岩土工程边坡稳定性研究与发展之己见

【摘要】 随着社会的发展,在岩土工程中,边坡的稳定性显得愈发重要,本文在介绍边坡稳定性评价方法的一系列成就基础上,探讨其发展趋势。

【关键词】 岩土工程 边坡 稳定性能评价 方法

Abstract :With the development of society, in geotechnical engineering, slope stability becomes increasingly important, this article introducing a series of slope stability evaluation method based on the achievements, discuss the trends.

Key words : geotechnical engineering ; slope ; stable performance evaluation ; method

前言

边坡稳定性问题一直是岩土工程的一个重要研究内容,而边坡稳定性评价结果的正确与否直接关系到边坡工程的成败。现在岩土边坡的开挖深度已高达百米以上,尤其是岩质边坡,目前边坡稳定性评价方法多种多样,由于边坡稳定受多方面因素影响,而各因素具有不确定性(模糊性、随机性、信息不完全性和未确定性)和复杂性,故传统的确定性分析方法如极限平衡理论用于边坡分析,结果不十分理想。但不论是确定性分析如蒙特-卡洛模拟法、一次二阶矩法,还是不确定性方法如模糊数学、灰色理论、数量化理论、信息模型法等,其用于边坡稳定性评价的准确性与实际情况仍有差距。

1.研究进展

1.1有限元方法

有限单元法是数值模拟方法在边坡稳定评价中应用得最早的方法,也是目前最广泛使用的一种数值方法,可以用来求解弹性、弹塑性、粘弹塑性、粘塑性等问题。其优点是部分地考虑了边坡岩体的非均质和不连续性,可以给出岩体的应力、应变大小和分布,避免了极限平衡分析法中将滑体视为刚体而过于简化的缺点,可近似地根据应力、应变规律去分析边坡的变形破坏机制;但它还不能很好地求解大变形和位移不连续问题,对于无限域、应力集中等问题的求解还不理想。

1.2自适应有限元法

自 20 世纪70 年代开始自适应理论被引入有限元计算,主导思想是减少前处理工作量和实现网格离散的客观控制。现已基本建立了一般弹性力学、流体动力学、渗流分析等领域的平面自适应分析系统,能使计算较为快速和准确。

1.3离散单元法

自从 Cundall 首次提出离散单元DEM(distinctelement method)模型以来,这一方法已在岩土工程和边坡问题中得到日益增长的应用。离散单元法的一个突出功能是它在反映岩块之间接触面的滑移,分离与倾翻等大位移的同时,又能计算岩块内部的变形与应力分布。因此,任何一种岩体材料都可引入到模型中,例如弹性、粘弹性、弹塑性或断裂等均可考虑,故该法对块状结构、层状破裂或一般破裂结构岩体边坡比较合适。并且,它利用显式时间差分法(动态松弛法)求解动力平衡方程,求解非线性大位移与动力稳定问题较为容易。此法在岩质高边坡稳定分析中有较广泛的应用。

1.4 DDA 方法

由石根华与 Goodman 提出的块体系统不连续变形分析(discontinuous deformation analysis)是基于岩体介质、非连续性发展起来的一种崭新的数值分析方法。节理面切割岩体形成不同的块体单元,单个块体内部满足连续介质的变形协调方程和本构关系,但块体间不满足变形协调关系,块体间的本构关系是通过假定刚度来实现,DDA 中的本构关系为块体所受的合外力与块体位移之间的关系。此法的计算网格与岩体物理网格一致,可以反映岩体

连续和不连续的具体部位。它考虑了变形的不连续性和时间因素,既可以计算静力问题,又可以计算动力问题。它还可以计算破坏前的小位移,也可以计算破坏后的大位移,如滑动、崩塌、爆破及贯入等,特别适合于边坡极限状态的设计计算。

DDA 法是兼具有限元与离散元法二者之部分优点的一种数值方法,其一个时步内的求解过程更像有限元法,而在块体运动学求解方面更类似于离散元法。但是,岩体种类繁多,性质极为复杂,计算时步的大小对结果影响很大,且需耗用大量的计算机内存及计算时间,计算方法的优化和改良还有待进一步研究。

1.5拉格朗日元法

有限变形问题是针对塑性变化历程及延性破坏机制等问题提出的。在处理有限变形问题时,对材料的非线性给予考虑,使由变形造成的对内外力平衡的影响在计算中得以体现,所以需要一种兼顾材料非线性和几何学上的非线性的一般非线性解析方法。为了克服有限元等方法不能求解大变形问题的缺陷,人们根据有限差分法的原理,提出了FLAC(fastLagrangion analysis of continue)数值分析方法。该方法较有限元法能更好地考虑岩土体的不连续和大变形特性,求解速度较快。其缺点是计算边界、单元网格的划分带有很大的随意性。它已有不少商用程序,如P. A. Cundall 提供的FLAC-3D是一显式时间差分解析法,它无需建立刚性矩阵,所需内存少,时间少,但也有不足之处。

