位移矢量角在堆積層滑坡預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)中的應(yīng)用研究

李 晶 朱亞杰 張嘉鑫

(1.中國石油工程建設(shè)公司華東環(huán)境巖土工程分公司，山東 青島 266071；2.青島理工大學(xué) 山東省地質(zhì)環(huán)境與效應(yīng)工程技術(shù)研究中心，山東 青島 266033)

位移矢量角在堆積層滑坡預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)中的應(yīng)用研究

李 晶1朱亞杰1張嘉鑫2

(1.中國石油工程建設(shè)公司華東環(huán)境巖土工程分公司，山東 青島 266071；2.青島理工大學(xué) 山東省地質(zhì)環(huán)境與效應(yīng)工程技術(shù)研究中心，山東 青島 266033)

引入能反映滑坡坡體受力方向變化規(guī)律的特征參數(shù)——位移矢量角，運(yùn)用有限元程序ANSYS進(jìn)行數(shù)值模擬，研究堆積層滑坡在不同部位的位移矢量角變化趨勢(shì)，為滑坡預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)提供參考依據(jù)。

堆積層滑坡，位移矢量角，數(shù)值模擬，預(yù)測(cè)

0 引言

滑坡是地殼表層巖體的一種地災(zāi)現(xiàn)象，是一種多發(fā)性的地質(zhì)災(zāi)害，給城市規(guī)劃、交通建設(shè)、水利、礦山開采等造成巨大損失，據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)，每年自然災(zāi)害給我國造成的直接損失高達(dá)千億元，其中滑坡等占20%左右[1]，滑坡災(zāi)害的防治問題亟待解決。

目前，國內(nèi)外一些學(xué)者對(duì)位移矢量角參數(shù)在堆積層滑坡預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)中的應(yīng)用進(jìn)行了相關(guān)的研究，并取得了一定的研究成果，其中的代表性研究方法主要有數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析法和有限元分析法。例如，賀可強(qiáng)等[2]對(duì)邊坡塑性滑移階段的位移矢量角及其與滑坡穩(wěn)定性的關(guān)系進(jìn)行了系統(tǒng)的分析，運(yùn)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)的趨勢(shì)位移分析原理構(gòu)建邊坡位移矢量角和位移速率參數(shù)統(tǒng)計(jì)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)判據(jù)；陽吉寶等[3]運(yùn)用灰色理論，針對(duì)堆積層滑坡變形破壞的特點(diǎn)，對(duì)滑坡位移觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理，得出相關(guān)灰色位移矢量角。土體擴(kuò)容對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響方面研究，國外學(xué)者M(jìn)azarin[4]利用有限元的思想，經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)邊坡失穩(wěn)區(qū)域邊緣左側(cè)節(jié)點(diǎn)的豎直位移在體力增加到最終值時(shí)突然增大，而位于破壞區(qū)右側(cè)的節(jié)點(diǎn)，則表現(xiàn)出很小的變化，豎直位移突然增大說明邊坡垂直位移矢量角在邊坡失穩(wěn)時(shí)將要發(fā)生突變；國外學(xué)者Kim[5]利用有限元對(duì)邊坡進(jìn)行分析中也發(fā)現(xiàn)邊坡在臨界失穩(wěn)時(shí)其位移速率矢量場(chǎng)發(fā)生突變，其垂直位移矢量角有明顯偏轉(zhuǎn)。

1 邊坡位移矢量角的定義及其與邊坡穩(wěn)定性的關(guān)系

邊坡位移矢量角，是邊坡位移矢量與水平面的夾角，即為垂直位移矢量角。對(duì)滑坡原始位移監(jiān)測(cè)資料中的垂直和水平位移進(jìn)行二次再生處理，抽象出原始資料的規(guī)律性，便于總結(jié)邊坡運(yùn)動(dòng)運(yùn)移規(guī)律。令x(0),y(0)分別為水平和豎直位移序列，x(1),y(1)為它們的累加序列[3,6]：

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

即可得到所設(shè)置觀測(cè)點(diǎn)的位移矢量角數(shù)據(jù)序列。

位移矢量角是一個(gè)矢量，具有方向和大小兩個(gè)數(shù)量值，兩個(gè)數(shù)量值構(gòu)成了位移矢量場(chǎng)。邊坡位移矢量場(chǎng)是邊坡運(yùn)行運(yùn)移狀態(tài)的直接數(shù)值反映，同時(shí)也反映了邊坡的穩(wěn)定狀態(tài)。邊坡的不同穩(wěn)定演變階段所具有的位移矢量角表現(xiàn)著不同的變化特征，因此，可以利用位移矢量角的變化規(guī)律來研究邊坡的穩(wěn)定性的演化規(guī)律[2]。

