基于層次分析法的邊坡安全穩(wěn)定性評價研究

查 俊

（廣西交通設計集團有限公司，廣西 南寧 530012）

眾所周知，邊坡滑坡給我們生存的世界造成了巨大的破壞，但由于其復雜多樣性，科學界至今還沒有弄清邊坡失穩(wěn)的形成機理和觸發(fā)條件。將滑坡系統(tǒng)環(huán)境、邊坡滑坡系統(tǒng)行為、邊坡外部擾動等作為定性評價邊坡穩(wěn)定的主要影響因素，分析確定影響邊坡安全穩(wěn)定的主要因素，控制影響邊坡穩(wěn)定性的主要因素，從而確保邊坡在運行過程中的安全穩(wěn)定。

1 邊坡穩(wěn)定性判定因素

1.1 自然環(huán)境因素

（1）大氣環(huán)境，滑坡系統(tǒng)大氣環(huán)境是指由太陽輻射引起空氣的溫度、濕度、風速、氣壓和降水等?；孪到y(tǒng)對大氣環(huán)境普遍比較敏感。（2）水環(huán)境，水環(huán)境是指滑坡系統(tǒng)的地表水和地下水環(huán)境。（3）生物環(huán)境，生物環(huán)境是指滑坡系統(tǒng)所處的植被環(huán)境、人工環(huán)境。植被破壞和人類活動有時是一些特殊滑坡的主要原因。（4）地質(zhì)環(huán)境，滑坡系統(tǒng)所處的地質(zhì)構(gòu)造、地層巖性、地形地貌及已有的不良地質(zhì)作用情況。

1.2 邊坡裂縫因素

滑坡系統(tǒng)要素中的關鍵要素膨脹棄土在內(nèi)部條件和外部作用下產(chǎn)生裂縫。內(nèi)部條件是土體的力學性質(zhì)，如抗拉抗壓抗剪強度等；外界作用包括直接作用（如加載）和間接作用（如風化、脹縮、溫差、滲流、沉降差）。直接作用下土體產(chǎn)生承載受力裂縫，主要有壓拉裂縫、壓剪裂縫兩種形式。間接作用下土體產(chǎn)生風化裂縫、脹縮裂縫、溫差裂縫、沉降裂縫。裂縫信息，可對其受到的應力狀態(tài)進行反分析，從而確定滑坡系統(tǒng)的各種行為，比如拉張、剪切、脹縮、滑動等。

1.2.1 壓拉裂縫

在外荷載及重力共同作用下，坡面上部土體受拉，下部受壓，當彎矩大于土體內(nèi)部強度，先后會在坡面土體產(chǎn)生多道彎拉裂縫，最大裂縫一般位于最大彎矩處；裂縫一般呈楔形，垂直主拉應力跡線，一般不貫穿截面。這與拉張裂縫J1、J2 現(xiàn)場調(diào)查結(jié)果一致。根據(jù)開裂彎矩公式，以現(xiàn)場調(diào)查出裂縫的長度、張開寬度、楔形體深度可以對滑體的開裂應力進行反分析。

1.2.2 剪切裂縫

土體產(chǎn)生剪切破壞，裂縫方向與荷載作用往往呈一定夾角，剪切裂縫為非表面裂縫，一般是貫通性裂縫，平直、光滑狀，有擦痕。這與裂縫J3 現(xiàn)場調(diào)查結(jié)果一致。根據(jù)剪應力破壞公式，可以對滑坡破壞時的剪切應力值進行反分析。

1.2.3 脹縮裂縫

脹縮裂縫經(jīng)過多次脹縮循環(huán)，最終形成可見脹縮裂縫，并在土體表面呈龜裂狀發(fā)展，往土體內(nèi)部延展深度不大。

1.2.4 溫差裂縫

受熱脹冷縮影響，溫差裂縫與所處的土體位置、暴露時間、溫度變化和氣候特點等因素有關。

1.2.5 沉降裂縫

滑坡系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成本身的不均勻性及所受荷載的不對稱，使得滑坡系統(tǒng)在荷載作用下產(chǎn)生強迫性的不均勻位移，從而產(chǎn)生沉降裂縫。目前對這種復雜的沉降關系與應力狀態(tài)研究較少。

1.3 邊坡外部擾動因素

1.3.1 挖方施工

施工順序一般為清表-開挖便道-從上到下逐層挖方-工程防護。清表時破壞了坡面保護層，邊坡土體直接受到外部環(huán)境中的風、水流和溫差作用，因此最先產(chǎn)生的是風化裂縫、脹縮裂縫和溫差裂縫等間接裂縫。邊坡最上一級剖面開挖出來后，間接裂縫加劇發(fā)展。

1.3.2 填方施工

填方邊坡不斷加載，裂縫在邊坡上坡腳、坡頂與臨空面相交處、坡面形狀突變集中，這些部位受到其他的荷載作用或是力學強度降低時易產(chǎn)生破壞。本滑坡受坡頂填土荷載影響，對臨空面土體產(chǎn)生擠壓作用，土體在推力作用下不斷產(chǎn)生裂縫，當水平推力大于土體抗拉強度，滑體產(chǎn)生整體下挫滑動。

1.3.3 其他擾動因素

邊坡在服役期間，影響邊坡使用性能的其他擾動因素包括：車輛撞擊荷載對邊坡坡腳造成的擾動，強降雨對邊坡的坡表面造成的沖刷，地震荷載對邊坡造成的瞬時強擾動等。

2 層次分析法的評價體系與指標權(quán)重確定

2.1 邊坡穩(wěn)定性評價體系制定

邊坡穩(wěn)定性層次分析法評價體系主要包括目標層、準則層和指標層，將邊坡安全穩(wěn)定性作為層次分析法評價體系的目標層，將邊坡所處的自然環(huán)境、邊坡現(xiàn)階段存在的裂縫、邊坡受到外部擾動因素等作為準則層，對準則層再進行細化指標作為邊坡穩(wěn)定性影響因素的指標層，具體的邊坡穩(wěn)定性安全評價體系如圖1 所示。

