超厚滑坡穩(wěn)定性數(shù)值分析

王秀麗,陳美合,于光明

(1.蘭州理工大學(xué) 土木工程學(xué)院,甘肅 蘭州　730050;

2.西部土木工程防災(zāi)減災(zāi)教育部工程研究中心,甘肅 蘭州　730050)

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超厚滑坡穩(wěn)定性數(shù)值分析

王秀麗1,2,陳美合1,2,于光明1,2

(1.蘭州理工大學(xué) 土木工程學(xué)院,甘肅 蘭州730050;

2.西部土木工程防災(zāi)減災(zāi)教育部工程研究中心,甘肅 蘭州730050)

摘要以鎖兒頭滑坡工程為背景,探討其穩(wěn)定性,并研究滑帶土的摩擦角及內(nèi)聚力對(duì)超厚滑坡安全系數(shù)的影響。結(jié)果表明:采用強(qiáng)度折減法計(jì)算安全系數(shù)與采用不平衡推力法的計(jì)算結(jié)果基本一致,二者誤差不超過5%,說明所建立H0-2-2滑坡數(shù)值分析模型是可靠的;滑坡后壁局部滑塌,與實(shí)際勘測結(jié)果一致;滑坡屬于推移式滑動(dòng),發(fā)生剪切破壞的潛在位置在滑坡體中段及后端;安全系數(shù)隨著摩擦角及內(nèi)聚力的增大而增大,摩擦角增大70%時(shí),安全系數(shù)增大5.4%,內(nèi)聚力增大70%時(shí),安全系數(shù)增大10.7%,且后者對(duì)安全系數(shù)的影響比前者大。

關(guān)鍵詞超厚滑坡;穩(wěn)定性;安全系數(shù);摩擦角;內(nèi)聚力

邊坡穩(wěn)定性分析是巖土工程中的一個(gè)熱點(diǎn)問題,正確分析邊坡穩(wěn)定性對(duì)確保人民生命財(cái)產(chǎn)安全具有重要意義。國內(nèi)外的學(xué)者對(duì)邊坡穩(wěn)定性問題作了大量的研究工作。張曉詠等[1]應(yīng)用ABAQUS程序進(jìn)行滲流作用下邊坡穩(wěn)定分析;許江波等[2]應(yīng)用FLAC3D分析彈性模量、時(shí)間間隔、局部阻尼系數(shù)的選取對(duì)土質(zhì)及軟巖邊坡地震穩(wěn)定性影響,提出一種全新的動(dòng)力邊坡穩(wěn)定性判斷方法;武科等[3]應(yīng)用FLAC3D對(duì)壩體灌漿前后穩(wěn)定性進(jìn)行數(shù)值模擬分析;劉玉麗等[4]應(yīng)用FLAC強(qiáng)度折減法分析邊坡安全系數(shù)的影響因素;胡浩等[5]探討了基于強(qiáng)度折減法的分層邊坡安全系數(shù)影響因素;巨能攀等[6]用3DEC探討巖質(zhì)邊坡塊體失穩(wěn)動(dòng)態(tài)過程,分析塊體之間的相互關(guān)系,確定關(guān)鍵塊體,利用塊體理論評(píng)價(jià)其穩(wěn)定性,為治理設(shè)計(jì)提供依據(jù);李忠等[7]對(duì)滑坡地帶多級(jí)路塹邊坡階梯開挖三維數(shù)值模擬進(jìn)行分析,但以上的研究是對(duì)淺層或中層邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析,而對(duì)超厚非均質(zhì)邊坡研究較少。現(xiàn)在前人研究的基礎(chǔ)上,以鎖兒頭H0-2-2滑坡為背景,探討超厚滑坡的穩(wěn)定性,分析滑帶土參數(shù)摩擦角及內(nèi)聚力分別對(duì)超厚滑坡安全系數(shù)的影響,以期為研究超厚滑坡及更加準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)超厚滑坡的穩(wěn)定性提供借鑒。

1基本原理

強(qiáng)度折減法中邊坡穩(wěn)定的安全系數(shù)定義為:使邊坡剛好達(dá)到臨界破壞狀態(tài)時(shí),對(duì)巖、土體的抗剪強(qiáng)度進(jìn)行折減的程度,即定義安全系數(shù)為巖土體的實(shí)際抗剪強(qiáng)度與臨界破壞時(shí)的折減后剪切強(qiáng)度的比值,其公式為

cF=c/Ftrial,

(1)

φF=tan-1((tanφ)/Ftrial),

(2)