2 堆積層滑坡位移矢量角變化規(guī)律數(shù)值分析

1)屈服準(zhǔn)則。Drucker-Prager準(zhǔn)則[7]是目前巖土工程領(lǐng)域中常用的屈服準(zhǔn)則，同時(shí)也是巖土工程問題的解決中所應(yīng)用的大型有限元軟件所采納的，其表達(dá)式為：

(6)

2)滑坡數(shù)值模型的建立。根據(jù)地質(zhì)調(diào)查所確定的某滑坡的某典型剖面，進(jìn)行平面非線性有限元分析，將坡體作為變形體，按照土的變形特性，計(jì)算土坡內(nèi)的應(yīng)力分布?；麦w后緣取至公路切坡導(dǎo)致的剪出口處，底部深度延至滑體高度的3倍左右，以滿足計(jì)算精度要求。坐標(biāo)系為：垂直向上為y軸的正向，水平指向河床為x軸的正向，原點(diǎn)為滑坡體后緣起點(diǎn)，按照平面應(yīng)變建立模型。邊界條件：在滑體前后緣的垂直邊界上為水平約束，底部約束條件為雙向固定約束。計(jì)算模型采用四邊形節(jié)點(diǎn)(Plane82)單元，有限元?jiǎng)澐钟? 547個(gè)單元，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為7 880，網(wǎng)格劃分情況如圖1所示。

3)滑坡位移矢量角變化規(guī)律分析。按照強(qiáng)度折減法的思想，對(duì)土的原始強(qiáng)度指標(biāo)進(jìn)行一系列的折減，將折減后的c,φ值代入程序進(jìn)行有限元計(jì)算，得到邊坡的位移、應(yīng)力的數(shù)值解。經(jīng)多次迭代運(yùn)算，當(dāng)c=1.5×108Pa，φ=20°時(shí)，程序恰好不收斂，邊坡達(dá)到了臨界狀態(tài)。

假設(shè)此時(shí)的折減系數(shù)是1.0，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，在滑坡的前部、中前部、中部、中后部及滑坡后部各設(shè)置了兩個(gè)觀測(cè)點(diǎn)；根據(jù)模擬計(jì)算結(jié)果，得出各節(jié)點(diǎn)位移矢量角如表1所示。

表1 滑坡各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移數(shù)據(jù)及位移矢量角

從各節(jié)點(diǎn)位移矢量角來看，數(shù)據(jù)比較符合牽引式滑坡的特征，前端位移矢量角較小，說明前端位移以水平位移占優(yōu)，位于邊坡頂端的290節(jié)點(diǎn)甚至出現(xiàn)負(fù)角，說明該邊坡頂端滑動(dòng)出現(xiàn)上揚(yáng)現(xiàn)象，這是在剪出口位置才可能發(fā)生的情況，而事實(shí)上290節(jié)點(diǎn)正位于剪出口位置。這說明了模型參數(shù)設(shè)置合理，得到的數(shù)據(jù)比較可信，可以作為分析計(jì)算的依據(jù)。從表1可以看出，邊坡中前部位移矢量角均較小，邊坡已經(jīng)開始出現(xiàn)險(xiǎn)情，治理迫在眉睫。

由于各個(gè)折減系數(shù)下的模擬計(jì)算是重復(fù)進(jìn)行的，所以其他折減系數(shù)下的邊坡位移矢量角僅給出計(jì)算結(jié)果。根據(jù)D-P準(zhǔn)則，對(duì)c，φ值進(jìn)行折減，折減系數(shù)即為折減系數(shù)F。以折減系數(shù)為1.0為基點(diǎn)，折減計(jì)算出其他幾個(gè)折減系數(shù)下對(duì)應(yīng)的c,φ值，見表2。