1.6数值流形方法与无单元法

石根华通过研究 DDA 与有限元的数学基础,于1995 年提出了DDA 与有限元法的统一形式——数值流形方法NMM(numerical manifold method)。NMM 以流形分析中的有限覆盖技术为基础,使得连续体、非连续体的整体平衡方程都可以用统一的形式来表达。

无单元法可看作是有限元法的推广,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"及人为确定边界的缺点,在动力问题中尤为突出,显著地减小了求解规模,提高了求解精度和计算效率,这一点对三维问题尤为显著。

1.7界面元方法

基于累积单元变形于界面的界面应力元模型,建立适用于分析不连续、非均匀、各向异性和各类非线性问题、场问题,以及能够完全模拟各类锚件复杂空间布局和开挖扰动的界面元理论和方法,为复杂岩体的仿真计算提供了一种新的有效方法。此外,基于工程稳定性问题的力学机理,建立了评判岩体稳定性的干扰能量准则。判据与干扰能量法成功地解决了岩体稳定性的客观判据、潜在滑面、危险滑面、稳定薄弱部位和最小抗滑稳定安全系数等难题,将岩体稳定性的数值评判提高到了一个新的水准。

1.8可靠度方法

传统上,一直以安全系数作为边坡工程稳定性的评价指标,然而,安全系数不是一个常数,而是一个由设计因素的变异性所决定的随机变量。20 世纪70 年代后期,边坡工程界开始接受不确定性的概念,构造随机模型,采用概率论和数理统计知识,如可靠指标和破坏概率来评价边坡的安全度。祝玉学等在边坡可靠性分析中作了大量的、卓有成效的工作;但同时,他指出,可靠性分析方法只是所有安全度问题的一种方法,是确定性方法的发展与补充。因随机因素太多,难以确定各因素的概率,此方法刚走向实际工程应用阶段,还需要进一步研究。

1.9模糊方法

模糊理论是应用模糊变换原理和最大隶属度原则,综合考虑被评事物或其属性的相关因素,进而进行等级或级别评价。边坡性质及稳定性的界限是不清楚的,具有相当的模糊性,故可采用此理论进行研究。此法的难点在于相关因素及各因素的边界值的确定。

应用模糊理论中,构造了边坡稳定性的模糊综合评价模型及关联因素边界值矩阵,通过对某一大型露天矿边坡工程的研究,得到各关联因素的实测值,进而评价了该边坡的稳定性。

1.10灰色系统理论

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,他们所在系统则称为灰色系统。把系统中的一切信息量(包括随机的)看作灰色量,采用特有的方法建立描述灰色量的数学模型。它有3 个基本环节:

1.10.1根据系统已发生的一组时间序列数据,根据变量多少建成不同的预测模型。

1.10.2估计模型参数,如按最小二乘法确定。

1.10.3把模型用于预测,并进行评价。利用灰色关联度分析原理,可在不完全的信息中,通过一定的数据处理,找出它们的关联性,确定边坡稳定性各影响因素的影响程度,进而利用多因素叠加分析评估边坡的稳定性。

1.11聚类分析法

事物的分类有其内在的规律。按照数学观点,类是最佳集合。两个变量能够归为一类,彼此一定很靠近,或者说它们之间的距离一定最短。每个变量都可看成多维空间的一个点,点与点之间的距离可用欧氏距离表示。在实施聚类过程中,应使样品自成一类,然后计算各样品之间的距离,按距离最近原则将两个样品合成一类,再计算类与其它各类的距离,继续按最近原则合并,使类的数目进一步减少,直到所有样品归为一类为止。运用聚类分析来寻找实例库中各实例间的关联,藉此可对工程中的相似的边坡做出预测。

1.12专家系统

功能主义方法把大脑看作是能对输入信息进行处理并输出结果的一只黑箱,只要掌握了输入输出关系,就可在功能上模仿人类大脑的高级智力活动。专家系统就是用人工智能语言编制出的这样一种程序软件。由于影响边坡的各种因素的不确定性,在许多情况下仍主要依赖于专家经验和类比,因此,专家系统在边坡工程领域有很好的适宜性。但也有经验收集、知识获取难的问题,而对于象边坡工程这样复杂的巨系统,其知识获取是一件很不容易的事。

