MIDAS-GTS在滑坡穩(wěn)定性分析及治理中的應用

史茂君

MIDAS-GTS在滑坡穩(wěn)定性分析及治理中的應用

史茂君

（四川省地礦局九○九地質(zhì)隊，四川綿陽 621000）

北川羌族自治縣都壩鄉(xiāng)場鎮(zhèn)興建時，坡體前緣開挖卸荷，斜坡后部崩滑堆積體在自重作用和降雨誘發(fā)下向前推移致使前緣已建擋墻發(fā)生變形。為保證坡腳場鎮(zhèn)居民的安全，須對該滑坡的現(xiàn)狀穩(wěn)定性進行評價并采取可靠的治理措施。事前采用MIDAS-GTS建立該滑坡二維模型，分析了其現(xiàn)狀穩(wěn)定性，與實際變形較吻合，滑坡處于欠穩(wěn)定狀態(tài)。根據(jù)研究提出了抗滑支擋方案，并對布設抗滑樁治理后的效果進行評價，設樁后滑坡穩(wěn)定性顯著提高。該應用為類似工程項目的穩(wěn)定性及治理效果分析可提供參考。

滑坡；MIDAS-GTS；有限元法；應用

Midas-GTS近期在國內(nèi)重大隧道、基坑和邊坡等項目中得到廣泛應用，能滿足大部分巖土體的破壞模式，可以對邊滑坡進行比較真實的數(shù)值模擬，其計算結(jié)果相對安全。Midas-GTS的邊滑坡穩(wěn)定性分析采用了基于有限元的強度折減法。

1 有限元強度折減法(SRM)原理

傳統(tǒng)的安全系數(shù)的定義為假定滑動面上土體的抗剪強度與極限平衡所需最小抗剪強度的比值，而非滑動面上抗滑力與下滑力的比值。邊坡的安全系數(shù)實質(zhì)上是使邊坡達到破壞臨界狀態(tài)時土體抗剪強度的折減因子[1]。

通過將土體的抗剪強度指標降低為和時,坡體中潛在滑面處達到極限平衡時的F定義為邊坡的安全系數(shù)。假設土體采用摩爾一庫侖本構(gòu)模型，σ-u) tan。,則邊坡的安全系數(shù)可以表示為：

上式中，為極限平衡條件下土體的有效粘聚力和有效內(nèi)摩擦角?？梢钥闯觯瑥姸日蹨p法和傳統(tǒng)的極限平衡法的基本思想和力學原理是統(tǒng)一的，兩種方法都是基于極限平衡狀態(tài)下的極限分析方法的具體應用。

強度折減法（SRM）的基本算法是通過逐漸提高折減系數(shù)，相應的逐步減小土體的抗剪強度指標，反復對邊坡進行試算，直至邊坡處于極限平衡的臨界狀態(tài)，在折減后的某個抗剪強度條件下，邊坡發(fā)生失穩(wěn)，數(shù)值計算出現(xiàn)收斂問題，計算結(jié)果發(fā)散。當試算的折減系數(shù)增量足夠小，則可以認為發(fā)生計算發(fā)散前的那個折減系數(shù)值就是該邊坡的穩(wěn)定性安全系數(shù)。

強度折減法的算法主要為三步：

1）建立邊坡的有限元分析模型。賦予坡體各種巖土體不同的單元屬性。計算邊坡的初始應力場，初步分析重力作用下，邊坡的變化和應力。記錄邊坡的最大變形。

2）增加邊坡的安全系數(shù)即土體抗剪強度的折減系數(shù)，將折減后的強度參數(shù)賦給計算模型，重新計算。記錄計算收斂后的邊坡最大變形和塑性應變發(fā)展情況。

3）重復第2）步，如前所述，不斷增加的F值，降低坡體的材料參數(shù)，直至計算模型不收斂，邊坡發(fā)生失穩(wěn)破壞。

對于邊坡本來就不穩(wěn)定，第1）計算就不收斂的情況，在第2）步和第3）步計算時，安全系數(shù)應該逐漸減小，直至計算收斂、邊坡獲得穩(wěn)定。

使用Midas-GTS進行數(shù)值模擬，不僅可以直接得出邊坡的穩(wěn)定系數(shù)，而且對某些邊坡不需要事先假定邊坡滑動面的形狀和位置，也不需要進行條分，通過不斷的折減強度參數(shù)，分析坡體內(nèi)塑性區(qū)域的發(fā)展情況，有限元計算結(jié)果能反映邊坡的滑動面的形成、發(fā)育和破壞的過程，從而獲得邊坡的最終破壞模式，并求出相應強度儲備的安全系數(shù)[2-4]。能得到比較穩(wěn)定的與極限平衡法接近的安全系數(shù)和臨界滑動面，其計算結(jié)果能通過最大剪切應變云圖直觀反映失穩(wěn)邊坡滑移面的位置，并且后處理模式中還能展現(xiàn)邊坡滑移面的形成、發(fā)展和貫通情況。和傳統(tǒng)的極限平衡法相比，強度折減有限元法的另一個優(yōu)勢是可以直接獲得不同安全系數(shù)條件下，邊坡和加固結(jié)構(gòu)的變形和應力分布情況，同時由于能考慮到土體與結(jié)構(gòu)的相互作用問題，從而能較為準確的得到加固結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形，及支護加固后邊滑坡的穩(wěn)定性狀況等[5]，為工程設計提供依據(jù)。

