基于GeoStudio的滑坡穩(wěn)定性計(jì)算方法對比分析

謝潤培 廣東省地質(zhì)工程公司 510425 廣州

滑坡穩(wěn)定性分析主要有極限平衡法和數(shù)值計(jì)算法兩種方法[1]。GeoStudio是加拿大GeoStudio公司開發(fā)的一套功能強(qiáng)大、適用于巖土工程和巖土環(huán)境模擬計(jì)算的軟件，在地質(zhì)構(gòu)造、土木工程、采礦工程、巖土工程、地下水分析中得到了廣泛應(yīng)用[2、3]。本文結(jié)合工程實(shí)例通過GeoStudio中的SIGMA/W模塊(巖土應(yīng)力變形分析軟件)和SLOPE/W模塊(邊坡穩(wěn)定性分析軟件)采用極限平衡法、有限元應(yīng)力分析法對滑坡整體穩(wěn)定性對比分析[4、5]。

1 .邊坡穩(wěn)定性分析方法

1.1 極限平衡法

極限平衡方法視邊坡土體為剛體，不考慮土體本身的變形對邊坡穩(wěn)定性的影響，極限平衡法是簡化的計(jì)算，對很多地方進(jìn)行了簡單處理。一般情況下，使用極限平衡法計(jì)算的正應(yīng)力和實(shí)際情況比較吻合，但是在一些復(fù)雜的、非均質(zhì)土體中其計(jì)算值與實(shí)際值可能相差較大。GeoStudio中的SLOPE/W模塊可以計(jì)算邊坡穩(wěn)定性，SLOPE/W的計(jì)算原理采用極限平衡法，包括普通條分法、畢肖普法、簡布法、摩根斯坦-普賴斯法等。

1.2 有限元法

基于滑面應(yīng)力分析的有限元法，以有限元應(yīng)力分析為基礎(chǔ)，根據(jù)潛在滑動面上土體整體或局部的應(yīng)力條件，應(yīng)用不同的優(yōu)化方法確定最危險(xiǎn)滑動面。和極限平衡條分法相比，能更好地反映邊坡巖土體的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，并且不受邊坡幾何形狀和材料不均勻的限制，因而是邊坡穩(wěn)定性分析中一種較為理想的方法。在GeoStudio中，應(yīng)用SIGMA/W模塊進(jìn)行邊坡的應(yīng)力模擬計(jì)算，將應(yīng)力計(jì)算結(jié)果導(dǎo)入SLOPE/W模塊進(jìn)行耦合計(jì)算，得出穩(wěn)定性系數(shù)和最危險(xiǎn)滑裂面。

有限元法采用理想彈塑性模型，應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系如

對于彈塑性模型采用Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則，其屈服函數(shù)為：

式中1I為第一應(yīng)力不變量；2J為第二應(yīng)力偏量不變量；3J為第三應(yīng)力偏量不變量；c為土的內(nèi)聚力；φ為土體內(nèi)摩擦角。

2 . SIGMA/W與SLOPE/W耦合分析

在GeoStudio中通過有限元(SIGMA/W)計(jì)算各單元節(jié)點(diǎn)處的應(yīng)力，導(dǎo)入邊坡（SLOPE/W）劃分的條塊中，計(jì)算條塊底的法向和切向應(yīng)力，得出可能的剪切強(qiáng)度，將條塊基底的應(yīng)力轉(zhuǎn)化為力，計(jì)算得出滑坡的潛在滑動面及安全系數(shù)。

3 . 工程實(shí)例分析

3.1 工程概況

3.2 地層巖性

滑坡區(qū)出露的地層主要有下元古界曾家河組及第四系松散堆積物，中間層為碎塊石土，下伏基巖為深成蛇紋石化超基性巖。中間夾雜有河床沖洪積物，為圓礫、粉質(zhì)粘土、粉細(xì)砂，河流相特征明顯。

3.3 參數(shù)計(jì)算

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查、室內(nèi)實(shí)驗(yàn)結(jié)果以及工程地質(zhì)類比，綜合確定出滑坡計(jì)算所用到的參數(shù)，見表1。

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3.4 穩(wěn)定性分析結(jié)果

3.4.1 極限平衡法計(jì)算結(jié)果

?

