刘晨阳
吉林大学 建设工程学院 工程地质系 长春 130026
1 国内外研究历史与现状
边坡是一个既古老又复杂的岩土工程课题，其所涉及的领域要比地基工程或地下硐室工程设计的领域广而深。边坡问题种类繁多，按照其物质组成可以分为岩质边坡和土质边坡，按照其人工改造程度分为自然边坡和人工边坡。
人类对边坡的认识的基础理论是建立在土力学和岩石力学之上的。古典土力学是建立在刚塑性模型基础上的破坏理论，是解决土质边坡稳定性的核心；而现代土力学则侧重土体真是破坏过程的理论研究，并且在最终要对边坡破坏过程作数值模拟。
首先，作为岩体力学的一个重要组成部分，边坡稳定性研究进展与人类工程活动的迫切需要和相关学科的迅速发展紧密相关。早期的研究是以简单均质弹性、弹塑性理论为基础的半经验半理论边坡分析方法，其计算结果与实际工程情况有很大差异。到了20世纪60年代初期，工程建设规模的扩大导致所涉及的边坡问题也日益突出。尤其是1963年意大利Vaiont水库滑坡等一系列工程事故发生以后，人们开始深入对岩石边坡稳定性的研究；认识到必须将地质分析和力学机制分析紧密结合起来，这就促成了刚体极限平衡法[1]。1967年人们开始尝试有限元研究边坡稳定性问题，给定量评价边坡的稳定性创造条件，并使其逐步过渡到数值方法。1971年Cundall 提出了非连续介质的离散元，用于模拟边坡稳定的渐进破坏，1991年Toshihisa运用该方法分析了日本305国道的岩石边坡的破坏过程。1986年FLAC[2]的出现，为边坡分析提供了一种有效的方法，不但可以处理大变形问题，而且可以模拟某一软弱面的滑动变形，能真实的反映实际材料的动态行为，并可以考虑支护结构与围岩的相互作用，被认为是岩土力学数值模拟行之有效的方法；加上1988年Brady运用它对矿山倾斜采场的加固方案进行模拟，1993年 Billaux 对6米高充填体进行模拟，1983年孙玉科对盐池河山崩变形机制作了平面有限元分析；1989年陈宗基对抚顺露天煤矿进行有限元分析；1995年王永嘉将FLAC引入国内，先后在水电、隧洞、边坡中广泛使用，FLAC的发展可谓是及其飞快的。
同一时期，我国在边坡稳定性研究方面也取得了丰硕的成果，如边坡岩体稳定性分析的工程地质力学方法等。20世纪80年代后，随着计算机技术的发展及岩体力学性质研究的进展，各种复杂的数值计算方法广泛地应用于边坡稳定性研究。岩质边坡稳定性定量计算方法的研究可分为三大类，一是刚体极限平衡法；二是数值计算方法；三是引用新兴的理论的研究方法，例如模糊方法、灰色系统理论、专家系统、神经网络、遗传算法等等。
不难看出，目前边坡稳定性研究已有了相当规模的水平与规模。边坡稳定性分析发展过程可表述为五个阶段：借助于古典土力学的稳定性分析阶段、五十年代偏重于稳定性描述与分析的地质历史分析阶段、六十年代考虑时效过程的稳定性分析阶段、八十年代以数值模拟、模型试验为主的分析阶段和九十年代以后的现代边坡工程学阶段。
2 数值模拟研究现状
由于土力学和岩石力学所研究的地质体的是不连续、非均质性、各向异性，以及复杂地下水及天然应力的存在，使大多数的岩土工程问题很难推导出解析解。近20年来，随着计算机的广泛使用，数值法在岩石工程中的应用快速增长。数值法的应用使得复杂工程特性的岩土工程问题有了定量化的评价手段。现在，数值模拟是解决岩土工程问题的有效手段，已经越来越多的应用于岩土体稳定性、岩土工程设计和岩土工程基本问题分析中。
为了获得岩土工程的设计参数或对岩体力学状态的评估，比较有效的有数值模拟法、现场监测法、解析法、物理模拟法和类比法。现场监测法工作量会相对比较大，而且往往只是在小范围内进行。解析法只能在简化的前提下，给出一些最简单问题的解，他对复杂介质、复杂边界或非静态问题等，往往无法做出合理的解释，类比法适用于有历史经验记录的地区，而对于历史经验较少的场地，类比法会不适合。因此，数值法的出现和不断发展是必然的。
