岩土工程边坡的稳定性分析与设计

摘要：我国的岩土工程发展迅速,交通、水利、矿山等相关部门都会涉及很多边坡问题，特别是山区的边坡，由于各种地质环境的影响，处于山区地段的边坡稳定性直接影响着山区老百姓的人身安全，滑坡灾害严重危及到国家基础建设，所以对岩土工程边坡的稳定性研究十分必要。本文在对边坡进行稳定性分析和讨论的基础上，介绍了边坡的破坏形式和影响因素，概述了边坡的稳定性分析方法，并通过实例阐述了边坡稳定性分析方法的具体应用，最后对边坡稳定性的设计方法进行了探讨。

关键词：岩土工程边坡；稳定性分析；定量分析；有限元；防护

中图分类号：F407.1 文献标识码： A

一、岩土工程边坡的破坏类型及影响因素

边坡分为人工边坡和自然边坡。由于受设计和施工以及其他因素的影响，边坡土体会出现失稳破坏现象，具体可分为：

（一）边坡崩塌

崩塌往往发生在地形陡峭的山坡或高陡的路堑边坡上。

（二）边坡滑坡

滑坡一般是缓慢地、长期地往下滑动，位移速度在突变阶段显著增大，滑动过程可以是几年、几十年甚至更长。

（三）边坡流动

流动往往缓慢地沿坡面或地面沟谷方向呈流体移动。

边坡的稳定性受很多因素的影响，根据各种因素影响的大小和特点，可分为内部因素和外部因素两类：内部因素——边坡土体的材料构成和物理力学指标，以及边坡的地形地貌和岩石的矿物组成，边坡岩土体中的地质结构面和边坡的形状等。外部因素——边坡外在所受的雨水、地震、构造应力、植被和风化作用的影响和人为因素等。

岩土工程边坡稳定性分析的方法

（一）定性分析法

定性分析方法分为成因历史分析法、工程地质类比法、赤平极射投影法、专家系统法。

1、成因历史分析法

成因历史分析法研究内容包括两方面：首先是边坡所处的区域背景，大地构造，地质结构特性；其次是边坡的坡形和坡高，坡体外部和内部的变形迹象。因此，该分析方法适合于自然形成的斜坡。

2、工程地质类比法

工程地质类比法类比的原则是相似性，只有相似性较高的边坡才能进行类比，类比的方面包括边坡的工程地质条件和影响边坡稳定性的各种因素。

3、赤平极射投影法

赤平极射投影法就是确定不稳定结构体的可能变形位移方向，进而作出边坡稳定条件的初步评价。该法是目前边坡稳定性分析的主要方法之一。

4、专家系统法

专家系统法是一种计算机程序分析法，该法以专家的水平来完成对边坡稳定性的分析，并且把对边坡稳定性分析的大量实际知识和经验同模拟人类的解题策略结合起来。

（二）定量分析法

定量分析法可大致分为如下四类：极限平衡分析法、极限分析法、滑移线法、数值分析法。其中极限平衡分析法和数值分析法中的有限元法应用较广。

1、极限平衡分析法

极限平衡分析法发展的时间长，研究的人员多，出现了很多有代表性的分析方法。根据各种方法自身的特点可分为如下几种：瑞典圆弧法、瑞典条分法、毕肖普法、简布法、斯宾塞法等。

2、极限分析法

极限分析法的定义就是应用理想刚塑性体处于极限状态的普遍定理——上限定理和下限定理来求解极限荷载。该法的优点是不论边坡形态和外加荷载多么复杂，总能求得一个能适用的荷载，计算的结果要比极限平衡分析法严格。

3、数值分析法

随着计算机技术和数值计算理论的发展，数值分析方法已经应用到边坡稳定性分析中，而且发展速度很快。到目前为止，常用的数值分析方法有如下几种：有限单元法、离散元法、边界元法、不连续变形分析法、快速拉格朗日法等。

（三）不确定性分析法

20世纪70年代，在边坡稳定性分析中出现了不确定性分析方法。目前，不确定性分析法主要有随机可靠性分析法、模糊可靠性分析法、人工智能法、灰色预测系统法等。

1、随机可靠性分析法

随机可靠性分析法的应用相当广泛。该法它分析了很多影响边坡稳定性的不确定性因素，总结了现有的安全系数法的不足。近几十年来，国内外学者对概率和可靠度方法的研究就是对这种方法的延伸。

2、模糊可靠性分析法

模糊可靠性分析法是20世纪80年代初发展起来的，晚于随机可靠性分析法。模糊可靠性分析法提示人们双状态假设和概率假设在很多情况下是不正确的，该法是当前可靠性学科研究的热点。

3、人工智能法

人工智能法虽然不能分析出土体内部的应力-应变关系，但其有完善的理论和充足的数据使之成为一种相对简便的方法，并且已经应用到建筑工程当中。

4、灰色预测系统法

灰色预测系统法就是分析边坡稳定性的影响因素，该法的很大好处是找出了各影响因素之间的关联性，它确定出了因素中的主次关系，进而对边坡稳定性进行了多重的分析。

边坡稳定性分析方法的具体应用

（一）工程概况

某水电站隧洞边坡的开挖工程，由于出口边坡部位山坡地形较陡，垂直山坡的地形坡度一般为35°～50°。坡积层厚度约为1～3m，基岩为花岗岩，全强风化厚度约20～40m（受断层影响处较厚）。边坡各岩层的物理力学指标见下表，开挖后右侧边坡最大开挖垂直深度约40m,开挖后坡高约143m。