其中:c為粘接力,單位(Pa);φ為摩擦角,單位(°);cF為折減后的粘接力,單位(Pa);φF為折減后的摩擦角,單位(°);Ftrial為折減系數(shù)。

利用式(1)、式(2)來調(diào)整巖土的強(qiáng)度指標(biāo)φ和c,然后對(duì)邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行數(shù)值分析,通過不斷增加折減系數(shù),反復(fù)計(jì)算,直至達(dá)到臨界破壞,此時(shí)得到的折減系數(shù)即為安全系數(shù)Fs[8]。

強(qiáng)度折減法的關(guān)鍵問題是臨界破壞狀態(tài)的確定,即如何定義失穩(wěn)判據(jù)?，F(xiàn)行強(qiáng)度折減法判斷失穩(wěn)破壞的標(biāo)準(zhǔn)有[9]:①迭代求解過程不收斂。該判據(jù)認(rèn)為非線性有限元計(jì)算時(shí),在給定求解迭代次數(shù)及收斂標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)未收斂則認(rèn)為邊坡失穩(wěn);②塑性區(qū)的連通狀態(tài)。邊坡變形過程總伴隨著一些物理量出現(xiàn)和發(fā)展,當(dāng)這些物理量達(dá)到一定值時(shí)則認(rèn)為邊坡失穩(wěn);③以特征部位位移突變性來認(rèn)定邊坡的穩(wěn)定性。目前,位移失穩(wěn)判據(jù)一般方法是建立每次有限元計(jì)算的某個(gè)部位位移或者最大位移與折減系數(shù)關(guān)系曲線,以曲線上的軌點(diǎn)作為邊坡處于臨界破壞狀態(tài)的判據(jù)。

2工程概況

鎖兒頭滑坡屬多層、多級(jí)巨型斷層破碎帶滑坡,長期處于緩慢蠕滑狀態(tài),穩(wěn)定性差,具有多期次及分級(jí)性,由于規(guī)模大,各段地形及地層巖性差異較大,導(dǎo)致各段變形破壞模式及變形機(jī)理存在差異。鎖兒頭滑坡全長3 300 m,滑坡寬80~700 m,總面積約126×104m2,主滑方向133°,堆積體厚度20~100 m,體積7 286×104m3,其外圍共發(fā)育大小滑坡10個(gè),崩塌2個(gè),主要研究滑坡前緣東側(cè)H0-2-2滑坡,滑體最大厚度90 m,平均厚度60 m左右,屬于超厚滑坡,該滑坡只有一個(gè)老的深滑面,埋深60~70 m,滑帶為炭質(zhì)板巖碎屑,滑體物質(zhì)為碎石土,下層為炭質(zhì)板巖碎屑,滑床為沖洪積碎石土,下伏炭質(zhì)板巖基巖?；鶐r面埋深大、滑面埋深大、滑面坡降大、滑面以下的碎石土厚度也大。

現(xiàn)場的勘探及定性定量分析結(jié)果表明鎖兒頭滑坡在現(xiàn)狀條件下局部處于蠕滑變形階段,H0-2-2滑坡后壁局部滑塌,前緣公路擋土墻變形嚴(yán)重,新修公路擠壓破壞,坡面出現(xiàn)斷續(xù)縱向裂縫,房屋出現(xiàn)裂縫,泉水出露,有大量的張拉裂縫,判定為穩(wěn)定性差。前緣受江水側(cè)蝕,滑塌變形劇烈,以牽引式滑塌為主。

3數(shù)值分析模型的建立

根據(jù)鎖兒頭滑坡地質(zhì)平面圖及滑坡主剖面(見圖1),建立FLAC3D計(jì)算模型,見圖2。對(duì)滑坡的地形做了相應(yīng)簡化,將滑坡體定義為由三種材料(基巖、滑帶土及滑體)共同組成,長為1 120 m(X軸),寬為35 m(Y軸),最大高度為272 m(海拔1 514 m),劃分單元2 735個(gè),節(jié)點(diǎn)1 968個(gè)。計(jì)算時(shí)采用Mohr-Coulomb模型,僅考慮自重的作用,不考慮構(gòu)造應(yīng)力場。因此,模型的底面為固定約束,除坡面外,模型四周邊界設(shè)置為單向約束邊界。