表1 巖土及結(jié)構(gòu)物理力學參數(shù)

2 GTS應用項目工程概況

隨著城鎮(zhèn)化的進程不斷推進，小型城鎮(zhèn)的建設不可避免在山區(qū)選址，由于山區(qū)地形陡峻，興建過程中經(jīng)常會開挖切坡，極易引起滑坡等地質(zhì)災害。

北川羌族自治縣都壩鄉(xiāng)場鎮(zhèn)興建于斜坡坡腳地帶，斜坡北高南低。場鎮(zhèn)修建街道道路及道路內(nèi)側(cè)房屋時對崩坡積松散堆積體斜坡前緣開挖，使前緣阻滑段減載，降低了阻滑段的抗滑力，造成應力重新分布，在強降雨的誘發(fā)作用下，前緣已建的房屋后漿砌石擋墻中下部出現(xiàn)鼓脹變形，據(jù)現(xiàn)場調(diào)查分析，該處應該是滑坡潛在的剪出口，隨著鼓脹變形的加劇，滑坡極有可能發(fā)生破壞引起整體失穩(wěn)滑動。

2.1 滑坡邊界與規(guī)模

都壩場鎮(zhèn)后山滑坡后緣以崩坡積物與基巖接觸界線為界，場鎮(zhèn)居民房背后陡坎處漿砌擋墻墻底為滑坡前緣剪出口，滑坡東側(cè)邊界以原抗滑樁支擋部位及樁后側(cè)天然小沖溝為界，西側(cè)以鄉(xiāng)政府后護坡?lián)鯄蟛繛榻??；轮芙缡置黠@。該滑坡前緣高程1 097m，后緣高程1 150m，相對高差約53m，滑坡主滑方向為182°，在平面上縱向上長70～150m，平均長度約130m；前部最大寬度65m，后部較窄40m，平均寬度60m?；旅娣e0.78×104m2，平均厚度約10m，滑坡體積7.8×104m3，為小型土質(zhì)推移式滑坡。

2.2 滑坡體物質(zhì)組成

滑體物質(zhì)成分主要為崩坡積碎石土和塊石土，局部含角礫和粉土。粒徑一般在10～40mm，部分塊石塊徑可達0.4m，塊石分布不均，碎塊石結(jié)構(gòu)疏松，塊石含量20%～30%。通過鉆探揭露，滑坡滑帶為松散碎塊石土體和強風化基巖接觸面，滑帶土主要為粉質(zhì)粘土夾碎塊石組成。碎礫石成分主要為砂千枚巖，含量20%～40%，碎石呈次棱角狀，在滑坡后緣滑帶深度較淺，一般深度為1.0～3.2m左右，在滑坡體中前部滑帶深度為8.5～12.0m?；矠樗閴K石土覆蓋層與下伏基巖界面。由志留系茂縣群巖層（S2-3mx）千枚巖構(gòu)成，薄層～極薄層狀構(gòu)造，風化裂隙較發(fā)育，巖層產(chǎn)狀358°∠31°，具千枚狀構(gòu)造，變余結(jié)構(gòu)，裂隙發(fā)育強烈，強風化層一般厚5.0m左右。

圖1 滑坡典型剖面圖

3 滑坡現(xiàn)狀穩(wěn)定性分析

3.1 典型剖面圖

據(jù)現(xiàn)場調(diào)查及鉆探揭露地層狀況，結(jié)合最不利原則選取該滑坡中部（覆蓋層最厚處）的典型剖面，模型如圖1。

3.2 巖土體及既有結(jié)構(gòu)物理力學特性

參考周邊臨近已建工程類比、滑坡現(xiàn)狀穩(wěn)定性反演、并結(jié)合試驗值對巖土物理力學參數(shù)進行綜合取值。各巖土層及支擋結(jié)構(gòu)參數(shù)取值如下表表1巖土及結(jié)構(gòu)物理力學參數(shù)取值表。

3.3 有限元模型的建立

依據(jù)典型剖面圖建立有限元分析模型。碎石土及強風化千枚巖本構(gòu)關(guān)系采用Mohr-coulomb理想彈塑性模型，既有擋土墻采用彈性模型?；路治霾捎糜邢拊獜姸日蹨p法（SRM），即將巖土參數(shù)粘聚力和內(nèi)摩擦角除以折減系數(shù)，作為計算參數(shù)進行試算，當計算不收斂時的系數(shù)即滑坡的最小安全系數(shù)。

