土质边坡稳定影响因素的敏感性分析

第１８卷第２期　！　县　成都工业学院学报　堡堡　Ｖｏ１．１８，Ｎｏ．２　墅　Ｊｕｎｅ．。２０１５　ＤＯＩ：１０．１３５４２／ｊ．ｃｎｋｉ．５１—１７４７／ｔｎ．２０１５．０２．００６　土质边坡稳定影响因素的敏感性分析　钟学梅，付成华术，何（西华大学欢，赵川　６１００３９）　能源与动力工程学院，成都摘要：为确定各个因素对边坡稳定性的影响程度，以一均质土质边坡为例，选取土容重、粘聚力、内摩擦角、地下水位、坡比为　试验因素，运用单因素分析法和多因素正交试验法分析各个影响因素的敏感性。采用极限平衡法计算不同试验方案下边坡　的稳定安全系数。以安全系数为试验指标，对试验结果进行极差分析。结果表明：单因素分析法和多因素正交试验法得到的　因素敏感性变化规律基本一致，坡比的敏感性最大，其次分别是内摩擦角、粘聚力、重度，地下水位的敏感性最小；多因素正交　试验法比单因素分析法的计算更显合理。　关键词：敏感性；稳定性；单因素分析；正交试验；极限平衡法　中图分类号：ＴＵ４３　文献标志码：Ａ　文章编号：２０９５—５３８３（２０１５）０２—００１９—０３　Ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ　Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　Ａｆｆｅｃｔｉｎｇ　Ｆａｃｔｏｒｓ　ｆｏｒ　Ｓｏｉｌ　Ｓｌｏｐｅ　Ｓｔａｂｉｌｉｔｙ　ＺＨｏＮＧ　Ｘｕｅｍｅｉ．ＦＵ　Ｃｈｅｎｇｈｕａ≈．ＨＥ　Ｈｕａｎ。ＺＨＡｏ　Ｃｈｕａｎ　（Ｅｎｅｒｇｙ　ａｎｄ　Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ　Ｓｃｈｏｏｌ，Ｘｉｈｕａ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈｅｎｇｄｕ　６１００３９，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｒｅ　ｗａｓ　ｍａｎｙ　ｆａｃｔｏｒｓ　ａｆｆｅｃｔｉｎｇ　ｔｈｅ　ｓｔａｂｉｌｉｔｙ　ｏｆ　ｓｌｏｐｅ，ｔｈｅ　ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ　ｏｆ　ｖａｒｉｏｕｓ　ｆａｃｔｏｒｓ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｓｌｏｐｅ　ｓｔａｂｉｌｉｔｙ　ｗａｓ　ａｌｓｏ　ｄｉｆｅｒｅｎｔ．Ｆｏｒ　ｅｘａｍｐｌｅ　ｏｆ　ａ　ｓｏｉｌ　ｓｌｏｐｅ，ｔａｋｉｎｇ　ｓｅｖｅｒｅ，ｃｏｈｅｓｉｖｅ　ｆｏｒｃｅ，ｉｎｔｅｒｎａｌ　ｆｒｉｃｔｉｏｎ　ａｎｇｌｅ　ａｎｄ　ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ　ｗａｔｅｒ　ｌｅｖｅｌ，ｓｌｏｐｅ　ｒａｔｉｏ　ａｓ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ　ｆａｃｔｏｒｓ，ｓｉｎｇｌｅ　ｆａｃｔｏｒ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ａｎｄ　ｍｕｌｉｔ—ｆａｃｔｏｒ　ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ　ｗｅｒｅ　ｕｓｅｄ　ｔｏ　ａｎａｌｙｚｅ　ｔｈｅ　ｓｅｎｓｉｉｔｖｉｔｙ　ｏｆ　ｆａｃｔｏｒｓ，ｔｈｅ　ｌｉｍｉｔ　ｅｑｕｉｌｉｂｒｉｕｍ　ｍｅｔｈｏｄ　ｗａｓ　ａｄｏｐｔｄ　ｔｅｏ　ｃａｌｃｕｌＭｅ　ｈｅ　ｓｔａｆｅｔｙ　ｆａｃｔｏｒ　ｏｆ　ｓｌｏｐｅ　