圖1　H0-2-2滑坡計(jì)算剖面簡圖Fig.1　Sketch of landslide rated section by H0-2-2

FLAC3D計(jì)算模型中各巖土體物理力學(xué)參數(shù)取值見表1。

4計(jì)算結(jié)果及分析

4.1計(jì)算結(jié)果

由強(qiáng)度折減法所計(jì)算出來的H0-2-2滑坡安全系數(shù)為1.164,與勘察設(shè)計(jì)采用不平衡推力法即傳遞系數(shù)法計(jì)算出來的1.111誤差不超過5%,可充分說明圖2建立的H0-2-2滑坡數(shù)值分析模型是可靠的。H0-2-2滑坡在天然狀態(tài)下應(yīng)力分布如圖3所示,其特點(diǎn)與天然斜坡應(yīng)力基本相符,最大主應(yīng)力自地表向坡體內(nèi)部巖層深處逐步增大。越靠近表層最大主應(yīng)力越小,與坡面越接近平行,最大主應(yīng)力隨坡面起伏而變化,受滑坡坡度及巖性影響。坡體最小主應(yīng)力如圖4所示,其分布規(guī)律和最大主應(yīng)力分布有所相似。

圖2　H0-2-2計(jì)算模型Fig.2　H0-2-2 calculation model

巖性項(xiàng)目重度γ/(MN·m-3)變形模量E/(kN·m-2)泊松比υ內(nèi)聚力c/kPa摩擦角φ/(°)基巖0.0223.2E90.2015039滑體0.0203.7E60.292820滑面0.01853.7E60.3510.215

圖3　坡體最大主應(yīng)力分布云圖Fig.3　Distribution nephogram of slopemaximum principal stress

圖4　坡體最小主應(yīng)力分布云圖Fig.4　Distribution nephogram of slopeminimum principal stress

剪應(yīng)力增量如圖5所示。主要集中在滑坡體中段及后端,沒有貫穿整個(gè)滑面,呈現(xiàn)出中部向前段延伸的趨勢。說明H0-2-2滑坡發(fā)生剪切破壞的潛在位置在滑坡體中段及后端,從中部向前段不斷延伸。對(duì)H0-2-2滑坡進(jìn)行治理時(shí)可以優(yōu)先選擇對(duì)滑坡中段及后端進(jìn)行加固,而不是滑坡的前緣(見圖6)。

圖5　剪應(yīng)力增量Fig.5　Increment graph of shearing strength

圖6塑性區(qū)分布Fig.6　Distribution of plastic zone

滑坡后緣的位移量最大達(dá)到1.00~1.88 m(見圖7),變形由后緣向下段不斷遞減,說明滑坡主要是推移式滑動(dòng),與現(xiàn)場勘測結(jié)果一致。

4.2敏感因素分析

定量評(píng)價(jià)滑坡穩(wěn)定性時(shí),滑帶土的抗剪強(qiáng)度參數(shù)是必須的重要參數(shù)[10]。然而,有時(shí)摩擦角相差1°～2°,推力會(huì)成倍增加,其主要原因是土介質(zhì)的多樣性,成分、成因和結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性與不均勻性以及外界的多變性,使得用儀器的試驗(yàn)方法很難準(zhǔn)確確定滑帶土的實(shí)際受力狀態(tài)。

圖7　位移分布特征Fig.7　Diagram of displacement distribution features

鎖兒頭滑坡規(guī)模巨大,滑坡區(qū)山大溝深,地形破碎,巖土體結(jié)構(gòu)變化大,分布不均勻,物理力學(xué)性質(zhì)差異極大,能否準(zhǔn)確分析滑坡穩(wěn)定性,滑帶土內(nèi)聚力c及摩擦角φ的取值是關(guān)鍵因素。為此,根據(jù)實(shí)際情況對(duì)鎖兒頭滑坡對(duì)滑帶土內(nèi)聚力c及摩擦角φ進(jìn)行單因素分析,改變其中一個(gè)參數(shù)時(shí),其他參數(shù)不變。

滑帶土體內(nèi)聚力、摩擦角與安全系數(shù)的關(guān)系見圖8。圖8中橫坐標(biāo)為相應(yīng)參數(shù)在原計(jì)算參數(shù)上增長的比例。由圖8可知,邊坡安全系數(shù)隨著抗剪強(qiáng)度參數(shù)的增大而增大,內(nèi)聚力的斜率明顯比摩擦角的大,當(dāng)摩擦角增大70%時(shí),安全系數(shù)從1.164增大到1.227,增加了5.4%,內(nèi)聚力增大70%時(shí),安全系數(shù)從1.164增大到1.289,增加了10.7%,且內(nèi)聚力對(duì)安全系數(shù)的影響比摩擦角大。

