基于現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)的某滑坡穩(wěn)定性有限元分析

韓彪 李凱

摘要：基于某滑坡現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，文章采用FLAC3D數(shù)值分析軟件對該滑坡穩(wěn)定性進行數(shù)值模擬，分析了天然工況下滑坡所處狀況，確定了滑坡穩(wěn)定系數(shù)。計算結(jié)果表明：反演分析得到的計算參數(shù)具有實際應用意義，監(jiān)測資料揭示的滑面與數(shù)值分析滑面基本吻合，滑坡穩(wěn)定系數(shù)計算值為1.05，數(shù)值模擬值為1.02，均顯示滑坡處于欠穩(wěn)定狀態(tài);暴雨工況下，穩(wěn)定系數(shù)為0.96，滑坡由欠穩(wěn)定狀況轉(zhuǎn)變?yōu)椴环€(wěn)定狀態(tài)。

關鍵詞：監(jiān)測數(shù)據(jù);反演分析;數(shù)值模擬;穩(wěn)定性

0 引言

修建高速公路不可避免地要開挖原有地貌，在山體原有平衡被打破后，公路沿線形成大量的臨空面，在不良地質(zhì)條件（如軟弱夾層、斷層發(fā)育）和外在影響因素（如工程開挖、降雨等）的作用下極易形成滑坡災害。無論滑坡出現(xiàn)在公路沿線還是居民區(qū)，一旦發(fā)生將嚴重影響人類生命財產(chǎn)安全。因此，對滑坡穩(wěn)定性的研究分析一直是工程地質(zhì)界的熱門話題，而對滑坡治理技術的研究則具有更加重要的現(xiàn)實意義。

在滑坡工程領域，計算機數(shù)值分析是一種重要的研究和輔助手段，常使用的方法有有限單元法（FEM）、離散單元法（DEM）、邊界單元法（BEM）、拉格朗日單元法以及塊體理論等[1-6]。滑坡穩(wěn)定性數(shù)值分析方法以有限元法為代表。有限元法能夠適用于各種工況，滿足較高的精度要求。FLAC3D在巖土工程領域使用最早也是最廣泛的。例如，2003年，張雪東等分析某滑坡在天然和蓄水的兩種工況下利用FLAC3D進行模擬，指出兩種狀態(tài)下不平衡力曲線的不同[7]。2006年，孫書勤等利用FLAC3D對天臺鄉(xiāng)基巖順層滑坡進行三維數(shù)值模擬，天然狀況下滑坡是穩(wěn)定的，但是遇到暴雨時會誘發(fā)牽引式滑坡[8]。2007年，高圣益等對萬州安樂寺滑坡在各種工況下進行流固耦合模擬，得到塑性區(qū)和剪應變增量圖并對其進行評價，為以后滑坡的分析提供量化依據(jù)[9]。張志沛等[10-11]利用數(shù)值模擬對比分析了有限元法和極限平衡法的異同，并指出滑坡變形破壞與降雨存在一定的滯后現(xiàn)象。2013年，張建勛對新巖滑坡穩(wěn)定性數(shù)值分析搜索到兩個危險滑動面的位置，同時也對位移突變帶、塑性區(qū)圖和剪切應變量分布圖進行了分析，為工程的勘察設計提供了參考[12]?；诂F(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)的某滑坡穩(wěn)定性有限元分析/韓 彪，李 凱[=JP2]1 工程概況

1.1 工程背景

某滑坡位置所處里程段范圍內(nèi)路線主要以路塹形式通過，該段路塹開挖最高形成6級邊坡，高度為57.5 m，其余處路塹邊坡為2～5級。2017-11-27開挖至第4級邊坡時，坡面出現(xiàn)多條縱向裂縫，2018-01-13開挖至第3級邊坡時，距塹頂約30 m的后緣出現(xiàn)大范圍的弧形錯臺，第3級邊坡坡面有明顯剪出跡象。前緣反壓之后，通過監(jiān)測發(fā)現(xiàn)2018-01-25之后邊坡變形速率明顯減緩并逐漸趨于穩(wěn)定，塹頂?shù)淖冃瘟康玫娇刂啤?/p>

1.2 監(jiān)測剖面及監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

本文采用反演法分析滑坡穩(wěn)定性，所用監(jiān)測孔ZK2、ZK3、ZK4位于4-4剖面，監(jiān)測孔ZK6、ZK7、ZK8位于3-3剖面，3-3剖面和4-4剖面布置如圖1所示（由于篇幅有限僅給出4-4剖面監(jiān)測數(shù)據(jù)，3-3剖面數(shù)據(jù)不做展示）。

3-3剖面監(jiān)測數(shù)據(jù)揭示出該剖面處滑坡中部和后緣處于蠕動變形階段，累計變形量較小，變形范圍為±10 mm?；虑熬壚塾嫳O(jiān)測變形持續(xù)增加，最大監(jiān)測位移出現(xiàn)在3.5 m深處，為30 mm，前緣先于后緣變形，說明該滑坡為牽引式滑坡。