ｉｎ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ　ｐｒｏｊｅｃｔｓ，ｔａｋｉｎｇ　ｔｈｅ　ｓａｆｅｔｙ　ｆａｃｔｏｒ　ａｓ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ　ｔａｒｇｅｔ，ｔｈｅ　ｍｅｔｈｏｄ　ｏｆ　ｒａｎｇｅ　ａｎａｌｙｓｉｓ　Ｗａｓ　ｕｓｅｄ　ｔｏ　ｎａｌａｙｚｅ　ｔｈｅ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｒｅｓｕｌｔｓ．Ｉｔ　ｓｈｏｗｅｄ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｗｅｒｅ　ｂａｓｉｃａｌｌｙ　ｉｄｅｎｔｉｃａｌ　ｗｉｈ　ｓｉｔｎｇｌｅ　ｆａｃｔｏｒ　ｎａａｌｙｓｉｓ　ａｎｄ　ｍｕｌｔｉ—ｆａｃｔｏｒ　ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ，　ｓｌｏｐｅ　ｒａｔｉｏ　Ｗａｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｌａｒｇｅｓｔ　ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ，ｔｈｅｎ　ｆｏｌｌｏｗｅｄ　ｉｎｔｅｒｎａｌ　ｆｒｉｃｔｉｏｎ　ａｎｇｌｅ、ｃｏｈｅｓｉｖｅ　ｆｏｒｃｅ、ｓｅｖｅｒｅ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｍｉｎｉｍａｌ　ｓｅｎｓｉｉｖｉｔｔｙ　ｗａｓ　ｔｈｅ　ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ　ｗａｔｅｒ　ｌｅｖｅｌ，ｍｕｌｉ—ｔｆａｃｔｏｒ　ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ　ｗａｓ　ｍｏｒｅ　ｒｅａｓｏｎａｂｌｅ　ｔｈａｎ　ｔｈｅ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｕｓｉｎｇ　ｓｉｎｇｌｅ　ｆａｃｔｏｒ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｙ；ｓｔｔａｂｉｌｉｔｙ；ｓｉｎｇｌｅ　ｆａｃｔｏｒ　ａｎａｌｙｓｉｓ；ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ　ｅｘｐｑｒｉｍｅｎｔ；ｌｉｍｉｔ　ｅｑｕｉｌｉｂｒｉｕｍ　ｍｅ￣ｏｄ　边坡稳定性是岩土工程领域里一个重要的研究　感性分析Ｈｊ。倪恒等　认为敏感性分析的一般方法　课题¨］。随着计算机技术的发展，边坡稳定性分析　具有局限性，于是采用正交设计方法，对地震力加速　方法已经从定性分析法（经验类比法、工程地质法、　度、内摩擦角、粘聚力、岩体密度和水位变化进行敏　结构分析法）发展到现在的定量分析方法（极限平衡　感性分析，利用ＳＡＲＭＡ法计算稳定性系数，并利用　法、数值计算方法）。但由于边坡稳定性受地形、地　方差分析法对试验结果进行处理，从而得出水位变　貌、地质构造、边坡坡度、地下水、坡顶作用荷载、降　化为最敏感因素；曹军义等　以非饱和土含水率为　雨入渗、软弱夹层等因素的影响，其中有些因素又具　影响因素计算了不同含水率下边坡的安全系数，从　有随机性、可变性等特点，使得边坡的稳定性具有不　而确定了含水率是影响边坡稳定的一个重要参数；　确定性＿２　ｊ，所以在采用极限平衡法和数值计算方　吕晓光等　采用正交试验法分析土的不饱和重度、　法对边坡进行定量分析的基础上，还应用不确定分　渗透系数、弹性模量、泊松比、粘聚力和内摩擦角对　析法（敏感性分析、可靠性分析、灰色系统预测法、人　边坡稳定性的影响，运用极差分析法处理试验结果，　工智能等）对不同的影响因素进行分析，从而更准确　从而得出内摩擦角对边坡稳定的影响性最大。