建立有限元模型后，進行網(wǎng)格劃分，在基覆界面處增加網(wǎng)格密度，單元密度漸進過度而不要劇變[6]，以提高精度。

3.4 滑坡現(xiàn)狀穩(wěn)定性分析

由于暴雨工況對該滑坡穩(wěn)定性影響最大，分析采用暴雨工況?；缕茐牡恼w位移云圖如下圖2滑坡現(xiàn)狀整體位移云圖。

圖2 滑坡現(xiàn)狀整體位移云圖

圖3 滑坡現(xiàn)狀剪應力云圖

可見滑坡在自重作用下產(chǎn)生變形，主要為上部碎塊石土自身擠密固結(jié)，失穩(wěn)時后緣拉裂，坡腳擋墻中下部發(fā)生變形鼓脹，與滑坡實際變形破壞特征基本吻合。

表2 抗滑樁物理力學參數(shù)

本文根據(jù)實際情況主要依據(jù)等效塑性應變區(qū)貫通判據(jù)作為滑坡失穩(wěn)的依據(jù)[7-8]，滑坡內(nèi)部剪切應變主要發(fā)生在碎石土層與下部全風化千枚巖接觸面，但與接觸面又不完全重合。根據(jù)計算所得安全系數(shù)為1.02，該滑坡目前處于欠穩(wěn)定狀態(tài)，存在很大的安全隱患，需采取必要支擋措施。

4 滑坡支擋后穩(wěn)定性分析

4.1 治理方案的選擇

通過治理方案的對比，從安全可靠、經(jīng)濟合理、技術(shù)可行等方面綜合考慮，該滑坡滑動面較深，滑坡推力相對較大，被保護工程對象重要，滑坡變形活動顯著，宜在滑坡前緣采用抗滑樁支擋的措施[9]。

抗滑樁采用埋入式，截面尺寸經(jīng)優(yōu)化后采用1.5m×2.2m，樁長18.0m，嵌固段6.5m，樁身混凝土強度等級采用C30，樁間距6.0m。

圖4 設樁后滑坡位移云圖

圖5 設樁后滑坡剪應力云圖

4.2 抗滑樁的物理力學特性

抗滑樁的物理力學參數(shù)取值見表2抗滑樁物理力學參數(shù)取值表。

4.3 治理效果分析

抗滑樁植入后，滑坡位移及剪應力分布如圖4設樁后滑坡位移云圖和圖5設樁后滑坡剪應力分布云圖所示。

由圖4~5可知，設抗滑樁支擋后樁后的碎石土主要為擠密固結(jié)變形，變形主要以豎向位移為主，樁前的變形量急劇減小，塑性變形區(qū)未貫通，即滑面在設樁處被抗滑樁隔斷，滑面將不再貫通而發(fā)生整體滑動破壞，穩(wěn)定系數(shù)提高至1.17，抗滑樁的抗滑支擋作用顯著，支擋后滑坡穩(wěn)定。

5 結(jié)論

通過滑坡模型的建立，對其現(xiàn)狀穩(wěn)定性分析和治理后效果評價，可得到如下結(jié)論：

1）通過有限元模型的建立和網(wǎng)格劃分，適宜的巖土及結(jié)構(gòu)參數(shù)選取，模擬計算結(jié)果表明，該滑坡在目前的狀況為欠穩(wěn)定狀態(tài)，存在危險的滑動面，需要采取適宜的治理措施，以保證坡腳場鎮(zhèn)居民的安全。綜合各方面因素考慮，對該滑坡提出了抗滑樁治理方案。計算結(jié)果顯示，抗滑樁植入后，滑坡穩(wěn)定性顯著提高。

2）模擬搜索出的滑動面不完全與基覆界面重合，局部地段在強風化基巖內(nèi)部，說明傳統(tǒng)的將基覆界面作為滑面有待商榷。分析時不需進行條分，也不需要提前假定滑移面，自動搜索出的滑移面能較真實的反應邊滑坡破壞狀態(tài)。

3）可以很好的模擬巖土體與結(jié)構(gòu)的共同作用，對工程治理前后效果有比較直觀的對比分析。

4）小型鄉(xiāng)鎮(zhèn)的建設盡量避免在陡峻的坡腳和地質(zhì)災害發(fā)育地段，選址前需做好場地適宜性評估。當不可避免需開挖切坡時，應進行工程支擋結(jié)構(gòu)的設計并且在開挖后及時采取支護措施。

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The Application of MIDAS-GTS to Stability Analysis and Control of Landslide

SHI Mao-jun

(No.909 Geological Team, BGEEMRSP, Mianyang, Sichuan 621000)

The excavation and unloading at the front of the landslide near the town during rebuilding of the Beichuan Qiang Autonomous County Town resulted in the deformation of retaining wall at the front of the landslide. The landslide stability must be evaluated in order to guarantee the safety of the resident in the town. This study establishes a two-dimension model by use of MIDAS-GTS and analyzes stability of the landslide, considering the landslide as unstable. A control of anti slide pile is put forward.

MIDAS-GTS; finite element method; landslide stability; application

P642.22

A

1006-0995（2017）03-0441-04

10.3969/j.issn.1006-0995.2017.03.020

2016-11-14

史茂君(1986-)，男，四川旺蒼人，工程師，主要從事巖土工程設計及地質(zhì)災害防治方面的工作