由圖2～4可知：4-4剖面處滑坡活動明顯較為劇烈，剖面前緣處于穩(wěn)定狀態(tài)，后緣12.5 m深處出現(xiàn)最大80 mm的垂直路線方向位移，且剖面中部一直處于變形擠壓階段，累計變形量仍有增長趨勢。監(jiān)測數(shù)據(jù)確定滑坡后緣經(jīng)一次大的變形后，下滑趨勢逐漸減弱。

結(jié)合兩斷面監(jiān)測數(shù)據(jù)可知：4-4剖面滑坡活動較為劇烈，滑面深度為9.0～12.5 m，滑坡性質(zhì)屬牽引式滑坡。由監(jiān)測數(shù)據(jù)推斷出的滑面位置如圖5所示。

2 數(shù)值模擬

2.1模型建立

計算模型選取滑坡4-4剖面，采用ANSYS軟件生成FLAC3D識別的模型單元文件和節(jié)點文件。為精確計算，對研究滑坡滑動帶進行網(wǎng)格細分，模型長285 m，寬30 m，高度為140 m。邊界條件為下部固定約束，左右兩側(cè)法向約束，上部為自由邊界。所建模型如圖6所示。

2.2 參數(shù)選取

結(jié)合原位試驗數(shù)據(jù)以及位移監(jiān)測數(shù)據(jù)，獲得模型巖土體參數(shù)，如表1所示。

2.3 計算結(jié)果分析

數(shù)值模擬位移計算值與監(jiān)測位移結(jié)果對比如表2所示。

對比4-4剖面滑帶處實際監(jiān)測位移與數(shù)值模擬計算值，ZK2處實際監(jiān)測位移值為20 mm，數(shù)值計算值為27 mm;ZK3處實際監(jiān)測值為8 mm，數(shù)值計算值為22 mm;ZK4處實際監(jiān)測值為32 mm，數(shù)值計算值為37 mm。其中ZK3處計算值誤差較大，為14 mm，但并未影響滑坡整體趨勢。數(shù)值計算得到的穩(wěn)定系數(shù)為1.02，勘查資料給出的該滑坡天然工況下穩(wěn)定系數(shù)為1.05。由《滑坡防治工程勘察規(guī)范》（DZT0218-2006）判斷滑坡處于欠穩(wěn)定狀態(tài)。

數(shù)值計算結(jié)果與實際監(jiān)測值基本吻合，即數(shù)值計算結(jié)果可反映邊坡實際情況。

2.4 天然工況模擬結(jié)果分析

通過數(shù)值模擬，得到該滑坡天然工況下穩(wěn)定性相關結(jié)果，如圖7所示。

圖7為天然工況下滑坡穩(wěn)定性分析結(jié)果圖，計算所得滑坡穩(wěn)定系數(shù)為1.02，滑坡處于欠穩(wěn)定狀況，分析X方向位移云圖（即垂直路線方向），滑帶處位移量與三個監(jiān)測孔處位移量大致吻合，但位移云圖并未顯示出明顯的滑帶位置，說明天然工況下滑坡變形并不劇烈，符合滑面尚處于欠穩(wěn)定狀態(tài)的實際狀況。

由剪應變增量圖可以看出：研究滑坡以監(jiān)測孔ZK2所處的滑坡中部為分界，最大剪應變增量分布并不連續(xù)，自滑坡前緣至后緣呈現(xiàn)出先降低后增大的變化規(guī)律（整體剪應變增量最大值并未貫穿整個坡體）。剪應變增量最大值分布于滑坡前緣，說明該區(qū)域變形速度最大，坡體易沿此區(qū)域發(fā)生破壞，由模擬結(jié)果判斷坡體存在三種破壞形式：（1）滑體前-中-后三個區(qū)域滑帶出現(xiàn)連通之后發(fā)生整體滑動;（2）前部滑體以ZK2處塹頂為滑坡后壁，形成次級滑坡;（3）上部滑坡整體從ZK3監(jiān)測孔上部平臺剪出，形成上部滑坡。并未貫通整個坡體的最大剪應變增量分布表明，坡體在該工況下尚未發(fā)生整體下滑，對應滑坡處于欠穩(wěn)定狀態(tài)。

塑性區(qū)模擬結(jié)果可知：滑坡前、后部下部滑帶為正在發(fā)生剪切部分，上部滑體多為過去剪切部分?；潞缶墳檫^去發(fā)生剪切滑體，該部分位于正在發(fā)生剪切變形的滑帶上，有向下滑動的先決條件。受后緣滑體擠壓，中部滑體可分為上下兩層，其中下層部分（長約90 m）為過去剪切-過去張拉帶，其將正在剪切-正在張拉帶分隔為前后兩段，上部為正在發(fā)生剪切變形的坡體，占據(jù)了滑體1/4體積，說明中部滑體正在發(fā)生剪切變形的部分逐步上移，中部滑帶部分不再發(fā)生剪切破壞，由剪切帶向抗滑帶演變。