表 边坡岩体力学参数表

（二）ANSYS 有限元法分析

ANSYS 作为世界上著名的大型通用有限元分析软件，也是国内用户最多、应用最广泛的有限元分析软件，其可应用于建筑工程、铁路工程等众多领域。有限元法的基本思想是将连续的求解区域离散为一组有限个、且按一定方式相互连接在一起的单元的组合体。

由于单元能按不同的连接方式进行组合，且单元本身又可以有不同的形状，因此可以模型化复杂的几何形状求解区域。现用 ANSYS 软件对该边坡进行力学

分析。考虑到土体的弹塑性特征，将土体单元类型设置成 plane42，之后通过模型建立、网格划分、模型求解且利用 ANSYS 的通用后处理器查看自然和饱水两种状态下边坡的应力云图，如图1和图2。

图1自然状态边坡剪应力云图

图2 饱水状态边坡剪应力云图

从图1、图2可以看出，自然及饱水状态的边坡剪应力极值均发生在滑坡坡顶 a 处及滑坡底部 b 处，且边坡饱水状态的剪力大于自然状态。由此可以看出边坡各个部分及不同工况下的剪应力大小分布不均。但图1、图2无法反映出各处的安全系数，剪应力较大之处未必说明此处安全系数较小，其也与该处的抗剪强度有关。下面将摩尔－库伦准则引入 ANSYS 后处理器中，利用 ANSYS 后处理器强大的数据计算分析功能绘制出模型各处的安全系数，如图3、图4所示。

图3自然状态边坡安全系数云图

图4饱水状态边坡安全系数云图

图3、图4中值的倒数为该处的安全系数。通过对图3分析可发现，在滑坡体的顶部 a 及中部 b 处首先出现了安全系数小于 1 的塑性区，但是塑性区却未贯通，边坡整体安全系数大于1。对图4进行分析发现，在滑坡体的中部a率先出现了安全系数小于1的塑性区，但塑性区并未贯穿整个滑体，边坡的整体安全系数仍大于1。

通过对图1～图4分析发现: 滑坡体中剪应力的分布不均匀，且剪应力大的地方未必是最危险的塑性区域；自然与饱水状态下的边坡剪应力分布情况相似；自然及饱水状态下的边坡在破坏之前会率先在某部分形成塑性区域，且塑性区域并未贯通；边坡工况不同时，塑性区域的分布范围不尽相同。

岩土工程边坡稳定性的设计要点

岩土工程边坡的稳定性设计可以分为防护与加固两种。防护是在边坡稳定的基础上进行的，如果边坡不稳定，先要进行加固。常用的防护与加固的特点以及适用范围如下：

（一）各类加固的特点及适用范围 

抗滑桩

抗滑桩是一种用于处理滑坡或防止边坡下滑的钢筋水泥混凝土结构,是一种较理想的抗滑设施,但投资较大。锚索抗滑桩具有抗滑桩的特点但比抗滑桩能承受更大的土体压力或滑坡推力；桩顶加了锚索后可使埋入土体的桩长大大简短；适用于边坡开挖后土体压力或滑坡推力很大的情况。

预应力锚索

用预应力锚索处理单斜构造岩石边坡，对保证该类边坡的稳定有较好的效果，但难以准确计算被锚固体的下滑力和张拉控制应力。锚索的锚固段应设置在稳定的岩体中，一般用于岩石路段。压浆锚柱(固结)压浆锚柱(固结)简单地说就是往地层注入水泥浆(掺加一定量的外加剂)，以改变土(岩)体物理力学性质(必要时，加一钢筋笼或钢筋束，即锚柱)从而稳定边坡的一种方法。

预应力锚索加固

用高强度低松驰型钢绞线预应力锚索对滑坡体或崩落体施加一定的预应力，提高它们的刚度，使预应力锚索作用范围的岩石相应挤压，滑动面或岩石裂隙面上摩擦力增大，加强它们的自承能力，可有效地限制岩体的部份变形和位移。

（二）各类防护的特点和适用范围 

菱形网格护坡

菱形网格护坡，可预制安装也可用水泥混凝土现浇和石砌。工艺简单，网格内可植草。但只适用于填方边坡和土质挖方边坡。

喷射混凝土护坡

对一些较高的风化岩石边坡，采用喷射混凝土作护坡可阻止风化，且重量轻，施工所需设备简单，但费用较高，厚度难以控制。

生物防护

生物防护除植树(主要用于小边坡)，除传统防护形式外，植草或铺草皮是近年来才在高速公路上兴起的一种绿色防护形式。其优点是能在短期内恢复公路沿线的绿色景观和防止边坡冲刷，但养护费用高，要随时保持绿色有一定的困难。防护所选用的植物应尽量采用当地适宜生长的植物，避免破坏别处的生态来防护本地的边坡。

参考文献

[1]谢磊.边坡稳定性分析若干问题的研究[D].合肥工业大学硕士学位论文，2009.

[2]王艳红.边坡稳定性分析方法综述[J].甘肃科技，2007.3.

[3]郝方，李维维，郭柏威.用ANSYS做边坡稳定分析[J].贵州水力发电，2005.4.

曾梅（1978 年5月—至今）男，湖南省地质矿产勘查开发局四一八队（湖南省工程勘察院），技术负责人，2004 年毕业于中南大学，全国一级注册结构工程师，主要从事结构工程设计、岩土工程设计和技术咨询。