本文　地分析边坡的稳定性，预防滑坡等问题。　在此基础上，考虑边坡土容重、粘聚力、内摩擦角、地　目前许多学者对边坡稳定性的影响因素进行敏　下水位以及坡比等５个影响因素，分别采用单因素　收稿日期：２０１５一Ｏ１—１２　基金项目：西华大学流体及动力机械省部共建教育部重点实验室项目“基于非线性科学方法的流体渗透破坏及控制研究”　（ＳＢＺＤＰＹ一１１—９）；西华大学研究生创新基金项目“高、陡边坡开挖过程稳定性分析与研究”（ｙｏｊ２０１４０６７）　作者简介：钟学梅（１９９０一），女（汉族），四川乐山人，在读硕士研究生，研究方向：岩土工程。　付成华（１９７８一），女（汉族），湖北襄阳人，副教授，博士，研究方向：水利水电工程，通信作者邮箱：ｆｕｃｈｈ—ｘｈｕ＠１６３．　ｃｏｍｏ　成都工业学院学报ｈｕｔ，：／／ｐａｐｅｒ．ｃ妣．　．ｃｎ／　第１８卷　分析法和正交试验法进行敏感性分析，利用极限平　由表２可知：粘聚力越大，Ｋ越大。　衡法中的Ｍｏｒｇｅｎｓｔｅｒｎ—ｐｒｉｃｅ法计算不同因素条件下　表３　内摩擦角敏感性分析　的边坡稳定安全系数，并以此作为试验指标，利用极　壁堡鱼　：　！　丝　丝　差分析法　分析其变化规律，根据安全系数的变化　安全系数Ｋ　１．４２０　１．５１９　１．６２０　１．７２４　１．８３１　幅度，确定各因素影响程度、敏感性大小。同时，通　由表３可知：　随着内摩擦角的增大而增大。　过对比单因素分析法和正交试验法的分析，进一步　表４地下水敏感性分析　探讨２种分析方法的优缺点。　地下水位／ｍ　０　３　６　９　１２　ｌ　单因素法进行敏感性分析　安全系数Ｋ　１．６２０　１．４４８　１．４５７　１．５２５　１．６２０　单因素分析法是一种比较简单的、用于分析影　由表４可知：地下水位越低越有利于边坡稳定。　响因素敏感性大小的方法　。边坡稳定性影响因素　表５　坡比敏感性分析　的敏感性分析常将稳定安全系数　作为试验指标，Ｋ　坡比　３　２．５　２　１．５　１　与影响因素　之间的函数关系可表示为：Ｋ＝．厂（Ｘ　，　安全系数Ｋ　２．０９４　１．８５６　１．６２０　１．４１１　１．１３６　…，，　）。　由表５可知：随着坡比的增大，　越来越大，越　有利于边坡的稳定。　综合计算出这５个因素的敏感度如表６所示，　可见：边坡坡比的敏感度最大，其次是土体的内摩擦　角、粘聚力、土容重，最不敏感的因素是地下水位。　Ｉ．—————　———一　图１均质边坡剖面　表６敏感度计算结果　以图１所示的均质土质边坡为例，单因素敏感　性的分析步骤为：　１）选定基准值坡高１０　ｍ，坡顶距左边界２０　ｍ，　坡脚距右边界１０　ＩＴＩ，坡比为１：２，粘聚力１４　ｋＰａ，土　容重１８　ｋＮ・ｉｎ一，内摩擦角２Ｏ。，不考虑地下水，计算　出　。　２　多因素正交试验法进行敏感性分析　２）分别改变土容重、粘聚力、内摩擦角、地下水　多因素分析法考虑了各因素变化之间的相关　位及坡比，利用ｇｅｏ—ｓｌｏｐｅ软件，采用极限平衡法中的　性，能反应出各因素同时变化对边坡稳定性的影响。　Ｍｏｒｇｅｎｓｔｅｍ．ｐｒｉｃｅ法【ｌ　计算不同因素条件下的　。　这里采用多因素分析法中的正交试验设计方法＂　来　３）分别计算出Ｋ的相对变化率和各因素的相对　考虑多因素同时变化的相关性。　变化率，其比值即为各因素的敏感度Ｓ　＝Ｉ　／　Ｉ／　以图１所示的均质边坡为例，具体步骤为：　ｌＡＸ　／Ｘ　ｌ，其中：Ｉ　ＡＫ　／Ｋｉ　ｌ为　的相对变化率；　１）考虑土容重、粘聚力、内摩擦角、地下水位、坡　ｌＡＸ　／Ｘ　ｌ为各因素的相对变化率。　