表2 在各折減系數(shù)下所對(duì)應(yīng)的c,φ值

將表2中各c,φ值代入模型進(jìn)行模擬計(jì)算，給出在各折減系數(shù)下的所設(shè)各觀測(cè)點(diǎn)的位移矢量角(見表3)。

表3 邊坡各監(jiān)測(cè)點(diǎn)在折減系數(shù)下的位移矢量角

總體上看，位移矢量角是隨折減系數(shù)的變化而改變的，圖 2給出了邊坡模型前緣的位移矢量角隨邊坡穩(wěn)定性演化的曲線圖，隨著邊坡折減系數(shù)的降低，位移矢量角也在減小，在邊坡折減系數(shù)低于1.0時(shí)，位移矢量角急劇減小。當(dāng)折減系數(shù)達(dá)到0.95時(shí)，程序計(jì)算已經(jīng)不收斂了，節(jié)點(diǎn)290的值已經(jīng)為0，說明邊坡已經(jīng)破壞，而節(jié)點(diǎn)25的位移矢量角也急劇減小，并當(dāng)折減系數(shù)為0.9時(shí)也不收斂了。根據(jù)前面所述理論，邊坡位移矢量角的減小，說明土體有向臨空方向運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)，在前緣表現(xiàn)為隆起、剪出[9]。

邊坡中部、后部觀測(cè)點(diǎn)的位移矢量角隨折減系數(shù)變化曲線圖如圖3,圖4所示。

從總體趨勢(shì)來看，隨著時(shí)間的推移，c,φ值也逐漸降低，位移矢量角也在逐漸降低，即位移矢量角是隨折減系數(shù)的降低而降低的，與邊坡前緣相比，邊坡前中前緣、中部以及中后緣的位移矢量角的變化突發(fā)性依次減小。從數(shù)值上看，當(dāng)c,φ值降低到某個(gè)程度時(shí)，即折減系數(shù)低于1.0時(shí)，位移矢量角開始急劇減小，當(dāng)折減系數(shù)調(diào)整為0.93時(shí)，位移矢量角數(shù)值急轉(zhuǎn)直下，當(dāng)折減系數(shù)調(diào)整為0.90時(shí)，程序計(jì)算時(shí)絕大數(shù)節(jié)點(diǎn)不收斂。

3 結(jié)語

通過上述分析研究，可以得出以下結(jié)論：1)基于邊坡位移矢量場(chǎng)的原理，結(jié)合數(shù)學(xué)建模進(jìn)行數(shù)值分析，通過對(duì)邊坡位移矢量場(chǎng)動(dòng)態(tài)變化的分析和研究，能夠?qū)Χ逊e層滑坡的穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)。2)在彈塑性力學(xué)分析方法基礎(chǔ)上，運(yùn)用邊坡的位移信息分析研究堆積層滑坡不同部位的位移矢量角的變化趨勢(shì)，以位移矢量角的形式反映邊坡穩(wěn)定性的變化規(guī)律，在對(duì)滑坡治理方案進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)上有數(shù)理支持價(jià)值。

[1] 黃潤秋，許 強(qiáng).工程地質(zhì)廣義系統(tǒng)科學(xué)分析原理及其應(yīng)用[M].北京：地質(zhì)出版社，1997.

[2] 賀可強(qiáng)，陽吉寶，王思敬.堆積層邊坡表層位移矢量角及其在穩(wěn)定性預(yù)測(cè)中的作用與意義[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2003,22(12):1976-1983.

[3] 陽吉寶，鐘正雄.位移矢量角在堆積層滑坡時(shí)間預(yù)報(bào)中的應(yīng)用[J].山地研究，1995，13(1):49-54.

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[6] 賀可強(qiáng)，陽吉寶.堆積層邊坡位移矢量角的形成作用機(jī)制及其與穩(wěn)定性演化關(guān)系的研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2002，21(2)：185-192.

[7] 王勖成，邵 敏.有限單元法基本原理與數(shù)值方法[M].第2版.北京：清華大學(xué)出版社，2002.

[8] 龔曉南.土工計(jì)算機(jī)分析[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2000.

On application of displacement vector angle in forecasting of accumulation landslide

Li Jing1Zhu Yajie1Zhang Jiaxin2

(1.EastChinaEnvironmentalGeotechnicalBranch,ChinaPetroleumEngineering&ConstructionCorp,Qingdao266071,China;2.ShandongGeologicalEnvironmentandEffectEngineeringTechnicalResearchCenter,QingdaoUniversityofTechnology,Qingdao266033,China)

The paper leads the displacement vector angle, the characteristic parameter, which can reflect the law of changes for stressed direction of landsclides, adopts the finite element program, ANSYS, to undertake the numeric simulation, and researches the change tendency for the displacement vector angles of accumulation landslides, so as to provide some reference for forecasting the landslides.

accumulation slope, displacement vector angle, numerical simulation, forecasting

2015-01-08

李 晶(1980- )，男，碩士，工程師； 朱亞杰(1981- )，男，工程師； 張嘉鑫(1989- )，男，在讀碩士

1009-6825(2015)08-0090-03

P642.22

A