时Ling H I将此方法应用于多项工程，取得了一定的成效。国内王思敬将此思想应用于边坡动稳定性分析，提出了滑块分析法，此法在工程中得到了广泛的应用，具有较高的工程价值；李红军等基于摩擦滑移结构的抗震机制，在动力响应分析中考虑塑性滑动位移与加速度的响应之间的关联性，利用Newmark滑块位移法得到每个时刻滑动位移增量以及累积滑动位移。

4 数值模拟方法

对边坡的动稳定性分析常用的数值模拟法有有限元法、离散元法和快速拉格朗日法。如Ganesh W.Rathod对Chenab河铁路大桥修建过程中出现的高359m的岩质边坡进行了动静态的离散元分析，较好的反应了岩质边坡的动态特性；Seed等在1971年San Fernando大巴失稳分析时，根据线性和等效线性化的分析结果提出了应变趋势法；Finn等发展了二维非线性非弹性的动力有限元程序―TARA，并用其急速那坝坡的永久位移，开创了用非线性非弹性动力有限元计算边坡永久位移的先河；何理等采用动力有限元软件对大冶铁矿区岩质边坡危险滑动面节点动应力进行计算，并与相应节点的静应力叠加，通过稳定性系数公式计算出边坡滑体各时刻的稳定系数，得出边坡动力稳定性时程曲线；张建海等提出采用弹簧元计算边坡、坝基、坝肩等结构物在地震作用下的动安全系数，该方法给出的安全系数是随地震动作用而发生波动，从而更深刻地反映了动力现象本质。薄景山等将土边坡动应力作用下的应力状态简化为自重应力和附加应力的叠加，采用时域集中质量的显式波动有限元，结合多次透射公式，来分析地震过程的动位移场、动应力场及稳定性系数的波动方程。随着计算机的不断发展，此法还有待深入的研究。

5 结论

（1）稳定性分析方法目前有拟静力法、滑块位移法和数值分析法，这三种方法各有优缺点，对于实际工程，此三种方法处拟静力法在规范中有提出外其他两种方法都没有工程实践中进行应用，因此缺乏实际工程数据及相关经验，因此，应根据现实工程条件对此三种方法实时选用，并做比较，从工程实践中对这三种方法进行优化。

（2）目前的地震波衰减公式是经验型、半经验型的，由于地质条件得复杂性，难以从理论上完全推倒合适的衰减公式，对于地震波衰减公式得应用，应与爆破振动现场检测密切切合，做到与实际相符。

（3）爆破振动动力响应机制研究极不成熟，目前只局限于数值分析，数值分析的数据来源以及工程地质因素分析不完全，造成模拟结果与工程实际相差较大，因此在数值模拟分析时应同时考虑边坡多种因素。

（4）目前的滑坡动稳定性检测数据只局限于局部地震检测或小范围爆破试验检测，无区域性的振动检测数据，因此对区域性的工程建设检测数据缺乏指导意义，因此大范围区域性地震检测数据的获取显得尤为重要。

参考文献：

[1] Ling H I， Leshchinsky D， Mohri Y. Soil slopes under combined horizontal and vertical seismic accelerations[J].Earthquake Engineering and structural Dynamic，1997，26（2）：1231-1241.

[2] P.K. Singh. Blast vibration damage to underground coal mines from Adjcent open-pit blasting[J].International Journal of Rock Mechanics and Mining Science，2002，18（39）：959-973.

[3] Siad L. Seismic stability analysis of fractured rock by yield design theory[J].Soil Dynamics and Earthquake Engineering，2003，23（3）：203-212.

作者简介：田曜瑞，1989生，男，学士，主要从事水文地质工程地质环境地质方面研究。