由分析結(jié)果可知：天然工況下研究滑坡有三種破壞形式，即整體下滑、上部剪出下滑和次級前緣滑坡下滑。塑性區(qū)顯示雖然整體下滑趨勢并不明顯，但滑坡中部抗滑段滑體受到明顯擠壓，滑坡穩(wěn)定系數(shù)為1.02，滑坡處于欠穩(wěn)定狀態(tài)。

2.5 暴雨工況結(jié)果分析

該滑坡滑面由泥質(zhì)粉砂巖與泥巖交界處的軟弱帶組成，滑床部分為風化程度較低的泥質(zhì)粉砂巖，經(jīng)暴雨浸濕后滑帶強度降低，依據(jù)實際情況對泥巖和含礫粉質(zhì)黏土參數(shù)做出調(diào)整。暴雨工況下滑坡數(shù)值計算結(jié)果如圖8所示。

通過暴雨工況下的計算結(jié)果可知，垂直路線方向位移最大值出現(xiàn)在坡體前緣，整個坡體被滑帶貫穿，滑體內(nèi)部整體位移變化趨勢呈現(xiàn)出前緣變形大于后緣變形的情況，前緣位移增長速率大于后緣增長速率。滑帶處平均位移量為4～5 cm，相比天然工況下坡體前緣監(jiān)測孔ZK4位移處（變形量為26 mm），其量值增長了一倍。說明受雨水的影響，滑帶處變形量顯著上升，滑坡整體位移變形由天然工況的前緣大-中部小-后緣大轉(zhuǎn)變?yōu)榍熬壸畲?中部小-后緣最小的變化規(guī)律。位移量與位移分布規(guī)律的變化均顯示滑帶連續(xù)，滑坡由不穩(wěn)定狀態(tài)向欠穩(wěn)定狀態(tài)過度。

對比圖8（c）與圖7（c），由于滑帶土受雨水影響，滑體內(nèi)正在剪切-過去剪切部位向下延伸至滑帶區(qū)域處，與滑床相接，逐漸取代了原有的過去發(fā)生剪切-過去發(fā)生張拉部位，原本占滑帶部位約90 m的過去剪切-過去張拉段縮減為20 m。相比之下正在剪切-過去剪切和正在剪切-過去剪切-過去張拉兩部分總共占據(jù)了整個坡體的3/5，且從滑坡中部向兩端不斷延伸。

受降雨影響，滑坡前緣位移值增長了一倍，原本并不連貫的滑帶發(fā)生連貫，最易發(fā)生剪切破壞的區(qū)域已貫穿整個坡體。整個坡體有3/5處于正在剪切變形階段，該部分集中分布于滑帶中部，仍不斷向滑坡前緣延伸，表明坡體中部應力環(huán)境已經(jīng)由天然工況下的擠壓剪切階段逐步過渡到純剪切階段，即實際中由蠕滑階段向劇滑階段過渡。經(jīng)計算滑坡穩(wěn)定系數(shù)為0.96，相比天然工況穩(wěn)定系數(shù)降低5.8%，由欠穩(wěn)定狀況轉(zhuǎn)變?yōu)椴环€(wěn)定狀態(tài)。

3 結(jié)語

本文借助FLAC3D軟件，反演分析并對比滑坡天然工況與數(shù)值模擬的結(jié)果，得到了暴雨工況下滑坡所處的狀況，通過分析垂直路線方向位移云圖、最大剪應變增量云圖和塑性區(qū)分布，得到各工況下位移變化規(guī)律和剪應變增量變化規(guī)律，并計算不同工況下穩(wěn)定系數(shù)。通過上述研究工作，可以得到以下結(jié)論：

（1）通過分析監(jiān)測資料，4-4剖面后緣經(jīng)過一次大的變形后，滑坡中部處于擠壓變形階段。監(jiān)測數(shù)據(jù)揭露出的滑面位置分布于泥巖與粉質(zhì)泥砂巖交界的軟弱夾層處，該軟弱夾層強度低，浸水易軟化，滑體極易沿著該交界面發(fā)生滑動，確定出滑面深度為9.0～12.5 m。

（2）天然工況下，滑體內(nèi)部滑帶并未貫穿整個滑體，滑坡穩(wěn)定系數(shù)為1.02，存在三種破壞形式：①滑帶貫通后，滑體整體滑動;②前部滑體以ZK2處塹頂為滑坡后壁，形成次級滑坡;③上部滑坡整體從ZK2監(jiān)測孔上部平臺剪出，形成上部滑坡。

（3）暴雨工況下，穩(wěn)定系數(shù)為0.96，相比天然工況穩(wěn)定系數(shù)降低5.8%，滑坡由欠穩(wěn)定狀況轉(zhuǎn)變?yōu)椴环€(wěn)定狀態(tài)。監(jiān)測數(shù)據(jù)與數(shù)值計算值對比結(jié)果顯示，滑坡模型的建立是成功的，模擬計算得到的結(jié)果可以反映出滑坡所處的實際狀況。

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