1.13神经网络

人工神经网络是依据人脑结构的基本特征发展起来的一种信息处理体系或计算体系。它仅是对神经系统的数学抽象和粗略的逼近和模仿。它由输入层、隐含层、输出层组成。神经元是其基本处理单元,神经元之间有连线,知识由各神经元之间的连接强度表达,网络的记忆存储行为表现为各单元之间连接权重的动态演化过程,网络学习的目的就是寻找一组合适的连接强度。它以并行方式处理数据和信息,具有良好的容错性、很强的自学能力和对环境的自适应能力,通过搜索非精确的满意解来达到输入和输出的非线性映射,特别适宜处理知识背景不清楚,推理规则不明确等复杂类型模式识别且难以建模的问题。

研究表明,在岩土边坡工程系统分析领域内采用神经网络具有独特的优势。利用神经网络理论,可以尽可能多地将各种影响因素作为输入变量,建立这些定性或定量影响因素同边坡安全系数与变形量之间的高度非线性映射模型,然后用模型来预测和评价边坡的安全性。现在用得最成熟的是 BP 网,但其存在易陷入局部最小、收敛速度慢等缺点。为克服这些缺点,自适应网、复合网络等也逐渐被应用到边坡工程中来。

1.14遗传算法

遗传算法是一类随机算法,它模仿生物的进化和遗传,从某一初始群体出发,根据达尔文进化论中的“生存竞争”和“优胜劣汰”原则,借助复制、杂交、变异等操作,不断迭代计算,经过若干代的演化后,群体中的最优值逐步逼近最优解,直至最后达到全局最优。它将问题的解以位串编码形式表示来实现这些操作。它不受搜索空间的限制性假设的约束(如连续性、导数存在等),从一群点开始搜索,能从离散的、多极值的、含有噪音的高维问题中以很大的概率找到全局最优解,且适用于大规模并行计算。基于圆弧滑动面假设,提出一种用遗传算法搜索边坡最危险滑动面及最小安全系数的方法,减小了工作量。

1.15复合法

任何一种分析方法都不是万能的、唯一的、排它的方法,而把两种或多种方法融合起来,取长补短,是未来发展的一种趋势。如神经网络的学习包括了两个优化过程,分别是网络连接权重的优化和网络拓扑结构的优化。而优化权重的最著名的方法是BP 算法,但BP 的最大弱点是局部极小问题和无法学习网络拓扑结构。遗传算法作为对自身演化过程学习的一种优化算法,与神经网络结合可解决这个问题。将人工神经网络和遗传算法相结合进行位移反分析,并已成功地用于岩石边坡的分析研究中。在专家系统的设计中,目前遗传算法已成功应用于推理方法的选取、隶属函数形状及参数的选取和相关权重的确定等,对其中一些参数用遗传算法进行调谐可大大提高专家系统的性能。此外,模拟退火,反分析法,半解析元法,无网络伽辽金法等都有长足的发展。

2.发展趋势

目前正在进行的西部大开发,首先必须搞好基础建设,因此会涌现出大量需要解决的边坡工程问题。但纵观边坡稳定分析方法的发展,各种方法均没有达到真正完满解决工程实际问题,对理论模型的辨识、本构关系、计算参数、仿真方法都需作进一步深入具体研究。同时,由于各种技术革新、数学、力学及计算机技术的快速发展等均向理论分析不断提出新挑战。

针对岩土工程的如此多的不确定性,我们不能只沿用传统的思维方式处理,而应转换思维,不仅要正向思维,即从事物的必要性出发,根据试验建立模型,在特定条件下求解;也要逆向思维,如位移反分析法,先以实测的位移值为依据反演求出初始应力与参数,再反过来应用于工程实践。

思维的转换还包括系统思维、反馈思维和全方位思维。系统思维是把所研究的问题看成一个巨系统,强调组成系统的单元和系统整体的联系和区别,保持系统开放,从系统的微小涨落中去不断调整,使之不断趋向于平衡,从而完成问题的求解。反馈思维是从信息反馈角度研究,通过控制过程来推知、达到系统的最优。全方位思维是从多学科交叉渗透来研究问题,如不断运用新的方法来模拟问题间潜在的相关性,借用计算机等职能手段来模拟人脑思维,利用专家经验来帮助判断,利用发达的网上资源来获得信息和帮助。

由于边坡工程的复杂性,边坡稳定评价不能依赖于单一方法,因此,依托于计算机技术,形成集成式智能评价系统,是未来发展的一种趋势。同时由于边坡工程常依赖于经验,故利用边坡工程的失稳和稳定实例来建立系统,考虑多种因素影响,使多学科交叉融合,研究开发基于案例推理的边坡稳定的综合集成式智能评价系统,也将是未来的发展方向之一。

(作者单位:贵州省煤田地质局一一三队)