圖1 邊坡穩(wěn)定性安全評價體系

根據(jù)圖1 邊坡穩(wěn)定性安全評價體系可知，評價體系的影響因素集合X={X1，X2，X3}，X1={x11，x12，x13，x14}，X2={x21，x22，x23，x24，x25}，X3={x31，x32，x33}，其中目標層X為邊坡；Xi為準則層，X1為邊坡所處的自然環(huán)境，X2為邊坡現(xiàn)階段存在的裂縫，X3為邊坡受到外部擾動因素；xij為指標層，x11~x33分別為圖1 中的邊坡穩(wěn)定影響指標因素。

2.2 確定風險權(quán)重

為分析邊坡在服役過程中的安全穩(wěn)定性，需確定邊坡安全穩(wěn)定的各個評價指標的權(quán)重，各個評價指標的權(quán)重大小可以根據(jù)層次分析法進行確定，列出邊坡安全穩(wěn)定的判斷矩陣，并計算邊坡安全穩(wěn)定判斷矩陣的特征值，以及對各個評價指標影響因素的權(quán)重進行排序，分析步驟如下。

（1）邊坡安全穩(wěn)定評價指標在評分過程中，需要將邊坡安全穩(wěn)定的同一準則層的評價指標進行兩兩比較并進行評分賦值，評分分值見表1。

表1 邊坡安全穩(wěn)定影響因素的分值賦值表

（2）根據(jù)評價指標的評分結(jié)果確定判斷矩陣，并根據(jù)計算幾何平均公式計算判斷矩陣每行元素的幾何平均值，具體的幾何平均計算公式如式（1）所示。

（3）將計算得出判斷矩陣每行元素的幾何平均值利用歸一化公式（2）進行歸一化處理，具體的公式如式（2）所示。

（4）計算判斷矩陣的最大特征值λmax，最大特征值的計算公式如式（3）所示。

式中：（Aω）i為向量nωi的第i個元素。

（5）計算一致性檢驗數(shù)CI的計算對計算結(jié)果的一致性進行檢驗，一致性檢驗公式如式（4）所示，CI與RI值（表2）進行對比相除，如式（5）所示，其值與0.1 進行對比，若小于0.1 則一致性較好，若大于0.1 則一致性較差；

表2 判斷矩陣的RI 值

式中：n為階數(shù)，CI值越大，判斷矩陣的一致性越差，反之CI值越小，判斷矩陣的一致性越好。

（6）當矩陣滿足一致性要求時，可以把ω 作為各個評價影響因素的權(quán)重。

根據(jù)邊坡安全穩(wěn)定影響因素的權(quán)重和矩陣一致性的計算結(jié)果，進行判定影響邊坡安全的主要因素。

3 邊坡安全影響主次因素定性分析

根據(jù)表1 與公式（1）至公式（5）對影響邊坡安全穩(wěn)定的因素進行計算、排序和評價，并確定各個生產(chǎn)質(zhì)量影響因素的權(quán)重，見表3。

表3 以邊坡安全穩(wěn)定的外部擾動因素作為判斷矩陣和權(quán)重

將矩陣的列向量進行歸一正規(guī)化，得到列正規(guī)化的判斷矩陣：

將矩陣（6）按行進行相加，計算結(jié)果作為一個向量（1.90，0.78，0.32），對該向量進行正規(guī)化處理得到特征向量（0.63，0.26，0.11），計算判斷矩陣最大特征值。

所以最大特征值：λmax=3.04。

一致性指標和一致性比例：CI=0.019。

綜上所述，邊坡在服役階段中，影響邊坡安全穩(wěn)定的最大影響因素為邊坡所處的自然因素，其權(quán)重為0.63；其次為邊坡現(xiàn)階段含有的裂縫，其權(quán)重為0.260；影響最小的準則層為邊坡受到外界擾動，權(quán)重為0.106。

同理可得，邊坡安全穩(wěn)定指標層影響因素的評價指標權(quán)重的大小。具體見表4-表6。

表4 以邊坡所處環(huán)境為指標的判斷矩陣和權(quán)重

表5 以邊坡現(xiàn)階段裂縫為指標的判斷矩陣和權(quán)重

表6 以邊坡受到外部擾動因素的判斷矩陣和權(quán)重

將表4-表6 評價指標的權(quán)重與表3 的準則層因素的權(quán)重相乘，從而確定各個評價指標的權(quán)重大小，評價指標綜合權(quán)重計算結(jié)果見表7。

表7 邊坡安全穩(wěn)定影響因素的綜合權(quán)重

由表7可知，邊坡在服役過程中影響其安全穩(wěn)定性較大的因素依次為邊坡所處的地質(zhì)環(huán)境、邊坡所處的水環(huán)境、邊坡存在的拉壓裂縫、邊坡所處的生物環(huán)境，邊坡受到挖方施工處理等，所以邊坡在服役過程中，為確保邊坡安全穩(wěn)定應該主要控制上述主要影響因素。

4 結(jié)論

邊坡屬于公路工程中重要的構(gòu)造物，其安全穩(wěn)定性嚴重影響公路工程的正常運行，尤其邊坡失穩(wěn)會對生命安全和財產(chǎn)安全造成巨大的威脅。為此提出邊坡安全穩(wěn)定性評價指標，從定性的角度分析，控制邊坡安全穩(wěn)定主要因素，從而確保公路工程運行安全。