重庆交通大学 土木工程学院 重庆 400000
摘要：在过去几十年中，边坡的稳定性已经取得了众多的研究成果，如用极限平衡法和强度折减法来研究其稳定性。其中目前岩土工程界最为广泛流传的方法是极限平衡法。极限平衡法主要是以摩尔-库伦准则为基础，然后在这一基础之上给出一个假想的滑动面，把滑动面上的土体分为若干垂直的条块，通过迭代求解得出最终结果。Geostudio作为一款专业、高效的岩土分析软件，是基于极限平衡法来分析边坡的稳定性，已经为上百万的科研人员提供帮助。本文主要是通过Geostudio中的Slope/w模块来进行建模计算，从而得出稳定系数和潜在滑动面，再根据应力-应变和潜在滑动面位置进行分析，对实际工程提出合理建议。
关键词：稳定性分析；极限平衡法；有限元；安全系数
0 引 言
边坡在我们日常生活中可以说是随处可见，边坡的稳定性对于人们的生命安全和国家的经济发展具有重要的意义。在我国的西部地区，这里群山环绕，位置偏僻，国家为了发展这里的交通，修建了非常多的边坡工程。随着人们对于边坡研究的不断加深以及计算机技术的飞速发展，越来越过的喜欢使用有限元分析软件来分析边坡的稳定性。很多有限元软件功能强大，计算方便，帮助人们在边坡稳定性分析领域取得了飞速的进步。
1 Geostudio软件及Slope/w模块简介
1.1 Geostudio软件介绍
Geostudio是一款功能强大、应用广泛的数值分析软件。其中有可以分为八个模块，Seep/w地下水渗流模块，Slope/w边坡稳定性分析模块，Sigma/w岩土应力变形分析模块，Quake/w地震相应分析模块，Temp/w地热分析模块，Ctran/w水污染物传输分析模块，Air/w空气流动分析 模块，Vadose/w综合渗流蒸发区和土壤表层分析模块，Seep3D三维渗流分析模块。本文中对于边坡的稳定性分析主要是要运用Slope/w模块，此模块可以独立分析边坡的稳定性。
1.2 Slope/w模块的工作原理
Slope/w模块主要是运用极限平衡理论对不同类型的土体、复杂地层、空隙水压力状况、以及不同的加载方式对边坡稳定性的影响问题进行分析研究，该模块还可以把有限单元法和极限平衡理论相结合对边坡的稳定性问题进行有效计算和分析[1]。对工程进行分析也可以和其他模块进行耦合，以此来分析更多的复制问题。
2 极限平衡法概述
极限平衡法是岩土工程中最为常见的边坡稳定性分析方法，在日常研究中也一直是被广泛应用。挡墙，边坡稳定性的分析方法主要是有两个方面：一个方面是建立在刚体极限平衡理论之上的极限平衡法，另一个方面是以有限元为代表的数值计算方法[2]。极限平衡法的思想主要是以摩尔-库伦理论为基础，然后将潜在的滑坡坡体垂直方向上划分为若干段，在此基础上，建立作用在竖直小土块的平衡方程，通过数学方法迭代求出安全系数。极限平衡法之所以应用如此广泛是因为其具有计算方法简便，能够直接得出边坡稳定性的结果的特点。基于平衡法的边坡稳定性分析方法有很多种，根据不同的实用情况可以分为摩根斯坦-普瑞斯Mrgenstern-Price法、肖普Bishop法、步Janbu法、推力法、萨尔玛Sarma法等[3]。
3 有限元模型的建立
本模型主要是运用Morgenstern-Price极限平衡法来确定最小安全系数和临界滑动面。其中滑移面最小深度为0.1m，土条数为30，最大迭代次数设置为100，可接受的最大安全系数差设置为0.001，本次求解方法采用非线性求解。在模型中所分析的边坡长度为40m，高度为15m，由于边坡的上层土体和下层土体不同，因此在模型几何网格的建立过程中将模型划分为上下两个区域，接着是对这两个不同的区域分别分配材料属性。首先是输入上层材料属性，我们将材料的模型选择为摩尔-库伦，单位重量为15千牛顿/m³，粘聚力为5kpa，内摩擦角为20°，然后是输入下层材料属性，下层模型我们也选择为摩尔-库伦，其中单位重量为18千牛顿/m³，粘聚力为10kpa，内摩擦角为25°。在对这两种材料的属性输入完成后我们就可以把每种材料添加到相应的区域中了。材料添加完成后，为了定义两个土层之间的水压力条件，我们再在模型中添加一个测压线。当以上工作全部完成后，我们要做的最后一步工作是使用之前选定的进入和退出方法定义滑移面表面属性，在软件中使用鼠标光标来选择边坡的滑移面。滑移面定义完成之后我们就可以得到边坡稳定性分析的有限元模型。
4 数值模拟结果分析
当模型建立完成之后我们可以通过软件的求解窗口对模型进行求解。求解完成后模型将自动切换到“结果窗口”，从结果视图中我们可以得出边坡的临界滑动面和，以及该滑动面的安全系数结果，如下图4.1所示。
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图4.1 有限元分析结果
Fig.4.1 Finite element analysis results
由边坡的有限元分析结果我们可以知道，在此边坡的右侧区域更容易发生滑动，滑移面越往右侧移动其安全系数越低，比如我们在模型中选择157号滑移面，此时该滑移面所对应的安全系数为1.650，当我们选择157号滑移面左侧的159号滑移面，此时的安全系数为1.662，而我们选择157号右侧的102号滑移面，改滑移面所对应的安全系数为1.632。由此我们可以看出每一个滑移面所对应的安全系数呈从左往右依次降低的趋势，越往坡面方向移动其稳定性越差，因此我们在实际工程中一定要注意破面的防护，提高边坡破面的整体强度。从模型中我们还可以得出孔隙水压力与土条号之间的关系。
5 结语与展望
本文主要阐述了边坡稳定性分析的发展现状、极限平衡法的分析原理及Geostudio软件的主要特点和功能优势，希望能为其他科研人员提供一些有用的启示和见解。本文通过Geostudio模型中的Slope/w模块对一个简单的边坡建立模型得出来其潜在滑动面，在此基础之上对齐稳定性进行了分析。通过分析我们可以知道离坡面越近的地方其安全系数越低，离坡面越远的地方安全系数越高，因此在实际工程中，我们必须要重视坡面的防护，提高边坡坡面的整体强度。
参考文献：
[1]施炳军.降雨入渗下边坡渗流场与稳定性数值分析[D].昆明理工大学，2013.
[2]赵婷，王畅.边坡稳定性分析方法及工程应用研究进展[J].水利水电技术，2019，5005：196-203.
[3]曾亚武，田伟明.边坡稳定性分析的有限元法与极限平衡法的结合[J].岩石力学与工程学报，2005，S2：5355-5359.