比５个因素对边坡稳定性的影响，采用５因素３水　单因素敏感性分析结果如表１—６所示。　平进行正交试验，因素水平如表７所示。　表１重度敏感性分析　表７因素水平表　±盔重　（　：　）　：　：　！　！：　！：　安伞系数Ｋ　１．７８９　１．６９５　１．６２０　１．５５９　１．５０８　由表１可知：随着土容重的增加，Ｋ呈减小趋势。　表２粘聚力敏感性分析　鳖鐾　：　：　：！　！　：　安全系数Ｋ　１．４８５　１．５５３　１．６２０　１．６８８　１．７５５　２）根据正交试验原则和特点，选择合适的正交　２０１５年第２期　钟学梅，付成华，何欢，赵川：土质边坡稳定影响因素的敏感性分析　表９极差分析表　表　（口　），其中：　为正交表符号；ｍ为试验次数；０　为因素的水平数；ｒ为正交表列数。这里有５因素３　水平，故选用　（３　），确定正交试验方案。　３）利用ｇｅｏ．ｓｌｏｐｅ软件，采用极限平衡法中的　Ｍｏｒｇｅｎｓｔｅｍ—ｐｒｉｃｅ法计算不同试验方案下的边坡稳　定安全系数。　４）以稳定安全系数作为考察指标，对试验结果　３　结语　进行极差分析　］，确定这些影响因素的敏感度。　采用极限平衡法对土容重、粘聚力、内摩擦角、　正交试验方案及稳定安全系数计算结果如表８　地下水位以及边坡的坡比进行了单因素和多因素　所示。　表８正交试验方案及计算结果　敏感性分析表明：单因素分析法单独考虑各个影响　因素的变化，没有考虑因素间的相关性，试验结果　具有局限性，不过单因素分析法能直观地反映单一　因素对边坡稳定性的影响。正交试验法考虑了多　因素间的相关性，试验结果更加准确，采用多因素　正交试验法进行敏感性分析更合理。同时由敏感　性分析确定出了影响边坡稳定性的主要因素和次　要因素，即坡比的敏感性最强为主要影响因素，其　次分别为土体的物理力学参数：内摩擦角、粘聚力、　土容重，敏感性最小的是地下水位，这对土质边坡　稳定和灾害防治有一定的参考价值。通常实际工　程边坡的稳定性还受降雨、地震等因素的影响。影　响因素越多，且这些因素之间相互影响、相互作用，　实际情况将越复杂，因此，进一步深入研究边坡稳　定影响因素的敏感性对实际工程边坡治理和灾害　防治具有重要意义。　参考文献：　［１］陈祖煜．土质边坡稳定分析：原理・方法・程序［Ｍ］．北京：中国　水利水电出版社，２００５．　由正交试验设计方案计算得到的边坡最大安全　系数为２．３８６，对应方案３：土容重取最小值，粘聚力　和内摩擦角取最大值，地下水位取最低水位，坡比取　［２］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。２４（ｓ２）：５３５５—５３５９．　［３］郑颖人，陈祖煜，王恭先，等．边坡与滑坡工程治理［Ｍ］．北京：人　民交通出版社，２００７．　最大值，即边坡坡度越缓、土体的粘聚力和内摩擦角　越大、地下水位越低、土容重越小，越有利于边坡的　稳定。　［４］何本贵，高谦，刘芳．公路路堑边坡稳定性影响因素正交分析与　数值模拟［Ｊ］．岩土工程学报，２００５，２７（６）：７１６—７１９．　根据表８的计算结果，求出各个因素相同水平　下的平均值，用最大值减去最小值得到极差，极差分　析结果如表９所示。由极差分析结果可知，边坡稳　定的这５个影响因素中敏感性由强到弱分别为坡　比、内摩擦角、粘聚力、土容重和地下水位。　［５］倪恒，刘佑荣，龙治国．正交设计在滑坡敏感性分析中的应用　［Ｊ］．岩石力学与工程学报，２００２，２１（７）：９８９—９９２．　［６］曹军义，展辰辉，王改山．土质高边坡稳定因素的敏感性分析　［Ｊ］．岩石力学与工程学报，２００５，２４（ｓ２）：５３５０—５３５４．　［７］吕晓光，崔可锐，李丹，等．基于Ｐｌａｘｉｓ的土质边坡稳定性影响因　素分析［Ｊ］．安徽建筑工业学院学报，２０１０，１８（３）：６７—７１．