1967年人们开始尝试用有限元法研究边坡稳定性问题，这使得边坡稳定性分析逐步过渡到了定量的数学解法。因此，以有限元为代表的数值方法，发展成为一种较精确地预测岩体力学形态、解决各种复杂岩土力学问题的有效方法。另外，还有限元法（FEM）、离散元法（DEM）、有限差分法（FDM）、运动单元法（KEM）、非连续变形方法（DDA）、数值流形法（NNM）、界面单元法、人工神经网络法（ANN）和快速拉格朗日方法（FLAC）。
逐渐发展起来的FLAC3D程序已经成为目前岩土力学计算中的重要数值方法之一，该程序是由FLAC二维计算程序在三维空间的扩展，用于模拟三维土体、岩体或其他材料力学特性，尤其是达到屈服极限时的塑性流变特性，广泛应用于边坡稳定性评价、支护设计及评价、地下硐室、施工设计、河谷演化进程再现、拱坝稳定分析、隧道工程、矿山工程等多个领域。
刚体极限平衡分析法的滑动面是人为假定的，没有考虑土体自身的应力应变关系和实际工作状态，用其所求出的土条间的内力或者土条底部的反力均不能代表边坡在实际工作条件下的真正内力和反力，更不能求出变形。
为了克服极限平衡法的不足，人们提出了以有限元为代表的各种数值计算方法。数值计算方法是以弹性（塑性）理论为基础，需要首先弄清岩土体的本构关系，也要考虑单元体的变形协调，同时还要考虑岩土体的破坏准则。数值计算法发展到今天，由于计算机的普及和大量应用，复杂而又精确地计算方法已不再是数值计算的障碍了，而计算成果的优劣取决于岩土体的主要构造和有关参数的获得情况。
为了研究极限平衡法的基本原理，下文对其准则及理论做较为详细的介绍；并介绍对通用条分法的一些研究。
1776年，法国工程师库伦（Coulomb）[3]提出了计算挡土墙土压力的方法，标志着土力学雏形的产生。郎肯(1857)年在假设墙后土体各点处于极限平衡状态的基础上，建立了计算主动土压力和被动土压力的方法。边坡稳定极限平衡分析法问题有时可以看作是受某一个或者某几个软弱面控制的滑动破坏问题。其基本原理是，先假定多个土坡可能出现滑动的滑动面，然后根据静力平衡条件和摩尔库伦强度准则计算个滑动面滑动的可能性，从中寻找安全系数最小的滑面，其对应的滑动面即为滑动可能性最大的滑动面。此方法包含以下要点：
2.1假设条件
①首先，假设土条间不产生拉力；
②假设作用于土条间界面上的剪力小于等于按摩尔-库伦法计算出的抗剪强度。
2.2安全系数定义
土坡沿着某一滑裂面滑动的安全系数F的计算方法即：将土的抗剪强度指标降低为c′/F和tanФ′/F，则土体沿着滑裂面处处达到极限平衡，有
2.4静力平衡条件
将滑动土体分成若干土条，见图（2.1），每个土条和整个滑动土体都要满足力和力矩平衡条件，各土条间不产生拉力。在静力平衡方程组中，未知数的数目超过了方程式的数目，解决办法是对多余未知数作假定，使剩下的未知数和方程数目相等，从而解出安全系数的值。
参考文献
[1]陈革强.刚体极限平衡法浅析 [J]. 海河水利, 1999, 2): 16-8.
[2]KANG H. FLAC analysis on affecting factors to rock bolting in gateroads [J]. Chinese Journal of Rock Mechanics & Engineering, 1999,
[3]魏汝龙.库伦土压力理论在粘性土中的应用 [J]. 岩土工程学报, 1998, 20(3): 80-4.
论文作者:刘晨阳
论文发表刊物:《防护工程》2018年第25期
论文发表时间:2018/12/5
标签：数值论文; 稳定性论文; 方法论文; 岩土论文; 极限论文; 力学论文; 刚体论文; 《防护工程》2018年第25期论文;