强度折减法边坡稳定性分析中的优势

作者：Reginald Hammah 博士

介绍

十七年前，也就是2004年，我们在RocNews上写了一篇文章，概述了我们对边坡稳定性分析的强度折减法（SSR）的看法。如您所知，该技术允许使用数值方法（例如有限元法FEM）来确定边坡的安全系数。

文章指出：“通过检查有限元分析和极限平衡方法在边坡设计和分析中的优点，我们认为，在可预见的未来，这两种方法将共存。将会一起成为一个工具去解决边坡的稳定性问题。几十年来岩土工程中积累的极限平衡方法的经验是无价的，不能被轻易取代。”

另一方面，几种类型的岩土工程问题不容易用极限平衡方法分析，但可以通过有限元强度折减法处理。如今技术的进步和计算能力成本的缩减使得强度折减法（SSR）能够轻松解决这类问题。此外，SSR技术可用于解决极限平衡方法中的歧义。

因此强度折减法（SSR）方法将与极限平衡方法方法共存，并且传统的极限平衡方法也不会被轻易取代。但是现在我们希望强度折减法和极限平衡法被使用的频率一样，但这目前都没有实现。

应力分布和速度（在某些情况下）——极限平衡方法的两个关键挑战
确定边坡的临界破坏面或破坏机制以及相关的安全系数是边坡稳定性分析的基本任务。在计算机时代，极限平衡方法是处理这些任务最流行的方法，他们还是很适用的，但是也有很多关于他们的局限性以及将他们应用于超出其极限危险的文章。

极限平衡分析的主要缺点之一是应力分布的有效性。这些方法通过简化假设土条上的内力或外力来确定边坡稳定性问题，由于这些假设不考虑应力和位移之间的关系，因此他们并不总是产生真实的应力分布。

极限平衡方法被广泛使用，部分原因是它们的计算的速度快，但是在复杂的几何问题中，有时候需要增加土条数量以便于得到关键的失效机制，这时候会大大降低计算速度，甚至落后于强度折减法的分析速度。

强度折减法（SSR）的五个优势

1、强度折减法与极限平衡法相比在生成真实的应力分布方面有很大的优势。

2、SSR方法分析不需要对失效表面类型、形状和位置先进行假设。而是会自动建立关键破坏面的失效机制，该方法可以自动监测破坏区的发展，范围从局部不稳定性到整体边坡的坍塌。

3、鉴于材料的实际变形特性（尤其是杨氏模量），SSR方法可以预测失效时的预期变形。尽管变形特性不会对安全系数数值产生太大的影响，但是它们可以改变失效机制。这方面可以显著提高我们检测边坡的能力。

4、SSR技术可以在同一分析中同时考虑材料的峰值强度和残余强度。

5、当土条数量较多时，SSR分析在某些条件下和极限平衡方法一样快甚至更快，同时也能准确得到破坏面。

最大剪切应变和总位移等值线来自SSR分析中的一个简单边坡示例，其中所有材料都具有相同的杨氏模量。

来自SSR分析中的一个简单的边坡示例的最大剪切应变和总位移等值线，其中基础具有低得多的杨氏模量。

使用Slide3中的LEM方法（左）和RS3中的SSR方法（右）进行露天稳定性分析

总结

尽管SSR分析并不是能解决所有边坡稳定性分析，但是它所具有的优势至少可以和传统的极限平衡方法相提并论，我们希望在日常的工程实践中也可以能够经常运用此类方法。

为了方便该方法的常规应用，Rocscience将SSR方法更紧密地集成到极限平衡方法中，除了土条的极限平衡方法外，还计划在Slide2中添加一个功能，用于选择SSR方法。

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