圖8　內(nèi)聚力、摩擦角與安全系數(shù)關(guān)系Fig.8　Relational graph of cohesion, fractionangle and safety factor

因此,在進(jìn)行滑帶土內(nèi)聚力c及摩擦角φ取值時(shí),需要弄清楚滑坡地質(zhì)條件、類型、機(jī)理、滑帶土的成因、結(jié)構(gòu)、狀態(tài)、影響的強(qiáng)度因素及變化趨勢、變化的規(guī)律,以及滑坡運(yùn)動(dòng)狀態(tài)之后,綜合選取比較符合的取值,否則計(jì)算出來的安全系數(shù)和實(shí)際情況會(huì)有較大差異。

5結(jié)論

(1)由強(qiáng)度折減法所計(jì)算出來的滑坡安全系數(shù)為1.164,與勘察設(shè)計(jì)采用不平衡推力法即傳遞系數(shù)法計(jì)算出來的1.111誤差不超過5%,充分說明已建立H0-2-2滑坡的數(shù)值分析模型是可靠的。

(2)剪應(yīng)力增量主要集中在滑坡體中段及后端,沒有貫穿整個(gè)滑面,呈現(xiàn)出中部向前段延伸的趨勢。說明H0-2-2滑坡發(fā)生剪切破壞的潛在位置在滑坡體中段及后端,從中部向前段不斷延伸。對(duì)H0-2-2滑坡進(jìn)行治理時(shí)可以優(yōu)先選擇對(duì)滑坡中段及后端進(jìn)行加固,而不是滑坡的前緣。

(3)滑坡在滑動(dòng)過程中發(fā)生剪切拉張破壞位置與實(shí)際勘察結(jié)果基本一致,滑坡后緣的位移量最大,達(dá)到1.00~1.88 m,變形由后緣向下段不斷遞減,說明滑坡主要是推移式滑動(dòng),與現(xiàn)場勘測結(jié)果一致。

(4)邊坡安全系數(shù)隨著滑帶土抗剪強(qiáng)度參數(shù)的增大而增大,當(dāng)摩擦角增大70%時(shí),安全系數(shù)從1.164增大到1.227,增加了5.4%,當(dāng)內(nèi)聚力增大70%時(shí),安全系數(shù)從1.164增大到1.289,增加了10.7%,且內(nèi)聚力對(duì)安全系數(shù)的影響比摩擦角大。

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Numerical Analysis of Stability of Super-thick Landslide

Wang Xiuli1,2,Chen Meihe1,2,Yu Guangming1,2

(1.CollegeofCivilEngineering,LanzhouUniversityofTechnology,Lanzhou730050,China;2.WesternCenterofDisasterMitigationinCivilEngineeringofMinistryofEducation,Lanzhou730050,China)

AbstractAgainst the background of Suoertou landslide project,this paper discussed its stability,and studied the impact of friction angle and cohesion of slide zone soil on the safety factor of super-thick landslide.Research results showed that:the safety factors that respectively calculated with strength reduction method and imbalance thrust force method are basically consistent,with an error less than 5%,indicating that the established H0-2-2 landslide numerical analysis model is reliable;the back scarp locally slumps,and this is consistent with the actual survey results;the landslide belongs to push-type sliding,so the potential area of shear failure is in the middle and rear part of the landslide mass;the safety factor increases with the increasing of friction angle and cohesion,with 70% increase of friction angle leading to a 5.4% increase of safety factor,and a 70% increase of cohesion leading to a 10.7% increase of safety factor,and the latter has a large impact on safety factor than the former.

Key wordsSuper-thick landslide;Stability;Safety factor;Fraction angle;Cohesion

中圖分類號(hào):TU44

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號(hào):1004-0366(2016)01-0083-05

作者簡介:王秀麗(1963-),女,遼寧沈陽人,教授,博導(dǎo),研究方向?yàn)榇罂缍瓤臻g結(jié)構(gòu)及滑坡泥石流防治.E-mail:chenmeihe.1988@163.com.

基金項(xiàng)目:“十二五”國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2011BAK12B07).

收稿日期:2014-12-11;修回日期:2015-02-23.

doi:10.16468/j.cnki.issn1004-0366.2016.01.019.

引用格式:Wang Xiuli,Chen Meihe,Yu Guangming.Numerical Analysis of Stability of Super-thick Landslide[J].Journal of Gansu Sciences,2016,28(1):83-87.[王秀麗,陳美合,于光明.超厚滑坡穩(wěn)定性數(shù)值分析[J].甘肅科學(xué)學(xué)報(bào),2016,28(1):83-87.]