本文采用Geostudio中SLOPE/W模塊對滑坡剖面進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算分析，結(jié)果如圖2所示。極限平衡法在分析計(jì)算時(shí)采用條分法，計(jì)算結(jié)果見表2。

圖2 極限平衡法計(jì)算結(jié)果

3.4.2 有限元法數(shù)值模擬及結(jié)果

有限元模型如圖3所示，土體采用莫爾-庫倫彈塑性模型，土體參數(shù)如表2所示。計(jì)算所得的應(yīng)力分布圖和位移矢量圖如圖4和圖5所示。 圖6則顯示了對應(yīng)的破壞區(qū)分布圖。將應(yīng)力場導(dǎo)入到SLOPE/W模塊中，得出滑面應(yīng)力法計(jì)算結(jié)果，見圖7，安全系數(shù)為1.176。分析結(jié)果表明，其位移矢量特征、破壞區(qū)分布范圍與模型試驗(yàn)及滑坡實(shí)例表明的滑面位置、形態(tài)和總體分布規(guī)律基本吻合，具有很好的相似性。

圖3 有限元計(jì)算模型

圖4 應(yīng)力分布

圖5 應(yīng)變矢量圖

圖6 邊坡塑性區(qū)分布

圖7 有限元法計(jì)算結(jié)果

3.5 結(jié)果分析

（1）極限平衡法計(jì)算結(jié)果中，普通條分法的結(jié)果偏小。極限平衡法在分析計(jì)算時(shí)均采用條分法,條分法不考慮條塊間作用力，可能引起較大的誤差,使結(jié)果偏小。

（2）滑面應(yīng)力法通過有限元法計(jì)算所得的應(yīng)力場來計(jì)算邊坡的安全系數(shù)，計(jì)算結(jié)果與極限平衡法所得結(jié)果很接近，潛在滑動面基本一致，前緣比極限平衡法結(jié)果要靠前，穩(wěn)定性要差。有限元法的滑面的法應(yīng)力是真實(shí)計(jì)算所得，結(jié)果要更加合理，潛在滑裂面位置更加合理。

4 . 結(jié)論與建議

（1）GeoStudio軟件直觀的表示了滑坡的安全系數(shù)、潛在滑動面，能夠方便的對滑坡進(jìn)行有限元分析，通過極限平衡法和有限元應(yīng)力分析法進(jìn)行分析求解，并以直觀形象的方式表達(dá)出來，為邊坡的治理決策提供方便可靠的依據(jù)。

（2）有限元計(jì)算結(jié)果和極限平衡法計(jì)算結(jié)果基本一致，極限平衡法可以應(yīng)用于邊坡穩(wěn)定性問題分析，但有限元應(yīng)力分析法在計(jì)算滑坡穩(wěn)定性方面要更加真實(shí)可靠、結(jié)果更準(zhǔn)確。

（3）通過對比計(jì)算，工程實(shí)例中的滑坡體當(dāng)前處于穩(wěn)定狀態(tài)，但寶成鐵路在該滑坡坡腳通行，本軟件中未能考慮火車動荷載影響，建議今后的工作對該方面加以改進(jìn)。

1. GEO-SLOPE International Lid. GEO-SLOPE User’ s Manual[Z].Calgary; Alberta, 2001.

2. Bishop A W. The use of the slip circle in the stability analysis of slopes[J]. Geotechnique,1995(5):7-17.

3.Gui Lei，Yin Kunlong，Zhai yue. Landslide Stability Analysis Based onFLAD3 Dand Strength Reduction Technigue[J]. Safety and Environmental Engineering, 2011(6):9-13.

4. John Krahn. Stability Modeling With SLOPE/W[ M].Canada: GEO- SLOPE/ W International Ltd,May 2004.

5.Wang zhao lei, Yang zhi yin, Zhang Jun. Stability analysis of a prestressed anchor cable compostite soil nailing wall basic on Geostudio[J]. Industrial Construction, 2011 ,41：437-440.